第12章机械零件材料及成

1、第第1212章章 机械零件材料及成形工艺的选用机械零件材料及成形工艺的选用12.1 工程材料及成形工艺选用的基本原则 在进行工程材料及成形工艺的选择时一般可遵循下列在进行工程材料及成形工艺的选择时一般可遵循下列四条基本原则四条基本原则:1):1)使用性能足够的原则；使用性能足够的原则；2)2)工艺性能良好工艺性能良好的原则：的原则：3)3)经济性合理的原则；经济性合理的原则；4)4)结构、材料、成形工艺结构、材料、成形工艺相适应的原则。相适应的原则。12.1.112.1.1使用性能足够的原则：使用性能足够的原则： 使用性能主要指零件在使用状态下材料应具有的力学使用性能主要指零件在使用状态下材料

2、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，性能、物理性能和化学性能。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。零件的工作条件，零件受力分析与选材，失效分析与选材12.1.212.1.2工艺性能良好的原则工艺性能良好的原则 在选用材料和确定工艺时，应该考虑将原材料加工在选用材料和确定工艺时，应该考虑将原材料加工成优质零件或加工成毛坯的成优质零件或加工成毛坯的难易程度难易程度，也就是，也就是材料对加材料对加工工艺的适应能力工工艺的适应能力。所选材料的工艺性能及具体成形工。所选材料的工艺性能及具体成形工艺良好与否，将对零件的质量、生产效率及生产成本有艺良好与

3、否，将对零件的质量、生产效率及生产成本有重要的影响。重要的影响。1.1.金属材料的工艺性能金属材料的工艺性能：可锻性： 各种金属材料，各种金属材料，按可锻性能比较，在碳钢中，低碳钢最按可锻性能比较，在碳钢中，低碳钢最好，中碳钢次之，高碳钢较差。好，中碳钢次之，高碳钢较差。低合金钢低合金钢的可锻性近于中碳的可锻性近于中碳钢钢高合金钢高合金钢的可锻性的可锻性较差较差。形变铝合金虽可锻造成各种形。形变铝合金虽可锻造成各种形状的锻件，但它的塑性较差，因锻造温度范围窄，可锻性并状的锻件，但它的塑性较差，因锻造温度范围窄，可锻性并不好。铜合金的可锻性一般较好。不好。铜合金的可锻性一般较好。焊接性： 在机械

4、工业中，在机械工业中，焊接的主要对象是钢材焊接的主要对象是钢材。低碳钢和低碳钢和碳含量低于碳含量低于0.35的合金钢的焊接性能较好的合金钢的焊接性能较好。碳含量和。碳含量和合素元素含量越高焊接性能越差。合素元素含量越高焊接性能越差。 铜合金和铝合金的焊接性能都铜合金和铝合金的焊接性能都较差较差，灰铸铁，灰铸铁基本上不基本上不能焊接。能焊接。2.2.高分子材料的工艺性能高分子材料的工艺性能 高分子材料的加工工艺路线比较简单，成高分子材料的加工工艺路线比较简单，成形后经切削加工或焊接后便可成为零件。形后经切削加工或焊接后便可成为零件。12.1.312.1.3经济性合理的原则经济性合理的原则 1 1

5、材料的价格；材料的价格；2 2加工费用；加工费用；3 3材料代用；材料代用；4 4在淬透性满足要求的情况下，应优先选用碳素钢；在淬透性满足要求的情况下，应优先选用碳素钢；5 5成组选材，减少品种便于管理。成组选材，减少品种便于管理。热处理改性热处理改性以铁代钢以铁代钢12.1.4 12.1.4 结构、材料、成形工艺相适应的原则结构、材料、成形工艺相适应的原则 上述材料与成形工艺选择的三个原则是互相上述材料与成形工艺选择的三个原则是互相渗透，有机相连的。实际上对于不同零件，材料渗透，有机相连的。实际上对于不同零件，材料与工艺的选用与工艺的选用是否合理是否合理是使用性、工艺性和经济是使用性、工艺性

6、和经济性综合平衡的结果性综合平衡的结果。在保证使用性能的前提下，兼顾其他因素。12.2 12.2 具体成形方法及改性工艺的选用具体成形方法及改性工艺的选用小的螺校可以小的螺校可以冷镦冷镦的方法，大螺栓以的方法，大螺栓以热锻法热锻法，使，使螺拴头螺拴头成形。成形。 生产批量生产批量对于材料及其成形工艺的选择极为重对于材料及其成形工艺的选择极为重要，特别是对于后者。一般的规律是，在要，特别是对于后者。一般的规律是，在单件、小单件、小批量生产批量生产情况下铸件选用情况下铸件选用手工砂型铸造手工砂型铸造成形，锻成形，锻件采用件采用自由锻或胎模锻自由锻或胎模锻成形方法，焊接件则以成形方法，焊接件则以手工

