碳钢空心套管在机械轴套/衬套中的应用与成型性能研究

碳钢空心套管在机械轴套/衬套中的应用与成型性能研究

摘要：机械轴套/衬套是机械传动系统的核心辅助零部件，承担减摩、耐磨、定心、缓冲等关键功能，其性能直接影响设备运行的稳定性与使用寿命。碳钢空心套管凭借材质易得、加工便捷、性价比突出、力学性能可调等优势，成为机械轴套/衬套的首选原材料之一，广泛应用于各类通用机械与专用设备中。本文结合20#、45，系统研究碳钢空心套管在机械轴套/衬套中的具体应用场景、应用要求，深入分析其冷拔、热轧两种主流成型工艺的性能特点，探讨影响成型性能的核心因素，提出优化成型工艺、提升产品适配性的具体措施，为碳钢空心套管在机械轴套/衬套领域的合理应用、成型工艺优化提供理论支撑与实践参考，推动轴套/衬套产品向高效、耐用、低成本方向发展。

关键词：碳钢空心套管；机械轴套；机械衬套；应用场景；成型性能；工艺优化

一、引言

在机械传动系统中，轴套/衬套作为轴与机架、轴与箱体之间的连接部件，主要作用是减少轴与配合件之间的摩擦磨损，校正轴的径向跳动，缓冲轴传动过程中的冲击载荷，保护轴与配合部件不受损伤，延长整个传动系统的使用寿命。轴套/衬套的工作环境复杂，需承受一定的径向载荷、轴向载荷及摩擦作用，对材质的力学性能、耐磨性能、加工性能及性价比均有明确要求。

目前，机械轴套/衬套的原材料主要包括碳钢、铸铁、铜合金、工程塑料等，其中碳钢空心套管因具有材质来源广泛、加工难度低、力学性能可通过热处理灵活调控、成本低廉等显著优势，占据了通用机械轴套/衬套市场的主导地位。常用的碳钢空心套管主要为20#、45，不同钢号的碳钢因含碳量差异，力学性能与成型性能有所不同，适配不同工况的轴套/衬套需求。

但在实际应用中，碳钢空心套管的成型工艺选择不合理、成型性能管控不到位，常导致轴套/衬套出现尺寸精度不足、表面质量差、耐磨性能不达标等问题，影响其使用效能。因此，深入研究碳钢空心套管在机械轴套/衬套中的应用场景与要求，分析其成型性能及影响因素，优化成型工艺，对提升轴套/衬套产品质量、降低生产成本、拓展碳钢空心套管的应用范围具有重要的现实意义。

二、碳钢空心套管在机械轴套/衬套中的应用研究

碳钢空心套管在机械轴套/衬套中的应用，核心是根据轴套/衬套的工作工况（载荷等级、转速、温度、介质），匹配不同钢号的碳钢材质，确保其力学性能、耐磨性能与工况需求精准适配。结合工业生产实践，20#、45、应用要求如下：

2.1 常用碳钢空心套管的材质适配性

机械轴套/衬套对碳钢空心套管的材质要求，主要集中在强度、硬度、塑性、韧性及耐磨性能，不同钢号的碳钢空心套管适配不同工况需求：

20：属于优质低碳钢，含碳量0.17%~0.24%，具有塑性优良、韧性好、焊接性能佳、加工难度低的特点，经退火、正火处理后，硬度控制在130~150HB，抗拉强度≥410MPa，适合用于轻载荷、低转速、需焊接装配的轴套/衬套场景，可通过表面淬火轻微提升表面硬度，增强耐磨性能。

45：属于优质中碳钢，含碳量0.42%~0.50%，强度、硬度显著高于20，经淬火+回火处理后，硬度可控制在25~40HRC，抗拉强度≥600MPa，耐磨性能优良，但塑性、韧性略差，焊接性能不佳，适合用于中高载荷、中高转速、对耐磨性能要求较高的轴套/衬套场景，无需焊接装配，重点保证承载能力与耐磨性。

