第九章典型工件選材及工藝路線設計

第9章典型工件的選材及工藝路線設計

10/12/20221第9章典型工件的選材及工藝路線設計課題引入

分析零件的工作條件、失效形式確定零件的性能找出關鍵的性能要求(力學性能)選擇合適的材料確定熱處理方法或其他強化方法10/12/20222第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.1

齒輪選材

9.1.1齒輪的工作條件

(1)由于傳遞扭矩，齒根承受很大的交變彎曲應力。

(2)換擋、啟動或嚙合不均時，齒部承受一定沖擊載荷。

(3)齒面相互滾動或滑動接觸，承受很大的接觸壓應力及摩擦力的作用。

10/12/20223第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.1.2齒輪的失效形式

(1)疲勞斷裂

主要從根部發(fā)生。

(2)齒面磨損

由于齒面接觸區(qū)摩擦，使齒厚變小。疲勞斷裂齒面磨損10/12/20224第9章典型工件的選材及工藝路線設計

(3)齒面接觸疲勞破壞

在交變接觸應力作用下，齒面產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的發(fā)展，引起點狀剝落(或稱麻點)。

(4)過載斷裂

主要是沖擊載荷過大造成的斷齒。

齒面剝落輪齒沖擊斷裂10/12/20225第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.1.3齒輪材料的性能要求

(1)高的彎曲疲勞強度。

(2)高的接觸疲勞強度和耐磨性。

(3)較高的強度和沖擊韌性。

(4)要求有較好的熱處理工藝性能，如熱處理變形小等。10/12/20226第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.1.4

齒輪類零件的選材

此類鋼的優(yōu)點：經(jīng)表面強化處理后，表面有高的強度和硬度，心部有好的韌性，能滿足使用要求。

工藝性能好。經(jīng)濟上也較合理。

選用低、中碳鋼或其合金鋼。

10/12/20227第9章典型工件的選材及工藝路線設計機床變速箱齒輪擔負傳遞動力，改變運動速度和方向的任務。工作條件較好，轉速中等，載荷不大，工作平穩(wěn)無強烈沖擊。

機床變速箱齒輪一般可選中碳鋼(45鋼)制造，為了提高淬透性，也可選用中碳合金鋼(40Cr鋼)。工藝路線為：下料--鍛造--正火--粗加工--調質--精加工--高頻淬火及低溫回火--精磨。一、機床齒輪9.1.5

典型齒輪選材舉例

10/12/20228第9章典型工件的選材及工藝路線設計其它機床齒輪材料：沖擊載荷小的低速齒輪可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-3等鑄鐵制造。機床齒輪除選用金屬齒輪外,有的還可改用塑料齒輪，如用聚甲醛齒輪、單體澆鑄尼龍齒輪,工作時傳動平穩(wěn),噪聲減少,長期使用磨損很小。10/12/20229第9章典型工件的選材及工藝路線設計具體實例

汽車后橋被動圓柱斜齒輪，其形狀及尺寸如圖所示。汽車后橋被動圓柱斜齒輪一、機床齒輪10/12/202210第9章典型工件的選材及工藝路線設計

汽車后橋被動圓柱斜齒輪，其形狀及尺寸如圖所示。

要求齒輪表面耐磨，硬度為58HRC~62HRC，輪齒中心的硬度為35HRC~40HRC，變形量要求盡可能的小，齒中心的沖擊吸收功Ak不應小于55J，屈服強度σs不小于840MPa，齒輪節(jié)圓直徑為125mm,模數(shù)m=5。試選擇合適的材料，制訂加工工藝路線，說明每步熱處理的目的、工藝規(guī)劃及組織。10/12/202211第9章典型工件的選材及工藝路線設計材料的選擇加工工藝路線每步熱處理后的工藝規(guī)范及組織設計加工過程10/12/202212第9章典型工件的選材及工藝路線設計材料的選擇齒輪材料要求的性能主要是疲勞強度，尤其是彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。表面強度越高，疲勞強度就越高。齒心應有足夠的沖擊韌性，防止齒輪受沖擊過載而斷裂。從以上兩方面考慮，選用低、中碳鋼或合金鋼。10/12/202213第9章典型工件的選材及工藝路線設計材料的選擇汽車齒輪受力較大、受沖擊頻繁，其耐磨性、疲勞強度、心部強度以及沖擊韌性等都有很高的要求。調質鋼高頻淬火不能滿足要求，要用低碳鋼進行滲碳處理。10/12/202214第9章典型工件的選材及工藝路線設計

