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轴的常用材料及其机械性能

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轴的常用材料及其机械性能
   轴的材料种类很多，选用时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。
    轴的常用材料是优质碳素钢35、45、50，最常用的是45和40Cr钢。对于受载较小或不太重要的钢，也常用Q235或Q275等普通碳素钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢，常用的有40Cr、40MnB、40CrNi等。
    球墨铸铁和一些高强度铸铁，由于铸造性能好，容易铸成复杂形状，且减振性能好，应力集中敏感性低，支点位移的影响小，故常用于制造外形复杂的轴。
    特别是我国研制成功的稀土-镁球墨铸铁，冲击韧性好，同时具有减摩、吸振和对应力集中敏感性小等优点，已用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件，如曲轴等。
    根据工作条件要求，轴都要整体热处理，一般是调质，对不重要的轴采用正火处理。对要求高或要求耐磨的轴或轴段要进行表面处理，以及表面强化处理(如喷丸、辐压等)和化学处理(如渗碳、渗氮、氮化等)，以提高其强度（尤其疲劳强度）和耐磨、耐腐蚀等性能。
    在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以只为了提高轴的刚度而选用合金钢是不合适的。
    轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。轴的直径较小时，可用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，多采用锻件。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。
    对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造。
轴的常用材料及其机械性能
(MPa)

材料牌号
热处理
毛坯直径(mm)
硬度HB
抗拉强度σb≥
屈服强度σs≥
弯曲疲劳极限σ-1≥
扭转疲劳极限τ-1≥
许用弯曲应力
备  注
[σ+1]
[σ0]
[σ-1]
Q235-A
-
-
-
440
240
180
105
125
70
40
    用于不重要或载荷不大的轴
20
正火
25
≤156
420
250
180
100
125
70
40
用于载荷不大，要求韧性较高的场合。
正火

回火
≤100
>100～300
>300～500
>500～700
103～156
400
380
370
360
220
200
190
180
165
155
150
145
95
90
85
80
125
70
40
35
正火
25
≤87
540
320
230
130
165
75
45
用于有一定强度要求和加工塑性要求的轴。
正火

回火
≤100
>100～300
>300～500
>500～750
>750～1000
149～187

143～187
137～187
520
500
480
460
440
270
260
240
230
220
210
205
190
185
175
120
115
110
105
100
165
75
45
调质
≤100
>100～300
156～207
560
540
300
280
230
220
130
125
175
85
50
45
正火
25
≤241
610
360
260
150
195
95
55
应用最广泛。
正火

回火
≤100
>100～300
>300～500
>500～750
170～217
162～217

156～217
600
580
560
540
300
290
280
270
240
235
225
215
140
135
130
125
195
95
55
调质
≤200
217～255
650
360
270
155
215
100
60
40Cr
调质
25

1000
800
485
280
245
120
70
用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴。
≤100
>100～300
>300～500
>500～800
241～286
229～269

217～255
750
700
650
600
550
500
450
350
350
320
295
255
200
185
170
145
245
120
70
35SiMn
42SiMn
调质
25

900
750
445
255
245
120
70
性能接近40Cr，用于中小型轴。
≤100
>100～300
>300～400
>400～500
229～286
217～269
217～255
196～255
800
750
700
650
520
450
400
380
355
320
295
275
205
185
170
160
245
120
70
40MnB
调质
25

1000
800
485
280
245
120
70
性能同40Cr，用于重要的轴。
≤200
241～286
750
500
335
195
245
120
70
40CrNi
调质
25

1000
800
485
280
285
130
75
用于很重要的轴
35CrMo
调质
25

100
850
500
285
245
120
70
性能接近40CrNi，用于重载荷的轴。
≤100
>100～300
>300～500
>500～800
207～269
750
700
650
600
550
500
450
400
350
320
295
270
200
185
170
155
245
120
70
38SiMnMo
调质
≤100
>100～300
>300～500
>500～800
229～286
217～269
196～241
187～241
750
700
650
600
600
550
500
400
360
335
310
270
210
195
175
155
275
120
70
性能接近于35CrMo。
37SiMn2MoV
调质
25

1000
850
495
285
275
120
70
用于高强度、大尺寸和重载荷的轴。
≤200
>200～400
>400～600
269～302
241～286
241～269
880
830
780
700
650
600
425
395
370
245
230
215
275
120
70
38CrMoAlA
调质
30
229
1000
850
495
285
275
125
75
用于要求耐磨、高强且热处理变形很小的(氮化)轴
20Cr
渗碳淬火
回火
15
≤60
表面HRC
56～62
850
650
550
400
375
280
215
160
215
100
60
用于要求强度、韧性均较高的轴(如齿轮轴、蜗杆)
20CrMnTi
渗碳淬火
回火
15
表面HRC
56～62
1100
850
525
300
365
165
100
1Cr13
调质
≤60
187～217
600
420
275
155
275
130
75
用于腐蚀条件下工作的轴。
2Cr13
调质
≤100
197～248
660
450
295
170
275
130
75
1Cr18Ni9Ti
淬火
≤60
>60～180
>100～200
≤192
550
540
500
220
200
200
205
195
185
120
115
105
165
75
45
用于在高、低温及强腐蚀条件下工作的轴。
QT400-15
-
-
156～197
400
300
145
125
100