此外，10，仅用于极低载荷、简易型轴套/衬套；16Mn低合金碳钢空心套管因强度与韧性均衡，可用于中高载荷、有一定冲击的轴套/衬套场景，拓展了碳钢空心套管的应用范围。

2.2 具体应用场景与应用要求

结合机械行业的不同领域，碳钢空心套管制成的轴套/衬套，具体应用场景及对应要求如下：

通用机械领域：在机床、水泵、风机、减速机等通用设备中，轴套/衬套主要承担定心、减摩功能，工况以轻中载荷、低中转速为主，多采用20#、45。机床主轴轴套需保证较高的尺寸精度（外径公差≤±0.02mm），采用45，经精密车削、淬火+中温回火处理，确保定心精度与耐磨性能；水泵、风机轴套需具备一定的耐腐蚀性能（抵御水、灰尘介质），采用20，表面进行防锈处理，降低磨损与腐蚀。

工程机械领域：在挖掘机、装载机、起重机等工程机械中，轴套/衬套需承受较大的径向载荷、冲击载荷，工况复杂（高温、粉尘、振动），对耐磨性能、承载能力要求极高，多采用45。挖掘机斗杆轴套、装载机连杆轴套，需承受频繁的冲击与摩擦，采用45，经淬火+低温回火处理，硬度提升至35~40HRC，增强耐磨性能与承载能力，同时需保证壁厚均匀性，避免受力不均导致变形、开裂。

农业机械领域：在拖拉机、播种机、收割机等农业机械中，轴套/衬套以简易型、低成本为主，工况为轻载荷、低转速，多采用20，无需复杂热处理，仅经退火处理后进行简易车削加工，满足基本的减摩、定心需求，控制生产成本。

专用设备领域：在液压设备、矿山设备等专用设备中，轴套/衬套需适配高压、高温、高磨损工况，采用45。液压设备轴套需保证良好的密封性能与尺寸精度，采用45，经精密加工与热处理，确保与轴的配合间隙合理（0.01~0.03mm），避免液压油泄漏；矿山设备轴套需承受剧烈冲击与粉尘磨损，采用16Mn碳钢空心套管，经淬火+高温回火处理，兼顾强度、韧性与耐磨性能，延长使用寿命。

共性应用要求：无论何种场景，碳钢空心套管制成的轴套/衬套，均需满足三个核心要求：一是尺寸精度达标，尤其是内径、外径及壁厚均匀性，确保与轴、配合件的精准装配；二是表面质量良好，表面粗糙度Ra≤0.8μm，无毛刺、划痕、裂纹等缺陷，减少摩擦磨损；三是力学性能适配工况，根据载荷、转速需求，通过热处理调控硬度、强度，实现减摩、耐磨与承载能力的平衡。

2.3 应用中的核心优势与存在的问题

碳钢空心套管在机械轴套/衬套中的应用，核心优势体现在三个方面：一是性价比高，材质易得、加工成本低，相较于铜合金、工程塑料轴套/衬套，可降低30%~50%的原材料成本，适合批量生产；二是加工便捷，可通过冷拔、热轧、数控车削等多种工艺加工，成型难度低，能适配不同规格、不同精度要求的轴套/衬套；三是性能可调，通过退火、正火、淬火+回火等热处理工艺，可灵活调控硬度、强度、塑性，适配不同工况需求。

同时，其应用中也存在一定问题：一是耐磨性能相较于铜合金、合金钢较差，在高转速、高载荷工况下，易出现磨损过快的问题，需通过表面处理（如镀铬、氮化）提升耐磨性能；二是耐腐蚀性能不足，在潮湿、腐蚀性介质工况下，易生锈、腐蚀，影响使用寿命；三是成型性能受工艺参数影响较大，若成型工艺不合理，易出现尺寸偏差、壁厚不均等缺陷，影响轴套/衬套的装配精度与使用效能。

