对影响机械零件性能因素的分析

冯建平

摘要： 随着我国工业的飞速发展，目前国内金属材料在材料使用中 ，主要是黑色金属铸铁和有色金属，它的材料选择，热处理工藝，工人的技术操作水平，设备是否先进等多种因素将影响着机械零件的加工精度、使用性能和使用寿命，从根本上决定着企业的命脉。

Abstract： With the rapid development of China's industry， domestic metal materials are currently used in materials， mainly ferrous metal cast iron and non-ferrous metals. Its material selection， heat treatment process， technical operation level of workers， advanced equipment and other factors. It will affect the machining accuracy， performance and service life of mechanical parts， and fundamentally determine the lifeblood of the enterprise.

关键词： 机械零件;性能;分析

Key words： mechanical parts;performance;analysis

中图分类号：U464.149                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）23-0052-02

1  材料种类的影响

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，而且能满足多种零件使用性能和用途的要求。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机械零件。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，如质量轻，比强度高，有良好的韧性，减磨，耐磨性，耐蚀性，电绝缘性，在适当的温度范围内有很好的弹性等。其主要缺点是容易老化，易燃，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，陶瓷材料是指用天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料。它具有高熔点，高硬度，高耐磨性，耐氧化等优点，并且陶瓷材料在高温下不易氧化，并对酸、碱、盐具有良好的抗腐蚀能力。

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。所以目前用的较少。

2  材料选择的影响

从各种各样的材料中选择出合适的材料，是一项受多方面因素所制约的工作。机械零件常用的材料有钢、铸铁、有色金属和非金属等，常用材料的牌号、性能及热处理知识可查阅机械设计手册。比如45号钢，65Mn钢，W18Cr4V，1Cr18Ni9Ti等。在机械设计中选择材料是一个重要环节。随着材料科学的不断发展，机械制造业对零件性能的要求也在不断提高。因此，设计者在选择材料时，应充分了解材料的性能和适用条件，并考虑零件的使用性、工艺性和经济性等要求。因断裂而失效的零件，我们应该用抗拉强度作为强度设计依据，对于大多数机械零件，工作时不允许产生塑性变形，所以屈服强度是零件强度设计的依据。下面就是金属材料（主要是钢铁）的一般选用原则。

2.1 使用要求

①对零件的工作环境和受载情况进行分析，以避免相应的失效形式。在机械制造中有许多零件是在高速、重载、较强的冲击和受磨损的条件下工作，比如汽车、拖拉机的变速齿轮、十字轴以及内燃机凸轮轴等，这些零件的表面具有高硬度、高耐磨性，而心部具有足够的韧性，为此我们可以选择合金渗碳钢，如：20CrMnTi是应用最广泛的合金渗碳钢。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20Cr13、铜合金HPb59-1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。比如那些在重载荷、受冲击条件下工作的零件，如机床主轴，汽车后桥半轴、连杆等，选择合金调质钢是最合适不过了。而40Cr钢是合金调质钢中最常用的一种，其强度比40钢高20，并有良好的韧性。还有各种弹簧机构和仪表等重要零件，在工作中会产生弹性变形，在工作中起缓和冲击和吸收震动的作用，那么就应该选择合金弹簧钢，合金弹簧钢具有高的弹性极限、疲劳强度、足够的塑性和韧性，良好的表面质量。合金弹簧钢的质量分数一般在0.45-0.75之间，加入了锰、硅、铬等元素。例如滚动轴承，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。因为滚动轴承在工作时，承受着高而集中的交变应力的作用，还伴有强烈的摩擦，因此滚动轴承钢应具有高得硬度，高得耐磨性和疲劳强度，足够的韧性和淬透性，以及一定的耐腐蚀性。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。对于最常用的不同类型的钢材，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。比如曲轴是内燃机的心脏部件，经受交变弯曲，拉伸，扭转，高温，高压，磨损，冲击等复杂的工作条件，因此要求制造曲轴的材料必须具有足够的强度和刚度，韧性，疲劳强度和耐磨性及平衡性，所以选择锻钢曲轴或球墨曲轴，代号QT。

2.2 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。依据所选的工艺过程，考虑材料对该工艺的加工可能性。比如铸造，目前出现很多的铸造方法，如低压铸造、连续铸造、陶瓷铸造等。我国这几年在精密铸造技术、连续铸造技术、特种铸造技术、铸造自动化以及铸造成形模拟技术等方面发展迅速，工艺程序要求较高。液态金属流动的快慢、温度的高低控制，产生缩孔和偏析的可能性等等都是影响零件性能的重要因素。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;通过外力使材料产生塑性变形，改变其尺寸、形状及性能。可以采用膜锻、胎模锻、自由锻等方法。对于需要热处理的零件，要考虑材料的淬透性、淬硬性、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。

2.3 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金属材料中的碳钢和铸铁的价格低廉，在满足其他要求下，应首选碳钢铸铁，能用碳钢，铸铁的不用合金钢;能用低合金钢的，不用高合金钢;能用普通钢的，不用不锈耐热钢。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。此外，还应考虑国内条件和国家资源，尽量减少材料的品种、规格以及采购费用。最后进行成本核算。

③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，有时价格也不允许。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，其他部分只壁面或全部壁面可以用陶瓷材料制成。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。

④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。

3  热处理的影响

材料的热处理分普通热处理和化学热处理，普通热处理又分退火、正火、淬火和回火。一旦选好零件材料，那么热处理就显得尤其重要。不同材料选择不同的热处理，会得到不同的性能。一般的毛坯退火或者正火，必须安排在粗加工之前，在半精加工和精加工之间安排一次调质热处理，这样使材料获得良好的综合机械性能，比如轴类零件。如果对于具有高的硬度，高的耐磨性要求的零件，可以再安排一次表面渗碳热处理，比如轴承。再比如内燃机的气门主要承受反复冲击的机械负荷，还会受到高温氧化性气体的腐蚀以及热应力的共同作用，所以对此可以用碳氮共渗热处理工艺。大功率柴油机使用最多的是锻钢曲轴，采用的热处理方式是：调质钢+滚压，调质钢+轴径淬火+滚压，调质钢+圆角淬火，调质+氮化+滚压。如果是球墨铸铁曲轴可以采用铸态+轴颈淬火+滚压，等温淬火+滚压（球墨铸铁曲轴圆角淬火较少用）。曲轴、齿轮、万向节、半轴等一般采用感应热处理，目前感应热处理以高效、节能、清洁、灵活性等优势广泛应用于汽车工业、工程机械、石油化工等行业。

4  操作工人技术水平的影响

人是机械加工中的主体，相关人员的技术水平直接影响机械零件的加工精度，这就对相关的操作人员提出了更高的要求，制定严格的管理制度，必须经过严格的培训考核方能入职。在制定考核标准中，要求同一车间的所有相关人员掌握操作标准与技能，工人对机床部件熟练操作，对各种刀具的装夹定位夹紧，对材料工艺路线的制定，对数控编程的熟练程度等都必须严格把关。公司领导严把质量关，把不合格或是废品降低到最低。现在都是人机交互管理，采用的是流水线作业，一人操作几台机器，只有熟练的技术操作工人才能提高机械零件生产效率和生产质量。

5  结束語

材料的种类、选择、采用的热处理以及工人的操作水平对机械零件的性能和使用寿命影响最大，在加工过程中要严把这几关，这是提高生产效率和生产质量的关键所在，同时也基本上决定着企业的盛衰。

参考文献：

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