鋼號主要化學成分

wt%熱處理℃機械性能（≥）CMnSiCrMo淬火℃回火℃σbMPaσsMPaδ5%AkU2/J450.42～0.500.5～0.80.17～0.37

830～840水580～640空600355163940Cr0.37～0.440.5～0.80.17～0.370.80～1.100.07～0.12850油520水油980785947低淬透性調質鋼45、40Cr（GB/T3077－1999）10/12/202215第9章典型工件的選材及工藝路線設計材料的選擇汽車齒輪受力較大、受沖擊頻繁，其耐磨性、疲勞強度、心部強度以及沖擊韌性等都有很高的要求。查閱常用的滲碳鋼的牌號、成分、熱處理、性能及圖表。合金滲碳鋼20CrMnTi10/12/202216第9章典型工件的選材及工藝路線設計主要化學成分

wt%熱處理

℃機械性能（≥）

CMn

SiCrTi滲碳

預備

處理

淬火

回火

σb

MPa

σs

MPa

δ

%AkU2/J

0.17～0.230.80～1.100.17～0.371.00～1.300.04～0.10930880油

870油

200108085010

55中淬透性滲碳鋼20CrMnTi

(GB/T3077-1999)10/12/202217第9章典型工件的選材及工藝路線設計加工工藝路線下料鍛造熱處理切削加工熱處理噴丸強化磨削加工10/12/202218第9章典型工件的選材及工藝路線設計正火滲碳淬火低溫回火熱處理后的工藝規(guī)范及組織10/12/202219第9章典型工件的選材及工藝路線設計正火正火目的：獲得細小而均勻的組織；可適當提高低碳合金鋼的硬度，從而改善切削加工性能。工藝規(guī)范：900°C～920°C空冷組織：F+S10/12/202220第9章典型工件的選材及工藝路線設計滲碳滲碳目的：滲碳是低碳鋼件表面獲得高碳濃度，經(jīng)過適當?shù)拇慊鸷突鼗鹛幚砗螅商岣弑砻娴挠捕?、耐磨性和疲勞強度，而使心部仍保持良好的韌性和塑性。工藝規(guī)范：氣體滲碳方法滲層厚度：1.1～1.5mm930°C左右保溫6~8h組織：表面為珠光體+二次滲碳體心部為鐵素體+珠光體10/12/202221第9章典型工件的選材及工藝路線設計淬火淬火目的：提高工件硬度。工藝規(guī)范：將工件預冷到830°C～850°C后淬火，采用油冷。組織：表面滲碳層：合金滲碳體+高碳M+少量殘余A

心部組織：低碳M（T+少量F)10/12/202222第9章典型工件的選材及工藝路線設計低溫回火低溫回火目的：降低淬火應力，保證淬火后的高硬度和高耐磨性。工藝規(guī)范：150°C～250°C

。組織：

表面滲碳層：合金滲碳體+高碳回火馬氏體+少量殘余A′

心部組織：低碳回火M（或含T+少量F）10/12/202223第9章典型工件的選材及工藝路線設計噴丸強化進一步提高齒輪的耐用性和疲勞壽命，滲碳、淬火、回火后還可采用噴丸處理，增大表面壓應力，有利于提高疲勞強度，并清除氧化皮。10/12/202224第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.2

軸類零件選材

9.2.1軸類零件的工作條件

(1)工作時主要受交變彎曲和扭轉應力的復合作用。

(2)軸與軸上零件有相對運動,相互間存在摩擦和磨損。

(3)軸在高速運轉過程中會產(chǎn)生振動,使軸承受沖擊載荷。

(4)多數(shù)軸會承受一定的過載載荷。10/12/202225第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.2.2軸類零件的失效方式

