gc12-2典型零件选材综述

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1、工程材料及应用 多媒体教案 ENGINEERING MATERIALS 五邑大学机电工程学院 第四章 第四节 典型工件的选材 及工艺路线设计 内容提要： 本章重点阐明齿轮、轴类零件、弹簧和刃 具的工作条件、失效形式、性能要求及选材分 析，举例说明典型工件的工艺路线。 学习目标： 本章是课程的重点章。要求掌握齿轮（机 床和汽车齿轮）、轴类零件、刃具的选材，进 行工艺路线分析。 熟悉弹簧的选材。 2 轴类零件选材 老师提示：重点内容 12.2.1 轴类零件的工作条件 (1) 工作时主要受交变弯曲和扭转应力 的复合作用； (2) 轴与轴上零件有相对运动, 相互间 存在摩擦和磨损； (3) 轴在高速运

2、转过程中会产生振动, 使轴承受冲击载荷； (4) 多数轴会承受一定的过载载荷。 12.2.2 轴类零件的失效方式 转轴弯曲疲劳 断口形貌 (1)长期交变载荷下的疲劳断裂。 （包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）； 直升飞机螺旋桨 驱动齿轮轴扭断 (2)大载荷或冲击载荷引起的过量变形 、断裂； (3)表面过度磨损。 轴颈被埋嵌在轴承中 的硬粒子磨损 12.2.3 轴类零件的性能要求 (1) 良好的综合机械性能，足够强度、塑 性和一定韧性, 以防过载断裂、冲击断裂； (2) 高疲劳强度, 对应力集中敏感性低, 以防疲劳断裂； (3) 足够淬透性, 热处理后表面要有高硬 度、高耐磨性, 以防磨损失效； (4

3、) 良好切削加工性能, 价格便宜。 12.2.4 轴类零件材料及选材方法 一、材料 经锻造或轧制的低、中碳钢或合金钢制造 （兼顾强度和韧性，同时考虑疲劳抗力）； 一般轴类零件使用碳钢。如35、40、45 、50钢； 载荷较大、轴颈的耐磨性要求高时采用 合金调质钢：40Cr、40MnB、40CrNiMo 或者渗碳钢：20Cr、20CrMnTi 曲轴可采用球墨铸铁和高强度灰铸铁。 二、选择原则 根据载荷大小、类型等决定。 主要受扭转、弯曲的轴，可不用淬透性 高的钢种； 受轴向载荷轴，因心部受力较大，材料 应具有较高淬透性。 12.2.5 典型轴的选材 一、机床主轴选材 主轴受交变弯曲 和扭转复合应

4、力作用， 载荷和转速不高，冲击载 荷不大。 具有一般综合机械性 能即可满足要求。 C620车床主轴简图 大端的轴颈、锥孔与卡盘、顶尖之间有摩 擦，这些部位要求有较高的硬度和耐磨性。 C620车床主轴主轴用45钢制造。 练习：制定工艺路线 其它主轴材料： 载荷较大的主轴用40Cr钢制造。 承受较大冲击载荷和疲劳载荷的主轴 用合金渗碳钢（20Cr或20CrMnTi）制造。 二、内燃机曲轴选材 1. 曲轴工作条件、性能要求、材料 （1）工作条件 曲轴受弯曲、扭转、剪切、拉压、冲击 等交变应力。 造成曲轴的扭转和弯曲振动，应力分布 不均匀； 曲轴颈与轴承有滑动摩擦。 （2）性能要求 失效形式主要是疲劳

5、断裂和轴颈严重磨损。 材料要有高强度、一定的冲击韧性。 要有足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度。 轴颈表面有高硬度和耐磨性。 （3）曲轴材料 锻钢曲轴：优质中碳钢和中碳合金钢， 如35、40、45、35Mn2、40Cr, 35CrMo钢等； 铸造曲轴： 铸钢： ZG25 球墨铸铁：QT600-3、QT700-2 珠光体可锻铸铁及合金铸铁： KTZ450-5 KTZ500-4 2. 175A型农用柴油机曲轴选材 （1）性能要求 农用柴油机曲轴功率和承受载荷不大；但滑 动轴承中工作轴颈部要有较高硬度及耐磨。 要求b750 MPa, 2%, ak150 kJ/m2 整体硬度240 HBS260 HBS 轴

