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1、第十章 机械零件的选材及热处理工艺【重点内容】1.选材的原则及方法；2.典型零件的选材及工艺路线制定；【本章难点】 选材的原则及工艺过程的分析。【根本要求】1.生疏选材过程；2.正确分析各热处理工序的作用；在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择和使用金属材料是一项格外重要的工作。由于设计时不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且还要求材料具有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低本钱，削减消耗等。【选材的一般原则】 1材料的机械性能：在设计零件并进展选材时，应依据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料主要机械性能指标，查手册找出适合其性能要求的材料，
2、这是保证零件经久耐用的先决条件。如：一些轴类零件，工作条件受力状况是交变弯曲应力，扭转应力，冲击负荷、磨损。主要损坏形式是疲乏破析、过度磨损，要求的1-59-主要机械性能指标是屈服强度，疲乏强度0.2，硬度HRC。-1因此，这些机械性能指标经常成为材料选用的主要依据。而且同时还应考虑到短时过载、润滑浪、材料内部缺陷等因素的影响。在工程设计上，材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进展机械性能试验测得的，它虽能说明材料性能的凹凸，但由于试验条件与机械零件实际工作条件有差异，即使这样，目前用此法来进展生产检验还是存在着肯定的困难。生产中最常用的比较便利的检验性能的方法是检验硬度，由于硬度的检验
3、可以不破坏零件，而且硬度与其它机械性能之间存在肯定关系。因此零件图纸上一般以硬度作为主要的热处理技术条件。如：b与 HB 关系低碳钢 =3.6HB高碳钢 =3.4HBbb合金调压钢 =0.33HB铸铁 = HB40bb6 与 关系0.2b一般碳素钢 (0.50.55) 0.2b优质碳素钢 0.60.2b一般低合金钢 (0.650.75) 0.2b合金构造钢 0.70.2b 与 关系-1b钢(HRC40 ) (0.490.13) -1b铸铁 (0.30.5) -1b有色金属 (0.30.4) -1b2. 材料的工艺性能：现代工业全部的机器设备，大局部是由金属零件装配而成的，所以金属零件的加工是制
4、造机器的重要步骤。用金属材料制造零件的根本加工方法，通常有以下四种：铸造、压力加工、焊接和机械加工。热处理是作为改善机械加工性和使零件得到所要求的性能而安排在有关工序之间。材料的工艺性能的好坏对零件加工生产有直接的影响。几种重要的工艺性能如下：铸造性能：包括流淌性、收缩、偏析、吸气性等。锻造性能：包括可锻性塑性与变形抗力的综合、抗氧化性、冷镦性、锻后冷却要求等。机械加工性：包括光滑度，切削加工性等。焊接性能：包括形成冷裂或热裂的倾向、形成气孔的倾向等。热处理工艺性：包括淬透性、变形开裂倾向、过热敏感性、回火脆性倾向、氧化脱碳倾向。机器上的钢制零件一般要经过锻造、切削加工和热处理等几种加 工，因
5、此在选材时要对材料的工艺性能加以留意。小批量生产工艺性能好压，不突出，尤其对大批量生产时，工艺性能则可以成为打算性的因素。比方 24SiMnWV 比 20CrMnTi 钢机械性能好得多，只由于其正火后硬度较高，切削加工性差，不能适于大批量生产的要求，不能承受。此外，在设计零件时，也要留意热处理工艺。如其构造外形简单，应选用淬透性较好的钢材料，如油淬钢，它的变形较小。一般说来，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般零件工作条件的要求，因此碳钢的用途较广，但它的强度还不够高，淬透性较差。所以，制造大截面、外形简单和高强度的淬火零件，常选用合金钢，由于合金钢淬透性好，强度高。可是
6、合金钢的锻 造、切削加工等工艺性能较差。3. 材料的经济性在满足使用性能的前提下，选用零件材料时还应留意降低零件的总本钱。零件的总本钱包括材料本身的价格和与生产有关的其它一切费用。在金属材料中，碳钢和铸铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢的铸铁尤其是球墨铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低本钱。低合金钢由于强度比碳钢高，总的经济效益比较显著，有扩大使用的趋势。此外，所选钢铁中应尽量少而集中，以便选购和治理。总之，作为一个设计人员，选材时必需从实际动身，全局考虑机械性能、工艺性和经济性等方向问题。【热处理技术条件的标注】设计者应依据零件的工作特性，提出热处理技术
