第12章机械零件材料

1、第第12章章 机械零件材料及成形工艺机械零件材料及成形工艺 的选用的选用 12.1 工程材料及成形工艺选用的工程材料及成形工艺选用的 基本原则基本原则 12.1.1 使用性能足够的原则：使用性能足够的原则： 制造机器零件所用的材料首先必须满足使制造机器零件所用的材料首先必须满足使 用性能的要求。使用性能主要指零件在使用性能的要求。使用性能主要指零件在使 用状态下材料应具有的力学性能、物理性用状态下材料应具有的力学性能、物理性 能和化学性能。对于机器零件和工程构件，能和化学性能。对于机器零件和工程构件， 最重要的是力学性能。最重要的是力学性能。 12.1.2 工艺性能良好的原则：工艺性能良好的原

2、则： 在选用材料和确定工艺时，还应该考虑将原在选用材料和确定工艺时，还应该考虑将原 材料加工成优质零件或加工成毛坯的难易程材料加工成优质零件或加工成毛坯的难易程 度，也就是材料对加工工艺的适应能力。度，也就是材料对加工工艺的适应能力。 工艺性能工艺性能 最优条件最优条件 铸造性：熔点低，共晶成分。铸造性：熔点低，共晶成分。 锻造性：面心立方晶格的金属，第二组元少锻造性：面心立方晶格的金属，第二组元少 的合金。的合金。 焊接性：碳当量焊接性：碳当量0.4%。 切削性：切削性：140248HB。 热处理性：淬火变形小，回火脆性小，淬透热处理性：淬火变形小，回火脆性小，淬透 性高，过热敏感性小。性高

3、，过热敏感性小。 12.1.3 经济性合理的原则经济性合理的原则 12.1.4 材料、成型工艺、零件结构相适应材料、成型工艺、零件结构相适应 的原则的原则 12.2 具体成型方法及改性工艺的选用具体成型方法及改性工艺的选用 特点特点铸件铸件锻件锻件冲压件冲压件焊接件焊接件 材料工艺材料工艺 性能要求性能要求 流动性好，收缩率低流动性好，收缩率低塑性好，变形抗塑性好，变形抗 力小力小 塑性好，变形抗塑性好，变形抗 力小力小 强度高，塑性好强度高，塑性好 常用材料常用材料灰铸铁、球墨铸铁、中灰铸铁、球墨铸铁、中 碳钢碳钢 中碳钢、合金结中碳钢、合金结 构钢构钢 低碳钢低碳钢低碳钢、低合金低碳钢、低

4、合金 钢、不锈钢钢、不锈钢 金属组织金属组织 特征特征 晶粒粗大、疏松、杂质晶粒粗大、疏松、杂质 排列无方向排列无方向 晶粒细小、致密，晶粒细小、致密， 晶粒及杂质呈方晶粒及杂质呈方 向性排列向性排列 拉深件沿拉深方拉深件沿拉深方 向形成新的流线向形成新的流线 组织组织 焊缝区为铸造组焊缝区为铸造组 织，熔合区和过织，熔合区和过 热区有粗大晶粒热区有粗大晶粒 力学性能力学性能灰铸铁件力学性能差，灰铸铁件力学性能差， 球铁、可铁、铸钢较好球铁、可铁、铸钢较好 比相同成分的铸比相同成分的铸 钢件好钢件好 强度、硬度提高，强度、硬度提高， 结构刚度好结构刚度好 接头力学性能可接头力学性能可 达到或接

5、近母材达到或接近母材 结构特征结构特征形状一般不受限制，可形状一般不受限制，可 以相当复杂以相当复杂 形状一般较铸件形状一般较铸件 简单简单 结构轻巧，形状结构轻巧，形状 可以较复杂可以较复杂 尺寸、形状不受尺寸、形状不受 限制，结构较轻限制，结构较轻 主要适用主要适用 范围范围 灰铸铁用于受力不大或灰铸铁用于受力不大或 承压为主的零件，或要承压为主的零件，或要 求有减振耐磨的零件，求有减振耐磨的零件， 铸钢用于承受重载或复铸钢用于承受重载或复 杂载荷的零件杂载荷的零件 对力学性能尤其对力学性能尤其 是强度和韧性要是强度和韧性要 求较高的传动零求较高的传动零 件和工具、模具件和工具、模具 用于

