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，主要起支承传动件和传递转矩的作用，其工作条件为：（1）承受交变载荷、交变弯曲载荷或拉—压载荷。

（2）局部（轴颈、花键等处）承受摩擦和磨损。

（3）特殊条件下受高温或介质作用。

主轴的失效形式主要是疲劳断裂和轴颈处磨损，有时也发生冲击过载断裂，个别情况下发生塑性变形或腐蚀失效。

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，因此必须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，即较高的屈服强度和抗拉强度、较高的韧性，以防塑性变形及过载或冲击载荷作用下的折断和扭断。

（4）局部承受摩擦的部位具有高硬度和耐磨性，以防磨损失效。

（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同工作要求的机床主轴，其性能要求是不同的，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同．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一般精度要求的工件加工．机床主轴通常采用滚动轴承支承，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，一般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．从几何精度要求和经济性两方面考虑，主轴的加工一般采用车削基础上的磨削工艺来实现，可见，主轴用材必须同时具有良好的车削工艺性和磨削工艺性．3.1.1主轴选材依据主轴的工作环境和工作要求，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热处理工艺一般首先采用整体表面淬火或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，硬度一般可控制在42—47HRC，45—50HRC 或48—53HRC等3种状态．在工程实际中，有时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。

，55，50Cr，65Mn等结构钢，其淬火后低温回火的硬度可达52—57HRC。

3.2精密机床主轴的选材及热处理工艺在精密机床上加工的工件精度要求很高，因此精密机床主轴的工作精度要求就更高．为提高机床的使用效率和降低使用成本，同时要求主轴工作精度具有持久的保持性，因此，在进行主轴支承设计时，常采用定心精度很高的动压、静压或动静压滑动轴承支承．从理论上分析，静压轴承支承时主轴颈与轴瓦是不接触的，动压轴承支承时主轴颈仅在启动阶段与轴瓦接触，因此其支承方式极有利于主轴回转精度的持久保持．但在实际运行时，因受运动副几何精度、不平衡力、热变形、冲击载荷、振动等动、静态因素的影响，轴颈支承油楔的刚性并非很稳定，主轴回转中心的漂移运动始终存在，主轴颈与支承轴瓦的直磨损并不能完全避免．为此，必须通过合理的选材及热处理来保证主轴颈的耐磨性和几何精度的稳定性．3.2.1主轴选材依据主轴的使用要求和工作环境，精密机床主轴材料通常选用下列4类：1) 合金渗氮钢：常用牌号38CrMoAIA；2) 合金工具钢：常用牌号9Mn2V；3) 滚动轴承钢：常用牌号GCrl5；4) 合金渗碳钢：常用牌号20Cr，20CrMnTi．3.2.2热处理工艺1) 38CrMoAlA．热处理工艺：退火一调质一高温除应力一渗氮。

退火：完全退火，消除锻造应力，在切削加工前进行；调质：930℃*3 h油或水冷，650℃*5～6 h高温回火，HB265～295，金相检查离表面10mm 处铁素体量小于5％，在外圆精车前进行；高温除应力：630℃*5 h炉冷，350℃出炉风冷，消除切削加工引起的残余应力，在粗磨外圆后进行；渗氮：500℃～520℃*5 h+550℃～560℃*25 h二段氮化，氮化层深度不小于0．45 mm，硬度大于950HV，脆化不大于2级，在外圆精磨前进行．2) 9Mn2V．热处理工艺：球化退火一调质一中频淬火一人工时效．球化退火：760 ℃*4 h或690℃*6 h，球化1.5～5级，网络1～3级，在切削加工前进行；调质：800℃*3 h油冷，630℃～650℃高温回火，HB250±30，在外圆精车前进行；中频淬火：2 500周连续加热冷却，有明显变形时校直，850℃水冷，过冷度小于5 mm，淬硬层3～5 mm，180℃*8 h低温回火，在外圆精车后进行；人工时效：160℃*12～24 h，在外圆精磨前进行．二、齿轮类零件1、齿轮的工作条件和失效形式齿轮是应用广泛的机械零件，主要起传递扭矩、变速或改变传力方向的作用。

其工作条件是：（1）传递扭矩时齿根部承受较大的交变弯曲应力。

（2）齿啮合时齿面承受较大的接触压应力并受强烈的摩擦和磨损。

（3）换挡、起动、制动或啮合不均匀时承受一定冲击力。

齿轮的失效形式主要是齿的折断（包括疲劳断裂和冲击过载断裂）和齿面损伤（包括接触疲劳麻点剥落和过度磨损）。

2、性能要求根据齿轮的工作条件和失效形式，齿轮材料应具有如下性能：（1）高的抗弯疲劳强度，以防齿轮疲劳断裂。

（2）足够高的齿心强度和韧性，以防齿轮过载断裂。

（3）足够高的齿面接触疲劳强度和高的硬度及耐磨性，以防齿面损伤。

（4）较好的工艺性能，以便于制造和热处理等。

3、齿轮的选材及热处理齿轮用材绝大多数是钢（锻钢与铸钢），某些开式传动的齿轮可用铸铁，特殊情况下还可采用有色金属和工程塑料。

确定齿轮用材的主要依据是：齿轮的传动方式（开式或闭式）、载荷性质与大小（齿面接触应力和冲击负荷等）、传动速度（节圆线速度）、精度要求、淬透性及齿面硬化要求、齿轮副的材料及硬度值的匹配情况等。