7、手工或半自动的焊接或半自动的焊接方法为主，薄板零件则采用板金、方法为主，薄板零件则采用板金、钳工成形的方法。在钳工成形的方法。在大批量生产大批量生产的条件下，则分别的条件下，则分别采用采用机器造型、模锻、埋弧自动焊及板料冲压等成机器造型、模锻、埋弧自动焊及板料冲压等成形方法形方法。生产批量生产批量 合理确定材料合理确定材料预备热处理预备热处理及及最终热处理最终热处理工艺工艺方法及其在工艺流程中的方法及其在工艺流程中的位置位置12.3 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 12.3.1 轴类零件轴类零件 1. 1.轴类零件工作条件及对性能的一般要求轴类零

8、件工作条件及对性能的一般要求 轴的失效的主要形式有轴的失效的主要形式有疲劳断裂、疲劳断裂、脆性断裂、磨损及变形失效。脆性断裂、磨损及变形失效。 根据工作条件和失效形式，可以对轴用材料提根据工作条件和失效形式，可以对轴用材料提出如下性能要求：出如下性能要求：应具有应具有优良的综合力学性能优良的综合力学性能，即要求有高的强度和韧性，以防变形和断裂。即要求有高的强度和韧性，以防变形和断裂。应应具有具有高的疲劳强度高的疲劳强度，防止疲劳断裂。，防止疲劳断裂。应具有应具有良好良好的耐磨性的耐磨性。2.2.选材选材 轴类零件轴类零件一般采用一般采用球墨铸铁球墨铸铁、中碳钢中碳钢或或中碳合中碳合金钢金钢制造

9、，常用材料有：制造，常用材料有：QT9002QT9002、4545、40Cr40Cr、40MnB40MnB、30CrMnSi30CrMnSi、35CrMo35CrMo和和40CrNiMo40CrNiMo等。具体钢等。具体钢种的选用应根据载荷的类型和淬透性的大小来决定。种的选用应根据载荷的类型和淬透性的大小来决定。 选择材料时，必须同时考虑热处理工艺轴类零选择材料时，必须同时考虑热处理工艺轴类零件通常需经件通常需经调质处理调质处理，获得，获得回火索氏体组织回火索氏体组织具有高具有高强度的同时，还有较高的韧性。为了提高轴颈处的强度的同时，还有较高的韧性。为了提高轴颈处的耐磨性。调质后还需进行耐磨性

10、。调质后还需进行高频表面淬火高频表面淬火或或渗氮处理渗氮处理，以便提高表面硬度。以便提高表面硬度。 3 3成形工艺选择成形工艺选择 对于主要考虑刚度的轴以及主要承受静载荷的轴，对于主要考虑刚度的轴以及主要承受静载荷的轴，如如曲轴、凸轮轴曲轴、凸轮轴等，可采用铸造成形的等，可采用铸造成形的球墨铸铁球墨铸铁来制造。来制造。 以球墨铸铁铸造成形的轴的热处理主要采用正火以球墨铸铁铸造成形的轴的热处理主要采用正火处理。为提高轴的力学性能也可采用调质或正火后的处理。为提高轴的力学性能也可采用调质或正火后的进行表面淬火、贝氏体等温淬火等工艺。进行表面淬火、贝氏体等温淬火等工艺。 对于以强度要求为主的独特别是

11、在运转中伴随有对于以强度要求为主的独特别是在运转中伴随有一定的冲击载荷的轴，大多采用一定的冲击载荷的轴，大多采用锻造成形锻造成形。锻造成形。锻造成形的轴常用材料为的轴常用材料为中碳钢或中碳合金调质钢中碳钢或中碳合金调质钢。这类材料。这类材料的锻造性能较好。的锻造性能较好。4 4轴类零件举例轴类零件举例以以C620C620车床主轴为例，分析材料与工艺的选用车床主轴为例，分析材料与工艺的选用中碳钢或中碳合金钢中碳钢或中碳合金钢，经过调质处理有良好的综合力学性能，经过调质处理有良好的综合力学性能材料选用：材料选用：4545钢钢 成形选择：本例中的轴径变化较大，可采用成形选择：本例中的轴径变化较大，可

