项目二十典型零件材料及热处理工艺选择

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。

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。

常用材料热处理工艺完整版热处理工艺是指通过加热、保温和冷却等一系列措施，改变材料的组织结构和性能的一种工艺。

常用材料热处理工艺主要包括退火、正火、淬火和回火等。

1.退火退火是指将材料加热到一定温度，保温一段时间，然后缓慢冷却到室温的过程。

退火能够消除材料内部的应力，改善材料的可加工性和机械性能。

常见的退火工艺有全退火、球化退火和时效退火等。

-全退火全退火是将材料加热到高于临界温度的区域，使组织发生再结晶，然后缓慢冷却到室温。

全退火能够使材料获得良好的塑性和韧性。

-球化退火球化退火是将材料加热到高于临界温度的区域，使组织中的晶粒成球状，然后缓慢冷却。

球化退火能够使材料获得细小均匀的晶粒，提高材料的韧性和延展性。

-时效退火时效退火是将材料加热到一定温度，在保温一定时间后快速冷却。

时效退火能够使材料的晶粒尺寸增大，提高材料的硬度和抗腐蚀性能。

2.正火正火是将材料加热到临界温度并保持一段时间，然后缓慢冷却。

正火能够消除材料内部的应力，使组织细化，提高材料的硬度和韧性。

正火适用于一些低碳钢和合金钢的热处理。

3.淬火淬火是指将材料加热到临界温度以上，保温一段时间，然后迅速冷却到室温。

淬火能够使材料快速形成马氏体组织，并获得高硬度。

淬火适用于一些高碳钢和合金钢的热处理。

4.回火回火是指将淬火处理后的材料加热到一定温度，保温一段时间，然后缓慢冷却。

回火能够使材料的硬度降低，提高材料的韧性和抗脆性。

回火适用于一些淬火处理后需要获得一定韧性的材料。

总结起来，常用材料的热处理工艺包括退火、正火、淬火和回火。

不同的材料和要求会选择不同的热处理工艺，以达到最佳的组织结构和性能。

常用材料及零件热处理
3.表面热处理方法特点和应用
表面热处理是通过改变零件表层组织，以获得硬度很高的马氏体，而保留心部韧性和朔性（即表面火），或同时表层的化学成分，以获得耐蚀、耐酸、耐碱性，及表层硬度更高的处理方法。