6、以薄板成形用于以薄板成形 的各种零件的各种零件 主要用于制造各主要用于制造各 种金属结构，部种金属结构，部 分用于制造零件、分用于制造零件、 毛坯毛坯 应用举例应用举例机架、床身、底座、工机架、床身、底座、工 作台、导轨、变速箱、作台、导轨、变速箱、 泵体、阀体、带轮、轴泵体、阀体、带轮、轴 承座、曲轴、齿轮承座、曲轴、齿轮 机床主轴、传动机床主轴、传动 轴、曲轴、连杆、轴、曲轴、连杆、 齿轮、凸轮、螺齿轮、凸轮、螺 栓、锻模、冲模栓、锻模、冲模 汽车车身覆盖件、汽车车身覆盖件、 电器及仪器、仪电器及仪器、仪 表零件、油箱、表零件、油箱、 水箱等薄金属件水箱等薄金属件 锅炉、压力容器、锅炉、压

7、力容器、 化工容器管道、化工容器管道、 桥梁、车身、船桥梁、车身、船 体、飞机构件体、飞机构件 钢钢 材材 状态状态预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理钢号举例钢号举例工件举例工件举例 低低 碳碳 钢钢 热轧热轧10垫圈垫圈 锻造锻造正火正火20一般结构件一般结构件 锻造锻造正火正火淬火淬火+低温回火低温回火20Cr一般结构件一般结构件 锻造锻造正火正火渗碳渗碳+淬火淬火+低温回火低温回火20CrMnTi齿轮齿轮 调调 质质 钢钢 热轧热轧40一般结构件一般结构件 锻造锻造正火正火40一般结构件一般结构件 锻造锻造正火正火调质调质50轴轴 锻造锻造正火正火调质调质+表面淬火表面淬火+低温回

8、火低温回火40Cr轴、齿轮轴、齿轮 锻造锻造正火正火调质调质+渗氮渗氮38CrMnTi轴轴 弹弹 簧簧 钢钢 冷拔冷拔去应力退火去应力退火65Mn小螺旋弹簧小螺旋弹簧 热轧热轧淬火淬火+中温回火中温回火50CrV大螺旋弹簧大螺旋弹簧 工工 具具 钢钢 锻造锻造正火正火+球化球化 退火退火 淬火淬火+低温回火低温回火T10车刀车刀 锻造锻造正火正火+球化球化 退火退火 淬火淬火+三次高温回火三次高温回火W18Cr4V拉刀拉刀 12.3 典型零件的材料及成形工艺选择典型零件的材料及成形工艺选择 12.3.1 轴类零件轴类零件 1.性能要求：性能要求：优良的综合力学性能。优良的综合力学性能。 高的疲

9、劳强度。高的疲劳强度。良好的耐磨性。良好的耐磨性。 2.选材：调质钢：选材：调质钢：45、50、40Cr、40MnB、 30CrMnSi、35CrMo、40CrNiMo。 热处理工艺：预备热处理：正火；最终热处热处理工艺：预备热处理：正火；最终热处 理：调质处理，获得理：调质处理，获得S回 回组织，具有高强度的 组织，具有高强度的 同时，还有较高的韧性。为提高轴颈处的耐同时，还有较高的韧性。为提高轴颈处的耐 磨性，调质后还需高频表面淬火磨性，调质后还需高频表面淬火+低温回火，低温回火， 表面获得表面获得M回 回组织，提高表面硬度。 组织，提高表面硬度。 3.成形工艺：锻造。成形工艺：锻造。 4