7、条件热处理零件一般在图纸上都以硬度作为热处理技术条件，对于渗碳的零件则还应标注渗碳深度。某些要求性能较高的零件则还需标注其它机械性能指标。此外，在标注硬度的同时要写出相应的热处理工艺名称，如调质、淬火回火、高频淬火等，在标注硬度范围时，其波动范围为 HRC 在 5 个单位左右，HB 在 2040 个单位左右。承受不同热处理方法时，图纸上的标注方法不同。对于整体热处理时，热处理技术条件大多标注在零件图纸称颗粒的上方，如图 10-1。调质 HB235265名称材料轴45 钢图 10-1 45 钢轴渗碳 0.81.0mm淬火回火 HRC5862名称材料球头销20CrMnTi对于局部热处理的，热处理技
8、术条件直接标注在需要局部热处理的部位，并用细实线标明处理位置，固然对于渗碳零件，还应标注渗碳层深度。如图 10-2。渗碳部位7图 10-2 45 钢摇杆【热处理与切削加工性的关系】材料的切削加工性的好坏，经常用材料被切削的难易程度、材料被切削后的外表光滑度以及刀具寿命等几方面状况来衡量。实践证明，在切削加工时，为了不致发生“粘刀”现象和使刀具严峻磨损，通过金相组织把握钢的硬度范围是必要的，为了使钢具有良好的切削加工性，一般期望硬度把握在 HB170230，调低状态的中碳钢为了改善外表光滑度可将硬度提高到HB250，但将使一般刀具受到严峻磨损。含碳量在 0.25%以下时，钢的切削加工必随碳量增加
9、而改善，碳含量过低时，退火钢吸附大量松软的铁素体，钢的延展性格外好，切屑易粘着刀刃而形成刀瘤，而且切屑是撕裂断裂，以致外表光滑度变差，刀具的寿命也受到影响，因此含碳量过低的钢不宜在退火状态切削加工。随着含碳量增加，退火钢中铁素体量削减而珠光体量增多，钢的延展性降低而硬度和强度增加，从而使钢的切削加工性有所改善。生产上含碳量0.25%的低碳钢大多在热轧或高温正火状态或冷拔塑性变外形态进展切削加工。含碳并超过 0.6%时属于高碳钢范围，它们大多通过球化退火获得合格的球化组织，使硬度适当降低之后再进展切削加工。含碳量在0.250.6%之间的中碳钢,为了获得较好的外表光滑度，经常实行正火处理获得较多的
10、细片状珠光体，使硬度适当提高些。对含碳量在 0.5%以上的中碳钢宜实行一般退火或淬火加高温回火的调质处理，以获得比正火处理略低的硬度，易切削加工。【典型零件选材及热处理工艺分析】以轴类零件为例：1. 轴的工作条件失效方式及对性能的要求：轴主要是起支承传动零件并传递扭矩，工作条件 承受高变扭转载荷、高变弯曲载荷或拉一压载荷； 局部轴颈、花键等承受磨擦和磨损； 特别条件下受温度或介质作用。轴的主要失效方式是疲乏断裂和转颈处磨损，有时也发生冲击过载断裂，个别状况下发生塑性变形或腐蚀失效。性能要求： 高的疲乏强度，防止疲乏断裂； 优良的综合机械性能，即较高的屈服强度的抗拉强度，较高的韧性，防止塑性变形
11、及过载或冲击载荷下的扭转和折断； 局部承受磨擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨损； 在特别条件下工作的转的材料应具有特别性能，如蠕变抗力，耐腐蚀性等。2. 轴的选材及热处理1机床主轴机床主轴承受中等扭转弯曲复合载荷，转速中等并承受肯定的冲击载荷。大多项选择用 45 钢制造，经调质处理后轴颈处再进展外表淬火，载荷较大时可选用 40Cr 钢制造。工艺路线：下料锻造正火粗加工调质精加工局部外表淬火+低温回火精磨成品。正火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工性；调质处理可获得高的综合机械性能和疲乏强度；局部外表淬火及低温回火可获得局部高硬度和耐磨性。对于某些机床主轴如成能洗床主轴，也可用球墨铸铁代替
12、 45 钢来制造。对于要求高精度、高尺寸稳定性及耐磨性的主轴的镗床主轴，往往用 38CrMoAlA 钢制造，径调质处理后再进展氮化处理。轴类零件需用的材料有一般碳素钢、优质碳素钢、合金构造钢和球墨铸铁等。碳素钢通常是用含碳量 0.350.50%的中碳钢，常用的是 35、40 和45 号钢，不重要的或受力小的轴也可用 A 、A 和 A 钢，对于高转速，重345负荷要求耐磨，耐冲击及耐疲乏的轴，应选用 40Cr、45Mn 或 35SiMn、38CrMoAlA 等合金钢，这类钢经适当的热处理可以改善其机械性能，承受力量高及耐磨性强，高强度的球墨铸铁可以用来制造压缩机曲轴和水泵轴等。【作业题】 选择以下零件的热处理方法，并编写简明的工艺路线各零件均选用锻造毛坯，并且钢材具有足够的淬透性：（1） 某机床变速箱齿轮模数 m=4，要求齿面耐磨，心部强度和韧性要求不高，材料选用 45 钢；（2） 某机床主轴，要求有良好的综合机械性能，轴径局部要求耐磨HRC 50-55，材料选用 45 钢；（3） 镗床镗杆，在重载荷下工作，精度要求极高，并在滑动轴承中运转，要求镗杆外表有极高的硬度，心部有较高的综合机械性能，材料选用 38CrMoALA。