森記課件之汽車零件選材技校汽修專業(yè)版本補(bǔ)充.ppt

汽車零件選材,潘 森 (技校汽修專業(yè)版本補(bǔ)充） 2010.06.21,任務(wù)一：選擇制造發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的材料,發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的作用是把發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)的扭矩輸出，可以說，五種形式的載荷就有了三種（拉伸、壓縮和扭轉(zhuǎn)），服役條件也算是苛刻了。連桿正常使用應(yīng)為25104Km，因此，必須具有較高的強(qiáng)度和韌性，才能使之達(dá)到的壽命設(shè)計(jì)。因此，為其選擇合適的材料是至關(guān)重要。 說明：金屬材料的“服役時(shí)間”單位一般取小時(shí)，但也視材料應(yīng)用時(shí)的受力狀態(tài)而言，如有時(shí)取“次數(shù)”（受彎狀態(tài)），這里取汽車的行走里程（Km),數(shù)據(jù)也很保守。,選材思路： 1.由于有活塞的遮蓋，工作環(huán)境溫度場(chǎng)最高不大于750；也由于有潤滑油的潤滑和冷卻，連桿大、小頭溫度場(chǎng)相差小于100，故不必作專門的溫度影響考慮。 2.由于活塞的速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律是“0max0”,故連桿的受力形式是“規(guī)律性變幅循環(huán)應(yīng)力”，要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的校核。 3.由于發(fā)動(dòng)機(jī)有專門的配重設(shè)計(jì)，故不必考慮過多振動(dòng)問題，倒是要在連桿的截面形狀上選取合理的高剛度形狀來解決扭轉(zhuǎn)載荷問題。 4.設(shè)計(jì)時(shí)作“承受載荷較大的金屬結(jié)構(gòu)件”（各種機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)包括我們的課本的有關(guān)圖表）考慮選材的力學(xué)性能指標(biāo)（主要是抗拉強(qiáng)度b ）。,綜合上述，制造發(fā)動(dòng)機(jī)連桿的材料有優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼。對(duì)于速度高、受力較大的連桿，應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)碳素鋼，如45鋼等。當(dāng)然，也可使用40、50、45Mn、35CrMo、42CrMo、40Cr合金鋼用模鍛工藝制造 （課本P51 ） 。 實(shí)際生產(chǎn)中的一般情況是（考慮到相當(dāng)大的安全系數(shù)），受力小使用狀態(tài)下選用鑄鋼，受力大使用狀態(tài)下則選用高標(biāo)號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鍛打成型（模鍛）；兩種選材都采用零件的截面為“工”字型，這是除了“箱型”的截面外，抗彎和抗扭能力最好的截面形狀了。 順便說說，連桿螺栓及螺母、曲軸軸瓦蓋螺栓使用材料為：40CrA,35CrMo,40MnB（調(diào)質(zhì)）；正常使用壽命為10104Km。,任務(wù)二：對(duì)絲錐進(jìn)行淬火處理,一、鋼的淬火 淬火就是將鋼加熱到AC3或AC1以上某一溫度，保持一定時(shí)間，然后以適當(dāng)?shù)臏囟壤鋮s，獲得馬氏體或下貝氏體的熱處理工藝。主要目的是為了獲得馬氏體組織，提高鋼的硬度和強(qiáng)度。 絲錐是一種常用的切削刀具，要求具有高的硬度、耐磨性及較高的精度。 手用絲錐的熱硬性不作要求，選用T10A 和T12A鋼（碳素工具鋼）制造，并經(jīng)淬火和低溫回火。機(jī)用絲錐要求有較高的熱硬性，可選用9SiCr、9Mn2V、CrWMn鋼或W18Cr4V鋼（合金工具鋼）制造。 由于絲錐用于手工操作的為多，操作的不規(guī)范（左右手動(dòng)作不均衡等），它的柄部和心部承受較大的不均勻的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，有一個(gè)掌握淬火深度的問題。,二、淬火加熱溫度的選擇 這種選擇要具體看鋼種，如果是結(jié)構(gòu)鋼，下圖是鐵碳平衡圖的一部分，可以根據(jù)鋼種的含碳量查到適用的加熱溫度。但是如果絲錐是工具鋼或高速鋼，就要注意以下幾點(diǎn)： 1.淬火溫度范圍 工具鋼的淬火溫度應(yīng)足夠?qū)?，以減少過熱的可能性。,2.熱處理變形性 工具在熱處理時(shí)，特別要求其尺寸和外形穩(wěn)定。 3.高速工具鋼二次硬化問題 高速工具鋼的淬火溫度很高，接近熔點(diǎn)，其目的是使合金碳化物更多的溶入基體中，使鋼具有更好的二次硬化能力。