72典型机械零件的选材分析

•单击此处编辑母版文本样式•第二级•第三级•第四级•第五级7.2典型机械零件的选材分析AnAnalysisofMaterialsSelectionforTypicalMachineElements7.2典型机械零件的选材分析AnAnalysisofMaterialsSelectionforTypicalMachineElements•7.2.1齿轮类机械零件的选材分析（Selectinggearmaterials）•7.2.2轴类机械零件的选材分析（Selectingshaftmaterials）•7.2.3汽轮机叶片的选材分析（Selectingbladeofgasturbinematerials）•7.2.4切削刀具的选材分析（Selectingcuttingtoolmaterials）•7.2.5汽车发动机零件选材概况（Generalsituationofmaterialsusedinmotorengines）•7.2.6锅炉和气轮机主要零件的选用材料概况（Generalsituationofmaterialsusdinboilersandgasturbines）7.2.1齿轮类机械零件的选材分析（Selectinggearmaterials）•齿轮是各类机械、仪表中应用最为广泛的传动零件，其作用是传递扭矩，调整速度及改变运动方向。只有少数齿轮受力不大，仅起分度定位作用。•1.工作条件分析•一对齿轮副在运转工作时，两齿面啮合运动:•（1）因传递扭矩而使齿根部受到弯曲应力;•（2）同时使齿面有相互滚动和滑动摩擦的摩擦力;•（3）在轮齿面窄小接触处承受很大的交变接触压应力;•（4）由于换挡、启动或啮合不均，使齿轮承受一定冲击载荷作用;•（5）此外，瞬时过载、润滑油腐蚀及外部硬质磨粒的侵入等情况，都可加剧齿轮工作条件的恶化。2.常见的主要失效形式•齿轮工作时受力繁重、复杂，其主要失效形式有以下几种:•（1）断齿除因超载而产生脆性折断(多发生在轮齿淬透的硬齿面齿轮或脆性材料制造的齿轮上)外，大多数情况下断齿都是由弯曲疲劳造成的。•当零件所承受的重复应力较高(接近甚至可能超过材料的屈服强度)、而频率较低(低于10次/min)时，其断裂前经受的循环次数较低(往往低于1055次)，被称为低周疲劳。在产生低周疲劳过程中，每次循环都产生较大的塑性变形，因此塑性变形占主导地位，故应选用塑性、韧性好的材料。•反之，当重复应力较低、频率较高时，断裂前经受的循环次数较高(可达107次)，称为高周疲劳。在产生高周疲劳过程中，应变循环基本上局限在弹性范围内，因此是弹性变形占主导地位，故应选用强度较高的材料。•（2）齿面接触疲劳破坏(麻点)齿面承受大的交变接触应力作用，因表面疲劳使齿面表层产生点状、小片剥落的破坏。这是齿轮最常见的失效形式。2.常见的主要失效形式•（3）齿面磨损分为两种情况:一种是摩擦磨损;另一种是磨粒磨损。摩擦磨损大多由于高速重载齿轮运转时，因齿面摩擦产生大量热，造成润滑膜破坏，促使齿面软化，致使齿面过度磨损。轻度的摩擦磨损称擦伤，严重者称胶合。磨粒磨损是由于外来硬质点嵌入相互啮合的齿面间，使齿面产生机械磨损。2.常见的主要失效形式失效方式统计结果/%失效原因统计结果/%断裂，总计疲劳断裂，轮齿轮过载断裂，轮齿轮表面疲劳，总计麻点剥落麻点-剥落混合磨损，总计磨粒磨损粘着磨损塑性变形，总计61.232.84.023.80.620.37.26.86.813.210.32.95.3使用不当，总计润滑不良安装不良过载其它设计，总计设计不合理选材不当热处理条件规定不当热处理，总计淬火不良硬化层浅心部硬度低硬化层太深其它，总计74.711.021.238.93.66.92.81.62.516.25.94.82.01.81.4表7.1美国931个齿轮失效方式及原因的统计结果•据美国一资料对931个齿轮失效方式及原因统计结果(如表7.1所示)表明，疲劳断裂占失效齿轮总数的36．8%、约1/3以上，居首位，过载断裂约占24．