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机械零件的选材及热处理工艺
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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。 【基本要求】1.熟悉选材过程； 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十分重要的工作。因为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，降低成本，减少消耗等。 【选材的一般原则】 1．材料的机械性能： 在设计零件并进行选材时，应根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，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（受力情况）是交变弯曲应力，扭转应力，冲击负荷、磨损。主要损坏形式是疲劳破析、过度磨损，要求的主要机械性能指标是屈服强度σ0.2，疲劳强度σ-1，硬度（HRC）。 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行机械性能试验测得的，它虽能表明材料性能的高低，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，目前用此法来进行生产检验还是存在着一定的困难。生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检验硬度，因为硬度的检验可以不破坏零件，而且硬度与其它机械性能之间存在一定关系。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：σb与HB关系 低碳钢σb=3.6HB 高碳钢σb=3.4HB 合金调压钢σb=0.33HB 铸铁σb= σ0.2与σb关系 普通碳素钢σ0.2≈(0.5~0.55) δb 优质碳素钢σ0.2≈0.6δb 普通低合金钢σ0.2≈(0.65~0.75) δb 合金结构钢 σ0.2≈0.7δb σ-1与σb关系 钢(HRC＜40＝) σ-1≈(0.49±0.13) δb 铸铁 σ-1≈(0.3~0.5) δb 有色金属 σ-1≈(0.3~0.4) δb 2. 材料的工艺性能： 现代工业所有的机器设备，大部分是由金属零件装配而成的，所以金属零件的加工是制造机器的重要步骤。 用金属材料制造零件的基本加工方法，通常有下列四种：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：包括流动性、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：包括光洁度，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，因此在选材时要对材料的工艺性能加以注意。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决定性的因素。比如24SiMnWV比20CrMnTi钢机械性能好得多，只因为其正火后硬度较高，切削加工性差，不能适于大批量生产的要求，不能采用。此外，在设计零件时，也要注意热处理工艺。如其结构形状复杂，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、形状复杂和高强度的淬火零件，常选用合金钢，因为合金钢淬透性好，强度高。可是合金钢的锻造、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注意降低零件的总成本。（零件的总成本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，而且可降低成本。 （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，以便采购和管理。 总之，作为一个设计人员，选材时必须从实际出发，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】 设计者应根据零件的工作特性，提出热处理技术条件 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20～40个单位左右。 采用不同热处理方法时，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。 图10-1 45钢轴 对于局部热处理的，热处理技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，当然对于渗碳零件，还应标注渗碳层深度。如图10-2。 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、材料被切削后的表面光洁度以及刀具寿命等几方面情况来衡量。 实践证明，在切削加工时，为了不致发生“粘刀”现象和使刀具严重磨损，通过金相组织控制钢的硬度范围是必要的，为了使钢具有良好的切削加工性，一般希望硬度控制在HB170~230，调低状态的中碳钢为了改善表面光洁度可将硬度提高到≥HB250，但将使普通刀具受到严重磨损。 含碳量在0.25%以下时，钢的切削加工必随碳量增加而改善，碳含量过低时，退火钢吸附大量柔软的铁素体，钢的延展性非常好，切屑易粘着刀刃而形成刀瘤，而且切屑是撕裂断裂，以致表面光洁度变差，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，退火钢中铁素体量减少而珠光体量增多，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形状态进行切削加工。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行切削加工。含碳量在0.25～0.6%之间的中碳钢,为了获得较好的表面光洁度，经常采取正火处理获得较多的细片状珠光体，使硬度适当提高些。对含碳量在0.5%以上的中碳钢宜采取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① 承受高变扭转载荷、高变弯曲载荷或拉一压载荷；② 局部（轴颈、花键等）承受磨擦和磨损； ③ 特殊条件下受温度或介质作用。 轴的主要失效方式是疲劳断裂和转颈处磨损，有时也发生冲击过载断裂，个别情况下发生塑性变形或腐蚀失效。 性能要求：① 高的疲劳强度，防止疲劳断裂；② 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，防止塑性变形及过载或冲击载荷下的扭转和折断；③ 局部承受磨擦的部位具有高硬度和耐磨性，防止磨损；④ 在特殊条件下工作的转的材料应具有特殊性能，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，转速中等并承受一定的冲击载荷。大多选用45钢制造，经调质处理后轴颈处再进行表面淬火，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→局部表面淬火+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劳强度；局部表面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，径调质处理后再进行氮化处理。 轴类零件需用的材料有普通碳素钢、优质碳素钢、合金结构钢和球墨铸铁等。 碳素钢通常是用含碳量0.35～0.50%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A3、A4和A5钢，对于高转速，重负荷要求耐磨，耐冲击及耐疲劳的轴，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，承受能力高及耐磨性强，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】 选择下列零件的热处理方法，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，轴径部分要求耐磨（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，要求镗杆表面有极高的硬度，心部有较高的综合机械性能，材料选用38CrMoALA。 |
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