常用的机械零件按其形状特征和用途的不同可分为轴杆类零件、盘套类零件和箱体类零件三大类。选材的一般思路或方法是以不同种类的零件所要求的不同主要性能为出发点，来确定适用的材料种类及强化方法。在选材时，材料的主要性能数据一般可以从有关国家标准或设计手册中查到，但在具体应用这些数据时必须注意成型及改性工艺对材料性能的影响、材料性能数据的波动、实际零件性能与实验数据的差距、零件硬度值的合理确定、非金属材料与金属材料的性能差别等。
9.3.1 齿轮类零件的选材及热处理
减速器主要零件选材
齿轮是机械中最主要的传动零件，其作用是传递转矩、变换速度或方向，少数齿轮受力不大，仅起分度定位作用。如图9-1为普通车床主轴箱中的齿轮、图9-2为减速箱中的齿轮。齿轮的转速可以相差很大，直径可以从几毫米到几米，工作条件、环境也有很大差别。因此，齿轮的工作条件是较复杂的，但大多数重要齿轮仍具有以下共同特点。
图9-1 普通车床主轴箱中的齿轮
图9-2 减速箱中的齿轮
1.齿轮的工作条件
（1）由于传递转矩，轮齿根部承受较大的弯曲应力。
（2）齿面在工作过程中相互滚动和滑动，表面受到强烈的摩擦和磨损。
（3）由于变速、启动或啮合不良，轮齿会受到冲击载荷作用。
2.齿轮失效形式
根据齿轮的工作特点，其主要失效形式有疲劳断裂、齿面磨损、齿面接触疲劳破坏及过载断裂等。
3.齿轮用材的性能要求
根据工作条件和失效形式，齿轮用材应满足以下性能要求：
（1）齿轮用材应具有高的弯曲疲劳强度。
（2）齿轮用材应具有高的接触疲劳强度和耐磨性。
（3）齿轮心部应具有足够的强度和韧性。
4.齿轮的选材与热处理
齿轮的工作条件不同，所用的材料及热处理方法也有所不同。对于受力不大或无润滑条件下工作的齿轮，如水表等，可选用塑料（尼龙、聚碳酸酯等）制造；对于在低应力、低冲击载荷条件下工作的齿轮，可用HT250、HT300、HT350、QT600-3、QT700-2等材料制造；对于较为重要的齿轮，一般都用钢制造。
表9-3 机床、汽车、航空齿轮的选材及热处理工艺
续表
5.齿轮的选材与工艺路线实例
（1）机床齿轮的选材与工艺路线
运动平稳、转速中等、负荷不大、无强烈冲击、强度和韧性要求均不太高的机床齿轮，一般用中碳钢（如45钢）制造，采用高频感应淬火进行表面强化处理。以C6140普通车床的传动齿轮为例，其制造工艺路线为：下料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→高频感应淬火→低温回火→精磨。对于性能要求不高的齿轮，可以在锻造后先粗加工，再正火、精加工，省去调质处理；对于极少数高速、重载、高精度或承受一定冲击的齿轮，可采用38CrMoAlA、35CrMo等合金渗氮钢进行表面渗氮处理，或合金渗碳钢进行渗碳＋淬火＋低温回火处理。
如果该齿轮受力较大，则可选用中碳低合金钢，如40Cr。
小模数齿轮由于齿高不大，在进行高频感应淬火时，常常使齿的整个截面热透，造成淬火后硬度增加、韧性下降，会发生断齿和崩齿，这时可选择低淬透性钢，如55Tid、60Tid。
正火的目的是使组织均匀，消除锻造应力，调整硬度，便于切削；调质可以使齿轮具有良好的综合力学性能，提高齿轮心部的强度和韧度（硬度可达220 HBW，冲击韧度可达40 J/cm2），使齿轮能承受较大的弯曲应力和冲击。
高频感应淬火的目的是赋予齿轮齿面以高硬度、高耐磨性，并使齿轮表面有压应力，从而增强其抗疲劳能力；低温回火是为了消除淬火应力，防止产生研磨裂纹和提高抗冲击能力。
（2）汽车齿轮的选材与工艺路线
汽车上使用齿轮的部位主要在变速箱、驱动桥差速器中，通过齿轮传动将动力传至半轴，带动主动轮转动，驱使汽车前进，通过改变齿轮速比与方向，控制汽车行驶速度和前进、后退。另外，在发动机凸轮轴中有齿轮，汽车起动电动机、汽车里程表等处也使用齿轮。
汽车变速齿轮受力较大，超载和受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度及冲击韧度等性能要求均比一般机床齿轮要高，仅选用一般调质钢进行感应淬火难以保证要求，通常要选用渗碳钢来制作重要齿轮。同时，要根据汽车齿轮批量大的特点，选用先进、合理的工艺方法，追求成本的降低。
