0.3 机械零件的常用材料和钢的热处理

1.机械零件的常用材料

机械零件常用的材料主要是钢和铸铁，其次是有色合金（如铝合金、铜合金等）和非金属材料（如尼龙、工程塑料、橡胶等）。

（1）钢

含碳量小于2%的铁碳合金称为钢。钢的强度高，具有良好的塑性和韧性，并可通过热处理方法改善其力学性能，因而在机械制造中获得广泛应用。

钢按用途不同，可分为结构钢、工具钢和特种钢。结构钢用于制造机械零件和工程结构的构件；工具钢用于制造量具、刃量和模具；特种钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢，如不锈钢、耐热钢等。

钢按化学成分不同，可分为碳素钢和合金钢两类。

碳素钢的性能主要取决于含碳量。当含碳量小于0.9%时，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度增加，塑性和韧性降低。当含碳量大于0.9%时，随着含碳量的增加，其硬度继续提高，而强度、塑性、韧性一起降低。因此工业用钢的含碳量一般不超过1.35%。

碳素钢按含碳量不同，可分为低碳钢（含碳量≤0.25%）、中碳钢（含碳量在0.25%～0.6%）和高碳钢（含碳量>0.6%）。钢中还含有硅、锰、硫和磷等杂质。其中硫和磷是有害杂质，钢中含硫、磷量通常要严格控制。

为了改善钢的性能，特意在钢中加入一种或几种合金元素，这种钢称为合金钢。目前常用的合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、铝（Al）、钛（Ti）、硼（B）等。

钢的品种繁多，下面仅简略介绍机械常用钢种。

① 碳素结构钢。碳素结构钢的牌号由“Q”（Q是钢材屈服极限的“屈”字汉语拼音的字首）、屈服极限、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分按顺序组成。其中质量等级符号分为A、B、C、D 四级；脱氧方法符号分别用“F”表示沸腾钢，“b”表示半镇静钢，“Z”表示“镇静钢”,“TZ”表示特殊镇静钢，若为“Z”或“TZ”可以省略。例如，Q235A表示屈服极限σs≥235 MPa、镇静钢、A级质量的碳素结构钢。碳素结构钢常用于制造一般要求的机械零件。

② 优质碳素结构钢。优质碳素结构钢中有害杂质硫、磷的含量较少，质量较高，可用于制造较重要的机械零件，是机械制造中广泛采用的钢种。根据钢中含锰量的不同，优质碳素结构钢又分为普通含锰量钢和较高含锰量钢两种。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字代表钢中的平均含碳量，以万分之几的数字表示。例如，45钢表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。如果是较高含锰量钢，则在两位数字后面附以“Mn”，如45Mn等。

③ 合金结构钢。合金结构钢中含有一定数量的合金元素，故其牌号采用“数字+化学元素+数字”的表示方法：前面的数字代表钢中平均含碳量，以万分之几的数字表示；化学元素用化学符号表示；后面的数字代表该合金元素的平均含量，并规定当平均含量小于1.5%时，省略不注，当平均含量等于或大于1.5%、2.5%、„时，则相应以2、3、„表示。例如，40Cr表示平均含碳量为0.40%、平均含铬量小于1.5%的铬钢。合金钢常用于制造重要的或有特殊性能要求的机械零件。

④ 铸钢。对于有些形状复杂、尺寸较大的零件，往往受到锻压设备的限制，难以用锻压方法成形，若用铸铁制造又不能满足力学性能要求，可采用铸钢制造。一般工程用铸造碳钢的牌号由“ZG”（“铸钢”两字的汉语拼音字首）和两组数字组成。前一组数字表示屈服极限（σs），后一组数字表示拉伸强度极限（σb）。例如，ZG230-450表示σs≥230 MPa、σb≥450 MPa的一般工程用铸造碳钢。