轉軸彎曲疲勞斷口形貌

(1)長期交變載荷下的疲勞斷裂。（包括扭轉疲勞和彎曲疲勞斷裂）。

直升飛機螺旋槳驅動齒輪軸扭斷

(2)大載荷或沖擊載荷引起的過量變形、斷裂。

(3)表面過度磨損。軸頸被埋嵌在軸承中的硬粒子磨損10/12/202226第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.2.3軸類零件材料的性能要求

(1)良好的綜合機械性能，足夠強度、塑性和一定韌性,以防過載斷裂、沖擊斷裂。

(2)高疲勞強度,對應力集中敏感性低,以防疲勞斷裂。

(3)足夠淬透性,熱處理后表面要有高硬度、高耐磨性,以防磨損失效。

(4)良好切削加工性能,價格便宜。

10/12/202227第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.2.4軸類零件的選材

一、材料

經(jīng)鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造（兼顧強度和韌性，同時考慮疲勞抗力）。

●一般軸類零件使用碳鋼。如35、40、45、50鋼

●載荷較大、軸頸的耐磨性要求高時采用合金調質鋼：40Cr、40MnB、40CrNiMo

或者滲碳鋼：20Cr、20CrMnTi

●曲軸可采用球墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵。10/12/202228第9章典型工件的選材及工藝路線設計二、選擇原則

根據(jù)載荷大小、類型等決定。

●主要受扭轉、彎曲的軸，可不用淬透性高的鋼種。

●受軸向載荷軸，因心部受力較大，材料應具有較高淬透性。10/12/202229第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.2.5典型軸的選材

一、機床主軸選材

主軸受交變彎曲和扭轉復合應力作用，載荷和轉速不高，沖擊載荷不大。具有一般綜合機械性能即可滿足要求。

C620車床主軸簡圖大端的軸頸、錐孔與卡盤、頂尖之間有摩擦，這些部位要求有較高的硬度和耐磨性。10/12/202230第9章典型工件的選材及工藝路線設計

●C620車床主軸主軸用45鋼制造。

☆

練習：制定工藝路線其它主軸材料：

●載荷較大的主軸用40Cr鋼制造。

●承受較大沖擊載荷和疲勞載荷的主軸用合金滲碳鋼（20Cr或20CrMnTi）制造。

10/12/202231第9章典型工件的選材及工藝路線設計

二、內(nèi)燃機曲軸選材

1.曲軸工作條件、性能要求、材料

（1）工作條件

曲軸受彎曲、扭轉、剪切、拉壓、沖擊等交變應力。造成曲軸的扭轉和彎曲振動，應力分布不均勻。曲軸頸與軸承有滑動摩擦。（2）性能要求

失效形式主要是疲勞斷裂和軸頸嚴重磨損。

材料要有高強度、一定的沖擊韌性。要有足夠彎曲、扭轉疲勞強度和剛度。軸頸表面有高硬度和耐磨性。

10/12/202232第9章典型工件的選材及工藝路線設計（3）曲軸材料

●鍛鋼曲軸：優(yōu)質中碳鋼和中碳合金鋼，如35、40、45、35Mn2、40Cr,35CrMo鋼等。

●鑄造曲軸：

鑄鋼：ZG230-450

球墨鑄鐵：QT600-3、QT700-2

珠光體可鍛鑄鐵及合金鑄鐵：

KTZ450-06KTZ550-04

10/12/202233第9章典型工件的選材及工藝路線設計

2.175A型農(nóng)用柴油機曲軸選材

（1）性能要求

農(nóng)用柴油機曲軸功率和承受載荷不大，但滑動軸承中工作軸頸部要有較高硬度及耐磨。要求σb≥750MPa,

δ≥2%,

ak≥150kJ/m2

整體硬度240HBS～260HBS

軸頸表面硬度≥625HV175A型柴油機曲軸簡圖（2）曲軸材料

QT700-2

（3）工藝路線

鑄造－高溫正火－高溫回火－切削加工－軸頸氣體滲氮。老師提示汽車發(fā)動機曲軸也可用45、40Cr鋼制造，經(jīng)過模鍛、調質、切削加工后,在軸頸部位進行表面淬火。10/12/202234第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.3