高速工具鋼淬火后硬度升高，此為第一次硬化，但淬火溫度越高，則回火后的強(qiáng)度和韌性越低。 淬火后在350以下低溫回火硬度會(huì)下降，在350以上溫度回火硬度逐漸提高，至520580范圍內(nèi)回火（化學(xué)成分不同，回火溫度不同）出現(xiàn)第二次硬度高峰，并超過淬火硬度，此為二次硬化。 這是高速工具鋼的重要特性。 4.脫碳敏感性 如果工具表面發(fā)生脫碳，將使表面層硬度降低，因此要求工具鋼的脫碳敏感性低。在相同的加熱條件下，鋼的脫碳敏感性取決于其化學(xué)成分。,三、淬火冷卻速度和冷卻介質(zhì)的選擇（見前面已介紹的“馬氏體問題”） 冷卻速度是淬火工藝的關(guān)鍵。冷卻速度，奧氏體會(huì)分解而得不到馬氏體；冷卻速度，對(duì)于某些鋼材和工件又容易淬裂。一種正好能獲得全部（當(dāng)然只能是絕大部分）馬氏體所必需的最低冷卻速度，稱為“臨界冷卻速度”。 淬火的臨界冷卻速度隨鋼種的不同而異。合金鋼的臨界冷卻速度較低，可以在油中淬火以防淬裂；高碳鋼的臨界速度較高，需在水中淬火；至于低碳鋼，由于臨界速度太高，一般無法淬硬。,四、鋼的淬透性和淬硬性 工廠常見有“淬透性與淬硬性是一個(gè)指標(biāo)的兩種理解”的說法這個(gè)問題不能似是而非： 淬透性是一種熱處理工藝指標(biāo)，表征為工件淬火后生成馬氏體的深（厚）度，因此計(jì)量單位為長度單位； 淬硬性則表征為工件淬火后的硬度，計(jì)量單位自然是硬度單位。兩者不能混淆。例如低碳合金鋼淬透性好，但其淬硬性卻不高；高碳非合金鋼的淬硬性高，但其淬透性卻差。 工廠經(jīng)常也有“由于低碳鋼里碳的成分太少，所以淬不硬”的說法，剛才已指出無法淬硬的原因是由于低碳鋼的臨界速度太高，所以這種說法是錯(cuò)誤的。,第三，不同批次淬火的工件，因淬火介質(zhì)的溫度和相對(duì)流速變化等原因引起的不均勻性。 第四，長期生產(chǎn)中，因介質(zhì)受污染，加上淬火介質(zhì)本身的變化，所引起的不同時(shí)期的淬火效果上的差異。因此，現(xiàn)代熱處理大生產(chǎn)的淬火冷卻技術(shù)，要求在單件淬火冷卻技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過采用高質(zhì)量的冷卻介質(zhì)、與介質(zhì)配套的設(shè)備，以及相關(guān)的用法技術(shù)，來消除或減小上述四方面的性能差異，以保證獲得更高的和始終穩(wěn)定的熱處理質(zhì)量。,實(shí)例：絲錐和板牙 一、絲錐和板牙的作用 絲錐的作用是加工內(nèi)螺紋；板牙的作用是加工外螺紋。 二、工作條件 柄部和心部承受較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，齒刃部承受較大的摩擦和磨損，高速切削時(shí)齒刃部還要承受較高的工作溫度。 三、失效形式 磨損和扭斷。 四、力學(xué)性能要求 齒刃部應(yīng)具有高硬度（5964HRC）和高耐磨性，一定的熱硬性（視切削速度而定）；柄部和心部應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，硬度為3545HRC。,五、任務(wù)的結(jié)論 絲錐和板牙的常用材料及熱處理 1.手用絲錐和板牙 熱硬性不作要求，選用T10A 和T12A鋼（碳素工具鋼）制造，并經(jīng)等溫淬火和低溫回火。 2.機(jī)用絲錐和板牙 要求有較高的熱硬性，可選用9SiCr、9Mn2V鋼（低合金刃具鋼）CrWMn（專門用于制造長絲錐的低合金刃具鋼）或W18Cr4V鋼（高速鋼）制造，并經(jīng)淬火和低溫回火。,9SiCr 鋼板牙熱處理工藝曲線,板牙,按厚度計(jì)算保溫時(shí)間,任務(wù)三：為汽車變速齒輪選取表面熱處理方法,汽車變速齒輪的工作條件遠(yuǎn)比機(jī)床齒輪惡劣，特別是主傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪，它們受力較大，超載與受沖擊頻繁，用20鋼制造汽車變速齒輪，要求輪齒表面須有高硬度和耐磨性，而心部要有足夠的塑性和韌性，以防止脆性斷裂。為滿足其性能要求，必須對(duì)其進(jìn)行表面熱處理。 下面介紹表面熱處理方法。,一、火焰加熱表面淬火生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),二、感應(yīng)加熱表面淬火示意圖,由于感應(yīng)加熱淬火的淬硬層深度與電流頻率有關(guān)電流頻率越高，淬火后工件淬硬層越薄，工廠一般根據(jù)常用電流頻率，把感應(yīng)加熱分為三種： 高頻感應(yīng)加熱常用頻率200300kHz，脆硬層深度0.52.5mm，適用于中小尺寸軸類零件及中小模數(shù)的齒輪等。 中頻感應(yīng)加熱常用頻率25008000Hz，脆硬層深度38mm，適用于較大尺寸的軸和大中模數(shù)的齒輪等。 工頻感應(yīng)加熱電流頻率50kHz，脆硬層深度1020mm，適用于大直徑軋輥、火車車輪等的表面淬火。