機械零件選材原則

一、機械零件正確選材的使用性能原則

使用性能主要是指零件在使用狀態下材料應該具有的機械性能、物理性能和化學性能。對大量機器零件和工程構件，則主要是機械性能。對一些特殊條件下工作的零件，則必須根據要求考慮到材料的物理、化學性能。材料的使用性能應滿足使用要求。使用性能原則

二、零件使用時的工作條件

（1）受力狀況

主要是載荷的類型(例如動載、靜載、循環載荷或單調載荷等)和大小；載荷的形式；載荷的特點等。

（2）環境狀況

主要是溫度特性、介質情況等。

（3）特殊要求

如對導電性、磁性、熱膨脹、密度、外觀等的要求。

三、零件根據使用性能選材的步驟

第一步:通過對零件工作條件和失效形式的全面分析，確定零件對使用性能的要求；

第二步:利用使用性能與實驗室性能的相應關系，將使用性能具體轉化為實驗室機械性能指標；

第三步:根據零件的幾何形狀、尺寸及工作中所承受的載荷，計算出零件中的應力分布；

第四步:由工作應力、使用壽命或安全性與實驗室性能指標的關系，確定對實驗室性能指標要求的具體數值；

第五步:利用手冊根據使用性能選材。

工作條件

零件應力種類載荷性質受載狀態常見的失效形式要求的主要機械性能緊固螺栓拉，剪應力靜載—過量變形，斷裂強度，塑性傳動軸彎，扭應力循環，沖擊軸頸摩擦，振動疲勞斷裂，過量變形，軸頸摩損綜合機械性能傳動齒輪壓，彎應力循環，沖擊摩擦，振動齒折斷,磨損,疲勞斷裂,接觸疲勞(麻點)表面高強度及疲勞極限，心部強度、韌性彈簧扭，彎應力交變，沖擊振動彈性失穩，疲勞破壞彈性極限，屈強比，疲勞極限冷作模具復雜應力交變，沖擊強烈摩擦磨損，脆斷硬度，足夠的強度，韌性常用零件的工作和失效形式

由于零件所要求的機械性能數據，不能簡單地同手冊、書本中所給出的完全等同相待，還必須注意以下情況：

材料的性能不單與化學成分有關，也與加工、處理后的狀態有關。

材料的性能與加工處理時試樣的尺寸有關，必須考慮零件尺寸與手冊中試樣尺寸的差別，進行適當的修正。

材料的化學成分、加工處理的工藝參數本身都有一定波動范圍。工藝性能原則

材料的工藝性能應滿足生產工藝的要求，這是選材必須考慮的問題。

1.性能要求不高的一般金屬零件選材的工藝路線

毛坯

正火或退火

切削加工

零件。

2.性能要求較高的金屬零件選材的工藝路線

毛坯

預先熱處理(正火、退火)

粗加工

最終熱處理(淬火、回火，固溶時效或滲碳處理等)

精加工

零件。

3.性能要求較高的精密金屬零件選材的工藝路線

毛坯

預先熱處理(正火、退火)

粗加工

最終熱處理(淬火、低溫回火、固溶、時效或滲碳)

