机械零件中金属材料的选用和处理.doc

机械零件中金属材料的选用和处理在机械产品设计过程中，不仅需要完成机械结构、零件的设计工作， 而且还包括对构成零件的金属材料( 以下简称材料) 进行选择和应用。从某种角度上看， 材料的性能将决定一台机械设备的使用寿命，材料的选择和应用水平决定了一台机械设备的成本和质量水平。正确选择材料， 合理应用和发掘材料的潜力就成为设计成功与否的关键因素。因此，正确理解和研究材料的性能以及其对设计质量的影响，对产品设计师们以及关注制造成本的人们来讲显得尤为重要。最好的设计方案应该是在满足了机械使用功能的前提下将制造材料的成本(包括制造成本) 控制在尽可能低的范围以内。因此， 最重要的设计原则应该是寿命匹配原则， 就是说在机械设备的整个生命周期内， 所有零部件的使用寿命应尽可能地保持一致。在设计时，为了满足零件的使用需要，以提高材料的疲劳强度和寿命为目的，对材料的塑韧性提出了很高的要求，并且根据零件的使用工况提出诸如耐磨、耐热、耐腐蚀、耐低温等特殊要求。为此，材料工作者开发研制出了各种金属材料以及相应的制造工艺以满足这些要求。首先分析钢的用途与成份(牌号)之间的关系，明确“钢”(除特殊钢外)的用途主要根据含碳量(碳素钢是如此，合金钢也基本如此)。机械零件(根据其使用性能要求进行分类)的主要类型基本上有如下形式：1“外硬内韧”性能要求的机械零件如变速齿轮等。2要求具有良好“综合力学”性能的机械零件如转动件、联接件等。3具有足够的硬度与耐磨性的工件如手动工具(锉刀、丝锥等)。4要求具有足够硬度、耐磨性、红硬性的零件如：钻头、车刀等。5具有高的弹性极限与疲劳强度要求的零件弹簧类零件。6以及有局部性能要求的零件。第1类型零件，应选用低碳钢韧性好，为满足外硬的性能要求，可进行表面淬火渗碳、渗氨或软氮化等表面热处理及化学热处理(实质采用20号钢或合金渗碳钢)。第2类型零件，由于需传递较大的动力，要求具有优良的综合力学性能，故需选用中碳钢，实际选用3555号钢对大型机件来说，为了提高淬透性(即临界淬透直径DC值)可选用合金调质。第3类型零件，由于只要求具有高的硬度与耐磨性(对韧性一般没有要求)故选用高碳钢(碳素工具钢或低合金工具钢)。第4类型零件，由于高速切削加工产生高热，一般碳素工具钢不能满足其对“红硬性”的要求，故应选用回火稳定性较高低合金工具钢或高速钢(或硬质合金)。后两类零件不再繁述。(一)预备热处理的目的及选用1从切削加工性能方面考虑金属材料的切削加工性能主要取决于其硬度(金属材料最适宜的切削加工硬度值约在170230HBW )。钢的组织是铁素体与渗碳体两基本相混合而成，随含碳量增加渗碳体的相对量不断增加，相对量较多的片状或网状的渗碳体显然对切削加工过程不利，而低碳钢塑性、韧性好，而硬度较低。故高碳钢宜采用球化退火使网状渗碳体球化，而低碳钢宜采用正火，可得到细珠光体(索氏体)，提高其硬度有利于切削加工。2从消除(前道工序带来的)组织缺陷方面考虑机械零(部)件的“形”有四个类型，即(1)轴类、(2)盘类、(3)叉架类、(4)箱体类。形状较简单的零件可从原料(棒材或板材)上直接截取，而形状较复杂的零件毛坯需经过铸造、锻造或焊接成形，必然会产生内应力及成份偏析、疏松及晶粒粗大等组织缺陷。为消除零件坯料中的隐患或组织缺陷，则可采用去应力退火或正火(细化晶粒，均匀组织)或扩散退火(成份均匀化)。