,三、化學(xué)熱處理 化學(xué)熱處理是把工件放在一定的介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表層，改變表層化學(xué)成分和組織，從而達(dá)到使工件表面具有某些特殊的機(jī)械性能或物理化學(xué)性能的熱處理工藝。 化學(xué)熱處理依照滲入的元素的不同，有滲碳（分氣、液、固體法，甲烷、苯、煤油等）、滲氮（分氣、液、離子法，常用氨氣）、碳氮共滲（又稱“氰化”，其中以滲氮為主、滲碳為次稱為“軟氮化”）等。 任何化學(xué)熱處理過程，都是通過分解、吸收和擴(kuò)散三個(gè)基本過程。其中，擴(kuò)散是最慢的一個(gè)過程，整個(gè)化學(xué)熱速度受擴(kuò)散速度所控制。,1.滲碳工藝：加熱通入介質(zhì)（煤油）保溫淬火低溫回火。可獲得工件表面高硬度和耐磨性。 低碳鋼滲碳后，表面層含碳量以0.85-1.05為最好。滲碳層厚度一般為0.5-2.5mm。太薄易引起表面疲勞剝落，太厚抗沖擊能力差。 2.滲氮工藝：加熱通入氨氣（形成工廠叫）“白層” 保溫?？色@得的硬度、耐磨性更高，特別是提高疲勞強(qiáng)度，工件也不必再熱處理，變形也小，但滲層薄而脆。 應(yīng)用最廣泛的氮化用鋼為38CrMoAl，這些元素易形成硬度極高且非常穩(wěn)定的氮化物。氮化厚表層的硬度為HRC72。 滲氮后的缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長，0.3-0.5mm需要20-50小時(shí)。 3.碳氮工藝：加熱（高溫適用于低碳和低合金鋼，高溫適用于中碳和高速鋼）加入氨氣和滲碳?xì)怏w保溫。,滲碳工藝生產(chǎn)車間,滲碳后的熱處理： 滲碳后的熱處理方法有：直接淬火法、一次淬火法和二次淬火法。,滲碳后的淬火和低溫回火示意圖,滲氮工藝生產(chǎn)車間,四、離子滲氮裝置,五、任務(wù)的結(jié)論 實(shí)例：JN150型載重汽車變速箱齒輪 1.工作條件: 工作負(fù)荷大； 高速運(yùn)轉(zhuǎn) ( 1015m/s以上 )； 受沖擊頻繁,磨損較嚴(yán)重。 2.技術(shù)要求: 齒面硬度HRC5862, 金相組織為回火馬氏體+合金碳化物+殘余奧氏體。 齒心部硬度HRC3545, 金相組織為回火馬氏體(低碳)+鐵素體+細(xì)珠光體。 3.選材: 20鋼。 4.加工工藝路線： 下料鍛造正火機(jī)械加工滲碳淬火低溫回火噴丸磨齒,20CrMnTi 鋼制造齒輪的熱處理工藝曲線,臨界冷卻速度降低，提高了鋼的淬透性，這樣就可采用較小的冷卻速度得到馬氏體，從而避免了由于冷卻速度過大而引起的變形和開裂。,汽車變速箱齒輪工作圖,任務(wù)四：選擇制造齒輪的材料,很多傳動(dòng)系統(tǒng)（如挖掘機(jī)械、軋鋼設(shè)備等）的齒輪，它們受力較大，超載與受沖擊頻繁，因此對(duì)材料的要求很高。由于彎曲與接觸應(yīng)力都很大，用高頻淬火強(qiáng)化表面不能保證要求，所以重要齒輪都用滲碳、淬火進(jìn)行強(qiáng)化處理。因此這類齒輪一般都用合金滲碳鋼20Cr或20CrMnTi等制造，特別是后者在我國汽車齒輪生產(chǎn)中應(yīng)用最廣。為了進(jìn)一步提高齒輪的耐用性，除了滲碳、淬火外，還可以采用噴丸處理等表面強(qiáng)化處理工藝。噴丸處理后，齒面硬度可提高HRC13單位，耐用性可提高711倍。 下面先介紹齒輪的失效情況。,一、齒輪的失效發(fā)生在輪齒，其他部位很少發(fā)生失效。輪齒主要失效形式有以下五種： 1.輪齒折斷； 2.齒面點(diǎn)蝕（齒面接觸疲勞磨損）； 3.齒面膠合； 4.齒面磨粒磨損； 5.齒面塑性變形。,齒面損傷,1輪齒折斷 齒輪工作時(shí),若輪齒危險(xiǎn)剖面的應(yīng)力超過材料所允許極限值，輪齒將發(fā)生折斷。常發(fā)生于閉式硬齒面或開式傳動(dòng)中。位置：均始于齒根受拉應(yīng)力一側(cè)。,原因： 疲勞折斷：A.輪齒受多次重復(fù)彎曲應(yīng)力作用，齒根受拉一側(cè)產(chǎn)生疲勞裂紋。 B. 齒根應(yīng)力集中(形狀突變、刀痕等)，加速裂紋的擴(kuò)展最終折斷。 過載折斷：受沖擊載荷或短時(shí)過載作用，突然折斷，尤其見于脆性材料（淬火鋼、鑄鋼、鑄鐵）齒輪。,2.齒面點(diǎn)蝕（齒面接觸疲勞磨損） 常出現(xiàn)在潤滑良好的閉式軟齒面?zhèn)鲃?dòng)中?，F(xiàn)象：節(jié)線靠近齒根部位出現(xiàn)麻點(diǎn)狀小坑。原因： 齒面受多次交變應(yīng)力作用，產(chǎn)生接觸疲勞裂紋；節(jié)線處常為單齒嚙合（重疊系數(shù)正常的1.3），接觸應(yīng)力大；節(jié)線處為純滾動(dòng)，靠近節(jié)線附近滑動(dòng)速度小，油膜不易形成，摩擦力大，易產(chǎn)生裂紋。潤滑油進(jìn)入裂縫，形成封閉高壓油腔，楔擠作用使裂紋擴(kuò)展。（油粘度越小，裂紋擴(kuò)展越快）。,3.