用于结构、形状复杂的轴
QT450-10
-
-
170～207
450
330
160
140
110

QT500-7
-
-
187～255
500
380
180
155
125

QT600-3
-
-
197～269
600
420
215
185
150

注：1. 表中所列疲劳极限数据，均按下式计算σ-1≈0.27(σb+σs)，τ-1≈0.156(σb+σs)。
    2. 其他性能，一般可取τs≈(0.55～0.62)σs，σ0≈1.4σ-1，τ0≈1.5τ-1。
    3. 球墨铸铁σ-1≈0.36σb，τ-1≈0.31σb。
    4. 许用静应力[σ+1]=σb/[S]b，许用疲劳应力[σ-1]≈σ-1/[S]-1。
    5. 选用[σ-1]时，重要零件取小值，一般零件取大值。
各种发动机曲轴材料及热处理
用  途
材  料
预备热处理
最终热处理
工艺
硬度（HB）
工艺
层深（mm）
硬度（HB）
轿车、轻型车拖拉机
45
50Mn
QT600-3
正火
调质
正火
170～228
217～277
229～302
感应淬火
氮碳共渗：570℃，180min油冷
氮碳共渗：560℃，180min油冷
2～4.5
＞0.5
≥0.1　
　55～63
≥500HV0.1
＞650HV
载重车及拖拉机
QT600-3
45
45
正火
正火
调质
220～260
163～196
207～241
感应淬火，自回火
感应淬火，自回火
感应淬火，自回火　
2.9～3.5
3～4.5
≥3　
46～58
55～63
≥55　
重型载重车
45
QT900-2
35CrMo
正火
正火+回火
调质

280～321
216～269
氮碳共渗

感应淬火　
　0.9～1.2

3～5
　≥300HV10

53～58
大马力柴油机
QT600-3
35CrNi3Mo
35CrMo
QT600-3
正火+回火
调质+稳定化处理
调质
正火+回火
240～300

渗氮，490℃，60h
离子渗氮，515℃，40h
渗氮，510℃，120h　

≥0.3
≥0.5
≥0.7

≥600HV
≥550HV
≥600HV　
各种凸轮轴材料及热处理工艺
用  途
材  料
预备热处理
最终热处理
工艺
硬度（HB）
工艺
层深（mm）
硬度（HB）
小拖拉机
轿车
吉普
QT600-3
合金铸铁
45
正火
去应力退火
调质
229～302
241～302
187～229
贝氏体等温淬火
贝氏体等温淬火氮碳共渗
感应淬火
0.1～0.15
3.0～6.0
43～50
＞700HV
颈55～63
齿45～58
载重车
拖拉机
45
QT600-3
正火

去应力退火
163～197

230～280
感应淬火

贝氏体等温淬火　
2.5～5.5
颈55～63
齿45～58
≥45
重型车
20
QT600-3
50

去应力退火
正火
≥170
渗碳、淬火回火
贝氏体等温淬火
感应淬火、回火　
1.3～1.7

1.5～2.0
58～62
43～51
59～63
大马力
柴油机
船
20CrMnTi
正火　
--
渗碳、淬火、回火
1.7～2.2
56～61
机
车
50Mn
退火
去应力退火
241～285
感应淬火    凸轮
轴颈　
2～5
1.5～4
58～62
55～62
45
正火
-
感应淬火、回火　
1.3～2.5
50～55
机床主轴材料和热处理
工作条件
材  料
热处理
硬  度
原   因
使用实例
1)与滚动轴承配合
2)轻载荷或中等载荷，转速低
3)精度要求不高
4)稍有冲击载荷，交变载荷可以忽略不计
45
调质处理
220～250HB
1)调质后，保证主轴具有一定强度
2)精度要求不高
一般机床主轴
1)与滚动轴承配合
2)轻载荷或中等载荷，转速略高
3)装配精度要求不太高
4)冲击和交变载荷可以忽略不计
45
  调质后局部整体淬硬
42～47HRC
1)有足够的强度
2)轴颈及配件装拆处得到需要的硬度
3)简化热处理操作
4)不承受较大冲击载荷
龙门铣床，立式铣床
小型立式车床等的主轴
1)与滚动轴承配合
2)轻载荷或中等载荷，转速低[PV≤150N·m/(cm2·s)]
3)精度要求不很高
4)冲击,交变载荷不大
45
正火
170～217HB
1)正火或调质后保证主轴具有一定的强度和韧性
2)轴颈处有滑动摩擦，需要有较高的硬度
C650、C660、C8480等大重型车床主轴
调质
220～250HB
轴颈部分 表面淬硬
48～53HRC
1)与滚动轴承配合
2)承受中等，转速较高
3)精度要求较高
4)交变,冲击载荷较小
40Cr(42MnVB)
淬硬
调质后局部淬硬
42～47HRC
或
52～57HRC
1)为保证有足够的强度，选用40Cr调质
2)轴颈和配件装拆处得到需要的硬度
3)若无冲击力，硬度要求取高值
齿轮铣床，组合车床等的主轴
1)与滚动轴承配合
2)承受中等，转速较高
3)精度要求较高
4)交变,冲击载荷较小
5)工作中受冲击载荷
40Cr(42MnVB)

