典型零件的选材及热处理资料讲解
机械零件的选材及热处理工艺
第十章机械零件的选材及热处理工艺【重点内容】1.选材的原则及方法；2.典型零件的选材及工艺路线制定；【本章难点】选材的原则及工艺过程的分析。
【基本要求】1.熟悉选材过程；2.正确分析各热处理工序的作用；在机械零件的设计与制造过程中，如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。
因为设计时不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且还要求材料具有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗等。
【选材的一般原则】1．材料的机械性能：在设计零件并进行选材时，应根据零件的工作条件和损坏形式找出所选材料主要机械性能指标，查手册找出适合其性能要求的材料，这是保证零件经久耐用的先决条件。
如：一些轴类零件，工作条件（受力情况）是交变弯曲应力，扭转应力，冲击负荷、磨损。
主要损坏形式是疲劳破析、过度磨损，要求的主要机械性能指标是屈服强度σ0.2，疲劳强度σ-1，硬度（HRC）。
因此，这些机械性能指标经常成为材料选用的主要依据。
而且同时还应考虑到短时过载、润滑浪、材料内部缺陷等因素的影响。
在工程设计上，材料的机械性能数据一般是以该材料制成的试样进行机械性能试验测得的，它虽能表明材料性能的高低，但由于试验条件与机械零件实际工作条件有差异，即使这样，目前用此法来进行生产检验还是存在着一定的困难。
生产中最常用的比较方便的检验性能的方法是检验硬度，因为硬度的检验可以不破坏零件，而且硬度与其它机械性能之间存在一定关系。
因此零件图纸上一般以硬度作为主要的热处理技术条件。
如：σb与HB关系低碳钢σb =3.6HB 高碳钢σb=3.4HB合金调压钢σb =0.33HB 铸铁σb=640HBσ0.2与σb关系普通碳素钢σ0.2≈(0.5~0.55) δb优质碳素钢σ0.2≈0.6δb普通低合金钢σ0.2≈(0.65~0.75) δb合金结构钢σ0.2≈0.7δbσ-1与σb关系钢(HRC＜40) σ-1≈(0.49±0.13) δb铸铁σ-1≈(0.3~0.5) δb有色金属σ-1≈(0.3~0.4) δb2. 材料的工艺性能：现代工业所有的机器设备，大部分是由金属零件装配而成的，所以金属零件的加工是制造机器的重要步骤。
典型零件的选材及热处理
铣床（中载）主轴 —— 40Cr等调质，轴颈高频表面淬 火。
组合机床（重载）主轴 —— 20CrMnTi ，经渗C、淬火 、回火处理。
精密镗床（高精度）主轴 —— 38CrMoAl ，调质 + 氮 化 + 时效。
实例１ —— C620 车床主轴
℃ 830~ 840水 850油
850油
850油 940 水，油 850油
回火
℃
580~ 640空 500 水，油
500 水，油
550 水，油
640 水，油
600 水，油
机械性能
b
s AKU2
MPa MPa J
600 355 39
980 785 47
980 785 47
980 835 63
980 835 71
连杆工作时除了承受交变拉应力外，还受纵向 弯曲应力，截面上的应力分布基本上是相同的。 连杆的主要失效形式是疲劳断裂。 性能要求： 较高的屈服强度和疲劳强度，足够的刚度和韧 性，即要求良好的综合机械性能。还要根据连
杆尺寸考虑连钢杆材的淬透性
中、小型内燃机连杆：40、40Cr、40MnB 大功率内燃机连杆：42CrMo、40CrNi
连杆螺栓
2、技术要求： 调质处理后为回火索氏体，硬度为30～38HRC
3、选材40Cr
淬透性的考虑
水淬
至水冷端的距离
油淬
工艺路线
下料→锻造→退火或正火→粗加工→调质
→精加工 淬火
840℃
温
度
回火
油冷
525℃
水 冷
时间
考虑缺口敏感性选用调质处理较好。
机械工程典型零件的选材原则
