第九章 典型零件的选材及工程材料的应用.ppt

1、第九章 典型零件的选材及工程材料的应用,第一节 选材的一般原则,选用材料应考虑的一般原则是： 使用性原则 是保证零件完成规定功能的必要条件。 工艺性原则 材料的工艺性能表示材料加工的难易程度。 经济性原则 保证零件生产和使用成本最低，效益最大。,第二节 典型零件的选材及工艺路线设计,一、齿轮类零件的选材 1. 齿轮的工作条件、失效形式及性能要求 齿轮是机械工业中应用最广的零件之一，主要用于传递扭矩和调 节速度。 （1）工作条件 1）由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力。 2）齿面相互滑动和滚动，承受较大的交变接触力及强烈的摩擦。 3）由于换档、启动或啮合不良，齿部承受一定的冲击。 （2）主

2、要失效形式 1）疲劳断裂。 主要发生在齿根。它是齿轮最严重的失效形式。 2）齿面磨损。3）齿面接触疲劳破坏 。4）过载断裂。,（3）性能要求 1）高的弯曲疲劳强度 2）高的接触疲劳强度和耐磨性 3）齿轮心部要有足够的强度和韧性 2. 齿轮零件的选材（p.226，表9-4） 3. 典型齿轮选材及热处理举例 机床齿轮和汽车齿轮为例,（1）机床齿轮普通车床变速箱齿轮，受力不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击。选材：中碳钢45或40Cr热处理技术要求：齿面硬度HRC5055，心部硬度HB220250。热处理方法：锻后正火、调质、高频淬火工艺路线：下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火+低温回火磨齿,（

3、2）汽车齿轮 工作条件比机床恶劣。受力大，超载和受冲击频繁，要求较高的表面耐磨、抗疲劳性能，心部强韧性高。一般选合金渗碳钢。例如，解放牌载重汽车的变速箱齿轮。 选材：20CrMnTi 热处理技术要求：渗层0.81.3mm，齿面硬度HRC5862，心部硬度HRC3545。 热处理方法：锻后正火950970空冷，HB179217 渗碳920940，46h，预冷至830850直接油淬， 170190低温回火2h 工艺路线：下料锻造正火机加渗碳(内孔防渗)、预冷淬火+低温回火喷丸校正花键孔磨齿,二、轴类零件的选材 1. 轴的工作条件、失效形式及性能要求 （1）一般轴的工作条件 1）传递一定的扭矩，承受

4、交变弯矩和拉、压载荷。 2）轴颈承受较大的摩擦 3）承受一定的冲击载荷 （2）主要失效形式 1）疲劳断裂 长期受扭转和弯曲交变载荷作用 2）断裂失效 大载荷或冲击载荷作用 3）磨损失效 轴颈或花键处过度磨损 （3）对轴用材料性能要求 1）良好的综合力学性能 2）高的疲劳强度 3）良好的耐磨性,2. 轴类零件的选材 (1) 不传递动力只承受弯矩起支撑作用的轴：中碳钢调质，对有轴颈摩擦的，轴颈还要表面淬火。 (2) 主要受弯曲，扭转的轴：一般淬透性的中碳钢调质；对于高角度和尺寸稳定性和高耐磨性的，调质后要氮化。 (3) 同时承受弯曲（或扭转）及拉，压载荷的轴：淬透性较高的中碳钢，调质。 3. 典型

5、轴选材举例 （1）机床主轴选材 以C620车床主轴为例进行选材。 该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速不高， 冲击载荷也不大，所以具有一般综合力学性能即可满足要求。 但大端的轴颈、椎孔与卡盘、顶尖之间有摩擦，这些部位要求 有较高的硬度和耐磨性。 根据以上分析，车床主轴可选用45（40Cr）钢。热处理为调质处理，HB220250；轴颈和椎孔进行表面淬火，HRC52。 工艺路线为：,（2）内燃机曲轴选材 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。 由于在滚动轴承中工作，要求轴颈部有较高