半精加工

穩定化處理或氮化

精加工

穩定化處理

零件。

這類零件除了要求有較高的使用性能外，還要有很高的尺寸精度和表面光潔度。經濟性原則

一、材料的價格

零件材料的價格無疑應該盡量低。

材料的價格在產品的總成本中占有較大的比重，據有關資料統計，在許多工業部門中可占產品價格的30%～70%，因此設計人員要十分關心材料的市場價格。

二、零件的總成本

零件選用的材料必須保證其生產和使用的總成本最低。

零件的總成本與其使用壽命、重量、加工費用、研究費用、維修費用和材料價格有關。

三、國家的資源

隨著工業的發展，資源和能源的問題日漸突出，選用材料時必須對此有所考慮，特別是對于大批量生產的零件，所用材料應該來源豐富并顧及我國資源狀況。

另外，還要注意生產所用材料的能源消耗，盡量選用耗能低的材料。典型工件的選材及工藝路線設計

主要本章介紹工業上應用最廣泛的四大類典型工件(齒輪、軸類零件、彈簧和刃具)的工作條件、失效形式、性能要求及選材分析，舉例說明典型工件的工藝路線。

一、齒輪選材

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。

2.齒輪的失效形式

(1)疲勞斷裂

主要從根部發生；

(2)齒面磨損

由于齒面接觸區摩擦，使齒厚變小；

疲勞斷裂齒面磨損

(3)齒面接觸疲勞破壞

在交變接觸應力作用下，齒面產生微裂紋，微裂紋的發展，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

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。

此外，還要求有較好的熱處理工藝性能，如熱處理變形小等。

4

齒輪類零件的選材

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。表面硬度越高，疲勞強度也越高。齒心應有足夠的沖擊韌性，目的是防止輪齒受沖擊過載斷裂。

從以上兩方面考慮，選用低、中碳鋼或其合金鋼。它們經表面強化處理后，表面有高的強度和硬度，心部有好的韌性，能滿足使用要求。此外，這類鋼的工藝性能好，經濟上也較合理，所以是比較理想的材料。

5

典型齒輪選材舉例

一、機床齒輪

機床變速箱齒輪

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，工作平穩無強烈沖擊。因此，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。

沖擊載荷小的低速齒輪也可采用HT250、HT350、QT500-5、QT600-2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,噪聲減少,長期使用磨損很小。

二、汽車齒輪

汽車后橋齒輪

滲碳齒輪的工藝路線為：

下料--鍛造--正火--切削加工--滲碳、淬火及低溫回火--噴丸--磨削加工。

汽車齒輪主要分裝在變速箱和差速器中。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，均要求比機床齒輪高。一般用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi制造。二、軸類零件選材

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生振動,使軸承受沖擊載荷；

(4)多數軸會承受一定的過載載荷。

2軸類零件的失效方式

(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）；(2)大載荷或沖擊載荷作用引起的過量變形、斷裂；

(3)與其它零件相對運動時產生的表面過度磨損。轉軸彎曲疲勞斷口形貌直升飛機螺旋槳驅動齒輪軸扭斷軸頸被埋嵌在軸承中的硬粒子磨損

3軸類零件的性能要求

(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。

4軸類零件材料及選材方法

一、材料

經鍛造或軋制的低、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（便宜，有一定綜合機械性能、對應力集中敏感性較小），如35、40、45、50鋼，經正火、調質或表面淬火熱處理改善性能；載荷較大并要限制軸的外形、尺寸和重量，或軸頸的耐磨性等要求高時采用合金鋼，如40Cr、40MnB、40CrNiMo、20Cr、20CrMnTi等；也可以采用球墨鑄鐵和高強度灰鑄鐵作曲軸的材料。

二、選擇原則

根據載荷大小、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，應具有較高淬透性。

5典型軸的選材

一、機床主軸選材

以C620車床主軸為例進行選材。

該主軸受交變彎曲和扭轉復合應力作用，但載荷和轉速均不高，沖擊載荷也不大，所以具有一般綜合機械性能即可滿足要求。但大端的軸頸、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。

C620車床主軸簡圖主軸用45鋼制造。

☆

做一做：制定工藝路線

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。

其它機床主軸選材

二、內燃機曲軸選材

1.曲軸的工作條件、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，還可造成曲軸的扭轉和彎曲振動，產生附加應力；應力分布不均勻；曲軸頸與軸承有滑動摩擦。

（2）性能要求

曲軸的失效形式主要是疲勞斷裂和軸頸嚴重磨損。因此材料要有高強度、一定的沖擊韌性、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。

（3）曲軸材料

鍛鋼曲軸：優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、球墨鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵及合金鑄鐵等,如ZG25、QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。

2.175A型農用柴油機曲軸選材

175A型柴油機曲軸簡圖（1）性能要求

農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,整體硬度240HBS～260HBS,軸頸表面硬度≥625HV,δ≥2%,ak≥150kJ/m2。

