微課件－輪機(jī)主要零件選材輪機(jī)工程學(xué)院陳培紅主講2●機(jī)械零件材料的選用原則●曲軸●氣缸套●氣缸蓋●活塞●活塞銷●活塞環(huán)●氣閥●柴油機(jī)軸承●螺旋槳●艉軸管軸承１５輪機(jī)主要零件選材一、機(jī)械零件材料的選用原則滿足使用性能符合工藝性能兼顧經(jīng)濟(jì)性材料選用原則一、機(jī)械零件材料的選用原則１.使用性能零件工作條件分析滿足安全性、可靠性、維修性等合理的性能指標(biāo)選擇合適的材料失效分析試驗條件與實際工作條件的差別；熱處理工藝改變組織后對性能指標(biāo)的影響；形狀尺寸效應(yīng)等帶來實際情況與實驗數(shù)據(jù)之間的偏差。以性能指標(biāo)作為判據(jù)選擇材料時，應(yīng)充分考慮三個因素：一、機(jī)械零件材料的選用原則１.使用性能（1）零件工作條件分析①受力狀況——拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)；②載荷性質(zhì)——靜載荷、沖擊載荷、循環(huán)載荷；③工作溫度——常溫、低溫、高溫；④環(huán)境介質(zhì)——有無腐蝕介質(zhì)或潤滑劑的存在；⑤特殊性能要求——導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)磁性、密度、膨脹等。一、機(jī)械零件材料的選用原則１.使用性能（2）常用機(jī)械性能指標(biāo)的選配①強(qiáng)度能否滿足抵抗服役載荷的應(yīng)力。②硬度對估計材料的磨損抗力和鋼的大致強(qiáng)度都很有用.最廣泛的應(yīng)用是作為熱處理的質(zhì)量保證。③較高的塑性可對零件起到過載保護(hù)作用，使零件成形更為容易；④沖擊韌性對材料組織缺陷和溫度更為敏感，是判斷材料脆斷的一個重要指標(biāo)7種類使用性能應(yīng)用金屬良好的機(jī)械性能，工藝性良好重要的結(jié)構(gòu)零件和工程構(gòu)件高分子材料強(qiáng)度、彈性模量、疲勞抗力、韌性等較低，但它密度小，減震性良好，耐腐蝕性好，彈性變形能力強(qiáng)，制造輕載傳動齒輪、耐腐蝕的設(shè)備與零件和密封元件等陶瓷硬而脆，但耐高溫和耐腐蝕性良好制造耐高溫、耐腐蝕、耐磨的零件復(fù)合材料比強(qiáng)度高、比剛度好，抗沖擊，耐疲勞，耐高溫主要用于絕熱發(fā)動機(jī)中的重要零件一、機(jī)械零件材料的選用原則（3）使用性能一、機(jī)械零件材料的選用原則２.工藝性能材料工藝性能的好壞，對零件加工的難易程度、生產(chǎn)效率高低、生產(chǎn)成本大小等起著重要作用；同使用性能相比，工藝性能處于次要地位但在特殊情況下，工藝性能也可能成為選材的主要依據(jù)。高分子材料、陶瓷材料的工藝路線較簡單，而金屬材料的工藝路線較復(fù)雜，但適應(yīng)性能很好。機(jī)械零件最終使用性能很大程度上取決于熱處理工藝，通常碳鋼加熱時易過熱，造成晶粒粗大，淬火時易變形開裂，因此制造高強(qiáng)度、大截面形狀復(fù)雜的零件，應(yīng)選用合金鋼。一、機(jī)械零件材料的選用原則２.工藝性能（1）性能要求不高的一般金屬零件

