的选材及热处理

任务5　典型零件（或工具）的选材及热处理

一、齿轮

齿轮是现代工农业、国防和交通运输设备中应用最广的一种机械传动零件。齿轮与其他机械传动相比，其优点如下：传动功率范围较宽，可以很小功率直到几万千瓦；速度范围广，可从0．1m／s以下到100m／s以上，同时传动效率高，使用时间长，结构紧凑，工作可靠，且能保证速比（传动比）恒定不变。但齿轮也有缺点：传动噪音比较大，对冲击比较敏感，制造安装要求及成本较高，而且不宜用于中心距离较大的传动。

1．齿轮的工作条件、失效形式及其对材料性能的要求

齿轮在工作时主要是通过齿面的接触来传递动力，因而齿轮的破坏大部分发生在齿面上。

齿轮在运转中，两齿面互相啮合，在接触点处既有滚动，又有滑动，轮齿表面受到交变压应力（简称接触应力）及摩擦力的作用。此外，由于运转过程中可能过载、换挡时冲击、安装和加工中不当或齿轮变形等引起齿面接触不良，以及外来尘埃和金属销等硬质磨粒的侵入等因素，都会促进附加动力载荷的产生和工作条件的恶化。可见齿轮的受载情况和工作条件是相当繁重、复杂的，因而它的失效形式也是多种多样的。齿轮主要的失效形式包括齿轮折断、齿面破坏、齿轮磨损、轮齿崩角等。

齿轮的失效形式错综复杂，为了保证齿轮正常运转，要求制造齿轮的材料必须具有以下性能。

（1）良好的切削加工性，以保证齿轮经加工后获得所要求的精度和粗糙度。

（2）热处理后应具有高的接触疲劳强度和抗弯强度，高的表面硬度和耐磨性，适当的心部强度和足够的韧性，以及最小的淬火变形。

（3）材料纯净，断面经侵蚀后，不能出现肉眼能看见的空隙、气泡、裂纹、非金属夹杂物等缺陷，其等级应符合有关标准规定的要求。

（4）价格低廉、材料来源充足。

2．常用齿轮材料的种类、性能和热处理方法

常用的齿轮材料有锻钢、铸钢、铸铁和非铁金属材料等。

1）锻钢

锻钢是在齿轮制造中应用最广的一种材料。这是因为轧制的钢材内部组织纤维具有一定的方向性，用它制成的齿轮，受力后容易从纤维间断裂，故其强度较差，只适于制作一些受力不大、不太重要的齿轮。轧制的钢材经锻造加工以后，其毛坯的组织会形成有利的锻造流线，因而强度高，耐冲击，通过热处理还可以进一步改善金相组织，获得更好的力学性能，从而有效地提高齿轮的承载能力和耐磨性。所以，重要用途的齿轮大多采用锻造。

用于锻钢齿轮的原材料是低碳钢、中碳钢和中碳合金钢。常用的热处理方法有正火、调质、整体淬火、表面淬火、渗碳淬火，以及渗氮、碳氮合渗等。不同的热处理所获得的表面和内部的力学性能不同，则齿轮的承载能力也不同。一般来说，材料越好，硬度越高，其承载能力越强。

2）铸钢

铸钢由于它的收缩率大、晶粒粗、力学性能差，因此加工性能不好，通常较少用于齿轮。但是工业上，特别是在重工业上，一些直径较大（》400～600mm），形状复杂的齿轮毛坯，在难以采用锻造方法加工的情况下，就要采用铸钢。

铸钢齿轮一般不会采用全部淬火，最常用的是火焰加热表面淬火，要求不高，转速较慢的齿轮通常不淬火，大多只在机械加工之前进行正火处理，目的是消除铸造残余应力和均匀硬度，以改善切削加工性能。

