典型弹簧选材课件

一、汽车板簧

汽车板簧

(1)用途及性能要求

用于缓冲和吸振，承受很大的交变应力和冲击载荷的作用，需要高的屈服强度和疲劳强度。典型弹簧选材

(2)材料

轻型汽车选用65Mn、60Si2Mn钢制造；

中型或重型汽车,板簧用50CrMn,55SiMnVB钢；

重型载重汽车大截面板簧用55SiMnMoV,55SiMnMoVNb钢制造。

(3)工艺路线

热轧钢带(板)冲裁下料—压力成型—淬火—中温回火—喷丸强化

淬火

温度为850ºC～860ºC(60Si2Mn钢为870ºC),采用油冷,淬火后组织为马氏体。

回火

温度为420ºC～500ºC,组织为回火屈氏体。屈服强度s0.2不低于1100MPa,硬度为42HRC～47HRC,冲击韧性ak为250KJ/m2～300KJ/m2。

二、火车螺旋弹簧

火车螺旋弹簧

热轧钢棒下料—两头制扁—热卷成形—淬火—中温回火—喷丸强化—端面磨平。

淬火与回火工艺同汽车板簧。(1)用途及性能要求

机车和车箱的缓冲和吸振,其使用条件和性能要求与汽车板簧相近。

(2)材料

50CrMn、55SiMnMoV

(3)工艺路线

四、自行车手闸弹簧

自行车手闸弹簧是一种扭转弹簧，其用途是使手闸复位。该弹簧承受载荷小，不受冲击和振动作用，精度要求不高。因此手闸弹簧可用碳素弹簧钢60或65钢制造。经过冷拔加工获得的钢丝直接冷卷、弯钩成形即可。卷后可低温(200ºC～220ºC)加热消除内应力，一般也可不进行热处理。

五、继电器簧片

继电器簧片

(1)用途及性能要求

继电器簧片是一种片簧，其作用是使两电触点接触时,产生一定大小的压力，以保证触头紧密接触良好导电。簧片材料要有好的弹性、导电性和耐蚀性。簧片所受弯曲应力很小。

(2)材料

黄铜(H70)、锡青铜(QSn6.5-0.1)、白铜(B19)

黄铜的导电性好，抗疲劳性能较高，弹性一般，价格较低。

锡青铜的导电性稍低，但抗疲劳性能高，弹性好，价格稍高。

白铜的导电性好，抗蚀性高，抗疲劳性能较高，弹性好，价格较贵。

簧片生产工艺简单，可用上述材料的冷轧薄片冲裁下料成形制造。

四、刃具选材

切削加工使用的车刀、铣刀、钻头、锯条、丝锥、板牙等工具统称为刃具。

1

刃具的工作条件(1)刃具切削材料时，受到被切削材料的强烈挤压，刃部受到很大的弯曲应力。某些刃具(如钻头、铰刀)还会受到较大的扭转应力作用。

(2)刃具刃部与被切削材料强烈摩擦，刃部温度可升到500ºC～600ºC。

(3)机用刃具往往承受较大的冲击与震动。切削加工

2

刃具的失效形式

(1)磨损

由于摩擦，刃具刃部易磨损，这不但增加了切削抗力，降低切削零件表面质量，也由于刃部形状变化，使被加工零件的形状和尺寸精度降低。

(2)断裂

刃具在冲击力及震动的作用下折断或崩刃。

(3)刃部软化

由于刃部温度升高，若刃具材料的红硬性低或高温性能不足，使刃部硬度显著下降，丧失切削加工能力。4刃具的选材

制造刃具的材料有碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢、硬质合金和陶瓷等，根据刃具的使用条件和性能要求不同进行选用。

一、简单的手用刃具

手锯锯条、锉刀、木工用刨刀、凿子等简单、低速的手用刃具红硬性和强韧性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。因此可用碳素工具钢制造。如T8、T10、T12钢等。碳素工具钢价格较低,但淬透性差。二、低速切削、形状较复杂的刃具

丝锥、板牙、拉刀等可用低合金刃具钢9SiCr、CrWMn制造。因钢中加入了Cr、W、Mn等元素,使钢的淬透性和耐磨性大大提高,耐热性和韧性也有所改善,可在<300ºC的温度下使用。

