轴的常用材料及其机械性能

1轴的常用材料及其机械性能轴的材料种类很多，选用时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。轴的常用材料是优质碳素钢35、45、50，最常用的是45和40Cr钢。对于受载较小或不太重要的钢，也常用Q235或Q275等普通碳素钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢，常用的有40Cr、40MnB、40CrNi等。球墨铸铁和一些高强度铸铁，由于铸造性能好，容易铸成复杂形状，且减振性能好，应力集中敏感性低，支点位移的影响小，故常用于制造外形复杂的轴。特别是我国研制成功的稀土-镁球墨铸铁，冲击韧性好，同时具有减摩、吸振和对应力集中敏感性小等优点，已用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件，如曲轴等。根据工作条件要求，轴都要整体热处理，一般是调质，对不重要的轴采用正火处理。对要求高或要求耐磨的轴或轴段要进行表面处理，以及表面强化处理(如喷丸、辐压等)和化学处理(如渗碳、渗氮、氮化等)，以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小时，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，多采用锻件。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造。轴的常用材料及其机械性能(MPa)材料牌号热处理毛坯直径(mm)硬度HB抗拉强度σb≥屈服强度σs≥弯曲疲劳极限σ-1≥扭转疲劳极限τ-1≥许用弯曲应力备注[σ+1][σ0][σ-1]Q235-A---4402401801051257040用于不重要或载荷不大的轴220正火25≤1564202501801001257040用于载荷不大，要求韧性较高的场合。正火回火≤100100～300300～500500～700103～15640038037036022020019018016515515014595908580125704035正火25≤875403202301301657545用于有一定强度要求和加工塑性要求的轴。正火回火≤100100～300300～500500～750750～1000149～187143～187137～1875205004804604402702602402302202102051901851751201151101051001657545调质≤100100～300156～207560540300280230220130125175855045正火25≤2416103602601501959555应用最广泛。正火回火≤100100～300300～500500～750170～217162～217156～2176005805605403002902802702402352252151401351301251959555调质≤200217～2556503602701552151006040Cr调质25100080048528024512070用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴。≤100100～300300～500500～800241～286229～269217～2557507006506005505004503503503202952552001851701452451207035SiMn调质2590075044525524512070性能接近40Cr，用于中小型轴。342SiMn≤100100～300300～400400～500229～286217～269217～255196～2558007507006505204504003803553202952752051851701602451207040MnB调质25100080048528024512070性能同40Cr，用于重要的轴。≤200241～2867505003351952451207040CrNi调质25100080048528028513075用于很重要的轴35CrMo调质2510085050028524512070性能接近40CrNi，用于重载荷的轴。≤100100～300300～500500～800207～2697507006506005505004504003503202952702001851701552451207038SiMnMo调质≤100100～300300～500500～800229～286217～269196～241187～24175070065060060055050040036033531027021019517515527512070性能接近于35CrMo。37SiMn2MoV调质25100085049528527512070用于高强度、大尺寸和重载荷的轴。≤200200～400400～600269～302241～286241～2698808307807006506004253953702452302152751207038CrMoAlA调质30229100085049528527512575用于要求耐磨、高强且热处理变形很小的(氮化)轴20Cr渗碳淬火回火15≤60表面HRC56～6285065055040037528021516021510060用于要求强度、韧性均较高的轴(如齿轮轴、蜗杆)20CrMnTi渗碳淬火15表面HRC11008505253003651651004回火56～621Cr13调质≤60187～21760042027515527513075用于腐蚀条件下工作的轴。2Cr13调质≤100197～248660450295170275130751Cr18Ni9Ti淬火≤6060～180100～200≤1925505405002202002002051951851201151051657545用于在高、低温及强腐蚀条件下工作的轴。