齒面膠合 在高速重載傳動(dòng)中，由于齒面嚙合區(qū)的壓力很大，潤滑油膜因溫度升高容易破裂，造成齒面金屬直接接觸，其接觸區(qū)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，致使兩輪齒表面焊粘在一起，當(dāng)兩齒面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使較軟的齒面金屬被撕下，在輪齒工作表面形成與滑動(dòng)方向一致的溝痕，這種現(xiàn)象稱為齒面膠合。現(xiàn)象：齒面沿滑動(dòng)方向粘焊、撕脫，形成溝痕。原因： 高速重載油膜破壞,表面金屬直接接觸，融焊相對(duì)運(yùn)動(dòng)撕裂、溝痕。低速重載不易形成油膜冷膠合。,4.齒面磨損 互相嚙合的兩齒廓表面間有相對(duì)滑動(dòng)，在載荷作用下會(huì)引起齒面的磨損。尤其在開式傳動(dòng)中，由于灰塵，砂粒等硬顆粒容易進(jìn)入齒面間而發(fā)生磨損。齒面嚴(yán)重磨損后，輪齒將失去正確的齒形，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重噪音和振動(dòng)，影響輪齒正常工作，最終使傳動(dòng)失效?，F(xiàn)象：金屬表面材料不斷減小。原因：相對(duì)滑動(dòng)+硬顆粒(灰塵、金屬屑末等) 潤滑不良+表面粗糙。采用閉式傳動(dòng)，減小齒面粗糙度值和保持良好的潤滑可以減少齒面磨損。,5.齒面塑性變形 在重載的條件下，較軟的齒面上表層金屬可能沿滑動(dòng)方向滑移，出現(xiàn)局部金屬流動(dòng)現(xiàn)象，使齒面產(chǎn)生塑性變形，齒廓失去正確的齒形。在起動(dòng)和過載頻繁的傳動(dòng)中較易產(chǎn)生這種失效形式。該失效主要出現(xiàn)在低速重載、頻繁啟動(dòng)和過載場(chǎng)合。齒面較軟時(shí)，重載下，齒面的材料塑性流動(dòng)相對(duì)滑動(dòng)速度方向指向節(jié)線，所以塑變后在主動(dòng)輪的齒面節(jié)線處產(chǎn)生凹槽。,主動(dòng)輪,二、齒輪材料 1.對(duì)齒輪材料的要求：齒面有足夠的硬度和耐磨性，輪齒芯部有較強(qiáng)韌性，以承受沖擊載荷和交變載荷。 2.常用的齒輪材料是各種牌號(hào)的優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、鑄鋼和鑄鐵等，一般多采用鍛件或軋制鋼材。當(dāng)齒輪直徑在400600mm范圍內(nèi)時(shí)，可采用鑄鋼；低速齒輪可采用灰鑄鐵。 三、齒輪常用的熱處理方法有以下幾種： 1.表面淬火一般用于中碳鋼和中碳合金鋼。齒面硬度可達(dá)5256HRC，耐磨性好，齒面接觸強(qiáng)度高。表面淬火的方法有高頻淬火和火焰淬火等。,2.滲碳淬火用于處理低碳鋼和低碳合金鋼，齒面硬度可達(dá)5662HRC，齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，而輪齒芯部仍保持有較高的韌性，常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動(dòng)。 3.調(diào)質(zhì)用于處理中碳鋼和中碳合金鋼，調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度可達(dá)220260HBS。 4.正火能消除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能和切削性能。中碳鋼正火處理可用于機(jī)械強(qiáng)度要求不高的齒輪傳動(dòng)中。,四、典型合金滲碳鋼種介紹 1.低淬透性合金滲碳鋼： 鋼含合金元素總量3 %，15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油機(jī)的活塞銷、凸輪軸等。 2.中淬透性合金滲碳鋼： 鋼含合金元素總量在4 %左右。20 CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等載荷的耐磨件，如變速箱齒輪。,柴油機(jī)凸輪軸,活塞銷( 20Cr ),3.高淬透性合金滲碳鋼： 鋼含合金元素總量在 4 618Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大載荷的耐磨件，如柴油機(jī)曲軸。,柴油機(jī)曲軸,六、任務(wù)的結(jié)論 用來制造齒輪的鋼有合金滲碳鋼和合金調(diào)質(zhì)鋼兩種，采用不同的熱處理后，均能獲得齒輪“內(nèi)韌外硬”的性能要求。對(duì)于轉(zhuǎn)速高、受力大的齒輪最好選用合金滲碳鋼，如18CrMnTi。,任務(wù)五：選擇制造麻花鉆頭的材料,麻花鉆頭是切削刀具，它必須具有以下的性能： 1.高的硬度：刀具要從工件上切除材料層，因此，切削部分的硬度必須大于工件材料的硬度。一般刀具材料的常溫硬度應(yīng)高于60HRC以上。 2.高的耐磨性：刀具材料應(yīng)具有較高的耐磨性，以抵抗工件與切屑對(duì)刀具的磨損。