6、颈表面硬度625 HV。 175A型柴油机曲轴简图 （2）曲轴材料 QT700-2 （3）工艺路线 铸造高温正火高温回火切削加工 轴颈气体渗氮。 老师提示 汽车发动机曲轴也可用 45、40Cr钢制造，经过模锻、调质 、切削加工后, 在轴颈部位进行表 面淬火。 12.3 齿轮选材 老师提示：重点内容 12.1.1 齿轮的工作条件 (1) 由于传递扭矩，齿根承受很大的交变 弯曲应力； (2) 换挡、启动或啮合不均时，齿部承受 一定冲击载荷； (3) 齿面相互滚动或滑动接触，承受很大 的接触压应力及摩擦力的作用。 12.1.2 齿轮的失效形式 (1) 疲劳断裂 主要从根部发生； (2) 齿面磨损 由

7、于齿面接触区摩擦，使齿 厚变小； 疲劳断裂 齿面磨损 (3) 齿面接触疲劳破坏 在交变接触应 力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发 展，引起点状剥落(或称麻点)； (4) 过载断裂 主要是冲击载荷过大造 成的断齿。 齿面剥落 轮齿冲击断裂 12.1.3 齿轮材料的性能要求 (1) 高的弯曲疲劳强度； (2) 高的接触疲劳强度和耐磨性； (3) 较高的强度和冲击韧性。 (4) 要求有较好的热处理工艺性能，如热 处理变形小等。 12.1.4 齿轮类零件的选材 这类钢的工艺性能好，经济上也较合理，是 比较理想的材料。 经表面强化处理后，表面有高的强度和硬 度，心部有好的韧性，能满足使用要求。 选用低

8、、中碳钢或其合金钢。 12.1.5 典型齿轮选材举例 机床变速箱齿轮担负传递动力，改变运动 速度和方向的任务。工作条件较好，转速中等 ，载荷不大，工作平稳无强烈冲击。 机床变速箱齿轮 一般可选中碳钢(45钢)制 造，为了提高淬透性，也可选 用中碳合金钢(40Cr钢)。 工艺路线为： 下料-锻造-正火-粗加工-调质-精加工- -高频淬火及低温回火-精磨。 一、机床齿轮 其它机床齿轮材料： 冲击载荷小的低速齿轮可采用HT250、 HT350、QT500-5、QT600-2等铸铁制造。 机床齿轮除选用金属齿轮外, 有的还 可改用塑料齿轮，如用聚甲醛齿轮、单体 浇铸尼龙齿轮, 工作时传动平稳, 噪声减

9、 少, 长期使用磨损很小。 二、汽车齿轮 汽车齿轮主要装在变速箱和差速器中。 汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨 性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均 要求比机床齿轮高。 汽车后桥齿轮 一般用合金渗碳钢 20Cr或20CrMnTi制造。 渗碳齿轮的工艺路线为 ： 下料-锻造-正火-切削加工-渗碳、淬 火及低温回火-喷丸-磨削加工。 12.3 弹簧选材 弹簧利用材料的弹性和弹簧本身的结构特 点，在载荷作用产生下变形时，把机械功或动 能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能转 变为动能或机械功。 (a) 压缩螺旋弹簧 (b) 拉伸螺旋弹簧 (c) 扭转螺旋弹簧 (d) 板弹簧 (e) 片弹簧

10、弹簧有下列用途： (1) 缓冲或减振 如汽车、拖拉机、 火车中使用的悬挂弹簧。 (2) 定位 如机床及其夹具中利用弹 簧将定位销(或滚珠)压在定位孔(或槽)中。 (3) 复原 外力去除后自动恢复到原 来位置，如汽车发动机中的气门弹簧。 (4) 储存和释放能量 如钟表、玩具 中的发条。 (5) 测力 如弹簧称、测力计中使用 的弹簧。 9.3.1 弹簧的工作条件 (1) 弹簧在外力作用下压缩、拉伸、 扭转时，材料将承受弯曲应力或扭转应力。 (2) 缓冲、减振或复原用的弹簧承受 交变应力和冲击载荷的作用。 (3) 某些弹簧受到腐蚀介质和高温的 作用。 9.3.2 弹簧的失效形式 (1) 塑性变形 载