12、采用锻造成形锻造成形，通过减径拔长，通过减径拔长，锻成阶梯状毛坯。锻成阶梯状毛坯。原材料原材料 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 大端局部高频感应淬火大端局部高频感应淬火 低温回火低温回火 精密精密加工。加工。加工工艺路线加工工艺路线：12.3.2 12.3.2 齿轮类零件齿轮类零件 大多数重要齿轮的受力共同特点是：大多数重要齿轮的受力共同特点是：1 1）由于）由于传递扭矩齿轮根部承受较大的传递扭矩齿轮根部承受较大的交变弯曲应力交变弯曲应力；2 2）齿的表面承受较大的齿的表面承受较大的接触应力接触应力，在工作过程中相，在工作过程中相互滚动和滑动，表面受

13、到强烈的互滚动和滑动，表面受到强烈的摩擦和磨损摩擦和磨损；3 3）由于换档、启动或啮合不良，轮齿会受到由于换档、启动或啮合不良，轮齿会受到冲击冲击。 齿轮的材料应具有以下齿轮的材料应具有以下主要性能主要性能：1 1）高高的弯曲的弯曲疲劳强度和高的接触疲劳强度和高的接触疲劳强度疲劳强度；2 2）齿面有）齿面有高的硬高的硬度和耐磨性度和耐磨性；3 3）轮齿）轮齿心部心部要有要有足够的强度和韧性足够的强度和韧性。 陶瓷是不合适的，因为其脆性大。陶瓷是不合适的，因为其脆性大。齿轮用材料齿轮用材料工程塑料工程塑料( (如尼龙、聚碳酸脂如尼龙、聚碳酸脂) )：在一些受力不大或无润：在一些受力不大或无润滑条

14、件下工作的齿轮，可选用来制造。滑条件下工作的齿轮，可选用来制造。铸铁铸铁: :一些低应力、低冲击载荷条件下工作的齿轮，可用一些低应力、低冲击载荷条件下工作的齿轮，可用HT250HT250、HT350HT350、QT6003QT6003、QT7002QT7002等材料来制造。例等材料来制造。例如汽车发动机上的凸轮、齿轮，材料可选灰铸铁如汽车发动机上的凸轮、齿轮，材料可选灰铸铁HT200HT200。钢钢: :对于较为重要的齿轮，一般都用钢制造。对于较为重要的齿轮，一般都用钢制造。传递功率传递功率大大、接触应力大、运转速度高而又受较大冲击载荷的齿、接触应力大、运转速度高而又受较大冲击载荷的齿轮，通常

15、选择轮，通常选择低碳钢或低碳合金钢，如低碳钢或低碳合金钢，如20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等制造，并经渗碳及渗碳后热处理，最终表面硬度要求等制造，并经渗碳及渗碳后热处理，最终表面硬度要求为为565662HRC62HRC，心部硬度，心部硬度303045HRC,45HRC,渗碳层深度可在渗碳层深度可在0.90.91.22mm1.22mm间选择。属于这类齿轮的一般有精密机床间选择。属于这类齿轮的一般有精密机床的的主轴传动齿轮主轴传动齿轮、走刀齿轮和变速箱的、走刀齿轮和变速箱的高速齿轮高速齿轮。 对于对于小功率齿轮小功率齿轮，通常选择，通常选择中碳钢中碳钢，并经，并经表面淬火和低温

16、回火表面淬火和低温回火最终最终表面硬度表面硬度要求为要求为525258HRC58HRC或或454550HRC50HRC。心部硬度心部硬度282835HRc35HRc。属于这类齿轮的，通常是机床的变速齿轮。属于这类齿轮的，通常是机床的变速齿轮。 12.3.3 12.3.3 机架、箱体类零件机架、箱体类零件 各种机械的机身、底座、支架、横梁、工作台以各种机械的机身、底座、支架、横梁、工作台以及齿轮箱、轴承座、阀体、内燃机的缸体等都可视为及齿轮箱、轴承座、阀体、内燃机的缸体等都可视为机架、箱体类零件。机架、箱体类零件。 机架、箱体类零件的机架、箱体类零件的特点是特点是：形状不规则，结构：形状不规则，结构比较比较复杂并带有内腔复杂并带有内腔，重量从几干克至数十吨，工作，重量从几干克至数十吨，工作条件也相差很大。条件也相差很大。 零件一般受力不大，但要求有良好的刚度和密封零件一般受力不大，但要求有良好的刚度和密封性，在多数情况选用灰