(3)用陶瓷制造

陶瓷硬度极高、耐磨性好、红硬性极高,也用来制造刃具。热压氮化硅(Si3N4)陶瓷显微硬度为5000HV,耐热温度可达1400ºC。立方氮化硼的显微硬度可达8000HV～9000HV,允许的工作温度达1400ºC～1500ºC。陶瓷刀具一般为正方形、等边三角形的形状,制成不重磨刀片,装夹在夹具中使用。用于各种淬火钢、冷硬铸铁等高硬度难加工材料的精加工和半精加工。陶瓷刀具抗冲击能力较低,易崩刃。2.主要工艺说明

(1)球化退火

使钢中碳化物呈粒状分布,细化组织,降低硬度,改善切削加工性能。同时为淬火准备好适宜的组织,使最终成品组织中含有细小的碳化物颗粒,提高钢的耐磨性。锉刀通常采用普通球化退火工艺。将毛坯加热到760℃～770℃,保温一定时间(2h～4h)，然后以30℃～50℃/h的速度冷却到550℃～600℃，出炉后空冷。处理后组织为球化体，硬度为180HB～200HB。

(2)机加工刨、磨和剁齿,使锉刀成形。

(3)淬火

温度为770℃～780℃,可用盐浴加热或在保护气氛炉中加热,以防止表面脱碳和氧化。也可采用高频感应加热。加热后在水中冷却。由于锉刀柄部硬度要求较低,在淬火时先将齿部放在水中冷却,结柄部颜色变成暗红色时才全部浸入水中。当锉刀冷却到150℃～200℃时，提出水面。若锉刀有弯曲变形，可用木锤将其校直。

(4)回火

温度为160℃～180℃，时间45min～60min。若柄部硬度太高，可将柄部浸入500℃的浴盐中进行回火，或用高频加热回火，降低柄部硬度。二、齿轮滚刀

齿轮滚刀

1.性能要求、材料及工艺

(1)用途

生产齿轮的常用刃具,用于加工外啮合的直齿和斜齿渐开线园柱齿轮。其形状复杂,精度要求高。

(2)材料

高速钢(W18Cr4V)

(3)工艺路线

热轧棒材下料—锻造—退火—机加工—淬火—回火—精加工—表面处理

2.主要工艺说明

(1)锻造

W18Cr4V钢的始锻温度为1150℃～1200℃,终锻温度为900℃～950℃。锻造的目的一是成形,二是破碎、细化碳化物,使碳化物均匀分布,防止成品刀具崩刃和掉齿。由于高速钢淬透性很好,锻后在空气中冷却即可得到淬火组织,因此锻后应慢冷。

(2)退火

退火温度为870℃～880℃，退火后的组织为索氏体基体和在其中均匀分布的细小粒状碳化物。目的是便于机加工，并为淬火作好组织准备。

(3)淬火、回火

高速钢的淬火、回火工艺较为复杂。

(4)精加工

包括磨孔、磨端面、磨齿等磨削加工。精加工后刀具可直接使用。

(5)表面处理

为了提高其使用寿命，可进行表面处理，如：硫化处理、硫氮共渗、离子氮碳共渗—离子渗硫复合处理，表面涂覆TiN、TiC涂层等。

三、园锯片

(1)用途

切割钢材、有色金属、石料、塑料等材料。

(2)性能要求

整体强韧性好，锯齿硬度高、耐磨性好。

(3)材料

园锯片可以是整体的，也可以是镶齿的。镶齿式园锯片的本体用60或65Mn钢制造，锯齿用高速钢刀片或硬质合金刀片。

(4)工艺

钢板下料—冲孔—淬火—高温回火—机加工—钎焊锯齿—磨齿。

钢板冲压下料、冲孔后进行调质处理。淬火加热温度为830℃～840℃、采用油冷。回火温度为500℃～550℃。为校正园锯片淬火变形，回火时可用夹具夹紧。回火后的组织为回火索氏体，强韧性好。热处理后锯片需进行端面磨平、开槽等机加工，用钎焊方法将锯齿焊接在锯片本体上，最后进行磨齿。小结

