典型零件的选材.doc

材料选用的原则与方法机械零件的选材是一项十分重要的工作。选材是否恰当，特别是一台机器中关键零件的选材是否恰当，将直接影响到产品的使用性能、使用寿命及制造成本。要做到合理选用材料，就必须全面分析零件的工作条件、受力性质和大小，以及失效形式，然后综合各种因素，提出能满足零件工作条件的性能要求，再选择合适的材料并进行相应的热处理以满足性能要求。选用工程材料的基本原则是：不仅要充分考虑材料的使用性能能够适应机械零件的工作条件要求、使机器零件经久耐用同时还要兼顾材料的加工工艺性能、经济性与可持续发展性，以便提高零件的生产率、降低成本、减少能耗、减少乃至避免环境污染等。选材的一般方法材料的选择是一个比较复杂的决策问题。目前还没有一种确定选材最佳方案的精确方法。它需要设计者熟悉零件的工作条件和失效形式，掌握有关的工程材料的理论及应用知识、机械加工工艺知识以及较丰富的生产实际经验。通过具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后确定合理的选材方案。一般，根据零件的工作条件，找出其最主要的性能要求，以此作为选材的主要依据。零件材料的合理选择通常按照以下步骤进行：(1) 对零件的工作条件进行周密的分析，找出主要的失效方式，从而恰当地提出主要性能指标。一般地，主要考虑力学性能，特殊情况还应考虑物理、化学性能。(2) 调查研究同类零件的用材情况，并从其使用性能、原材料供应和加工等方面分析选材是否合理，以此作为选材的参考。(3) 根据力学计算，确定零件应具有的主要力学性能指标，正确选择材料。这时要综合考虑所选材料应满足失效抗力指标和工艺性的要求，同时还需考虑所选材料在保证实现先进工艺和现代生产组织方面的可能性。(4) 决定热处理方法或其他强化方法，并提出所选材料在供应状态下的技术要求。(5) 审核所选材料的经济性，包括材料费、加工费、使用寿命等。(6) 关键零件投产前应对所选材料进行试验，可通过实验室试验、台架试验和工艺性能试验等，最终确定合理的选材方案。(7) 最后，在中、小型生产的基础上，接受生产考验。以检验选材方案的合理性。典型零件的选材轴类零件的选材轴是机器中的重要零件之一，一切回转运动的零件都装在轴上。根据轴的作用与所承受的载荷，可分成心轴和转轴两类。心轴只承受弯矩不传递扭矩，心轴可以转动，也可以不转动。转轴按负荷情况有以下几种：只承受弯曲负荷的，如车辆轴；承受扭转负荷为主的传动轴；同时承受弯曲和扭转负荷的，如曲轴；还有同时承受弯、扭、拉、压负荷的，如船舶螺旋桨推进轴。1. 轴类零件的工作条件及失效形式轴主要用于支承传动零件并传递运动和动力，是影响机械设备运行精度和寿命的关键零件。轴类零件工作时主要承受弯曲应力、扭转应力或拉压应力；轴颈处及与其他零件相配合处承受较大的摩擦和磨损作用；大多数轴类零件还承受一定的冲击力，若刚度不够，会产生弯曲变形和扭曲变形。轴类零件失效形式有疲劳断裂、过量变形、过度磨损等。2. 轴类零件的性能要求根据工作条件和失效形式，轴类零件的材料必须具有良好的综合力学性能：足够的强度、刚度、塑性和一定的韧性，以防止过载和冲击断裂；高的硬度和耐磨性，以提高轴的运转精度和使用寿命；高的疲劳强度，对应力集中敏感性小，防止疲劳断裂；足够的淬透性，淬火变形小；良好的切削加工性；价格低廉。在特殊情况下工作的轴，要求具有特殊性能，如高温下工作的轴，抗蠕变性能要好；在腐蚀性介质中工作的轴，要求耐蚀性好等。3. 