（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。

汽車發動機曲軸也可用45、40Cr鋼制造，經過模鍛、調質、切削加工后,在軸頸部位進行表面淬火。

三、

彈簧選材

彈簧是一種重要的機械零件。它的基本作用是利用材料的彈性和彈簧本身的結構特點，在載荷作用產生下變形時，把機械功或動能轉變為形變能；在恢復變形時，把形變能轉變為動能或機械功。

彈簧按形狀分主要有螺旋彈簧(壓縮、拉伸、扭轉彈簧)、板彈簧、片彈簧和蝸卷彈簧幾種。

(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

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，如汽車發動機中的氣門彈簧。

(4)儲存和釋放能量

如鐘表、玩具中的發條。

(5)測力

如彈簧稱、測力計中使用的彈簧。

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。

2

彈簧的失效形式

(1)塑性變形

在外載荷作用下，材料內部產生的彎曲應力或扭轉應力超過材料本身的屈服應力后，彈簧發生塑性變形。外載荷去掉后，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，彈簧表面缺陷(裂紋、折迭、刻痕、夾雜物)處產生疲勞源，裂紋擴展后造成斷裂失效。

(3)快速脆性斷裂

某些彈簧存在材料缺陷(如粗大夾雜物，過多脆性相)、加工缺陷(如折迭、劃痕)、熱處理缺陷(淬火溫度過高導致晶粒粗大，回火溫度不足使材料韌性不夠)等，當受到過大的沖擊載荷時，發生突然脆性斷裂。

(4)腐蝕斷裂及永久變形

在腐蝕性介質中使用的彈簧易產生應力腐蝕斷裂失效。高溫使彈簧材料的彈性模量和承載能力下降，高溫下使用的彈簧易出現蠕變和應力松弛，產生永久變形。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，因此要求彈簧的工作應力不超過材料的彈性極限。彈性極限越大，彈簧可承受的外載荷越大。對于承受重載荷的彈簧，如汽車用板簧、火車用螺旋彈簧等，其材料需要高的彈性極限。

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鋼為0.7，60Si2Mn鋼為0.75、50CrVA鋼為0.9。屈強比高，彈簧可承受更高的應力。

(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

保證在腐蝕性介質和高溫條件下的使用性能。4彈簧的選材

一、彈簧鋼

根據生產特點的不同，分為兩大類：

（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。主要彈簧鋼的特點及用途鋼類代表鋼號主要特點用途舉例碳鋼6570經熱處理或冷拔硬化后,得到較高的強度和適當的塑性、韌性；在相同表面狀態和完全淬透情況下，疲勞極限不比合金彈簧鋼差，但淬透性低，尺寸較大，

調壓調速彈簧、柱塞彈簧、測力彈簧、一般機器上的圓、方螺旋彈簧或拉成鋼絲作小型機械的彈簧錳鋼65MnMn提高淬透性,表面脫碳傾向比硅鋼小,經熱處理后的綜合機械性能略優于碳鋼,缺點是有過熱敏感性和回火脆性

小尺寸扁、圓彈簧、座墊彈簧、彈簧發條，也適于制造彈簧環、氣門簧、離合器簧片、剎車彈簧硅錳鋼55Si2Mn55Si2MnB60Si2MnSi和Mn提高彈性極限和屈強比，提高淬透性以及回火穩定性和抗松弛穩定性，過熱敏感性也較小，但脫碳傾向較大。汽車、拖拉機、機車上的減震板簧和螺旋彈簧，汽缸安全彈簧，軋鋼設備及要求承受較高應力的彈簧.鉻釩鋼50CrVA良好的工藝性能和機械性能，淬透性比較高，加入V，使鋼的晶粒細化，降低過熱敏感性，提高強度和韌性氣門彈簧、噴油咀簧、氣缸漲圈、安全閥用簧、中壓表彈簧元件、密封裝置等，適用于210℃條件下工作彈簧鉻錳鋼50CrMn較高強度、塑性和韌性，過熱敏感性比錳鋼低，比硅錳鋼高，對回火脆性較敏感，回火后宜快冷