10、.工艺路线：原材料工艺路线：原材料锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 淬火淬火 高温回火高温回火 精加工精加工 局部高频感局部高频感 应淬火应淬火 低温回火低温回火精磨加工精磨加工 12.3.2 齿轮类零件齿轮类零件 1.性能要求：性能要求：高的弯曲疲劳强度和高的高的弯曲疲劳强度和高的 接触疲劳强度。接触疲劳强度。齿面有高的硬度和耐齿面有高的硬度和耐 磨性。磨性。轮齿心部要有足够的强度和韧轮齿心部要有足够的强度和韧 性。（外硬内韧）性。（外硬内韧） 2.选材：对于较为重要的齿轮，一般都用选材：对于较为重要的齿轮，一般都用 钢制造。预备热处理：正火。钢制造。预备热处理：正火。 传递功率大、接触应力

11、大、运转速度高而传递功率大、接触应力大、运转速度高而 又受较大冲击载荷的齿轮，通常选择低碳钢又受较大冲击载荷的齿轮，通常选择低碳钢 或低合金钢，如或低合金钢，如20Cr、20CrMnTi等，经渗等，经渗 碳碳+淬火淬火+低温回火，最终表面硬度为低温回火，最终表面硬度为56- 62HRC，心部硬度，心部硬度30-45HRC，渗碳层深度，渗碳层深度 可在可在0.9-1.22mm间。属于这类齿轮的一般有间。属于这类齿轮的一般有 机床的主轴传动齿轮、走刀齿轮和变速箱的机床的主轴传动齿轮、走刀齿轮和变速箱的 高速齿轮。高速齿轮。 对于小功率齿轮，通常选用中碳钢，如对于小功率齿轮，通常选用中碳钢，如45

12、钢，经（调质钢，经（调质+）表面淬火）表面淬火+低温回火，表面低温回火，表面 硬度为硬度为52-58HRC或或45-50HRC,心部硬度心部硬度28- 35HRC。属于这类齿轮的，通常是机床的变。属于这类齿轮的，通常是机床的变 速齿轮。硬度较低的用于转速较低的齿轮，速齿轮。硬度较低的用于转速较低的齿轮， 硬度较高的用于转速较高的齿轮。硬度较高的用于转速较高的齿轮。 3.成形工艺：锻造。成形工艺：锻造。 4.工艺路线：工艺路线： 原材料原材料锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 精加精加 工工 渗碳渗碳淬火淬火 低温回火低温回火精磨加工精磨加工 原材料原材料锻造锻造 正火正火 粗加工粗加工 （淬（淬

13、 火火 高温回火高温回火 ）精加工）精加工 高频感应淬高频感应淬 火火 低温回火低温回火精磨加工精磨加工 12.3.3 机架、箱体类零件机架、箱体类零件 如机身、底座、支架、横梁、工作台、如机身、底座、支架、横梁、工作台、 以及齿轮箱、轴承座、阀体、内燃机的以及齿轮箱、轴承座、阀体、内燃机的 缸体等。缸体等。 1.特点：形状不规则，结构比较复杂并特点：形状不规则，结构比较复杂并 带有内腔，重量从几十克至数十吨。带有内腔，重量从几十克至数十吨。 2.载荷及性能要求：载荷及性能要求： 一般的基础零件，如机身、底座等，主要起一般的基础零件，如机身、底座等，主要起 支承和连接机床各部件的作用，属于非运

14、动支承和连接机床各部件的作用，属于非运动 的零件，以承受压应力和弯曲力为主，为保的零件，以承受压应力和弯曲力为主，为保 证工作的稳定性，应有较好的刚度和减振性。证工作的稳定性，应有较好的刚度和减振性。 工作台和导轨等零件，则要求有较好的耐磨工作台和导轨等零件，则要求有较好的耐磨 性。性。 这类零件一般受力不大，以承受压应力为主，这类零件一般受力不大，以承受压应力为主， 但要求有良好的刚度和减振性、耐磨性。但要求有良好的刚度和减振性、耐磨性。 3.选材及成形工艺：在多数情况选用灰铸选材及成形工艺：在多数情况选用灰铸 铁进行铸造成形。如需焊接，可选用铸铁进行铸造成形。如需焊接，可选用铸 钢。钢。

