《工程材料及應(yīng)用》課件第11章

第11章工程材料的應(yīng)用

11.1機(jī)床用材11.2儀器儀表用材11.3熱能設(shè)備用材11.4汽車用材11.5航空航天器用材11.6化工設(shè)備用材

11.1機(jī)床用材

機(jī)床用材是用來制造各種機(jī)床零部件的工程材料。從牛頭刨床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(圖11－1)可以看出，常用的機(jī)床零部件有機(jī)座、軸承、導(dǎo)軌、軸類、齒輪、彈簧、緊固件、刀具等。圖11－1牛頭刨床結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)床零部件在工作時(shí)將承受拉伸、壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、沖擊、摩擦、振動(dòng)等力的作用，或幾種力的同時(shí)作用。在機(jī)床零部件的截面上產(chǎn)生拉、壓、切等應(yīng)力，這些應(yīng)力值或是恒定的或是變化的，在方向上或是單向的或是反復(fù)的，在加載方式上或是逐漸加載或是驟然加載。這些零部件的工作溫度多在-50～150℃之間，同時(shí)受到大氣、水分、潤(rùn)滑油及其他介質(zhì)的腐蝕作用。

機(jī)床零部件在制造過程中往往要經(jīng)過鍛壓、鑄造、焊接、彎曲、拉拔和車、銑、刨、鏜、磨等冷、熱加工工序，所以機(jī)床用材應(yīng)該具有良好的熱加工性能及切削加工性能。

常用的機(jī)床用材有各種結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼、工具鋼、鑄鐵、有色金屬、橡膠和工程塑料等。本節(jié)將介紹典型的機(jī)床零部件經(jīng)常使用的材料。

11.1.1機(jī)身、底座用材

機(jī)身、機(jī)床底座、油缸、導(dǎo)軌、齒輪箱體、軸承座等大型零件以及其他一些如牛頭刨床的滑枕、皮帶輪、導(dǎo)桿、擺桿、載物臺(tái)、手輪、刀架等零件或重量大,或形狀復(fù)雜，首選材料當(dāng)為灰口鑄鐵、孕育鑄鐵，球墨鑄鐵亦可選用，因它們成本低、鑄造性好、切削加工性優(yōu)異、對(duì)缺口不敏感、減振性好，故非常適合鑄造上述零部件，且石墨具有良好的潤(rùn)滑作用,并能儲(chǔ)存潤(rùn)滑油,很適宜制造導(dǎo)軌，同時(shí)鑄鐵有良好的耐磨性。

常使用的灰口鑄鐵牌號(hào)是：HT150、HT200及孕育鑄鐵HT250、HT300、HT350、HT400等，其中HT200和HT250用得最多。常使用的球墨鑄鐵牌號(hào)為：QT400-17、QT420-10、QT500-5、QT600-2、QT700-2、QT800-2，如QT400-17、QT420-10可用來制造閥體、閥蓋，QT600-2、QT700-2、QT800

-2可制造冷凍機(jī)缸體。

機(jī)身、箱體等大型零部件在單件或小批量生產(chǎn)時(shí)。也可采用普通低碳碳素鋼來制造，如Q215、Q235、Q255，其中Q235用得最多。

隨著對(duì)產(chǎn)品外觀裝飾效果的日益重視，1Cr13、1Cr18Ni10、1Cr18Ni9Ti等不銹鋼，H62、H68等黃銅的使用也日趨增多。鋁(工業(yè)純鋁L5及防銹鋁LF5、LF11、LF21，硬鋁LY11、LY12等)的裝飾效果也很好?？芍谱骺刂泼姘?、標(biāo)牌、底版及箱體等。非金屬材料，尤其是工程塑料和復(fù)合材料，機(jī)械性能大幅度提高，顏色鮮艷、不銹蝕、成本低，已經(jīng)大量應(yīng)用于機(jī)床行業(yè)中。如聚丙烯，其剛性、彈性模量、硬度等機(jī)械性能都較高，同時(shí)絕緣性優(yōu)越，可用于電氣部分。ABS塑料機(jī)械性能良好，同時(shí)尺寸穩(wěn)定，容易電鍍和易于成型，耐熱和耐蝕性較好，且原料易得，價(jià)錢便宜，是制造機(jī)床控制箱殼體等的優(yōu)異材料。聚甲醛塑料具有良好的綜合性能，彈性模量和硬度較高，抗蠕變性能好，韌性也好，耐疲勞性能在熱塑性工程塑料中是最高的，已廣泛用作各種容器、管道等。復(fù)合材料如玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯的強(qiáng)度和抗蠕變性能好，耐水性優(yōu)良，可以制作轉(zhuǎn)矩變換器、干燥器殼體等。

11.1.2齒輪用材

開式齒輪傳動(dòng)防護(hù)和潤(rùn)滑的條件較差，其可能破壞的方式除了在齒根折斷外，主要還是齒面發(fā)生磨損。因此，選用材料應(yīng)當(dāng)考慮其耐磨性且不需要經(jīng)常給予潤(rùn)滑。這樣由于有足夠硬度的HT250、HT300和HT400等灰口鑄鐵既有較好的耐磨性，又因內(nèi)部含有石墨起減摩作用而降低對(duì)潤(rùn)滑的要求，同時(shí)還具有容易做成復(fù)雜的形狀和成本低的優(yōu)點(diǎn)而成為首選材料。但是灰口鑄鐵彎曲強(qiáng)度低、脆性大，不宜承受沖擊載荷，同時(shí)為了減輕磨損，一般限制開式灰鐵齒輪的節(jié)圓線速度在3m/s以下。鋼在無潤(rùn)滑情況下，只能用作小齒輪和鑄鐵的大齒輪互相嚙合。常用普通碳素鋼Q235、Q255和Q275制造。成對(duì)的鋼齒輪不應(yīng)用于開式齒輪傳動(dòng)。

閉式齒輪多采用40鋼、45鋼等經(jīng)正火或調(diào)質(zhì)處理的中碳優(yōu)質(zhì)鋼制造，齒面硬度在170～280HB之間為宜。整體淬火和表面淬火后強(qiáng)度和硬度更高，硬度可達(dá)40～63HRC，適合用于較高的速度(v＞2～4m/s)和承受較重的載荷。高速、重載或受強(qiáng)烈沖擊的閉式齒輪，宜采用40Cr等調(diào)質(zhì)鋼或20Cr、20CrMnTi等滲碳鋼制造，并進(jìn)行相應(yīng)的熱處理。

不重要的閉式齒輪可使用普通碳素鋼Q275制造，一般不經(jīng)熱處理。球墨鑄鐵QT450-5，可鍛鑄鐵KTZ450-5、KTZ500-4已廣泛用來制造尺寸較大或形狀復(fù)雜的閉式傳動(dòng)齒輪，并可將速度提高到5～6m/s。普通的灰口鑄鐵脆性大，非金屬材料強(qiáng)度較低，都不宜用來制造機(jī)床閉式傳動(dòng)的齒輪。相互嚙合的一對(duì)鋼齒輪，如果材料的硬度一樣，則由于兩個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速不同，常引起齒面磨損不均勻，為防止產(chǎn)生這種現(xiàn)象，小齒輪的齒面硬度比大齒輪高20～40HB為宜。表11－1為配對(duì)齒輪材料的常用選配方案。

表11－1配對(duì)齒輪材料的可用選配方案

11.1.3軸類零件用材

軸類零件用材應(yīng)具有足夠的疲勞強(qiáng)度,較小的應(yīng)力集中敏感性和良好的加工性能，后者是易于加工和獲得高光潔表面的必要條件。

一般采用正火或調(diào)質(zhì)處理的45鋼等優(yōu)質(zhì)碳素鋼制造軸類零件。不重要的或受力較小的軸及一般較長(zhǎng)的傳動(dòng)軸可以采用Q235、Q255或Q275等普通碳素鋼制造。

承受載荷較大，且要求直徑小、重量輕或要求提高軸頸耐磨性的軸，可以采用40Cr等合金調(diào)質(zhì)鋼或20Cr等合金滲碳鋼，整體與軸頸應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的熱處理。

常采用QT600—2、KTZ600—3等球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵制造曲軸和主軸。

11.1.4螺紋聯(lián)接件用材

螺紋聯(lián)接件可由螺栓、多頭螺栓、緊固螺釘和緊定螺釘?shù)嚷?lián)接零件構(gòu)成，亦可由被聯(lián)接零件本身的螺紋部分構(gòu)成。前一種聯(lián)接中的聯(lián)接零件稱為緊固件，多為標(biāo)準(zhǔn)件;后一種是非標(biāo)準(zhǔn)零件。螺紋聯(lián)接件常用材料如下：

無特殊要求的一般螺紋聯(lián)接件常用低碳或中碳的普通碳素鋼Q235、Q255、Q275制造,其中Q275通常用于相對(duì)載荷較大的螺栓。普通碳素鋼螺栓一般不進(jìn)行熱處理。

用35鋼、45鋼等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼制造的螺栓，常用于中等載荷以及精密的機(jī)床上。這種螺栓一般應(yīng)進(jìn)行整體的或局部的熱處理。如機(jī)床主軸法蘭聯(lián)接螺栓可用35鋼調(diào)質(zhì)處理。用35鋼及45鋼制造的，經(jīng)常要擰進(jìn)、擰出的螺栓頭部，緊固螺釘?shù)亩瞬?，往往要進(jìn)行氰化以便獲得較高的硬度。

合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr、40CrV等主要用于受重載高速的極重要的聯(lián)接螺栓。例如各種大型工程機(jī)械的聯(lián)接螺栓。這類螺栓必須經(jīng)過熱處理，一般經(jīng)熱處理后的螺栓強(qiáng)度可提高75%左右。在水和其他弱腐蝕介質(zhì)中工作的螺栓、螺母可以使用馬氏體不銹鋼制造，如水壓機(jī)用螺栓材料可用1Cr13。

11.1.5螺旋傳動(dòng)件用材

螺旋傳動(dòng)可以把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，亦可以把直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在機(jī)床中這種傳動(dòng)廣泛用作進(jìn)給機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)裝置，如絲杠—螺母?jìng)鲃?dòng)。

螺旋傳動(dòng)件使用的材料要求具有高的耐磨性，重載荷的螺旋材料必須有高的強(qiáng)度。通常，不進(jìn)行熱處理的螺旋傳動(dòng)件用45鋼、50鋼制造，經(jīng)受熱處理的用T10、65Mn、40Cr等制造。