轴类零件选材时考虑的因素在特定应用场合的轴，选材时要考虑如下的几个因素。(1) 载荷类型和大小。承受弯曲和扭转载荷时，轴的选材对淬透性要求不高，根据轴颈大小和负荷大小部分淬透就行；承受拉、压载荷或载荷中有拉、压成分，而且拉、压成分不能忽略时，如水泵轴，要根据轴颈大小选择保证能淬透的材料。载荷大小的合理性，应根据轴的失效形式判断认定，工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，例如普通车床的主轴被认定为轻载；承受中等载荷，磨损较严重，有一定的冲击载荷，例如铣床主轴被认定为中载；工作载荷大，磨损及冲击都较严重，例如工作载荷大的组合机床主轴被认定为重载。(2) 冲击载荷。冲击载荷大小反映了轴的材料对韧性的要求。在选材时，不能片面地追求强度指标。由于材料的强度和韧性往往是相互矛盾的，一般情况下，增加强度往往要牺牲韧性，而韧性的降低又意味着材料发生脆化。因此，在选材时，要寻求高强度同时兼有高韧性的材料，才能保证使用的可靠性。(3) 疲劳强度。当疲劳失效的可能性大且成为主要的失效形式，疲劳强度应成为选材的主要力学性能指标。(4) 精度的持久性。是指轴经历相当长时间的运转后保持原有精度的能力。金属切削机床，尤其是高精度机床对此应有严格的要求。轴的精度持久性与使用过程中轴某些部位的磨损和热处理及切削加工引起的残余应力释放密切相关。热处理残余应力越小，精度持久性越高。(5) 转速。高转速意味着运转总时间的缩短，且转速高易引起振动，故转速影响精度和精度的持久性。高转速时选用氮化主轴是有利的，其次是调质和正火。(6) 配合轴承类型。配合的滑动轴承选用巴氏合金时，轴颈处硬度可略低；选用锡青铜时，轴颈处不低于50HRC；选用钢质轴承(如镗床主轴)，轴颈应有更高的表面硬度。(7) 轴的复杂程度和长径比。轴越复杂和表面不连续性越严重，应力集中越高，此时提高塑性和韧性是有利的，选用调质、渗碳较好。轴的长径比越大，热处理弯曲变形倾向越大，应选用淬透性好的材料以减少变形。同样，轴的截面越大，也应选用淬透性好的材料。4. 轴的常用材料及热处理常用轴类材料主要是经锻造或轧制的低、中碳钢或中碳的合金钢。如牌号为35钢、40钢、45 钢、50 钢等，其中45钢应用最广。这类钢一般均进行正火、调质或调质+表面淬火来改善力学性能。对于受力小或不重要的轴，可采用Q235 钢、Q275 钢等；当受力较大并要求限制轴的外形、尺寸和质量，或要求提高轴颈的耐磨性时，可采用20Cr 钢、40Cr 钢、40CrNi 钢、20CrMnTi 钢、40MnB 钢等，并辅以渗碳、调质、调质+高频表面淬火等相应的热处理。近年来越来越多的采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作为轴的材料，尤其是作曲轴材料。其热处理主要是退火、正火、调质和表面淬火。5. 轴类零件的工艺路线(1) 整体淬火轴的工艺路线：下料锻造正火或退火粗加工半精加工调质粗磨去应力回火精磨至尺寸(2) 调质后再表面淬火轴的工艺路线：下料锻造退火或正火粗加工调质半精加工表面淬火粗磨时效精磨或精磨后超精加工(3) 渗碳轴的工艺路线：下料锻造正火粗加工半精加工渗碳去除不需渗碳的表面层淬火并低温回火粗磨时效精磨或精磨后超精加工(4) 氮化主轴的工艺路线：下料锻造退火粗加工调质半精加工去应力回火粗磨氮化精磨或研磨到尺寸6. 轴类零件的选材示例(1) 机床主轴。