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机械零件的材料都有哪些选择原则?

KYY (快易优) 2018/12/5 17:40:34

机械零件是指组成机器的不可拆分的基本单元,如螺栓、螺钉、键、带、齿轮、轴、弹簧、销等。机械零件分为通用零件和专用零件。通用零件是指能在各种机器中广泛使用的零件,专用零件是指只能在某一类特定的机器中使用的零件。

一、机械零件常用材料

机械零件的材料有金属材料、非金属材料和复合材料。

金属材料分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括各种钢、铸钢和铸铁,具有较好的力学性能(如强度、塑性、韧性等),价格相对便宜且容易获得,而且能满足多种性能和用途的要求。在各类黑色金属中,由于合金钢的性能优良,因而常常用来制造重要的零件。有色金属材料包括铜合金、铝合金、轴承合金等,具有密度小、导热和导电性能好等优点,通常还可用于有减摩、耐磨及耐腐蚀要求的场合。

非金属材料指塑料、橡胶、合成纤维等高分子材料及陶瓷等。高分子材料有许多优点,如原料丰富、密度小,在适当的温度范围内有很好的弹性,耐腐蚀性好等。其主要缺点是容易老化,其中不少材料阻燃性差,总体上讲,耐热性不好。陶瓷材料的主要特点是硬度极高、耐磨、耐腐蚀、熔点高、刚度大以及密度比钢铁小等。目前,陶瓷材料已应用于密封件、滚动轴承和切削刀具等结构中。其主要缺点是比较脆,断裂韧度低,价格昂贵,加工工艺性差等。

复合材料是指用两种或两种以上具有明显不同的物理和力学性能的材料经复合工艺处理而得到所需性能的一种新型材料。例如用玻璃、石墨(碳)、硼、塑料等非金属材料可以复合成各种纤维增强复合材料。在普通碳素钢板表面贴附塑料,可以获得强度高而又耐腐蚀的塑料复合钢板,主要优点是有较高的强度和弹性模量,而质量又特别小,但也有耐热性差、导热和导电性能较差的缺点。此外,复合材料的价格比较贵。所以目前复合材料主要用于航空、航天等高科技领域,在民用产品中,复合材料也有一些应用。

二、机械零件材料选择原则

从各种各样的材料中选择出适用的材料,是一项受多方面因素所制约的工作。在以后的有关章节中,将分别介绍各种零件适用的材料和牌号。下面就金属材料(主要是钢铁)的一般选用原则作一简介。

选择机械零件材料的原则是:所需材料应满足零件的使用要求,有良好的工艺性和经济性等。

1、使用要求

机械零件的使用要求表现为以下几点:

(1)零件的工作状况和受载情况,以及为避免相应的失效形式而提出的要求工作状况是指零件所处的环境特点、工作温度、摩擦和磨损的程度等。在湿热环境或腐蚀介质中工作的零件,其材料应有良好的缓蚀和耐腐蚀的能力,例如选用不锈钢、铜合金等。工作温度对材料选择的影响,一方面要考虑互相配合的两零件的材料的线胀系数不能相差过大,以免在温度变化时产生过大的热应力或者使配合松动;另一方面也要考虑材料的力学性能随温度而改变的情况。在滑动摩擦下工作的零件,要提高其表面硬度,以增强耐磨性,应选择适于进行表面处理的淬火钢、渗碳钢、氮化钢等品种或选用减摩和耐磨性能好的材料。

受载情况是指载荷、应力的大小和性质。脆性材料原则上只适用于制造在静载荷下工作的零件;在多少有些冲击的情况下,应以塑性材料作为主要使用的材料;对于表面受较大接触应力的零件,应选择可以进行表面处理的材料,如表面硬化钢;对于受变应力的零件,应选择耐疲劳的材料;对于受冲击载荷的零件,应选择冲击韧度较高的材料;对于尺寸取决于强度,且尺寸和质量又受限的零件,应选择强度较高的材料;对于尺寸取决于刚度的零件,应选用弹性模量较大的材料。

金属材料的性能一般可通过热处理加以提高和改善,因此,要充分利用热处理的手段来发挥材料的潜力。对于最常用的调质钢,由于其回火温度的不同,可得到力学性能不同的毛坯。回火温度越高,材料的硬度和强度将越低,而塑性越好。所以在选择材料的品种时。应同时规定其热处理规范,并在图样上加以注明。

(2)对零件尺寸和质量的限制零件尺寸及质量的大小与材料的品种及毛坯制取方法有关。用铸造材料制造毛坯时,一般可以不受尺寸及质量大小的限制;而用锻造材料制造毛坯时,则需注意锻压机械及设备的生产能力。此外,零件尺寸和质量的大小还和材料的强重比有关,应尽可能选用强重比大的材料,以便减小零件的尺寸和质量。

(3)零件在整机或部件中的重要程度。

2、工艺要求

要考虑所用的材料从毛坯到成品都能方便地制造出来。例如,结构复杂、尺寸较大的零件难以锻造,可以采用铸造或焊接,其材料必须具有良好的铸造性能或焊接性能。

根据所选的工艺,要考虑材料对该工艺的加工可能性。对于铸造,要考虑材料的液态流动性、产生缩孔和偏析的可能性等;对于焊接,要考虑材料的焊接性和产生裂纹的倾向等;对于锻造,要考虑材料的延伸性、热脆性和变形能力等;对于需要热处理的零件,要考虑材料的淬透性、淬火变形的倾向性等;对于需经切削加工的零件,要考虑材料的硬度、易切削性、冷作硬化程度和切削后能达到的表面粗糙度等。

3、经济要求

(1)材料本身的相对价格在满足使用要求的前提下,应尽量选用价格低廉的材料。这一点对于大批量制造的零件尤其重要。

(2)材料的加工费用当零件质量不大而加工量很大时,加工费用在零件总成本中要占很大比例。尽管铸铁比钢板价廉,但对于某些单件或小批量生产的箱体类零件来说,采用铸铁反而比采用钢板焊接的成本更高,因为后者可以省掉模具的制造费用。

(3)材料的利用率采用无屑或少切屑加工,如模锻、精铸、冲压等,可以提高材料的利用率。

(4)局部品质原则在很多情况下,零件在其不同的部位上对材料有不同的要求。要想选用一种材料满足不同的要求,事实上是不可能的,即使可能,价格也非常昂贵。这时,可根据局部品质原则,在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理工艺,使各局部的要求分别得到满足。例如蜗轮的轮齿必须具有优良的耐磨性和较高的抗胶合能力,其他部分只需具有一般的强度即可,故在铸铁轮芯外套用青铜齿圈,以满足这些要求。又如滑动轴承只在其和轴颈接触的表面处要求有减摩性,所以只需用减摩材料制成轴瓦,而不必把整个轴承都用减摩材料制造。

局部品质也可以用渗碳、表面淬火、表面喷镀、表面辗压等方法获得。

(5)材料代用以节约贵重、稀有材料由于供应上的原因或经济性的要求,可以对所选材料用其他材料代用。例如,当强度为主要要求时,可选用强度较高而价格较贵的材料,也可用强度较差而价廉的材料代替,而将结构尺寸适当加大;当耐磨或耐腐蚀为主要要求时,可以不选用耐磨性或防腐性好的材料而选用较差的材料进行各种表面硬化处理或防腐处理;对于稀有材料,也可以用普通材料代替,例如用铝青铜代替锡青铜制造轴瓦。

(6)材料供应情况从简化材料品种的供应和储存出发,对于小批量生产的零件,应尽可能减少同一台机器上使用材料的品种和规格。

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