《金属材料与热处理》典型零件的选材原则及工艺路线设计.ppt

机械零件选材原则,一、机械零件正确选材的使用性能原则 使用性能主要是指零件在使用状态下材料应该具有的机械性能、物理性能和化学性能。对大量机器零件和工程构件，则主要是机械性能。对一些特殊条件下工作的零件，则必须根据要求考虑到材料的物理、化学性能。材料的使用性能应满足使用要求。,使用性能原则,二、零件使用时的工作条件 （1）受力状况 主要是载荷的类型(例如动载、静载、循环载荷或单调载荷等)和大小；载荷的形式；载荷的特点等。 （2）环境状况 主要是温度特性、介质情况等。 （3）特殊要求 如对导电性、磁性、热膨胀、密度、外观等的要求。,三、零件根据使用性能选材的步骤 第一步:通过对零件工作条件和失效形式的全面分析，确定零件对使用性能的要求； 第二步:利用使用性能与实验室性能的相应关系，将使用性能具体转化为实验室机械性能指标； 第三步:根据零件的几何形状、尺寸及工作中所承受的载荷，计算出零件中的应力分布； 第四步:由工作应力、使用寿命或安全性与实验室性能指标的关系，确定对实验室性能指标要求的具体数值； 第五步:利用手册根据使用性能选材。,常用零件的工作和失效形式,由于零件所要求的机械性能数据，不能简单地同手册、书本中所给出的完全等同相待，还必须注意以下情况： 材料的性能不单与化学成分有关，也与加工、处理后的状态有关。 材料的性能与加工处理时试样的尺寸有关，必须考虑零件尺寸与手册中试样尺寸的差别，进行适当的修正。 材料的化学成分、加工处理的工艺参数本身都有一定波动范围。,工艺性能原则,材料的工艺性能应满足生产工艺的要求，这是选材必须考虑的问题。,1. 性能要求不高的一般金属零件选材的工艺路线 毛坯正火或退火切削加工零件。 2. 性能要求较高的金属零件选材的工艺路线 毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火、回火，固溶时效或渗碳处理等)精加工零件。 3. 性能要求较高的精密金属零件选材的工艺路线 毛坯预先热处理(正火、退火)粗加工最终热处理(淬火、低温回火、固溶、时效或渗碳)半精加工稳定化处理或氮化精加工稳定化处理零件。 这类零件除了要求有较高的使用性能外，还要有很高的尺寸精度和表面光洁度。,经济性原则,一、材料的价格 零件材料的价格无疑应该尽量低。 材料的价格在产品的总成本中占有较大的比重，据有关资料统计，在许多工业部门中可占产品价格的30%70%，因此设计人员要十分关心材料的市场价格。 二、零件的总成本 零件选用的材料必须保证其生产和使用的总成本最低。 零件的总成本与其使用寿命、重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。 三、国家的资源 随着工业的发展，资源和能源的问题日渐突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用材料应该来源丰富并顾及我国资源状况。 另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。,典型工件的选材及工艺路线设计,主要本章介绍工业上应用最广泛的四大类典型工件(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。,一、 齿轮选材 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。 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,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。 此外，还要求有较好的热处理工艺性能，如热处理变形小等。,4 齿轮类零件的选材 齿轮材料要求的性能主要是疲劳强度，尤其是弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。表面硬度越高，疲劳强度也越高。齿心应有足够的冲击韧性，目的是防止轮齿受冲击过载断裂。 从以上两方面考虑，选用低、中碳钢或其合金钢。它们经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有好的韧性，能满足使用要求。此外，这类钢的工艺性能好，经济上也较合理，所以是比较理想的材料。,5 典型齿轮选材举例 一、机床齿轮,机床变速箱齿轮,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。因此，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。,冲击载荷小的低速齿轮也可采用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, 噪声减少, 长期使用磨损很小。,二、汽车齿轮,汽车后桥齿轮,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。,汽车齿轮主要分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。一般用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi制造。,二、轴类零件选材 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。,2 轴类零件的失效方式 (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）； (2)大载荷或冲击载荷作用引起的过量变形、断裂； (3)与其它零件相对运动时产生的表面过度磨损。,转轴弯曲疲劳断口形貌,直升飞机螺旋桨驱动齿轮轴扭断,轴颈被埋嵌在轴承中的硬粒子磨损,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) 良好切削加工性能, 价格便宜。,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（便宜，有一定综合机械性能、对应力集中敏感性较小），如35、40、45、50钢，经正火、调质或表面淬火热处理改善性能；载荷较大并要限制轴的外形、尺寸和重量，或轴颈的耐磨性等要求高时采用合金钢，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；也可以采用球墨铸铁和高强度灰铸铁作曲轴的材料。 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，应具有较高淬透性。,5 典型轴的选材 一、机床主轴选材 以C620车床主轴为例进行选材。 该主轴受交变弯曲和扭转复合应力作用，但载荷和转速均不高，冲击载荷也不大，所以具有一般综合机械性能即可满足要求。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。,C620车床主轴简图,主轴用45钢制造。, 做一做：制定工艺路线 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。