（2）铸铁

含碳量大于2%的铁碳合金称为铸铁。铸铁的抗拉强度、塑性和韧性较差，无法进行锻造，但它的抗压强度较高，具有良好的铸造性、切削加工性和减摩性等，而且价格低廉，常用于制造承受压力的基础零件或形状复杂、对力学性能要求不高的机械零件。

铸铁有灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和合金铸铁等。一般常用的是灰铸铁和球墨铸铁。

① 灰铸铁。灰铸铁中的碳主要以片状石墨形式存在，因断口呈灰色而得名。灰铸铁是制造机械零件的主要铸造材料，常用于制造带轮、轻载低速大齿轮、机座和箱体等。灰铸铁的牌号由“HT”（HT为“灰铁”两字的汉语拼音字首）和一组数字组成，数字表示拉伸强度极限（σb）。例如，HT200表示σb≥200 MPa的灰铸铁。

② 球墨铸铁。球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形式存在。石墨呈球状，对铸铁基本组织的割裂作用较片状大为减轻，从而提高了铸铁的强度，并具有较好的塑性。球墨铸铁常被用于代替铸钢和锻钢，制造某些机械零件，如曲轴、连杆和凸轮轴等。球墨铸铁的牌号由“QT”（为“球铁”两字的汉语拼音字首）和两组数字组成，前一组数字表示拉伸强度极限（σb），后一组数字表示伸长率（δ）。例如，QT600-3表示σb≥600 MPa、δ≥3%的球墨铸铁。

（3）有色金属合金

在工业上，把黑色金属（钢、铁）以外的金属及其合金统称为有色金属及其合金。有色金属合金具有一些特殊性能，如高的导电性、导热性、耐蚀性和减摩性等，因而成为现代工业中不可缺少的材料。但有色金属合金稀少，价格较贵，只有在为满足特殊要求时才予以采用。

常用的有色金属合金有铜合金和铝合金。铜合金可分为黄铜（铜和锌组成的合金）和青铜（原指铜和锡组成的合金，目前以铝、硅、铅等元素代替锡的铜合金也称青铜）两大类。黄铜主要用于制造弹簧、垫片、衬套及耐蚀零件等；青铜主要用于制造轴瓦、蜗轮及要求耐磨、耐蚀的零件等。铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金两大类。变形铝合金主要用于生产各种型材和结构零件，如各种容器、热交换器、飞机翼肋等；铸造铝合金主要用于制造活塞、气缸体等。

（4）非金属材料

橡胶、塑料、陶瓷、木材、纸板和棉、麻等都是常用的非金属材料。

橡胶广泛用于制造轮胎、传动带、软管、密封件、绝缘件和减振弹性元件等。塑料由于具有许多优异性能，而且比重小、易于成型，所以在机械中应用范围日益扩大，广泛用于制作传动件、摩擦片、轴承衬、密封件、耐蚀件、绝缘件、透明件、壳体等。陶瓷具有坚硬、耐磨、耐高温、耐蚀、绝缘等特性，常用来制造化工容器、耐高温器件、绝缘件、耐磨密封件、金属切削刀具和磨具等。

2.钢的热处理

钢的热处理是将钢在固态下，通过加热、保温和不同的冷却方式，以改变其内部组织结构，从而获得所需性能的一种工艺方法。常用的热处理方法有退火、正火、淬火及回火、表面热处理等。

（1）退火

退火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉冷却的热处理方法。通过退火可以消除内应力和降低硬度，以利于切削加工；提高塑性和韧性；改善组织，为进一步热处理（如淬火等）做好准备。

（2）正火

正火的方法与退火相似，但正火时钢是在空气中冷却的。由于正火的冷却速度比退火快，因此钢的硬度和强度较高，但消除内应力不如退火彻底。正火时钢在炉外冷却，不占用设备，生产率较高，故低碳钢大多采用正火来代替退火。对于一般要求的零件，正火常用于提高其力学性能，作为最终热处理。

