农机具典型结构零件用材及热处理工艺研究论文供参考

农机具典型结构零件用材及热处理工艺研究论文供参考内容摘要：

（12）综合配件 粘结剂，密封胶，随车工具，汽车弹簧，塑料件。 （13）车身及附件 雨刮器，玻璃，安全带，安全气囊，仪表台板。 （14）维修设备 钣金设备，净化系统，拆胎机，校正仪。 （15）电动工具 电冲剪，热风枪，电动千斤顶，电动扳手。 机械零部件非常多，在下文中将介绍几种典型的汽车零部件。 2 农机具典型零部件用材及热处理工艺研究 零部件用钢的一般情况在汽车生产中，钢材仍是汽车制造的主要材料，约占总用材量的50%~70%[10]。 目前，世界各国汽车的发展都向减轻自重，降低材料和能源消耗，减少排放，提高安全性和循环经济的方向发展。 汽车用钢可以分为两大类，一类为钢板，它的用量大，多用于车身、车架和车轮，对它们的主要要求是满足使用要求的力学性能和满足冲压工艺要求的成形性能，这些性能绝大部分是通过钢厂的生产工艺（炼钢、轧钢和热处理）来得到的。 钢板到汽车厂后一般只进行冲压成形、焊接、涂装等生产工艺，不再进行改变钢板性能的热处理。 但是，为了了解钢板的性能及影响性能的因素以便合理的选用，对钢板的生产过程也要有所了解。 近来，钢板受到铝材和高分子材料的严重挑战，为了减轻汽车自重，轿车车身可以采用铝板和SMC复合材料制造，并有逐步扩大其应用范围的趋势。 面对挑战，钢铁工业并没有退缩，采取了强有力的对策，全球多家钢铁企业参加了“钢制超轻汽车车身（Ultralight Steel Auto Body）ULSAB”开发项目，他们自1999年与汽车厂实施合作以来，取得了丰硕成果，广泛采用无间隙原子钢（IF钢）及以它为基础的高强度钢、烘烤硬化钢（BH钢）、双相钢（DP钢）和相变诱导塑性钢（TRIP钢），不但提高了冲压成形性能、冲制出形状复杂的零件，而且提高了强度以满足汽车零件的使用要求，并提高了其使用寿命，提高汽车碰撞时吸收能量的性能以增加安全性，同时减轻了汽车的自重，从而降低了油耗，重量由1147kg降至933kg[11]。 另一类钢材为各种结构钢棒材，这些钢材在汽车上用于受力的结构零件，如轴类、齿轮等。 它们在汽车厂还要经过锻造、切削加工和热处理等生产工序，最终的力学性能通过汽车厂的生产工艺来得到，但也受到钢材的本质性能（如化学成分、纯净度、稳定性、淬透性和晶粒度等）的影响。 近来，钢厂在生产这类钢材时采用炉外精炼，真空处理，微机控制生产工艺等措施来提高钢材的本质性能。 对上述两大类钢材，国内钢厂和汽车厂多年来进行了许多研发工作，特别是近十多年来我国先后从国外引进了许多轿车车型和载货汽车车型，并建立了一些合资企业，对这些车型所用钢材的国产化，钢厂与汽车厂合作进行了大量的新钢种开发工作，取得了显著的成果，很多钢种已成功地实现了国产化，对上述工作进行总结并介绍给国内有关单位可能起到参考作用[12]。 轴类零件用材及热处理工艺 轴类零件材料的选材方法轴是机械设备中最为重要和非常关键的零件之一，轴质量的好坏直接影响和决定着机器的精度和寿命，其作用主要是支承传动零件、承受各种载荷、传递运动和动力[13]。 因此轴材料的合理选择是设计、生产和维修中的一个重要环节，同一轴如果采用不同材料制造，则轴的尺寸、结构、加工方法、工艺要求都会有所不同。 机械轴常用的材料有中碳钢、合金钢、铸钢、铸铁等材料。 在轴的选材过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应轴的使用性能，使轴经久耐用，而且要求材料有较好的工艺性能和经济性，以便提高轴的寿命和生产率，减少消耗，从而降低综合成本。 因此，如何合理地选择和使用轴的材料是一项十分重要的工作[14]。 （1）轴类零件材料的使用性能系统地分析一个零件的受力状况、工作环境，深入地了解该零件的主要失效形式，是选择材料的根本依据。 由于各种轴类零件的工作条件不同、承受的负荷不同，因此对材料的力学性能也有不同的要求。 如设计发动机曲轴时，工况分析表明，该轴主要承受扭转与弯曲的交变负荷，并以扭转为主，轴颈磨损和疲劳断裂是主要的失效形式，同时还要注意曲轴形状的复杂性和油孔的存在，选用的材料要具有较小的应力集中敏感性，足够的抗扭转疲劳|生能及良好的耐磨性能；如设计发动机连杆时，工况分析表明，该零件是作复合平面运动的，除受拉压应力外，还受弯曲应力，这些应力带有剧烈冲击和反复交变的特性，因此疲劳断裂是主要的损坏形式，应以拉压疲劳断裂抗力为选用材料的主要依据。 一般设计者参考或依据的材料机械性能指标是对样品进行试验获得的，该样品形状简单，表面光滑，而实际零件形状多变，受力复杂，因此这些指标依据并不能完全反映装机零件在使用中的实际性能，造成两者在应力状况、载荷模拟及使用形态等方面有很大的差异[15]。 为此，对于某一轴类零件，应视其特定的使用条件进行具体的分析。 （2）轴类零件的工艺性能选择材料时，不能只单纯依据使用性能指标，材料的工艺性能也是必须考虑的一个重要因素，因为材料的工艺性能好坏，直接决定了零件加工的难易程度、生产效率和成本。 当材料的工艺性能和使用性能发生矛盾时，往往重视对工艺性能的要求，而放弃力学性能较佳的材料，这对于大量流水生产的轴类零件来说，大部分是经过锻造成型、切削加工和热处理后制成的，因此生产流程中的工艺性更为重要。 a)锻造性能：钢材加热到锻造温度时，其塑性变形的能力决定着工件成型的难易，也影响锻模使用寿命。 锻造工艺希望钢材高温塑性好，成型后表面的氧化皮疏松。 b)切削性能：钢材的切削性能决定着将其加工成一定形状的零件，并达到所要求的粗糙度的难易程度。 一般说材料的断裂抗力越低，塑性越好，韧性越低，切削性能越好。 c)热处理工艺性能：材料的热处理工艺性能包括淬透|生、变形开裂倾向、过热敏感性、回火膪|生倾向和氧化脱碳倾向等[16]。 d)零件生产的经济性和实现先进工艺的可能性：生产一种轴类零件，在满足使用性能和加工工艺要求的前提下，选用的材料还应注意降低零件的总成本，同时在零件加工过程中，还需考虑采用先进工艺的可能性。 （3）一般选材方法选择材料时必须以零件的具体使用条件为依据，常用的轴类零件一般参考同类型产品的有关情况和主要失效形式，分析主要与次要的抗力指标来选择材料。 设计新型的轴类零件，必须按照上述各项原则进行系统的试验分析，综合确定该零件的主要失效抗力指标。 一般选用材料的常用方法为：a)分析轴件的工作条件、应力状态，确定零件的技术要求b)通过试验分析，结合同类型产品的失效形式，确定该零件的主要失效抗力指标。 c）根据所要求的主要机械性能，正确选择钢材。 d)综合考虑选用的钢材能否满足零件的主要失效抗力指标和生产工艺性能要求。 e)审核所选材料生产零件的经济|生和实现新工艺、新技术的可能性。 f)提出所选材料在供应状态下的技术条件。 常用轴类零件材料轴类零件材料常用普通碳素钢，如35和45钢。 45号钢广泛用于机械制造，这种钢的机械性能很好。 但是这是一种中碳钢，淬火性能并不好， 45号钢可以淬硬至HRC42~46。 所以如果需要表面硬度，又希望发挥45＃钢优越的机械性能，常将45＃钢表面渗碳淬火，这样就能得到需要的表面硬度。 45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45～52HRC。 精度较高的轴可选用40Cr、轴承钢GCr1弹簧钢65Mn，也可选用球墨铸铁。 40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。 轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50～58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。 对高速、重载的轴，一般选用40CrNi、40MnB、20Cr等低碳合金钢或38CrMoAl氮化钢。 精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化钢。 这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。 与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更高的特性。 下面详细介绍这几个钢种。 普通碳钢材料（345）及热处理工艺（1）轴类零件的毛坯和材料轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。 对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。 根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。 中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。 轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。 （1）35号钢35号优质碳素结构钢有良好的塑性和适当的强度，工艺性能较好，焊接性能尚可，大多在正火状态和调质状态下使用。 35号钢广泛用于制造各种锻件和热压件、冷拉和顶锻钢材，无缝钢管、机械制造中的零件，如曲轴、转轴、轴销、杠杆、连杆、横梁、套筒、轮圈、垫圈以及螺钉、螺母等。 其化学成分如表所示。 表2 35钢化学成分成分碳 C硅Si锰 Mn硫S磷P铬Cr镍Ni铜Cu含量~~~≤≤≤≤≤35钢的力学性能如下：抗拉强度σb (MPa)：≥530(54)；屈服强度σs (MPa)：≥315(32)；伸长率δ5 (％)：≥20 断面收缩率 ψ (％)：≥45 冲击功 Akv (J)：≥55 冲击韧性值 αkv (J/cm2)：≥69(7) 硬度 ：未热处理≤197HB 试样尺寸：试样尺寸为25mm35钢热处理工艺为870℃正火，然后850℃淬火，600℃回火。 