毛坯→正火或退火→切削加工→零件（2）性能要求較高的金屬零件

毛坯→預(yù)先熱處理（正火、退火）→粗加工→最終熱處理（淬火、回火、固溶、時效或滲碳處理等）→精加工→零件（3）性能要求較高的精密金屬零件毛坯→預(yù)先熱處理（正火、退火）→粗加工→最終熱處理（淬火、回火、固溶、時效或滲碳處理等）→半精加工→穩(wěn)定化處理或氮化→精加工→穩(wěn)定化處理→零件（1）金屬材料的工藝路線10工藝性能原則常識鑄造性成分接近共晶點的合金鑄造性能最好。常用的鑄造合金中鑄造鋁合金和銅合金最好，鑄鐵次之，鑄鋼最差。鍛件或沖壓件最好是純金屬或單相固溶體合金鋁和銅壓力加工性良好，低碳鋼比高碳鋼好，而碳鋼比合金鋼好。焊接性碳和合金元素含量越低，焊接性能越好低碳鋼焊接性能良好，中、高碳鋼和合金鋼較差切削加工性加工表面質(zhì)量、切屑排除難易程度、刀具磨損大小鋼鐵材料硬度控制在170～230HBS之間便于切削（２）工藝性能一、機(jī)械零件材料的選用原則11一、機(jī)械零件材料的選用原則３.經(jīng)濟(jì)性材料的成本可占產(chǎn)品價格的30％～70％。（1）材料的價格。生產(chǎn)和使用的總成本最低。(２)零件的總成本.來源豐富并顧及我國資源狀況。（3）國家的資源等因素討論發(fā)動機(jī)曲軸選用選用強(qiáng)韌性良好的鋼制鍛件，成本較高；高韌性并非必需要求，因為彎曲了的曲軸同樣不能再使用；后成功地選用鑄造曲軸（球墨鑄鐵制造），使成本降低很多。一、機(jī)械零件材料的選用原則４.選材的基本步驟一、機(jī)械零件材料的選用原則①對產(chǎn)品功能要求特性，包括可能互相矛盾的要求，確定相對優(yōu)先次序；②決定產(chǎn)品每個構(gòu)件所要求的性能，對各種候選材料在性能上進(jìn)行比較；③對外形、材料和加工方法進(jìn)行綜合考慮。二、曲軸1.工況分析受交變載荷、彎矩和扭矩的作用；橫截面變化處有較大的集中應(yīng)力。曲軸的作用是將各缸的功率匯集起來以回轉(zhuǎn)運動形式輸送出去。２.失效分析良好的綜合機(jī)械性能足夠的疲勞強(qiáng)度優(yōu)良的耐磨性磨損裂紋組合式滑移3.性能要求2.材料

低速柴油機(jī)－組合式：主軸頸中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼（30、40、45號鋼）曲柄鑄鋼（ZG270-450、ZG310-570、ZG25MnV等）

中高速柴油機(jī)－整體式：中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金調(diào)質(zhì)鋼，或球墨鑄鐵二、曲軸3.熱處理碳鋼曲軸：正火，粗加工后退火合金鋼曲軸：退火，粗加工后調(diào)質(zhì)鑄鋼曲柄：兩次正火和低溫退火高溫擴(kuò)散退火＋正火＋回火球墨鑄鐵曲軸：正火；等溫淬火；頸軸表面高頻淬火表面強(qiáng)化處理：

軸頸處氮化處理

圓角處：不可硬化，噴丸（可整個表面）、滾壓強(qiáng)化二、曲軸三、氣缸套1.工況分析熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷、摩擦磨損；低溫腐蝕和穴蝕。組成燃燒室。２.失效分析足夠的抗壓強(qiáng)度和硬度優(yōu)良的耐磨性耐熱性、導(dǎo)熱性和耐蝕性磨損裂紋穴蝕和腐蝕3.性能要求3.熱處理