（3）淬火及回火

淬火是将钢加热到一定温度，保温一段时间，然后在水或油中快速冷却的热处理方法。

淬火后，钢的硬度急剧增加，但存在很大的内应力，脆性也相应增加。为了减小内应力、脆性和获得良好的力学性能，淬火后一般均需回火。

回火是将淬火钢重新加热到某一低于临界的温度，保温一段时间，然后冷却下来的热处理方法。

钢经退火、正火或淬火等热处理后，其硬度随冷却速度加快而增加。但回火后钢的硬度，一般不取决于冷却速度，而是随加热温度升高而降低。根据加热温度不同，回火可分为低温回火、中温回火和高温回火三种。低温回火的加热温度为150℃～250℃，淬火钢经低温回火后，可以减小内应力和脆性，仍能保持淬火钢的高硬度和耐磨性，适用于刀具、量具等工具；中温回火的加热温度为350℃～500℃，淬火钢经中温回火后，提高了弹性，但硬度有所降低，适用于有弹性要求的零件，如弹簧等；高温回火的加热温度为500℃～650℃，淬火钢经高温回火后，可以获得强度、硬度、塑性和韧性等都较好的综合机械性能，适用于各种重要的机械零件，如齿轮、轴等。生产上习惯把淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。

（4）表面热处理

表面热处理是强化零件表面的重要手段，常用的有表面淬火和化学热处理两种。

表面淬火是将机械零件表面迅速加热到淬火温度，不等热量传至中心，即快速冷却的热处理方法。通常采用的加热表面的方法为火焰加热或感应电流加热（根据电流频率又有高频、中频和工频三种）。进行表面淬火的钢材一般为中碳结构钢或中碳合金结构钢，如45、40Cr、40MnB、35SiMn 等。零件进行表面淬火及低温回火后，表面变硬而耐磨，芯部仍保持原有韧性。机床中的齿轮、内燃机中的曲轴轴颈等常采用这种热处理方法。

化学热处理是将机械零件放在含有某种化学元素（如碳、氮、铝、硼、铬等）的介质中加热和保温，使该元素的活性原子渗入到零件表面的热处理方法。根据渗入元素的不同，有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。

进行渗碳的材料一般为低碳结构钢或低碳合金结构钢，如20、20Cr、20CrMnTi等。工件经渗碳后，表面为高碳组织，为了进一步提高其硬度和耐磨性，需要进行淬火及低温回火，而芯部仍为低碳组织，保持原有的韧性，这种方法常用于处理汽车、拖拉机中的齿轮、凸轮等。

进行渗氮的工件需要采用专门的氮化钢如38CrMoAlA 等。机械零件经渗氮后，表面形成一层氮化物，不需淬火便具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能等。此外，由于渗氮温度较低（一般为500℃～570℃），零件变形小。渗氮广泛用于处理精密量具，高精度机床主轴等。

碳氮共渗中的高温碳氮共渗以渗碳为主，低温碳氮共渗以渗氮为主。

3.机械零件材料的选择

设计机械零件时，要选择合适的材料。机械零件材料的选择通常应考虑零件的使用要求、工艺性和经济性等方面的要求。

使用要求包括零件的受载情况（载荷大小和应力种类）、工作条件（温度、介质、摩擦磨损情况）、对零件尺寸和重量的限制、零件的重要程度以及特殊要求（如导电性、热膨胀等）。选择材料时应合理考虑材料的力学性能和物理、化学性能，以满足使用要求。工艺性要求是指所选用的材料，从毛坯到成品都便于制造。经济性不仅要考虑材料本身的相对价格，还要考虑加工费用。此外，选择材料还要从实际情况出发，考虑国家资源和本地区的供应情况，品种应尽量少，以便于生产管理。如何合理地选择材料是一项较复杂的技术经济工作，应综合考虑各种要求进行分析比较，以选择合适的材料。