6.钢的淬透性
不同的钢种，接受淬火的能力不同，淬透层深度愈大，表明该钢种的淬透性愈好。

淬透性大的钢，其力学性能沿截面分布均匀；而淬透性小的钢心部力学性能低。

但全部淬透的工件，通常表面残留拉应力，对工件承受疲劳不利，工件热处理中也易变形开裂。

未淬透工件表面可残留压应力，反而有一定好处。

淬透层深度是指由淬火表面马氏体---50％马氏体+50％珠光体层的深度。

碳钢的淬透性低。

在设计大尺寸零件时，用碳钢正火比用碳钢调质更经济，而效果相似。

直径较大并具有几个台阶的台阶轴，需经调质处理时，考虑到淬透性影响，应先粗车成形，然后调质。

如果以棒料先调质，再车外圆，由于直径大，表面淬透层浅，阶梯轴尺寸较小的部分调质后的组织在粗车时可能被车去，起不到调质作用。

7.几种典型零件热处理示例
机床齿轮等零件常用材料及热处理。

机械零件常用钢材及热处理方法机械零件是由不同材料制成的部件，而钢材是机械零件中最常用的材料之一，因其具有良好的机械性能和热处理性能。

常用钢材：1.低碳钢：低碳钢具有良好的可塑性和焊接性能，通常用于制造低强度和易变形的机械零件。

2.中碳钢：中碳钢具有较高的强度和硬度，适用于制造强度要求较高的机械零件，如轴、齿轮等。

3.高碳钢：高碳钢具有超高的强度和硬度，适用于制造需要较高耐磨性的机械零件，如刀具等。

4.合金钢：合金钢是通过添加其他合金元素来增加钢材的特性，如耐腐蚀性、耐高温性等。

通常用于制造有特殊需求的机械零件，如航空发动机的叶片等。

热处理方法：热处理是一种通过控制材料的加热和冷却过程来改变材料的物理和机械性能的方法。

常用的热处理方法如下所示：1.淬火：淬火是将材料加热至临界温度以上，然后通过迅速冷却使其快速冷却，以提高材料的硬度和强度。

2.回火：回火是将淬火后的材料再次加热至较低的温度，然后通过控制冷却速度使其重新获得合适的硬度和强度，以减少材料的脆性。

3.松火：松火是将淬火后的材料加热至低温，然后通过缓慢冷却使其松弛应力，以提高材料的韧性和耐疲劳性。

4.固溶处理：固溶处理是将合金材料加热至一定温度，使合金元素溶解在基体中，然后通过控制冷却速度形成均匀的固溶体结构，以改变材料的硬度、强度和耐腐蚀性。

5.冷处理：冷处理是将材料经过一定的加工变形后，通过低温冷却使其恢复到初始状态，以提高材料的强度和机械性能。

总结：钢材是机械零件中最常用的材料之一，常用的钢材有低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢。

而热处理方法主要包括淬火、回火、松火、固溶处理和冷处理，通过控制材料的加热和冷却过程来改变材料的物理和机械性能。

这些常用钢材和热处理方法在制造机械零件中具有重要的应用价值。

项目二十典型零件材料及热处理工艺选择 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】项目二十典型零件材料及热处理工艺选择【内容简介】本项目主要介绍轴类、齿轮类、弹簧类、箱体类选材及热处理工艺。

【学习目标】(1) 熟悉轴类零件、齿轮类零件、弹簧类零件、箱体类零件的技术要求、失效形式；(2)掌握轴类零件、齿轮类零件、弹簧类零件、箱体类零件的选材及热处理工艺。

§轴类零件的选材及热处理工艺安排轴主要用于支撑传动零件并传递运动和动力。

工作条件和失效形式为：受横向力并传递扭矩，承受交变弯曲应力和扭转，易导致疲劳断裂。

承受过载和冲击载荷，导致扭断、弯曲变形和折断。

轴颈和花键部位承受较大的摩擦，导致过量磨损。

性能要求：良好的综合力学性能，防止过载和冲击载荷；高的疲劳强度，防止疲劳断裂；高的表面硬度和耐磨性，防止轴颈磨损。

1.机床主轴机床主轴主要承受交变弯曲应力和扭转应力，有时也受到冲击载荷作用、轴颈和锥孔表面受摩擦。

要求主轴具有良好的综合性能，花键、轴颈和锥孔表面应具有较高的硬度和耐磨性。

当载荷和转速不很高时可选用45钢，承受较大载荷时可选用40Cr钢，受冲击和交变载荷较大时，可选用20CrMnTi渗碳钢。

工艺路线为：备料—锻造—正火—机械粗加工—调质—机械半精加工—局部淬火+回火—粗磨——花键高频淬火+回火—精磨2.航空发动机涡轮轴这类轴在高温、高速和重载下工作，常用40CrNiMoA、18CrNiW钢等。

工艺路线为：备料—模锻—正火+高温回火—机械粗加工—调质—机械精加工—磁力探伤—检验—发蓝§齿轮类零件的选材及热处理工艺安排受力情况：由于传递扭矩，齿根部受交变弯曲应力；齿面相互接触滚动、滑动，承受大的接触应力并产生强烈的摩擦。

在换挡、启动和啮合不良时，轮齿承受一定的冲击载荷。

齿轮应满足的要求：高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度；齿面具有较高的硬度和耐磨性；齿轮心部具有足够的强度和韧性。

零件选材及其热处理工艺一、机床主轴1、工作条件及失效形式主轴是机床主轴部件的关键零件之一，要紧起支承传动件与传递转矩的作用，其工作条件为：（1）承受交变载荷、交变弯曲载荷或者拉—压载荷。

