一、 轴类零件的工况与性能要求

在选择材料和热处理工艺前，必须明确轴的服役条件：

受力情况：承受交变的扭转、弯曲应力，可能伴有冲击载荷。

失效形式：主要为疲劳断裂（多为扭转或弯曲疲劳）和轴颈磨损。

核心性能要求：

高强度和高疲劳强度：抵抗变形和疲劳断裂。

良好的韧性：承受冲击载荷，防止脆性断裂。

表面高硬度、高耐磨性：抵抗装配套件（如轴承、齿轮）的磨损。

良好的综合力学性能：心部和表面性能的合理匹配。

二、 不同材质轴类锻件的热处理工艺差异与选择

根据轴的载荷、尺寸和重要性，其选材和热处理工艺有很大差异。下图清晰地展示了基于不同材质和性能要求的热处理工艺选择路径：

轴锻件材料选择

低碳钢/合金钢

(20, 20CrMnTi)

中碳钢/合金钢

(45, 40Cr, 42CrMo)

高合金钢

(GCr15, 38CrMoAl)

渗碳 (Carburizing)

核心：表面高硬度高耐磨

心部高韧性

适用于高冲击载荷

对耐磨性要求高?

感应淬火 (Induction Hardening)

核心：表面硬度高、变形小

适用于大型轴、局部淬火

调质 (Quenching & Tempering)

+（必要时）表面淬火

核心：综合力学性能优异

应用***广泛的传统工艺

特殊工艺

(完全淬火+低温回火 / 氮化)

核心：超高强度/高耐磨耐疲劳

适用于精密、重载轴

以下是各类材料的详细说明：

1. 中碳钢及中碳合金结构钢 (***主流的选择)

典型牌号：

碳钢：45钢（应用***广）

合金钢：40Cr、42CrMo、35CrMo、40MnB、34CrNiMo6

热处理核心工艺：调质处理 (Quenching and Tempering) + (表面淬火)

工艺细节：

调质 (QT)：

淬火：加热至~850°C（Ac3以上30-50°C），保温后在水或油中快速冷却，得到高强度的马氏体组织。

45钢：淬透性差，常用于尺寸较小、载荷不大的轴，多采用水淬或聚合物溶液淬火。

40Cr/42CrMo：淬透性好，可用于尺寸较大、载荷重要的轴，采用油淬，变形和开裂风险更低。

回火：在500-650°C高温回火，得到回火索氏体组织。目的是降低硬度、提高韧性和塑性，消除内应力，获得优良的综合力学性能。

作用：为轴提供强韧的心部性能，抵抗整体变形和疲劳裂纹的萌生。

表面淬火 (常为感应淬火)：

调质后进行。利用感应电流快速加热轴颈等表面区域，然后快速冷却，仅使表层几毫米深度硬化。

目的：在不降低心部韧性的前提下，使表面获得高硬度（HRC 50-60）和高耐磨性。

优点：变形小，效率高，易于自动化。

选择依据：

45钢：用于一般载荷、转速不高的轴，如普通机床轴、小型传动轴。

40Cr：用于中等载荷、转速较高的轴，如汽车变速箱轴、机床主轴。

42CrMo, 34CrNiMo6：用于重载、承受冲击载荷的大型轴，如船用轴、汽轮机转子、重型车辆半轴。

2. 渗碳钢 (低碳合金结构钢)

典型牌号：20CrMnTi、20CrMo、20Cr2Ni4A

热处理核心工艺：渗碳 + 淬火 + 低温回火 (Carburizing → Quenching → Low-temperature Tempering)

工艺细节：

渗碳：将轴在920~930°C的富碳气氛中长时间保温，使碳原子渗入表面，形成一层高碳（~0.8-1.0%C）的渗层（深度通常为0.5-2mm）。

淬火：

直接淬火：渗碳后预冷至淬火温度直接淬火。

重新加热淬火：渗碳缓冷后，再重新加热到淬火温度进行淬火。组织性能更易控制。

低温回火：150~200°C回火，消除应力，稳定组织。

***终组织与性能：

表面：高碳回火马氏体 + 碳化物，硬度高（HRC 58-62）、耐磨性好。

心部：低碳马氏体或屈氏体+铁素体，硬度不高但韧性极好。

选择依据：

适用于表面要求极高耐磨性，同时心部要求高韧性以承受强烈冲击载荷的轴。

典型应用：汽车、拖拉机变速箱齿轮轴、发动机活塞销、高速重载齿轮轴。

3. 氮化钢 / 高合金特殊用钢

典型牌号：38CrMoAlA（专用氮化钢）、GCr15（轴承钢）

热处理核心工艺：调质 + 氮化 / 特殊淬火

工艺细节：

38CrMoAlA (氮化钢)：

先调质：获得回火索氏体组织，为氮化做好组织准备。

精加工：氮化前轴需精加工到接近***终尺寸。

氮化：在500-570°C的氨气中长时间保温（20-50小时），使氮原子渗入表面，形成极高硬度（HV 1000-1200，约HRC 68-72）、高耐磨、高耐腐蚀的氮化物层。

优点：变形极小（“无变形热处理”），硬度高热稳定性好。

应用：高精度、高速机床主轴、磨床砂轮轴、曲轴等。

GCr15 (轴承钢)：

工艺：完全淬火 + 低温回火。加热到830-850°C后油淬，再150-160°C回火。

组织性能：得到极细小的回火马氏体+均匀分布的碳化物，硬度高达HRC62-66，具有极高的接触疲劳强度和耐磨性。

应用：主要用于制造滚动轴承的套圈和滚动体，但也用于制造精密机床主轴、丝杠等超高精度、高耐磨的轴类零件。

三、 锻件热处理工艺选择总结与对比

材料类别典型牌号核心热处理工艺性能特点适用轴类型

中碳钢 45 调质 + (表面淬火) 心部韧性较好，表面耐磨 一般载荷传动轴 

中碳合金钢 40Cr, 42CrMo 调质 + (表面淬火) 综合性能优异，强韧性高 主流重载轴，如变速箱轴、转子 

渗碳钢 20CrMnTi 渗碳 + 淬火 + 低温回火 表面超高耐磨，心部高韧性 高冲击载荷轴，如汽车齿轮轴 

氮化钢 38CrMoAlA 调质 + 氮化 表面极硬、耐磨、抗疲劳、变形极小 高精度、高速轴，如精密机床主轴 

轴承钢 GCr15 淬火 + 低温回火 超高硬度、耐磨、接触疲劳强度高 小型精密轴，如仪器仪表轴 

四、 ***终决策逻辑：如何为一根轴选择材料和热处理？

分析工况：载荷大小（静/动/冲击）、转速、精度要求、有无磨损。

确定核心要求：

重载且冲击大？ -> 优先考虑渗碳钢（20CrMnTi） 或高强度合金调质钢（34CrNiMo6）。

重载但冲击一般？ -> 合金调质钢（42CrMo） + 调质 + 表面淬火是***佳选择。

精度要求极高，变形要求极小？ -> 氮化钢（38CrMoAlA） + 氮化。

普通载荷，成本敏感？ -> 45钢 + 调质 + 表面淬火。

考虑尺寸效应：大截面轴必须选用高淬透性的合金钢（如42CrMo代替40Cr，34CrNiMo6代替42CrMo），以确保心部能淬透，获得良好的调质效果。

总之，轴锻件的热处理是一个系统性工程，其选择是材料科学、力学要求与生产经济性之间平衡的结果。对于关键部件，往往需要借助计算机模拟和工艺试验来***终确定***优方案。