4%、次之，这两项加起来断裂失效总计占61．2%，是齿轮失效的主要形式;其次是表面疲劳破坏，占总数的20．3%;而齿面磨损，占总数的13．2%。3.主要性能要求•根据齿轮的工作条件及失效形式的分析，对齿轮材料特提出如下性能要求:•（1）高的弯曲疲劳强度，特别是齿根处要有足够的强度，使运行时所产生的弯曲应力不致造成疲劳断裂。•（2）高的接触疲劳强度、高的表面硬度和耐磨性，防止齿面损伤。•（3）足够高的齿轮心部强度和冲击韧度，防止过载与冲击断裂。•（4）此外，还要求有良好的切削加工性，淬火变形要小，以获得高的加工精度和低的表面粗糙度值，以提高齿轮抗磨损能力。•应说明，在齿轮副中两齿轮齿面硬度值应有一定差值，因小齿轮的齿根薄、轮齿受载次数多，故小齿轮硬度应比大齿轮要高些。一般两齿轮齿面硬度差:软齿面为30～50HBW，硬齿面为5HRC左右。4.齿轮类零件的选材分析•确定齿轮用材及热处理工艺，主要根据齿轮的传动方式(开式或闭式)、载荷性质与大小(齿面接触应力与冲击载荷等)、传动速度(节园线速度)和精度要求等工作条件而定。同时还要考虑，依据齿轮模数和截面尺寸提出的淬透性及齿面硬化要求、齿轮副的材料及硬度值的匹配等问题。•齿轮类零件绝大多数应选用渗碳钢或调质钢系列。它们经表面强化处理后，表面有高的强度和硬度，心部有良好韧性，能满足使用性能要求。此外，这类钢的工艺性能好，经济上也较合理，所以是较理想的材料。但对于某些尺寸较大(如直径＞400mm)、形状复杂并承受一定冲击载荷的齿轮，其毛坯用锻造难以加工时，亦常采用铸钢。某些开式传动的低速齿轮可用铸铁，特殊情况下还可采用有色金属及工程塑料等。4.齿轮类零件的选材分析•（1）钢制齿轮有型材和锻件两种毛坯。由于锻坯纤维组织与轴线垂直，分布合理，故重要用途齿轮都采用锻造毛坯。钢质齿轮按齿面硬度分硬和软齿面齿轮。齿面硬度≤350HBW为软齿面;＞350HBW为硬齿面。•①轻载、低速或中速、冲击力小，精度较低一般齿轮选用中碳钢如Q255、Q275、45、50、50Mn等制造，常用正火或调质等制成软齿面齿轮，正火硬度160～200HBW;调质硬度200～280HBW，不超过350HBW。因硬度适中，精切齿廓可在热处理后进行，工艺简单、成本低。由于齿面硬度不高而易于跑合，但承载能力不高，主要用于标准系列减速箱齿轮，冶金机械、重型机械和机床中一些次要齿轮。•②中载、中速、受一定冲击载荷、运动较为平稳的齿轮选用调质钢系列，如45、50Mn、40Cr、42SiMn等，也可采用55Tid、60Tid等低淬透性钢。其最终热处理采用高频或中频淬火及低温回火，制成硬齿面齿轮，齿面硬度可达50～55HRC，齿心部保持原正火或调质状态，具有较好的韧性。由于感应加热表面淬火的轮齿变形小，若精度要求不高(如7级以下时)，可不必再磨齿。机床中大多数齿轮就是这种类型的齿轮。对表面硬化的齿轮，应注意控制硬化层深度及硬化层沿齿廓的合理分布。（1）钢制齿轮•③重载、高速或中速，且受较大冲击载荷的齿轮选用渗碳钢系列，如20Cr、20CrMnTi、20CrNi3、18Cr2Ni4WA等。其热处理是渗碳、淬火、低温回火，齿轮表面获得58～63HRC的高硬度，因淬透性较高，齿心部有较高的强度和韧性。这种齿轮的表面耐磨性、抗接触疲劳强度和齿根的抗弯强度及心部的抗冲击能力都比表面淬火的齿轮为高。但热处理变形大，精度要求较高时，最后一般要安排磨削。它适用于工作条件较为繁重、恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥中的齿轮。内燃机车、坦克、飞机上的变速齿轮的负载和工作条件比汽车的更重、更恶劣，要求材料的性能更高，应选用含合金元素高的合金渗碳钢，以获得•④精密传动齿轮或磨齿有困难的硬齿面齿轮(如内齿轮)主要要求精度高，热处理变形小，宜采用调质钢中的氮化钢，如35CrMo、38CrMoAlＡ等。热处理为调质及氮化处理，氮化后齿面硬度高达850～1200HV(相当于65～70HRC)，热处理变形极小，热稳定性好(在500～550℃仍能保持高硬度)，并有一定耐蚀性。