車輛、拖拉機和較重要板簧、螺旋彈簧

二、不銹鋼

0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti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。

三、黃銅、錫青銅、鋁青銅、鈹青銅

具有良好的導電性、非磁性、耐蝕性、耐低溫性及彈性，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。

5典型彈簧選材

一、汽車板簧

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。

(2)材料

輕型汽車選用65Mn、60Si2Mn鋼制造；

中型或重型汽車,板簧用50CrMn,55SiMnVB鋼；

重型載重汽車大截面板簧用55SiMnMoV,55SiMnMoVNb鋼制造。

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

回火

溫度為420oC～500oC,組織為回火屈氏體。屈服強度s0.2不低于1100MPa,硬度為42HRC～47HRC,沖擊韌性ak為250KJ/m2～300KJ/m2。

二、火車螺旋彈簧

火車螺旋彈簧

熱軋鋼棒下料—兩頭制扁—熱卷成形—淬火—中溫回火—噴丸強化—端面磨平。

淬火與回火工藝同汽車板簧。(1)用途及性能要求

機車和車箱的緩沖和吸振,其使用條件和性能要求與汽車板簧相近。

(2)材料

50CrMn、55SiMnMoV

(3)工藝路線

三、氣門彈簧

(1)用途

內燃機氣門彈簧是一種壓縮螺旋彈簧。其用途是在凸輪、搖臂或挺桿的聯合作用下，使氣門打開和關閉，承受應力不是很大，可采用淬透性比較好、晶粒細小、有一定耐熱性的50CrVA鋼制造。

(2)工藝路線

冷卷成型—淬火—中溫回火—噴丸強化—兩端磨平。

將冷拔退火后的盤條校直后用自動卷簧機卷制成螺旋狀，切斷后兩端并緊，經850oC～860oC加熱后油淬，再經520oC回火，組織為回火屈氏體，噴丸后兩端磨平。彈簧彈性好，屈服強度和疲勞強度高，有一定的耐熱性。

氣門彈簧也可用冷拔后經油淬及回火后的鋼絲制造，繞制后經300oC～350oC加熱消除冷卷簧時產生的內應力。

四、自行車手閘彈簧

自行車手閘彈簧是一種扭轉彈簧，其用途是使手閘復位。該彈簧承受載荷小，不受沖擊和振動作用，精度要求不高。因此手閘彈簧可用碳素彈簧鋼60或65鋼制造。經過冷拔加工獲得的鋼絲直接冷卷、彎鉤成形即可。卷后可低溫(200oC～220oC)加熱消除內應力，一般也可不進行熱處理。

五、繼電器簧片

繼電器簧片

(1)用途及性能要求

繼電器簧片是一種片簧，其作用是使兩電觸點接觸時,產生一定大小的壓力，以保證觸頭緊密接觸良好導電。簧片材料要有好的彈性、導電性和耐蝕性。簧片所受彎曲應力很小。

(2)材料

黃銅(H70)、錫青銅(QSn6.5-0.1)、白銅(B19)

黃銅的導電性好，抗疲勞性能較高，彈性一般，價格較低。

錫青銅的導電性稍低，但抗疲勞性能高，彈性好，價格稍高。

白銅的導電性好，抗蝕性高，抗疲勞性能較高，彈性好，價格較貴。

簧片生產工藝簡單，可用上述材料的冷軋薄片沖裁下料成形制造。

四、刃具選材

切削加工使用的車刀、銑刀、鉆頭、鋸條、絲錐、板牙等工具統稱為刃具。

1

刃具的工作條件(1)刃具切削材料時，受到被切削材料的強烈擠壓，刃部受到很大的彎曲應力。某些刃具(如鉆頭、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。切削加工

2

刃具的失效形式

(1)磨損

由于摩擦，刃具刃部易磨損，這不但增加了切削抗力，降低切削零件表面質量，也由于刃部形狀變化，使被加工零件的形狀和尺寸精度降低。

(2)斷裂

刃具在沖擊力及震動的作用下折斷或崩刃。

(3)刃部軟化

由于刃部溫度升高，若刃具材料的紅硬性低或高溫性能不足，使刃部硬度顯著下降，喪失切削加工能力。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62HRC；