表面強(qiáng)化：表面淬火，激光淬火松孔鍍鉻

低速、一般中高速：灰口鑄鐵HT250、HT300，高磷鑄鐵、釩鈦鑄鐵中高速強(qiáng)載：硼合金鑄鐵，或球鐵2.材料－－鑄鐵三、氣缸套★少數(shù)柴油機(jī)對氣缸套材料進(jìn)行滲氮處理，所以采用滲氮鋼38CrMoAlA鍍鉻的氣缸套和鍍鉻的活塞環(huán)相配時，相溶使摩擦系數(shù)加大，甚至發(fā)生拉缸。四、氣缸蓋1.工況分析熱負(fù)荷、安裝預(yù)緊力和氣體壓力、高溫腐蝕。組成燃燒室；安裝柴油機(jī)各種附件；開設(shè)水腔和氣道。２.失效分析足夠的強(qiáng)度；足夠的剛性;良好的耐熱性；熱膨脹系數(shù)小。工藝性好。閥座磨損裂紋3.性能要求整體式：400mm以下灰鑄鐵如HT250,400mm以上球墨鑄鐵QT400-15；大型低速柴油機(jī)采用鑄鋼如ZG35CrMo或鑄鐵-鑄鋼組合式缸蓋（上下或內(nèi)外）。強(qiáng)化機(jī)型鍛鋼——現(xiàn)代二沖程長行程柴油機(jī)的汽缸蓋采用鍛鋼如35CrMo。四、氣缸蓋4.材料五、活塞1.工作條件

要求：

受高溫高壓燃?xì)夂屯鶑?fù)慣性力作用摩擦和撞擊

足夠的強(qiáng)度、硬度，較高的疲勞強(qiáng)度和高溫工作性能優(yōu)良的導(dǎo)熱性，較小的膨脹系數(shù)良好的耐磨性、耐蝕性高速柴油機(jī)需較小的比重以減小往復(fù)慣性力組成燃燒室的部件，它將氣體壓力經(jīng)連桿傳給曲軸，實現(xiàn)熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。２.失效分析磨損裂紋燒蝕或龜裂2.材料和熱處理五、活塞分類構(gòu)成名稱常用材料熱處理大型低速柴油機(jī)活塞組合式活塞頭耐熱合金鋼38CrMoAlA滲氮鋼和40CrSi等合金調(diào)質(zhì)鋼正火+退火活塞裙耐磨（合金）鑄鐵退火中型強(qiáng)載柴油機(jī)組合式活塞頭鑄鋼ZG270-500ZG25Mo正火加退火活塞裙球墨鑄鐵QT500-7退火強(qiáng)化度低及小型柴油機(jī)一體活塞本體鑄鐵HT250退火小型高速柴油機(jī)一體活塞本體鋁合金ZL109LD8淬火加時效六、活塞銷1.工作條件受氣體力和往復(fù)慣性力周期性強(qiáng)烈沖擊和剪切作用→強(qiáng)度高，剛度好，韌性好表面承受較大的摩擦磨損→表面硬度高，耐磨性好２.要求連接活塞與連桿，將活塞承受的力傳給連桿。2.材料3.熱處理低碳鋼15、20號鋼；合金滲碳鋼15Cr、20Cr、20CrMnTi等滲碳＋淬火＋低溫回火六、活塞銷活塞銷表面獲得回火馬氏體組織，硬度大于HRC58～62；低碳鋼熱處理后心部為鐵素體＋珠光體的亞共析鋼組織，硬度相當(dāng)于HRC10～15；合金滲碳鋼心部組織為低碳回火馬氏體＋鐵素體，硬度為HRC35～45七、活塞環(huán)1.工作條件

２.要求

受高溫高壓燃?xì)庾饔猛鈭A表面和端面受到摩擦、磨損

足夠的強(qiáng)度、硬度良好的耐磨性與磨合性良好的耐熱性與導(dǎo)熱性良好的抗腐蝕性2.材料3.熱處理

鑄鐵：灰鑄鐵HT250、HT300；球墨鑄鐵、含硼鑄鐵鋼制刮油環(huán)——高速大功率

鍍鉻噴鉬七、活塞環(huán)實踐證明，第一道環(huán)鍍鉻后可使其使用壽命提高3～5倍，使氣缸套磨損量減少一半。我國中、小型柴油機(jī)第一、二道活塞環(huán)普遍采用鍍鉻環(huán)。八、氣閥１.工作條件

３.要求

承受較高熱負(fù)荷排氣閥受到高溫廢氣的沖刷與腐蝕受到高壓燃?xì)獾慕蛔冚d荷作用，關(guān)閥有撞擊磨損，閥桿與導(dǎo)套間有磨損耐熱性、導(dǎo)熱性、組織穩(wěn)定性和較小的熱膨脹系數(shù)小高溫下保持足夠的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐蝕性２.失效分析磨損斷裂燒蝕2.材料3.熱處理