主轴是机床中最主要的零件之一，工作时高速旋转，传递动力，它的工作条件及失效形式决定了主轴应具有良好的综合力学性能，但还应考虑主轴上不同部位上的不同性能要求。下面以C6132 车床主轴为例，介绍其选材方法并进行热处理工艺分析，如图8.3 所示。该轴工作时承受弯曲和扭转应力作用，有时受到冲击载荷的作用，运转较平稳，工作条件较好。主轴大端内锥孔和锥度外圆，经常与卡盘、顶针有相对摩擦；花键部分与齿轮有相对滑动，故要求这些部位有较高的硬度和耐磨性。该主轴在滚动轴承中运转，轴颈处硬度要求220HBS250HBS。根据上述工作条件分析，该主轴可选45钢。热处理工艺及应达到的技术条件是：整体调质，硬度为220HBW250HBW；内锥孔和外锥面处硬度为45HRC50HRC；花键部位高频感应淬火，其硬度为48HRC53HRC。该主轴加工工艺路线如下：下料锻造正火粗加工调质半精加工(除花键外)局部淬火、回火(内锥孔及外锥面)粗磨(外圆、外锥面及内锥孔)铣花键花键高频感应淬火、回火精磨(外圆、外锥面及内锥孔)。正火主要是消除锻造应力，并获得合适的硬度(180HBW220HBW)，改善切削加工性能及组织，为调质处理作准备；调质处理是使主轴得到好的综合力学性能和疲劳强度；内锥孔和外锥面采用盐浴炉快速加热并淬火，经过回火后可达到所要求的硬度，以保证装配精度和耐磨性；花键部位采用高频感应淬火、回火，以减少变形并获得表面硬度要求。45 钢价格低，锻造性能和切削加工性能比较好，虽然淬透性不如合金调质钢，但主轴工作时应力主要分布在表面层，结构形状较简单，调质、淬火时一般不会出现开裂，所以能满足性能要求。也有用球墨铸铁制造机床主轴的，如有用球墨铸铁代替45钢制造X62WT 万能铣床主轴，使用结果表明，球墨铸铁的主轴淬火后硬度为52HRC58HRC，而且变形比45钢小。(2) 汽车半轴。汽车半轴是驱动车轮转动的直接驱动件，也是典型的受扭矩的轴件。半轴材料与其工作条件有关，中、小型汽车的半轴目前选用40Cr 钢，而重型载重汽车用40CrMnMo 钢。下面以跃进-130 型载重汽车(载重量为2500kg)的半轴为例，如图8.4所示。该轴工作时传递扭矩，承受冲击、反复弯曲疲劳和扭转应力的作用，所以要求材料有足够的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。杆部硬度为37HRC44HRC；盘部外圆为24HRC34HRC，并具备回火索氏体与回火托氏体组织。根据上述工作条件和技术要求，可选用40Cr 钢。其加工工艺路线为下料锻造正火机械加工调质盘部钻孔磨削花键。正火的目的是为改善锻造组织，细化晶粒，有利于切削加工，获得的硬度为187HBS241HBS。调质处理是使半轴得到好的综合力学性能，并获得回火索氏体与回火托氏体组织。(3) 内燃机曲轴。曲轴是内燃机中形状复杂而又重要的零件之一，它通过连杆与内燃机汽缸中的活塞连接在一起，其作用是在工作中将活塞连杆的往复运动变为旋转运动，驱动内燃机内其他运动机构。气缸中气体爆发压力作用在活塞上，使曲轴承受冲击、扭转、剪切、拉压、弯曲等复杂交变应力，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，使之产生附加应力。因曲轴形状极不规则，所以应力分布很不均匀；另外，曲轴颈秘轴承发生滑动摩擦。因此，曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈严重磨损。