(2)高的紅硬性；

(3)強韌性好；

(4)高的淬透性。可采用較低的冷速淬火，以防止刃具變形和開裂。4刃具的選材

制造刃具的材料有碳素工具鋼、低合金刃具鋼、高速鋼、硬質合金和陶瓷等，根據刃具的使用條件和性能要求不同進行選用。

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。因此可用碳素工具鋼制造。如T8、T10、T12鋼等。碳素工具鋼價格較低,但淬透性差。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。因鋼中加入了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,可在<300oC的溫度下使用。

三、高速切削用的刃具

(1)用高速鋼(W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等)制造

高速鋼具有高硬度、高耐磨性、高的紅硬性、好的強韌性和高的淬透性的特點,因此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500oC～550oC,價格較貴。

(2)硬質合金制造

硬質合金是由硬度和熔點很高的碳化物(TiC、WC)和金屬用粉末冶金方法制成,常用硬質合金的牌號有YG6、YG8、YT6、YT15等。硬質合金的硬度很高(89HRA～94HRA),耐磨性、耐熱性好,使用溫度可達1000oC。它的切削速度比高速鋼高幾倍。硬質合金制造刀具時的工藝性比高速鋼差。一般制成形狀簡單的刀頭,用釬焊的方法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,沖擊韌性較差,價格貴。

(3)用陶瓷制造

陶瓷硬度極高、耐磨性好、紅硬性極高,也用來制造刃具。熱壓氮化硅(Si3N4)陶瓷顯微硬度為5000HV,耐熱溫度可達1400oC。立方氮化硼的顯微硬度可達8000HV～9000HV,允許的工作溫度達1400oC～1500oC。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。5

刃具選材舉例

一、板銼

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。

(2)材料

T12鋼

(3)制造工藝

熱軋鋼板(帶)下料—鍛(軋)柄部—球化退火—機加工—淬火—低溫回火

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。同時為淬火準備好適宜的組織,使最終成品組織中含有細小的碳化物顆粒,提高鋼的耐磨性。銼刀通常采用普通球化退火工藝。將毛坯加熱到760℃～770℃,保溫一定時間(2h～4h)，然后以30℃～50℃/h的速度冷卻到550℃～600℃，出爐后空冷。處理后組織為球化體，硬度為180HB～200HB。

(2)機加工刨、磨和剁齒,使銼刀成形。

(3)淬火

溫度為770℃～780℃,可用鹽浴加熱或在保護氣氛爐中加熱,以防止表面脫碳和氧化。也可采用高頻感應加熱。加熱后在水中冷卻。由于銼刀柄部硬度要求較低,在淬火時先將齒部放在水中冷卻,結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，可用木錘將其校直。

(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℃的浴鹽中進行回火，或用高頻加熱回火，降低柄部硬度。二、齒輪滾刀

齒輪滾刀

1.性能要求、材料及工藝

(1)用途

生產齒輪的常用刃具,用于加工外嚙合的直齒和斜齒漸開線園柱齒輪。其形狀復雜,精度要求高。

(2)材料

高速鋼(W18Cr4V)

(3)工藝路線

熱軋棒材下料—鍛造—退火—機加工—淬火—回火—精加工—表面處理

2.主要工藝說明

(1)鍛造

W18Cr4V鋼的始鍛溫度為1150℃～1200℃,終鍛溫度為900℃～950℃。鍛造的目的一是成形,二是破碎、細化碳化物,使碳化物均勻分布,防止成品刀具崩刃和掉齒。由于高速鋼淬透性很好,鍛后在空氣中冷卻即可得到淬火組織,因此鍛后應慢冷。