彈簧選材彈簧利用材料的彈性和彈簧本身的結構特點，在載荷作用產(chǎn)生下變形時，把機械功或動能轉變?yōu)樾巫兡?。在恢復變形時，把形變能轉變?yōu)閯幽芑驒C械功。

(a)

壓縮螺旋彈簧(b)拉伸螺旋彈簧

(c)扭轉螺旋彈簧(d)

板彈簧

(e)片彈簧10/12/202235第9章典型工件的選材及工藝路線設計彈簧有下列用途：

(1)緩沖或減振

如汽車、拖拉機、火車中使用的懸掛彈簧。

(2)定位

如機床及其夾具中利用彈簧將定位銷(或滾珠)壓在定位孔(或槽)中。

(3)復原

外力去除后自動恢復到原來位置，如汽車發(fā)動機中的氣門彈簧。

(4)儲存和釋放能量

如鐘表、玩具中的發(fā)條。

(5)測力

如彈簧稱、測力計中使用的彈簧。10/12/202236第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.3.1

彈簧的工作條件

(1)彈簧在外力作用下壓縮、拉伸、扭轉時，材料將承受彎曲應力或扭轉應力。

(2)緩沖、減振或復原用的彈簧承受交變應力和沖擊載荷的作用。

(3)某些彈簧受到腐蝕介質和高溫的作用。

10/12/202237第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.3.2

彈簧的失效形式

(1)塑性變形載荷去掉后，彈簧不能恢復到原始尺寸和形狀。

(2)疲勞斷裂在交變應力作用下，產(chǎn)生疲勞源，裂紋擴展造成斷裂。

(3)快速脆性斷裂存在缺陷，當受到過大的沖擊載荷時，發(fā)生突然脆性斷裂。

(4)腐蝕斷裂及永久變形在腐蝕性介質中使用的彈簧產(chǎn)生應力腐蝕斷裂。高溫下使用的彈簧易出現(xiàn)蠕變和應力松弛，產(chǎn)生永久變形。10/12/202238第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.3.3

彈簧材料的性能要求

(1)高的彈性極限σe和高的屈強比σs/σb

彈簧工作時不允許有永久變形。彈性極限越大，彈簧可承受的外載荷越大。當材料直徑相同時，碳素彈簧鋼絲和合金彈簧鋼絲的抗拉強度相差很小，但屈強比差別較大。

65鋼屈強比為0.760Si2Mn鋼屈強比為0.7550CrVA鋼屈強比為0.9

屈強比高，可充分發(fā)揮材料的承載潛力。

(2)高的疲勞強度

彎曲疲勞強度σ-1和扭轉疲勞強度τ-1越大，則彈簧的抗疲勞性能越好。

(3)好的材質和表面質量

夾雜物含量少，晶粒細小，表面質量好，缺陷少，對于提高彈簧的疲勞壽命和抗脆性斷裂十分重要。

(4)某些彈簧需要材料有良好的耐蝕性和耐熱性

在腐蝕性介質和高溫條件下使用。

10/12/202239第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.3.4彈簧的選材

一、彈簧鋼

（1）熱軋彈簧用材

通過熱軋方法加工成園鋼、方鋼、盤條、扁鋼，制造尺寸較大，承載較重的螺旋彈簧或板簧。彈簧熱成型后要進行淬火及回火處理。（2）冷軋(拔)彈簧用材

以盤條、鋼絲或薄鋼帶(片)供應，用來制作小型冷成型螺旋彈簧、片簧、蝸卷彈簧等。

主要彈簧鋼：65、70、65Mn、55Si2Mn、55Si2MnB、60Si2Mn、50CrVA、50CrMn10/12/202240第9章典型工件的選材及工藝路線設計

