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1、典型零件材料选择、成形工艺、热处理工艺及组织性能 摘要材料特别是典型零件材料的选用及热处理工艺的合理安排是从事机械设计、制造工艺的重要内容。而典型机械零件所用材料及其成型工艺的选用是一个复杂的问题，单纯的靠差机械设计手册或仅靠经验法或类比法来确定材料与工艺的选用似乎很容易，但往往会带来不良后果。因此在典型零件材料选择、成形工艺、热处理工艺的选择时需要严肃对待。为此我们需要在对材料及其成型工艺原理的基本知识融会贯通的基础上，能够在中行和分析，统筹考虑材料和成型工艺的选择，理清思路，掌握好基本原则和方法，以系统的综合分析的方法，进行论证，最终确定典型零件材料选择、成形工艺、热处理工艺及组织性能，并
2、且保证不因材料内在因素影响产品质量。因此我们在进行典型零件材料及成形工艺的选择时一般可遵循下列四条基本原则（1）使用性能足够的原则（2）工艺性能良好的原则（3）经济性合理的原则（4）结构，材料，成形工艺相适应原则。因此本文简单论述了典型零件材料选择、成形工艺、热处理工艺及组织性能。关键词：典型零件，成形工艺，热处理工艺，组织性能（1）材料选择使用性能足够原则使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。因此典型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状态下材料应具有的力学性能，物理性能和化学性能。对于典型的机械零件和工程构件，最重要的是力学性能。对使用性能的要求，一般是在
3、分析零件工作条件的基础上以及失效分析的基础上提出来的。零件的工作条件包括三方面：（1）受力状况（2）环境状况（3）特殊要求。分析零件受力状况时，收件要分析确定零件所承受载荷的类型，例如动载，静载，循环载荷或单调载荷等；并要确定载荷大小以及载荷形式，例如拉伸，压缩，弯曲或扭转等；还要分析载荷的特点，例如是均布载荷还是集中载荷等。分析零件工作的环境状况时，主要是确定工作温度特性以及介质腐蚀情况或磨损条件等。特殊要求主要是对导电性，磁性，热膨胀，比重，外观等的要求因此，当零件工作条件不同则使用性能要求也不同，应选用不同品种的材料来承担。按受力状况，环境条件及零件类型来确定所选用材料类别如图所示对于失
4、效零件进行失效分析，可为合理选材及合理选用成形工艺提供实践性的信息。不同的失效形式，可揭示原设计选材的不同弱点。应根据零件失效分析的结果，有针对性的修正原设计的选材，以便保证零件的工作效能及具有足够的抵抗失效的能力。例如，零件因过量变形而失效，表明原选用的菜聊刚性或屈服强度不足，应更换弹性模量高的或者屈服极限高的材料。如果是因为零件表面磨损而失效，应选用硬度高的材料等等。（2）成型工艺的选择工艺技术的合理选择是工艺方案设计及实施的最重要的环节，同时也是制定工艺路线或工艺流程的依据。由于同一种零部件或者产品，无论毛坯制造，机械加工，还是热处理，表面处理，装配，往往可以用不同的工艺方法来完成，因而
5、增加了工艺技术选择的复杂性。而成形技术是工艺技术中对产品性能影响最大的一个环节之一。因此成形技术的选择是非常重要的。与锻造成形的钢轴相比，求魔铸铁有良好的减震性，切削加工性及低的缺口敏感性；此外，他的力学性能高，疲劳强度与中碳钢接近，耐磨性优于表面淬火钢，经过热处理后，还可使其强度，硬度或韧性有所提高烛照成形的轴最大的不足之处就在于它的韧性低，在承受过载或大的冲击载荷时，易产生脆断。因此，对于主要考虑刚度的轴以及主要承受静载荷的轴，如曲轴，凸轮轴等可采用铸造成形的球墨铸铁来制造。目前部分负载较重单冲击不大的度锻造成形轴已经被铸造成形轴所代替，及满足了使用性能的要求，又降低了零件的生产成本，取得
6、了良好的经济效益。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进行表面淬火，贝氏体等温淬火等工艺。球墨铸铁轴和段钢轴一样均可经氮碳共渗处理，使疲劳极限和耐磨性大幅度提高。与段钢轴相比所不同的是所得氮碳共渗层较浅，硬度较高。对于以强度要求为主的轴特别是在运转中伴随有一定的冲击载荷的轴，大多采用锻造成形。锻造成形的轴常用材料为中碳钢或中碳合金调质钢。这类材料的锻造性能较好，度按照后配合适当的热处理，可获得良好的综合性能，较高的疲劳强度以及耐磨性，从而有效的提高轴的抵抗变形，断裂及磨损的能力。碳素结构钢生产工艺流程图（3）热处理工艺选择及组织性能齿轮，轴承
