机械工程材料第6章典型零件选材

2.齿轮类零件选材及加工工艺路线确定步骤 1）看懂零件图 了解和分析零件的形状、大小与特征；
2）分析其工作条件、性能要求和热处理要求；
3）确定材料及热处理工艺 根据用途，选择合适的材料和 强化工艺； 4）确定零件的加工工艺路线 制造齿轮类零件常采用锻 造、切削加工、热处理（预先热处理及最终热处理）等工




2）汽车、拖拉机齿轮
汽车、拖拉机(或坦克)齿轮主要分 装在变速箱和差速器中。在变速箱 中，通过齿轮来改变发动机、曲轴 和主轴齿轮的转速；在差速器中， 通过齿轮来增加扭转力矩，调节左 右两轮的转速，并将发动机动力传 给主动轮，推动汽车、拖拉机行驶。 它们传递的功率和承受的冲击力、 摩擦力都很大，工作条件比机床齿 轮繁重得多。因此，对耐磨性、疲 劳强度、心部强度和冲击韧性等都 有更高的要求。工程应用表明：选 用渗碳钢，经渗碳(或碳氮共渗)、 淬火及低温回火后，使用最为合适。
2、轴类零件选材及加工工艺路线确定步骤
1）看懂零件图 了解和分析零件的形状、大小与特征； 2）分析其工作条件、性能要求和热处理要求； 3）确定材料及热处理工艺 根据用途，选择合适的材料和强 化工艺； 4）确定零件的加工工艺路线 制造轴类零件常采用锻造、切 削加工、热处理（预先热处理及最终热处理）等工艺，其中 切削加工和热处理工艺是制造轴类零件必不可少的。台阶尺 寸变化不大的非重要轴，可选用与轴的尺寸相当的圆棒料直 接切削加工而成，然后进行热处理，不必经过锻造加工。
调质后250～ 280 HBS，渗氮 表面HVI>850 56～62 HRC
高精度磨床及精密镗 床主轴 齿轮铣床主轴
20Cr
渗碳,淬火+ 低温回火
20CrMnTi
渗碳,淬火+ 低温回火
56～62 HRC
载荷较大的组合 机床
二、齿轮类零件的材料选择
1.齿轮零件的工作条件与性能要求
(1)工作条件： 齿轮是各类机械、仪表中应用最多的零件之一，其作用是传递动力、改变运 动速度和运动方向。只有少数齿轮受力不大，仅起分度作用。 齿轮工作时的受力情况是：齿根承受很大的交变弯曲应力；换挡、启动或啮 合不均时，齿部承受一定冲击载荷；齿面相互滚动或滑动接触，承受很大的 接触应力，并发生强烈的摩擦。此外，润滑油腐蚀及外部硬质磨粒的侵入等， 都可加剧齿轮工作条件的恶化。 按照工作条件的不同，齿轮的主要失效形式有断齿、齿面剥落及过度磨损。 (2)性能要求： ①具有高的接触疲劳强度、高的表面硬度和耐磨性，防止齿面损伤。 ②具有高的抗弯强度、适当的心部强度和韧性，防止疲劳、过载及冲击断裂。 ③具有良好的切削加工性和热处理工艺性，以获得高的加工精度和低的表面 粗糙度，提高旨轮抗磨损能力。 此外，在齿轮副中两齿轮齿面硬度应有一定差值，小齿轮的齿根薄，受载次 数多，应比大齿轮的硬度高一些。一般差值是：软齿面为30～50 HBS，硬齿 面为5 HRC左右。
第一种：选用20CrMnTi进行渗碳。
热处理技术条件：表层wc为0.8％～l.05％，渗碳层深度为0 .8～1．3 mm， 齿面硬度58～62 HRC，心部硬度33—45 HRC。 加工工艺路线：下料→锻造（→正火）→粗加工、半精加工→渗碳淬火、低 温回火→喷丸→磨削。 该齿轮属于大批量生产，考虑到形状结构特点，毛坯采用模锻件，以提高生 产率、节约材料，使纤维分布合理，提高力学性能。 热处理工艺：正火950～970℃，空冷，179～217 HBS；渗碳920—940℃， 保温4—6 h，预冷至830～850℃，直接入油淬火，低温回火在180±10℃， 保温2 h。
3、典型轴的工作条件、用材及热处理、加工工艺路线：
1）机床主轴
CM6140车床主轴的简图如右图所 示。该轴承受交变弯曲和扭转的复 合应力，载荷和 转速不高，冲击载 荷也不大，属于中等载荷的轴。但 大端的轴颈、锥孔和卡盘、顶尖之 间有摩擦，这些部位要求有较高的 硬度和耐磨性。