二、不銹鋼

06Cr19Ni10(0Cr18Ni9)12Cr18Ni9(1Cr18Ni9)

06Cr18Ni11Ti

(0Cr18Ni10Ti)

通過冷軋(拔)加工成帶或絲材。

制造在腐蝕性介質中使用的彈簧。10/12/202241第9章典型工件的選材及工藝路線設計

三、黃銅、錫青銅、鋁青銅、鈹青銅

用于制造電器、儀表彈簧及在腐蝕性介質中工作的彈性元件。具有良好的導電性、非磁性、耐蝕性、耐低溫性及彈性。10/12/202242第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.3.5典型彈簧選材

汽車板簧

(1)用途及性能要求

用于緩沖和吸振，承受很大的交變應力和沖擊載荷的作用，需要高的屈服強度和疲勞強度。汽車板簧10/12/202243第9章典型工件的選材及工藝路線設計

(2)材料

●輕型汽車板簧

65Mn、60Si2Mn

●中型或重型汽車板簧

50CrMn,55SiMnVB

●重型載重汽車大截面板簧

55SiMnMoV,55SiMnMoVNb10/12/202244第9章典型工件的選材及工藝路線設計

(3)工藝路線

熱軋鋼帶(板)沖裁下料—壓力成型—淬火—中溫回火—噴丸強化。

淬火

溫度為850℃～860℃(60Si2Mn鋼為870℃),采用油冷,淬火后組織為馬氏體。

回火

溫度為420℃～500℃。

組織：回火屈氏體。屈服強度σ0.2：不低于1100MPa

硬度：42HRC～47HRC

沖擊韌度ak

：250KJ/m2～300KJ/m210/12/202245第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.4

刃具選材

切削加工使用的車刀、銑刀、鉆頭、鋸條、絲錐、板牙等工具統(tǒng)稱為刃具。

切削加工

10/12/202246第9章典型工件的選材及工藝路線設計

9.4.1

刃具的工作條件

(1)刃具切削材料時，刃部受到很大的彎曲應力。鉆頭、鉸刀還會受到較大的扭轉應力作用。

(2)刃具刃部與被切削材料強烈摩擦，刃部溫度可升到500oC～600oC。

(3)機用刃具往往承受較大的沖擊與震動。10/12/202247第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.4.2

刃具的失效形式

(1)磨損

磨損增加切削抗力，降低切削零件表面質量，使被加工零件的形狀和尺寸精度降低。

(2)斷裂

在沖擊力及震動的作用下折斷或崩刃。

(3)刃部軟化

刃部溫度升高，刃部硬度容易下降，喪失切削加工能力。10/12/202248第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.4.3

刃具材料的性能要求

(1)高硬度，高耐磨性。硬度一般要大于62HRC。

(2)高的紅硬性。

(3)強韌性好。

(4)高的淬透性?？刹捎幂^低的冷速淬火，以防止刃具變形和開裂。10/12/202249第9章典型工件的選材及工藝路線設計

9.4.4刃具的選材

刃具材料有碳素工具鋼、低合金刃具鋼、高速鋼、硬質合金和陶瓷等。

一、簡單的手用刃具

手鋸鋸條、銼刀、木工用刨刀、鑿子等簡單、低速的手用刃具紅硬性和強韌性要求不高，主要的使用性能是高硬度、高耐磨性。用碳素工具鋼制造。如T8、T10、T12鋼。碳素工具鋼價格較低,但淬透性差。

10/12/202250第9章典型工件的選材及工藝路線設計二、低速切削、形狀較復雜的刃具

絲錐、板牙、拉刀等可用低合金刃具鋼9SiCr、CrWMn制造。鋼中加入Cr、W、Mn等元素,使鋼的淬透性和耐磨性大大提高,耐熱性和韌性也有所改善?？稍?lt;300℃的溫度下使用。

