2.4　零件的选材及热处理工艺安排

2.4.1　选材的原则

在加工零件之前，为该零件选择一种材料来制作称之为选材。恰当的选材对制造合格零件，提高企业经济效益具有重大意义。选材一般可按照下列原则进行。

①选材要满足使用性能要求　使用性能是零件或工具完成指定功能的必要条件，包括力学性能、物理性能和化学性能。其中，力学性能要求是在全面分析零件或工具的使用条件及失效形式的基础上提出的。另外，有时还要考虑物理性能的要求，如导电性、导热性、磁性、热膨胀性等。由于采用不同的强化方法，可以显著提高材料的性能，所以选用材料时，要综合考虑强化方法对材料性能的影响。

②选材要满足工艺性能要求　工艺性能直接影响零件或工具的质量、生产效率和加工成本。采用铸造成形方法时，应选择铸造性能好的共晶或接近共晶成分的铸铁；采用锻造成形方法时，则应选择高温塑性好的合金；采用焊接成形方法时，则应选用低碳钢或低碳合金钢；采用切削加工成形方法时，一般应选择硬度在170～260HBS的材料。

③选材要满足经济性要求　在满足使用性能要求的前提下，采用廉价的材料，使零部件的总成本包括材料的价格、加工费、试验研究费和维修管理费等达到最低，以取得最大的经济效益。为此，材料选用应充分利用资源优势，尽可能采用标准化、通用化的材料，以降低原材料成本，减少运输、实验研究费用。当然，选材的经济性原则并不仅是指选择价格最低廉的材料，或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析、成本分析等方法，综合考虑材料对产品功能和成本的影响，从而获得最优化的技术效果和经济效益。例如，一些能影响整体生产装置中的关键零部件，如果选用便宜材料制造，则需经常更换，其换件时停车所造成的损失相当大，这时选用性能好、价格高的材料，其总成本往往是最低的。

④选材要满足资源、环境友好与可持续发展的要求　随着工业的发展，资源和能源的问题日益突出，选用材料时必须对此有所考虑，特别是对于大批量生产的零件，所用的材料应该是来源丰富并符合我国的资源状况的。例如，我国缺钼，但钨十分丰富，所以选用高速钢时就要尽量多用钨高速钢.而少用钼高速钢。另外，还要注意生产所用材料的能源消耗，尽量选用耗能低的材料。尽量用廉价材料来代替价格相对昂贵的稀有材料，如在一些耐磨部位的套用球铁替代铜套，用含油轴承替代车削加工的一些套，速度负载不大的情况下，用尼龙替代钢件齿轮或者铜蜗轮等。注重材料的回收利用。铜、铝、铅、锌、金、银等大部分有色金属均具有良好的可回收性，能够反复循环使用，而不影响使用性能。充分发挥这个优势，可以大大缓解社会和经济发展对矿产资源不断增长的需求，明显降低有色金属生产过程的能源消耗，减少环境污染，实现有色金属工业的可持续发展。另外，还要注重材料的利用率，如板材、棒料、型材的规格，要合理的搭配加以利用。

总之，在选材上，我们要秉持原则，不能本末倒置。优先考虑经济效益而忽视使用性能的选材方法，生产出的必定是假冒伪劣产品。

2.4.2　热处理的工序位置

零件的加工是沿一定的工艺路线进行的，合理安排热处理的工序位置，对于保证零件质量，改善切削加工性能具有重要意义。

根据热处理的目的和工序位置的不同，热处理可分为预先热处理和最终热处理两大类，两者工序位置安排的一般规律如下。

①预先热处理　预先热处理包括退火、正火、调质处理等。退火、正火的工序位置通常安排在毛坯生产之后、切削加工之前，以消除毛坯的内应力，均匀组织，改善切削加工性能，并为以后的热处理作组织准备。对于精密零件，为了消除切削加工的残余应力，在半精加工以后还要安排去应力退火。调质处理一般安排在粗加工之后，精加工或半精加工之前，目的是获得良好的综合力学性能，为以后的热处理作组织准备；调质一般不安排在粗加工之前，以免表面调质层在粗加工时大部分被切削掉，失去调质处理的作用。这对于淬透性差的碳钢零件尤为重要。

②最终热处理　最终热处理包括淬火、回火及表面热处理等。零件经这类热处理后，获得所需的使用性能。因其硬度较高，除磨削外，不宜再进行其它形式的切削加工，故其工序位置一般安排在半精加工之后。有些零件性能要求不高，在毛坯状态下进行退火、正火或调质处理即可满足要求，这时退火、正火和调质处理也可作为最终热处理。

2.4.3　齿轮类零件的选材与热处理安排

齿轮是机械设备中不可或缺的重要零件，其选材与热处理工艺安排具有一定的代表性。齿轮传动如图2-22所示，一般来说，齿轮旋转工作时，主要的工作受力部位在轮齿。轮齿与轮齿接触传动时，轮齿整体上承受弯曲载荷，而齿面上主要是摩擦作用较明显。

（1）调质类齿轮

该类齿轮的工作条件为：中低速、轻载荷、无较大冲击。工作条件较好，速度低，轮齿表面磨损小，材料具有良好的综合机械性能即可满足工作要求。

①选择材料：45钢。

②热处理工艺方法：调质处理。

③加工工序路线：下料—锻造—退火—粗加工—半精加工—淬火+高温回火（调质处理）—精加工（磨削）—检验。

（2）表面淬火类齿轮

该类齿轮工作条件为：高速、重载荷、无较大冲击。速度高，要求齿面耐磨；而冲击不太大，也就是对韧性没有特别要求。因此，在整体调质处理后，安排表面淬火，以提高齿面硬度。

①选择材料：45钢。

②热处理工艺：调质处理+表面淬火。

③加工工序路线：下料—锻造—退火—粗加工—半精加工—调质处理—表面淬火—低温回火— 精加工（磨削）—检验。

（3）渗碳类齿轮

该类齿轮工作条件为：高速、重载荷、有较大冲击。这就要求齿面既耐磨，轮齿心部又要有较好的韧性来抵抗冲击。低碳钢具有较好的韧性能满足耐冲击要求，但是低碳钢含碳量少，淬火硬度上不去，因此要通过渗碳来提高齿面含碳量，再表面淬火使齿面硬度提高，增大其耐磨性。

①选择材料：20CrMnTi。

②热处理工艺：渗碳处理。

③加工工序路线：下料—锻造—正火—粗加工—半精加工—渗碳处理—表面淬火—低温回火—精加工（磨削）—检验。