QT400-15--156～197400300145125100用于结构、形状复杂的轴QT450-10--170～207450330160140110QT500-7--187～255500380180155125QT600-3--197～269600420215185150注：1.表中所列疲劳极限数据，均按下式计算σ-1≈0.27(σb+σs)，τ-1≈0.156(σb+σs)。2.其他性能，一般可取τs≈(0.55～0.62)σs，σ0≈1.4σ-1，τ0≈1.5τ-1。3.球墨铸铁σ-1≈0.36σb，τ-1≈0.31σb。4.许用静应力[σ+1]=σb/[S]b，许用疲劳应力[σ-1]≈σ-1/[S]-1。5.选用[σ-1]时，重要零件取小值，一般零件取大值。各种发动机曲轴材料及热处理用途材料预备热处理最终热处理工艺硬度（HB）工艺层深（mm）硬度（HB）轿车、轻型车拖拉机4550MnQT600-3正火调质正火170～228217～277229～302感应淬火氮碳共渗：570℃，180min油冷氮碳共渗：560℃，180min油冷2～4.5＞0.5≥0.155～63≥500HV0.1＞650HV载重车及拖拉机QT600-345正火正火220～260163～196感应淬火，自回火感应淬火，自回火2.9～3.53～4.546～5855～63545调质207～241感应淬火，自回火≥3≥55重型载重车45QT900-235CrMo正火正火+回火调质280～321216～269氮碳共渗感应淬火0.9～1.23～5≥300HV1053～58大马力柴油机QT600-335CrNi3Mo35CrMoQT600-3正火+回火调质+稳定化处理调质正火+回火240～300渗氮，490℃，60h离子渗氮，515℃，40h渗氮，510℃，120h≥0.3≥0.5≥0.7≥600HV≥550HV≥600HV各种凸轮轴材料及热处理工艺用途材料预备热处理最终热处理工艺硬度（HB）工艺层深（mm）硬度（HB）小拖拉机轿车吉普QT600-3合金铸铁45正火去应力退火调质229～302241～302187～229贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火氮碳共渗感应淬火0.1～0.153.0～6.043～50＞700HV颈55～63齿45～58载重车拖拉机45QT600-3正火去应力退火163～197230～280感应淬火贝氏体等温淬火2.5～5.5颈55～63齿45～58≥45重型车20QT600-350去应力退火正火≥170渗碳、淬火回火贝氏体等温淬火感应淬火、回火1.3～1.71.5～2.058～6243～5159～63大马力柴油机船20CrMnTi正火--渗碳、淬火、回火1.7～2.256～61机50Mn退火241～285感应淬火凸轮2～558～626车去应力退火轴颈1.5～455～6245正火-感应淬火、回火1.3～2.550～55机床主轴材料和热处理工作条件材料热处理硬度原因使用实例1)与滚动轴承配合2)轻载荷或中等载荷，转速低3)精度要求不高4)稍有冲击载荷，交变载荷可以忽略不计45调质处理220～250HB1)调质后，保证主轴具有一定强度2)精度要求不高一般机床主轴1)与滚动轴承配合2)轻载荷或中等载荷，转速略高3)装配精度要求不太高4)冲击和交变载荷可以忽略不计45调质后局部整体淬硬42～47HRC1)有足够的强度2)轴颈及配件装拆处得到需要的硬度3)简化热处理操作4)不承受较大冲击载荷龙门铣床，立式铣床小型立式车床等的主轴1)与滚动轴承配合2)轻载荷或中等载荷，转速低[PV≤150N·m/(cm2·s)]3)精度要求不很高4)冲击,交变载荷不大45正火170～217HB1)正火或调质后保证主轴具有一定的强度和韧性2)轴颈处有滑动摩擦，需要有较高的硬度C650、C660、C8480等大重型车床主轴调质220～250HB轴颈部分表面淬硬48～53HRC1)与滚动轴承配合2)承受中等，转速较高3)精度要求较高4)交变,冲击载荷较小40Cr(42MnVB)淬硬调质后局部淬硬42～47HRC或52～57HRC1)为保证有足够的强度，选用40Cr调质2)轴颈和配件装拆处得到需要的硬度3)若无冲击力，硬度要求取高值齿轮铣床，组合车床等的主轴1)与滚动轴承配合2)承受中等，转速较高40Cr(42MnVB)调质220～250HB1)调质后主轴有较高的强度和韧性2)轴颈处得到需要的硬度铣床，龙门铣床，车床等的主轴轴颈部分表面48～53HRC73)精度要求较高4)交变,冲击载荷较小5)工作中受冲击载荷淬硬1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷，转速较高[PV＜400N·m/(cm2·s)]3)承受较高的交变和冲击载荷4)精度要求较高40Cr(42MnVB)调质处理220～250HB或250～280HB1)调质后主轴有较高的强度和韧性2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬3)配件装拆部分有一定硬度车床主轴或磨床砂轮主轴(φ80mm以下)轴颈部分表面淬火52～57HRC装拆配件处表面淬硬48～53HRC1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷，转速较[PV＜400N·m/(cm2·s)]提高3)承受较高的交变和冲击载荷4)精度要求更高40Cr(42CrMn)调质处理表面硬度56～61HRC1)调质后主轴有较高的强度和韧性2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬3)配件装拆部分有一定硬度磨床砂轮主轴轴颈部分表面淬火装拆配件处表面淬硬1)与滑动轴承配合2)承受中等载荷或重载荷[PV＜400N·m/(cm2·s)]3)要求轴颈有更高的耐磨性4)精度要求较高5)承受较高的交变，但冲击载荷较小65Mn调质250～280HB1)调质后有较高的强度2)表面淬硬后提高耐疲劳性能3)获得较高的硬度，提高耐磨性4)表面马氏体易粗大，冲击值低磨床砂轮主轴轴颈部分表面淬硬≥59HRC装拆配件处表面淬硬50～55HRC1)与滑动