机械工程典型零件的选材原则一、典型零件的选材1．轴类轴类零件主要依据载荷的性质、大小及转速凹凸，精度和表面粗糙度要求，轴的尺寸大小以及有无冲击、轴承种类等来选材。
(1)主要承受弯矩、扭矩的轴，如机床主轴、曲轴、汽轮机主轴、变速箱传动轴、卷扬机轴等，常选45、40Cr、40MnB 和45Mn2等，先经调质处理，再在轴颈处进行高、中频淬火及低温回火。
(2)同时承受弯矩、扭矩及拉、压应力的轴，如锤杆、船用推进器等，常选用30CrMnSi、40MnB、40CrNiMo等。
一般也是先经调质处理，然后再进行高频淬火、低温回火。
(3)要求轴颈处耐磨的轴，常选中碳钢经高频淬火，将硬度提高到52HRC以上。
(4)承受较大冲击载荷，又要求较高耐磨性的外形复杂的轴，如汽车、拖拉机的变速轴等，可选低碳合金钢（18Cr2NiWA、20Cr、20CrMnTi等），经渗碳淬火、低温回火处理。
(5)要求有较好的力学性能和很高的耐磨性，而且在热处理时变形量要小，长期使用过程中要保证尺寸稳定，如高精度磨床主轴，选用渗氮钢38CrMoAIA，进行氮化处理，使表面硬度达到1100-1200HV(69-72HRC)，心部硬度230-280HBS。
2．齿轮齿轮选材的主要依据是齿轮的工作条件、性能要求、失效形式等。
(1)硬度和耐磨性要求不很高，对冲击韧度要求一般的中，低速和载荷不大的中、小型传动齿轮，如车床、钻床等变速齿轮，可选用中碳钢或中碳合金钢，并经调质处理。
(2)运动速度高、重载、冲击较大的重要齿轮，如汽车、拖拉机变速箱齿轮、驱动桥齿轮等，可选用20CrMnTi、20Cr、20CrMo等，调质后渗氮。
(3)外形复杂、难以锻造的大型齿轮，如起重机齿轮，可选用ZG270-150、ZC310-570、ZG340-640、ZG40Cr等。
(4)仪器、仪表及在腐蚀性介质中工作的轻载齿轮，可选用黄铜、铝青铜、锡青铜等。
二、箱体、底座箱体、底座类零件是机械中的重要零件之一，其外形不规则、内外结构都比较复杂，工作条件相差也很大。
机械制造基础项目6典型零件的选材与热处理工艺
数控系统
机床结构
机械制造基础
主讲人：
编码器
项目导读
典型零件的选材与热处理工艺
本项目主要介绍零件或工具的失效形式、 失效原因，以及典型零件（轴类、轮盘类）
的选材及热处理分析等。
06
任务浏览
任务6.1 零件失效分析
知识目标
➢ 了解零件的失效形式及原因。 ➢ 掌握典型零件材料的选择。
能力目标
➢ 掌握热处理工艺设计方法。 ➢ 能进行典型零件的选材及热处理分析。
2.材料因素 材料本身的缺陷也是导致零件失效的一个重要原因，常见的缺陷是夹杂物过多，过大，杂质元素太多，或者 有夹层、折叠等宏观缺陷。
3.加工工艺因素 加工不良造成的缺陷，尤其是热处理时产生的缺陷，与零件的设计有很大的关系。零件的外形和结构设计不 合理，会大大增加热处理缺陷发生的可能性。
4.安装使用不当因素 零件安装时配合过紧、过松、对中不准、固定不紧等均可造成失效或事故。在制造厂里管理比较严格的情况 下，使用不当常可成为零件损坏的主要原因。
（2）热处理工艺分析 下面结合其加工工艺对其热处理工艺进行分析。 ①退火。②调质处理。③去应力处理。④渗氮。
任务6.2 典型零件的选材及热处理工艺分析
6.2.1轴类零件
5.典型轴类零件的选材、热处理及工序安排
（一定冲击。一般选用45钢制造。载荷较大时，选用40Cr钢制造。 机床主轴的工艺路线为：下料→锻造→正火→粗切削→加工→调质→半精切削、加工→局部、表面淬火→低 温回火→粗磨→精磨。
轴类零件选材及热处理工艺分析
轴类零件选材及热处理工艺分析1 轴类零件的作用轴类零件的主要作用是支承传动零件、传递运动和动力。
2 工作条件（1）承受较大的交变弯曲应力、扭转应力。
（2）轴颈和花键部位承受较大的摩擦。
（3）一定的冲击载荷。
3 失效形式常见的时效形式有疲劳断裂、过量的弯曲变形和扭转变形、过量磨损。
4 力学性能要求（1）良好的综合力学性能。
（2）轴颈等部位应具有高的硬度和良好的耐磨性。