根据曲轴的失效形式，要求制造曲轴的材料必须具有高的强度，一定的冲击韧性，足够的弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面还应有高的硬度和耐磨性。实际生产中，按制造工艺把曲轴分为锻钢曲轴和铸造曲轴两种。锻钢曲轴主要由优质中碳钢和中碳合金钢制造，如35 钢、40 钢、45 钢、35Mn2 钢、40Cr 钢、35CrMo 钢等。铸造曲轴主要由铸钢(如ZG230-450)、球墨铸铁(如QT600-3、QT700-2)、珠光体可锻铸铁(如KTZ450-06、KTZ550-04)以及合金铸铁等。内燃机曲轴选材原则，主要根据内燃机的类型、功率大小、转速高低和相应轴承材料等项条件而定。同时也需考虑加工条件，生产批量和热处理工艺及制造成本等。目前，高速大功率内燃机曲轴，常用合金调质钢制造，中、小型内燃机曲轴，常用球墨铸铁或45钢制造。图8.5是175A 型农用柴油机曲轴简图。该柴油机为单缸四冲程，汽缸直径为75mm，转速为2200r/min2600r/min，功率为4.4kW。因功率不大，故曲轴承受的弯曲、扭转、冲击等载荷也不大。由于在滑动轴承中工作，故要求轴颈处有较高的硬度和耐磨性。一般，性能要求是b750N/mm2，整体硬度在240HBS260HBS，轴颈表面硬度625HV，2%，Ak12J。根据上述要求，曲轴材料可选用QT700-2 球墨铸铁，其加工工艺过程如下：铸造高温正火高温回火切削加工轴颈气体渗氮高温正火(950)是为了获得基体组织中珠光体的数量并细化珠光体，提高强度、硬度和耐磨性。高温回火(560)是为了消除正火时产生的内应力。轴颈气体渗氮(渗氮温度570)是在保证不改变组织及加工精度的前提下，提高轴颈表面硬度和耐磨性。也可采用对轴颈进行表面淬火来提高其耐磨性。还可对轴颈进行喷丸处理和滚压加工，以提高疲劳强度。齿轮类零件的选材齿轮是现代工业应用最广的一种机械传动零件，它们在汽车、拖拉机、机床、冶金、起重机械及矿山机械等产品中起着重要作用。与其他机械传动零件相比，齿轮传动效率高，使用寿命长，结构紧凑，工作可靠，且保证恒定不变的传动比。它的缺点是传动噪声较大，对冲击比较敏感，制造和安装精度要求高，成本较高，一般不用于中心距较大的传动。1. 齿轮类零件的工作条件和失效形式齿轮工作时，通过齿面接触传递扭矩和调节速度，在啮合齿表面既有滚动又有滑动，因而表面受到接触压应力及强烈的摩擦和磨损。在齿根部则受到较大的交变弯曲应力的作用；此外，在启动、运动过程中的换挡、过载或啮合不良，齿轮会受到冲击载荷；因加工、安装不当或齿轮轴变形等引起的齿面接触不良，以及外来灰尘、金属屑末等硬质微粒的侵入，都会产生附加载荷，使工作条件恶化。所以，齿轮的工作条件和载荷情况是相当复杂的。齿轮的失效形式是多种多样的，主要有轮齿折断(疲劳断裂、冲击过载断裂)、齿面损伤(齿面磨损、齿面疲劳剥落)、过量塑性变形等。2. 齿轮类零件的性能要求为保证齿轮的正常工作，要求齿轮材料经热处理后，具有高的接触疲劳强度和抗弯强度，高的表面硬度和耐磨性，适当的心部强度和足够的韧性，以及最小的淬火变形。同时，具有良好的切削加工性能，以保证所要求的精度和表面粗糙度值；材质符合有关的标准规定，价格适中，材料来源广泛。3. 齿轮的常用材料及热处理根据齿轮工作条件、运转速度、尺寸大小的不同，常用的材料主要有钢、铸钢、铸铁、非铁金属、非金属材料。(1) 钢。