电动冲击扳手T型轴材质及热处理工艺的合理选择

2022-11-01游瑞华张峰王凤岗

电动工具 2022年5期

游瑞华，张峰，王凤岗

（浙江亚特电器股份有限公司，浙江嘉兴 314000 ）

0 引言

在部分电动冲击扳手产品中，与套筒连接的T型轴因受到打击块的频繁打击及交变扭曲应力的作用，经常出现T型轴打击部分磨损严重或疲劳断裂现象，致使冲击扳手工作力矩下降，严重时或丧失功能，影响了工具的实际使用寿命。T型轴作为电动冲击扳手关键零部件之一，其原材料和热处理工艺的合理选用决定了整机的实际使用寿命长短，特别是在高功率、大扭矩产品中显得尤为重要。本文分析电动冲击扳手T型轴的材质及热处理工艺选用方案，旨在提升该类电动工具的实际使用寿命与产品可靠性。

1 概述

电动冲击扳手的工作原理是通过高速旋转的打击块不断打击T型轴而产生径向旋转力矩，从而拧紧和拆卸螺纹紧固件。T型轴在承受打击块的频繁打击以及交变应力作用下，打击的接触面和与套筒相连的四方头出现磨损或断裂现象，达到一定程度后，致使冲击力矩下降，整机性能也随之下降或丧失[1]。设计开发电动冲击扳手，特别是大扭矩冲击扳手时，合理选择T型轴的原材料和热处理工艺至关重要。

2 方案设计

2.1 小扭矩电动冲击扳手

小扭矩电动冲击扳手，是指拧紧力矩小于200 N·m的产品系列，适用于M8～M16标准螺栓螺母或M6～M12高强度螺栓螺母。因其力矩小，T型轴毛胚可选用低合金渗碳钢20CrMnTi、20CrMo、20CrNiMo（SAE 8620）或20CrNi2Mo(SAE 4320)等材料冷锻或冷挤压而成，或采用中碳合金钢35CrMo、42CrMo等材料热锻而成[2]。毛胚经粗、半精加工后，进行渗碳淬火热处理或淬火回火热处理，零部件制造工艺流程如下：棒料（卷料）—冷锻或冷挤压或热锻—T型轴毛胚—粗加工、半精加工—热处理（低合金钢渗碳淬火、中碳合金钢淬火回火处理）—喷丸或抛丸表面处理—精加工—组装T型轴成品—检验—表面涂防锈油处理—包装出货。

20CrMnTi、20CrNiMo等低合金钢，900℃～930℃渗碳后冷却至760℃～850℃油淬火再经160℃～200℃低温回火2 h～3 h，得到的渗碳层表面显微组织为隐针状回火马氏体+少量细粒状弥散均匀分布的碳化物，显微组织为回火马氏体,如图1和图2所示。渗碳层深度为0.8 mm～1.2 mm，表面硬度650 HV0.2～750 HV0.2，内部硬度400 HV0.2～500 HV0.2（40 HRC～48 HRC），可得到更高的力学性能和应用性能。

图1 20CrMnTi渗碳淬火+回火后表面金相组织

图2 20CrMnTi渗碳淬火+回火后芯部金相组织

35CrMo、42CrMo等中碳合金钢，加热至830℃～860℃整体油淬火再经160℃～250℃低温回火后，得到的金相组织为板条状回火马氏体+少量细粒状弥散均匀分布的碳化物，硬度为48 HRC～53 HRC。

2.2 中扭矩电动冲击扳手

中扭矩电动冲击扳手，是指拧紧力矩为200 N·m～500 N·m的产品系列，适用于M12～M22标准螺栓螺母或M10～M16高强度螺栓螺母。T型轴毛胚一般选用低合金渗碳钢20CrNiMo（SAE 8620）或20CrNi2Mo (SAE 4320)等材料冷锻或冷挤压而成。毛胚经粗、半精加工后，进行渗碳淬火热处理，零部件制造工艺流程如下：棒料（或卷料）—冷锻或冷挤压—T型轴毛胚—粗加工、半精加工—热处理（渗碳淬火+回火）—喷丸或抛丸表面处理—精加工—组装T型轴成品—检验—表面涂防锈油处理—包装出货。