螺母的材料用錫青銅ZQSn10-2、ZQSn6-6-3，其中ZQSn6-6-3使用得最為廣泛。在較小載荷及低速傳動(dòng)中用耐磨鑄鐵。

11.1.6蝸輪傳動(dòng)用材

蝸輪蝸桿的嚙合情況與齒輪齒條相似，其可能破壞的形式也和齒輪一樣，對(duì)于低速運(yùn)轉(zhuǎn)的開式傳動(dòng)，常因齒根和齒面磨損而破壞，對(duì)于一般的閉式傳動(dòng)，當(dāng)齒面接觸強(qiáng)度不足時(shí)，常因齒面剝落而破壞，當(dāng)齒面接觸強(qiáng)度較高時(shí)，也有可能因齒根折斷而破壞。但是由于蝸輪傳動(dòng)有著齒的側(cè)面滑動(dòng)的特殊問題，當(dāng)長(zhǎng)期高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)往往會(huì)因發(fā)熱嚴(yán)重而在齒面膠合破壞，因此為防止蝸輪傳動(dòng)件破壞，應(yīng)采取比齒輪傳動(dòng)要求更高的措施。

由于蝸輪與蝸桿的轉(zhuǎn)速相差比較懸殊，在相同的時(shí)間內(nèi)，蝸桿受磨損的機(jī)會(huì)遠(yuǎn)較蝸輪大得多，因此蝸輪、蝸桿要采用不同的材料來制造，蝸桿材料要比蝸輪材料堅(jiān)硬耐磨，以免蝸桿很快磨損。一般應(yīng)根據(jù)傳動(dòng)件的滑動(dòng)速度選擇蝸輪、蝸桿的材料。

制造蝸輪的材料有鑄錫青銅、鑄鋁青銅和鑄鐵。當(dāng)滑動(dòng)速度v≥3m/s時(shí)，常采用錫青銅ZQSn10、ZQSn10-1或ZQSn6-6-3等。這些材料的耐磨性好，但價(jià)格較高。鑄鋁青銅ZQAl9-4的強(qiáng)度較高，價(jià)格較低，但耐磨性較差，容易發(fā)生膠合破壞，一般用在滑動(dòng)速度v≤4m/s的地方。至于普通灰口鑄鐵，如HT150、HT200、HT250等，則應(yīng)用于滑動(dòng)速度v≤2m/s，對(duì)性能要求不高的傳動(dòng)中。

為節(jié)約貴重的鋼合金，對(duì)于直徑大于100～200mm的青銅蝸輪，應(yīng)采用青銅輪緣與灰鑄鐵輪心分別加工再組裝成一體的結(jié)構(gòu)。蝸桿材料一般為碳鋼或合金鋼。蝸桿表面的硬度和光潔度越高，耐磨性和抵抗膠合破壞的性能就越好，因此滑動(dòng)速度高的蝸桿以及與鑄鋁青銅相配的蝸桿都用高硬度的材料來制造，如用15鋼、20鋼和15Cr鋼、20Cr鋼，表面滲碳淬硬到56～62HRC，或45鋼、40Cr鋼，表面高頻淬火到45～50HRC，并經(jīng)磨削、拋光以提高表面光潔度。

一般速度的蝸桿可用45鋼、50鋼或40Cr銅制造，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后表面硬度達(dá)220～260HB，最好再經(jīng)過拋光后使用。低速傳動(dòng)的蝸桿也可以用普通碳素鋼Q275制造。

11.1.7軸承材料

1.軸承用金屬材料

1)軸承合金

巴氏合金的減摩性優(yōu)于其他所有減摩合金，但強(qiáng)度不如青銅和鑄鐵，因此不能單獨(dú)作為軸瓦或軸套，而僅作為軸承襯使用，它主要用于最高速重載條件下。就減摩性能來說以ZChSnSb11-6最好，其次是ZChPbSb14-10-18。

銅基軸承合金中，錫青銅在銅合金中具有最好的減摩性能，如ZQSn10-1廣泛用于高速和重載條件下。中速和中載條件下錫鋅鉛青銅2QSn6-6-3應(yīng)用廣泛，但是錫青銅強(qiáng)度較低，價(jià)格較高。鑄鋁青銅ZQAl9-2適宜制造形狀簡(jiǎn)單(鑄造性比錫青銅差)的大型鑄件，如襯套、齒輪和軸承。ZQAl10-3-15、ZQAl9-4的強(qiáng)度和耐磨性高，可用在重載和低中速條件下。ZQPb30、ZQPb12-8、ZQPb10-10等鑄鉛青銅沖擊韌性、沖擊疲勞強(qiáng)度高，主要用于大型曲軸軸承等高速和重的沖擊與變動(dòng)載荷條件下，可作為ZChSnSb11-6的代用材料，且其疲勞強(qiáng)度比后者高。鑄鋁、鑄鉛青銅對(duì)軸頸的磨損較大，所以要求軸頸表面淬火和高光潔。

黃銅的減摩性能和強(qiáng)度顯著低于青銅，但鑄造工藝性優(yōu)異,易于加工。在低速和中等載荷下可作為青銅的代用品。常用的有鋁黃銅ZHAl66-6-3-2和錳黃銅ZHMn58-2-2。

2)鑄鐵

HT250、HT350等灰口鑄鐵或耐磨鑄鐵軸承主要用于低速、輕載條件下，為了減少軸頸的磨損，鑄鐵軸承的硬度最好比軸頸硬度低20～40HB。

2.軸承用粉末冶金材料

粉末冶金材料可用于制造含油軸承，常用的有鐵石墨和青銅石墨含油軸承，它們分別用鐵的粉末和銅的粉末為基體加入一定量的石墨、硫和錫等粉末用壓力機(jī)壓制成型，然后在高溫下燒結(jié)而成。國(guó)內(nèi)用的最多的是Fe－C、Fe－S－C和Cu－Sn－Pb－C系合金。加入S、Sn、Pb等元素是為了提高其減摩性能。由于燒結(jié)后其結(jié)構(gòu)呈多孔性，預(yù)先將其浸在潤(rùn)滑油中使其吸滿潤(rùn)滑油，工作時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)潤(rùn)滑作用，所以稱為含油軸承。它已廣泛用于機(jī)床、起重運(yùn)輸機(jī)械、紡織機(jī)械等產(chǎn)品中代替滾動(dòng)軸承和青銅軸套。如皮帶運(yùn)輸機(jī)中支撐輥?zhàn)虞S的滾動(dòng)軸承過長(zhǎng)，用含油軸承代替效果很好。

含油軸承的硬度低，所以與鋼軸的磨合性好，也不易傷軸，可與未淬火的軸頸相配。

含油軸承的缺點(diǎn)是韌性小，只用于平穩(wěn)、無沖擊載荷、低中速和間歇工作的條件下。鐵石墨含油軸承、青銅石墨軸承分別用于v≤4m/s或v≤6m/s的場(chǎng)合。鐵石墨含油軸承比青銅石墨含油軸承容易制造、強(qiáng)度高、價(jià)廉(不用有色金屬)，所以應(yīng)用更廣泛。

3.塑料軸承

塑料軸承的優(yōu)點(diǎn)是低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能，良好的耐磨性和磨合性，高的抗膠合能力和耐腐蝕性。塑料軸承在潤(rùn)滑條件非常差的情況下也能正常工作，在低速、輕載時(shí)還可以在干摩擦情況下工作，因此塑料軸承不僅可以在很多情況下代替金屬軸承，且可以完成金屬軸承不能完成的任務(wù)。如在某些加油困難、要求避免油污(醫(yī)藥、造紙及食品機(jī)械)和由于潤(rùn)滑油蒸發(fā)有發(fā)生爆炸危險(xiǎn)(制氧機(jī))的機(jī)床中。在無油潤(rùn)滑條件下工作或在水、腐蝕性液體(酸、堿、鹽及其他化學(xué)溶液)等介質(zhì)中工作時(shí)，由于塑料的自潤(rùn)滑性能和高的耐腐蝕性能以及彈性良好、能夠吸振、消音功能，因而塑料軸承的性能比金屬軸承的性能更優(yōu)越。塑料軸承的缺點(diǎn)是耐熱性差。常用的塑料軸承材料有ABS塑料、尼龍、聚甲醛、聚四氯乙烯等。

4.橡膠軸承

橡膠軸承主要用于水輪機(jī)、水泵及其他工作于多泥沙而有充足的水潤(rùn)滑的機(jī)器中。由于橡膠彈性好，能吸振和適應(yīng)軸的偏斜。有充足的水潤(rùn)滑時(shí)，橡膠軸承與鋼軸的摩擦系數(shù)和軸承合金與鋼軸在油潤(rùn)滑時(shí)的摩擦系數(shù)差別很小。當(dāng)潤(rùn)滑的水中混有砂粒時(shí)僅能引起橡膠的變形，磨粒在軸頸旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下落入潤(rùn)滑溝槽后即被水沖掉。但橡膠導(dǎo)熱性差，當(dāng)溫度超過60～70℃時(shí)易老化，軸承即喪失工作能力并發(fā)生抱軸現(xiàn)象，所以必須有充足的水潤(rùn)滑和冷卻。

11.1.8滾動(dòng)軸承用材

滾動(dòng)軸承是一個(gè)組件，有多種標(biāo)準(zhǔn)件可以選購(gòu)。根據(jù)滾動(dòng)軸承的工作條件，滾動(dòng)體與內(nèi)外因滾道的接觸理論上為點(diǎn)接觸或線接觸，受載后接觸應(yīng)力較大，所以要求主要零件的材料有高的硬度、接觸疲勞強(qiáng)度、耐磨性和高的沖擊韌性和強(qiáng)度等。為此，滾動(dòng)軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)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(jīng)過磨削和拋光，熱處理后一般要求材料硬度可達(dá)61～65HRC。

對(duì)保持架材料一般要求較低，普通軸承的保持架多采用低碳鋼薄板沖壓成形，有的則用銅合金制成。高速軸承要求保持架強(qiáng)而輕，多采用塑料或輕合金制造。