应用于多种工作条件，是齿轮最主要的用材，它包括中碳钢、合金调质钢、合金渗碳钢等。中碳钢、合金调质钢(如40钢、45 钢、40Cr 钢、40MnB 钢、35SiMn 钢等)制成的齿轮，经调质或正火后再进行精加工，然后表面淬火、低温回火，有时经调质和正火后也可直接使用。因其表面硬度、心部韧性不很高，故不能承受大的冲击力，一般用于中、低速和载荷不大的中、小型传动齿轮。合金渗碳钢(如20CrMnTi 钢、20MnVB 钢、18Cr2Ni4WA 钢等)制成的齿轮，经渗碳并淬火、低温回火后，齿面具有很高的硬度和耐磨性，心部有足够的韧性和强度，这些钢主要用于高速、重载、冲击较大的重要齿轮。4. 齿轮类零件的选材示例(1) 机床齿轮。各种机床中大量采用齿轮来传递动力和改变速度。一般地，受力不大、运动平衡，工作条件较好，对齿轮的耐磨性及抗冲击能力要求不高。常选用中碳钢制造，为了提高淬透性，也可选用中碳的合金钢，经高频感应淬火后，虽然在耐磨和耐冲击方面比渗碳钢齿轮差，但能满足要求，且高频感应淬火变形小，生产效率高。例CA6140 车床主轴箱齿轮。齿轮工作中受力不大，转速中等，工作平稳，无强烈冲击，工作条件较好，因此，对轮齿的耐磨性及抗冲击性要求不高。心部要具有较好的综合力学性能，调质后硬度为200HBW250HBW；表面具有较高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度，采用高频淬火后，齿面硬度为45HRC50HRC。由以上分析，选用40Cr 钢可满足性能要求。其加工工艺路线为：下料锻造正火粗加工调质精加工轮齿高频感应淬火低温回火拉花键孔精磨正火是锻造齿轮毛坯必要的热处理，它可改善齿面加工质量，便于切削加工，均匀组织，消除锻造应力，一般齿轮正火处理，可作为高频感应淬火前的预备热处理；调质可使齿轮具有较高的综合力学性能，改善齿轮心部强度和韧性，使齿轮能承受较大的弯曲应力和冲击力，并减小淬火变形；高频感应淬火及低温回火是决定齿轮表面性能的关键工序，高频感应淬火可提高齿面的硬度和耐磨性，且使轮齿表面具有残留压应力，从而提高疲劳抗力；低温回火可以消除淬火应力，防止产生磨削裂纹，提高抗冲击能力。(2) 汽车、拖拉机齿轮。汽车、拖拉机齿轮主要安装在变速箱和差速器中。在变速箱中齿轮用于传递转矩和改变发动机、曲轴和主轴齿轮的传动速比。在差速器中齿轮用来增加扭转力矩并调节左右两车轮的转速，将动力传递到主动轮，推动汽车、拖拉机运行。这类齿轮受力较大，超载与受冲击频繁，工作条件远比机床齿轮恶劣。因此，对耐磨性、疲劳强度、心部强度和韧性等要求比机床齿轮高。下面以解放牌载重汽车(载重量为8t)变速箱中的一速齿轮为例进行分析，如图8.6 所示。该齿轮工作中承受载荷较大，磨损严重，并且承受较大的冲击力。因此，要求齿面硬度和耐磨性高，心部具有较高的强度与韧性，即齿面硬度为58HRC62HRC，心部硬度为33HRC48HRC，心部强度Rm1000N/mm2，心部韧性Aku47J。为满足上述要求，可选用合金渗碳钢20CrMnTi，经渗碳、淬火和低温回火处理。其加工工艺路线：下料锻造(模锻)正火切削加工渗碳淬火及低温回火喷丸校正花键孔精磨齿正火是为了均匀和细化组织，消除锻造应力，获得好的切削加工性能；渗碳后淬火及低温回火是使齿面具有高硬度和高耐磨性，心部具有足够的强度和韧性，渗碳层深1.2mm1.6mm；喷丸处理可增大渗碳表层的压应力，提高疲劳强度，同时也可以清除氧化皮。