CM6140车床主轴的选材、热处理及加 工工艺路线如下： 材料：45钢。 热处理技术条件：整体调质，硬度 220—250 HBS；轴颈和锥孔进行表面 淬火，硬度52~58 HRC。 加工工艺路线： 下料→锻造(→正火)→粗加工→调质→半 精加工→表面淬火及低温回火→磨削加 工。 正火的目的在于得到合适的硬度，便于 切削加工；改善锻造组织，为调质做准 备。 调质是为了使主轴得到高的综合机械性 能和疲劳强度。为了更好地发挥调质效 果，安排在粗加工后进行。调质还为最 终的(高频)表面淬火做准备。 对轴颈和锥孔进行表面淬火、低温回火， 旨在提高硬度，增加耐磨性。
第二种：选用40Cr进行碳氮共渗。
加工工艺路线：下料→锻造（→正火）→粗加工、半精加工→碳氮共渗、淬 火及低温回火→喷丸→磨削。 热处理技术条件：表层wc为0.65％～0.9％，碳氮总的质量分数为1.0％～l.25 ％，渗层深度0.2-0.4 mm(因使用中碳合金钢碳氮共渗，心部强度高，故渗层 可薄一些)，齿面硬度58～63 HRC，心部硬度37—42 HRC。 热处理工艺：正火840～870℃，空冷，187～241 HBS；碳氮共渗830— 850℃，保温1—2 h，直接入油淬火，低温回火在(180±10)℃，保温2 h。
2）汽车半轴： 汽车半轴是一个传递扭矩的重要 部，工作时承受冲击、弯曲疲 劳和扭转应力的作用，要求材 料有足够的抗弯强度、疲劳强 度和较好的韧性。
跃进一l30型载重汽车的半轴如右图 汽车半轴的选材、热处理及加工工 艺路线如下： 材料：40Cr。 热处理技术条件：正火，187~241 HBS；(中温)调质，杆部37～42 HRC，盘部外圆24~34 HRC。调 质后半轴的显微组织为回火索氏体 或回火屈氏体，心部允许有铁素体 存在。 加工工艺路线：下料→锻造(→正 火)→机加工→调质→盘部钻孔→ 精加工。 正火的目的是为了得到合适的硬度， 以便切削加工，同时可以改善锻造 组织，为调准备。 调质的目的是使半轴具有高的综合 力学性。淬火后回火温度 (420±10℃ )根据杆部要求的硬度， 回火后在水中冷却，以防止产生回 火脆性。
表6.1
工作条件 ①与滚动轴承配合 ②轻、中载荷，转速低 ③精度要求不高 ④稍有冲击
表6.1 机床主轴工作条件、用材及热处理
材料 45 主要热处理 正火或调质 硬度 220~250 HBS 使用实例 一般简式机床
①与滚动轴承配合 ②轻、中载荷，转速略高 ③精度要求不太高 ①与滑动轴承配合 ②有冲击载荷 ①与滚动轴承配合 ②中等载荷，转速较高 ③精度要求较高 ④冲击与疲劳较小 ①与滑动轴承配合 ②中等载荷，转速较高 ③精度要求很高 ①与滑动轴承配合 ②中等载荷，心部强度不高，转 速高 ③精度要求不高 ④有一定冲击和疲劳 ①与滑动轴承配合 ②重载荷，转速高 ③有较大冲击和疲劳载荷
艺，其中切削加工和热处理工艺是制造齿轮类零件必不可
少的。
3.典型齿轮的工作条件、用材及热处理、加工工艺路线
1）机床齿轮
机床齿轮的工作条件属于运转平稳、负荷不 大、条件较好的一类。实践证明，一般机床 齿轮选用碳钢制造，经高频感应热处理后所 得硬度、耐磨性、强度及韧性已能满足性能 要求，高频淬火还具有变形小、生产率高等 优点。 右面为CM6132机床中的齿轮。 材料：40Cr钢。 热处理技术条件：正火830-850℃，空冷， 160～217 HBS；调质850-870℃，油冷， 220～250 HBS；高频表面加热喷水冷却，低 温回火，l80～200℃，50一55 HRC。 加工工艺路线：下料→锻造（→正火）→粗 加工→调质→半精加工→高频淬火及回火→ 精磨。 正火处理对锻造齿轮毛坯是必须的热处理 工序，可以使同批坯料具有相同硬度，便于 切削加工，使组织均匀，消除锻造应力。对 于一般卤轮，正火处理也可作为高频淬火前 的预先热处理工序。 调质处理可以使齿轮具有较高的综合机械性 能，提高齿轮心部的强度和韧性，使齿轮能 够承受较大的弯曲应力和冲击应力。调质后 齿轮组织为回火索氏体，故淬火时变形很小。 高频淬火及低温回火是获得齿轮表面性能的 关键工序，通过高频淬火，可以提高齿轮表 面的硬度和耐磨性，并使齿轮表面有压应力 存在，从而增强了抗疲劳破坏的能力。为了 消除淬火应力，高频淬火后应进行低温回火。
