第11章机械零件的毛坯及材料的选用课件

第11章机械零件的毛坯及材料的选用11.1.1零件毛坯选择的基本原则11.2零件材料的选用11.1零件毛坯的选择常用毛坯生产方法的比较11.1.2零件的失效分析11.2.1选材的原则、方法和步骤11.2.2典型零件的选材11.2.311.1.3典型零件的毛坯选择1第11章机械零件的毛坯及材料的选用11.1.1零件毛坯选1211.1.1第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1零件毛坯的选择零件毛坯选择的基本原则11.1零件毛坯的选择

1.使用性能原则2.工艺性能原则3.经济性原则211.1.1第11章机械零件毛坯及材料的选21.使用性能原则（1）结构形状和尺寸的要求对于结构形状复杂的中小型零件，应选择铸件毛坯对于结构形状很复杂且轮廓尺寸不大的零件，宜选择熔模铸造对于结构形状较为复杂，且抗冲击能力、抗疲劳强度要求较高的中小型零件，宜选择模锻件毛坯对于结构形状相当复杂且轮廓尺寸又较大的大型零件，宜选择组合毛坯3第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.1零件毛坯选择的基本原则1.使用性能原则（1）结构形状和尺寸的要求对于结构形状复31.使用性能原则（1）结构形状和尺寸的要求

（2）力学性能的要求

在工作中承受冲击和交变载荷的零件，一般应选择锻造毛坯对于必须采用铸件，而又要求金相组织致密、承载能力较强的零件，应选择压力铸造、金属型铸造和离心铸造等（3）表面质量的要求

对于表面外观质量要求较高、尺寸较小的非铁金属件，宜选择金属型铸造、压力铸造或精密模锻对于尺寸较小的钢铁件，则宜选择熔模铸造或精密模锻（4）其它方面的要求

对于具有特殊要求的零件，必须结合毛坯材料和生产方法来满足其要求4第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.1零件毛坯选择的基本原则1.使用性能原则（1）结构形状和尺寸的要求（2）力学性能41.使用性能原则2.工艺性能原则材料的工艺性能是指毛坯满足各种加工工艺要求的能力，毛坯的工艺性能与其材料和结构特征有关对于铸件，在金属材料中，铸造铝合金和铜合金的铸造性能优于铸钢。而灰铸铁铸造性能最好。对于锻件，低碳钢的锻造性能最好，中碳钢次之，高碳钢较差；低合金钢的锻造性能接近于中碳钢，高合金钢较差；铝合金锻造性能不是很好，而铜合金的锻造性能很好。对于焊接件，低碳钢及碳当量＜0.4%的合金钢具有较好的焊接性；含碳量＞0.4%及碳当量＞0.4%的合金钢焊接性能较差；铜合金和铝合金的焊接性能一般比碳钢差。若材料在成型后还需要进行切削加工，则必须考虑材料的切削加工性能。在金属材料中，铝合金和镁合金的切削加工性最好，其次为易切削钢和中碳钢，而奥氏体不锈钢、高速钢和耐热合金钢最差。（2）毛坯的结构特征

3.经济性原则（1）生产批量较小时主要考虑的问题是减少设备、模具等方面的投资，以降低生产成本（2）生产批量较大时提高生产率和材料的利用率，降低废品率，对降低毛坯的单件生产成本具有明显的经济意义5第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1零件毛坯选择的基本原则（1）毛坯的材料形状复杂件，特别是有复杂内腔的毛坯，只能用铸造的方法获得。圆饼、方块、套环、齿轮等形状简单的零件，可以采用自由锻工艺；外形较为复杂，并且表面质量要求较高时，则要采用胎膜锻或模锻完成。1.使用性能原则2.工艺性能原则材料的工艺性能是指毛坯满5常用毛坯生产方法的比较11.1.2毛坯生产方法主要有铸造、锻造、焊接、冲压等

6第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.2常用毛坯生产方法的比较常用毛坯生产方法的比较11.1.2毛坯生产方法主要有铸造、锻61.铸造设备比较简单，原材料价格低廉，适应范围非常广泛

铸造是生产毛坯的主要工艺方法主要优点2.锻造能够获得力学性能优异的产品主要优点表11-2对常用的几种锻造方法进行了比较3.焊接主要优点（1）节约材料；（2）能划大为小，以小拼大；（3）可以制造多层金属的结构；（4）焊缝具有良好的力学性能、密封性、导电性、耐腐蚀性和耐磨性等4.冲压7第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.2常用毛坯生产方法的比较表11-1对常用的几种铸造方法进行了比较