,其它机床主轴选材 二、内燃机曲轴选材 1. 曲轴的工作条件、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，还可造成曲轴的扭转和弯曲振动，产生附加应力；应力分布不均匀；曲轴颈与轴承有滑动摩擦。 （2）性能要求 曲轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈严重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、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、球墨铸铁、珠光体可锻铸铁及合金铸铁等, 如ZG25、QT600-3、QT700-2 、KTZ450-5、KTZ500-4等。,2. 175A型农用柴油机曲轴选材,175A型柴油机曲轴简图,（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, 整体硬度240 HBS260 HBS, 轴颈表面硬度625 HV, 2%, ak150 kJ/m2。 （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。 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。,三、 弹簧选材 弹簧是一种重要的机械零件。它的基本作用是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。 弹簧按形状分主要有螺旋弹簧(压缩、拉伸、扭转弹簧)、板弹簧、片弹簧和蜗卷弹簧几种。,(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,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。,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。,2 弹簧的失效形式 (1) 塑性变形 在外载荷作用下，材料内部产生的弯曲应力或扭转应力超过材料本身的屈服应力后，弹簧发生塑性变形。外载荷去掉后，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，弹簧表面缺陷(裂纹、折迭、刻痕、夹杂物)处产生疲劳源，裂纹扩展后造成断裂失效。 (3) 快速脆性断裂 某些弹簧存在材料缺陷(如粗大夹杂物，过多脆性相)、加工缺陷(如折迭、划痕)、热处理缺陷(淬火温度过高导致晶粒粗大，回火温度不足使材料韧性不够)等，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易产生应力腐蚀断裂失效。高温使弹簧材料的弹性模量和承载能力下降，高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。,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，因此要求弹簧的工作应力不超过材料的弹性极限。弹性极限越大，弹簧可承受的外载荷越大。对于承受重载荷的弹簧，如汽车用板簧、火车用螺旋弹簧等，其材料需要高的弹性极限。 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、50CrVA钢为0.9。屈强比高，弹簧可承受更高的应力。,(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 保证在腐蚀性介质和高温条件下的使用性能。,4 弹簧的选材 一、弹簧钢 根据生产特点的不同，分为两大类： （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，用来制作小型冷成型螺旋弹簧、片簧、蜗卷弹簧等。,主要弹簧钢的特点及用途,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 具有良好的导电性、非磁性、耐蚀性、耐低温性及弹性，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。,5 典型弹簧选材 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。,(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850 ºC860 ºC(60Si2Mn钢为870 ºC), 采用油冷, 淬火后组织为马氏体。 回火 温度为420 ºC500 ºC, 组织为回火屈氏体。屈服强度s0.2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,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,三、气门弹簧 (1) 用途 内燃机气门弹簧是一种压缩螺旋弹簧。其用途是在凸轮、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，可采用淬透性比较好、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校直后用自动卷簧机卷制成螺旋状，切断后两端并紧，经850 ºC860 ºC加热后油淬，再经520 ºC回火，组织为回火屈氏体，喷丸后两端磨平。弹簧弹性好，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，绕制后经300 ºC350 ºC加热消除冷卷簧时产生的内应力。,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(200 ºC220 ºC)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500 ºC600 ºC。 (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。,3 刃具材料的性能要求 (1) 高硬度，高耐磨性。硬度一般要大于62 HRC； (2) 高的红硬性； (3) 强韧性好； (4) 高的淬透性。可采用较低的冷速淬火，以防止刃具变形和开裂。,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 300 ºC的温度下使用。,三、高速切削用的刃具 (1) 用高速钢(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)制造 高速钢具有高硬度、高耐磨性、高的红硬性、好的强韧性和高的淬透性的特点, 因此在刃具制造中广泛使用, 用来制造车刀、铣刀、钻头和其它复杂、精密刀具。高速钢的硬度为62HRC68HRC, 切削温度可达500 ºC550 ºC, 价格较贵。 (2) 硬质合金制造 硬质合金是由硬度和熔点很高的碳化物(TiC、WC)和金属用粉末冶金方法制成, 常用硬质合金的牌号有YG6、YG8、YT6、YT15等。