刀具材料硬度越高，耐磨性就越好；刀具材料中含有耐磨的合金碳化物越多，晶粒越細(xì)，分布越均勻，耐磨性也越好。 3.足夠的強(qiáng)度與韌性：切削過程中，刀具承受著各種應(yīng)力、沖擊和振動(dòng)，故要求切削部分的材料必須具備足夠的強(qiáng)度和韌性，以抵抗崩刃和打刀。通常用材料的抗彎強(qiáng)度b和沖擊韌性表示。,4.高的耐熱性 ：耐熱性是在高溫條件下，刀具切削部分材料保持常溫硬度、強(qiáng)度和韌性的能力，也可用紅硬性或高溫硬度表示。 5.良好的工藝性與經(jīng)濟(jì)性： 刀具切削部分的材料應(yīng)具有良好的工藝性能，如切削加工性、磨削加工性、鍛造、焊接、熱處理等性能。同時(shí)，還應(yīng)盡可能采用資源豐富和價(jià)格低廉的刀具材料。 下面介紹刀具的材料。,一、低合金刃（工）具鋼 低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入合金元素的鋼。鋼中主要加入鉻、錳、硅等元素，其目的是提高鋼的淬透性，同時(shí)還能提高鋼的強(qiáng)度。加入鎢、釩等強(qiáng)碳化物形成元素，是為了提高鋼的硬度和耐磨性，并防止加熱時(shí)過熱，保持晶粒細(xì)小。由于加入合金元素量不多，故一般工作溫度不得超過300。 常用的低合金刃具鋼有: 1.9SiCr較高的淬透性和回火穩(wěn)定性，紅硬性可達(dá)300; 2.CrWMn很高的硬度和耐磨性，但紅硬性不如9SiCr。,二、高速鋼 高速鋼是在合金刃具鋼中加入了較多的W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具鋼，其合金元素與碳化合形成高硬度的碳化物，使高速鋼具有很好的耐磨性。鎢和碳的原子結(jié)合力很強(qiáng)，增加了鋼的高溫硬度。鉬的作用與鎢基本相同，并能細(xì)化碳化物的晶粒，減少鋼中碳化物的不均勻性，提高鋼的韌性。 高速鋼是綜合性能較好、應(yīng)用范圍最廣泛的一種刀具材料。其抗彎強(qiáng)度較高，韌性較好，熱處理后硬度為6366HRC，易磨出較鋒利的切削刃，故生產(chǎn)中常稱為“鋒鋼”。其耐熱性約為600660左右，切削中碳鋼材料時(shí)切削速度可達(dá)30m/min左右。它具有較好的工藝性能，可以制造刃形復(fù)雜的刀具，如鉆頭、絲錐、成形刀具、拉刀和齒輪刀具等。高速鋼可以加工碳鋼、合金鋼、有色金屬和鑄鐵等多種材料。,普通高速鋼可分為鎢系高速鋼和鎢鉬系高速鋼兩類。 1.鎢系高速鋼早期常見的牌號(hào)是W18Cr4V，它具有較好的綜合性能和可磨削性，可制造各種復(fù)雜刀具和精加工刀具。 2.鎢鉬系高速鋼較常見的牌號(hào)是W6Mo5Cr4V2，它具有較好的綜合性能。由于鉬的作用，其碳化物呈細(xì)小顆粒且分布均勻，故其抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性都高于鎢系高速鋼，并且有較好的熱塑性，適于制作熱軋工具。但這種材料有脫碳敏感性大，淬火溫度窄，較難掌握熱處理工藝等缺點(diǎn)。,三、硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是用粉末冶金的方法制成的一種刀具材料。它是由硬度和熔點(diǎn)很高的金屬碳化物（WC、TiC等）微粉和金屬粘結(jié)劑（Co、Ni、Mo等）經(jīng)高壓成形，并在1500左右的高溫下燒結(jié)而成。 硬質(zhì)合金的硬度高達(dá)8994HRA（壓頭為金剛石的洛氏硬度），相當(dāng)于7176HRC，耐磨性很好，耐熱性為8001000，切削速度可達(dá)100m/min以上，能切削淬火鋼等硬材料。但其抗彎強(qiáng)度低，韌性差，怕沖擊和振動(dòng)，制造工藝性差。 硬質(zhì)合金的發(fā)展很快，現(xiàn)已成為主要的刀具材料之一。目前車削刀具大都采用硬質(zhì)合金，其它刀具采用硬質(zhì)合金的也日益增多，如硬質(zhì)合金端銑刀、立銑刀、鏜刀、拉刀、鉸刀等。,1鎢鈷類硬質(zhì)合金（YG） 它由碳化鎢和鈷構(gòu)成，其硬度為8991.5HRA，耐熱性為800900，主要用于加工鑄鐵、有色金屬及非金屬材料。常用牌號(hào)有YG3、YG6、YG8等，G后面的數(shù)字為Co的百分含量。硬質(zhì)合金中含鈷量越多，韌性越好，適合于粗加工，含鈷量少者用于精加工。YG類硬質(zhì)合金不適合加工鋼料，因其切削溫度達(dá)640時(shí)，刀具與鋼會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)，使刀具發(fā)生粘結(jié)磨損。,2鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金（YT） 它是由碳化鎢、碳化鈦和鈷構(gòu)成，其硬度為 89.592.5 HRA ，耐熱性為9001000，主要用于加工塑性材料。常用牌號(hào)有YT5、YT14、YT15、YT30，T后面的數(shù)字代表TiC的百分含量，其余為WC和Co。