（3）高的疲劳强度5 轴类零件常用材料及热处理（1）中碳钢和中碳合金钢。
考虑到轴类零件的综合力学性能要求，主要选用经过轧制或锻造的35、40、45、50、40Cr、40CrNi、40M nB钢等，一般应进行正火或调质；若轴颈处耐磨性要求高，可对轴颈处进行表面淬火。
具体的钢种应根据载荷的类型、零件的尺寸和淬透性的大小决定。
承受弯曲载荷和扭转载荷的轴类，应力的分布是由表面向中心递减的，对淬透性要求不高；承受拉、压载荷的轴类，应力沿轴的截面均匀分布，应选用淬透性较高的钢。
（2）对承受冲击载荷较大，对强韧性要求高时或要求进一步提高轴颈的耐磨性时，可选用20Cr、20CrMnTi等合金渗碳钢并进行渗碳、淬火、低温回火处理。
（3）对于受力小、不重要的轴可选用Q235～Q275等普通质量碳钢。
（4）球墨铸铁和高强度灰铸铁可用来制作形状复杂、难以锻造成形的轴类零件，如曲轴等。
6 轴类零件选材举例（1）机床主轴。
下图是C6132卧式车床主轴，工作时主要承受交变弯曲应力、扭转应力作用和一定的冲击载荷，运转较平稳。
要求具有良好的综合力学性能，锥孔、外圆锥面、花键表面要求耐磨。
现选用45钢制造，其工艺路线如下：下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工（花键除外）→局部淬火（内外圆锥面）+低温回火→粗磨→铣花键→花键感应淬火+低温回火→精磨。
整体调质硬度可达到220～250HBS；内外圆锥面采用盐浴局部淬火和低温回火，硬度为45～50HRC；花键部分采用高频感应淬火和低温回火，硬度为48～53HRC。
典型零件的选材及加工工艺路线分析讲解材料
轻量化
减轻材料重量，提高产品机动性，降低能源 消耗和排放。
环保化
发展可再生、可回收、可降解的材料，减少 对环境的污染。
智能化
研究具有自适应、自修复、自感应等功能的 智能材料。
新材料的研究与开发
碳纤维复合材料
具有高强度、轻质、耐高温等优点，广 泛应用于航空航天、汽车等领域。
高分子合成材料
具有优良的化学稳定性、绝缘性、耐 磨性等，在建筑、电子、化工等领域
03
材料的应用与发展趋势
材料的应用领域
01
航空航天
用于制造飞机、火箭等高强度、轻 质材料。
建筑领域
用于制造桥梁、高层建筑等高强度、 高耐久性材料。
03
02
汽车工业
用于制造发动机、变速器等耐磨、 耐高温材料。
电子产品
用于制造集成电路、晶体管等精密、 小型化材料。
04
材料的发展趋势
高性能化
提高材料的强度、硬度、耐高温等性能，以 满足更高要求的工业应用。
可加工性原则
材料应具有良好的可加工性， 以便于零件的制造和加工。
可维修性原则
材料应易于维修和更换，以提 高零件的使用寿命和降低维修 成本。
常用材料介绍
钢铁
钢铁是机械制造业中应用最广泛的材料之一，具 有高强度、良好的韧性和耐磨性。
铜及铜合金
铜及铜合金具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀 性和加工性能，广泛应用于电气、电子、化工等 领域。
实例二：齿轮类零件的选材与加工工艺
灰铸铁
用于制造一般用途的齿轮，如减速器齿轮等。
球墨铸铁
用于制造高强度、高耐磨性的齿轮，如汽车变速毛坯准备
根据零件材料和尺寸要求，准备毛坯。
粗加工
运用所学知识对某一典型汽车零件的选材及热处理进行全方面的分析
运用所学知识对某一典型汽车零件的选材及热处理进行
全方面的分析
汽车发动机缸体是典型的汽车零部件之一，它在汽车的发动机系统中起着关键作用。
为了保证汽车发动机的正常运行和长久的使用寿命，发动机缸体在选材和热处理方面需要进行全方面的分析。
首先，发动机缸体的选材需要考虑其耐热性、强度和造价等因素。
一般来说，发动机缸体的材料需要具备较高的耐热性能，因为发动机工作时会受到高温的影响。
因此，常用的发动机缸体材料有铸铁、铝合金和镁合金等。
铸铁具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，但其密度较大，热膨胀系数较高，热传导性能较差。
