典型零件材料選擇、成形工藝、熱處理工藝及組織性能

1、典型零件材料選擇、成形工藝、熱處理工藝及組織性能 摘要材料特別是典型零件材料的選用及熱處理工藝的合理安排是從事機(jī)械設(shè)計(jì)、制造工藝的重要內(nèi)容。而典型機(jī)械零件所用材料及其成型工藝的選用是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，單純的靠差機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)或僅靠經(jīng)驗(yàn)法或類(lèi)比法來(lái)確定材料與工藝的選用似乎很容易，但往往會(huì)帶來(lái)不良后果。因此在典型零件材料選擇、成形工藝、熱處理工藝的選擇時(shí)需要嚴(yán)肅對(duì)待。為此我們需要在對(duì)材料及其成型工藝原理的基本知識(shí)融會(huì)貫通的基礎(chǔ)上，能夠在中行和分析，統(tǒng)籌考慮材料和成型工藝的選擇，理清思路，掌握好基本原則和方法，以系統(tǒng)的綜合分析的方法，進(jìn)行論證，最終確定典型零件材料選擇、成形工藝、熱處理工藝及組織性能，并

2、且保證不因材料內(nèi)在因素影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此我們?cè)谶M(jìn)行典型零件材料及成形工藝的選擇時(shí)一般可遵循下列四條基本原則（1）使用性能足夠的原則（2）工藝性能良好的原則（3）經(jīng)濟(jì)性合理的原則（4）結(jié)構(gòu)，材料，成形工藝相適應(yīng)原則。因此本文簡(jiǎn)單論述了典型零件材料選擇、成形工藝、熱處理工藝及組織性能。關(guān)鍵詞：典型零件，成形工藝，熱處理工藝，組織性能（1） 材料選擇使用性能足夠原則 使用性能是保證零件完成規(guī)定功能的必要條件。因此典型零件所用的材料首先必須滿(mǎn)足使用性能的要求。使用性能主要指零件在使用狀態(tài)下材料應(yīng)具有的力學(xué)性能，物理性能和化學(xué)性能。對(duì)于典型的機(jī)械零件和工程構(gòu)件，最重要的是力學(xué)性能。對(duì)使用性能的要求，一般

3、是在分析零件工作條件的基礎(chǔ)上以及失效分析的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。 零件的工作條件包括三方面：（1）受力狀況（2）環(huán)境狀況（3）特殊要求。分析零件受力狀況時(shí)，收件要分析確定零件所承受載荷的類(lèi)型，例如動(dòng)載，靜載，循環(huán)載荷或單調(diào)載荷等；并要確定載荷大小以及載荷形式，例如拉伸，壓縮，彎曲或扭轉(zhuǎn)等；還要分析載荷的特點(diǎn)，例如是均布載荷還是集中載荷等。分析零件工作的環(huán)境狀況時(shí)，主要是確定工作溫度特性以及介質(zhì)腐蝕情況或磨損條件等。特殊要求主要是對(duì)導(dǎo)電性，磁性，熱膨脹，比重，外觀等的要求 因此，當(dāng)零件工作條件不同則使用性能要求也不同，應(yīng)選用不同品種的材料來(lái)承擔(dān)。按受力狀況，環(huán)境條件及零件類(lèi)型來(lái)確定所選用材料類(lèi)別如圖所

4、示 對(duì)于失效零件進(jìn)行失效分析，可為合理選材及合理選用成形工藝提供實(shí)踐性的信息。不同的失效形式，可揭示原設(shè)計(jì)選材的不同弱點(diǎn)。應(yīng)根據(jù)零件失效分析的結(jié)果，有針對(duì)性的修正原設(shè)計(jì)的選材，以便保證零件的工作效能及具有足夠的抵抗失效的能力。例如，零件因過(guò)量變形而失效，表明原選用的菜聊剛性或屈服強(qiáng)度不足，應(yīng)更換彈性模量高的或者屈服極限高的材料。如果是因?yàn)榱慵砻婺p而失效，應(yīng)選用硬度高的材料等等。（2） 成型工藝的選擇 工藝技術(shù)的合理選擇是工藝方案設(shè)計(jì)及實(shí)施的最重要的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是制定工藝路線(xiàn)或工藝流程的依據(jù)。由于同一種零部件或者產(chǎn)品，無(wú)論毛坯制造，機(jī)械加工，還是熱處理，表面處理，裝配，往往可以用不同的工藝方