对于一些形状复杂的薄壁零件，用铸造或锻造的方法难以成形时，我们可以选择冲压的方法获得。采用冲压方法加工的材料大多是在冷态下变形，产品一般质量较高，无须再进行切削加工便可以投入使用。1.铸造设备比较简单，原材料价格低廉，适应范围非常广泛铸7典型零件的毛坯选择11.1.38第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择典型零件的毛坯选择11.1.38第11章机械零件毛坯及材料81.常用零件的毛坯种类按成形方法分类有：

铸造毛坯（铸件）锻造毛坯（锻件）焊接复合毛坯（焊接件）冲压毛坯（冲压件）轧制毛坯（型材）其制造方法、基本特征和应用范围见表11-3。9第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择1.常用零件的毛坯种类按成形方法分类有：铸造毛坯（铸件）92.毛坯选择举例（1）齿轮类零件工作条件材料要求结构特点承受较大的接触应力、弯曲应力、齿面摩擦力和冲击力具有足够的强度、硬度和一定的韧性轴向尺寸一般小于径向尺寸通常选用锻件作为毛坯10第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择2.毛坯选择举例（1）齿轮类零件工作条件材料要求结构特点承10仪器仪表中的齿轮则可采用压力铸造或冲压方式成形，当受力不大时，其材料可以用铜合金，甚至用工程塑料注射成形。11第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择

直径在100mm以下的小齿轮也可以用圆钢作为坯料，经自由锻或胎膜锻制造锻件毛坯；

直径在500mm以上的大型齿轮，由于锻造比较困难，可采用铸钢或球墨铸铁为毛坯；

在单件生产的条件下，也可以采用焊接的方式制造大型齿轮的毛坯

在低速运转且受力不大或者在多粉尘的环境下开式运转的齿轮，也可以采用灰铸铁为毛坯；仪器仪表中的齿轮则可采用压力铸造或冲压方式成形11（2）轴类零件

工作条件材料要求结构特点轴向尺寸一般远大于径向尺寸承受交变弯曲及扭转载荷的作用，轴颈处有强烈的摩擦，有时还要承受过载或冲击载荷具有较高的强度、疲劳强度、塑性、韧性及耐磨性最常用的毛坯是型材和锻件12第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择（2）轴类零件工作条件材料要求结构特点轴向尺寸一般远大于径12对于某些大型的、结构形状复杂的轴可用铸件或焊接结构件；对干光滑的或有阶梯但直径相差不大的一般轴，常用型材作为毛坯；

对于直径相差较大的阶梯轴或要承受冲击载荷和交变应力的重要轴，均采用锻件作为毛坯；当生产批量较小时，应采用自由锻件；当生产批量较大时，应采用模锻件对于结构形状复杂的大型轴类零件，其毛坯可采用砂型铸造件、焊接结构件或铸一焊结构毛坯。13第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择对于某些大型的、结构形状复杂的轴可用铸件或焊接结构件；对干光13（3）箱体类零件

工作条件材料要求结构特点承受其中零件的重量及它们之间作用力具有较好的刚性、减振性和耐磨性形状不规则，结构比较复杂一般采用灰铸铁铸造成形14第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择（3）箱体类零件工作条件材料要求结构特点承受其中零件的重量14个别特大型的机身还可以采用铸—焊或锻—焊组合结构；对于载荷较大，承受冲击力的箱体，常采用碳铸钢件或合金铸钢件作毛坯；对受力很小，要求自重轻的箱体，还可以采用工程塑料来制作。单件小批生产的结构简单的大体积箱体，有时为了缩短生产周期，可以采用焊接件作毛坯；对于受力不大，要求自重轻或是要求导热良好的箱体，可以采用铸造铝合金制作毛坯；15第11章机械零件毛坯及材料的选用11.1.3典型零件的毛坯选择个别特大型的机身还可以采用铸—焊或锻—焊组合结构；15零件的失效分析11.2.116第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2零件材料的选用

11.2零件材料的选用

零件的失效分析11.2.116第11章机械零161.失效的概念机械零件的失效指零件在使用过程中由于某种原因而丧失原设计功能的现象（1）完全破坏，不能继续工作（2）严重损伤，继续工作很不安全（3）虽能安全工作，但已经不能满意地起到设计的作用当零件出现下列情况中任何一种时，我们便认为零件已经失效