（2）局部（轴颈、花键等处）承受摩擦与磨损。

（3）特殊条件下受高温或者介质作用。

主轴的失效形式要紧是疲劳断裂与轴颈处磨损，有的时候也发生冲击过载断裂，个别情况下发生塑性变形或者腐蚀失效。

2、性能要求：（1）由于机床的主运动由其提供，主轴工作时的运动精度对工件加工质量将产生直接影响，因此务必保证主轴工作时具有很高的运动精度。

（2）高的疲劳强度，以防轴疲劳断裂。

（3）优良的综合力学性能，即较高的屈服强度与抗拉强度、较高的韧性，以防塑性变形及过载或者冲击载荷作用下的折断与扭断。

（4）局部承受摩擦的部位具有高硬度与耐磨性，以防磨缺失效。

（5）在特殊条件下工作时应具有特殊性能，如蠕变抗力、耐腐蚀性等。

3、主轴的选材与热处理不一致工作要求的机床主轴，其性能要求是不一致的，加工工艺也是有差异的，因此选用的材料及相应的热处理工艺也会不一致．3.1 普通机床主轴的选材与热处理工艺普通机床往往用于通常精度要求的工件加工．机床主轴通常使用滚动轴承支承，直接影响主轴回转工作精度的轴颈没有直接的运动磨损．因此，针对主轴工作时承受交变载荷的受力特性，通常选用综合机械性能较好的材料．同时，作为提供机床主运动的基准件，主轴的几何质量好坏直接影响机床主运动的精度，因此通常对普通机床主轴关键表面的几何质量提出下列要求⋯：1) 轴颈的直径精度为IT6，圆度、圆柱度应限制在直径公差之内；2) 配合轴颈(装配传动件的轴颈)相对支承轴颈(装配轴承的轴颈)的径向圆跳动为0．01～0．03 mm，端面圆跳动为0.005～0.010mm；3) 支承轴颈的表面粗糙度为Ra0．63～0．16µm，配合轴颈为Ra2.5—0.63µm．从几何精度要求与经济性两方面考虑，主轴的加工通常使用车削基础上的磨削工艺来实现，可见，主轴用材务必同时具有良好的车削工艺性与磨削工艺性．3.1.1主轴选材根据主轴的工作环境与工作要求，普通机床主轴材料通常选用下列3类：1) 中碳结构钢：常用牌号45，50，55结构钢；2) 中碳合金钢：常用牌号40Cr，50Cr合金钢；3) 锰钢：常用牌号65Mn合金钢．3.1.2热处理工艺通常首先使用整体表面淬火或者整体调质后主轴头部内外锥、主轴颈及花键表面淬火，然后进行低温回火的常规热处理工艺根据需要，硬度通常可操纵在42—47HRC，45—50HRC 或者48—53HRC等3种状态．在工程实际中，有的时候为得到较好的耐磨性，应提高表面硬度，通常选用含碳量较高的50。