1.齿轮主要要求疲劳强度，特别是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。根据受力分析，齿轮类零件选用低、中碳钢或其合金钢，如机床齿轮用中碳钢或中碳合金钢，汽车齿轮用合金渗碳钢。

2.轴类零件要求强度并兼顾冲击韧性和表面耐磨性。轴一般用锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造，如机床主轴可选用45钢，内燃机曲轴主要用优质中碳钢或中碳合金钢制造。

工程材料的应用

汽车用材汽车用材以金属材料为主，塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料也占有一定比例。

汽车发动机和传动系示意图

三、活塞、活塞销和活塞环

活塞、活塞销和活塞环等零件组成活塞组，活塞组在工作中受周期性变化的高温、高压燃气(温度最高可达2000℃，压力最高可达13MPa～15MPa)作用，并在气缸内作高速往复运动(平均速度一般为9m/s～13m/s)，产生很大的惯性载荷。对活塞材料的要求是热强度高、导热性好、膨胀系数小、密度小,减摩性、耐磨性、耐蚀性和工艺性好等。常用的活塞材料是铝硅合金。

活塞销材料一般用20低碳钢或20Cr、18CrMnTi等低碳合金钢。活塞销外表面应进行渗碳或氰化处理，以满足外表面硬而耐磨，材料内部韧而耐冲击的要求。活塞环用合金铸铁或球墨铸铁，经表面处理。镀多孔性铬后可使环的工作寿命提高2～3倍。其它表面处理的方法有喷钼、磷化、氧化、涂合成树脂等。

四、连杆

连杆连接活塞和曲轴，作用是将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动，并把作用在活塞上的力传给曲轴以输出功率。连杆在工作中，除承受燃烧室燃气产生的压力外，还要承受纵向和横向的惯性力。因此，连杆在一个很复杂的应力状态下工作。它既受交变的拉压应力、又受弯曲应力。连杆的主要损坏形式是疲劳断裂和过量变形。连杆的工作条件要求连杆具有较高的强度和抗疲劳性能；又要求具有足够的刚性和韧性。连杆材料一般采用45钢、40Cr或40MnB等调质钢。

1小头与连杆的过渡处

2连杆中间

3大头与连杆的过渡处连杆上的三个高应力区域六、汽车半轴

汽车半轴在工作时主要承受扭转力矩和反复变曲以及一定的冲击载荷。在通常情况下，半轴的寿命主要取决于花键齿的抗压陷和耐磨损性能，但断裂现象也不时发生。要求半轴材料具有高的抗弯强度、疲劳强度和较好的韧性。汽车半轴是要求综合机械性能较高的零件，通常选用调质钢制造。中、小型汽车的半轴一般用45钢、40Cr,

而重型汽车用40MnB、40CrNi或40CrMnMo等淬透性较高的合金钢制造。1突缘与杆部相连部位

2花键与杆部相连部位

3花键端半轴易损坏部位示意图

七、车身、纵梁、档板等冷冲压零件

在汽车零件中，冷冲压零件种类繁多，约占总零件数的50%～60%。汽车冷冲压零件用的材料有钢板和钢带，其中主要是钢板，包括热轧钢板和冷轧钢板，如钢板08、20、25和16Mn等。机床用材

一、机身、底座用材

机身、机床底座、油缸、导轨、齿轮箱体、轴承座等大型零件以及其它一些如牛头刨床的滑枕、皮带轮、导杆、摆杆、载物台、手轮、刀架等零件或重量大、或形状复杂，首选材料为灰口铸铁、孕育铸铁，球墨铸铁亦可选用，它们成本低、铸造性好、切削加工性优异、对缺口不敏感、减震性好，有良好的耐磨性，非常适合铸造上述零部件。石墨有良好的润滑作用、并能储存润滑油、很适宜制造导轨。二机床齿轮用材

开式齿轮传动可选用HT250、HT300和HT400，和铸铁的大齿轮互相啮合的小齿轮也可用Q235、Q255制造。

闭式齿轮多采用40、45钢（正火或调质处理）制造。高速、重载或受强烈冲击的闭式齿轮，宜采用40Cr（调质）或20Cr、20CrMnTi（渗碳、淬火、低温回火）钢。不重要的闭式齿轮可使用Q255（不热处理）制造。球墨铸铁QT450-5、可锻铸铁KTZ450-5、KTZ500-4用来制造尺寸较大或形状复杂的闭式传动齿轮。