硬质合金的硬度很高(89HRA94HRA), 耐磨性、耐热性好, 使用温度可达1000 ºC。它的切削速度比高速钢高几倍。硬质合金制造刀具时的工艺性比高速钢差。一般制成形状简单的刀头, 用钎焊的方法将刀头焊接在碳钢制造的刀杆或刀盘上。硬质合金刀具用于高速强力切削和难加工材料的切削。硬质合金的抗弯强度较低, 冲击韧性较差, 价格贵。,(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5000 HV, 耐热温度可达1400 ºC。立方氮化硼的显微硬度可达8000 HV9000 HV, 允许的工作温度达1400 ºC1500 ºC。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。,5 刃具选材举例 一、板锉,板锉,1. 性能要求、材料及工艺 (1) 用途及性能要求 板锉是钳工常用的工具,用于锉削其他金属。其表面刃部要求有高的硬度(64 HRC67 HRC), 柄部要求硬度 35 HRC。 (2) 材料 T12钢 (3) 制造工艺 热轧钢板(带)下料锻(轧)柄部球化退火机加工淬火低温回火,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(2 h 4 h)，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180 HB200 HB。 (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45 min60 min。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。,3.弹簧 主要要求高的弹性极限、高的屈强比和高的疲劳强度。弹簧一般选用碳素钢、合金弹簧钢和铜合金等金属材料制造，如汽车弹簧用65Mn、60Si2Mn钢制造，气门弹簧用50CrMn、55SiMnMoV等钢制造。 4.刃具 主要要求硬度、耐磨性和红硬性。可根据不同的使用条件选用碳素工具钢、低合金刃具钢、高速钢、硬质合金和陶瓷等，如手动刃具可用T8、T10等碳素工具钢，低速切削刃具可用低合金刃具钢9SiCr、CrWMn制造，高速切削刃具需选用高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2制造等。,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,一、缸体和缸盖 缸体材料应满足下列要求：有足够的强度和刚度；良好的铸造性和切削性；价格低廉。缸体常用的材料有灰口铸铁和铝合金两种。 缸盖应选用导热性好、高温机械强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种：一是灰铸铁或合金铸铁；另一种是铝合金。 二、缸套 气缸工作面用耐磨材料，制成缸套镶入气缸。常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。为了提高缸套的耐磨性，可以用镀铬、表面淬火、喷镀金属钼或其它耐磨合金等办法对缸套进行表面处理。,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13 MPa15 MPa)作用，并在气缸内作高速往复运动(平均速度一般为9 m/s13 m/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23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,五、气门 气门工作时，需要承受较高的机械负荷和热负荷，排气门工作温度高达650 850 。气门头部还承受气压力及落座时因惯性力而产生的相当大的冲击。 气门经常出现的故障有：气门座扭曲、气门头部变形、气门座面积碳时引起燃烧废气对气门座面强烈地烧蚀。气门材料应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V等合金钢制造, 而排气门则要求用高铬耐热钢（如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo)制造。,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。,牛头刨床结构简图,机床零件,常使用的灰口铸铁是：HT150、HT200及孕育铸铁HT250、HT300、HT350、HT400等。常使用的球墨铸铁为：QT40017、QT42010、QT5005、QT6002、QT7002、QT8002。,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 3 m/s时，常采用锡青铜ZQSn10、ZQSn10-1或ZQSn6-6-3等。 滑动速度V 4 m/s时用铸铝青铜ZQAl9-4。 滑动速度V 2 m/s,且性能要求不高时可用HT150、HT200、HT250。直径大于100 mm200 mm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56 HRC62 HRC，或45、40Cr钢，表面高频淬火到45 HRC50 HRC，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220 HB260 HB，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 4 m/s,青铜石墨含油轴承用于V6 m/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61 HRC65 HRC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400500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600620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600650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500 MPa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60 mm以上的厚钢板, 以满足制造高压锅炉汽包的需要。 (2) 14MnMoVBReg钢 是500 MPa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（650 MPa700 MPa），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级动叶片, 2Cr13多用于后几级动叶片。1Cr13和2Cr13钢的热强性不高, 当温度超过500 时, 热强性明显下降。1Cr13钢的最高工作温度为480 左右, 2Cr13为450 左右。,(2) 强化型铬不锈钢 在1