當(dāng)TiC的含量較多、Co的含量較少時(shí)，硬度和耐磨性提高，但抗彎強(qiáng)度有所下降。它不適合加工含Ti元素的不銹鋼，因?yàn)閮烧叩腡i元素親和作用較強(qiáng)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的粘結(jié)，使刀具磨損加劇。TiC的含量多適于精加工，少則適于粗加工。,3.鎢鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金（YA） 它是由碳化鎢、碳化鉭（碳化鈮）和鈷構(gòu)成，有較高的常溫硬度、耐磨性、高溫強(qiáng)度和抗氧化能力。常用牌號(hào)為YA6，適合于對(duì)冷硬鑄鐵、有色金屬及其合金進(jìn)行半精加工，也可對(duì)高錳鋼、淬火鋼等材料進(jìn)行半精加工和精加工。 4.鎢鈦鉭（鈮）鈷類硬質(zhì)合金（YW） 它是由碳化鎢、碳化鈦、碳化鉭（碳化鈮）和鈷構(gòu)成。其抗彎強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、耐熱性、高溫硬度和抗氧化能力都有很大的提高。常用牌號(hào)有YW1、YW2，是既能加工鋼材，又能加工鑄鐵、有色金屬及其合金，通用性較好的刀具材料。,5.碳化鈦基類硬質(zhì)合金（YN） 它是由碳化鈦、鉬和鎳構(gòu)成。其抗氧化能力、耐磨性、耐熱性較高。常用牌號(hào)有YN05、YN10，主要用于對(duì)碳鋼、合金鋼、工具鋼、淬火鋼、鑄鐵等進(jìn)行精加工、半精加工及粗加工。,四、其它刀具材料 1.陶瓷 ：陶瓷刀具材料是以人造的化合物為原料，在高壓下成形和高溫下燒結(jié)而形成的，硬度為 9195 HRA ，耐熱性高達(dá)1200，化學(xué)穩(wěn)定性好，與金屬的親和能力小，與硬質(zhì)合金相比可提高切削速度35倍。其最大的缺點(diǎn)是抗彎強(qiáng)度低，沖擊韌性差。主要用于對(duì)鋼、鑄鐵、高硬度材料（如淬火鋼）進(jìn)行連續(xù)切削時(shí)的半精加工和精加工。,2.金鋼石 ：金剛石分天然和人造兩種，天然金剛石由于價(jià)格昂貴而用得很少。人造金剛石是在高溫、高壓條件下由石墨轉(zhuǎn)化而成的，硬度為HV10000。金剛石刀具能精密切削有色金屬及合金、陶瓷等高硬度、高耐磨材料。它對(duì)鐵的化學(xué)穩(wěn)定性較差，不適合加工鐵族材料，熱穩(wěn)定性也較差，當(dāng)溫度達(dá)到800時(shí)，在空氣中金剛石刀具即發(fā)生碳化，會(huì)產(chǎn)生急劇磨損。 3.立方氮化硼：立方氮化硼硬度為HV80009000，耐熱性為1400。主要用于對(duì)高溫合金、淬硬鋼、冷硬鑄鐵進(jìn)行半精加工和精加工。,五、W18Cr4V鋼的淬火、回火工藝曲線,六、任務(wù)的結(jié)論 合金刃具鋼有低合金刃具鋼和高速鋼兩種。低合金刃具鋼的紅硬性較低，不能滿足麻花鉆頭的性能要求，因此，應(yīng)采用高速鋼制造。例如：W18Cr4V（商品叫1841）,W6Mo5Cr4V2（商品叫6542）等（見上圖）。,任務(wù)六：選擇材料制造內(nèi)燃機(jī)曲軸,內(nèi)燃機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在工作中承受著交變載荷及沖擊載荷，要求其具有較高的強(qiáng)度和韌性及一定的硬度和耐磨性，選用灰鑄鐵及其它材料均不能滿足性能要求，必須選用球墨鑄鐵或可鍛鑄鐵。,柴油機(jī)曲軸,一、介紹球墨鑄鐵 碳以石墨形式存在的鑄鐵，根據(jù)石墨狀態(tài)的不同，大體上分為三種，即：石墨是片狀的為灰口鑄鐵；石墨呈團(tuán)絮狀的為可鍛鑄鐵；石墨呈球狀的為球墨鑄鐵。其中，球墨鑄鐵既有比較高的強(qiáng)度，又有比較高的塑性和韌性，鑄造性能和加工性能都很好。我國在漢代就發(fā)明了球墨鑄鐵。 在河南鞏縣鐵生溝西漢中、晚期的冶鐵遺址中出土的鐵，經(jīng)過金相檢驗(yàn)，具有放射狀的球狀石墨，球化率相當(dāng)于現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)水平。而現(xiàn)代的球墨鑄鐵則是遲至1947年才在國外研制成功的。我國古代的鑄鐵，在一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)期里含硅量都偏低，也就是說，在約2000年前的西漢時(shí)期，我國鐵器中的球狀石墨，就已由低硅的生鐵鑄件經(jīng)柔化退火的方法得到。這是我國古代鑄鐵技術(shù)的重大成就，也是世界冶金史上的奇跡。,球墨鑄鐵以其優(yōu)良的性能，在使用中有時(shí)可以代替昂貴的鑄鋼和鍛鋼，在機(jī)械制造工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。國際冶金行業(yè)過去一直認(rèn)為球墨鑄鐵是英國人于1947年發(fā)明的。西方某些學(xué)者甚至聲稱，沒有現(xiàn)代科技手段，發(fā)明球墨鑄鐵是不可想象的。 