11.1.9機(jī)床其他零件用材

1.凸輪用材

機(jī)床大多數(shù)凸輪所用材料為中碳鋼或中碳合金鋼，一般尺寸不大的平板凸輪可用45鋼板制造，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。要求高的凸輪可用45鋼或40Cr鋼制造，進(jìn)行表面淬火，硬度可達(dá)50～60HRC。尺寸較大的凸輪(直徑大于300mm或厚度大于30mm)，一般采用HT200、HT250或HT300等灰鑄鐵或耐磨鑄鐵制造，對(duì)于和凸輪配套使用的滾子，由于容易制造，一般希望使用中比凸輪先壞，但因?yàn)闈L子比配套的凸輪工作時(shí)間長(zhǎng)，故一般滾子和凸輪可使用相同的材料，實(shí)際中采用45鋼者較多。

一些承載不同的操縱凸輪也可用工程塑料或復(fù)合材料制造。如尼龍、聚甲醛、玻璃纖維增強(qiáng)的酚醛樹脂復(fù)合材料等。

2.刀具用材

工具材料包括碳素工具鋼(如T8、T10、T12)、合金刃具鋼(如9Mn2V、9SiCr、Cr、CrW5、CrMn、CrWMn)、高速鋼(如W18Cr4V、9W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W6Mo5Cr4V3)和硬質(zhì)合金(如WC－Co硬質(zhì)合金YG3、YG6、YG8，WC－TiC－Co硬質(zhì)合金YT30、YT15、YT14，WC－TiC－TaC－Co硬質(zhì)合金YW1、YW2)。

3.其他一些機(jī)床零件用材

轉(zhuǎn)軸、心軸、主軸、嚙合和摩擦離合器、鏈環(huán)片、剎車鋼帶、鍵以及強(qiáng)烈受磨損或強(qiáng)度要求高的零件可使用45鋼、50鋼、60鋼制造，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。而許多要求較低的機(jī)床用零件可以使用成本低廉的灰鑄鐵和普通碳素鋼制造，表11－2和表11－3舉例說明了這些常用零件通常使用的材料牌號(hào)。

表11－2一些常用機(jī)床零件的材料牌號(hào)（灰鑄鐵）

表11－3一些常用機(jī)床零件的材料牌號(hào)

11.2儀器儀表用材

11.2.1殼體材料

1.金屬材料

儀器儀表的殼體(包括面板、底盤)用材廣泛。如用低碳結(jié)構(gòu)鋼(如Q195、Q215、Q235)，再用油漆防銹和裝飾，可達(dá)到較好效果，用鉻不銹鋼、鉻鎳奧氏體不銹鋼(如1Cr13、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti)則更華麗，且耐蝕性好，如某型號(hào)電梯控制面板及箱體板用1Cr18Ni9Ti不銹鋼制造，顯得富麗堂皇；鋁(工業(yè)純鋁L5及防銹鋁LF5、LF11、LF21等)、黃銅(H62、H68等)等有色金屬材料亦有很好的裝飾效果。

2.非金屬材料

非金屬材料如工程塑料和復(fù)合材料，機(jī)械性能已有大幅度提高，有的已經(jīng)超過鋁合金，且顏色鮮艷、不銹蝕、成本低。例如ABS塑料，易電鍍和易成型、機(jī)械性能良好，是制造管道、儲(chǔ)槽內(nèi)襯、電機(jī)外殼、儀表殼、儀表盤、小轎車車身等的良好材料。聚甲醛塑料的綜合性能優(yōu)異，耐疲勞性能在熱塑性工程塑料中是最高的，已廣泛用作各種儀表板和外殼、容器、管道等。玻璃纖維增強(qiáng)尼龍的剛度、強(qiáng)度和減摩性好，可代替有色金屬制作儀表盤。玻璃纖維增強(qiáng)苯乙烯類樹脂廣泛應(yīng)用于收音機(jī)殼體、磁帶錄音機(jī)底盤、照相機(jī)殼、空氣調(diào)節(jié)器葉片等。玻璃纖維增強(qiáng)聚乙烯的強(qiáng)度和抗蠕變性能好，耐水性優(yōu)良，可以作轉(zhuǎn)矩變換器、干燥器殼體。

11.2.2軸類零件用材

儀器儀表的軸其一般載荷很小，考慮到要減輕重量、降低成本或提高精度，可以使用Q235等普通碳素鋼、聚甲醛塑科等工程塑料制造。硬鋁LY12、LY11和黃銅HAL60－1－1多用于制造重要且需要耐蝕的軸銷等零件。

11.2.3凸輪用材

儀器中多數(shù)凸輪所用材料為中碳鋼或中碳合金鋼，一般尺寸不大的平板凸輪可用45鋼板制造，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。要求高的凸輪可用45鋼或40Cr鋼制造，進(jìn)行表面淬火。和鋼凸輪配套使用的滾子，采用45鋼者較多。

一些承載小的凸輪可以使用尼龍等工程塑科或玻璃纖維增強(qiáng)尼龍等復(fù)合材料制造。

11.2.4齒輪用材

儀器儀表中齒輪用材范圍非常廣泛，有鋼、銅、工程塑料和復(fù)合材料等。

用普通碳素鋼Q275制造齒輪，一般不經(jīng)熱處理。

鋼合金常用來制造儀器儀表齒輪，如鋁青銅具有高的硬度、強(qiáng)度、抗蝕性、減摩耐磨性以及良好的加工性，QAl10-4-4可用來制造400℃以下工作的齒輪、閥座，QAl11-6-6可用來制造500℃以下工作的齒輪、套管及其他減摩和耐蝕的零件。硅青銅QSi3-1有高的彈性、強(qiáng)度和耐磨性，耐蝕性良好，可用來制造耐蝕件及齒輪、制動(dòng)桿等。鉑青銅QBe2、QBe1.9、QBe1.7可用于制造鐘表等儀表齒輪。鈦青銅QTi3.5、QTi3.5-0.2、QTi6-1有高的強(qiáng)度、硬度、彈性、耐磨性、耐熱性、耐疲勞性和耐蝕性，并且無鐵磁性，適宜制造齒輪等耐磨零件。

可以使用工程塑料制造儀表齒輪，ABS塑料機(jī)械性能良好，尺寸穩(wěn)定，容易電鍍和易于成型，耐熱性較好，是制造齒輪、泵葉輪的理想材料。尼龍是一種熱塑性塑料，具有突出的耐磨性和自潤(rùn)滑性能，良好的機(jī)械性能，耐水、油等多種溶劑，成型性能也好，適合制造要求耐磨、耐蝕的某些承載的傳遞零件，如齒輪螺釘、螺母以及其他小型零件。聚甲醛塑料具有優(yōu)異的綜合性能，摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定，在干摩擦條件下尤為突出，抗蠕變性能好，耐疲勞性能在熱塑性工程塑料中是最高的，可以制造主要受摩擦的各種零件，如齒輪、凸輪、輥?zhàn)印㈤y桿等，也可制造墊圈、墊片、法蘭彈簧等構(gòu)件。聚碳酸酯譽(yù)稱“透明金屬”，有優(yōu)良的綜合性能，沖擊韌性和延性突出，在熱塑性塑料中是最好的，抗蠕變性能好，尺寸穩(wěn)定性高，透明度高，可染成各種顏色，吸水性小，可在-60～120℃溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期工作，可制造輕載但沖擊韌性和尺寸穩(wěn)定性要求高的零件，如輕載齒輪、芯軸、凸輪、螺栓螺帽、鉚釘、齒條和絕緣墊圈、安管和電子儀器外殼、信號(hào)燈等。酚醛塑料具有一定的強(qiáng)度和硬度，耐磨性好，絕緣性好，耐熱性較高，廣泛用于制造各種電信器材和電木制品，如各種插頭、開關(guān)、電話機(jī)、儀表盒、內(nèi)燃機(jī)曲軸皮帶輪、無聲齒輪、泵體等。11.2.5蝸輪、蝸桿用材

儀器儀表中經(jīng)常使用銅合金制造蝸輪、蝸桿。如鋁青銅具有高的硬度、強(qiáng)度、抗蝕性、減摩耐磨性以及良好的加工性，QAl11－6－6可用來制造500℃以下工作的蝸輪、套管及其他減摩和耐蝕的零件。硅青銅QSi3－1有高的彈性、強(qiáng)度和耐磨性，耐蝕性良好，可用來制造蝸輪、蝸桿及耐蝕件等。

聚碳酸酯等工程塑料可制造輕載蝸輪、蝸桿等零件。

11.3熱能設(shè)備用材

熱能設(shè)備種類很多，主要包括鍋爐、汽輪機(jī)、電機(jī)等。這些設(shè)備多數(shù)在高溫、高壓和腐蝕介質(zhì)作用下長(zhǎng)期運(yùn)行，對(duì)所用材料提出了很高的要求。因此，應(yīng)根據(jù)不同設(shè)備及其零部件的工作條件，合理地選用材料，以保證熱能設(shè)備的安全運(yùn)行。本節(jié)主要介紹鍋爐和汽輪機(jī)及其部件的用材。

11.3.1鍋爐主要設(shè)備用鋼

1.鍋爐管道用鋼

1)鍋爐管道的工作條件和對(duì)材料的要求

鍋爐管道包括受熱面管子(過熱器、水冷壁管、省煤器等管子)和蒸汽管道(主蒸汽管道、蒸汽導(dǎo)管、聯(lián)箱、連接管等)。這些管道在高溫、應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)作用下長(zhǎng)期工作，會(huì)產(chǎn)生蠕變、氧化和腐蝕。如過熱器管外部受高溫?zé)煔獾淖饔茫軆?nèi)則流通著高壓蒸汽，而且管壁溫度(即材料溫度)比蒸汽溫度還高50～80℃。為保證設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，對(duì)管道用鋼提出如下要求：

(1)足夠高的蠕變極限和持久強(qiáng)度；

(2)高的抗氧化性能和耐腐蝕性能；

(3)良好的組織穩(wěn)定性；

(4)良好的工藝性能，特別是焊接性能要好。

2)鍋爐管道用鋼

鍋爐管道用鋼的選擇應(yīng)根據(jù)管道的工作條件尤其是管道的工作溫度，合理地進(jìn)行選擇。下面按鍋爐管道的壁溫(工作溫度)介紹用鋼情況：

(1)壁溫≤500℃的過熱器管和壁溫≤450℃的蒸汽管道。

一般選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1%～0.2%之間，常用的是20鋼。該鋼在450℃以下具有足夠的強(qiáng)度，530℃以下具有良好抗氧化性能，而且工藝性能良好，價(jià)格低廉。