铝合金具有较好的强度和导热性能，但耐磨性和耐腐蚀性相对较差。
镁合金具有轻质和较好的耐腐蚀性能，但强度和热膨胀系数相对较差。
因此，根据具体的使用要求和经济性考虑，选择合适的材料是十分重要的。
其次，发动机缸体需要经过热处理来提高材料的强度和硬度。
常见的热处理工艺包括退火、淬火和时效等。
退火工艺通过将材料加热到一定温度，然后缓慢冷却，以改善材料的韧性和塑性。
淬火工艺通过迅速冷却来提高材料的硬度和强度，同时降低其塑性。
时效工艺则是通过在一定温度下保持一段时间，使材料在保持一定硬度和强度的同时，提高其韧性。
根据不同的材料和使用要求，选择合适的热处理工艺是至关重要的。
总结来说，汽车发动机缸体的选材和热处理需要综合考虑材料的耐热性、强度和造价等因素。
根据具体的使用要求和经济性考虑，选择合适的材料，如铸铁、铝合金或镁合金等。
同时，通过合适的热处理工艺，如退火、淬火和时效等，提高材料的强度和硬度，以保证发动机缸体具有良好的性能和寿命。
机械零件选材及热处理手册
机械零件选材及热处理手册=============1. 第一章：概述--------本手册旨在为机械零件的选材和热处理提供全面的指导和建议。
选材和热处理是机械零件制造过程中的两个关键环节，直接影响到零件的性能和质量。
本手册将帮助读者了解各种机械零件的选材和热处理要求，并提供实用的操作方法和技巧。
2. 第二章：机械零件的选材-------------本章将介绍不同类型机械零件的选材要求。
首先，将讲解各种材料的性质和特点，如碳钢、合金钢、不锈钢、铝合金等。
然后，将详细阐述不同类型零件的选材要求，如齿轮、轴、轴承、活塞等。
此外，还将讨论选材的经济性和环保性。
3. 第三章：热处理的基本原理-------------热处理是机械零件制造过程中的一个重要环节。
本章将介绍热处理的基本原理和工艺，包括加热、保温和冷却三个阶段。
此外，还将讲解各种热处理方法及其对零件性能的影响，如退火、正火、淬火、回火等。
4. 第四章：热处理的实践操作-------------本章将详细介绍各种热处理设备的操作方法和技巧。
首先，将讲解热处理设备的种类和特点，如炉、罐、箱子等。
然后，将详细阐述各种设备的操作流程和注意事项，如炉子的加热方法、冷却速度的控制、淬火液的选择等。
此外，还将讨论热处理过程中的质量控制和安全问题。
5. 第五章：热处理的质量控制-------------本章将介绍热处理过程中的质量控制方法和技巧。
首先，将讲解各种检测手段在热处理过程中的作用和应用，如显微镜、硬度计、X射线等。
然后，将详细阐述各种质量控制方法的操作流程和注意事项，如炉温的监控、淬火液的浓度控制、金相组织的检验等。
此外，还将讨论热处理缺陷的产生原因和预防措施。
6. 第六章：案例分析与实践经验--------------本章将通过实际案例分析，介绍各种机械零件的热处理实践经验。
首先，将选取具有代表性的零件进行案例分析，如齿轮、轴、轴承、活塞等。
然后，将详细阐述这些零件的热处理要求、工艺流程、注意事项等。
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热处理工序位置
1.预先热处理的工序位置
➢退火、正火：毛坯生产之后，切削加工 之前
➢调质：粗加工之后，精加工或半精加工 之前
目的：调整硬度，改善切削加工性能，消 除毛坯内应力，细化晶粒，均匀组织，为 最终热处理做好组织准备。
2.最终热处理的工序位置
调质件热处理工艺路线：
下料——锻造——正火（退火）——粗加工（半精加 工）——调质——精加工
磨齿
正火工艺
返回
渗碳工艺
返回
调质钢的牌号（摘自GB/T3077－1999）
淬 透 钢号 性
45
低 40MnB
40Cr
中 35CrMo
38CrMoAlA 高
40CrMnMo
主 要 成 分, %
C
Mn
0.42~ 0.50~
Si Cr 0.17~
0.50 0.80 0.37 0.37~ 1.10~ 0.20~