3）铸铁

普通铸铁的最大优点是本身所含石墨能起润滑作用，其减摩性较好，不易胶合；与相同硬度的铸钢相比，其磨损要小得多。铸铁的硬度一般为170～269HBS，易切削加工。铸铁的另一个优点是成本低。其缺点是抗弯强度低，脆性，不耐冲击，故齿轮只适用于制作一些轻载、低速、不受冲击，以及精度和结构紧凑程度都不高的不太重要的齿轮，一般用于开式传动齿轮。

4）非铁金属材料

非铁金属材料用于仪表工业及某些接触腐蚀介质的轻载齿轮，常用耐腐蚀、耐磨的非铁金属材料来制造。

3．齿轮材料的选用、热处理

齿轮材料的选用，首先主要根据齿轮的工作条件来确定，如传动方式（开式或闭式）、载荷性质和大小、传动速度和精度要求等；其次要考虑热加工工艺性、生产批量及结构、尺寸、质量、经济效益等因素。一般选用方法大致如下。

开式传动齿轮，其主要失效形式是齿面磨损，这类零件大多在低速、轻载、不受冲击的条件下工作，而且对精度结构紧凑性的要求都不太高。所以，可以优先考虑耐磨性好的、价格低廉的铸铁材料。在必要情况下，如工程机械、农业机械等一些重要的开式传动齿轮，才考虑选用较高级的耐磨材料，如低碳合金、渗碳钢等。

润滑条件较好的闭式传动齿轮，其主要失效形式是疲劳点蚀，一般应选用硬齿面的齿轮材料，在某些场合下，也不一定非选用这类材料不可。具体选用方法，可按以下几种情况来决定。

（1）轻载、低速、冲压载荷等很小、精度低的一般齿轮，可选用正火钢或球墨铸铁。

（2）中载、中速、承受一定的冲击载荷，传动较为平稳的齿轮，如机床齿轮，其失效形式除疲劳点蚀外，还有磨损，故应选用具有一定强度、韧性、耐磨性和抗接触疲劳强度较高的材料，如中碳钢或中碳合金钢进行调质、表面淬火。

（3）重载、高速或中速、承受较大冲击载荷的齿轮，如汽车、拖拉机的变速箱齿轮和后桥驱动齿轮，它们的失效形式，除疲劳点蚀、齿面磨损外，还可能出现轮齿折断。所以应选择具有高强度、高耐磨性和高韧性的优质材料，通常选用低碳合金钢进行渗碳或碳氮共渗。

（4）重载、低速易受冲击的齿轮，如轧钢机齿轮，其失效形式主要是轮齿断裂，会产生齿面塑性变形，应选用综合力学性能较好的材料。如40Cr、37SiMn2MoV等中碳合金钢，进行调质和表面淬火。

（5）精密传动齿轮或磨齿困难的硬齿面齿轮（如内齿轮），主要要求精度高、热处理变形极小，可以考虑选用氮化钢。

对于在腐蚀介质或高温条件下工作的齿轮，则应选用相应的耐磨钢或耐热钢。

表9－5为根据工作条件推荐选用的一般齿轮材料和热处理方法，供参考。

表9－5　根据工作条件推荐选用的一般齿轮材料和热处理方法

续表

二、轴类

轴是组成机械零件的重要零件之一，一切做回转运动的传动零件，如齿轮、涡轮都要安装在轴上，才能实现回转运动，因而轴的功用是支撑回转零件，传递运动和扭矩。

1．轴类零件的工作条件、失效形式及对材料性能的要求

轴类零件在工作时主要承受弯曲应力和扭转应力的复合作用（如转轴），但有的只承受弯曲应力（如心轴），或者只承受扭转应力（如传动轴）。其中除固定心轴外，所有做回转运动的轴，所承受的应力一般都是做对称循环变化，即大多数轴是在交变应力作用下工作的。所以，如果轴的疲劳强度不够，就易产生疲劳裂纹。当轴和轴上零件有相对运动时，若轴的相对运动表面（如轴径与花键部位）的硬度不够，就可能产生过度磨损而影响传动精度。此外，转轴外力为动载荷，会经常受到一定程度的冲击，若刚度不够，会产生弯曲变形和扭转变形。在高速条件工作的轴会发生振动，所有这些都会影响轴的正常工作。由此可见，轴类零件的承受情况是很复杂的，且随轴的类型不同，其受载情况也有很大差异，因而其失效形式是多种多样的。一般来说，主要有以下两种，即疲劳断裂和相对运动部位的过度磨损。为了保证轴的工作正常，用于制作轴类零件的材料必须具备下列性能。