(2)壁溫≤550℃的過熱器管和壁溫≤510℃的蒸汽管道。

15CrMo鋼是在這個(gè)溫度范圍應(yīng)用很廣泛的鋼種。該鋼在500℃熱強(qiáng)性、足夠的抗氧化性和良好的工藝性能。

(3)壁溫≤580℃的過熱器管和壁溫≤540℃的蒸汽管道。

12Cr1MoV鋼是該溫度范圍應(yīng)用最廣泛的鍋爐管道用鋼。該鋼是在Cr－Mo鋼的基礎(chǔ)上，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的釩的低合金耐熱鋼，其耐熱性能比鉻鋼高，工藝性能也很好，得到廣泛的應(yīng)用。

(4)壁溫≤600～620℃的過熱器管和壁溫≤550～570℃的蒸汽管道。

12Cr2MoWVB和12Cr3MoVSiTiB鋼是該溫度范圍應(yīng)用較廣的材料。它們的共同特點(diǎn)是采用微量多元合金化。鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2%左右，其他的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)更少，通過多種元素的相互作用，使鋼具有更高的組織穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，因而耐熱性能更好，使用溫度更高。

(5)壁溫≤600～650℃的過熱器管和壁溫≤550～600℃的蒸汽管道。

在此溫度范圍內(nèi)，一般珠光體型的低合金耐熱鋼已不能滿足使用要求，需要采用高合金耐熱鋼，較常用的是Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%馬氏體型耐熱鋼，如德國(guó)的X20CrMoWV121(F11)和X20CrMoV121(F12)、瑞典的HT9等鋼種。

2.鍋爐汽包用鋼

1)鍋爐汽包的工作條件及對(duì)材料的要求

鍋爐汽包鋼材在中溫(350℃以下)、高壓狀態(tài)下工作，它除承受較高的內(nèi)壓以外，還會(huì)受到?jīng)_擊、疲勞載荷及水和蒸汽介質(zhì)的腐蝕作用。對(duì)鍋爐汽包材料的要求是：

(1)較高的常溫和中溫強(qiáng)度；

(2)良好的塑性、韌性和冷彎性能；

(3)較低的缺口敏感性。制造鍋爐時(shí)，要在鍋爐鋼板上開孔和焊接管接頭，易造成應(yīng)力集中，因此要求鋼材有較低的缺口敏感性；

(4)氣孔、琉松、非金屬夾雜物等缺陷盡可能少；

(5)良好的焊接性能等加工工藝性能。

2)汽包用鋼

低壓鍋爐汽包用鋼為12Mng、16Mng和15MnVg等普通低合金鋼板。這些鋼板的綜合機(jī)械性能比碳鋼高，可以減輕鍋爐汽包的重量，節(jié)省大量鋼材。

14MnMoV8鋼是屈服極限為500MPa級(jí)的普通低合金鋼。鋼中由于加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Mo，提高了鋼的屈服強(qiáng)度及中溫機(jī)械性能，特別適合生產(chǎn)厚度為60mm以上的厚鋼板，以滿足制造高壓鍋爐汽包的需要。

14MnMoV6Re8鋼是500MPa級(jí)的多元低碳貝氏體鋼，屈服極限比碳鋼高一倍，有良好的綜合機(jī)械性能。由于加入了適量的硼、稀土，所以鋼的強(qiáng)度更高，符合我國(guó)資源情況。

14CrMnMoVBe鋼的屈服極限很高，σs為650～700MPa。該鋼又加入強(qiáng)化元素，也是微量多元低合金鋼，不僅強(qiáng)度高，塑性、韌性也較好，焊接性能也好，并且能耐濕度較大地區(qū)的大氣腐蝕。

11.3.2汽輪機(jī)主要零部件用鋼

汽輪機(jī)主要零部件包括汽輪機(jī)葉片、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)靜子等。

1.汽輪機(jī)葉片

1)汽輪機(jī)葉片的工作條件和對(duì)材料的要求

葉片是汽輪機(jī)中將氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為有用功的重要部件。按照葉片的工作條件又分為動(dòng)葉和靜葉兩種。與轉(zhuǎn)子相連接并一起轉(zhuǎn)動(dòng)的為動(dòng)葉，與靜子相連接處于不動(dòng)狀態(tài)的為靜葉(又稱導(dǎo)葉)。汽輪機(jī)葉片，尤其是動(dòng)葉的工作條件是非常惡劣的，主要表現(xiàn)在：

（1）每一級(jí)葉片的工作溫度均不相同。第一級(jí)葉片所處的溫度最高，接近于進(jìn)口蒸汽溫度，隨著蒸汽逐漸作功，溫度逐漸降低，達(dá)到末級(jí)葉片時(shí)將降到100℃以下。

（2）葉片在運(yùn)動(dòng)著的蒸汽介質(zhì)中工作，主要是過熱蒸汽，末級(jí)葉片則是在潮濕蒸汽中工作，會(huì)造成材料的高溫氧化腐蝕。

（3）汽輪機(jī)工作過程中，動(dòng)葉片承受著靜應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力和交變應(yīng)力的作用。靜應(yīng)力主要是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)作用于葉片上的離心力所引起的拉應(yīng)力。此外，汽流的壓力作用還產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和扭力。葉片受激振力的作用會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)的頻率與葉片自振頻率相同引起共振時(shí)，振幅加大，交變應(yīng)力急劇增加，容易產(chǎn)生疲勞而導(dǎo)致斷裂。

總之，汽輪機(jī)葉片被是在溫度、介質(zhì)和應(yīng)力等復(fù)雜工況條件下長(zhǎng)期工作的。一臺(tái)汽輪機(jī)有幾千個(gè)葉片，只要有一個(gè)葉片被打斷就會(huì)造成事故。因此，對(duì)葉片材料提出了嚴(yán)格的要求：

①足夠的室溫和高溫機(jī)械性能；

②良好的減振性；

③高的組織穩(wěn)定性；

④良好的耐蝕性及抗沖蝕穩(wěn)定性；

⑤良好的冷、熱加工工藝性能。

2)汽輪機(jī)葉片材料

（1）鉻不銹鋼(1Cr13和2Cr13)。

1Cr13和2Cr13屬于Cr12%型馬氏體耐熱鋼，它們除了在室溫和工作溫度下具有足夠的強(qiáng)度外，還具有高的耐腐蝕性和減振性，是使用最廣泛的汽輪機(jī)葉片材料。1Cr13在汽輪機(jī)中用于前幾級(jí)動(dòng)葉片，2Cr13多用于后幾級(jí)動(dòng)葉片。1Cr13和2Cr13鋼的熱強(qiáng)性不高，當(dāng)溫度超過500℃時(shí)，熱強(qiáng)性明顯下降。lCr13鋼的最高工作溫度為480℃左右，2Cr13為450℃左右。

（2）強(qiáng)化型鉻不銹鋼。

在1Cr13和2Cr13基礎(chǔ)上加入錫、鎢、釩、鑰、硼等強(qiáng)化元素，得到Cr11MoV、Cr12WMoV、Cr12WMoNbVB、2Cr12WMoNbVB和1Cr11Ni2W2MoV等強(qiáng)化型鉻不銹鋼，它們的熱強(qiáng)性比1Cr13和2Cr13高，可在560～600℃下長(zhǎng)期工作。

（3）鉻－鎳不銹鋼。

在600℃溫度以上工作的葉片，應(yīng)選用鉻－鎳奧氏體不銹鋼或高溫合金Cr17Ni13W、Cr14Ni18W2NbBCe、Cr15Ni35W3Ti3A1B等。

2.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子

1)轉(zhuǎn)子的工作條件和對(duì)材料的要求

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子(主軸和葉輪組合部件)是汽輪機(jī)的心臟，其工作條件十分惡劣。高壓蒸汽噴射到工作葉片后，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩由葉輪傳到主軸。主軸不但承受扭矩和由自重引起的彎矩作用，而且因?yàn)橹鬏S較長(zhǎng)，蒸汽溫度自第一級(jí)至最末級(jí)葉輪是逐漸降低的，在軸的末端，溫度低于100℃，由于這樣不均勻的溫度分布，主軸還要承受溫度梯度造成的熱應(yīng)力?？傊?，主軸承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和熱應(yīng)力以及振動(dòng)產(chǎn)生的附加應(yīng)力和發(fā)電機(jī)短路時(shí)產(chǎn)生的巨大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力和沖擊載荷的共同作用。

葉輪是裝配在主軸上的，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，圓周線速度很大，在離心力作用下產(chǎn)生巨大的切向和徑向應(yīng)力，其中輪轂部分受力最大。對(duì)于大功率汽輪機(jī)的葉輪，在長(zhǎng)葉片的離心力作用下，輪轂部分的應(yīng)力可高達(dá)300MPa；葉輪的輪轂和輪緣之間存在溫度差(例如啟動(dòng)時(shí)輪緣升溫快)，因而造成熱應(yīng)力；此外，葉輪還要受到振動(dòng)應(yīng)力和輪緣與軸之間的壓縮應(yīng)力。為了防止疲勞損壞，由葉輪重量不平衡所產(chǎn)生的離心力不應(yīng)超過轉(zhuǎn)子重量的4%～5%，而動(dòng)平衡的振幅以不超過0.01～0.25mm為宜。

高參數(shù)大功率機(jī)組的轉(zhuǎn)子因在高溫蒸汽區(qū)工作，還要考慮到材料的蠕變、腐蝕、熱疲勞、持久強(qiáng)度、斷裂韌性等問題。

針對(duì)上述情況，對(duì)制造轉(zhuǎn)子的材料提出如下要求：

（1）良好的綜合機(jī)械性能，強(qiáng)度高，塑性、韌性要好。沿軸向和徑向的機(jī)械性能應(yīng)均勻一致。材料的缺口敏感性要小。

（2）一定的抗氧化、抗蒸汽腐蝕的能力。對(duì)于在高溫下運(yùn)行的葉輪和主軸，還要求高的蠕變極限和持久強(qiáng)度，以及足夠的組織穩(wěn)定性。

（3）不允許存在白點(diǎn)、內(nèi)裂、縮孔、大塊非金屬夾雜物或密集性細(xì)小夾雜物等缺陷。

（4）有良好的淬透性、可焊性等工藝性能，以免在制造過程中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和其他缺陷。