1981年，我國球鐵專家采用現(xiàn)代科學(xué)手段，對(duì)出土的513件古漢魏鐵器進(jìn)行研究，通過大量的數(shù)據(jù)斷定漢代我國就出現(xiàn)了球狀石墨鑄鐵。有關(guān)論文在第18屆世界科技史大會(huì)上宣讀，轟動(dòng)了國際鑄造界和科技史界。國際冶金史專家于1987年對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證后認(rèn)為：古代中國已經(jīng)摸索到了用鑄鐵柔化技術(shù)制造球墨鑄鐵的規(guī)律，這對(duì)世界冶金史作重新分期劃代具有重要意義。,1947年英國發(fā)現(xiàn)，在過共晶灰口鑄鐵中附加鈰，使其含量在0.02以上時(shí)，石墨呈球狀。1948年美國人研究指出，在鑄鐵中添加鎂，隨后用硅鐵孕育，當(dāng)殘余鎂量大于0.04時(shí)，得到球狀石墨。從此以后，球墨鑄鐵開始了大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。 球墨鑄鐵作為新型工程材料的發(fā)展速度是令人驚異的。1949年世界球墨鑄鐵產(chǎn)量只有5萬噸，2000年就達(dá)到1500萬噸。世界球墨鑄鐵產(chǎn)量的75是由美國、日本、德國、意大利、英國、法國六國生產(chǎn)的。 我國球墨鑄鐵生產(chǎn)起步很早，1950年就研制成功并投入生產(chǎn)，至今我國球墨鑄鐵年產(chǎn)量達(dá)230萬噸，位于美國、日本之后，居世界第三位。適合我國國情的稀土鎂球化劑的研制成功，鑄態(tài)球墨鑄鐵以及奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵等各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)技術(shù)和研究工作均達(dá)到了很高的技術(shù)水平。下面逐一簡介。,球墨鑄鐵照片,球墨鑄鐵的顯微組織 A：珠光體鐵素體基球墨鑄鐵 B：鐵素體基球墨鑄鐵,1.上世紀(jì)70年代，鑄態(tài)珠光體球墨鑄鐵曲軸和鑄態(tài)鐵素體球墨鑄鐵汽車底盤零件分別在我國第二汽車廠、南京汽車廠和第一汽車廠相繼投產(chǎn)。這標(biāo)志著我國鑄態(tài)球墨鑄鐵生產(chǎn)達(dá)到了較高水平,并與國際先進(jìn)水平的差距正在縮小。以后，采用適量的釔基重稀土復(fù)合球化劑、強(qiáng)制冷卻、順序凝固、延后孕育，必要時(shí)添加微量銻、鉍等可防止球墨鑄鐵件中心部位的石墨畸變和組織疏松等工藝，成功地制作了38噸重的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，17.5噸重的柴油機(jī)體、截面為805mm的球墨鑄鐵軋輥等。,2.奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵的研究與應(yīng)用。20世紀(jì)70年代初，幾乎同時(shí)中國、美國、芬蘭3個(gè)國家宣布研究成功了具有高強(qiáng)度、高韌性的奧氏體-貝氏體球墨鑄鐵（國際上統(tǒng)稱ADI），這種材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度達(dá)1000MPa，因此它廣泛應(yīng)用于齒輪以及各種結(jié)構(gòu)件，與合金鋼相比，奧-貝球墨鑄鐵具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。,3.球墨鑄鐵管和水平連續(xù)鑄造球墨鑄鐵型材。我國已相繼建成幾個(gè)球墨鑄鐵管廠，且近幾年還將有幾個(gè)球墨鑄鐵管廠建成。2000年，我國年產(chǎn)離心鑄造球墨鑄鐵管達(dá)90萬噸。此外，我國自行研制的水平連續(xù)鑄造球墨鑄鐵型材生產(chǎn)線已通過國家鑒定，并已有多家企業(yè)投產(chǎn)。再加上我國引進(jìn)的一條生產(chǎn)線，至2002年，我國年產(chǎn)球墨鑄鐵型材的能力達(dá)數(shù)萬噸。,4.系統(tǒng)地測(cè)定了稀土鎂球墨鑄鐵的力學(xué)性能及其他性能，為設(shè)計(jì)人員提供了有關(guān)數(shù)據(jù)。測(cè)定了稀土鎂球墨鑄鐵的比重、導(dǎo)熱性、電磁性等物理性能，結(jié)合金相標(biāo)準(zhǔn)研究了石墨和基體組織對(duì)球墨鑄鐵性能的影響規(guī)律。系統(tǒng)地測(cè)定了鐵素體球墨鑄鐵在常溫、低溫、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下的各種性能。此外，還研究了稀土鎂球墨鑄鐵的應(yīng)力應(yīng)變性能、小能量多沖抗力和斷裂韌性，并開始用于指導(dǎo)生產(chǎn)。結(jié)合球墨鑄鐵齒輪的應(yīng)用，還系統(tǒng)地研究了球墨鑄鐵的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，以及球墨鑄鐵齒輪的點(diǎn)蝕、剝落機(jī)理等。