工程材料在实际应用中的案例分析

9.4.1 汽车零件用材

1.缸体、缸盖用材

缸体常用的材料有灰口铸铁和铝合金两种。缸盖应采用导热性好、高温强度高、能承受反复热应力、铸造性能良好的材料来制造。目前使用的缸盖材料有两种：一种是灰口铸铁或合金铸铁，另一种是铝合金。

2.缸套用材

常用缸套材料为耐磨合金铸铁，主要有高磷铸铁、硼铸铁、合金铸铁等。

3.活塞、活塞销和活塞环用材

活塞材料一般用20钢或20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢。活塞销外表面应进行渗碳或碳氮共渗处理，以满足外表面硬而耐磨、材料内部韧而耐冲击的要求。

4.连杆用材

连杆材料一般采用45钢、40Cr或者40MnB等调质钢。

5.气门用材

气门材料应选用耐热、耐蚀、耐磨的材料。进气门一般可用40Cr、35CrMo、38CrSi、42Mn2V等合金钢制造；而排气门要求用高铬耐热钢制造，如4Cr10Si2Mo。

6.半轴用材

中、小型汽车的半轴一般用45钢、40Cr钢制造，而重型汽车用40MnB、40CrNi或40CrMnMo等淬透性较高的合金钢制造。

7.保险杠、刹车盘、纵梁等用材

这些部件通常采用08、20、25和Q345钢板制造，热轧钢板主要用来制造一些承受一定载荷的结构件。一些受力不大的机械外壳、驾驶室、轿车的车身等覆盖零件也用上述钢种的冷轧钢板来制造。

9.4.2 机器零件用材

1.机身、底座用材

机身和底座常采用灰口铸铁制造，其牌号是HT150、HT200及孕育铸铁HT250、HT300、HT350、HT400等。机身、箱体等大型零部件在单件或小批量生产时，也可采用普通碳素钢来制造，如Q215、Q235、Q255，其中Q235用得最多。

2.齿轮用材

齿轮常采用HT250、HT300和HT400等灰口铸铁制造。灰口铸铁由于成本低、容易制造复杂形状的零件，因此常成为首选材料。在无润滑情况下，钢只能制作小齿轮，常用普通碳素钢Q235、Q255和Q275制造；强度要求高的齿轮多采用40钢、45钢等经正火或调质处理的中碳优质钢制造；高速、重载或受强烈冲击的齿轮，宜采用40Cr等调质钢或20Cr、20CrMnTi等渗碳钢制造。

3.轴类零件用材

轴类零件一般采用正火或调质处理的 45 钢等优质碳素钢来制造。不重要的或受力较小的轴及一般较长的传动轴，可以采用Q235、Q255或Q275等普通碳素钢制造；承受载荷较大，且要求直径小、质量轻或要求提高轴颈耐磨性的轴，可以采用40Cr等合金调质钢、20Cr等合金渗碳钢制造。曲轴和主轴常采用QT600-3、KTZ650-02等球墨铸铁和可锻铸铁制造。

4.螺纹连接件用材

螺纹连接件可由螺栓、多头螺栓、紧固螺钉等连接零件构成。无特殊要求的一般螺纹连接件，常用低碳或中碳的普通碳素钢Q235、Q255、Q275制造。用35钢、45钢等优质碳素结构钢制造的螺栓常用于中等载荷以及精密的机床上。合金结构钢40Cr、40CrV等主要用于制作承受重载荷、高速、极重要的连接螺栓。

5.螺旋传动用材

螺旋传动如丝杠螺旋传动，不进行热处理的螺旋传动件用45钢、50钢制造，需进行热处理的螺旋传动件用T10、65Mn、40Cr等钢材制造。制造螺母的材料为铸造锡青铜，其中ZCuSnl0Zn2、ZCuSn6Zn6Pb3使用得最为广泛。在较小载荷及低速传动中的螺母用耐磨铸铁制造。

6.蜗轮传动用材

制造蜗轮的材料有铸青铜、铸造铝青铜和铸铁。当滑动速度v≥3 m/s时，常采用铸造锡青铜ZCuSnl0Pbl或ZCuSnZn26Pb3等。为了节约贵重的铜合金，直径为100～200 mm的青铜蜗轮，应采用青铜轮缘与灰口铸铁轮芯分别加工，再组装成一体的结构。蜗轮材料一般为碳钢和合金钢，如用15钢、20钢、15Cr钢、20Cr钢，表面渗碳淬硬到56～62 HRC，或用45钢、40Cr钢，调质后表面高频淬火到45～50 HRC。