7、，弹簧等被广泛用于机械传动中，钳工工具，木工工具，金属切削工具是现代工业必不可少的工具，模具是现实少，无加工先进技术的重要装备，量具是产品质量的有力保证。这些典型零件在现代工业生产中的应用日益广泛，数量越来越大。无论哪种零件，都必须正确的选择材料并经过适当的热处理才能更好地发挥材料的潜能，大大提高组织性能，满足不同的使用要求。并且热处理是提高机械零件质量和延长寿命的关键。热处理零件寿命实现一顶几，即意味着材料资源的节约，能源的节约，人力资源的节约。因此热处理工艺在金属工艺处理中占有重要地位。以 C620 车床主轴为例，分析工艺选用和组织性能问题该主轴受交变弯曲和扭转的复合应力，要求有足够的强度
8、，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以有一般水平的综合力学性能即可满足要求，但大端的轴颈，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。由于本例中的轴径变化较大，可采用锻造成形，通过减径拔长，锻成阶梯状毛坯。由于锻造后截面变化较大，锻造经历时间不同，因而组织转变不均，应力分布不均，为此需要采用退火或正火，以便消除锻后的组织缺陷及残余应力；同时锻造后尚有较多的切削加工任务，为利于切削，又需调整材质的硬度，一般来说材质最佳切削硬度为 140248HB，硬度过高刀具磨损，切削困难，硬度太低时，不易断屑，又会发生粘刀现象，影响切削加工质量及生产率。当用退火时，有可能使印度偏低，且因
9、零件在炉中停留时间长，影响炉子的利用率，故采用正火作为预备预处理。经正火处理后，需检验硬度及组织是否合格，如发现硬料或软料现象，应于重新正火进行返修，否则不利于大进给，大走刀量的粗切削加工。正火处理后的组织是片层装的索氏体，硬而脆的片层状渗碳体分割铁素体基体，易产生脆性。对于车床用轴，不但有强度要求，在车床换挡时还要承受一定的冲击载荷，还应具有一定的韧性。为此，粗加工后尚需进行调质热处理。调质处理可获得回火索氏体，而回火索氏体与索氏体（正火得到的）相比，在强度相当的情况下，具有高的韧性。这是由于回火索氏体中的渗碳体呈细小颗粒状弥散分布在铁素体中，对于基体分割现行没有片状索氏体那么严重，容易发挥
10、铁素体的韧性作用。调制处理分为两个工序即淬火+高温回火。淬火后能否会的充分的马氏体是最终获得回火索氏体的基本保证。为此淬火后，必须通过硬度检验，考核淬火是否合格。45 钢的淬火最高硬度为 4852HRC。如果淬火后硬度低于此值，表明淬火工艺有缺陷。应予以返修重新淬火。淬火硬度合格者再经高温回火即可获得回火索氏体组织，硬度为220250HB，具有良好的强韧性通过调质处理使整体轴的强韧性虽然满足了要求，但是轴的大端轴颈，锥孔有要求耐磨，故应有较高的硬度，还应采取局部表面硬化措施。由表面热处理，化学热处理及表面改性处理技术可知，表面感应淬火，表面火焰淬火，渗碳化学热处理，渗氮化学热处理及表面镀应铬，
11、渗硼等都可以实现表面硬化。渗硼由于很硬很脆，适用于工模具类，又因加热温度高易变形，故轴类零件通常不用。渗碳适用于低碳钢表面硬化，本轴业已选用了 45 钢，基体含碳量已经很高，表层若再经渗碳，易使轴的韧性下降。由于工件很大，镀铬槽难以适应。最后可考虑在表面淬火和渗氮工艺选择。一般说来渗氮硬度比表面淬火高的多，但渗氮共时长，没有特殊需要，尽可不选。而且渗氮后有需要电解去除锡镀层，工艺复杂，故不选用，在表面淬火中，火焰淬火，设备简单，但淬火质量不如感应加热淬火，而且感应加热淬火，还便于实现机械化，自动化。故最终选用高频感应表面淬火。表面淬火后尚需消除淬火应力。需要进行低温回火。性能满足要求后再进行精磨加工。综上所述，其工艺路线如下原材料锻造正火粗加工淬火高温回火精加工大端局部高频感应淬火低温回火精磨加工。参考文献（1）丁德全金属工艺学机械工业出版社 1998.5 P235-P243（2）吕广庶 张远明 工程材料及成形技术基础（第二版）高等教育出版社 2012.8 P319-P329（3）杨满热处理实用技术问答机械工业出版社 2009.6 前言 P289 P301（4）阎承沛典型零件热处理缺陷分析及对策 480 例机械工业出版社 2008.7 P1 （5）谢应良典型铸铁件铸造实践机械工业出版社 2014.1前言