17第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.1零件的失效分析1.失效的概念机械零件的失效指零件在使用172.零件失效的形式（1）变形失效①过量弹性变形失效②塑性变形失效③蠕变变形失效（2）断裂失效①韧性断裂失效②脆性断裂失效③疲劳断裂失效（3）表面损伤失效①磨损失效②腐蚀失效③表面疲劳失效18第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.1零件的失效分析2.零件失效的形式（1）变形失效①过量弹性变形失效②183.零件失效的原因（1）设计因素（2）材料因素（3）加工工艺因素（4）安装使用因素19第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.1零件的失效分析零件的整体结构设计不合理，薄弱区域未得到有效的加强，造成零件在工作中承载能力不足。另外，对零件的实际工作条件（零件工作时所处的温度及介质等环境的变化等）估计不足，使得零件在工作中安全系数较低，抗过载能力过低。零件设计中选材不当或选用的材料质量差，内部含有气孔、杂质元素、夹杂物或不良组织等各种冶金、铸造缺陷，使得零件达不到应有的性能指标。如零件在机械加工过程中，表面粗糙度值过大、刀痕纹路较深或磨削时产生较高的残余应力或裂纹；热处理的氧化和脱碳、变形和开裂、回火不足等；铸件中气孔、疏松、夹杂甚至裂纹；锻造或轧制过程中产生的过热、过烧等。安装不良，操作失误、过载使用、维修不当等

3.零件失效的原因（1）设计因素（2）材料因素（3）加19选材的原则、方法和步骤11.2.220第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤选材的原则、方法和步骤11.2.220第11章机械零件毛坯201.选材的原则（1）使用性能原则

使用性能零件在使用状态下应该具有的力学性能、物理性能和化学性能使用性能的要求是在分析零件工作条件和失效形式的基础上提出来的工作条件受力状况环境状况特殊要求几种常用零件的工作条件、失效形式和要求的主要力学性能指标见表11-421第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤主要是载荷的类型（动载、静载、循环载荷或单调载荷等）和大小、载荷的形式（拉伸、压缩、弯曲或扭转等）和载荷的特点（均布载荷或集中载荷等）。主要是温度特性（低温、常温、高温或变温等）介质情况和是否有摩擦等。主要是对导电性、磁性、热膨胀、密度和外观等的要求

1.选材的原则（1）使用性能原则使用性能零件在使用状态21要分析手册中的性能指标是在什么加工、处理条件下得到的确定了具体力学性能指标的数值后，即可利用手册选材。必须注意的是：必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，并进行适当的修正。在尺寸和处理条件相同的情况下，手册的数据是偏安全的。必要时可通过模拟试验取得数据作为设计零件和选材的依据。生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检查硬度。22第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤要分析手册中的性能指标是在什么加工、处理条件下得到的22（2）工艺性能原则工艺性能是指材料在不同的制造工艺条件下所表现出来的承受加工的能力表11-5对常用的高分子材料主要成型工艺进行了比较。高分子材料陶瓷材料几种成型工艺的比较见表11-6金属材料23第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤灰铸铁具有良好的铸造性能和切削加工性能，但不能承受锻造，焊接性能也比较差；低碳钢的锻造性能和焊接性能都很好；高碳钢的焊接性能很差，适合用于制造刀具、量具等。材料的热处理工艺性能包括淬透性、淬硬性和回火稳定性等。（2）工艺性能原则工艺性能是指材料在不同的制造工艺条件下所23（3）经济性原则