我国应用最多的是合金渗碳钢20Cr、20CrMnTi、20MnVB、20CrMnMo等，并经渗碳、淬火及低温回火处理。经渗碳处理后表面含碳量大大提高，保证淬火后得到高的硬度，提高耐磨性和接触疲劳抗力。在渗碳、淬火及低温回火后其齿面硬度可达58～62 HRC，心部硬度为30～45 HRC。由于合金元素能提高淬透性，淬火、回火后可使心部获得较高的强度和足够的冲击强度。为了进一步提高齿轮的耐用性，渗碳、淬火、回火后，还可进行喷丸处理，以增大表层压应力。
齿轮加工工艺路线一般为：下料→锻造→正火→切削→渗碳→淬火→低温回火→磨削→喷丸。
对于大模数、重载、高耐磨和韧性要求高的齿轮，可以选用12Cr2Ni4A或18Cr2Ni4WA等高淬透性渗碳钢。
对于飞机、坦克等使用的特别重要的齿轮，可选用高性能、高淬透性的渗碳钢（如 18Cr2Ni4WA）来制造。
表9-4列出了汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理技术要求。
表9-4 汽车、拖拉机齿轮常用钢种及热处理技术要求
续表
9.3.2 轴类零件的选材及热处理
轴是机械工业中最基础的零部件之一，主要用以支承传动零部件并传递运动和动力。轴类零件包括各类传动轴、机床主轴、丝杠、光杠、曲轴、偏心轴、凸轮轴、连杆等，要求具有较高的强度、疲劳极限、塑性和韧性以及良好的综合力学性能。如图9-3为机床丝杠，图9-4为汽车发动机的凸轮轴。
图9-3 机床丝杠
图9-4 汽车发动机的凸轮轴
1.轴类零件的工作条件
轴类零件在工作时主要承受交变、弯曲和扭转应力的复合作用，有时也承受拉、压应力；轴与轴上的零件有相对运动，相互间存在摩擦和磨损；轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷。多数轴在工作过程中常常要承受一定的过载载荷。
2.轴类零件的失效形式(www.xing528.com)
轴类零件的主要失效形式有以下几种：
（1）断裂。断裂是轴的最主要失效形式，其中多数为疲劳断裂，少数为冲击过载断裂。
（2）磨损。轴的相对运动表面因摩擦而过度磨损。
（3）过量变形。在极少数情况下，轴会发生因强度不足的过量塑性变形失效和刚度不足的过量弹性变形失效。
3.轴类零件的性能要求
（1）轴应具有优良的综合力学性能，即具有足够的强度、塑性和一定的韧性，以承受过载和冲击载荷，防止发生过量变形和断裂。
（2）当弯曲载荷很大、转速又很高时，轴要承受很高的疲劳应力。因此，要求轴具有高的疲劳强度，以防疲劳断裂。
（3）轴表面要具有高硬度和耐磨性，特别是与滑动轴承接触的轴颈部位，耐磨性要求高。轴转速越高，耐磨性要求也越高。
（4）在特殊条件下，轴还应具有较高的抗蠕变能力和耐蚀性。
4.轴类零件的选材与热处理
作为轴的材料，用有机高分子材料，其弹性模量小，不合适；而用陶瓷材料，其太脆，韧性差，也不合适。因此，轴的材料几乎都是选用金属材料。
对轴进行选材时，必须将轴的受力情况做进一步分析。按受力情况可以将轴分为以下几类：
（1）刚度和耐磨性为主、轻载的轴。以刚度为主要性能要求、轻载的非重要轴，可以用碳钢或球墨铸铁来制造；对于轴颈有较高耐磨性要求的轴，则须选用中碳钢并进行表面淬火，将强度提高到52 HRC以上；对于要求高精度、高尺寸稳定性及高耐磨性的轴，如镗床主轴，则常选用38CrMoAlA钢，并进行调质及渗氮处理。
（2）主要受弯曲、扭转的轴。如变速箱传动轴、发动机曲轴、机床主轴等，这类轴在整个截面上所受的应力分布不均匀，表面应力较大，心部应力较小，不必选用淬透性很高的钢种，一般选用中碳钢，如45钢、45Cr、40MnB等，既经济，韧性又高。
（3）同时承受弯曲（或扭转）及拉压载荷的轴。如船用推进器轴、锻锤锤杆等，这类轴在整个截面上的应力分布均匀，心部受力也较大，选用的钢种应具有较高的淬透性。
5.轴类零件的选材与工艺路线实例
（1）机床主轴的选材与工艺路线