11、荷去掉后，弹簧不能 恢复到原始尺寸和形状。 (2) 疲劳断裂 在交变应力作用下，产 生疲劳源，裂纹扩展造成断裂。 (3) 快速脆性断裂 存在缺陷，当受到 过大的冲击载荷时，发生突然脆性断裂。 (4) 腐蚀断裂及永久变形 在腐蚀性介 质中使用的弹簧产生应力腐蚀断裂。 高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松 弛，产生永久变形。 9.3.3 弹簧材料的性能要求 (1)高的弹性极限e和高的屈强比 s/b 弹簧工作时不允许有永久变形。弹性极限 越大，弹簧可承受的外载荷越大。 当材料直径相同时，碳素弹簧钢丝和合金 弹簧钢丝的抗拉强度相差很小，但屈强比差别 较大。 65钢为0.7 60Si2Mn钢为0.75 5

12、0CrVA钢为0.9 屈强比高，可充分发挥材料的承载潜力。 (2)高的疲劳强度 弯曲疲劳强度-1和扭转疲劳强度-1 越 大，则弹簧的抗疲劳性能越好。 (3)好的材质和表面质量 夹杂物含量少，晶粒细小，表面质量好， 缺陷少，对于提高弹簧的疲劳寿命和抗脆性断 裂十分重要。 (4)某些弹簧需要材料有良好的耐蚀性和 耐热性 在腐蚀性介质和高温条件下使用。 9.3.4 弹簧的选材 一、弹簧钢 （1）热轧弹簧用材 通过热轧方法加工成园钢、方钢、盘条、 扁钢，制造尺寸较大，承载较重的螺旋弹簧或 板簧。弹簧热成型后要进行淬火及回火处理。 （2）冷轧(拔)弹簧用材 以盘条、钢丝或薄钢带(片)供应，用来制 作小型

13、冷成型螺旋弹簧、片簧、蜗卷弹簧等。 主要弹簧钢：65、70、65Mn、55Si2Mn、 55Si2MnB、60Si2Mn、50CrVA、50CrMn 二、不锈钢 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 通过冷轧(拔)加工成带或丝材, 制造在腐 蚀性介质中使用的弹簧。 三、黄铜、锡青铜、铝青铜、铍青铜 用于制造电器、仪表弹簧及在腐蚀性介质 中工作的弹性元件。 具有良好的导电性、非磁性、耐蚀性、耐 低温性及弹性。 9.3.5 典型弹簧选材 一、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。 汽车板簧 (2)

14、材料 轻型汽车板簧 65Mn、60Si2Mn 中型或重型汽车板簧 50CrMn, 55SiMnVB 重型载重汽车大截面板簧 55SiMnMoV, 55SiMnMoVNb (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850 860 (60Si2Mn钢 为870 ), 采用油冷, 淬火后组织为马氏体。 回火 温度为420 500 , 组织为回 火屈氏体。 屈服强度0.2不低于1100 MPa 硬度为42 HRC47 HRC 冲击韧性ak为250 KJ/m2300 KJ/m2 二、火车螺旋弹簧 (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

15、能要求与汽车板簧相近。 淬火与回火工艺同汽车板簧。 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。 (3) 工艺路线 (2) 材料 50CrMn、 55SiMnMoV 三、气门弹簧 (1) 用途 内燃机气门弹簧是一种压缩螺旋弹簧。 用途是在凸轮、摇臂或挺杆的联合作用下 , 使气门打开和关闭，承受应力不是很大。 采用淬透性比较好、晶粒细小、有一定 耐热性的50CrVA钢制造。 (2) 工艺路线 冷卷成型淬火中温回火喷丸强化 两端磨平。 将冷拔退火后的盘条用卷簧机卷制成螺 旋状, 切断后两端并紧。 850 860 加热后油淬, 再经 520 回火, 组织为回火屈氏体。 弹簧弹性好,

16、屈服强度和疲劳强度高 , 有一定的耐热性。 气门弹簧也可用冷拔后经油淬及回火后 的钢丝制造,冷卷簧后经300 350 去应 力退火。 四、自行车手闸弹簧 手闸弹簧是一种扭转弹簧，使手闸复位。 承受载荷小，不受冲击和振动作用，精度 要求不高。 用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200 220 加热消除内应力， 一般也可不进行热处理。 五、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。簧片所受弯曲应力很小 。 簧片材料要有好的弹性、导电性和耐蚀性 。 继电器簧片 (2) 材料 黄铜(H70)、锡青铜(QSn6.5-0.1)