24第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤零件总成本包括材料本身价格、加工费、设备和工艺装备的折旧费、管理费、运输费、安装费和国家资源等。碳钢、铸铁价格较低，加工方便低合金高强度结构钢价格低于合金钢有色金属、铬镍不锈钢、高速工具钢价格高尽量使用简单设备、减少加工工序数量、采用少切削或无切削加工等措施，以降低加工费用。加工过程复杂的零件和使用周期长的工模具，采用价格较高的合金钢或硬质合金代替碳钢所用材料应该顾及我国的资源状况（3）经济性原则24第11章机械零件毛坯及材料的选242.选材的方法和步骤（1）选材的方法应根据零件的工作条件，找出最主要的性能要求，作为选材的主要依据①以综合力学性能为主时的选材②以磨损为主时的选材③以疲劳强度为主时的选材④以抗蚀性为主的选材⑤以热强度为主的选材25第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤2.选材的方法和步骤（1）选材的方法应根据零件的工作条件2526第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤①以综合力学性能为主时的选材对于一般的机器零件，通常采用调质或正火处理后的中碳钢、球墨铸铁或淬火、低温回火处理后的低碳钢等制造。对于受力复杂、工作条件苛刻的零件，例如起落架、涡轮轴、机翼大梁等，可以选用强度较高的合金调质钢和超高强度钢制造，以保证在整个大截面上具有均匀的综合性能。当对于受力较小并要求有较高的比强度和比刚度时，要选择铝合金、镁合金、钛合金或工程塑料与复合材料等制造。26第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.226②以磨损为主时的选材☆对于受力较小的摩擦比较严重的零件，例如各种量具、转套、刀具和冷冲模等，其材料的基本要求是高耐磨性和高硬度。在应力较低的情况下，材料的硬度越高，其耐磨性也就越好。当材料的硬度相同时，组织中分布的碳化物数量越多，弥散度越大，其耐磨性越好。所以一般用淬火及低温回火处理后的过共析钢、高碳合金钢制造。☆铸铁中的石墨是良好的固体润滑剂，有时用铸铁制造耐磨零件，如机床导轨等☆铜合金的摩擦系数很小，约为钢的一半，而塑料的摩擦系数更小，因此也常用铜合金和塑料制造在摩擦部位工作的零件。☆对于同时受磨损和循环载荷及冲击载荷的零件，如传动齿轮、凸轮等，材料的选取应该根据零件的工作条件而定，还要采用相应的表面硬化方法。27第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤②以磨损为主时的选材☆对于受力较小的摩擦比较严重的零件，例27③以疲劳强度为主时的选材☆高周疲劳时，材料疲劳抗力的指标主要是疲劳强度。陶瓷材料和高分子材料的疲劳强度都很低，而金属材料的疲劳强度较高，特别是钛合金和高强度钢。因此，抗疲劳构件几乎都采用金属材料制造。☆低周疲劳时，材料的疲劳抗力不仅与材料的强度有关，还与其塑性有关，所以材料应该有较好的强韧性。可以采用牺牲静强度来提高材料包括疲劳抗力和韧性在内的综合性能28第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤③以疲劳强度为主时的选材☆高周疲劳时，材料疲劳抗力的指标主要28☆对于受力不大但要求抗蚀性较高的零件，由于奥氏体不锈钢耐蚀性好，并具有一定的耐热性和良好成工艺性，一般可以考虑选用奥氏体不锈钢，例如发动机尾椎体等。☆对于受力较大，而又要求抗蚀性的零件，我们可以选用马氏体不锈钢。为了减轻结构质量，也可以选用钛合金④以抗蚀性为主的选材29第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤☆对于受力不大但要求抗蚀性较高的零件，由于奥氏体不☆对于受力29⑤以热强度为主的选材

☆工作温度在300～400℃以下，我们可以选用耐热铝合金和镁合金。但是其所能够承受的工作应力较小，往往是为了减轻结构质量或是形状复杂而需要铸造成型时才选用。☆对于工作温度在500～600℃以下时，我们可以选用不锈钢材料。但是不锈钢零件的结构质量较大，在工作应力、温度和腐蚀条件允许的条件下，我们可以考虑选用钛合金材料来减轻结构质量。☆对于在700～1000℃之间工作的零件，应该采用高温合金制造。例如飞机发动机的燃烧室、涡轮等。☆对于工作温度更高的零件，我们应该考虑陶瓷、陶瓷基复合材料和碳-碳复合材料等。30第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤⑤以热强度为主的选材☆工作温度在300～400℃以下，我30（2）选材的步骤

①分析零件的服役条件、形状尺寸和应力状态，确定零件的技术条件；②通过分析或实验，结合同类零件失效分析的结果，确定零件在实际使用中主要和次要的失效形式，并通过计算确定零件应具有的主要力学性能指标；③根据计算结果合理选择材料。所选材料除应满足零件的使用性能和工艺性能要求外，还要适应高效加工和组织现代化生产；④决定热处理方式或其它强化方式；⑤审核所选材料的经济性；⑥关键零件投产前应对所选材料进行试验，以验证所选材料与热处理方法能否达到各项性能指标要求，冷热加工有无困难等。当试验结果基本满意后，可小批投产。31第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.2选材的原则、方法和步骤（2）选材的步骤①分析零件的服役条件、形状尺寸和应力状态31典型零件的选材11.2.332第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.3典型零件的选材1.齿轮类零件2.轴类零件3.箱体类零件典型零件的选材11.2.332第11章机械零321.齿轮类零件（1）受力情况、失效形式与性能要求