10/12/202251第9章典型工件的選材及工藝路線設計三、高速切削用的刃具

(1)用高速鋼(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2)制造具有高硬度、高耐磨性、高的紅硬性、好的強韌性和高的淬透性。在刃具制造中廣泛使用,用來制造車刀、銑刀、鉆頭和其它復雜、精密刀具。高速鋼的硬度為62HRC～68HRC,切削溫度可達500℃～550℃,價格較貴。10/12/202252第9章典型工件的選材及工藝路線設計

(2)用硬質合金制造

常用的有P20、P40（WC+TiC+Co)S10、S30（WC+TaC+Co)

硬質合金的硬度很高(89HRA～94HRA),耐磨性、耐熱性好,使用溫度可達1000℃。切削速度比高速鋼高幾倍。硬質合金制成形狀簡單的刀頭,用釬焊將刀頭焊接在碳鋼制造的刀桿或刀盤上。硬質合金刀具用于高速強力切削和難加工材料的切削。硬質合金的抗彎強度較低,沖擊韌度較低,價格貴。10/12/202253第9章典型工件的選材及工藝路線設計

(3)用陶瓷制造

硬度極高、耐磨性好、紅硬性極高。熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷顯微硬度為5000HV,耐熱溫度可達1400℃。

立方氮化硼的顯微硬度可達8000HV～9000HV,允許的工作溫度達1400℃～1500℃。陶瓷刀具一般為正方形、等邊三角形的形狀,制成不重磨刀片,裝夾在夾具中使用。用于各種淬火鋼、冷硬鑄鐵等高硬度難加工材料的精加工和半精加工。陶瓷刀具抗沖擊能力較低,易崩刃。10/12/202254第9章典型工件的選材及工藝路線設計9.4.5

刃具選材舉例

一、板銼

1.性能要求、材料及工藝

(1)用途及性能要求

板銼是鉗工常用的工具,用于銼削其他金屬。其表面刃部要求有高的硬度(64HRC～67HRC),柄部要求硬度<35HRC。

熱軋鋼板(帶)下料—鍛(軋)柄部—球化退火—機加工—淬火—低溫回火。(3)制造工藝(2)材料

T12鋼10/12/202255第9章典型工件的選材及工藝路線設計

2.主要工藝說明

(1)球化退火

使鋼中碳化物呈粒狀分布,細化組織,降低硬度,改善切削加工性能。為淬火作組織準備,細小的碳化物顆粒提高鋼的耐磨性。

球化退火工藝：毛坯加熱到760℃～770℃,保溫2h～4h。以30℃～50℃/h的速度冷卻到550℃～600℃,出爐后空冷。

處理后組織球化體

硬度180HB～200HB10/12/202256第9章典型工件的選材及工藝路線設計

(3)淬火

溫度為770℃～780℃,用融鹽加熱或在保護氣氛爐中加熱,防止表面脫碳和氧化。水冷。銼刀柄部硬度要求較低,在淬火時先將齒部放在水中冷卻,待柄部顏色變成暗紅色時才全部浸入水中。當銼刀冷卻到150℃～200℃時,提出水面。若銼刀有彎曲變形,用木錘校直。

(2)機加工

刨、磨和剁齒,使銼刀成形。10/12/202257第9章典型工件的選材及工藝路線設計

(4)回火

溫度為160℃～180℃,時間45min～60min。若柄部硬度太高,可將柄部浸入500℃的融鹽中進行回火,或用高頻加熱回火,降低柄部硬度。10/12/202258第9章典型工件的選材及工藝路線設計二、齒輪滾刀

1.性能要求、材料

(1)用途、性能要求

生產(chǎn)齒輪的常用刃具,用于加工外嚙合的直齒和斜齒漸開線圓柱齒輪。要求硬、耐磨性高。其形狀復雜,精度要求高。

高速鋼(W18Cr4V)(2)材料

齒輪滾刀10/12/202259第9章典型工件的選材及工藝路線設計

2.工藝路線

熱軋棒材下料—鍛造—退火—機加工—淬火—回火—