三、机床轴类零件用材

一般采用45钢（调质）制造轴件。

不重要的或低载的轴可以采用Q235、Q255等钢制造。

承受重载，且要求直径小或要求提高轴颈耐磨性的轴，可用40Cr等调质钢或20Cr等渗碳钢，整体与轴颈应进行相应的热处理。

可用QT600-2、KTZ600-3等球墨铸铁和可锻铸铁制造曲轴和主轴。

1、螺旋传动件用材

不热处理的螺旋传动件用45、50钢制造，经受热处理的用T10、65Mn、40Cr等制造。

螺母的材料用锡青铜ZQSn6-6-3、ZQSn10-2，较小载荷及低速传动时用耐磨铸铁。

2、蜗轮传动件用材

（1）.蜗轮

当滑动速度V≥3m/s时，常采用锡青铜ZQSn10、ZQSn10-1或ZQSn6-6-3等。

滑动速度V≤4m/s时用铸铝青铜ZQAl9-4。

滑动速度V≤2m/s,且性能要求不高时可用HT150、HT200、HT250。直径大于100mm～200mm的青铜蜗轮，轮芯应采用灰口铸铁制造。

（2）.蜗杆蜗杆材料适宜用15、20钢和15Cr、20Cr钢，表面渗碳淬硬到56HRC～62HRC，或45、40Cr钢，表面高频淬火到45HRC～50HRC，并经磨削、抛光后使用。

一般速度的蜗杆可用45、50钢或40Cr（调质）制造，表面硬度达220HB～260HB，抛光后使用。

低速传动的蜗杆可用Q275制造。3、滑动轴承材料

ChSnSb11-6、ChPbSb14-10-18，用于最高速重载条件下的轴承衬。

ZQSn10-1在铜合金中具有最好的减摩性能，广泛用于高速和重载条件下。中速和中载条件下ZQSn6-6-3应用广泛。

ZQAl9-2适宜制造形状简单（铸造性比锡青铜差）的大型衬套、齿轮和轴承。ZQAl10-3-15、ZQAl9-4，可用在重载和低中速条件下。

ZQPb30、ZQPb12-8、ZQPb10-10等主要用于大型曲轴轴承等高速和重的冲击与变动载荷条件下，可作为ChSnSb11-6的代用材料。ZHAl66-6-3-2和ZHMn58-2-2，在低速和中等载荷下可作为青铜的代用品。

HT250、HT350等铸铁轴承主要用于低速、轻载条件下。铁石墨含油轴承用于V≤4m/s,青铜石墨含油轴承用于V≤6m/s。

4、滚动轴承材料

滚动轴承的内外圈和滚动体一般用GCr9、GCr15、GCr15SiMn等高碳铬或铬锰轴承钢和GSiMnV等无铬轴承钢制造，工作表面要经过磨削和抛光，热处理后一般要求材料硬度在61HRC～65HRC之间。保持架材料多用低碳钢薄板、铜合金、塑料或轻合金制造。仪器仪表用材一、壳体材料

仪器仪表的壳体（包括面板、底盘）用材广泛，有低碳结构钢（如Q195、Q215、Q235），铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢（如1Cr13、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti），铝（工业纯铝L5及防锈铝LF5、LF11、LF21等），黄铜(H62、H68等)等。也有非金属材料，如ABS可制造管道、储槽内衬、电机外壳、仪表壳、仪表盘等。聚甲醛用作各种仪表板和外壳、容器、管道等。玻璃纤维增强尼龙可制作仪表盘、玻璃纤维增强苯乙烯类树脂广泛应用于收音机壳体、磁带录音机底盘、照相机壳等。玻璃纤维增强聚乙烯可制作转矩变换器、干燥器壳体。二轴类零件用材