5、法來(lái)完成，因而增加了工藝技術(shù)選擇的復(fù)雜性。而成形技術(shù)是工藝技術(shù)中對(duì)產(chǎn)品性能影響最大的一個(gè)環(huán)節(jié)之一。因此成形技術(shù)的選擇是非常重要的。與鍛造成形的鋼軸相比，求魔鑄鐵有良好的減震性，切削加工性及低的缺口敏感性；此外，他的力學(xué)性能高，疲勞強(qiáng)度與中碳鋼接近，耐磨性?xún)?yōu)于表面淬火鋼，經(jīng)過(guò)熱處理后，還可使其強(qiáng)度，硬度或韌性有所提高燭照成形的軸最大的不足之處就在于它的韌性低，在承受過(guò)載或大的沖擊載荷時(shí)，易產(chǎn)生脆斷。因此，對(duì)于主要考慮剛度的軸以及主要承受靜載荷的軸，如曲軸，凸輪軸等可采用鑄造成形的球墨鑄鐵來(lái)制造。目前部分負(fù)載較重單沖擊不大的度鍛造成形軸已經(jīng)被鑄造成形軸所代替，及滿(mǎn)足了使用性能的要求，又降低了零件的

6、生產(chǎn)成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。以球墨鑄鐵鑄造成形的軸的熱處理主要采用正火處理。為提高軸的力學(xué)性能也可采用調(diào)質(zhì)或正火后的進(jìn)行表面淬火，貝氏體等溫淬火等工藝。球墨鑄鐵軸和段鋼軸一樣均可經(jīng)氮碳共滲處理，使疲勞極限和耐磨性大幅度提高。與段鋼軸相比所不同的是所得氮碳共滲層較淺，硬度較高。對(duì)于以強(qiáng)度要求為主的軸特別是在運(yùn)轉(zhuǎn)中伴隨有一定的沖擊載荷的軸，大多采用鍛造成形。鍛造成形的軸常用材料為中碳鋼或中碳合金調(diào)質(zhì)鋼。這類(lèi)材料的鍛造性能較好，度按照后配合適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可獲得良好的綜合性能，較高的疲勞強(qiáng)度以及耐磨性，從而有效的提高軸的抵抗變形，斷裂及磨損的能力。碳素結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)工藝流程圖（3）熱處理工藝選擇及組織

7、性能 齒輪，軸承，彈簧等被廣泛用于機(jī)械傳動(dòng)中，鉗工工具，木工工具，金屬切削工具是現(xiàn)代工業(yè)必不可少的工具，模具是現(xiàn)實(shí)少，無(wú)加工先進(jìn)技術(shù)的重要裝備，量具是產(chǎn)品質(zhì)量的有力保證。這些典型零件在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，數(shù)量越來(lái)越大。無(wú)論哪種零件，都必須正確的選擇材料并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚聿拍芨玫匕l(fā)揮材料的潛能，大大提高組織性能，滿(mǎn)足不同的使用要求。并且熱處理是提高機(jī)械零件質(zhì)量和延長(zhǎng)壽命的關(guān)鍵。熱處理零件壽命實(shí)現(xiàn)一頂幾，即意味著材料資源的節(jié)約，能源的節(jié)約，人力資源的節(jié)約。因此熱處理工藝在金屬工藝處理中占有重要地位。 以c620車(chē)床主軸為例，分析工藝選用和組織性能問(wèn)題該主軸受交變彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力，要

8、求有足夠的強(qiáng)度，但載荷和轉(zhuǎn)速均不高，沖擊載荷也不大，所以有一般水平的綜合力學(xué)性能即可滿(mǎn)足要求，但大端的軸頸，錐孔與卡盤(pán)，頂尖之間有摩擦，這些部位要求有較高的硬度和耐磨性。由于本例中的軸徑變化較大，可采用鍛造成形，通過(guò)減徑拔長(zhǎng)，鍛成階梯狀毛坯。由于鍛造后截面變化較大，鍛造經(jīng)歷時(shí)間不同，因而組織轉(zhuǎn)變不均，應(yīng)力分布不均，為此需要采用退火或正火，以便消除鍛后的組織缺陷及殘余應(yīng)力；同時(shí)鍛造后尚有較多的切削加工任務(wù)，為利于切削，又需調(diào)整材質(zhì)的硬度，一般來(lái)說(shuō)材質(zhì)最佳切削硬度為140248hb，硬度過(guò)高刀具磨損，切削困難，硬度太低時(shí)，不易斷屑，又會(huì)發(fā)生粘刀現(xiàn)象，影響切削加工質(zhì)量及生產(chǎn)率。當(dāng)用退火時(shí)，有可能使印