(2)退火

退火溫度為870℃～880℃，退火后的組織為索氏體基體和在其中均勻分布的細小粒狀碳化物。目的是便于機加工，并為淬火作好組織準備。

(3)淬火、回火

高速鋼的淬火、回火工藝較為復雜。

(4)精加工

包括磨孔、磨端面、磨齒等磨削加工。精加工后刀具可直接使用。

(5)表面處理

為了提高其使用壽命，可進行表面處理，如：硫化處理、硫氮共滲、離子氮碳共滲—離子滲硫復合處理，表面涂覆TiN、TiC涂層等。

三、園鋸片

(1)用途

切割鋼材、有色金屬、石料、塑料等材料。

(2)性能要求

整體強韌性好，鋸齒硬度高、耐磨性好。

(3)材料

園鋸片可以是整體的，也可以是鑲齒的。鑲齒式園鋸片的本體用60或65Mn鋼制造，鋸齒用高速鋼刀片或硬質合金刀片。

(4)工藝

鋼板下料—沖孔—淬火—高溫回火—機加工—釬焊鋸齒—磨齒。

鋼板沖壓下料、沖孔后進行調質處理。淬火加熱溫度為830℃～840℃、采用油冷。回火溫度為500℃～550℃。為校正園鋸片淬火變形，回火時可用夾具夾緊。回火后的組織為回火索氏體，強韌性好。熱處理后鋸片需進行端面磨平、開槽等機加工，用釬焊方法將鋸齒焊接在鋸片本體上，最后進行磨齒。小結

1.齒輪主要要求疲勞強度，特別是彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。根據受力分析，齒輪類零件選用低、中碳鋼或其合金鋼，如機床齒輪用中碳鋼或中碳合金鋼，汽車齒輪用合金滲碳鋼。

2.軸類零件要求強度并兼顧沖擊韌性和表面耐磨性。軸一般用鍛造或軋制的低、中碳鋼或合金鋼制造，如機床主軸可選用45鋼，內燃機曲軸主要用優質中碳鋼或中碳合金鋼制造。

3.彈簧主要要求高的彈性極限、高的屈強比和高的疲勞強度。彈簧一般選用碳素鋼、合金彈簧鋼和銅合金等金屬材料制造，如汽車彈簧用65Mn、60Si2Mn鋼制造，氣門彈簧用50CrMn、55SiMnMoV等鋼制造。

4.刃具主要要求硬度、耐磨性和紅硬性。可根據不同的使用條件選用碳素工具鋼、低合金刃具鋼、高速鋼、硬質合金和陶瓷等，如手動刃具可用T8、T10等碳素工具鋼，低速切削刃具可用低合金刃具鋼9SiCr、CrWMn制造，高速切削刃具需選用高速鋼W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2制造等。工程材料的應用

汽車用材汽車用材以金屬材料為主，塑料、橡膠、陶瓷等非金屬材料也占有一定比例。

汽車發動機和傳動系示意圖

一、缸體和缸蓋缸體材料應滿足下列要求：有足夠的強度和剛度；良好的鑄造性和切削性；價格低廉。缸體常用的材料有灰口鑄鐵和鋁合金兩種。

缸蓋應選用導熱性好、高溫機械強度高、能承受反復熱應力、鑄造性能良好的材料來制造。目前使用的缸蓋材料有兩種：一是灰鑄鐵或合金鑄鐵；另一種是鋁合金。

二、缸套

氣缸工作面用耐磨材料，制成缸套鑲入氣缸。常用缸套材料為耐磨合金鑄鐵，主要有高磷鑄鐵、硼鑄鐵、合金鑄鐵等。為了提高缸套的耐磨性，可以用鍍鉻、表面淬火、噴鍍金屬鉬或其它耐磨合金等辦法對缸套進行表面處理。

三、活塞、活塞銷和活塞環

活塞、活塞銷和活塞環等零件組成活塞組，活塞組在工作中受周期性變化的高溫、高壓燃氣(溫度最高可達2000℃，壓力最高可達13MPa～15MPa)作用，并在氣缸內作高速往復運動(平均速度一般為9m/s～13m/s)，產生很大的慣性載荷。對活塞材料的要求是熱強度高、導熱性好、膨脹系數小、密度小,減摩性、耐磨性、耐蝕性和工藝性好等。常用的活塞材料是鋁硅合金。