（1）足够的强度、刚度和适当的韧性。

（2）高的疲劳极限，对应力集中的敏感性低。

（3）热处理后，要求局部淬硬的部位应能获得较高的硬度和耐磨性，较低的淬火开裂敏感性。

（4）有一定的淬透性。一般认为，在弯曲应力和扭转应力复合作用下的轴类零件，其最大应力在外层，因此，只需淬透到零件半径的1／2或1／3处即可。

（5）切削加工性能良好，价格低廉。

2．轴的常用材料及其力学性能

制造轴类零件的材料，主要选用锻造或轧制的碳素钢或合金钢。此外还可选用球墨铸铁和一些高温强度铸铁。

3．机床主轴

主轴是机床中的重要零件，它的形状较复杂、技术要求较高，尺寸差异也很大。在传递动力时，主轴要承受各种不同形式的载荷，如弯曲、扭转、交变冲击等，但一般承受的应力不大、冲击载荷较小。轴颈和滑动表面部分还要承受摩擦力作用，其失效形式，在正常情况下多因磨损而丧失精度，也有由于内应力重新分布而使主轴变形的情况发生。所以，主轴一般要求具有足够的刚度，较高的强度，良好的耐磨性，耐疲劳性及尺寸稳定性，此外，也要有良好的切削加工性，在这些性能要求中，除刚度由设计决定外，其他性能均与材料、热处理有着密切的关系，在加工制造过程中，对于主轴材料和热处理工艺的选择，必须予以足够的重视。

主轴材料的选择，主要是根据其轴承的类型（即摩擦与磨损条件）、载荷大小、转速高低、精度和粗糙度的要求、有无冲击载荷等工作条件予以综合考虑的。

在滚动轴承中运转的主轴，因摩擦已转移给滚动体和套圈，其轴颈部位不需特别高的硬度，同时此类主轴一般只承受中等载荷和不大的冲击，故多采用45钢、45Mn2钢、40Cr钢一类调质钢来制造，经正火或调质处理后，局部淬火即可。

在滑动轴承中运转的主轴，其轴颈直接与轴瓦接触，耐磨性要求较高，因而轴颈硬度要求较高，同时滑动轴承比滚动轴承的承载能力高。此类主轴一般采用15Cr钢或20Cr钢等渗碳钢或中碳调质钢制造。如果主轴的断面尺寸较大，并在高速、重载和冲击载荷下工作，要求表面具有良好的耐磨性和心部较高强度、冲击韧性，则宜采用20CrMnTi钢、12CrNi3钢等高强度渗碳钢来制造。

对于要求更高的表面硬度和耐磨性、耐疲劳性能好的某些精密主轴，其精度和尺寸稳定性要求极高，则须采用38CrMoAlA钢等渗氮钢来制造。

某些要求刚性好，精度高的磨床或镗床主轴，也可以采用9Mn2V钢或GCr15钢等来制造，并进行高频表面处理。

此外，有些重型机床低速主轴，结构尺寸较大，也可采用球墨铸铁制造。

三、手工用丝锥

手工用丝锥是加工零件内孔的刀具，如图9－8所示。手工用丝锥用于手动攻丝，受力小，切削速度很低。其失效形式主要是磨损和扭断。因此，其对机械性能主要要求是齿刃部应具有高硬度和耐磨性，心部与柄部要求足够的强度与韧性。