①由于传递扭矩，齿根承受较大的交变弯曲应力，易发生疲劳断裂，要求具有高的弯曲疲劳强度；②齿面相互滑动和滚动，承受较大的接触应力和摩擦，易发生齿面磨损、齿面疲劳点蚀等；要求具有高的接触疲劳强度和耐磨性；③由于换档、启动或啮齿不良，齿部还要承受一定的冲击，易发生过载断裂，要求齿轮心部要有足够的强度和韧性。33第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.3典型零件的选材1.齿轮类零件（1）受力情况、失效形式与性能要求①由于33（2）常用材料及选用①钢铁材料选材主要依据工作条件来确定。表11-7给出了一般齿轮的选材情况。表11-8给出了机床、汽车、航空齿轮的选材及热处理②非铁合金及非金属材料工程塑料齿轮的选材与用途见表11-934第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.3典型零件的选材（2）常用材料及选用①钢铁材料选材主要依据工作条件来确定。34（3）典型齿轮选材举例①机床齿轮选材工作条件受力不大，转速中等，工作较平稳，无强烈冲击，强度和韧性要求均不高材料选择

一般选用中碳钢（例如45钢）制造为了提高淬透性，也可以选用中碳合金钢工艺路线下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火+低温回火→精磨图11-1为C6132车床传动齿轮

●正火处理消除锻造应力，均匀组织和硬度，改善切削加工性能●调质处理使齿轮具有较高的综合力学性能，心部有足够的强度和韧性●高频淬火●低温回火提高了齿轮表面耐磨性和抗疲劳破坏的能力消除淬火应力35第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.3典型零件的选材（3）典型齿轮选材举例①机床齿轮选材工作条件受力不大35②汽车齿轮选材工作条件材料选择

工艺路线图11-2为JN-150汽车变速齿轮

●正火处理消除锻造应力，均匀组织和硬度，改善切削加工性能●渗碳处理提高轮齿表层碳的质量分数，保证渗碳层的深度。●淬火和低温回火●喷丸处理获得较高的耐磨性和抗疲劳性增大表层压应力，提高零件的疲劳强度，消除氧化皮。受力较大，受冲击较频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，都比机床齿轮要求高一般选用低碳钢进行渗碳制造我国应用最多的是合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi

下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火+低温回火→喷丸→磨削加工36第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.3典型零件的选材②汽车齿轮选材工作条件材料选择工艺路线图11-2为J362.轴类零件（1）受力情况、失效形式与性能要求

①传递一定的扭矩，承受一定的交变弯矩和拉、压载荷，易发生疲劳断裂，要求具有良好的综合力学性能，包括强度、塑性和韧性以及高的疲劳强度；③承受一定的冲击载荷，易引起断裂失效，要求具有较高的强韧性。②轴颈承受较大的摩擦，易发生磨损失效，要求具有良好的耐磨性；37第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.3典型零件的选材2.轴类零件（1）受力情况、失效形式与性能要求①传递37（2）常用材料及选用也要考虑材料的冲击韧性和表面耐磨性

选材时主要考虑强度①一般的轴类零件其中45钢最常用使用价格较便宜，并对应力集中敏感性较小的碳钢如35、40、45、50钢等常用的有20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi和40Mn等②载荷较大且要求限制轴的外形、尺寸和重量，并且轴颈的耐磨性要求高的轴要采用力学性能和热处理性能更好、对应力集中敏感性较高的合金钢38第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.3典型零件的选材（2）常用材料及选用也要考虑材料的冲击韧性和表面耐磨性选材38下料→锻造→正火（840～860℃空冷）→粗加工→调质（820～840℃水淬后550～580℃回火）→表面淬火+低温回火（820～840℃水淬后240～280℃回火）→磨削加工（3）选材举例——机床主轴选材