仪器仪表的辊子可以使用Q235等钢、聚甲醛等工程塑料制造。LY12、LY11和HAL60-1-1多用于制造重要且需要耐蚀的轴销等零件。三、凸轮与齿轮用材

1、凸轮

多用Q235、45（调质处理）钢制造。轻载凸轮可以使用尼龙等工程塑料或玻璃纤维增强尼龙等复合材料制造。

2、仪器齿轮

可用普通碳素钢Q275（不热处理）制造。

QAL10-4-4、QAl11-6-6可用来制造400℃～500℃以下工作的齿轮。

QSi3-1、QTi3.5、QTi3.5-0.2、QTi6-1适宜制造齿轮等耐磨零件。

QBe2、QBe1.9、QBe1.7可用于制造钟表等仪表齿轮。

ABS、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛等工程塑料也可制造仪表齿轮。

3、蜗轮、蜗杆

QAl11-6-6可用来制造500℃以下工作的蜗轮。

硅青铜QSi3-1亦可用来制造蜗轮、蜗杆。

聚碳酸酯等工程塑料可制造轻载蜗轮、蜗杆。

热能设备用材

一、锅炉设备用钢

1、锅炉管道用钢

（1）锅炉管道的工作条件和对材料的要求

锅炉管道在高温、应力和腐蚀介质作用下长期工作，会产生蠕变、氧化和腐蚀。如过热器管外部受高温烟气的作用，管内则流通着高压蒸汽，而且管壁温度(即材料温度)比蒸汽温度还高50℃～80℃。

为保证设备安全可靠地运行，管道用钢应有足够高的蠕变极限和持久温度；高的抗氧化性能和耐腐蚀性能；良好的组织稳定性；良好的工艺性能，特别是焊接性能要好。

（2）锅炉管道用钢

壁温≤500℃的过热器管和壁温≤450℃的蒸汽管道

一般选用优质碳素结构钢，碳质量分数在0.1%～0.2%之间，常用的是20钢。

壁温≤550℃的过热器管和壁温≤510℃的蒸汽管道

15CrMo钢是在这个温度范围应用很广泛的钢种。该钢在500℃～550℃具有较高的热强性、足够的抗氧化性和良好的工艺性能。

壁温≤580℃的过热器管和壁温≤540℃的蒸汽管道

12Cr1MoV钢是应用最广泛的锅炉管道用钢。该钢加入0.2%的钒，其耐热性能比铬钼钢高,工艺性能也很好,得到广泛的应用。

壁温≤600℃～620℃的过热器管和壁温≤550℃～570℃的蒸汽管道

12Cr2MoWVB和12Cr3MoVSiTiB钢。采用微量多元合金化，使钢具有更高的组织稳定性和化学稳定性，因而耐热性能更好，使用温度更高。

壁温≤600℃～650℃的过热器管和壁温≤550℃～600℃的蒸汽管道

较常用的是Cr12%马氏体型耐热钢,如德国的X20CrMoWV121(F11)和X20CrMoV121(F12),瑞典的HT9等钢种。

过热器壁温超过650℃、蒸汽管道壁温超过600℃后，需要使用奥氏体耐热钢。奥氏体耐热钢具有较高的高温强度和耐腐蚀性能，最高使用温度可达700℃左右。

2、锅炉汽包用钢

低压锅炉汽包用钢为12Mng、16Mng和15MnVg等普通低合金钢板。这些钢板的综合机械性能比碳钢高，可以减轻锅炉汽包的重量，节省大量钢材。

(1)14MnMoVg钢

是屈服极限为500MPa级的普通低合金钢。钢中由于加入了0.5%Mo,提高了钢的屈服强度及中温机械性能,特别适合生产厚度为60mm以上的厚钢板,以满足制造高压锅炉汽包的需要。

(2)14MnMoVBReg钢

是500MPa级的多元低碳贝氏体钢,屈服极限比碳钢高一倍,有良好的综合机械性能。由于加入了适量的硼、稀土,钢的强度更高,符合我国资源情况。

(3)14CrMnMoVBg钢

屈服极限很高（650MPa～700MPa），加入强化元素铬,不仅强度高,塑性、韧性也较好,焊接性能也好,能耐湿度较大地区的大气腐蚀。

二、汽轮机用钢

汽轮机主要零部件包括汽轮机叶片、汽轮机转子和汽轮机定子等。汽轮机

1、汽轮机叶片

(1)铬不锈钢(1Cr13和2Cr13)

在工作温度下具有足够的强度，有高的耐腐蚀性和减振性,是使用最广泛的汽轮机叶片材料。1Cr13在汽轮机中用于前几