2)轉(zhuǎn)子用鋼

葉輪、主軸和轉(zhuǎn)子的材料是按不同的強(qiáng)度級(jí)別選用的，但它們都屬于中碳鋼和中碳合金鋼，只有制作焊接轉(zhuǎn)子時(shí)，為了保證材料的可焊性才適當(dāng)降低含碳量(例如選用17CrMo1V鋼)。在鋼中加入一定量的合金元素鉻、鎳、鉬、錳等，可提高鋼的淬透性，增加鋼的強(qiáng)度。其中鉬還可以減小鋼的回火脆性，鉻、鉬、鎢、釩等可提高鋼的熱強(qiáng)性。

34CrMo鋼采用正火(或淬火)加高溫回火處理，用作工作溫度480℃以下的汽輪機(jī)葉輪和主軸，它有較好的工藝性能和較高的熱強(qiáng)性，而且長(zhǎng)時(shí)期使用組織比較穩(wěn)定，無熱脆傾向，但工作溫度超過480℃時(shí)熱強(qiáng)性明顯降低。

35CrMoV鋼由于加入了釩，使鋼的室溫和高溫強(qiáng)度均超過34CrMo鋼，可用來制造要求較高強(qiáng)皮的鍛件，如用于工作溫度500～520℃以下的葉輪和2.5×104kW和5×104kW中壓汽輪機(jī)葉輪。

27Cr2MoV鋼含有較多的鉻、鉬，有較好的制造工藝性能和熱強(qiáng)性，可用來制造工作溫度在540℃以下的大型汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和葉輪。該鋼在500～550℃長(zhǎng)期工作仍具有良好的塑性，如在550℃，16000h，δ＝8.3%～8.8%，組織穩(wěn)定性較好。若用作整鍛轉(zhuǎn)子和葉輪，需經(jīng)兩次正火及去應(yīng)力退火處理，其加熱溫度分別為970～990℃空冷、930～950℃空冷、680～700℃爐冷。

34CrNi3Mo鋼是大截面高強(qiáng)度鋼，具有良好的綜合機(jī)械性能和工藝性能，無回火脆性，在450℃以下具有高的蠕變極限和持久強(qiáng)度，但該鋼白點(diǎn)敏感性大，需進(jìn)行防白點(diǎn)退火處理，可用于制造工作溫度400℃以下的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)整鍛轉(zhuǎn)子及葉輪。

33Cr3MoWV鋼是我國(guó)研制的無鎳大鍛件用鋼，主要用來代替34CrNi3Mo鋼?？捎脕碇圃旃ぷ鳒囟葹?50℃、厚度＜450mm、σs＝736MPa級(jí)的汽輪機(jī)葉輪，目前已在5×104kW以下的汽輪機(jī)中應(yīng)用，運(yùn)行情況良好。該鋼的優(yōu)點(diǎn)是淬透性高(輪轂厚度為450mm時(shí)，能保證葉輪各部分的機(jī)械性能均勻)，沒有回火脆性，白點(diǎn)敏感性和缺口敏感性都比34CrNi3Mo鋼小。

18CrMnMoB鋼是我國(guó)研制成功的一種無鎳少鉻大鍛件用鋼，淬透性良好，能保證500～800mm截面上強(qiáng)度均勻一致，高溫性能與34CrNi3Mo鋼相似，并具有高的疲勞強(qiáng)度和良好的工藝性能，現(xiàn)用于制造工作溫度450℃以下、輪轂厚度大于300mm的葉輪和直徑大于500mm的主軸、轉(zhuǎn)子等?？勺鳛?4CrNi3Mo的代用鋼。

20Cr3WMoV鋼是一種性能優(yōu)良的低合金耐熱鋼，用于工作溫度低于550℃的汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)整鍛轉(zhuǎn)子和葉輪等大鍛件。

3.汽輪機(jī)靜子

1)靜子的工作條件和對(duì)材料的要求

汽輪機(jī)靜子部件(汽缸、隔板、蒸汽室等)是在高溫、高壓或一定的溫差、壓力差作用下長(zhǎng)期工作的。汽缸是汽輪機(jī)的重要部件，通常分為上、下兩部分。汽缸工作時(shí)受到氣流的壓力，這種壓力在汽缸的前部最大，沿軸線向后逐漸降低，因此在汽缸壁上所受的力是變化的。同時(shí)，汽缸內(nèi)溫度場(chǎng)分布也比較復(fù)雜，例如汽缸前后存在著溫度梯度，在大功率高參數(shù)凝汽式汽輪機(jī)的中壓缸中，從蒸汽入口到出口的溫度差超過500℃，低壓缸則在真空條件下工作，承受外部空氣的壓力。

基于上述工作條件的分析，靜子部件在機(jī)組運(yùn)行時(shí)將承受蒸汽的內(nèi)壓力(汽缸末級(jí)承受外壓力)、轉(zhuǎn)子重量所引起的靜應(yīng)力、由于溫差所產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及由于變化的熱應(yīng)力所引起的熱疲勞作用。因此，對(duì)靜子材料提出以下要求：

（1）足夠高的室溫機(jī)械性能和較好的熱強(qiáng)性；

（2）具有一定的抗氧化性和抗腐蝕性能，良好的抗熱疲勞性能和組織穩(wěn)定性；

（3）具有盡可能好的鑄造性能和良好的焊接性能。

2)靜子零部件用鋼

由于汽缸、隔板、噴嘴室、閥殼等所處的溫度和應(yīng)力水平不同，因而，按其對(duì)材料性能的不同要求可選用灰口鑄鐵、高強(qiáng)度耐熱鑄鐵、碳鋼或低合金耐熱鋼。灰口鑄鐵多用于制造低中參數(shù)汽輪機(jī)的低壓缸和隔板。

對(duì)于工作溫度在425℃以下的某些汽輪機(jī)的汽缸、隔板、閥門等零件，可以用ZG25鋼制造，然后在900℃退火或900℃正火加650℃回火6～8h。鑄件在粗加工或補(bǔ)焊后應(yīng)在650～680℃退火6～8h。

對(duì)于工作溫度在500℃以下的汽缸、隔板、主蒸汽閥門等可采用ZG20CrMo鋼制造，鑄件在900℃正火，650～680℃回火，粗加工或補(bǔ)焊后要在650～680℃退火4～8h。

對(duì)于工作溫度在540℃以下的部件，一般采用ZG20Cr9MoV鋼制造，對(duì)于565℃以下工作的部件一般采用ZG15Cr1Mo1V鋼制造。例如我國(guó)的12.5×104kW高壓中間再熱雙缸雙排汽凝汽式汽輪機(jī)，其低壓缸采用鉻鉬合金鑄鐵，中壓排汽缸采用ZG25鋼，高、中壓外缸采用ZG20CrMo1V鋼，高中壓內(nèi)缸則采用ZG15CrMo1V鋼。

11.4汽車用材

11.4.1汽車用金屬材料

汽車主要結(jié)構(gòu)可分為以下四部分：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)。提供動(dòng)力，由缸體、缸蓋、活塞、連桿、曲軸及配氣、燃料供給、潤(rùn)滑、冷卻等系統(tǒng)組成。

(2)底盤。包括傳動(dòng)系(離合器、變速箱、后橋等)、行駛系(車架、車輪等)、轉(zhuǎn)向系(方向盤、轉(zhuǎn)向蝸桿等)和制動(dòng)系(油泵或氣泵、剎車片等)。

(3)車身。駕駛室、貨廂等。

(4)電氣設(shè)備。電源、啟動(dòng)、點(diǎn)火、照明、信號(hào)、控制等。

圖11－2汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系示意圖

表11－4汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件用材概況

表11－5汽車底盤零件用材概況

1.缸體和缸蓋

缸體是發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架和外殼，在缸體內(nèi)外安裝著發(fā)動(dòng)機(jī)主要的零部件。缸體在工作中承受氣壓力的拉伸和氣壓力與慣性力聯(lián)合作用下的傾覆力矩的扭轉(zhuǎn)和彎曲以及螺栓預(yù)緊力的綜合作用。在這些大小、方向變化的力和力矩作用下，使機(jī)體產(chǎn)生橫向和縱向的變形，變形超過許用值時(shí)將影響與機(jī)座相聯(lián)零部件的可靠性和工作能力，尤其是活塞、連杠和曲軸等零件的工作可靠性和耐磨性會(huì)受到嚴(yán)重影響，并導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此缸體材料必須滿足下列要求：

(1)有足夠的強(qiáng)度和剛度。特別是要有足夠的剛度，以減小變形，保證尺寸的穩(wěn)定性。

(2)良好的鑄造性和切削性。

(3)價(jià)格低廉。

缸體常用的材料有灰口鑄鐵和鋁合金兩種。鋁合金的密度小，但剛度差、強(qiáng)度低及價(jià)格貴。所以除了某些發(fā)動(dòng)機(jī)為減輕重量而采用外，一般均用灰口鑄鐵作為缸體材料。

灰口鑄鐵在汽車上應(yīng)用較為廣泛，還可用以制造飛輪、飛輪殼、變速箱殼及蓋、離合器殼及壓板、進(jìn)排氣支管、制動(dòng)鼓以及液壓制動(dòng)總泵和分泵的缸體等。

缸蓋主要用來封閉氣缸構(gòu)成的燃燒室。缸蓋承受燃?xì)獾母邷?、高壓作用，機(jī)械負(fù)荷(如氣壓力使缸蓋承受彎曲，缸蓋螺栓的預(yù)緊力等)和熱負(fù)荷的作用。由于溫度高、形狀復(fù)雜、受熱不均勻使缸蓋上的熱應(yīng)力很大，嚴(yán)重時(shí)可造成缸蓋變形甚至出現(xiàn)裂紋。

根據(jù)上述工作條件，缸蓋應(yīng)用導(dǎo)熱性好、高溫機(jī)械強(qiáng)度高、能承受反復(fù)熱應(yīng)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：一種是灰鑄鐵或合金鑄鐵；另一種是鋁合金。

鑄鐵缸蓋具有高溫強(qiáng)度高、鑄造性能好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但其導(dǎo)熱性差、重量大。鋁合金缸蓋的主要優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性好、重量輕，但其高溫強(qiáng)度低，使用中容易變形、成本較高。

2.缸套

發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)是在氣缸內(nèi)完成的。氣缸內(nèi)與活塞接觸的內(nèi)壁面，由于直接承受燃?xì)獾臎_刷，并與活塞存在著具有一定壓力的高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使氣缸內(nèi)壁受到強(qiáng)烈的摩擦，從而造成磨損。氣缸內(nèi)壁的過量磨損是造成發(fā)動(dòng)機(jī)大修的主要原因之一，根據(jù)氣缸內(nèi)壁工作條件的這一特殊性應(yīng)選用相應(yīng)的材料，即缸體用普通鑄鐵或鋁合金，而氣缸工作面則用耐磨材料，制成缸套鑲?cè)霘飧住?/p>