机床主轴在工作中承受交变弯曲应力与扭转应力，但承受的冲击载荷并不大，转速也不高且平稳。大端轴颈处因在使用中常会因轴颈磨损而导致精度丧失，造成失效；在锥孔与外圆锥面处，工作时易拉毛。这些部位应具有一定的耐磨性。因此，机床主轴可选用45钢，载荷较大者可选用40Cr等钢。
图9-5为C6132车床主轴，用45钢制造，其主要工艺路线安排如下：
下料→锻造→正火→粗加工→调质→精车→表面淬火、低温回火→磨削。
图9-5 C6132车床主轴
正火的目的是得到合适的硬度，便于机械加工，同时改善锻造组织，为最终热处理做好准备。调质是为了使主轴得到良好的综合力学性能和疲劳强度。将调质安排在粗加工后进行，可以更好地发挥调质的效果。
对轴颈内锥孔、外锥面进行表面淬火低温回火，是为了提高硬度、增加耐磨性，延长轴的使用寿命。
（2）曲轴的选材与工艺路线
曲轴（见图9-6）在内燃机中工作时，将活塞连杆的往复运动变为旋转运动。曲轴是形状复杂而又重要的零件之一。气缸的气体压力通过活塞的作用，使曲轴承受很大的冲击应力和扭转应力，在复杂繁重的工作条件下，曲轴的失效形式主要是轴颈磨损和疲劳断裂。作为高速、大功率内燃机的曲轴，一般都用合金调质钢锻造成型；中、小型内燃机的曲轴常选用球墨铸铁或45钢。表9-5为各种发动机曲轴用材及热处理。
图9-6 球墨铸铁曲轴
球墨铸铁件正火后有较高的强度及屈强比，以及高的扭转疲劳强度、较好的减振性、小的缺口敏感性。经过多次冲击抗力试验发现，在冲击应力不很高时，QT600-3比45钢还好，应用球墨铸铁制造曲轴，不仅工艺性好，而且成本低廉。
表9-5 各种发动机曲轴用材及热处理
球墨铸铁曲轴的工艺路线安排如下：
铸造成型→热处理（正火和高温回火）→机械加工→轴颈气体渗氮。
正火（950 °C）的目的是增加珠光体含量和细化珠光体，提高抗拉强度、硬度和耐磨性；高温回火的目的是消除正火（风冷、喷雾）所造成的内应力；气体渗氮是为了提高轴颈的表面硬度和耐磨性。
9.3.3 箱体类零件的选材及热处理
1.箱体类零件的工作条件
箱体是机器或部件的基础零件，由它将机器或部件中的有关零件连接成一个整体，以保持正确的相互位置，彼此能协调运动。减速箱箱体的功用，是保证其他零部件占据合理的正确位置，使之有一个协调运动的基础零件，其质量的优劣将直接影响到轴和齿轮等零件互相位置的准确性及变速箱总成使用的灵活性和寿命。减速箱箱体是典型的箱体类零件，结构特点是形状复杂，薄壁（10～20 mm），需加工多个平面孔系和螺孔等，且刚度低，受力、热等因素影响易产生变形。减速箱箱体零件的工作条件比较恶劣，受载货量和行驶路面的影响，主要承受着振动和冲击力。
2.箱体类零件的性能要求
箱体类零件主要要求具有较好的刚度和减振性以及良好的抗拉强度。
3.箱体零件材料的选择
对于箱体零件材料的选择，具体要求如下：
（1）对受力较大，要求高的抗拉强度和高韧性（或在高温高压下工作）的选用铸钢。
（2）对受力不大，且受静压力、不受冲击的选用灰铸铁HT150、HT200。
（3）相对运动件（存在摩擦、磨损）应选用抗拉强度较高的灰铸铁，如HT250或孕育铸铁、HT300、HT350。
（4）受力不大，要求轻且热导性好的小型箱体件，可选用铝合金铸造，如ZAlSi5CulMg（ZL105）、ZAlCu5Mn（Z1201）。
（5）受力小，要求轻且耐热性好的零件，选用工程塑料、ABS有机玻璃、尼龙。
（6）受力较大，形状简单或单件的，选用型钢焊接，如Q235或45钢。
4.减速箱体选材及加工工艺路线
如图9-7所示为双级圆柱齿轮减速箱体，上有三对精度较高的轴承孔，形状复杂。该箱体要求有较好的刚度、减振性和密封性，轴承孔承受载荷较大，故该箱体材料选用HT250，采用砂型铸造，铸造后应进行去应力退火。单件生产也可用焊接件。
图9-7 双级圆柱齿轮减速箱体
1—盖；2—对合面；3—定位销孔；4—底座；5—出油孔；6—油面指示器孔。
减速器箱体的工艺路线为：铸造毛坯→去应力退火→划线→切削加工。
其中去应力退火是为了消除铸造内应力，稳定尺寸，减少箱体在加工和使用过程中的变形。
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