工模具的选材工模具在切削加工工业中应用非常广泛，它主要指各种刃具、模具和量具等。1. 常用刃具的选材1) 刃具的工作条件刃具主要是指车刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥、板牙等工具，它的任务就是切削。刃具在切削过程中，受到被切削材料的强烈挤压，刃部受到很大的弯曲应力，某些刃具(如钻头、铰刀)还会受到较大的扭转应力作用。刃部与切屑之间相对摩擦，产生高温，切削速度越大，温度越高，有时可达500600。一般冲击作用较小，但机用刃具往往承受较大的冲击与震动。2) 刃具的失效形式主要的失效形式是磨损、断裂、刃部软化。由于磨损增加了切削抗力，降低切削零件表面质量，也由于刃部形状变化，使被加工零件的形状和尺寸精度降低。又由于刃部温度升高，若刃具材料的红硬性低或高温性能不足，使刃部硬度显著下降，丧失切削加工能力。3) 刃具材料的性能要求根据上述工作条件和失效形式，要求刃具有高的硬度(一般在62HRC 以上)和耐磨性，还要求有高的热硬性。为了承受切削力、冲击和振动，刃具材料必须有足够的强度、韧性和塑性，以免刃部在冲击、振动载荷作用下，突然发生折断或剥落。刃具材料还要求有高的淬透性，可采用较低的冷速淬火，以防止刃具变形和开裂。4) 常用刃具材料制造刃具的材料通常有碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢、硬质合金和陶瓷等。碳素工具钢价格较低，但淬透性差。简单、低速的手用刃具，如手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等对热硬性和强韧性要求不高，它的主要的使用性能是高的硬度和耐磨性。故可用碳素工具钢(如T8、T10、T12钢)制造。低速切削、形状较复杂的刃具，如丝锥、板牙、拉刀等，可用低合金刃具钢9SiCr、CrWMn 制造。因钢中加入了Cr、W、Mn 等元素，使钢的淬透性和耐磨性大大提高，热硬性和韧性也有所改善，可在300的温度下使用。高速切削使用的刃具，选用高速钢(W18Cr4V 钢、W6Mo5Cr4V2钢等)制造。高速钢具有高硬度、高耐磨性、高的热硬性、好的强韧性和高的淬透性的特点，因此，在刃具制造中广泛使用，用来制造车刀、铣刀、钻头和其他复杂、精密的刀具。高速钢的硬度为62HRC68HRC，切削温度可达500550，价格较贵。下面以丝锥和板牙为例分析选材。丝锥加工内螺纹，板牙加工外螺纹。它们的刃部要求硬度达到59HRC64HRC，为防止使用中扭断(指丝锥)或崩齿，心部和柄部应有足够的强度、韧性及较高硬度(40HRC45HRC)。丝锥和板牙的失效形式主要是磨损和扭断。丝锥和板牙分为手用和机用两种。手用丝锥和板牙，切削速度低，热硬性要求不高，可选用T10A 钢T12A 钢，并淬火、低温回火；机用丝锥和板牙，切削速度高，所以热硬性要求较高，常选用9SiGr 钢、CrWMn 钢，并淬火、低温回火；高速切削用丝锥和板牙，热硬性要求高，常选用W18Cr4V 钢、W6Mo5Cr4V2钢，并经适当热处理。2. 常用模具的选材模具按使用条件不同分为：冷作模具、热作模具和塑料模具等。用于在冷态下变形或分离的模具称为冷作模具，如冷冲模、冷挤压模等；用来使热态金属或合金在压力下成形的模具称为热作模具，如热锻模、压铸模等；下面以冷作模具为例进行分析。1) 冷作模具的工作条件与失效形式冷作模具通常在循环冲击力的作用下，承受复杂的应力作用