其缺点是硬化层薄，不耐冲击，故不适用载荷频繁变动的重载齿轮，而多用于载荷平稳、润滑良好的精密传动齿轮或磨齿困难的内齿轮。•近年来，由于软氮化和离子氮化工艺的发展，使工艺周期缩短，选用钢种变宽，选用氮化处理的齿轮逐渐广泛。4.齿轮类零件的选材分析•（2）铸钢齿轮某些尺寸较大(如直径大于400mm)、形状复杂并受一定冲击的齿轮，其毛坯用锻造难以加工时，需要采用铸钢。常用碳素铸钢为ZG35、ZG45、ZG55等，载荷较大的采用合金铸钢如ZG40Cr、ZG35CrMo、ZG42MnSi等。•铸钢齿轮的热处理，通常是在切削加工前进行正火或退火，目的是消除铸造内应力，改善组织和性能的不均以提高切削加工性。一般要求不高、转速较慢的铸钢齿轮可在退火或正火处理后应用;要求耐磨性高的，可进行表面淬火(如火焰淬火)。•（３）铸铁齿轮一般开式传动齿轮较多应用灰铸铁制造。灰铸铁组织中的石墨能起润滑作用，减摩性较好，不易胶合，而且切削加工性能好，成本低。其缺点是抗弯强度差，性脆，不耐冲击。它只适用于制造一些轻载、低速、不受冲击并精度低的齿轮。常用的灰铸铁牌号有HT200、HT250、HT300等。在闭式齿轮传动中，有用球墨铸铁，如QT600-3、QT450-10、QT400-15等代替铸钢的趋势。•铸铁齿轮在铸后一般进行去应力退火或正火、回火处理，硬度在170～269HBW之间，为提高耐磨性还可进行表面淬火。4.齿轮类零件的选材分析•（4）有色金属材料齿轮在仪表中的或接触腐蚀介质的轻载齿轮，常用一些抗蚀、耐磨的有色金属型材制造。常见的有黄铜(如CuZn38、CuZn40Pb2)、铝青铜(如CuAl9Mn2、CuAl10Fe3)、硅青铜(CuSi3Mn1)、锡青铜(CuSn6P)。硬铝和超硬铝(如LY12、LC4)可制作重量轻的齿轮。•（5）粉末冶金齿轮粉末冶金齿轮材料可实现精密的少、无切削加工，特别是随着粉末热锻新技术的应用，所制造的齿轮力学性能优良，技术经济效益高。此类材料一般适用于大批量生产的小齿轮，如汽车发动机的定时齿轮（材料Fe-C0.9）、分电器齿轮（材料Fe-C0.9-Cu2.0）、农用柴油机中的凸轮轴齿轮（材料Fe-Cu-C）等。•（6）工程塑料齿轮在轻载、无润滑条件下工作的小型齿轮，可以选用工程塑料制造(如表7-2所示)。常用的有尼龙、聚碳酸酯、夹布层压热固性树脂等。工程塑料具有重量轻、摩擦系数小、减震、工作噪音小等特点，故适于制造仪表、小型机械的无润滑、轻载齿轮。其缺点是强度低，工作温度不能高，所以不能用作较大载荷的齿轮。5.典型齿轮的选材分析•（1）机床齿轮•机床齿轮一般说来，工作条件相对较好，转速中等、载荷不大、运行平稳、无强烈冲击，故对齿轮的表面耐磨性和心部韧度要求不很高。因此常选用调质钢如45、40Cr等制造。经正火或调质处理后再经感应加热表面淬火强化，齿面硬度可达50～58HRC，齿轮心部硬度为220～250HBW，完全可以满足性能要求。其加工工艺路线为:•下料→锻造→粗加工→正火→精加工→高频淬火+低温回火→精磨→成品（性能要求不高的齿轮），或者下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频淬火+低温回火→精磨→成品（性能要求较高的齿轮）。•极少数高速、重载、高精度或受冲击的齿轮，还可选用表面硬化钢中的氮化钢（如35CrMo、38CrMoAlA等）进行表面渗氮处理或者渗碳钢（如20CrMnTi、20Cr等）进行表面渗碳+淬火+低温回火处理。•一般机床齿轮的用材及热处理详见表7.3所示。表7-3机床齿轮的用材及热处理序号齿轮工作条件钢种热处理工艺硬度要求1在低载荷下工作，要求耐磨性好的齿轮15渗碳直接淬火法或一次淬火法（780℃水淬、180℃回火）58～63HRC2低速（＜0.1m/s）低载荷下工作的不重要变速箱齿轮和挂轮架齿轮45840℃～860℃正火156～217HBW3低速（＜1m/s）低载荷