轴的常用材料及其机械性能.doc

轴的常用材料及其机械性能 轴的材料种类很多，选用时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。轴的常用材料是优质碳素钢35、45、50，最常用的是45和40Cr钢。对于受载较小或不太重要的钢，也常用Q235或Q275等普通碳素钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢，常用的有40Cr、40MnB、40CrNi等。球墨铸铁和一些高强度铸铁，由于铸造性能好，容易铸成复杂形状，且减振性能好，应力集中敏感性低，支点位移的影响小，故常用于制造外形复杂的轴。特别是我国研制成功的稀土-镁球墨铸铁，冲击韧性好，同时具有减摩、吸振和对应力集中敏感性小等优点，已用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件，如曲轴等。根据工作条件要求，轴都要整体热处理，一般是调质，对不重要的轴采用正火处理。对要求高或要求耐磨的轴或轴段要进行表面处理，以及表面强化处理(如喷丸、辐压等)和化学处理(如渗碳、渗氮、氮化等)，以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小时，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，多采用锻件。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造。轴的常用材料及其机械性能(MPa)材料牌号 热处理 毛坯直径(mm) 硬度HB 抗拉强度b 屈服强度s 弯曲疲劳极限-1 扭转疲劳极限-1 许用弯曲应力备注+1 0 -1 Q235-A - - - 440 240 180 105 125 70 40 用于不重要或载荷不大的轴 20 正火 25 156 420 250 180 100 125 70 40 用于载荷不大，要求韧性较高的场合。 正火回火 100100300300500500700 103156 400380370360 220200190180 165155150145 95908580 125 70 40 35 正火 25 87 540 320 230 130 165 75 45 用于有一定强度要求和加工塑性要求的轴。 正火回火 1001003003005005007507501000 149187143187137187 520500480460440 270260240230220 210205190185175 120115110105100 165 75 45 调质 100100300 156207 560540 300280 230220 130125 175 85 50 45 正火 25 241 610 360 260 150 195 95 55 应用最广泛。 正火回火 100100300300500500750 170217162217156217 600580560540 300290280270 240235225215 140135130125 195 95 55 调质 200 217255 650 360 270 155 215 100 60 40Cr 调质 25 1000 800 485 280 245 120 70 用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴。 100100300300500500800 241286229269217255 750700650600 550500450350 350320295255 200185170145 245 120 70 35SiMn42SiMn 调质 25 900 750 445 255 245 120 70 性能接近40Cr，用于中小型轴。 100100300300400400500 229286217269217255196255 800750700650 520450400380 355320295275 205185170160 245 120 70 40MnB 调质 25 1000 800 485 280 245 120 70 性能同40Cr，用于重要的轴。 200 241286 750 500 335 195 245 120 70 40CrNi 调质 25 1000 800 485 280 285 130 75 用于很重要的轴 35CrMo 调质 25 100 850 500 285 245 120 70 性能接近40CrNi，用于重载荷的轴。 100100300300500500800 207269 750700650600 550500450400 350320295270 200185170155 245 120 70 38SiMnMo 调质 100100300300500500800 229286217269196241187241 750700650600 600550500400 360335310270 210195175155 275 120 70 性能接近于35CrMo。 37SiMn2MoV 调质 25 1000 850 495 285 275 120 70 用于高强度、大尺寸和重载荷的轴。 200200400400600 269302241286241269 880830780 700650600 425395370 245230215 275 120 70 38CrMoAlA 调质 30 229 1000 850 495 285 275 125 75 用于要求耐磨、高强且热处理变形很小的(氮化)轴 20Cr 渗碳淬火回火 1560 表面HRC5662 850650 550400 375280 215160 215 100 60 用于要求强度、韧性均较高的轴(如齿轮轴、蜗杆) 20CrMnTi 渗碳淬火回火 15 表面HRC5662 1100 850 525 300 365 165 100 1Cr13 调质 60 187217 600 420 275 155 275 130 75 用于腐蚀条件下工作的轴。 2Cr13 调质 100 197248 660 450 295 170 275 130 75 1Cr18Ni9Ti 淬火 6060180100200 192 550540500 220200200 205195185 120115105 165 75 45 用于在高、低温及强腐蚀条件下工作的轴。 QT400-15 - - 156197 400 300 145 125 100 用于结构、形状复杂的轴 QT450-10 - - 170207 450 330 160 140 110 QT500-7 - - 187255 500 380 180 155 125 QT600-3 - - 197269 600 420 215 185 150 注：1. 表中所列疲劳极限数据，均按下式计算-10.27(b+s)，-10.156(b+s)。2. 