调质
220～250HB
1)调质后主轴有较高的强度和韧性
2)轴颈处得到需要的硬度
铣床，龙门铣床，车床等的主轴
轴颈部分 表面淬硬
48～53HRC
1)与滑动轴承配合
2)承受中等载荷，转速较高[PV＜400N·m/(cm2·s)]
3)承受较高的交变和冲击载荷
4)精度要求较高
40Cr(42MnVB)
调质处理
220～250HB
或
250～280HB
1)调质后主轴有较高的强度和韧性
2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬
3)配件装拆部分有一定硬度
车床主轴或磨床砂轮主轴(φ80mm以下)
轴颈部分表面淬火
52～57HRC
装拆配件处表面淬硬
48～53HRC
1)与滑动轴承配合
2)承受中等载荷，转速较[PV＜400N·m/(cm2·s)]提高
3)承受较高的交变和冲击载荷
4)精度要求更高
40Cr(42CrMn)
调质处理
表面硬度
56～61HRC
1)调质后主轴有较高的强度和韧性
2)为获得良好的耐磨性选择表面淬硬
3)配件装拆部分有一定硬度
磨床砂轮主轴
轴颈部分表面淬火
装拆配件处表面淬硬
1)与滑动轴承配合
2)承受中等载荷或重载荷[PV＜400N·m/(cm2·s)]
3)要求轴颈有更高的耐磨性
4)精度要求较高
5)承受较高的交变，但冲击载荷较小
65Mn
调质
250～280HB
1)调质后有较高的强度
2)表面淬硬后提高耐疲劳性能
3)获得较高的硬度，提高耐磨性
4)表面马氏体易粗大，冲击值低
磨床砂轮主轴
轴颈部分 表面淬硬
≥59HRC
装拆配件处表面淬硬
50～55HRC
1)与滑动轴承配合
2)承受中等载荷或重载荷[PV＜400N·m/(cm2·s)]
3)要求轴颈有更高的耐磨性
4)精度要求较高
5)承受较高的交变，但冲击载荷较小
6)表面硬度和显微组织要求更高
GCr15
9Mn2V
调质
250～280HB
≥59HRC
1)获得高的表面硬度和良好的耐磨性能
2)超精磨性好，粗糙度易降低
较高精度的磨床主轴
轴颈部分 表面淬硬
装拆配件处表面淬硬
1)与滑动轴承配合
2)受重载荷，转速很高
3)精度要求极高，轴隙≤0.003mm
4)受很高的疲劳应力和冲击载荷
38CrMoAlA
正火或调质
250～280HB
1)有很高的心部强度
2)达到很高的表面硬度，不易磨损保持精度稳定
3)优良的耐疲劳性能
4)畸变量小
高精度磨床主轴，镗床主轴、坐标镗床等的主轴
渗氮
≥900HV
1)与滚动或滑动轴承配合，转速较低
2)受轻载荷或中等载荷
50Mn2
正火
192～241HB
对于大直径主轴，当热处理设备或技术有困难时，可用此材料
重型机床主轴
1)与滑动轴承配合
2)受中等载荷心部强度不高，但转速很高
3)精度要求不太高
4)不大的冲击压力和较高的疲劳应力
20Cr
20MnVB
20Mn2B
渗碳后淬硬
表面硬度
56～63HRC
1)心部强度不高，受力易扭曲畸变
2)表面硬度高，适用于高速低载荷主轴
高精度精密车床，内圆磨床等的主轴
1)与滑动轴承配合
2)重载荷，高速运转
3)高的冲击力
4)很高的交变载荷
20CrMnTi
12CrNi3
渗碳后淬硬
表面硬度
56～63HRC
1)很高的表面硬度冲击韧性和心部强度
2)热处理畸变比20Cr小
转塔车床、齿轮磨床、精密丝杆车床、重型齿轮铣床等的主轴
半轴常用材料及技术要求
产 品
钢 号
预处理
整体调质
感应淬火
渗碳淬火
杆部(HRC)
法兰(HRC)
层深(mm)
硬度(HRC)
层深(mm)
硬度(HRC)
轿车和
吉普
40Cr
正火
28～32
28～32
4～6
50～55
-
-
40MnB
正火
41～47
-
-
-
-
-
20CrMnTi
正火
-
-
-
-
1.5～1.8
58～63
42CrMo
正火
37～41
22～32
1～2
50～55
-
-
载重车
40Cr
正火
-
-
3～6
49～62
-
-
12Cr2Ni4A
正火
-
-
-
-
1.2～1.6
58～63
40MnB
正火187～241HB
-
-
4～7
52～58
-
-
-
-
40MnB
调质229～269HB
-
-
4～7
52～63
重型车
40CrMnMo
退火≤255HB
37～44
-
-
-
-
-
-

40Cr
正火
-
-
7～10
50～55
40CrNi
退火
-
-
8～10
53～60

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