以C620车床主轴（图11-3）为例工作条件材料选择

工艺路线●正火处理●调质处理●轴颈和和锥孔进行表面淬火●低温回火受交变弯曲和扭转复合应力作用，载荷和转速不高，冲击载荷也不大。但是大端的轴颈、锥孔和卡盘、顶尖之间有摩擦选用45钢制造可以获得回火索氏体组织，使主轴整体具有较好的综合力学性能消除锻造应力，均匀组织和硬度，改善切削加工性能得到高硬度、高耐磨性和高的疲劳强度消除应力，防止磨削时产生裂纹，并保持高硬度和高耐磨性根据机床的工作条件，推荐选材及热处理工艺见表11-1039第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.3典型零件的选材下料→锻造→正火（840～86393.箱体类零件工作条件一般起支撑作用，要承受其中零件的重量及它们之间作用力要求具有较好的刚性、减振性和耐磨性

材料选择

（1）受力很小，要求自重轻，工作条件好的箱座类零件，可选用工程塑料（2）受力不大，要求自重轻或导热性好的的箱座类零件，可选用铸造铝合金，并根据所选种类不同进行退火或固溶处理、时效；（3）承受中等载荷、工作平稳的箱座类零件，可用灰铸铁HT150、HT200等；（4）承受载荷及冲击较大、形状简单、且单件、小批量生产的箱座类零件，可采用焊接结构，如选用焊接性能好的Q235、20、Q345等钢焊接而成；（5）要求强度、韧性较高的，或者是在高温、高压下工作的，采用铸钢铸造。40第11章机械零件毛坯及材料的选用11.2.3典型零件的选材3.箱体类零件工作条件一般起支撑作用，要承受其中零件的重40表11-1常用铸造方法比较铸造方法砂型铸造熔模铸造金属型铸造压力铸造低压铸造离心铸造适用合金各种合金碳钢、合金钢、非铁合金各种合金以非铁合金为主非铁合金非铁合金铸钢、铸铁、铜合金适用铸件大小不受限制几十克至几公斤的复杂铸件中、小铸件中、小铸件，几克至几十公斤中、小铸件,有时达数百公斤零点几公斤至十多吨铸件最小壁厚mm铸铁＞3～40.5～0.7孔0.5～2.0铸铝＞3铸铁＞5铝合金0.5锌合金0.3铜合金22最小孔φ2毛坯利用率/%709070958070～90投产最小批量单件1000700～100010001000100～1000生产率低中低中中高最高中中高表11-1常用铸造方法比较铸造方法砂型铸造熔模铸造金属型压41表11-2常用锻造方法的比较锻造方法锻造力性质工模具特点锻件精度生产率锻件尺寸形状特征使用批量自由锻手工冲击力简单通用工具低低形状简单的小件单件锤上冲击力同上低较低形状简单的中件单件、小批水压机上压力大型通用工具低—大件单件、小批胎膜锻冲击力模具较简单且不固定在锤上中中形状较简单的中小件中、小批量模锻空气锤、蒸汽-空气锤、水压机上冲击力整体式模具无导向和顶出装置较高较高各种形状的中小件大、中批量曲柄压力机上压力装配式模具有导向和顶出装置高高同上大批量平锻机上压力装配式模具由一个凸模与两个凹模组成，有两个分模面高高有头的杆件及孔件大批量摩擦压力机上介于冲击力与压力之间单模膛模具下模常有顶出装置较低较高各种形状的小锻件中等批量表11-2常用锻造方法的比较锻造方法锻造力工模具特点锻件生42比较内容制造方法铸造锻造冲压焊接型材成形特点液态成形固态下塑性变形借助金属原子的扩散和结合，形成永久性连接固态下成形对原材料工艺性能要求流动性好收缩率小塑性好，变形抗力小强度好，塑性好液态下化学稳定性切削加工性好适用材料铸铁、铸钢、非铁合金中碳钢，合金结构钢低碳钢和非铁合金薄板低碳钢和低合金结构钢碳钢，合金钢非铁合金适宜的形状形状不受限，可相当复杂，尤其是内腔形状自由锻件简单，模锻件可较复杂可较复杂形状不受限简单，一般为圆形或平面表11-3常用毛坯制造方法比较