三、齿轮类零件
•1.轻载、低速或中速、冲击力小、精度较低 的一般齿轮——中碳钢，Q255、Q275、40、45、50、
50Mn，正火或调质，软齿面齿轮
•2.中载、中速、承受一定冲击载荷、运动较 为平稳的齿轮——中碳钢、中碳合金结构钢，45、
50Mn、40Cr、42SiMn，表面淬火及低温回火，硬齿面齿轮
980 785 63
C620 车床主轴
淬火 52HRC
课堂作业
60钢退火状态，已知其珠光 体硬度260HB，试计算60钢的硬 度并估计其强度。
Chapter 10
20CrMnTi钢齿轮热处理工艺
℃ 950～970℃
•3.重载、高速或中速，且受较大冲击载荷的 齿轮——低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，20Cr、
20CrMnTi等，渗碳、淬火、低温回火
•4.精密传动齿轮——氮化钢， 38CrMoAl，调质，氮
化
20CrMnTi钢的汽车变速箱齿轮热处理工艺曲线
表面：高碳回火马氏体+残余奥氏体+碳化物 中心：铁素体+索氏体+低碳回火马氏体
普通车床（轻载）主轴 —— 45钢调质或正火，轴颈高 频表面淬火。
铣床（中载）主轴 —— 40Cr等调质，轴颈高频表面淬 火。
组合机床（重载）主轴 —— 20CrMnTi ，经渗C、淬火 、回火处理。
精密镗床（高精度）主轴 —— 38CrMoAl ，调质 + 氮 化 + 时效。
实例１ —— C620 车床主轴
综合机械性能一般；大端轴颈等部位耐磨性高。 性能指标 —— 硬度220～250HB，轴颈52HRC 。 选材 —— 45钢 热处理工艺 —— 830℃水淬 + 500℃回火 + 轴颈高 频淬火 + 200℃回火 最终组织 —— 心部：回火S 轴颈表面： M回火 工艺路线 —— 锻造→正火→粗加工→调质→精加工 →表面淬火＋低温回火→磨削
表面淬火件热处理工艺路线：
下料——锻造——正火——粗加工——（调质） ——精加工——表面淬火及回火——精磨
渗碳件热处理工艺路线：
下料——锻造——正火或退火或调质— —粗加工、半精加工——渗碳——淬火、 低温回火——磨削
渗氮件热处理工艺路线：
下料——锻造——正火（退火）——粗加 工——调质——精加工——去应力退火— —粗磨——渗氮——精磨或研磨
0.44 1.40 0.40
0.37~ 0.50~ Cr 0.8
0.45 0.80 ~1.10
0.32~ 0.40~ Cr 0.8
0.40 0.70 ~1.10 0.35~ Al 0.7 Cr 1.35
0.42 0.37~ 0.45
~1.1 0.90~ 1.20
~1.65
Cr 0.9 ~1.20
淬火
℃ 830~ 840水 850油
850油
850油 940 水，油 850油
回火
℃
580~ 640空 500 水，油
500 水，油
550 水，油
640 水，油
600 水，油
机械性能
b
s AKU2
MPa MPa J980 785 47
980 835 63
980 835 71
连杆螺栓
2、技术要求： 调质处理后为回火索氏体，硬度为30～38HRC
3、选材40Cr
淬透性的考虑
水淬
至水冷端的距离
油淬
工艺路线
下料→锻造→退火或正火→粗加工→调质
→精加工 淬火
840℃
温
度
回火
油冷
525℃
水 冷
时间
考虑缺口敏感性选用调质处理较好。
二、轴类零件
性能要求 —— 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性
实例2--M120W万能磨床内圆磨头主轴
综合机械性能一般；内锥孔及φ25mm（滑动轴承配合处）处要求耐磨性高。 性能指标 —— 硬度220～250HB，轴颈52HRC 。 选材 —— 15钢渗碳 热处理工艺 —— 930℃渗碳，780℃水淬 + 200回火 最终组织 —— 表面： M回火 工艺路线 —— 锻造→正火→车削→渗碳→车螺纹→淬火＋低温回火→磨削