浅谈锤镐电机轴的选材及热处理

王俊豪，姜肖军

（ 1、浙江永康石柱电器厂，浙江永康 321301；2、浙江东川电器有限公司，浙江武义 321200 ）

浅谈锤镐电机轴的选材及热处理

王俊豪1，姜肖军2

（ 1、浙江永康石柱电器厂，浙江永康 321301；2、浙江东川电器有限公司，浙江武义 321200 ）

根据电锤、电镐的工作特点，结合电机轴类的实际要求，介绍碳素调质钢、合金调质钢、低合金渗碳钢等材料选择以及采用的热处理方式，并作分析比较。

电锤、电镐 电机轴 热处理

0 引言

电锤、电镐作为一种以实现冲击破碎或钻孔等功能为主的电动工具，有效替代了传统的手工敲打、破碎作业方式，在建筑装潢以及道路矿山等施工场所得到广泛应用。

1 工作特点

电锤、电镐以电动机为动力，带动压缩空气冲击机构（电镐以电磁铁带动）和一个减速机构，输出扭矩和冲击能量或单独输出冲击能量，使钻头实现冲击和旋转切削功能，或使凿具往复实现冲击功能，以达到在混凝土、岩石等材料上钻孔或凿切破碎目的。所以，电锤、电镐在使用中冲击力和振动较大。近年来，国内人工普遍上涨，从成本角度考虑，用户对电锤、电镐的工作效率要求也随之增加，尤其是针对锤镐冲击效能的提升。

对于组成电锤、电镐机械传动的主要零部件——齿轮、电机轴等，一般应具有转速高，启动频繁，工作时受冲击负荷大，润滑不良，易升温，振动大等特点，同时要求电机轴具有更高强度以及更好的耐冲击韧性和耐磨性等。因此，根据其工作情况合理选择材料和适宜的热处理手段是锤镐产品设计人员预先应考虑的问题。

2 材料

电锤、电镐组成的第一级齿轮直接在电机轴上滚齿，使用时产生的冲击震动对齿轮及电机轴的工作环境极为不利，电机轴上的齿数少，所以对电机轴材料性能要求应更高。

2.1碳素调质钢

电锤、电镐的齿轮、轴类零件，其良好的力学性能是通过对材料的选用以及热处理强化方法获得的。早期的电动工具中通常采用45号钢作为轴类材料，但45号钢通过淬火得到的最佳硬度仅为44～48 HRC。碳钢一般用水淬火，变形和开裂倾向较大，只适应于制造载荷较低、转速中等、形状简单且尺寸较小的轴类，显然已经不能适应锤镐类要求，仅少量应用于齿数较多的大齿轮上。

2.2合金调质钢

合金调质钢是指经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的中碳合金结构钢，在切削加工成形前必须对坯料进行调质处理，使材料的金相组织主要是回火索氏体状态硬度控制在180～230 HB之间，以利于切削加工。零件成形后再进行热处理，如整体淬火、表面感应加热淬火处理等。40Cr钢是应用最广泛的合金调质钢，属低淬透性调质钢。另外，目前业内大量使用的42CrMo，属高淬透性调质钢。

2.3低合金渗碳钢

基于锤镐电机轴必须耐冲击交变载荷，轴表面强度和耐磨性要求高的特点，这种表硬心韧的轴类，一般采用20CrMnTi或20CrMo等钢材。这类钢经表面渗碳淬火即可以达到锤镐电机轴的制造要求。

3 工艺

感应加热表面淬火是锤镐类电机轴及齿轮热处理工艺选择中被广泛应用的一种热处理方式。它利用电磁感应的原理，使零件在交变磁场中切割磁力线，在表面产生感应电流，又根据交流电集肤效应，以涡流形式将零件表面快速加热，而后急冷。该种热处理方式可控性好、速度快、生产效率高。

3.140Cr热处理

由于真空淬火要求电机轴应竖起（每根都要插到专用夹具中），过程繁琐，且边缘部分材料往往会造成硬度不足或不均匀等现象，逐渐不再采用而以表面高频感应淬火替代。40Cr最佳硬度为48～52 HRC，过高则淬火变形量大，脆性增大，在运转过程中易出现崩齿现象。按此方法淬火的电机轴在电锤功率为800 W的情况下，放置试验台架上施加100 N的压力开35 s停20 s，试验时间在50～60 h（净时间约32～38 h）即告崩齿或剃齿，效果不理想。

3.242CrMo热处理

采用42CrMo作为电锤的电机轴，模数为1.25 mm，齿数为6，全齿高为2.6 mm，其技术要求如下：

1）硬化层深度为0.5～0.7 mm；

2）表面硬度为54～58 HRC；

3）内部硬度为40～44 HRC；

4）无裂纹。

由于42CrMo的淬透性较好，普通高频感应加热淬火处理易造成齿部与芯部硬度接近产生脆性，所以我们采用自动控制高频感应加热电源，淬火介质为水溶性淬火液KR6480（调配成10%水溶液），表面淬火工艺参数为250 kHz、60 kW，移动速度为7.5 mm/s，转速为180 r/min。回火设备为电热回火烘箱，回火工艺为200℃/2 h，空冷。将电机轴齿部中间部位沿径向用线切割切下，通过金相显微镜对材料进行分析。金相分析显示：从外表面到0.6 mm处经过高频淬火后，此层为淬火马氏体，平均硬度为600 HV，即55 HRC，中间过渡区为淬火马氏体加回火索氏体，最中间硬度为227 HV，即20 HRC，至此说明电机轴中心保持了前道工序热处理的原始组织，该组织为回火索氏体。表面组织及芯部组织见图1、图2。