6、的硬度和耐磨性。 通常可选用QT7002 ，其工艺路线如下： 铸造-高温正火-高温回火 -切削加工-轮颈气体渗氮,锻造正火粗加工调质精加工表淬及低温回火磨削,三、弹簧类零件的选材 1. 弹簧的工作条件、失效形式及性能要求 （1）工作条件 1）弹簧在外力作用下，压缩、拉伸、扭转时材料将承受弯曲应力 或扭转应力。 2）缓冲、减震或复原用的弹簧，承受交变应力和冲击载荷的作用 3）某些弹簧受到腐蚀介质和高温的作用 （2）主要失效形式 1）塑性变形 2）疲劳断裂 3）快速脆性断裂 4）在腐蚀介质中使用的弹簧易产生应力腐蚀断裂失效；高温下使 用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。,（3）对弹簧用材性

7、能要求 1）高的弹性极限和屈强比（s/b） 2）高的疲劳强度 3）好的材质和表面质量 4）某些弹簧需要良好的耐蚀性和耐热性 2. 弹簧零件的选材 弹簧种类很多，载荷大小相差悬殊，使用条件和环境个不相同。 在实际生产中多选用弹性极限高的金属材料来制造。 3. 典型弹簧选材举例 （1）汽车板簧 （2）火车螺旋弹簧,（1）汽车板簧 汽车板簧用于减震和缓冲，承受很大的交变应力和冲击载荷， 需要高的屈服强度和疲劳强度。中重型汽车板簧用50CrMn， 55SiMnV钢；重型大截面板簧用55SiMnMoV、55SiMnVNb。 其工艺路线为： 热轧钢带（板）冲载下料-压力成型-淬火-中温回火-喷丸 强化 （

8、2）火车螺旋弹簧 火车螺旋弹簧用于机车和车厢的缓冲和吸震，其使用条件和性能 与汽车板簧相近。 其工艺路线为： 热轧钢棒下料-两头制扁-热卷成型-淬火-中温回火- 喷丸强化-端面磨平 其中淬火和回火工艺同汽车板簧。,第三节 工程材料的应用,一、汽车零件用材 1. 缸体和缸盖 缸体材料必须满足下列要求： 1）有足够的强度和刚度，特别是有足够的刚度，以减小变形， 保证尺寸的稳定性。 2）良好的铸造性和切削性 3）价格低廉 2. 缸套 气缸内壁的过量磨损是造成发动机大修的主要原因之一，所以 要选用耐磨材料。常用耐磨合金铸铁。,3. 活塞、活塞销和活塞环活塞组 对活塞用材的要求是热强度高、导热性好、吸热

9、性差、膨胀系数 小、密度小，减磨性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。目前很难 找到完全满足要求的材料。常用的活塞材料是铝硅合金。 活塞销材料一般用20钢或20Cr等低碳合金钢。 活塞环材料多用以珠光体为基的灰铸铁或在其上添加Cu、Cr、 Mo的合金铸铁制造。 4. 连杆 连杆是在很复杂的应力 状态下工作的。受力有 交变拉压应力、弯曲应 力等，一般采用45钢、 40Cr或40MnB。,1 小头与连杆的过渡区 2 连杆中间 3 大头与连杆的过渡区,5. 气门 气门在工作时，要承受较高的机械负荷和热负荷。应选用耐热、 耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo等；排气门 可用4Cr10Si2

10、Mo。 6. 半轴 半轴在工作时主要承受扭转力矩和交变弯曲以及一定的冲击载荷。 通常使用调质钢制造：40Cr、45钢、40CrNi、40MnB等。 7. 车身、纵梁、档板等冷冲压零件 汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带，主要是钢板冷轧钢板 和热轧钢板。如钢板08、20、25和16Mn等。,1 花键端 2 花键与杆部相连部位 3 凸缘于杆部相连部位,8. 螺栓、铆钉等冷镦零件 9. 汽车用塑料 （1）汽车内饰用塑料 （2）汽车用工程塑料 （3）汽车外装机结构件用纤维增强塑料复合材料 10.汽车用橡胶 11.汽车用陶瓷材料,二、机床零件用材 常用的机床零部件有机座、轴承、导轨、齿轮、弹簧、紧固件、

11、 刀具等。 1. 机身、底座用材 首选材料当为灰铸铁、孕育铸铁，球墨铸铁也可使用。HT150、 HT200，HT250，HT300，QT400-17，QT600-2等等。 2. 齿轮用材 HT150、HT200，HT250，HT300，Q235，Q255，20Cr， 40Cr等等，根据不同用途选用不同材料。 3. 轴类零件用材 曲轴和主轴常用QT600-2、KTZ600-3,不重要或受力较小的轴 可用Q235、Q255等，承受大载荷的轴类可用40Cr或20Cr。,4. 螺纹联接件用材 无特殊要求的螺纹常用Q235、Q255、Q275制造；中等载荷及精 密螺纹常用35钢、45钢；重载荷及极重要的