活塞銷材料一般用20低碳鋼或20Cr、18CrMnTi等低碳合金鋼。活塞銷外表面應進行滲碳或氰化處理，以滿足外表面硬而耐磨，材料內部韌而耐沖擊的要求。活塞環用合金鑄鐵或球墨鑄鐵，經表面處理。鍍多孔性鉻后可使環的工作壽命提高2～3倍。其它表面處理的方法有噴鉬、磷化、氧化、涂合成樹脂等。

四、連桿

連桿連接活塞和曲軸，作用是將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動，并把作用在活塞上的力傳給曲軸以輸出功率。連桿在工作中，除承受燃燒室燃氣產生的壓力外，還要承受縱向和橫向的慣性力。因此，連桿在一個很復雜的應力狀態下工作。它既受交變的拉壓應力、又受彎曲應力。連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的剛性和韌性。連桿材料一般采用45鋼、40Cr或40MnB等調質鋼。

1小頭與連桿的過渡處

2連桿中間

3大頭與連桿的過渡處連桿上的三個高應力區域五、氣門

氣門工作時，需要承受較高的機械負荷和熱負荷，排氣門工作溫度高達650℃～850℃。氣門頭部還承受氣壓力及落座時因慣性力而產生的相當大的沖擊。氣門經常出現的故障有：氣門座扭曲、氣門頭部變形、氣門座面積碳時引起燃燒廢氣對氣門座面強烈地燒蝕。氣門材料應選用耐熱、耐蝕、耐磨的材料。進氣門一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V等合金鋼制造,而排氣門則要求用高鉻耐熱鋼（如4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo)制造。六、汽車半軸

汽車半軸在工作時主要承受扭轉力矩和反復變曲以及一定的沖擊載荷。在通常情況下，半軸的壽命主要取決于花鍵齒的抗壓陷和耐磨損性能，但斷裂現象也不時發生。要求半軸材料具有高的抗彎強度、疲勞強度和較好的韌性。汽車半軸是要求綜合機械性能較高的零件，通常選用調質鋼制造。中、小型汽車的半軸一般用45鋼、40Cr,

而重型汽車用40MnB、40CrNi或40CrMnMo等淬透性較高的合金鋼制造。1突緣與桿部相連部位

2花鍵與桿部相連部位

3花鍵端半軸易損壞部位示意圖

七、車身、縱梁、檔板等冷沖壓零件

在汽車零件中，冷沖壓零件種類繁多，約占總零件數的50%～60%。汽車冷沖壓零件用的材料有鋼板和鋼帶，其中主要是鋼板，包括熱軋鋼板和冷軋鋼板，如鋼板08、20、25和16Mn等。機床用材

一、機身、底座用材

機身、機床底座、油缸、導軌、齒輪箱體、軸承座等大型零件以及其它一些如牛頭刨床的滑枕、皮帶輪、導桿、擺桿、載物臺、手輪、刀架等零件或重量大、或形狀復雜，首選材料為灰口鑄鐵、孕育鑄鐵，球墨鑄鐵亦可選用，它們成本低、鑄造性好、切削加工性優異、對缺口不敏感、減震性好，有良好的耐磨性，非常適合鑄造上述零部件。石墨有良好的潤滑作用、并能儲存潤滑油、很適宜制造導軌。牛頭刨床結構簡圖機床零件

常使用的灰口鑄鐵是：HT150、HT200及孕育鑄鐵HT250、HT300、HT350、HT400等。常使用的球墨鑄鐵為：QT400－17、QT420－10、QT500－5、QT600－2、QT700－2、QT800－2。二機床齒輪用材

開式齒輪傳動可選用HT250、HT300和HT400，和鑄鐵的大齒輪互相嚙合的小齒輪也可用Q235、Q255制造。

閉式齒輪多采用40、45鋼（正火或調質處理）制造。高速、重載或受強烈沖擊的閉式齒輪，宜采用40Cr（調質）或20Cr、20CrMnTi（滲碳、淬火、低溫回火）鋼。不重要的閉式齒輪可使用Q255（不熱處理）制造。球墨鑄鐵QT450-5、可鍛鑄鐵KTZ450-5、KTZ500-4用來制造尺寸較大或形狀復雜的閉式傳動齒輪。