图9－8　手工用丝锥

手工用丝锥的热处理技术条件为齿刃部硬度为59～63HRC；心部及柄部的硬度为30～45HRC。

根据以上分析，手工用丝锥所用材料要求碳的质量分数较高，以使淬火后获得高硬度，并形成许多碳化物以提高耐磨性。但手工用丝锥对红硬性、淬透性要求较低，受力很小，所以可选用碳的质量分数为1%～1．2%的碳素工具钢。考虑到韧性和减小淬火变形开裂倾向，应选用硫、磷杂质极少的高级优质钢，常用T12A（或T10A）钢，该钢除能满足上述性能要求外，过热倾向也较小。

为了使丝锥齿刃部获得高硬度、心部有足够的韧性，并使淬火变形尽可能减小（因齿刃部淬火、回火后不再磨削），以及考虑到齿刃部很薄，所以采用等温淬火或分级淬火。

采用碳素工具钢制造手工用丝锥，原材料成本低，冷、热加工比较容易，因此使用广泛。有些工厂为了进一步提高手工用丝锥的使用寿命与抗扭能力，采用GCr9钢来制造，也取得了良好的经济效益和社会效益。

例如，M12手工用丝锥，选用T12A钢，其加工工艺路线如下。

下料→球化退火（大量生产时常采用滚压方法加工螺纹）→淬火＼低温回火→柄部回火（浸入600℃硝盐炉中，快速回火）↑防锈处理（发蓝）。

淬火加热保温后，采用硝盐中等温冷却，如图9－9所示。淬火后，丝锥表面组织（2～3mm）为贝氏体＋渗碳体＋残余奥氏体（少量），硬度为30～45HRC，具有足够的韧性，丝锥等温淬火后变形量一般在容许范围内。对于较大的丝锥（＞M12）要得到淬硬的表面，应先在碱浴中分级，再在硝盐中等温停留，然后空冷。

图9－9　T12A钢丝锥淬火时冷却曲线

四、冷变形模具（或称冷作模具）

1．冷变形模具的工作条件、失效形式和对材料性能的要求

冷变形模具的品种繁多，按其在工作过程中对金属的基本变形方式，冷变形模具可分为冷冲模、冷挤压模、冷镦模、拉丝模和螺丝滚模等。不同类型的冷变形模具的工作条件、失效形式及材料的性能都不尽相同。在此仅介绍冷冲模。

冷冲模是冷变形加工中使用最广泛的一种模具，它是利用金属的板料和带料，冷加工状态下在压床上通过冲头和凹模的相互作用来冲制、切割、压弯或拉伸成所需的产品。这类模具在冷冲压过程中，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分（冲头、刃口）承受强烈的冲击、剪切、弯曲及与被加工材料之间的摩擦作用，故其主要失效形式是磨损，但也有因结构或热处理不当而产生刃口剥落、镦粗、折断（主要是冲压厚板或在厚板上冲压较小的孔径时）和高的淬透性（这一点对大型零件尤为重要）。此外，从制造工艺的角度出发，冷冲模还要求材料具有良好的冷、热加工性能（如容易切削、粗糙度低、锻压性能好、热处理变形小等）。

2．常用冷变形模具材料的类别、牌号、性能比较和选用举例

常用的冷变形模具材料有碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢、高速工具钢、基体钢、硬质合金钢、低熔点合金等。具体的常用冷变形模具材料的类别、牌号及性能比较如表9－6所示。

表9－6　常用冷变形模具材料的类别、牌号及性能比较

续表

注：①或称为热稳定性。

常用冷变形模具材料的选用举例如表9－7所示。

表9－7　冷变形模具钢选用举例

复习思考题9

1．选择材料应遵循哪些基本原则？它们之间有何关系？

2．何谓失效？为什么要进行失效分析？

3．零件失效有哪些基本类型？

4．指出下表所列工件在选材或热处理技术条件中的错误，并说明其理由及更正意见。

5．某工厂用CrMn钢制造高精度块规，其加工工艺路线如下。

锻造→球化退火→机械粗加工→调质→机械精加工→淬火→冷处理→低温回火并人工时效→精磨→人工时效→研磨。

试说明各热处理工序的作用。

6．试分析为减小工件淬火变形与开裂应采取哪些措施。