典型零件的选材及热处理
机械零件选材及热处理设计手册
机械零件选材及热处理设计手册
1. 选材原理和方法，介绍不同材料的特性、优缺点，如金属材
料（钢、铝、铜等）、塑料、复合材料等的选择原则和方法。
包括
材料的力学性能、耐磨性、耐蚀性、加工性等方面的考量。
2. 热处理基础知识，介绍热处理的基本原理，包括淬火、回火、正火、退火等常见热处理工艺，以及热处理对材料性能的影响。
3. 典型零件材料选材与热处理设计，针对不同类型的零件，如
轴承、齿轮、销轴等，介绍其常用的材料选材和热处理设计方案。
比如对于需要高强度和耐磨性的零件，可能会选择高强度合金钢并
进行表面渗碳处理。
4. 实例分析与应用，通过实际案例，分析不同选材和热处理方
案的优劣，以及在特定工况下的应用。
5. 相关标准和规范，介绍国内外相关的选材和热处理的标准和
规范，帮助读者在设计过程中遵循相关的规定。
总的来说，这本手册会从理论和实践两个方面全面介绍机械零
件选材和热处理设计的相关知识，旨在帮助工程师和设计人员在实际工程中做出合理的材料选择和热处理设计，以确保零件具有良好的性能和可靠性。
汽车材料教案——第四章第一节1
理解
经济
性能
含义
了解
考虑
方法
课堂
小结
材料的力学性能。
材料的工艺性能
材料的经济性
作业
课
后
记
设计零件时，也要注意热处理工艺性，如其结构形状复杂，应选用淬透性较好的钢材。
一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般零件的工作条件要求，因此，碳钢的用途较广，但它强度不够，淬透性差。所以制造大截面、形状复杂和强度高的淬火零件，常选用合金钢，因为合金钢淬透性好、强度高。可是合金钢的锻造、切削加工等工艺性能较差。
3、铝基轴承合金的分类：
铝锡镁轴承合金
铝锡轴承合金。
前几章我们从整体上学习了汽车金属材料的各方面性能，从今天开始我们一起来学习一下汽车上典型零件的选材及其热处理。
第四章典型零件的选材及热处理
第一节零件选材的基本原则
二、选材原则
从材料的力学性能、工艺性能和经济性能三方面考虑。
（一）材料的力学性能
1、先决条件：保证材料经久耐用。
2、其次注意：强度、硬度抗疲劳强度。
3、还要考虑：短时过载、润滑不良、材料内部缺陷。
在工程设计上，材料的机械性能数据一般是以材料制成的试样进行机械性能试验测定的，严格来说，不能确切反映实际。
回忆
上节
课内
容回
答问
题。
记忆
零件
选材
的基
本原
则。
及过程
学生
活动
从五方面论述材料的工艺性能并逐一解释
介绍机械上选材时候要考虑的各种因素
（二）材料的工艺性能
1、铸造性能：
机械零件的常用材料特性及应用
用途、工作条件、物理、化学、机械工艺性能、经济性。
零件材料 各种材料的化学成分和力学性能可在相关国标、行标 和机械设计手册中查得。
以功能來分: 依其機械、電氣、熱學及其他性質功能來分。
1 )泛用塑膠： 通常以美觀及低功能使用要求，為訴求重點。 如：PE 、 PVC 、 PMMA、ABS
轴用材料
要求: 充分強度/耐磨性/耐疲勞性/充分硬度/充 分橈度
選用
一般用軸材料(A3/S10C/S45C) 強力用軸材料(SNCM240(价高)/42CrMo)
齿轮用材料
要求: 充分強度/耐磨性/充分硬度/耐衝擊性/易 加工性
選用
高周波淬火處理材料(S45C/42CrMo) 滲碳淬火處理材料(42CrMo) 氮化相比，钢具有高的强度、韧性和塑性。 可用热处理方法改善其力学性能和加工性能。
选用原则： 优选碳素钢(A3.S45C)，其次是硅、锰、硼、钒类合
金钢,特殊硬度可以选合金工具钢（Cr12).