12、螺纹用40Cr、40CrV。 5. 螺旋传动件用材 通常不进行热处理的螺旋传动件用45钢、50钢；进行热处理的螺 旋传动件用T10、65Mn、40Cr等。 6. 蜗轮传动用材 蜗轮用材：HT200、HT150、HT250等；蜗杆用材：15钢、20 钢、15Cr、20Cr、45钢、40Cr，低速传动的蜗杆也可用Q275。,7. 滑动轴承用材 滑动轴承材料应具有优异的减磨性、耐磨性、抗胶合能力和足够 的冲击韧性及抗压、疲劳强度。轴承材料可分为： （1）金属材料 包括巴士合金、铜基轴承合金和铸铁 （2）粉末冶金材料 （3）塑料轴承材料 （4）橡胶轴承 8. 滚动轴承用材 一般用GCr9、GCr15、

13、GCR15SiMn、GSiMnV等制造。 9. 机床其它零件用材 （1）凸轮用材 45钢 （2）刀具用材 工具钢、高速钢和硬质合金钢 （3）其它用材 灵活选用,三、仪器仪表用用材 仪器仪表用材包括结构钢、有色金属和工程塑料等多种，一般 应具有良好的切削性能。 1. 壳体材料 （1）金属材料 Q195、Q235，1Cr13，1Cr13Ni9Ti （2）非金属材料 工程塑料、复合材料 2. 轴类零件用材 Q235、2A12（LY12）、2A11（LY11）、HMn58-2等。 3. 凸轮用材 中碳钢或中碳合金钢 45钢，40Cr 4. 齿轮用材 仪器仪表中的齿轮用材广泛，有钢、铜、塑料、 复合材料

14、等。 5. 蜗轮、蜗杆用材 仪器仪表中常用铜合金制造蜗轮蜗杆。,四、热能设备用材 热能设备很多，主要包括锅炉、汽轮机、电机等。这些设备多在 高温、高压和腐蚀介质作用下长期运行，对所用材料要求很高。 (一)锅炉主要设备用钢 1. 锅炉管道用钢 （1）对管道用钢提出如下要求 1）足够高的蠕变极限和持久强度 2）高的抗氧化性和耐腐蚀性能 3）良好的组织稳定性 4）良好的工艺性能，特别是焊接性能要好,（2）锅炉管道用钢的选择 1）壁温500的过热器管和壁温450 的蒸汽管道。 20钢 2）壁温550 的过热器管和壁温 510 的蒸汽管道。 15CrMo 3）壁温580 的过热器管和壁温 540 的蒸汽

15、管道。 12CrMo 4）壁温(620650)的过热器管和壁温 (550570) 的蒸汽管道。 12Cr2MoWVB 5）壁温(600650)的过热器管和壁温 (550600) 的蒸汽管道。 F11，F12，HT9等 2. 锅炉汽包用钢 （1）对锅炉汽包用钢的要求 1）较高的常温和中温强度 2）良好的塑性,3）较低的缺口敏感性。 4）气孔、疏松、非金属夹杂等缺陷尽可能少。 5）良好的焊接性能等加工工艺性能。 （2）锅炉汽包用钢的选择 低压锅炉汽包用钢为12Mng、16Mng和15MnVg等普通低合金 钢板。 (二)汽轮机主要零部件用钢 汽轮机主要零部件包括汽轮机叶片、汽轮机转子和汽轮机静子等

16、1. 汽轮机叶片 （1）对叶片材料的严格要求 1）足够的室温和高温力学性能 2）良好的减震性 3）高的组织稳定性 4）良好的耐蚀性及抗冲蚀稳定性 5）良好的冷、热加工工艺性能,（2）汽轮机叶片材料的选择 主要有三种1）铬不锈钢（1Cr13和2Cr13）2）强化型铬不锈钢。 在1Cr13和2Cr13基础上加入Mo、W、V、Nb、B等元素；3） 铬镍不锈钢，Cr17Ni13W、Cr14Ni18W2NbBCe 2. 汽轮机转子 汽轮机转子是汽轮机的心脏，其工作条件十分恶劣。主轴工作时 承受扭转应力、弯曲应力和热应力，以及震动产生的附加应力和 发电机短路时产生的巨大扭转应力和冲击载荷的共同作用。 （1