20CrNiMo（SAE 8620）、20CrNi2Mo(SAE 4320)等低合金钢，900℃～930℃渗碳后冷却至860℃左右油淬火再170℃低温回火3 h后，得到的渗碳层表面显微组织是1～5级针状回火马氏体+少量1～4级细粒状碳化物+少量2～5级残余奥氏体，内部显微组织为板条状回火马氏体+少量贝氏体，如图3、图4所示。渗碳层深度为0.7 mm～1.0 mm，表面硬度650 HV0.2～750 HV0.2，内部硬度400 HV0.2～-500 HV0.2（40 HRC～48 HRC）。

图3 20CrNi2Mo渗碳淬火+回火后表面金相组织

图4 20CrNi2Mo渗碳淬火+回火后芯部金相组织

2.3 大扭矩电动冲击扳手

大扭矩电动冲击扳手，是指拧紧力矩为500 N·m～2 500 N·m的产品系列，适用于M12～M48标准螺栓螺母或M10～M36高强度螺栓螺母。大扭矩电动冲击扳手T型轴，因其受到更大的冲击力矩和疲劳应力作用，更容易磨损或断裂，原材料的合理选材和合适的热处理工艺尤为重要。

1）方案一

采用20Cr2Ni4或20CrNi4Mo高强度合金渗碳钢棒料，经冷锻或冷挤压毛胚、粗、半精加工后，进行渗碳淬火+低温回火热处理，零部件制造工艺流程如下：棒料—冷锻或冷挤压—T型轴毛胚—粗加工、半精加工—热处理（渗碳淬火+低温回火）—喷丸或抛丸表面处理—精加工—组装T型轴成品—检验—表面涂防锈油处理—包装出货。

20Cr2Ni4高强度合金钢，900℃～930℃气体渗碳后冷却至880℃时第1次油淬火，再进行第2次780℃油淬火，随后在-60℃～-80℃深冷1 h～2 h，经180℃～200℃低温回火2 h～3 h后，得到的渗碳层表面显微组织是隐针状回火马氏体+少量细粒状弥散均匀分布的碳化物，内部显微组织为板条状回火马氏体+少量贝氏体，如图5、图6所示。渗碳层深度为0.8 mm～1.2 mm，表面硬度650 HV0.2～750 HV0.2，内部硬度400 HV0.2～500 HV0.2（40 HRC～48 HRC）。

图5 20Cr2Ni4渗碳淬火+回火后表面金相组织

图6 20Cr2Ni4渗碳淬火+回火后芯部金相组织

2）方案二

采用30CrNi4Mo或40CrNiMoA高强度合金钢棒料，经冷锻或冷挤压毛胚、粗、半精加工后，再进行淬火+低温回火+两端局部高频感应淬火热处理，零部件制造工艺流程如下：棒料—冷锻或冷挤压—T型轴毛胚—粗加工、半精加工—热处理（淬火+低温回火+两端局部高频感应淬火）—喷丸或抛丸表面处理—精加工—组装T型轴成品—检验—表面涂防锈油处理—包装出货。

30CrNi4Mo高强度合金钢半成品零件，820℃～860℃温度范围内油淬火，经180℃～230℃低温回火后，在T型轴四方头部分和打击面两个凸耳部分进行局部高频感应淬火处理，淬硬层的深度一般为0.8 mm～1.2 mm，表面硬度650 HV0.2～750 HV0.2，内部硬度450 HV0.2～530 HV0.2（45 HRC～52 HRC）。淬硬层表面显微组织是隐针状回火马氏体+少量细粒状弥散均匀分布的碳化物，内部显微组织为板条状回火马氏体+少量贝氏体,如图7、图8所示。四方头及打击部分的表面可获得更高的硬度、强度、耐磨性和疲劳强度，同时轴的内部仍保持较高的强韧性。