三、碳钢空心套管的成型性能研究

碳钢空心套管的成型性能，是指其通过冷拔、热轧等工艺，加工成符合轴套/衬套尺寸、精度要求的半成品/成品的能力，主要取决于材质特性、成型工艺参数、模具精度等因素，核心评价指标包括变形均匀性、尺寸精度、表面质量、成型效率，以下重点研究冷拔、热轧两种主流成型工艺的性能特点及影响因素。

3.1 主流成型工艺及性能特点

机械轴套/衬套所用碳钢空心套管，主要采用冷拔、热轧两种成型工艺，两种工艺的成型原理、性能特点不同，适配不同规格、不同精度要求的轴套/衬套生产，具体对比如下：

冷拔成型工艺：以冷轧坯管为原材料，通过冷拔机施加拉力，使坯管通过模具实现塑性变形，获得所需规格、精度的空心套管。其性能特点是：尺寸精度高（外径公差≤±0.02mm，壁厚偏差≤±0.03mm），表面质量优良（Ra≤0.8μm），无需后续大量精整加工，可直接用于精密轴套/衬套的加工；成型后金属晶粒细化，力学性能略有提升，冷作硬化效应明显，需通过退火处理恢复塑性；成型效率适中，适合中小规格、高精度碳钢空心套管（外径10~80mm）的批量生产，尤其适合20#、45，但单道次变形量有限，需多道次成型。

热轧成型工艺：以钢锭为原材料，经加热炉加热至950~1050℃，使钢锭软化后，通过热轧机轧制、穿孔，获得空心套管。其性能特点是：成型效率高，可实现大规格碳钢空心套管（外径80~200mm）的批量生产，适合低精度、大尺寸轴套/衬套的原材料制备；成型后金属晶粒均匀，塑性、韧性良好，冷作硬化效应弱，无需复杂退火处理；但尺寸精度较低（外径公差≤±0.05mm），表面质量较差（存在氧化皮、划痕），需后续精整、车削加工，才能满足轴套/衬套的精度要求，适合对精度要求不高的粗加工坯料。

3.2 影响成型性能的核心因素

碳钢空心套管的成型性能，受材质特性、成型工艺参数、模具精度、设备状态四大核心因素影响，各因素相互作用，决定成型产品的尺寸精度、表面质量与力学性能：

材质特性：含碳量是影响成型性能的核心材质因素，含碳量越低，塑性、韧性越好，成型性能越佳。20，冷拔、热轧成型时不易出现开裂、折痕等缺陷，成型性能优于45；45，塑性较差，冷拔成型时单道次变形量过大易出现开裂，需严格控制工艺参数，成型性能相对较差。此外，坯管材质不均、存在夹杂物、偏析等缺陷，会导致成型时变形不均，降低成型性能，影响产品质量。

成型工艺参数：冷拔成型中，单道次变形量、拉拔速度、润滑效果是关键参数。单道次变形量控制在6%~8%时，成型性能最佳，变形均匀，不易出现缺陷；拉拔速度过快（超过1.2m/s）会导致金属流动不均，表面出现划痕、壁厚波动；润滑效果不佳会加剧模具与坯管的摩擦，导致表面磨损、开裂，降低成型精度。热轧成型中，加热温度、轧制速度、压下量是关键参数，加热温度不均、轧制速度波动、压下量突变，会导致坯管变形不均，出现偏心、壁厚波动等缺陷，降低成型性能。

模具精度：模具是成型工艺的核心部件，其精度直接决定成型产品的尺寸精度与表面质量。冷拔成型中，外模与芯棒的同轴度偏差超过0.01mm，会导致空心套管出现偏心、壁厚不均；模具工作带磨损不均、表面有划痕，会导致产品表面出现毛刺、划痕，降低表面质量；热轧成型中，孔型模具尺寸偏差、磨损严重，会导致坯管外径、内径尺寸超标，影响成型性能。