17、）对制造转子的材料的要求有： 1）良好的综合力学性能。 2）一定的抗氧化、抗蒸汽腐蚀的能力 3）不允许存在白点、内裂、缩孔、大块非金属夹杂物或密集性 细小夹杂物等缺陷。 4）有良好的淬透性、焊接性等工艺性能。,（2）针对上述要求，转子用钢选择 叶轮、主轴和转子的材料是按不同的强度级别选用的，但它们 都属于中碳钢和中碳合金钢。只有制作焊接转子时，为了保证材 料的焊接性才适当降低碳含量（例如选用17CrMo1V钢）. 3. 汽轮机静子 汽轮机静子部件是在高温、高压或一定的温差、压差作用下长期 工作的。静子部件在机组运行时将承受蒸汽的内压力、转子质量 所引起的静应力、由于温差所产生的热应力，以及由于

18、变化的热 应力所引起的热疲劳作用。因此，对静子材料提出以下要求： 1）足够高的室温力学性能和较好的热强性。 2）具有一定的抗氧化性和抗腐蚀性，良好的热疲劳性能和组织 稳定性。 3）具有尽可能好的铸造性能和焊接性能。,五、化工设备用材 （一）低合金钢 1. 压力容器用低合金结构钢 常用的是低合金结构钢。要求强度、塑性和焊接性能。常用钢种 16MnR、15MnVR和18MnMoNbR。 2. 不锈钢 化工设备对材料耐蚀性能有较高的要求，因此广泛的利用各种不 锈钢制造。 （1）铬不锈钢 1Cr13、2Cr13等钢种有良好的耐蚀性，0Cr13、0Cr17Ti有良 好的塑性。 （2）铬镍不锈钢 由耐蚀要

19、求的压力容器常用铬镍不锈钢，主要牌号有1Cr18Ni9、 0Cr18Ni11Ti和0Cr17Ni12Mo2等。,3. 耐热钢 有些化工设备是在650以上的高温环境工作。在这样高的温度 下，一般碳钢抗氧化腐蚀性能和强度变得很差而无法使用，此时 必须采用耐热钢。主要牌号有：1Cr13Si3、1Cr13Ni3、 1Cr25Ni20Si2等。 4. 其它类型的特殊性能钢 （1）低温钢 在化工生产中，会用到零件必须采用能承受低温的金属材料制造。 主要牌号有：16MnDR、09Mn2VDR、09MnTiCuREDR。 （2）抗氢腐蚀钢 我国目前生产的抗氢钢种有：15CrMo、20CrMo、12Cr3MoA

20、、 15MnV、10MoVWNb。 （3）抗氮腐蚀钢 1Cr18Ni9Ti不锈钢具有较强的抗氮化腐蚀能力，故常用制造氨合 成塔的内件。,(二)有色金属及其合金 1. 铜及其合金 铜耐蚀性好，除了各种浓度的硝酸、氨和胺盐溶液。黄铜可作深 冷设备的筒体、管板、法兰和螺母等。锡青铜主要来制造耐蚀和 耐磨零件。 2. 铝及其合金 工业纯铝广泛应用于制造硝酸、含硫石油工业、橡胶硫化和含硫 的药剂等生产所用设备。防锈铝可用作空气分离的蒸馏塔、热交 换器等。铸铝可制造形状复杂的耐蚀零件。 3. 铅及其合金 铅在许多物质中，特别是在热硫酸和冷硫酸中具有较高耐蚀性。 由于其强度、硬度低，主要用来做设备衬里。 4. 镍及其合金 镍在碱类物质中具有良好的耐蚀性。,（三）非金属材料 1. 无机非金属材料 （1）化工陶瓷 主要用于制作塔、泵、管道、耐酸瓷砖和设备衬里。 （2）玻璃 制作管道、离心泵、热交换器、精馏塔等设备。 （3）天然耐酸材料 可制造衬砌设备、设备密封圈、填料。 2. 有机非金属材料 （1）工程塑料 工程塑料品种很多，在化工生产中应用很广泛。 （2）不锈钢石墨 可制造换热设备。,六、航空航天器用材 1. 中碳调质钢 （1）Cr-Mn-Si钢 其中30CrMnSi是最典型的钢种。 （2）Cr-Ni-Mo钢 主要用于高负荷、大截面的轴类及承