材料应用：零件选材
新闻来源：www.021zysy.com 发布时间：2017-06-29 23:46 浏览量：
工程材料中应用较多的是金属材料，具有强度高、韧性好、疲劳抗力高等优良性能，用来制造各种重要的机器零件和工程结构件。
一、机床零件的选材分析
机床零件的品种繁多，按结构特点、功用和受载特点可分为：轴类零件、齿轮类零件、机床导轨等。
1．机床轴类零件的选材
机床主轴是机床中最主要的轴类零件。机床类型不同，主轴的工作条件也不一样。根据主轴工作时所受载荷的大小和类型，大体上可以分为四类：
（1）轻载主轴。工作载荷小，冲击载荷不大，轴颈部位磨损不严重，例如普通车床的主轴。这类轴一般用45钢制造，经调质或正火处理，在要求耐磨的部位采用高频表面淬火强化。
（2）中载主轴。中等载荷，磨损较严重，有一定的冲击载荷，例如铣床主轴。一般用合金调质钢制造，如40Cr钢，经调质处理，要求耐磨部位进行表面淬火强化。
（3）重载主轴。工作载荷大，磨损及冲击都较严重，例如工作载荷大的组合机床主轴。一般用20CrMnTi钢制造，经渗碳、淬火处理。
（4）高精度主轴。有些机床主轴工作载荷并不大，但精度要求非常高，热处理后变形应极小。工作过程中磨损应极轻微，例如精密镗床的主轴。一般用38CrMoAlA专用氮化钢制造，经调质处理后，进行氮化及尺寸稳定化处理。
过去，主轴几乎全部都是用钢制造的，现在轻载和中载主轴已经可用球墨铸铁制造。
2．机床齿轮类零件的选材
机床齿轮按工作条件壳分为三类：
（1）轻载齿轮。转动速度一般都不高，大多用45钢制造，经正火或调质处理。
（2）中载齿轮。一般用45钢制造，正火或调质后，再进行高频表面淬火强化，以提高齿轮的承载能力及耐磨性。对大尺寸齿轮，则需用40Cr等合金调质钢制造。一般机床住传动系统及进给系统中的齿轮，大部分属于这一类。
（3）重载齿轮。对于某些工作载荷较大，特别是运转速度高又承受较大冲击载荷的齿轮大多用20Cr、20CrMnTi等渗碳钢制造。经渗碳、淬火处理后使用。例如：变速箱中一些重要传动齿轮等。
3．机床导轨的选材
机床导轨的精度对整个机床的精度有很大的影响。必须防止其变形和磨损，所以机床导轨通常都是选用灰口铸铁制造，如HT200和HT350等。灰口铸铁在润滑条件下耐磨性较好，但抗磨粒磨损能力较差。为了提高耐磨性，可以对导轨表面进行淬火处理。
二、拖拉机及汽车零件的选材分析
1．发动机和传动系统零件的选材
这两部分包括的零件相当多。其中，有大量的齿轮和各种轴，还有在高温下工作的零件，如进、排气阀、活塞等。它们的用材都比较重要，目前一般都是根据使用经验来选材。对于不同类型的汽车和不同的生产厂，发动机和传动系统的选材是不相同的。应该根据零件的具体工作条件及实际的失效方式，通过大量的计算和试验选出合适的材料。
2．减轻汽车自重的选材
随着能源和原材料供应的日趋短缺，人们对汽车节能降耗的要求越来越高。而减轻自重可提高汽车的重量利用系数，减少材料消耗和燃油消耗，这在资源、能源的节约和经济价值方面具有非常重要的意义。
减轻自重所选用的材料，比传统的用材应该更轻且能保证事业性能。比如，用铝合金或镁合金代替铸铁，重量可减轻至原来的1/3～1/4，但并不影响其使用性能；采用新型的双相钢板材代替普通的低碳钢板材生产汽车的冲压件，可以使用比较薄的板材，减轻自重，但一点不降低构件的强度；在车身和某些不太重要的结构件中，采用塑料或纤维增强复合材料代替钢材，也可以降低自重，减少能耗。
三、典型零件的选材实例
1．机床主轴
机床主轴是典型的受扭转—弯曲复合作用的轴件，它受的应力不大（中等载荷），承受的冲击载荷也不大，如果使用滑动轴承，轴颈处要求耐磨。因此大多采用45钢制造，并进行调质处理，轴颈处由表面淬火来强化。载荷较大时则用40Cr等低合金结构钢来制造。
