轴类零件的失效形式及材料选择

轴是各种机器中最基本且关键的零件，主要作用是支承回转零件（如齿轮、带轮、凸轮等），并传递运动和动力。机床的主轴、花键轴、变速轴、丝杠，内燃机的曲轴、连杆，及汽车的传动轴、半轴等都属于轴类零件。

1）工作条件、主要失效形式与性能要求

（1）工作条件

轴在工作过程中，承受交变扭转载荷、弯曲载荷或拉、压载荷的作用；轴颈处承受较大的摩擦。此外，多数轴在工作过程中，常常要承受一定的过载和冲击。

（2）失效形式

根据工作特点，轴类零件的失效形式主要有疲劳断裂、过量变形、过量磨损失效等。此外，有时还可能发生振动或腐蚀失效。

（3）性能要求

①良好的综合力学性能，即强度和塑性、韧性良好的配合，以防过量变形及过载和冲击载荷下的折断或扭断；

②高的疲劳强度，防止疲劳断裂；

③局部具有良好的耐磨性，防止轴颈、花键等处的过度磨损。

2）材料选择

轴类零件一般按照强度、刚度计算进行零件设计与选材，同时需要考虑材料的冲击性能和表面耐磨性。常选用碳素结构钢或合金结构钢，一般以锻件或轧制型材为毛坯，有时可选用球墨铸铁等。

（1）低速、轻载等受力较小、不重要的轴，主要考虑刚度，如心轴、联轴节、拉杆、螺栓等。可选用Q235、Q255、Q275等普通碳素钢，这类钢通常不进行热处理。

（2）受中等载荷而且精度要求一般的轴类零件，主要考虑强度和耐磨性，如曲轴、连杆、普通机床主轴等。常用优质中碳结构钢，如35、40、45、50钢，其中45钢应用最多。一般要进行正火或调质处理。要求轴颈等处耐磨时，还要进行局部表面淬火和低温回火。

（3）受较重交变载荷、冲击载荷、强烈摩擦或要求精度高的轴，应选用合金钢，如汽车、拖拉机、柴油机的轴。常用的有20Cr、20CrMnTi、40MnB、40Cr、40CrNi等钢。根据合金钢的种类及轴的性能，应采用调质、表面淬火、渗碳、氮化、淬火、低温回火等热处理。当轴的精度要求极高时，可选用38CrMoAlA调质后再进行渗氮处理。

（4）对形状复杂不便加工且综合力学性能要求中等的中小内燃机的曲轴等，可选用球墨铸铁，其热处理方法主要有退火、正火、调质及表面淬火等。

3）典型轴类零件的加工工艺路线

（1）机床主轴　大多数机床主轴承受中等弯曲和扭转复合交变载荷作用，中等转速并承受一定冲击载荷，要求具有一定的综合力学性能，同时对耐磨性有一定要求。其主要失效形式为因过量磨损而丧失精度，其次是疲劳断裂。一般选用45钢制造，经调质处理后，对轴颈及锥孔处再进行表面淬火、低温回火。当机床主轴所受载荷较大时，可选用40Cr钢制造。

图9－2所示车床主轴选用45钢；整体调质处理后硬度为220～250HBW；轴颈及锥孔处表面淬火及低温回火后硬度为52～58HRC。

图9－2　机床主轴(www.xing528.com)

其加工工艺路线为：

下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→局部表面淬火＋低温回火→磨削

正火可改善锻造组织，调整硬度，改善切削加工性能；调质可得到较高的综合力学性能和疲劳强度，调质后获得的组织为回火索氏体；轴颈部位经局部表面淬火可提高轴颈部位的硬度、耐磨性及抗疲劳性能，低温回火主要是消除淬火应力，淬火＋低温回火后工件表层组织为回火马氏体。

耐冲击的轴类零件可选用20CrMnTi等渗碳钢制作，其一般工艺路线为：

下料→锻造→正火→粗加工→半精加工→渗碳→表面淬火＋低温回火→磨削

渗碳可使轴表面具有高硬度、高耐磨性和高的疲劳性能，而心部保持良好的强韧性。热处理后工件表层组织为高碳回火马氏体，心部组织为回火低碳马氏体。

当轴的精度、尺寸稳定性与耐磨性要求都很高时，如精密镗床的主轴，可选用38CrMoAlA，经调质后再进行渗氮处理，其工艺路线一般为：

下料→锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→去应力回火→粗磨→渗氮→精磨

表9－2列举了不同工作条件下机床主轴的选材及热处理。

表9－2　常用机床主轴选材及热处理

（续表）

（2）内燃机曲轴　曲轴是内燃机中非常重要而且形状复杂的零件之一，如图9－3所示。它在工作时受汽缸中周期性变化的气体压力、曲轴连杆机构的惯性力、扭转和弯曲应力及扭转振动和冲击力的作用，此外曲轴颈与轴承间有较大的滑动摩擦作用。实践证明：曲轴的主要失效形式是疲劳断裂和轴颈严重磨损，尤其以前者为重；曲轴的冲击性能要求不需要很高。因此曲轴材料应具有高强度，一定冲击韧性，足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈处要求有高硬度和耐磨性。

图9－3　曲轴

曲轴分为锻钢曲轴和球墨铸铁曲轴两类。锻钢曲轴，采用优质中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr钢等。球墨铸铁曲轴（如QT 600－3、QT 700－2等）与锻钢曲轴相比，其刚度和耐磨性不低，且具有缺口敏感性低，减振减摩，可加工性好、工艺简单且生产成本低等优点。大截面曲轴多用合金钢制造，这是由于大截面球墨铸铁球化困难，易产生畸变石墨使性能降低。近年来国内越来越多地采用球墨铸铁（如QT 700－2）来代替钢作为曲轴的材料。

球墨铸铁QT 700－2曲轴的加工工艺路线为：

铸造→高温正火→去应力退火→切削加工→轴颈气体渗氮。

高温正火（950℃）是为获得细珠光体组织，提高强度；去应力退火（560℃）可消除正火时产生的内应力；轴颈处气体渗氮可提高轴颈表面硬度及耐磨性。