進(jìn)氣閥：40Cr、35CrMo、40CrNi等合金調(diào)質(zhì)鋼

強(qiáng)載機(jī)型：氣閥鋼4Cr9Si2排氣閥：氣閥鋼4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo

強(qiáng)載機(jī)型：4Cr14Ni4W2Mo——在700℃左右長期使用。4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo排氣閥鍛造毛坯退火處理

4Cr14Ni4W2Mo奧氏體型耐熱鋼通過時效處理八、氣閥1.厚壁和薄壁軸瓦

瓦殼材料：

錫基巴氏合金和鉛青銅軸瓦：低碳鋼10、15、20號鋼；鑄鋼ZG230－450

鋁基軸承合金軸瓦：低碳鋼05、08、10、15、20號鋼

軸承合金材料：

主要是錫基巴氏合金九、柴油機(jī)軸承滑動軸承結(jié)構(gòu)簡單，容易管理，維修方便２.整體襯套式軸承

瓦殼材料：

銅襯套：鑄造錫青銅鋼襯套：低碳鋼

軸承合金材料：銅鉛合金或錫基巴氏合金九、柴油機(jī)軸承十、螺旋槳１.工作條件承受來自主機(jī)的巨大扭矩，受到海水或河水的沖刷和腐蝕２.要求

較高的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌性良好的抗穴蝕和抗電化學(xué)腐蝕的能力良好的鑄造性和機(jī)械加工性能（3）材料錳黃銅、鋁青銅、鑄鐵、鑄鋼、非金屬材料主柴油機(jī)通過軸系把功率傳至螺旋槳，螺旋槳回轉(zhuǎn)與水作用產(chǎn)生軸向推力，再通過軸系、推力軸承傳給船體，實現(xiàn)船舶前進(jìn)與后退。十、螺旋槳３.材料種類性能應(yīng)用錳黃銅加入Mn可提高黃銅的機(jī)械性能、工藝性能和對海水和過熱蒸汽的耐蝕性；加入Fe可以細(xì)化晶粒，使黃銅的強(qiáng)度提高、韌性和塑性適當(dāng)。強(qiáng)度高，韌性和塑性好，耐海、淡水和過熱蒸汽腐蝕，有良好的鑄造性和機(jī)械加工性。抗穴蝕性能差。非高速大型海船和軍艦的螺旋槳鋁青銅加入Fe、Mn、Ni等，可提高強(qiáng)度和加工工藝性能，抑制大型鑄件的緩冷脆性（緩冷時產(chǎn)生粗大共析體使脆性大增）強(qiáng)度高，工藝性能好，耐海水、淡水、過熱蒸汽的腐蝕，抗穴蝕性好，疲勞強(qiáng)度高，高速大型海船和軍艦的螺旋槳鑄鐵HT200、HT250和球鐵，具有鑄造性好、價格低廉的優(yōu)點；強(qiáng)度低、脆性大、耐腐蝕性差，壽命低。內(nèi)河船舶螺旋槳鑄鋼鋼的性能優(yōu)于鑄鐵，但鑄造性差，耐蝕性低冰區(qū)和內(nèi)河航行的船舶非金屬用塑料和復(fù)合材料制造螺旋槳具有質(zhì)輕振動小，鳴音小，沖擊韌性高，抗穴蝕和抗海、淡水腐蝕性好，制造工藝簡單、價格低等優(yōu)點。但強(qiáng)度和剛性較低，易老化，在淺水道航行易磨損小船上十一、艉軸管軸承艉軸管軸承按潤滑形式可分為水潤滑軸承和油潤滑軸承兩種十一、艉軸管軸承艉軸管軸承按潤滑形式可分為水潤滑軸承和油潤滑軸承兩種鐵梨木木質(zhì)堅硬，有韌性且耐海水腐蝕，與銅套的摩擦系數(shù)