比较制造方法铸造锻造冲压焊接型43适宜的尺寸与质量砂型铸造不受限自由锻不受限模锻＜150Kg不受限不受限中、小型毛坯的组织和性能砂型铸造件晶粒粗大、疏松、缺陷多、杂质排列无方向性。铸件力学性能差，耐磨性和减振性好；铸钢件力学性能较好晶粒细小，较均匀，致密，可利用流线改善性能，力学性能好组织细密可产生锻造流线。利用冷变形强化，可提高强度和硬度，结构刚性好焊缝区为铸态组织，熔合区及过热区有粗粒晶粒，应力大；接头力学性能达到或接近母材取决于型材的原始组织和性能毛坯精度和表面质量砂型铸造件精度低，表面粗糙（特种铸造较高）自由锻件精度较低，表面较粗糙；模锻件精度中等，表面质量较好精度高，表面质量好精度较低，接头处表面粗糙取决于切削加工方法适宜的砂型铸造自由锻不受限模锻＜150Kg不受限不受限中、小44材料利用率高自由锻件低，模锻件中等较高较高较高生产成本低自由锻件低，模锻件较低低（批量越大，成本越低）中较低生产周期砂型铸造较短自由锻短，模锻长长短短生产率砂型铸造低自由锻低，模锻较高高中、低中、低适宜的生产批量单件、成批（砂型铸造）自由锻单件小批，模锻成批、大量大批量单件、成批单件、成批适用范围铸铁件用于受力不大或承受压为主的零件或要求减振、耐磨的零件；铸钢件用于承受重载而形状复杂的零件用于承受重载、动载或复杂载荷的重要零件用于板料成形的零件用于制造金属结构件，或组合件和零件的修补一般中、小型简单件材料利用率高自由锻件低，模锻件中等较高较高较高生产低自由锻件45应用举例铸造锻造冲压焊接型材机架、床身、底座、工作台、导轨、变速箱、泵体、阀体、带轮、轴承座、齿轮等机床主轴、传动轴、曲轴、连杆、齿轮、凸轮、螺栓、弹簧、模具等汽车车身覆盖件、仪表、电器及仪器、外壳及零件、邮箱、水箱等各种薄金属件锅炉、压力容器、化工容器、管道、厂房构架、桥梁、车身、飞机构件、立柱、支架、工作台等光轴螺栓螺母销子等应用举例铸造锻造冲压焊接型材机架、床身、底座、工作台、导轨、46表11-4几种常用零件的工作条件和失效形式零件工作条件常见的失效形式要求的主要力学性能应力种类载荷性质受载状态紧固螺丝拉、剪应力静载过量变形断裂强度、塑性传动轴弯、扭应力循环、冲击轴颈摩擦、振动疲劳断裂、过量变形、轴颈磨损综合力学性能传动齿轮压、弯应力循环、冲击摩擦、振动断齿、磨损、疲劳断裂、接触疲劳表面高强度及疲劳强度、心部强度、韧性弹簧扭、弯应力交变、冲击振动弹性失稳、疲劳破坏弹性极限、屈强比、疲劳强度冷作模具复杂应力交变、冲击强烈摩擦磨损、脆断硬度、足够的强度、韧性表11-4几种常用零件的工作条件和失效形式零件工作条件47工艺使用材料形状表面粗糙度尺寸精度模具费用生产率热压成型范围较广复杂形状较低好高中等喷射成型热塑性塑料复杂形状较低非常好较高高热挤成型热塑性塑料棒类低一般低高真空成型热塑性塑料棒类一般一般低低表11-5高分子材料主要成型工艺的比较工艺使用材料形状表面尺寸模具生产率热压成型范围较广复48工艺优点缺点粉浆成型可做形状复杂件、薄塑件、成本低收缩大、尺寸精度低、生产率低压制成型可做形状复杂件、有高密和高强度、精度较高设备较复杂、成本高挤压成型成本低，生产率高不能做薄壁件，零件形状需对称可塑成型可做形状复杂件、尺寸精度高成本高表11-6陶瓷材料各种成型工艺的比较工艺优点缺点粉浆可做形状49传动方式工作条件小齿轮大齿轮速度载荷材料热处理材料热处理开式传动重载轻载，无冲击，不重要的传动Q275正火HT200HT250轻载，冲击小45正火QT500—7正火QT600—3闭式传动中载45正火35正火调质ZG270—500调质45整体淬火35、ZG270—500整体淬火表11-7一般齿轮的选材情况传动方式工作条件小齿轮大齿轮速度载荷材料热处理材料热处理开式50闭式传动中速中载45调质35、ZG270—500调质45整体淬火35整体淬火40Cr40MnB40MnVB调质45、50调质ZG270—500正火35、40调质重载45整体淬火35整体淬火表面淬火45调质40Cr40MnB40MnVB整体淬火35、45整体淬火表面淬火45、50表面淬火高速中载，无猛烈冲击40Cr40MnB40MnVB整体淬火35、40整体淬火表面淬火45、50表面淬火中载，有冲击20Cr20MnB20Mn2B20CrMnTi渗碳淬火ZG310—570正火35调质20Cr20MnVB渗碳淬火闭中速中载45调质35、ZG270—500调质45整体淬火351齿轮工作条件材料牌号热处理工艺硬度要求低载，要求耐磨、小尺寸机床的齿轮15900〜950℃渗碳780〜900℃淬火58〜63HRC低速（<0.1m/s）、低载不重要变速箱齿轮和挂轮架齿轮45840〜800℃正火156～217HBS低速（<1m/s）、低载机床齿轮45820〜840℃水淬500〜550℃回火200～250HBS中速、中载或高载机床齿轮（如车床变速箱次要载荷齿轮）45高频淬火，水冷，300〜340℃回火45〜50HRC高速、中载，要求齿面硬度高的机床齿轮（如磨床砂轮箱齿轮）45高频淬火，水冷，180〜200℃回火54〜60HRC中速（2～4m/s）、中载高速机床走刀箱、变速箱齿轮40Cr、42SiMn调质，高频淬火，乳化液冷却，260〜300℃回火50〜55HRC表11-8机床、汽车、航空齿轮的选材及热处理齿轮工作条件材料牌号热处理工艺硬度要求低载，要求耐磨、小尺寸52高速、高载、齿部要求高硬度的机床齿轮40Cr、42SiMn调质，高频淬火，乳化液冷却，260〜300℃回火54〜60HRC高速、中载、受冲击的机床齿轮（如龙门铣床的电动机齿轮）20Cr、20Mn2B900〜950℃渗碳，直接淬火或800〜880℃油淬，180〜200℃回火58〜63HRC高速、高载、受冲击的齿轮（如立式车床重要齿轮）20CrMnTi20SiMnVB900〜950℃渗碳，降温至820～850℃直接淬火，180〜200℃回火58〜63HRC汽车变速齿轮及圆锥齿轮20CrMnTi20CrMnMo900〜950℃渗碳，降温至820～850℃直接淬火，180〜200℃回火58〜64HRC航空发动机大尺寸、高载、高速齿轮18Cr2Ni4WA37Cr2Ni4A40CrNiMoA调质、氮化>850HV航空高速齿轮12CrNi3A12Cr2Ni4A900〜920℃渗碳850〜870℃一次淬火，油冷780〜800℃二次淬火，油冷150〜170℃回火58〜63HRC高速、高载、齿部要求高硬度的机床齿轮40Cr、42SiMn调53塑料品种性能特点适用范围