设备状态：冷拔机、热轧机的精度与稳定性，影响成型工艺的稳定性与成型性能。设备主轴跳动过大、导轨平行度偏差，会导致坯管成型时定位偏移，变形不均；设备润滑不良、零部件磨损，会导致加工过程中受力波动，出现成型缺陷；设备参数调控不精准，会导致工艺参数波动，降低成型性能与产品一致性。

四、成型工艺优化措施

针对影响碳钢空心套管成型性能的核心因素，结合机械轴套/衬套的应用要求，从材质管控、工艺参数优化、模具管控、设备运维四个方面，提出成型工艺优化措施，提升成型性能，确保产品适配轴套/衬套的工况需求：

一是加强材质管控，优化坯管质量。严格筛选坯管供应商，进场坯管按批次抽样检测，剔除材质不均、含夹杂物、偏析严重的坯管；针对不同钢号的成型特性，匹配对应的成型工艺，20，45，必要时增加软化退火工序；坯管成型前进行酸洗、磷化处理，去除表面氧化皮、毛刺，提升表面质量，减少成型时的摩擦差异。

二是优化成型工艺参数，提升成型精度。冷拔成型时，采用多道次小变形量加工模式，单道次变形量控制在6%~8%，拉拔速度稳定在0.5~1.0m/s，采用石墨基纳米润滑剂，确保润滑均匀，减少摩擦；每道次冷拔后，及时进行软化退火处理（720~760℃，保温2~3h），消除冷作硬化，恢复金属塑性。热轧成型时，控制加热温度在980~1020℃，温度波动≤±10℃，均匀调整压下量，保持轧制速度稳定，热轧后及时进行控冷处理，避免冷却不均导致的尺寸偏差。

三是加强模具管控，保障模具精度。选用Cr12MoV、硬质合金等高强度、高耐磨性材质制作模具，冷拔模具外模与芯棒的同轴度控制在0.01mm以内，合理设计模具工作带长度与锥度角；定期对模具进行打磨、抛光处理，检测模具尺寸精度，及时更换磨损不均、尺寸超差的模具；模具使用前进行预装配调试，确保导向精准，避免成型偏差。

四是加强设备运维，确保加工稳定。定期校准冷拔机、热轧机的主轴跳动、导轨平行度，确保主轴跳动≤0.005mm、导轨平行度≤0.01mm/1000mm；每日开机前检查设备润滑系统、冷却系统，定期更换润滑油、冷却液，清理设备内部铁屑与杂物；优化设备参数调控系统，采用数字化控制，实时监控工艺参数，发现波动立即调整，确保成型工艺稳定。

五、结论

碳钢空心套管凭借性价比高、加工便捷、性能可调等优势，在机械轴套/衬套领域应用广泛，20、低转速、需焊接的轴套/衬套场景，45、中高转速、对耐磨性能要求较高的场景，覆盖通用机械、工程机械、农业机械等多个领域，满足不同工况的应用要求。

冷拔、热轧是碳钢空心套管的主流成型工艺，冷拔工艺适合中小规格、高精度轴套/衬套的原材料制备，成型精度高、表面质量好；热轧工艺适合大规格、低精度轴套/衬套的原材料制备，成型效率高、成本低。碳钢空心套管的成型性能，受材质特性、成型工艺参数、模具精度、设备状态四大因素影响，含碳量越高、工艺参数越粗放、模具与设备精度越低，成型性能越差，易出现偏心、开裂、表面缺陷等问题。

通过加强材质管控、优化成型工艺参数、提升模具精度、加强设备运维等优化措施，可有效提升碳钢空心套管的成型性能，确保其尺寸精度、表面质量与力学性能适配轴套/衬套的应用要求，降低缺陷率、提升产品合格率。未来，可结合数字化仿真与智能检测技术，进一步优化成型工艺参数，结合表面处理技术（镀铬、氮化）提升碳钢轴套/衬套的耐磨、耐腐蚀性能，拓展其在高端机械轴套/衬套领域的应用范围，推动机械轴套/衬套产品的高质量发展。