（1）钢制齿轮钢制齿轮有型材和锻件两种毛坯形式。

一般锻造齿轮毛坯的纤维组织与轴线垂直，分布合理，故重要用途的齿轮都采用锻造毛坯。

钢制齿轮按齿面硬度分为硬齿面和软齿面：应齿面硬度＜350HBW为软面；齿面硬度＞350HBW为硬齿面。

1）轻，低、中速，冲击力小，精度较低的一般齿轮，选用中碳钢（如Q255、Q275、40、45、50、50Mn等）制造。

常用正火或调质等热处理制成软齿面齿轮，正火硬度为160~200HBW；调质硬度一般为200~280HBW(≤350HBW)。

此类齿轮硬度适中，齿形加工可在热处理后进行，工艺简单，成本低。

主要用于标准系列减速箱齿轮，以及冶金机械、重型机械和机床中的一些次要齿轮。

2）中载，中速、受一定冲击载荷、运动较为平稳的齿轮，选用中碳钢或合金调质钢（如45、50Mn、40Cr、42SiMn等）制造。

其最终热处理采用高频或中频及低温回火．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。

大多数机床齿轮属于这种类型。

3）重载，中、高速，且受较大冲击载荷的齿轮，选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢（如20Cr、20MnB、20CrMnTi、30CrMnTi等）制造。

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．因淬透性高，齿心部有较高的强度和韧性。

这中齿轮的表面耐磨性、抗接触疲劳强度、抗弯强度及心部的抗冲击能力都高于表面淬火的齿轮，但热处理变形较大，在精度要求较高时应安排磨削加工。

主要用于汽车、拖拉机变速箱和后桥中。

内燃机车、坦克、飞机上的变速齿轮，其负载和工作条件比汽车的更重要、更苛刻，对材料的性能要求更高，应选用含合金元素较多的渗碳钢（如20Cr2Ni4\18Cr2Ni4W A）制造，以获得更高的强度和耐磨性。

4）精密传动齿轮或磨齿有困难的硬齿面齿轮(如内齿轮)，要要求精度高，热处理变形小，宜采用氮化钢（如38CrMoAl等）制造。

热处理采用调质及氮化。

氮化后齿面硬度高达850～1 200H V (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，不适用重载齿轮，多用于载荷平稳精密传动齿轮或磨齿困难的内齿轮。

（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ZG270—500、ZG310—570、ZG340—640等。

载荷较大的采用合金铸钢，ZG40Cr、ZG35CrMo、ZG42MnSi等。

铸钢齿轮通常是在切削加工前进行正火或退火，以消除铸造内应力，改善组织和性能的不均，从而提高切削加工性。

要求不高、转速较慢的铸钢齿轮，可在在退火或正火处理后应用；对耐磨性要求较高的，可进行表面淬火（如火焰淬火）。

（3）铸铁齿轮灰铸铁可用于制造开式传动齿轮，常用的牌号有HT200、HT250\HT300等。

灰铸铁组织中的石墨能起润滑作用，减摩性较好，不易胶合，切削加工性能好，成本低。

其缺点是抗弯强度差，性脆，耐冲击性差。

只适用于制造一些轻载、低速、不受冲击的齿轮。

由于球墨铸铁的强韧性较好，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。

铸铁齿轮在铸造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）有色金属齿轮对仪表齿轮或接触腐蚀介质的轻载齿轮，常用抗蚀、耐磨的有色金属型材制造。

常见的有黄铜（如H62）、铝青铜（如QA19—4）、硅青铜（如QSi3—1）、锡青铜（QSn6.5—0.1）。

硬铝和超硬铝（如2A12、7A04）可制作轻质齿轮。

另外，对蜗轮蜗杆传动，由于传动比达、承载力大，常用锡青铜制作蜗轮（配合钢制蜗杆），以减摩、减少咬合和黏着现象。

（5）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。

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，适用于制造仪表、小型机械的无润滑、轻载齿轮。

其缺点是强度低，工作温度较低，不宜用于制作承受较大载荷的齿轮。

（6）粉末冶金材料齿轮这种齿轮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）、农用柴油机的凸轮轴齿轮（材料Fe-Cu-C）、联合收割机中的油泵齿轮等。