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、噴鍍金屬鉬或其他耐磨合金等辦法對(duì)缸套進(jìn)行表面處理。

3.活塞、活塞銷和活塞環(huán)

活塞、活塞銷和活塞環(huán)等零件組成活塞組，與氣缸、氣缸蓋配合形成一個(gè)容積變化的密閉空間，以完成內(nèi)燃機(jī)的工作過程；同時(shí)，它還承受燃?xì)庾饔昧Σ⑼ㄟ^連桿把力傳給曲軸輸出。

活塞組在工作中受周期性變化的高溫、高壓燃?xì)?溫度最高可達(dá)2000℃，壓力最高可達(dá)13～15MPa)作用，并在氣缸內(nèi)作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)(平均速度一般為9～13m/s)，產(chǎn)生很大的慣性載荷?；钊趥髁o連桿時(shí)，還承受著交變的側(cè)壓力，工作條件十分苛刻?；钊M最常見的失效方式有磨損、變形和斷裂。

對(duì)活塞用材料的要求是熱強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、吸熱性差、膨脹系數(shù)小、密度小，減摩性、耐磨性、耐蝕性和工藝性好等。目前很難找到一種材料能完全滿足上述要求。常用的活塞材料是鋁硅合金。鋁合金的特點(diǎn)是導(dǎo)熱性好、密度小，硅的作用是使膨脹系數(shù)減小，耐磨性、耐蝕性、硬度、剛度和強(qiáng)度提高。鋁硅合金活塞需進(jìn)行固溶處理及人工時(shí)效處理，以提高表面硬度。

由上述活塞組的工作條件可知，經(jīng)活塞銷傳遞的力高達(dá)數(shù)萬牛頓，且承受的載荷是交變的。這就要求活塞銷材料應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度以及足夠的承壓面積和耐磨性，還要求外硬內(nèi)韌，表面耐磨，同時(shí)具有較高的疲勞強(qiáng)度和沖擊韌性。

活塞銷材料一般用20低碳鋼或20Cr、18CrMnTi等低碳合金鋼?；钊N外表面應(yīng)進(jìn)行滲碳或氰化處理，以滿足外表面硬而耐磨，材料內(nèi)部韌而耐沖擊的要求?；钊N的冷擠壓成型也是提高其強(qiáng)度的有效手段，約可提高25%的強(qiáng)度，且省工、省料。

活塞環(huán)材料應(yīng)具有耐磨性好、易磨合、韌性好(變形時(shí)不易折斷)以及良好的耐熱性、導(dǎo)熱性和易加工性等性能特點(diǎn)。目前一般多用以珠光體為基的灰鑄鐵或在灰鑄鐵基礎(chǔ)上添加一定量的銅、鉻、鉬及鎢等合金元素的合金鑄鐵，也有的采用球墨鑄鐵或可鍛鑄鐵。為了改善活塞環(huán)的工作性能，活塞環(huán)需經(jīng)表面處理。目前應(yīng)用最廣泛的是鍍多孔性鉻，可使環(huán)的耐久性提高2～3倍。其他表面處理的方法還有噴鉬、磷化、氧化、涂敷合成樹脂等。

4.連桿

連桿是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要零件，它連接著活塞和曲軸，其作用是將活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榍S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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?xì)猱a(chǎn)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(gè)很復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下工作。它既受交變的拉壓應(yīng)力，又受彎曲應(yīng)力。連桿的主要損壞形式是疲勞斷裂和過量變形。通常疲勞斷裂的部位是在連桿上的三個(gè)高應(yīng)力區(qū)域(圖11－3)。連桿的工作條件要求連桿具有較高的強(qiáng)度和抗疲勞性能；又要求具有足夠的剛性和韌性。

圖11－3連桿上的三個(gè)高應(yīng)力區(qū)域連桿材料一般采用45鋼、40Cr或40MnB等調(diào)質(zhì)鋼。合金鋼雖具有很高強(qiáng)度，但對(duì)應(yīng)力集中很敏感。所以，在連桿外形、過渡圓角等方面需嚴(yán)格要求，還應(yīng)注意表面加工質(zhì)量以提高疲勞強(qiáng)度，否則高強(qiáng)度合金鋼的應(yīng)用并不能達(dá)到預(yù)期效果。

5.氣門

氣門的主要作用是開或閉進(jìn)、排氣道。對(duì)氣門的主要要求是保證燃燒室的氣密性。

氣門在工作時(shí)，需要承受較高的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，尤其是排氣門工作溫度高達(dá)650～850℃。另外，氣門頭部還承受氣壓力及落座時(shí)因慣性力而產(chǎn)生的相當(dāng)大的沖擊。氣門經(jīng)常出現(xiàn)的故障有：氣門座扭曲、氣門頭部變形、氣門座面積炭時(shí)引起燃燒廢氣對(duì)氣門座面強(qiáng)烈地?zé)g。

氣門材料應(yīng)選用耐熱、耐蝕、耐磨的材料。進(jìn)、排氣門工作條件不同，材料的選擇也不同。進(jìn)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制造，采用4Cr10Si2Mo作為氣門材料時(shí)工作溫度可達(dá)550～650℃，采用4Cr14Ni14W2Mo作為氣門材料時(shí)，工作溫度可達(dá)650～900℃。

6.半軸

汽車半軸是驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)零件，也是汽車后橋中的重要受力部件。汽車運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的扭矩經(jīng)過變速器、差速器和減速器傳遞給半軸，再由半軸傳給車輪，推動(dòng)汽車行駛。

半軸在工作時(shí)主要承受扭轉(zhuǎn)力矩和交變彎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(xiàn)象也不時(shí)發(fā)生。載重汽車半軸最容易損壞的部位是在軸的桿部和凸線的連接處、花鍵端以及花鍵與桿部相連的部位(圖11－4)。在這些部位發(fā)生損壞時(shí)，一般為疲勞斷裂。

圖11－4半軸易損壞部位示意圖

根據(jù)半軸的工作條件，要求半軸材料具有高的抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和較好的韌性。汽車半軸是要求綜合機(jī)械性能較高的零件，通常選用調(diào)質(zhì)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。半軸加工中常采用噴丸處理及滾壓凸輪根部圓角等強(qiáng)化方法。

7.車身、縱梁、擋板等冷沖壓零件

在汽車零件中，冷沖壓零件種類繁多，約占總零件數(shù)的50%～60%。汽車?yán)錄_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。

熱軋鋼板主要用來制造一些承受一定載荷的結(jié)構(gòu)件，如保險(xiǎn)杠、剎車盤、縱梁等。這些零件不僅要求鋼板具有一定剛度、強(qiáng)度，而且還要具有良好的沖壓成型性能。

冷軋鋼板主要用來制造一些形狀復(fù)雜，受力不大的機(jī)器外殼、駕駛室、轎車的車身等覆蓋零件。這些零件對(duì)鋼板的強(qiáng)度要求不高，但卻要求它具有優(yōu)良的表面質(zhì)量和良好的沖壓性能，以保證高的成品合格率。

近年開發(fā)的加工性能良好、強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度)高的薄鋼板——高強(qiáng)度板，由于其可降低汽車自重、提高燃油經(jīng)濟(jì)性而在汽車上獲得應(yīng)用，如已用于制造車身外面板(包括車頂、前臉、后圍、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車門、行李廂等)、車身內(nèi)蒙板、保險(xiǎn)杠、橫梁、邊梁、支架、發(fā)動(dòng)機(jī)框架等。

8.螺栓、鉚釘?shù)壤溏吜慵?/p>

汽車結(jié)構(gòu)中的螺栓和鉚釘?shù)壤溏吜悴考饕疬B接、緊固、定位以及密封汽車各零部件的作用。

在汽車行駛過程中，由于螺栓連接的零部件不同，而這些零部件所受的載荷各不相同，故不同螺栓的應(yīng)力狀態(tài)也不相同。有的承受彎曲或剪切應(yīng)力；有的承受反復(fù)交變的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力；也有的承受沖擊載荷；或同時(shí)承受上述幾種載荷。此外，由于螺栓的結(jié)構(gòu)及其所傳遞的載荷的特性，螺栓具有很高的應(yīng)力集中。因此，應(yīng)根據(jù)螺栓的受力狀態(tài)合理地選用。汽車螺栓、鉚釘用材及熱處理工藝見表11－6。

表11－6螺栓、鉚釘熱處理工藝及其技術(shù)要求

11.4.2汽車用塑料

1.汽車內(nèi)飾用塑料

用于汽車內(nèi)飾件的材料，要求其具備吸振性好、手感好、耐用性好的特點(diǎn)，以滿足安全、舒適、美觀的目的。在20世紀(jì)80年代,塑料已是汽車的主要內(nèi)飾材料。內(nèi)飾用主要塑料品種為聚氨脂(PU)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)和ABS等。內(nèi)飾塑料制品主要有：坐墊、儀表板、扶手、頭枕、門內(nèi)襯板、頂棚襯里、地毯、控制箱、轉(zhuǎn)向盤等。

1)聚氨酯泡沫塑料

聚氨配泡沫塑料具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐油、耐寒、防振和隔音等特點(diǎn)，已成為汽車的一種主要內(nèi)飾材料。聚氨酯泡沫塑料在汽車上一般用于制造汽車坐墊、汽車儀表板、扶手、頭枕等。其緩沖材料大部分都使用半硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料制品。

2)聚氨酯塑料

聚氨酯除了用作泡沫塑料外，還可以采用不同配方制成熱塑性聚氨酯塑料。主要用于制造汽車保險(xiǎn)杠、儀表板、擋泥板、前端部、發(fā)動(dòng)機(jī)罩等大型部件。

3)聚氯乙烯

聚氯乙烯在汽車上的用量約占汽車用塑料總量的20%～30%，主要用于制造各種表皮材料和電線包皮。如聚氯乙烯人造革用于汽車坐墊、車門內(nèi)板及其他裝飾覆蓋件上，聚氯乙烯地毯用于貨車駕駛室等。

2.汽車用工程塑料

工程塑料在汽車上主要用作結(jié)構(gòu)件，要求塑料具有足夠的溫度——強(qiáng)度特性和溫度－蠕變特性以及尺寸穩(wěn)定性。工程塑料是能夠滿足這些技術(shù)要求的。汽車上常用的工程塑料有聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、ABS、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、酚醛樹脂等。