车床主轴的选材结果如下：
材料：45钢。
热处理：整体调质，轴颈及锥孔表面淬火。
性能要求：整体硬度NB220～HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52。
工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削。
该轴工作应力很低，冲击载荷不大，45钢处理后屈服极限可达400MPa以上，完全可满足要求。现在有部分机床主轴已经可以用球墨铸铁制造。
2．拖拉机半轴
汽车半轴是典型的受扭矩的轴件，但工作应力较大，且受相当大的冲击载荷，其结构如图5所示。最大直径达50mm左右，用45钢制造时，即使水淬也只能使表面淬透深度为10%半径。为了提高淬透性，并在油中淬火防止变形和开裂，中、小型汽车的半轴一般用40Cr制造，重型车用40CrMnMo等淬透性很高的钢制造。
例：铁牛45半轴
材料：40Cr。
热处理：整体调质。
性能要求：杆部HRC37～HRC44；盘部外圆HRC24～HRC34。
工艺路线：下料→锻造→正火→机械加工→调质→盘部钻孔→磨花键。
3．机床齿轮
机床齿轮工作条件较好，工作中受力不大，转速中等，工作平稳无强烈冲击，因此其齿面强度、心部强度和韧性的要求均不太高，一般用45钢制造，采用高频淬火表面强化，齿面硬度可达HRC52左右，这对弯曲疲劳或表面疲劳是足够了。齿轮调质后，心部可保证有HB220左右的硬度及大于4kg·m/cm2的冲击韧性，能满足工作要求。对于一部分要求较高的齿轮，可用合金调质钢（如40Cr等）制造。这时心部强度及韧性都有所提高，弯曲疲劳及表面疲劳抗力也都增大。
例：普通车床床头箱传动齿轮。
材料：45钢。
热处理：正火或调质，齿部高频淬火和低温回火。
性能要求：齿轮心部硬度为HB220～HB250；齿面硬度HRC52。
工艺路线：下料→锻造→正火或退火→粗加工→调质或正火→精加工→高频淬火→低温回火（拉花键孔）→精磨。
4．拖拉机齿轮
拖拉机齿轮的工作条件远比机床齿轮恶劣，特别是主传动系统中的齿轮，它们受力较大，超载与受冲击频繁，因此对材料的要求更高。由于弯曲与接触应力都很大，用高频淬火强化表面不能保证要求，所以拖拉机的重要齿轮都用渗碳、淬火进行强化处理。因此这类齿轮一般都用合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi等制造，特别是后者在我国拖拉机齿轮生产中应用最广。为了进一步提高齿轮的耐用性，除了渗碳、淬火外，还可以采用喷丸处理等表面强化处理工艺。喷丸处理后，齿面硬度可提高HRC1～3单位，耐用性可提高7～11倍。
例：拖拉机后桥圆锥主动齿轮。
材料：20CrMnTi钢。
热处理：渗碳、淬火、低温回火，渗碳层深1.2mm～1.6mm。
性能要求：齿面硬度HRC58～HRC62，心部硬度HRC33～HRC48。
工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火、低温回火→磨加工。
以上各类零件的选材，只能作为机械零件选材时进行类比的参照。其中不少是长期经验积累的结果。经验固然很重要，但若只凭经验是不能得到最好的效果的。在具体选材时，还要参考有关的机械设计手册、工程材料手册，结合实际情况进行初选，重要零件在初选后，需进行强度计算校核，确定零件尺寸后，还需审查所选材料淬透性是否符合要求，并确定热处理技术条件。目前比较好的方法是，根据零件的工作条件和失效方式，对零件可选用的材料进行定量分析，然后参考有关经验作出选材的最后决定。
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