图1 表面组织

图2 芯部组织

按此方法淬火的电机轴在功率为800 W，冲击功为3 J的电锤上测试，放置试验台架上施加100 N的压力开35 s停20 s，试验时间均在100 h以上（净时间63 h以上），满足使用要求，实际使用效果也较理想。按此方法淬火的电机轴在功率为1 010 W，冲击功为4 J的电锤上测试，100 h左右（净时间63 h左右），电机轴齿出现剃齿、辗击失效情况，不能充分满足使用要求，实际使用效果也有此反应。

3.320CrMnTi热处理

对20CrMnTi作为电镐的电机轴，模数为1.25 mm，齿数为9，全齿高为2.5 mm，其技术要求如下：

1)渗碳层深0.5～0.7 mm；

2)表面硬度58～62 HRC；

3)芯部硬度35～40 HRC；

4)无裂纹。

由于20CrMnTi是低碳钢，淬火工艺必须为：渗碳＋淬火＋回火。20CrMnTi是一种渗碳钢，在加工前一般应进行正火处理。正火硬度为180～230 HB，以细化晶粒，改善组织分布，消除内应力，利于切削加工，为正常渗碳做好组织准备。

渗碳：温度为920～950℃，保温时间按渗碳层深度确定，速度为0.15～0.2 mm/h，渗碳层深度为0.5～0.7 mm。

淬火：20CrMnTi在渗碳后直接进行淬火，淬火介质为10号机械油。渗碳后预冷至870～880℃并保持2 h后，直接淬火。淬火后表面硬度为58～63 HRC，芯部硬度为35～40 HRC。

回火：淬火后，工件内部存在淬火应力。为消除残余应力，选择低温回火。低温回火温度为180℃，保温4 h出炉，空冷。

将电机轴齿部中间部位沿径向用线切割切下，采用金相显微镜对材料进行分析。金相分析显示，从外表面到0.6 mm处经渗碳淬火后，此层为高碳淬火马氏体，平均硬度为700 HV，即60 HRC，芯部为板条淬火马氏体加残余奥氏体，平均硬度为360 HV，即39 HRC。表面组织及芯部组织见图3、图4。

图3 表面组织

图4 芯部组织

按此方法淬火的电机轴在功率为1 500 W，冲击功45 J的电镐上测试，放置试验台架上施加100 N的压力开35 s停20 s，试验时间达200 h以上（净时间127 h以上），能满足使用要求，实际使用效果较理想。

4 结语

上述三种材料通过台架试验验证，42CrMo比40Cr在性能上有很大的提高，基本可以满足功率为800 W，冲击功3 J的电锤使用要求。对于功率为1 000 W，冲击功大于4 J的电锤，电镐电机轴材料采用20CrMnTi或20CrMo才能满足使用要求。应注意20CrMnTi淬火变形量较大，淬火后需要调直处理才能使用。在噪音这一点上，20CrMnTi比42CrMo差，需要在热处理工艺上进一步提升，减少变形。成本上，20CrMnTi比42CrMo也高许多。所以，在材料的选择使用阶段，需要设计人员根据工具自身的功率和使用特点，有目的选择使用，物尽其用的材料和适宜的热处理方法，可以收到物美价廉，事半功倍的效果。至于文中提到的几类钢具体的热处理工艺和方法，各企业都不尽相同，随着不同企业对热处理后材料的增强方向不同而有差异，如以增加强度为主，或以增加韧性为主，或为二者兼而有之。

[1]吴贤泽.电动工具的轴类齿轮零件的感应加热处理[J].电动工具，2003 (2).

[2]顾俊杰等.42CrMo钢高频感应淬火及回火对组织及硬度的影响[J].热处理技术，2010 (11).

[3]刘翔.热处理工艺对20CrMnTi齿轮组织与性能的影响[J].科技资讯，2010 (17).

On the Material Selection and Heat Treatment of Demolition Hammer Motor Shaft

Wang Junhao1, Jiang Xiaojun2
(1. Zhejiang Yongkang Shizhu Electric Appliance Factory, Yongkang 321301, China 2. Zhejiang Dongchuan Electric Appliance Co., Ltd., Wuyi 321200, China)

According to the working features of electric hammer and demolition hammer, combined with the actual requirements of motor shaft, this paper introduces the carbon quenched and tempered steel, alloy quenched and tempered steel, low alloy carburizing steel and other material selection and the way of heat treatment, and compared.

Electric hammer Demolition hammer Motor shaft Heat treatment

TG156

A

1674-2796（2014）04-0010-04

2014-05-20

王俊豪（1964—）男，本科，工程师，主要从事电动工具的产品研发工作。