三、機床軸類零件用材

一般采用45鋼（調質）制造軸件。

不重要的或低載的軸可以采用Q235、Q255等鋼制造。

承受重載，且要求直徑小或要求提高軸頸耐磨性的軸，可用40Cr等調質鋼或20Cr等滲碳鋼，整體與軸頸應進行相應的熱處理。

可用QT600-2、KTZ600-3等球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵制造曲軸和主軸。

1、螺旋傳動件用材

不熱處理的螺旋傳動件用45、50鋼制造，經受熱處理的用T10、65Mn、40Cr等制造。

螺母的材料用錫青銅ZQSn6-6-3、ZQSn10-2，較小載荷及低速傳動時用耐磨鑄鐵。

2、蝸輪傳動件用材

（1）.蝸輪

當滑動速度V≥3m/s時，常采用錫青銅ZQSn10、ZQSn10-1或ZQSn6-6-3等。

滑動速度V≤4m/s時用鑄鋁青銅ZQAl9-4。

滑動速度V≤2m/s,且性能要求不高時可用HT150、HT200、HT250。直徑大于100mm～200mm的青銅蝸輪，輪芯應采用灰口鑄鐵制造。

（2）.蝸桿蝸桿材料適宜用15、20鋼和15Cr、20Cr鋼，表面滲碳淬硬到56HRC～62HRC，或45、40Cr鋼，表面高頻淬火到45HRC～50HRC，并經磨削、拋光后使用。

一般速度的蝸桿可用45、50鋼或40Cr（調質）制造，表面硬度達220HB～260HB，拋光后使用。

低速傳動的蝸桿可用Q275制造。3、滑動軸承材料

ChSnSb11-6、ChPbSb14-10-18，用于最高速重載條件下的軸承襯。

ZQSn10-1在銅合金中具有最好的減摩性能，廣泛用于高速和重載條件下。中速和中載條件下ZQSn6-6-3應用廣泛。

ZQAl9-2適宜制造形狀簡單（鑄造性比錫青銅差）的大型襯套、齒輪和軸承。ZQAl10-3-15、ZQAl9-4，可用在重載和低中速條件下。

ZQPb30、ZQPb12-8、ZQPb10-10等主要用于大型曲軸軸承等高速和重的沖擊與變動載荷條件下，可作為ChSnSb11-6的代用材料。ZHAl66-6-3-2和ZHMn58-2-2，在低速和中等載荷下可作為青銅的代用品。

HT250、HT350等鑄鐵軸承主要用于低速、輕載條件下。鐵石墨含油軸承用于V≤4m/s,青銅石墨含油軸承用于V≤6m/s。

4、滾動軸承材料

滾動軸承的內外圈和滾動體一般用GCr9、GCr15、GCr15SiMn等高碳鉻或鉻錳軸承鋼和GSiMnV等無鉻軸承鋼制造，工作表面要經過磨削和拋光，熱處理后一般要求材料硬度在61HRC～65HRC之間。保持架材料多用低碳鋼薄板、銅合金、塑料或輕合金制造。儀器儀表用材一、殼體材料

儀器儀表的殼體（包括面板、底盤）用材廣泛，有低碳結構鋼（如Q195、Q215、Q235），鉻不銹鋼、鉻鎳奧氏體不銹鋼（如1Cr13、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti），鋁（工業純鋁L5及防銹鋁LF5、LF11、LF21等），黃銅(H62、H68等)等。也有非金屬材料，如ABS可制造管道、儲槽內襯、電機外殼、儀表殼、儀表盤等。聚甲醛用作各種儀表板和外殼、容器、管道等。玻璃纖維增強尼龍可制作儀表盤、玻璃纖維增強苯乙烯類樹脂廣泛應用于收音機殼體、磁帶