1)聚丙烯

一輛汽車的聚丙烯零件可達(dá)70多種，主要用于通風(fēng)采暖系，發(fā)動(dòng)機(jī)的某些配件以及外裝件，如汽車轉(zhuǎn)向盤、儀表板、前、后保險(xiǎn)杠、加速踏板、蓄電池殼、空氣濾清器、冷卻風(fēng)扇、風(fēng)扇護(hù)罩、散熱器格柵、轉(zhuǎn)向機(jī)套管、分電器蓋、燈殼、電線覆皮等。

2)聚乙烯

在汽車上，聚乙烯可用于制造汽油箱、擋泥板、轉(zhuǎn)向盤、各種液體儲(chǔ)罐以及襯板。聚乙烯在汽車上最重要的用途是用于制造汽油箱，較金屬油箱，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：聚乙烯油箱長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好；沖撞時(shí)不發(fā)生火花，因此不會(huì)發(fā)生燃燒爆炸；設(shè)計(jì)自由度大，可充分利用空間；質(zhì)量輕，較金屬油箱可減輕質(zhì)量1/3～1/2；耐腐蝕性好；成型工藝簡(jiǎn)單，價(jià)廉。

3)聚苯乙烯

聚苯乙烯在汽車上主要用作各種儀表外殼、燈罩及電器零件。

4)ABS

根據(jù)使用性能的要求，通過改變ABS中三個(gè)單體組份的變化，以及引入第四組分等方式，可獲得許多新品種，如一般用品種、電鍍用品種、耐熱品種、透明品種等。可以說，在熱塑性塑料中ABS的品種牌號(hào)最多。

ABS具有良好的機(jī)械性能，剛性好，耐寒性強(qiáng)，加工性能好，表面光潔，制品表面可以電鍍。

ABS材料在汽車上的應(yīng)用情況見表11－7。

表11－7

ABS材料類型及其在汽車上應(yīng)用實(shí)例

5)聚酰胺(尼龍)

尼龍可用于制造燃油濾清器、空氣濾清器、機(jī)油濾清器、正時(shí)齒輪、水泵殼、水泵葉輪、風(fēng)扇、制動(dòng)液避、動(dòng)力轉(zhuǎn)向液避、雨刷器齒輪、前大燈殼、百葉窗、軸承保持架、保險(xiǎn)絲盒、速度表齒輪等。以后發(fā)展的還有玻璃纖維增強(qiáng)尼龍制造的發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂罩、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油盤、散熱器水箱、蓄電池托架等。尼龍11和尼龍12可制造曲軸箱通風(fēng)軟管、制動(dòng)軟管、冷卻液軟管、離合器液壓軟管、燃油軟管等。

6)聚甲醛(POM)

用POM制造的汽車零件很多。主要有各種閥門，如排水閥門、空調(diào)器閥門；各種葉輪，如水泵葉輪、暖風(fēng)器葉輪、油泵葉輪；軸套及襯套如行星齒輪和半軸墊片、鋼板彈簧吊耳襯套；軸承保持架等機(jī)能結(jié)構(gòu)件；各種電器開關(guān)及電器儀表上的小齒輪;各種手柄及門銷等。在20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的聚甲醛－塑料鋼背復(fù)合材料軸承GS－2（相當(dāng)于國(guó)外DX軸承)，作為預(yù)潤(rùn)滑材料，在汽車上用作滑動(dòng)軸承材料。

7)飽和聚酯

汽車上常用的飽和聚酯有PBT(對(duì)苯二甲酸丁二醇酯)和PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)。PBT與PET耐熱性較好，吸水率很小、耐老化性優(yōu)良。用玻璃纖維增強(qiáng)的PBT與PET可與尼龍、POM、酚醛塑料相競(jìng)爭(zhēng)。

用PBT制造的汽車零件主要有：后窗通風(fēng)格柵、車尾板通風(fēng)格柵、前擋泥板延伸部分、燈座、車牌支架等車身部件，分電器蓋、點(diǎn)火線圈架、開關(guān)、插座等電器零件，冷卻風(fēng)扇、雨刷器桿、油泵葉輪和殼體、鏡架、各種手柄等機(jī)能結(jié)構(gòu)件。

3.汽車外裝及結(jié)構(gòu)件用纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料

纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料統(tǒng)稱為FRP，是一種纖維和塑料復(fù)合而成的材料。增強(qiáng)用的纖維為玻璃纖維、碳纖維和高強(qiáng)度合成纖維。母體樹脂根據(jù)使用要求，可用環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯等。汽車上常用的是玻璃纖維和熱固性樹脂的復(fù)合材料。

FRP作為汽車用材料具有材質(zhì)輕、設(shè)計(jì)靈活、便于一體成型、耐腐蝕、耐化學(xué)藥品、耐沖擊、著色方便等優(yōu)點(diǎn)，但這種材料用于大批量汽車生產(chǎn)時(shí)，與金屬材料比較還存在著生產(chǎn)效率低、可靠性差、耐熱性差、表面加工性差、材料回收困難等方面的問題。

FRP材料可用于制造汽車頂棚、空氣導(dǎo)流板、前端部、前燈殼、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、擋泥板、后端板、三角窗框、尾板等外裝件。用碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料制成的汽車零件，還有傳動(dòng)軸、懸掛彈簧、保險(xiǎn)杠、車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)、制動(dòng)鼓、車門、座椅骨架、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、格柵、車架等。

11.4.3汽車用橡膠

橡膠具有很好的彈性，是汽車用的一種重要材料。一輛轎車的橡膠件約占轎車整備質(zhì)量的4%～5%。輪胎是汽車的主要橡膠件，此外還有各種橡膠軟管、密封件、減震墊等約300件。

輪胎的主要材料有生膠(包括天然橡膠、合成橡膠、再生膠)、骨架材料即纖維材料(包括棉纖維、人造絲、尼龍、聚醋、玻璃纖維、鋼絲等)以及炭黑等。

生膠是輪胎最重要的原材料，輪胎用的生膠約占輪胎全部原材料質(zhì)量的50%。目前，轎車輪胎以合成橡膠為主，而載重輪胎以天然橡膠為主。

天然橡膠在許多性能方面優(yōu)于通用型合成橡膠，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、彈性高，生熱和滯后損失小，耐撕裂，以及有良好的工藝性、內(nèi)聚性和粘著性。用它制成的輪胎耐刺扎，特別對(duì)使用條件苛刻的輪胎，其胎面上層膠大多完全采用天然橡膠。

丁苯橡膠主要用于轎車輪胎，以提高輪胎的抗?jié)窕裕ＷC行車安全。

順丁橡膠一般都與天然橡膠或丁苯橡膠并用。隨著順丁橡膠摻用量的增加，耐磨性提高，生熱降低，但抗撕裂和抗?jié)窕詤s隨之降低，為了保證行車安全，它的摻用量不宜太高。丁基橡膠是一種特種合成橡膠。具有優(yōu)良的氣密性和耐老化性。用它制造的內(nèi)胎，氣密性比天然橡膠內(nèi)胎好。由于氣密性好，使用中不必經(jīng)常充氣，輪胎使用壽命相應(yīng)提高。它又是無內(nèi)胎輪胎密封層的最好材料。

11.4.4汽車用陶瓷材料

陶瓷材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及在電導(dǎo)與介電方面的特殊性能。利用陶瓷材料制作某些汽車部件，可改善汽車部件的運(yùn)行特性，達(dá)到汽車輕量化的效果，因而得到一定程度的應(yīng)用。這里主要介紹陶瓷材料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件上應(yīng)用的情況。

表11－8示出日本、美國(guó)絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)上采用工程陶瓷的情況。日野汽車公司在重型載貨汽車用柴油機(jī)(排量1.5L)的基礎(chǔ)上開發(fā)了陶瓷復(fù)合發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。該發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套、活塞等燃燒室件中有40%左右是陶瓷件。同時(shí)裝用了排氣再利用系統(tǒng)，使功率提高10%，燃料消耗率降低30%。

表11－8日本、美國(guó)絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)上采用的工程陶瓷

日本五十鈴發(fā)動(dòng)機(jī)廠研制的陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)，采用Si3N4制造氣閥頭、活塞頂、氣缸套、歧管、蝸輪增壓器葉片、轉(zhuǎn)子、軸承等，能經(jīng)受1200℃的高溫，因取消了散熱器和冷卻裝置，其熱效率提高48%。

美國(guó)通用汽車公司在其所制成的2.3L柴油機(jī)上，采用陶瓷缸套、氣門頭、燃燒室、排氣門通道、汽缸蓋、活塞頂以及用陶瓷涂鍍的氣門搖臂、氣門挺桿、氣門導(dǎo)管和滑動(dòng)軸承，并已裝在轎車上作了20290km路試；用Si3N4陶瓷制造的蝸輪葉輪(如圖11－5所示)，其熱膨脹系數(shù)是金屬的1/3，利用這一特點(diǎn)，采用熱壓和釬焊相結(jié)合的方法把陶瓷葉輪和金屬軸連接起來，使陶瓷葉輪的慣性力矩比金屬葉輪減少了1/3，使蝸輪增壓器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性提高36%。

圖11－5陶瓷蝸輪葉輪

此外，為了有效地利用陶瓷的耐磨性，開發(fā)了陶瓷凸輪軸和陶瓷搖臂鑲塊。陶瓷凸輪軸的滑動(dòng)部位采用ZrO或SiC，其他部位用金屬管制成。陶瓷部位與金屬部位的結(jié)合采用硬釬焊和擴(kuò)散法。凸輪接觸面部位融接陶瓷片的鋁搖臂，大大提高了搖臂壽命。

陶瓷片是用微米級(jí)的Si3N4粉末在1500℃的高溫下燒結(jié)而成的。長(zhǎng)20mm，寬20mm，厚5mm的帶筋陶瓷片，其筋條插進(jìn)搖臂中。其澆注工藝是把陶瓷片放在搖臂鑄型中，然后澆入600℃鋁溶液，利用鋁的冷縮性固緊鑲片(圖11－6)。