,5.其它方面的研究。 在高強(qiáng)度低合金球墨鑄鐵方面，除了對(duì)銅、鉬研究較多外，還對(duì)鎳、鈮等進(jìn)行了研究。在利用天然釩鈦生鐵制作釩鈦合金球墨鑄鐵方面，國內(nèi)一些單位進(jìn)行了大量、系統(tǒng)的工作。 在耐熱球墨鑄鐵方面，除了中硅球墨鑄鐵以外，系統(tǒng)研究了Si+Al總量對(duì)稀土鎂球墨鑄鐵抗生長能力的影響。高鎳奧氏體球墨鑄鐵方面也取得了進(jìn)展，它在石油開采機(jī)械、化工設(shè)備、工業(yè)用爐器件上均取得了成功的應(yīng)用。 在耐酸球墨鑄鐵方面，我國生產(chǎn)的稀土高硅球墨鑄鐵比普通高硅鑄鐵的組織細(xì)小、均勻、致密，由此，抗蝕性能提高了1090，并且其機(jī)械強(qiáng)度也有顯著改善。,二、球墨鑄鐵的牌號(hào)、機(jī)械性能及用途,三、簡介可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵俗稱“馬鐵”或“瑪鋼”。它是白口鑄鐵經(jīng)過石墨化退火，使?jié)B碳體分解而獲得團(tuán)絮狀石墨的鑄鐵，并不是真的可以進(jìn)行鍛造工藝的鑄鐵。,四、內(nèi)燃機(jī)曲軸的選材 110型柴油機(jī)球墨鑄鐵曲軸 1.材料： QT600-3球鐵。 2.熱處理技術(shù)條件： 整體正火，b650MPa，ak15J/cm2，240 300HBS；軸頸表面淬火、低溫回火 (55HRC，珠光體數(shù)量70)。 3.工藝路線： 鑄造成形正火+高溫回火切削加工軸頸表面淬火、回火磨削。,五、本任務(wù)的結(jié)論: 球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵都適合制造內(nèi)燃機(jī)曲軸，因球墨鑄鐵生產(chǎn)工藝簡單、其強(qiáng)度、韌性均高于可鍛鑄鐵，所以對(duì)轉(zhuǎn)速高、受力大的曲軸最好選用球墨鑄鐵。如QT800-2，QT900-2。,任務(wù)七：選擇鋁合金制造內(nèi)燃機(jī)活塞,發(fā)動(dòng)機(jī)活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)上除了火花塞之外，工作環(huán)境最惡劣的了。要求在高溫條件下，承受無限次的周期變速載荷，要求其質(zhì)量輕，又要強(qiáng)度高，還要耐腐蝕，因此選擇材料的范圍很窄。 純鋁雖然導(dǎo)熱性好，密度小，但強(qiáng)度很低，顯然不是首選。但是，在純鋁中加入硅、銅、鎂、鋅、錳等合金元素，再經(jīng)過冷變形和熱處理之后，情況就改觀了。下面先介紹純鋁。,1.工業(yè)純鋁 其熔點(diǎn)為660.37，密度為2.7g/cm3，為面心立方晶格，呈銀白色。強(qiáng)度（80100MPa）和硬度(20HBS)很低，塑性(80)很高，有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性。工業(yè)純鋁為L1-L7，其順序數(shù)越大，純度越低。,2.鋁合金的分類及用途： 根據(jù)鋁合金的成分以及生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，鋁合金可分為形變鋁合金和鑄造鋁合金。鋁合金的一般類型相圖如圖所示，在D點(diǎn)以左的合金，在加熱到DF線以上時(shí)，得到單相固溶體組織，塑性好，適于壓力加工，故稱形變鋁合金；成分在F點(diǎn)以左的合金，冷卻時(shí)組織不隨溫度變化，故不能熱處理強(qiáng)化，因而稱為熱處理不能強(qiáng)化鋁合金；在D點(diǎn)以右為鑄造鋁合金。,鋁合金狀態(tài)圖的一般類型,形變鋁合金： 在加熱時(shí)能形成單相的固溶體，塑性很好，適于冷熱壓力加工的鋁合金。又可分為：熱處理不能強(qiáng)化的鋁合金和熱處理能強(qiáng)化的鋁合金。 鑄造鋁合金： 含有低熔點(diǎn)的共晶體，液態(tài)流動(dòng)性較高，適于鑄造的鋁合金。它具有良好的力學(xué)性能，抗蝕性及良好的工藝性能。而且生產(chǎn)工藝較為簡便，成本較低。用途較廣。其合金代號(hào)為ZL+三位數(shù)字，第一位為合金系，1位鋁硅系，2位鋁銅系，3位鋁鎂系，4位鋁鋅系（所謂的“1硅2銅3鎂4鋅”），后兩位為順序號(hào)。,形變鋁合金,鑄造鋁合金,3.鋁合金的熱處理 鋁合金的熱處理與鋼不同。正如上述所說，鋁合金的熱處理強(qiáng)化是通過固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化達(dá)到的，即將合金元素含量在加熱到相區(qū)的某一溫度，經(jīng)保溫后迅速水冷，在室溫下得到過飽和的固溶體，這種淬火稱為固溶處理。 淬火后的鋁合金硬度并不高，但在室溫下放置或低溫加熱后，強(qiáng)度和硬度明顯提高，塑性下降，這種現(xiàn)象稱為時(shí)效。經(jīng)固溶處理后鋁