热处理后的金相组织为铁素体+珠光体。 （3）45钢45号钢为优质碳素结构用钢，硬度不高易切削加工，模具中常用来做模板，梢子，导柱等，但须热处理。 调质处理后零件具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。 但表面硬度较低，不耐磨。 可用调质＋表面淬火提高零件表面硬度。 一般用于表面耐磨、芯部耐冲击的重载零件，其耐磨性比调质＋表面淬火高。 －－％，－－％（％）。 经热处理后，表面可以获得很高的硬度（HRC58－－62），芯部硬度低，耐冲击。 45号钢含碳（C）~%，~%，~%，Cr含量=%。 45号钢处理工艺为850℃正火，840℃淬火，然后600℃。 45号钢不要采用渗碳淬火的热处理工艺。 如果用45号钢渗碳，淬火后芯部会出现硬脆的马氏体，失去渗碳处理的优点。 现在采用渗碳工艺的材料，含碳量都不高，％芯部强度已经可以达到很高，应用上不多见。 ％从来没见过实例，只在教科书里有介绍。 可以采用调质＋高频表面淬火的工艺，耐磨性较渗碳略差。 20Cr材料及热处理工艺与15Cr钢相比，20Cr有较高的强度及淬透性，在油中临界淬透直径达4 ～22mm，在水中临界淬透直径达11～40mm，但韧性较差，此钢渗碳时仍有晶粒长大倾向，降温直接淬火对冲击韧性影响较大，所以渗碳后需二次淬火以提高零件心部韧性，无回火脆性；钢的冷应变塑性高，可在冷状态下拉丝；可切削性在高温正火或调质状态下良好，但退火后较差；焊接性较好，焊后一般不需热处理，但厚度大于15mm的零件在焊前需预热到100～150℃。 这种钢大多用于制造心部强度要求较高，表面承受磨损、截面在30mm以下的或形状复杂而负荷不大的渗碳零件(油淬)，如：机床变速箱齿轮、齿轮轴、凸轮、蜗杆、活塞销、爪形离合器等；对热处理变形小和高耐磨性的零件，渗碳后应进行高频表面淬火，如模数小于3的齿轮、轴、花键轴等。 此钢也可在调质状态下使用，用于制造工作速度较大并承受中等冲击负荷的零件，这种钢还可用作低碳马氏体淬火用钢，更进一步增加钢的屈服强度和抗拉强度(～)。 20Cr的含碳量为：C：～；Si：～；Mn：～；Cr：～。 40Cr材料及热处理工艺中碳调制钢，冷镦模具钢。 该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。 正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。 在温度550~570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。 该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。 40Cr钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节、后半轴以及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮、主轴、油泵转子、滑块、套环等；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆、 螺钉、螺帽、进气阀等。 此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴。 化学成分为（质量分数，%）：C ~、Si ~、Mn ~、~、Ni≤。 40Cr的力学性能及热处理如下：试样毛坯尺寸（mm）：25 热处理： 第一次淬火加热温度（℃）：850；冷却剂：油 第二次淬火加热温度（℃）： （写出温度 ）回火加热温度（℃）：520；冷却剂：水、油 抗拉强度（σb/MPa）：≧980 屈服点（σs/MPa）：≧785 断后伸长率（δ5/%）：≧9 断面收缩率（ψ/%）：≧45 冲击吸收功（Aku2/J）：≧47 布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：≦20740Cr的淬火工艺为：淬火850℃，油冷；回火520℃，水冷、油冷。 40Cr表面淬火硬度为HRC5260，火焰淬火能达到HRC4855。 40Cr可以进行氮化处理，属于可氮化钢，其所含元素有利于氮化。 40Cr经氮化处理后可获得较高的表面硬度，40Cr调质后氮化处理硬度最高能达到HRA72~78，即HRC43~55。 氮化工件工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。 由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所。