表
材料 工艺 力法 感应 加热表 面淬火 渗碳 及碳氮 共渗 氮来自百度文库 中碳钢 或中碳低 合会钢 低碳钢 或低碳合 金钢 调质钢 38CrMoAl
表8.4 齿轮的不同热处理工艺比较
表层组织及 硬度／HItC 马氏体， 45—60 心部组织 及硬度／ HRC 索氏体或 回火索氏 体，25～ 35 低碳马氏 体或屈氏 体，35～ 44 回火索 氏体，～ 30 硬化层 形状 大多 数分布 不均匀 沿齿 廓均匀 分布 沿齿 廓均匀 分布 硬化 层深 度 不易 控制 工艺周期 及成本 短、低 热处理 变形 较小 应用范围
常用机器零件选材举例
机器零件的分类：
机器零件的功用和结构多种多样，通常分为以下几类： 1.轴杆类：如各种轴，连杆，螺杆等；
2.轮盘类：如齿轮，飞轮，皮带轮，法兰盘等；
3.箱座类：如箱体，床身，底座，支架，工作台等； 4.其他类：如各类标准件（螺纹连接件，轴承，垫圈，销等），弹簧等。
零件类别
轴杆类 套类
右图为“解放”牌载重汽车变速箱变速 齿轮。该齿轮将发动机动力传递到后轮， 并起倒车的作用，工作时承载、磨损及 冲击负荷均较大。要求齿轮表面有较高 的耐磨性和疲劳强度，心部有较高的强 度(σb > 1 000 MPa)及韧性(αk＞60 J／ cm2)。 选材及加工工艺路线有以下两种方式。
“解放”牌载重汽车变速箱变速齿轮选材及加工工艺路线
45
整体淬火或 局部淬火回火， 整体调质 调质、轴颈表 面淬火回火 整体淬火或 局部淬火+低 温回火 调质，表面氮化
40～45 HRC
龙门铣床、摇臂钻 床、组合机床等 CM6140车床主轴 摇臂钻床、组合机 床等
45 40Cr 40MnB
52～58 HRC 40—45 HRC或 46～52 HRC
38CrMoAl
一、轴类零件选材
1、轴类零件的工作条件与性能要求：
1）工作条件： 轴的功能是支承旋转零件、传递动力或运动。轴类零件是机床、汽车、 拖拉机以及各类机器的重要零件之一。主要失效形式有以下几种：断裂， 大多是疲劳断裂；轴颈或花键处过度磨损；发生过量弯曲或扭转变形； 此外，有时还可能发生振动或腐蚀失效。 2）性能要求： ①良好的综合力学性能，即强度和塑性、韧性有良好的配合，以防止过 载或冲击断裂；②高的疲劳强度，防止疲劳断裂；③有相对运动的摩擦 部位（如轴颈、花键等处），应具有较高的硬度和耐磨性。 轴类零件一般按强度、刚度计算和结构要求进行零件设计与选材。通过 强度、刚度计算保证轴的承载能力，防止过量变形和断裂失效；结构要 求则是保证轴上零件的可靠固定与拆装，并使轴具有合理的结构工艺性 及运转的稳定性。
用于轻载齿轮， 如机床等
马氏体+碳 化物+残余 奥氏体， 56—62 氮化物， 65—72
易控 制
较长、较 高
较大
用于重载齿轮， 如汽车、拖拉机 等 用于高精度、 高耐磨、高速齿 轮
易控 制
长、高
最小
三、弹簧类零件材料选择
(a)压缩弹簧
(b)拉伸弹簧
(c)扭转弹簧
(d)平面蜗卷弹簧
图 常用的弹簧 1、不同类型弹簧的工作条件与性能要求 (1)工作条件 弹簧是各种机械和仪表中的重要零件，主要用于各类机器的减震(如破碎机的支秀 和车辆的悬挂弹簧)、储备机械能(如钟表及仪表中的发条等)及控制运动(如气门、离合 动器)等。弹簧利用材料的弹性和结构特点，在外力作用下发生弹性变形，将机械能或霉 化为变形能。外力去除后，弹性变形恢复，将变形能转变为机械能或动能。弹簧是在交型 作用下工作的零件，其破坏形式主要是疲劳断裂。另外，在高温和高载荷下工作的弹簧蔓 现永久变形，使弹簧失效。 (2)性能要求： ①具有高的屈服强度(σs)、弹性极限(σe)和屈强比(σs／σb)，以防止使用 中产生变形。 ②具有高的疲劳强度，以免弹簧在长期振动和交变应力作用下产生疲劳断裂。 ③具有一定的塑性和韧性，因为太脆的材料对缺口十分敏感，会降低疲劳强度。