金属热处理方式
热处理方式：退火、正火、淬火和回火四种基本工艺，俗称金 属热处理的“四把火”。 1.退火：是将工件加热到适当温度，根据材料和工件尺寸采用不 同的保温时间，然后进行缓慢冷却，目的是使金属内部组织达 到 或接近平衡状态，获得良好的工艺性能和使用性能，或者为 进一步淬火作组织准备。 2.正火：是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却，正火的效 果同退火相似，只是得到的组织更细，常用于改善材料的切削 性能，也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。 3.淬火：是将工件加热保温后，在水、油或其它无机盐、有机水 溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬，但同时变脆。 (S45C可以达到42-50HRC, Cr12可以达到52-60HRC) 4.回火：是为了降低钢件的脆性，将淬火后的钢件在高于室温而 低于 710℃的某一适当温度进行长时间的保温，再进行冷却，这 种工艺称为回火
轴类零件选材及热处理
本章结束
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精品
图8-1 CM6140车床主轴
精品
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表8-1 机床主轴工作条件、用材及热处理
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图8-2 汽车半轴
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图8-3 解放牌汽车变速齿轮简图
精品
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表8-2 部分箱体支承类零件用材情况
代表性零件
机床床身、轴承座、 齿轮箱、缸盖、变速
器壳、离合器壳
承力支架、箱体底座 铸钢ZG270-500
刚度、强度、耐冲击
正火
支架、挡板、盖、罩、 钢板Q235、08、20、
壳
16Mn
车辆驾驶室车箱
钢板08
精品
刚度、强度
不热处理
刚度0 ～ 55HRC）。如机床齿轮。 •重载、中高速、大冲击载荷齿轮： 低 碳 （ 合 金 ） 钢 （ 20Cr 、 20MnB 、 20CrMnTi ） 渗 碳
（碳氮共渗）及淬火低温回火，齿面58～63HRC。如 汽车、拖拉机变速齿轮和后桥齿轮。 •精密传动齿轮或硬面内齿轮，要求热处理变形小： 38CrMoAl、35CrMo等。调质及气体氮化。如非重载、 工作平稳的精密齿轮。
图8-3
•负荷特点： 承载、磨损及冲击负荷较大，工作条件比较繁重。
•材料： 20CrMnTi。
•热处理技术条件： 渗碳层深0.8～1.3mm，表层Wc为0.8%～1.05%，齿面 58～62HRC。心部33～45HRC。
•工艺路线： 锻造→正火→粗加工、半精加工→渗碳淬火、低温回 火。
8.3 弹簧类零件材料选择（spring)
④铬矾弹簧钢： 50CrVA等，φ50mm淬透，应力较大的弹簧（工作温 度≤ 300℃）。
机械工程材料第6章典型零件选材
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
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。
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
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。
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
机床主要零件选材及热处理与热处理技术要求表示方法
一、机床主要零件选材及热处理摘录（仅供参考）
2、导轨
3、丝杠
注：热处理技术要求系指丝杠螺纹部分。
软丝杠的方头和轴颈一般需C42或G48。
注：（1）、表中的齿根最大弯曲应力及齿面最大接触应力按GB3480和GB10062规定计算；
（2）、齿轮的有效渗碳硬化层和渗氮层深度分别见附表4-1和附表4-2。
附表4-1：齿轮的有效渗碳硬化层深度(mm)
5、蜗轮副(蜗杆及蜗轮)
说明：经渗碳的蜗杆，其有效渗碳硬化层深度见附表5-1。
7、齿条
齿条可参照齿轮选择材料和制定热处理技术要求。
工作频繁的齿条应采用硬化措施。
细长齿条宜采用渗氮处理（或氮碳共渗或硫氮碳共渗处理）。
精度低的齿条可采用整体淬火。
工作不频繁或受力不大的齿条可以不采用硬化措施，其中要求调质的齿条宜用易切削非调钢YF40MnV或YF45MnV。
8、箱体
箱体一般采用灰铸铁制造，并经高温时效处理。
主轴箱等要求较高的箱体宜用HT300或HT350，一般箱体采用HT200或HT250。
要求刚度高受力大的箱体可采用球墨铸铁QT600-3制造。
单件小批量生产的箱体可采用45钢或Q235钢焊接结构。
这些箱体亦须进行高温时效处理。
说明：本资料是根据1993年北京机床研究所材料部编写的《《机床八类主要零件选材及热处理》整理而成。
其中，省去了一些解释文字。
二、机床行业热处理技术要求表示方法
注：冷卷弹簧的定形、消除应力处理可用“Hh”表示。
十字轴的选材热处理工艺分析
十字轴的选材热处理工艺分析专业：机械设计与制造班级：机械设计与制造1班姓名：学号：成绩：万向传动轴一般是由万向节，传动轴和中间支承组成。
主要用于在工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。
万向传动轴设计应满足如下基本要求1.保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力。
2.保证所连接两轴尽可能等速运转。
3.由于万向节夹角而产生的附加载荷，振动和噪声应在允许范围内。
4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。
变速器或分动器输出轴与驱动桥输入轴之间普遍采用十字轴万向传动轴。
在转向驱动桥中，多采用等速万向传动轴。
当后驱动桥为独立的弹性，采用万向传动轴。
十字轴万向节是汽车传动系统中的易损件，其中万向节十字轴轴径表面剥落、表面压痕的失效形式，又是万向节失效的主要形式。
为了解决此问题，万向节的选材、机械加工、热处理以及表面烧伤等方面的质量加强控制以外，万向节在产品设计方面也须改进，如采取轴承外圈内径设计成凸度、滚针设计成凸度、滚针两头设计成锥度等措施，有效地减少了应力集中，使万向节轴承滚动体与内外滚道的接触应力分布趋于合理。
在实际的应用过程中，也确实证明了这些措施的有效性，在一定程度上提高了产品的使用寿命。
但通过大量的失效件分析发现，目前这些改进还不能使轴承的接触应力分布达到最优化，对材料的选择需改进。
十字轴万向节结构简单，强度高，耐久性好，传动效率高，生产成本低，但所连接的两轴夹角不宜太大。
当夹角增加时，万向节中的滚针轴承寿命将下降。
普通的十字轴式万向节主要由主动叉、从动叉、十字轴、滚针轴承及轴向定位件和橡胶封件等组成图1-1 十字轴万向节工程图万向节的运动特性是比较特殊的，由于传动轴的输入轴和输出轴有夹角，所以输出轴的运动每时每刻都在改变，万向节轴承运动不但有相对于传动轴与十字轴一起变速的转动，而且还有相对十字轴进行摆动的运动。
万向节这种复杂的运动会给分析研究带来很多不便。
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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。
二、轴类零件
性能要求 —— 强度、塑韧性，疲劳强度，轴颈耐磨性
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℃
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
磨齿
正火工艺
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渗碳工艺
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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~
第10章 结构钢及其选用
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
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
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
•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