尼龙6，尼龙66有较高的疲劳强度与耐振性，但吸湿性大在中等或较低载荷、中等温度（80℃以下）和少无润滑条件下工作

尼龙610，尼龙1010强度与耐热性略差，但吸湿性较小，尺寸稳定性较好，良好的韧性、刚度，耐疲劳、耐油、耐腐蚀，自润滑性好

同上条件，可在湿度波动较大的情况下工作MC尼龙强度、刚度均较前两种高耐磨性也较好适用于铸造大型齿轮及蜗轮等玻璃纤维增强尼龙强度、刚度、耐热性均优于未增强者，尺寸稳定性也显著提高在高载荷、高温下使用，传动效果好，速度较高时应用油润滑聚甲醛耐疲劳、刚度高于尼龙，吸湿性很小，耐磨性好——尤其是干摩擦，但成型性差，易老化在中等轻载荷，中等温度（100℃以下）无润滑条件下工作表11-9工程塑料齿轮的选材与应用塑料品种性能特点适用范围尼龙6，有较高的疲劳强度与耐振性54聚碳酸酯成型收缩率特小，精度高，抗冲击、抗蠕变性好，但耐热疲劳强度较差，并有应力开裂倾向可大量生产，一次加工。可在冲击较大情况下工作，当速度高时，应用油润滑ABS韧性和尺寸稳定性高、强度高，耐磨、耐腐蚀、