其他性能，一般可取s(0.550.62)s，01.4-1，01.5-1。3. 球墨铸铁-10.36b，-10.31b。4. 许用静应力+1=b/Sb，许用疲劳应力-1-1/S-1。5. 选用-1时，重要零件取小值，一般零件取大值。各种发动机曲轴材料及热处理用途 材料 预备热处理 最终热处理工艺 硬度（HB）工艺层深（mm）硬度（HB）轿车、轻型车拖拉机 4550MnQT600-3 正火调质正火 170228217277229302 感应淬火氮碳共渗：570，180min油冷氮碳共渗：560，180min油冷 24.50.50.1 5563500HV0.1650HV 载重车及拖拉机 QT600-34545 正火正火调质 220260163196207241 感应淬火，自回火感应淬火，自回火感应淬火，自回火 2.93.534.53 4658556355 重型载重车 45QT900-235CrMo 正火正火+回火调质 280321216269 氮碳共渗感应淬火 0.91.235 300HV105358 大马力柴油机 QT600-335CrNi3Mo35CrMoQT600-3 正火+回火调质+稳定化处理调质正火+回火 240300 渗氮，490，60h离子渗氮，515，40h渗氮，510，120h 0.30.50.7 600HV550HV600HV 各种凸轮轴材料及热处理工艺用途 材料 预备热处理 最终热处理工艺 硬度（HB）工艺层深（mm）硬度（HB）小拖拉机轿车吉普 QT600-3合金铸铁45 正火去应力退火调质 229302241302187229 贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火氮碳共渗感应淬火 0.10.153.06.0 4350700HV颈5563齿4558 载重车拖拉机 45QT600-3 正火去应力退火 163197230280 感应淬火贝氏体等温淬火 2.55.5 颈5563齿455845 重型车 20QT600-350 去应力退火正火 170 渗碳、淬火回火贝氏体等温淬火感应淬火、回火 1.31.71.52.0 586243515963 大马力柴油机 船 20CrMnTi 正火 - 渗碳、淬火、回火 1.72.2 5661机 车50Mn 退火去应力退火 241285 感应淬火凸轮轴颈 251.54 58625562 45 正火 - 感应淬火、回火 1.32.5 5055 机床主轴材料和热处理工作条件 材料 热处理 硬度 原 因 使用实例 1)与滚动轴承配合2)轻载荷或中等载荷，转速低3)精度要求不高4)稍有冲击载荷，交变载荷可以忽略不计 45 调质处理 220250HB 1)调质后，保证主轴具有一定强度2)精度要求不高 一般机床主轴 1)与滚动轴承配合2)轻载荷或中等载荷，转速略高3)装配精度要求不太高4)冲击和交变载荷可以忽略不计 45 调质后局部整体淬硬4247HRC 1)有足够的强度2)轴颈及配件装拆处得到需要的硬度3)简化热处理操作4)不承受较大冲击载荷 龙门铣床，立式铣床小型立式车床等的主轴 1)与滚动轴承配合2)轻载荷或中等载荷，转速低PV150Nm/(cm2s)3)精度要求不很高4)冲击,交变载荷不大 45 正火 170217HB 1)正火或调质后保证主轴具有一定的强度和韧性2)轴颈处有滑动摩擦，需要有较高的硬度 C650、C660、C8480等大重型车床主轴 调质 220250HB 轴颈部分 表面淬硬4853HRC 1)与滚动轴承配合2)承受中等，转速较高3)精度要求较高4)交变,冲击载荷较小 40Cr(42MnVB) 淬硬调质后局部淬硬 4247HRC或5257HRC1)为保证有足够的强度，选用40Cr调质2)轴颈和配件装拆处得到需要的硬度3)若无冲击力，硬度要求取高值 齿轮铣床，组合车床等的主轴 1)与滚动轴承配合2)承受中等，转速较高3)精度要求较高4)交变,冲击载荷较小5)工作中受冲击载荷 40Cr(42MnVB) 调质 220250HB 1)调质后主轴有较高的强度和韧性2)轴颈处得到需要的硬度 铣床，龙门铣床，车床等的主轴 轴颈部分 表面淬硬 4853HRC 1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷，转速较高PV400Nm/(cm2s)3)承受较高的交变和冲击载荷4)精度要求较高 40Cr(42MnVB) 调质处理 220250HB或250280HB 1)调质后主轴有较高的强度和韧性2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬3)配件装拆部分有一定硬度 车床主轴或磨床砂轮主轴(80mm以下) 轴颈部分表面淬火 5257HRC 装拆配件处表面淬硬 4853HRC 1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷，转速较PV400Nm/(cm2s)提高3)承受较高的交变和冲击载荷4)精度要求更高 40Cr(42CrMn) 调质处理 表面硬度5661HRC 1)调质后主轴有较高的强度和韧性2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬3)配件装拆部分有一定硬度 磨床砂轮主轴 轴颈部分表面淬火 装拆配件处表面淬硬 1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷或重载荷PV400Nm/(cm2s)3)要求轴颈有更高的耐磨性4)精度要求较高5)承受较高的交变，但冲击载荷较小 65Mn 调质 250280HB 1)调质后有较高的强度2)表面淬硬后提高耐疲劳性能3)获得较高的硬度，提高耐磨性4)表面马氏体易粗大，冲击值低 磨床砂轮主轴 轴颈部分 表面淬硬 59HRC 装拆配件处表面淬硬 5055HRC 1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷或重载荷PV400Nm/(cm2s)3)要求轴颈有更高的耐磨性4)精度要求较高5)承受较高的交变，但冲击载荷较小6)表面硬度和显微组织要求更高 GCr159Mn2V 调质 250280HB59HRC 1)获得高的表面硬度和良好的耐磨性能2)超精磨性好，粗糙度易降低 较高精度的磨床主轴 轴颈部分 表面淬硬 装拆配件处表面淬硬 1)与滑动轴承配合2)受重载荷，转速很高3)精度要求极高，轴隙0.003mm4)受很高的疲劳应力和冲击载荷 38CrMoAlA 正火或调质 250280HB 1)有很高的心部强度2)达到很高的表面硬度，不易磨损保持精度稳定3)优良的耐疲劳性能4)畸变量小 高精度磨床主轴，镗床主轴、坐标镗床等的主轴 渗氮 900HV 1)与滚动或滑动轴承配合，转速较低2)受轻载荷或中等载荷 50Mn2 正火 192241HB 对于大直径主轴，当热处理设备或技术有困难时，可用此材料 重型机床主轴 1)与滑动轴承配合2)受中等载荷心部强度不高，但转速很高3)精度要求不太高4)不大的冲击压力和