9、度偏低，且因零件在爐中停留時(shí)間長(zhǎng)，影響爐子的利用率，故采用正火作為預(yù)備預(yù)處理。經(jīng)正火處理后，需檢驗(yàn)硬度及組織是否合格，如發(fā)現(xiàn)硬料或軟料現(xiàn)象，應(yīng)于重新正火進(jìn)行返修，否則不利于大進(jìn)給，大走刀量的粗切削加工。正火處理后的組織是片層裝的索氏體，硬而脆的片層狀滲碳體分割鐵素體基體，易產(chǎn)生脆性。對(duì)于車(chē)床用軸，不但有強(qiáng)度要求，在車(chē)床換擋時(shí)還要承受一定的沖擊載荷，還應(yīng)具有一定的韌性。為此，粗加工后尚需進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。調(diào)質(zhì)處理可獲得回火索氏體，而回火索氏體與索氏體（正火得到的）相比，在強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，具有高的韌性。這是由于回火索氏體中的滲碳體呈細(xì)小顆粒狀彌散分布在鐵素體中，對(duì)于基體分割現(xiàn)行沒(méi)有片狀索氏體那么嚴(yán)

10、重，容易發(fā)揮鐵素體的韌性作用。調(diào)制處理分為兩個(gè)工序即淬火+高溫回火。淬火后能否會(huì)的充分的馬氏體是最終獲得回火索氏體的基本保證。為此淬火后，必須通過(guò)硬度檢驗(yàn)，考核淬火是否合格。45鋼的淬火最高硬度為4852hrc。如果淬火后硬度低于此值，表明淬火工藝有缺陷。應(yīng)予以返修重新淬火。淬火硬度合格者再經(jīng)高溫回火即可獲得回火索氏體組織，硬度為220250hb，具有良好的強(qiáng)韌性通過(guò)調(diào)質(zhì)處理使整體軸的強(qiáng)韌性雖然滿(mǎn)足了要求，但是軸的大端軸頸，錐孔有要求耐磨，故應(yīng)有較高的硬度，還應(yīng)采取局部表面硬化措施。由表面熱處理，化學(xué)熱處理及表面改性處理技術(shù)可知，表面感應(yīng)淬火，表面火焰淬火，滲碳化學(xué)熱處理，滲氮化學(xué)熱處理及表面

11、鍍應(yīng)鉻，滲硼等都可以實(shí)現(xiàn)表面硬化。滲硼由于很硬很脆，適用于工模具類(lèi)，又因加熱溫度高易變形，故軸類(lèi)零件通常不用。滲碳適用于低碳鋼表面硬化，本軸業(yè)已選用了45鋼，基體含碳量已經(jīng)很高，表層若再經(jīng)滲碳，易使軸的韌性下降。由于工件很大，鍍鉻槽難以適應(yīng)。最后可考慮在表面淬火和滲氮工藝選擇。一般說(shuō)來(lái)滲氮硬度比表面淬火高的多，但滲氮共時(shí)長(zhǎng)，沒(méi)有特殊需要，盡可不選。而且滲氮后有需要電解去除錫鍍層，工藝復(fù)雜，故不選用，在表面淬火中，火焰淬火，設(shè)備簡(jiǎn)單，但淬火質(zhì)量不如感應(yīng)加熱淬火，而且感應(yīng)加熱淬火，還便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，自動(dòng)化。故最終選用高頻感應(yīng)表面淬火。表面淬火后尚需消除淬火應(yīng)力。需要進(jìn)行低溫回火。性能滿(mǎn)足要求后再進(jìn)行精磨加工。綜上所述，其工藝路線(xiàn)如下原材料鍛造正火粗加工淬火高溫回火精加工大端局部高頻感應(yīng)淬火低溫回火精磨加工。參考文獻(xiàn)（1）丁德全金屬工藝學(xué)機(jī)械工業(yè)出版社