7.滑动轴承用材

金属材料：包括轴承合金（巴氏合金、铜基轴承合金）和铸铁。

粉末冶金材料：可用于制造含油轴承。

塑料轴承：常用的塑料轴承有ABS塑料、尼龙、聚甲醛、聚四氟乙烯等。

8.滚动轴承用材

滚动轴承的内、外圈和滚动体一般用GCrl9、GCrl5、GCrl5SiMn等高碳铬或铬锰轴承钢和GSiMnV等无铬轴承钢制造。

9.机床其他零件

（1）凸轮用材：一般尺寸不大的平板凸轮可用45钢制造，并进行调质处理；要求高性能的凸轮可用45钢和40Cr制造，并进行表面淬火，硬度可达50～60 HRC；尺寸较大的凸轮（直径大于300 mm或厚度大于30 mm），一般采用HT200、HT250或HT300等灰口铸铁或耐磨铸铁制造。(www.xing528.com)

（2）刀具用材：包括碳素工具钢、合金工具钢、高速钢和硬质合金。

9.4.3 仪器仪表用材

1.壳体材料

（1）金属材料：低碳结构钢（如Q195、Q215、Q235），再用油漆防锈和装饰；铬不锈钢、铬镍奥氏体不锈钢（如lCrl3、lCrl8Ni9、lCrl8Ni9Ti）。

（2）非金属材料：如ABS塑料，易电镀和易成型，力学性能良好，是制造管道、储槽内衬、电机外壳、仪表壳、仪表盘等的优质材料。

2.轴类零件用材

轴类零件用Q235等普通碳素钢、聚甲醛塑料等工程塑料制造。硬铝LY12、LY11和黄铜HMn58-2多用于制造重要且要求具有耐蚀性的轴销等零件。

3.凸轮用材

仪器中多数凸轮所用材料为中碳钢或中碳合金钢。一般尺寸不大的平板凸轮可用45 钢制造，并进行调质处理；要求高性能的凸轮可用45钢或40Cr钢制造，并进行表面淬火。

4.齿轮用材

用普通碳素钢Q275制造齿轮，一般不需热处理。QAl10-4-4青铜可用来制造在400 °C以下工作的齿轮、阀座，QAl11-6-6青铜可用来制造在500 °C以下工作的齿轮、套管及其他减磨和耐蚀的零件。硅青铜QSi3-l有高的弹性、强度和耐磨性，耐蚀性良好，可用来制造耐蚀件及齿轮、制动杆等。

5.蜗轮、蜗杆用材

QAl11-6-6青铜可用来制造在500 °C以下工作的蜗轮、套管及其他减磨和耐蚀的零件；硅青铜QSi3-l有高的弹性、强度和耐磨性，耐蚀性良好，可用来制造蜗轮、蜗杆及耐蚀件等；聚碳酸酯等工程塑料可制造轻载蜗轮、蜗杆等零件。

9.4.4 模具零件用材

在现代汽车、拖拉机、电机及仪器仪表元器件等机械制造、冶金行业中，为了实现无切削或少切削生产，广泛使用模具。根据工作条件，常见的模锻、冷冲压、冷挤压、压铸、塑压等所用的模具可以归纳为冷作模具、热作模具和塑料模具等几类。

热处理是模具生产的关键。制订合理的加工工艺路线及热处理工艺，可减少模具生产中废品的产生，并且可有效提高模具的使用寿命。对于表面要求高硬度或耐蚀性的模具，还可采用适当的表面处理来提高其使用寿命，如渗氮、渗铬、渗硼等。

1.冷作模具

在常温下对材料进行压力加工的模具称为冷作模具。常用的冷作模具有：冲裁模、拉深模、拉丝模、冷镦模、冷挤压模等。

冷作模具正常的失效形式是磨损。但如果模具的选材、热处理或结构设计不当，常会因变形、崩刃、开裂而出现早期失效。为了使冷作模具不易变形，耐磨损，不开裂，在高应力作用下保持尺寸精度不发生变化，冷作模具用钢应具有高强度、高硬度、高耐磨性和足够的韧性，并且要求冷、热加工工艺性要好，对热硬性要求不高。表9-6是常用冷作模具用钢的分类、牌号、特点及适用范围。