典型零件热处理实例典型零件热处理实例1、齿轮热处理实例一、工作条件以及材料与热处理要求1、条件: 低速、轻载又不受冲击要求: HT200 HT250 HT300 去应力退火2、条件: 低速(＜1m/s)、轻载,如车床溜板齿轮等要求: 45 调质,HB200-2503、条件: 低速、中载,如标准系列减速器齿轮要求: 45 40Cr 40MnB (5042MnVB) 调质,HB220-2504、条件: 低速、重载、无冲击,如机床主轴箱齿轮要求: 40Cr(42MnVB) 淬火中温回火 HRC40-455、条件: 中速、中载,无猛烈冲击,如机床主轴箱齿轮要求: 40Cr、40MnB、42MnVB 调质或正火,感应加热表面淬火,低温回火,时效,HRC50-556、条件: 中速、中载或低速、重载,如车床变速箱中的次要齿轮要求: 45 高频淬火,350-370℃回火,HRC40-45(无高频设备时,可采用快速加热齿面淬火)7、条件: 中速、重载要求: 40Cr、40MnB(40MnVB、42CrMo、40CrMnMo、40CrMnMoVBA)淬火,中温回火,HRC45-50、8、条件: 高速、轻载或高速、中载,有冲击的小齿轮要求: 15、20、20Cr、20MnVB渗碳,淬火,低温回火,HRC56-62、38CrAl 38CrMoAl 渗氮,渗氮深度0、5mm,HV9009、条件: 高速、中载,无猛烈冲击,如机床主轴轮、要求: 40Cr、40MnB、(40MnVB)高频淬火,HRC50-55、10、条件: 高速、中载、有冲击、外形复杂与重要齿轮,如汽车变速箱齿轮(20CrMnTi淬透性较高,过热敏感性小,渗碳速度快,过渡层均匀,渗碳后直接淬火变形较小,正火后切削加工性良好,低温冲击韧性也较好) 要求: 20Cr、20Mn2B、20MnVB渗碳,淬火,低温回火或渗碳后高频淬火,HRC56-62、18CrMnTi、20CrMnTi(锻造→正火→加工齿轮→局部镀同→渗碳、预冷淬火、低温回火→磨齿→喷丸)渗碳层深度1、2-1、6mm,齿轮硬度HRC58-60,心部硬度HRC25-35、表面:回火马氏体+残余奥氏体+碳化物、中心:索氏体+细珠光体11、条件: 高速、重载、有冲击、模数＜5要求: 20Cr、20Mn2B 渗碳、淬火、低温回火,HRG56-62、12、条件: 高速、重载、或中载、模数＞6,要求高强度、高耐磨性,如立车重要螺旋锥齿轮要求: 18CrMnTi、20SiMnVB 渗碳、淬火、低温回火,HRC56-6213、条件: 高速、重载、有冲击、外形复杂的重要齿轮,如高速柴油机、重型载重汽车,航空发动机等设备上的齿轮、要求: 12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA、20CrMnMoVBA(锻造→退火→粗加工→去应力→半精加工→渗碳→退火软化→淬火→冷处理→低温回火→精磨)渗碳层深度1、2-1、5mm,HRC59-62、14、条件: 载荷不高的大齿轮,如大型龙门刨齿轮要求: 50Mn2、50、65Mn 淬火,空冷,HB≤ 24115、条件: 低速、载荷不大,精密传动齿轮、要求: 35CrMO 淬火,低温回火,HRC45-5016、条件: 精密传动、有一定耐磨性大齿轮、要求: 35CrMo 调质,HB255-302、17、条件: 要求抗磨蚀性的计量泵齿轮、要求: 9Cr16Mo3VRE 沉淀硬化18、条件: 要求高耐磨性的鼓风机齿轮、要求: 45 调质,尿素盐浴软氮化、19、条件: 要求耐、保持间隙精度的25L油泵齿轮。

典型零件材料选择、成形工艺、热处理工艺及组织性能作者：刘震东班级：机设13-3学号：120133404051摘要材料特别是典型零件材料的选用及热处理工艺的合理安排是从事机械设计、制造工艺的重要内容。

而典型机械零件所用材料及其成型工艺的选用是一个复杂的问题，单纯的靠差机械设计手册或仅靠经验法或类比法来确定材料与工艺的选用似乎很容易，但往往会带来不良后果。

因此在典型零件材料选择、成形工艺、热处理工艺的选择时需要严肃对待。

为此我们需要在对材料及其成型工艺原理的基本知识融会贯通的基础上，能够在中行和分析，统筹考虑材料和成型工艺的选择，理清思路，掌握好基本原则和方法，以系统的综合分析的方法，进行论证，最终确定典型零件材料选择、成形工艺、热处理工艺及组织性能，并且保证不因材料内在因素影响产品质量。

因此我们在进行典型零件材料及成形工艺的选择时一般可遵循下列四条基本原则（1）使用性能足够的原则（2）工艺性能良好的原则（3）经济性合理的原则（4）结构，材料，成形工艺相适应原则。

因此本文简单论述了典型零件材料选择、成形工艺、热处理工艺及组织性能。

关键词：典型零件，成形工艺，热处理工艺，组织性能（1）材料选择使用性能足够原则使用性能是保证零件完成规定功能的必要条件。

因此典型零件所用的材料首先必须满足使用性能的要求。

使用性能主要指零件在使用状态下材料应具有的力学性能，物理性能和化学性能。

对于典型的机械零件和工程构件，最重要的是力学性能。

对使用性能的要求，一般是在分析零件工作条件的基础上以及失效分析的基础上提出来的。

零件的工作条件包括三方面：（1）受力状况（2）环境状况（3）特殊要求。

分析零件受力状况时，收件要分析确定零件所承受载荷的类型，例如动载，静载，循环载荷或单调载荷等；并要确定载荷大小以及载荷形式，例如拉伸，压缩，弯曲或扭转等；还要分析载荷的特点，例如是均布载荷还是集中载荷等。

分析零件工作的环境状况时，主要是确定工作温度特性以及介质腐蚀情况或磨损条件等。

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。