15、4.热处理：对铸铁件一般要进行去应力退热处理：对铸铁件一般要进行去应力退 火。如选用铸钢，为了消除粗晶组织、火。如选用铸钢，为了消除粗晶组织、 偏析及铸造应力，对铸钢应进行完全退偏析及铸造应力，对铸钢应进行完全退 火或扩散退火。火或扩散退火。 12.3.4 其他零件：其他零件： 1.拉深件：性能要求以塑性为主，选材要求拉深件：性能要求以塑性为主，选材要求 超低碳，一般选用超低碳，一般选用08F，成形工艺选用冲压，成形工艺选用冲压 的拉深工艺。一般不需要热处理，但如果拉的拉深工艺。一般不需要热处理，但如果拉 深系数过小，不能一次拉深成形时，应采用深系数过小，不能一次拉深成形时，应采用 多次拉深工

16、艺，应安排工序间的退火，消除多次拉深工艺，应安排工序间的退火，消除 产生的加工硬化现象。产生的加工硬化现象。 2.一般冷冲压件：性能要求有良好的塑性和一般冷冲压件：性能要求有良好的塑性和 韧性，受力不大，常选用含碳量在韧性，受力不大，常选用含碳量在0.25%以以 下的低碳钢和低合金钢，如下的低碳钢和低合金钢，如Q195、Q215、 Q235、16Mn等。一般不需要热处理。成形等。一般不需要热处理。成形 工艺为冲压。工艺为冲压。 3.焊接件：性能要求有良好的塑性和韧性，焊接件：性能要求有良好的塑性和韧性， 有一定的强度，应选用碳当量在有一定的强度，应选用碳当量在0.4%以下的以下的 低碳钢和低合

17、金钢，多选用含碳量在低碳钢和低合金钢，多选用含碳量在0.2%左左 右的低碳钢和低合金钢，如右的低碳钢和低合金钢，如Q235、16Mn等。等。 一般不需要热处理。成形工艺为焊接。一般不需要热处理。成形工艺为焊接。 4.渗碳件：经渗碳淬火后，表面硬度可达渗碳件：经渗碳淬火后，表面硬度可达 60HRC以上，既保证良好的耐磨性，又使心以上，既保证良好的耐磨性，又使心 部仍具有良好的韧性和一定的强度，从而满部仍具有良好的韧性和一定的强度，从而满 足表面耐磨并能承受冲击载荷的要求。常用足表面耐磨并能承受冲击载荷的要求。常用 于活塞销、齿轮、小轴等。选用渗碳钢，如于活塞销、齿轮、小轴等。选用渗碳钢，如 15

18、、20、20Cr、20CrMnTi等。毛坯成形方等。毛坯成形方 法一般为锻造。法一般为锻造。 5.弹簧：性能要求有高的强度，主要是高的弹簧：性能要求有高的强度，主要是高的 弹性极限、屈服点、屈强比和疲劳强度，并弹性极限、屈服点、屈强比和疲劳强度，并 具有足够的韧性。选用含碳量为具有足够的韧性。选用含碳量为0.45-0.85% 的弹簧钢，如的弹簧钢，如75、65Mn、60Si2Mn、 50CrVA。热处理工艺为淬火。热处理工艺为淬火+中温回火，处中温回火，处 理后的组织为理后的组织为T回 回。成形工艺：弹簧丝选用拉 。成形工艺：弹簧丝选用拉 拔，板簧选用冲压。拔，板簧选用冲压。 6.低速切削的刃具：性能要求：高硬度和高低速切削的刃具：性能要求：高硬度和高 耐磨性，一定的热硬性，足够的韧性和塑性。耐磨性，一定的热硬性，足够的韧性和塑性。 选用碳素工具钢或低合金工具钢，如选用碳素工具钢或低合金工具钢，如T8（承（承 受冲击）、受冲击）、T10（不受剧烈冲击）、（不受剧烈冲击）、T12（不（不 受冲击）、受冲击）、9SiCr、Cr0、CrWMn（板牙、（板牙、 丝锥、铰刀、搓丝板、拉刀等）。热处理：丝锥、铰刀