圖11－6陶瓷搖臂鑲塊

11.5航空航天器用材

11.5.1中碳調(diào)質(zhì)鋼

中碳調(diào)質(zhì)鋼是重要的航空航天材料。其特點(diǎn)是高的比強(qiáng)度和高硬度。當(dāng)要求σ0.2高達(dá)880～1176MPa以上時(shí)，必須將碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到0.25%～0.45%，所以淬透性很大，焊接性較差。這類鋼的純度對(duì)焊接性影響很大，當(dāng)鋼材熱處理到很高強(qiáng)度水平時(shí)(如作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼，強(qiáng)度約1380MPa)，鋼材與焊絲都必須采用真空熔煉，以提高純度。中碳調(diào)質(zhì)鋼中可以作為航空航天材料的有如下三個(gè)系列鋼種。

1.Cr－Mn－Si鋼

30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA鋼都屬于Cr－Mn－Si鋼系列。30CrMnSiA是Cr－Mn－Si鋼中最典型的鋼種，調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的組織是回火索氏體，在300～450℃內(nèi)出現(xiàn)第一類回火脆性，回火時(shí)必須避開該溫度范圍，還具有第二類回火脆性，高溫回火時(shí)必須快冷，否則沖擊韌度會(huì)顯著下降。該鋼除了在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下應(yīng)用外，為了提高鋼的強(qiáng)度，減輕結(jié)構(gòu)重量，有時(shí)需采用200～250℃的低溫回火，在損失一定韌性的情況下得到具有很高強(qiáng)度的低溫回火馬氏體組織(σb為1666～1715MPa)。當(dāng)截面小于25mm時(shí)可采用等溫淬火來處理，以便得到下貝氏體，此時(shí)材料的強(qiáng)度與塑性、韌性得到了良好的配合。該鋼由于不含貴重的鎳，故在我國(guó)飛機(jī)制造中應(yīng)用廣泛。30CrMnSiNi2A由于增加了鎳，大大提高了鋼的淬透性，因此與30CrMnSiA相比，調(diào)質(zhì)后鋼的強(qiáng)度有了較大的提高，并保持了良好的韌性，但其焊接性變差。40CrMnSiMoVA是屬于一種較新的低Cr無Ni中碳調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，其中加入了淬透性強(qiáng)的Mo，與30CrMnSiNi2A相比，因含碳量高且不合鎳，焊接性要差一些，可用來代替30CrMnSiNi2A制造飛機(jī)上的一些構(gòu)件。

2.Cr－Ni－Co鋼

40CrNiMoA、D6AC(0.45C－5Cr－0.55Ni－1.0Mo－0.075V)及34CrNi3MoA都屬于Cr－Ni－Mo系統(tǒng)的調(diào)質(zhì)鋼，由于加入了Ni和Mo，顯著提高了淬透性和抗回火軟化的能力，對(duì)改善鋼的韌性也有益處，使鋼具有良好的綜合性能，如強(qiáng)度高、韌性好、淬透性大等優(yōu)點(diǎn)。主要用于高負(fù)荷、大截面的軸類以及承受沖擊載荷的構(gòu)件，如噴氣渦輪機(jī)軸、噴氣式客機(jī)的起落架及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等。

3.超高強(qiáng)度鋼

H－11(0.35C－5Cr－1.5Mo－1.0Si－0.4V)經(jīng)980～1040℃空淬、540℃回火后，由于特殊碳化物的彌散析出，其強(qiáng)度可達(dá)1960MPa，并且具有較高的耐熱性。為了保證鋼材的韌性，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該鋼的S、P質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不大于0.01%，且應(yīng)采取嚴(yán)格的真空冶煉和熱處理制度。該鋼可用作超音速噴氣機(jī)機(jī)體材料。

11.5.2高合金耐熱鋼

高合金耐熱鋼可分為馬氏體型、鐵素體型、奧氏體型、彌散硬化型四種類型，按合金系統(tǒng)，可分為Ni－Cr型和Ni型。為提高鋼的抗氧化性、熱強(qiáng)性和改善其工藝性，還可在這兩種基本合金系統(tǒng)中加入Ti、Nb、A1、W、Mo等元素。高合金耐熱鋼最主要的特性是600℃溫度以上具有較高的力學(xué)性能和抗氧化性。典型鋼種有1Cr13(馬氏體型)、2Cr25N(鐵素體型)、0Cr25Ni20(奧氏體型)、0Cr12Ni20Ti3A1B(彌散硬化型)等，用于制造蝸輪泵及火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和其他零件。

11.5.3高溫合金

高溫合金是指高溫下有較高力學(xué)性能，抗氧化和抗腐蝕性能的合金。這類合金按基體成分可以分為鎳基、鐵基、鈷基(我國(guó)應(yīng)用較少)。在航空航天工業(yè)中常用的鎳基高溫合金為TD－Ni、TD－NiCr和鑄造鎳基合金。TD－Ni、TD－NiCr是在鎳或鎳－20%鉻基體中加入2%左右的彌散分布的氧化釷(ThO2)顆粒，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化效果的高溫合金。由于氧化釷在高溫下不易聚集長(zhǎng)大，不溶于基體，同時(shí)合金的熔點(diǎn)高，晶粒極細(xì)小，故在1000～200℃下仍有較高的強(qiáng)度，抗疲勞性能高，缺口敏感性小，室溫塑性較好，可軋成棒和板材。但其抗氧化性和耐腐蝕性低，須涂層保護(hù)，中溫強(qiáng)度低，不能熔化焊。主要用于制造燃?xì)馕佪啺l(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室等高溫工作構(gòu)件和航天飛機(jī)的隔熱材料。

鑄造鎳基合金是在鎳的基體加入Cr、Co、W、Mo、Ti等合金元素的鑄造合金，如

K403(Ni－11Cr－5.25Co－4.65W－4.3Mo－5.6Al)。它主要用于制造蝸輪工作葉片和導(dǎo)向器葉片。鐵基高溫合金是含鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%，含鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于20%，含鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于12%，再添加W、Mo、Al、Ti、Nb等合金元素的高溫合金，如GH2018(Fe－42Ni－19.5Cr－2.0W－4.0Mo－0.55Al－2.0Ti)[JP]在中溫下具有較高的熱強(qiáng)性，良好的抗氧化和抗腐蝕性，在固溶和退火狀態(tài)下工藝塑性和焊接性良好，主要用于制造在500～700℃下承受較大應(yīng)力的構(gòu)件，如機(jī)匣、燃燒室外套等。

11.5.4鎳基耐蝕合金

鎳與鎳基耐蝕合金是航空航天工業(yè)中耐高溫、高壓、高濃度或混有不純物等各種苛刻腐蝕環(huán)境的比較理想的金屬結(jié)構(gòu)材料。鎳200和鎳201均為商業(yè)純的鍛造鎳，力學(xué)性能良好，尤其韌、塑性優(yōu)良，能適應(yīng)多種腐蝕環(huán)境，鎳201含碳量低，高于300℃時(shí)耐蝕性比鎳200好，二者皆可用來制造航天器及導(dǎo)彈元件。在Ni中加入Cr、Mo、Cu、W等耐蝕元素，可獲得大量耐蝕性優(yōu)異的鎳基耐蝕合金。其中多種合金已經(jīng)用于航空航天工業(yè)，如MonelK－500(Ni－29.5Cu)，強(qiáng)度與硬度較高，Inconel718(Ni－19Cr－18.5Fe－5.1Nb－3Mo－0.9Ti)，在-250～705℃內(nèi)均具有優(yōu)良的力學(xué)性能。兩者都是沉淀強(qiáng)化型合金，用于制造泵軸、蝸輪等航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。

11.5.5鋁及其合金

1.形變鋁合金

防銹鋁合金LF5、LF11用于焊接油箱、油管，制造鉚釘和中載零件制品。LF21用于焊接油箱、油管，制造鉚釘及輕載零件和制品。硬鋁合金LY1可制造工作溫度不超過100℃的結(jié)構(gòu)用中等強(qiáng)度鉚釘。LY11用于制造骨架、模鍛的固定接頭、支柱、螺旋槳葉片、局部墩粗的零件、螺栓和鉚釘?shù)戎械葟?qiáng)度的結(jié)構(gòu)零件。LY12適宜制造飛機(jī)的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)零件，如骨架、蒙皮、隔框、肋、梁、鉚釘?shù)?50℃以下工作的零件。超硬鋁合金LC4、LC6適宜制造飛機(jī)大梁、桁架、加強(qiáng)框、蒙皮接頭及起落架等結(jié)構(gòu)中的主要受力件。鍛鋁合金LD5，適宜制造形狀復(fù)雜、中等強(qiáng)度的鍛件和模鍛件。LD7適合制造高溫下工作的復(fù)雜鍛件，板材可做高溫下工作的結(jié)構(gòu)件。LD10用于制造承受重載荷的鍛件和模鍛件。

2.鑄造鋁合金

鑄造鋁硅合金ZL101，耐蝕性、機(jī)械性能和鑄造工藝性能良好，變質(zhì)和不變質(zhì)處理的鑄件均可使用，淬火后可自然時(shí)效，易氣焊?？捎糜谛螤顝?fù)雜的砂型、金屬型和壓力鑄造零件，如飛機(jī)零件、殼體、工作溫度不超過185℃的氣化器。ZL104，鑄造工藝性良好，耐蝕性尚可，強(qiáng)度高，焊接性和切削加工性尚可，鑄造工藝復(fù)雜，易生成氣孔，可用砂型、金屬型和壓力鑄造形狀復(fù)雜、在200℃以下工作的零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、氣缸體等。ZL109，強(qiáng)度高，耐磨性好，產(chǎn)生縮孔傾向較小，氣密性較高，切削加工性差，可熱處理強(qiáng)化。用于制造較高溫度下工作的零件，如活塞等。鑄造鋁銅合金ZL201，鑄造性不好，有形成熱裂紋和疏松的傾向，氣密性較差，耐蝕性低，焊接性和切削加工性良好，可熱處理強(qiáng)化，用于砂型鑄造在175～300℃下工作的零件，如活塞、支臂、掛架梁等。鑄造鋁鎂合金ZL301，強(qiáng)度高，耐蝕性好、切削加工性好，焊接性尚可，在熔融狀態(tài)下易氧化，鑄造性差易形成顯微疏松，氣密性低，用于砂型鑄造在大氣中工作的零件，承受大振動(dòng)載荷，工作溫度不超過150℃的零件。鑄造鋁鋅合金ZL401，鑄造性良好，縮孔和熱裂紋傾向小，鑄態(tài)下可自然時(shí)效，焊接性良好，切削加工性良好，耐蝕性能低，比重較