3对不重要的机件正火后的力学性能能满足其使用性能要求，则可作最终热处理4预备热处理的工序位置当我们分析了预备热处理的目的及选用后，很快就会明白预备热处理的工序位置应在毛坯成型后，机械粗(切削)加工之前。(二)最终热处理的目的1淬火的主要目的如果说，预备热处理改善了基体组织与渗碳体的形态、大小及分布状态，为最终热处理作组织准备，而淬火则不仅使渗碳体这脆硬相消失(或部分消失)，而且改变了钢的基体组织，获得高强度、硬度(与含碳量有关)。碳在Fe中的过饱和固溶体马氏体；或在马氏体的基体上分布着细粒状的渗碳体。2回火的目的及回火温度对钢件力学性能的影响淬火钢件由于是在急冷条件(水冷或油冷等)下冷却会产生较大的内应力。马氏体、残余奥氏体及非马氏体组织都是非稳定组织，则回火成为淬火钢件必须的后续热处理工序。低温回火回火马氏体，硬基体+硬质点(马氏体+极细微碳化物)满足作为工具钢类零件所需的力学性能。中温回火回火托氏体，(铁素体+极细粒状渗碳体)满足弹簧类零件使用性能要求(弹簧类零件也可采用等温淬火)高温回火回火索氏体，软基体+硬质点(铁素体+细粒状渗碳体)具有优良的综合力学性能，满足传动件使用性能要求。(如表面或某部位需提高其耐磨性，可进行表面淬火)3最终热处理的工序位置淬火+回火作为一般机件的最终热处理，因淬火钢件在淬火后会产生一定的变形及淬硬层深度有限等原因，故其工序位置应在机械粗(切削)加工之后，精加工或半精加工之前。(三)归纳总结在实际生产工序过程中，为满足(钢)零件使用性能要求，应先选择合适的钢料(成分)，通过预备热处理改善其工艺性能，粗加工后再进行最终热处理，以获得满足使用性能所要求的内在组织所具备的性能。热处理中的正火热处理中的“四把火”：退火、正火、淬火、回火是人们所熟知的常规热处理，正确、合理地安排它们在整个机械制造加工过程中的位置，对于改善钢的切削加工性能，保证零件的质量，满足使用要求，具有重要意义。正火既可以作为最终热处理，也可以作为预备热处理，在机械制造业中应用极为广泛。正火的应用场合1.用于低碳钢低碳钢由于退火后硬度太低，切削加工时产生粘刀的现象，切削性能差，正火后硬度略高于退火，韧性也较好，可作为切削加工的预备热处理。2.用于中碳钢正火代替退火可提高零件的力学性能；一些受力不大的工件，正火可代替调质处理作为最终热处理，简化热处理工艺；也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备热处理。3.用于工具钢、轴承钢等过共析钢球化退火前进行一次正火，过共析钢正火加热到Acm以上，使原先呈网状的渗碳体全部溶入到奥氏体，然后用较快的速度冷却，抑制渗碳体在奥氏体晶界的析出，可以消除或抑制网状碳化物的形成，从而得到球化退火所需的良好组织。4. 用于球墨铸铁得到珠光体基体，使硬度、强度、耐磨性得到提高，如用于制造汽车、拖拉机、柴油机的曲轴、连杆等重要零件。5.用于大型锻件可作为最后热处理，从而避免淬火时较大的开裂倾向。6.用于消除热加工缺陷中碳构钢铸、锻、扎件以及焊接件在加热加工后易出现粗大晶粒等过热缺陷和带状组织。通过正火处理可以消除这些缺陷组织，达到细化晶粒、均匀组织、消除内应力的目的。例如，焊接件要求焊缝强度的零件用正火来改善焊缝组织，保证焊缝强度。尤其是对于气焊焊口采用正火加高温回火热处理，这是因为气焊的焊缝及热影响区的晶粒粗大，需要细化晶粒，故采用正火处理。然而单一的正火不能消除残余应力