表9-6　常用冷作模具用钢的分类、牌号、特点及适用范围

2.热作模具

热作模具是用于制造经加热的固态或液态金属在压力下热成型零件的模具。前者称为热锻模（包括热挤压模），后者称为压铸模。热作模具在高温（400～1000 °C）下工作，模膛和模具表面不仅经常摩擦，还要承受很大的冲击，同时还要在反复受热和冷却的条件下进行工作，要求其在工作温度下能保持足够的硬度和耐磨性，高的热硬性，较高的强度、韧性及抗热疲劳性能。因为这类模具尺寸往往较大，故模具还应具有好的导热性、耐回火性及淬透性，热处理变形小。其主要失效形式为磨损、龟裂、断裂。

5CrMnMo、5CrNiMo是典型的热锻模材料，其中5CrNiMo主要用于大、中型热锻模。中碳是为了保证热锻模经淬火、中温或高温回火后具有足够的强度和韧性。

3Cr2W8V、4Cr5MoSiV是典型的压铸模材料。低的含碳量可保证压铸模经淬火、高温回火后具有足够的强度和韧性。合金元素Cr、W、V的加入可提高钢的淬透性、热硬性、耐磨性、耐蚀性等性能。

3.塑料模具

塑料制品在工业及日常生活中得到广泛应用。塑料常采用压制、挤出、注射、吹塑、浇注等方法成型。压制成型大多用于热固性塑料；注射成型适用于热塑性塑料或流动性较大的热固性塑料；挤出成型适用于热塑性塑料的管材、棒材及丝、网、薄膜的生产，还可用于电线、电缆的包覆等。

无论是热塑性塑料还是热固性塑料，其成型过程都是在加热加压条件下完成的，但一般加热温度不高（150～250 °C），成型压力也不大（大多为40～200 MPa）。因此，塑料模具用钢的常规力学性能要求不高，但对塑料模具材料的加工工艺性能却要求高，如要求材料变形小，易切削，研磨抛光性能好，表面粗糙度低，花纹图案的刻蚀性、耐蚀性等均要求较高，而且要求有较好的焊接性和比较简单的热处理工艺等。随着塑料制品向精密复杂化、大型化和多型腔化的方向发展，对塑料模具用钢的性能要求越来越高。

以酚醛塑料为例，塑料模主要用于压制各种酚醛塑料（电木或胶木）粉，即将酚醛塑料粉加入压模中加热至150～200 °C而热压成型。酚醛塑料模在工作过程中不但受热、受力大，易磨损，易侵蚀，手工脱模时还受到冲击和碰撞，故模具的主要失效形式为长期受热、受压而产生的皱纹、凹陷、麻点、棱角堆塌等缺陷，使模具尺寸精度降低。

性能要求：较好的机加工成型性能及低的表面粗糙度，即易抛光性好，注重钢材材质纯净、组织致密；较高的硬度和耐磨性，表面硬度为48～53 HRC，并有一定的热硬性；足够的强度和韧性，良好的耐蚀性，热处理变形微小。

酚醛塑料模常用钢种按化学成分分为渗碳钢（如20、20Cr、12CrNi3A）、调质钢（如45 钢、40Cr、4Cr5MoSiVl）、碳素工具钢（如T7A、T10A）、硫系精密模具钢（如8Cr2MnWMoVS、5NiSCa）等。酚醛塑料模常用钢种及应用范围如表9-7所示。

表9-7　酚醛塑料模常用钢种及应用范围

案例释疑

某汽车有限公司本次召回范围内的部分车辆在长期暴露于强效除冰盐等高腐蚀的环境时，固定转向机电机的螺栓可能被腐蚀并断裂，造成转向机电机发生移位、传动皮带打滑，从而导致转向助力减弱或丧失，可能增加车辆发生碰撞的风险，存在安全隐患。处理措施是更换新的转向机钢制螺栓，并在转向机电机壳体和电机固定螺栓上增加防腐蚀涂层；如发现固定螺栓损坏或者在拆卸过程中受到损坏，则免费更换转向机，以消除安全隐患。

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