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,
轴的常用材料与机械性能
。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。
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---4402401801051257040用于不重要或载荷不大的轴20正火25≤1564202501801001257040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
103~156400380
370
360
220200
190
180
165155
150
145
9590
85
80
125704035正火25≤875403202301301657545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
149~187143~187
137~187
520500
480
460
440
270260
240
230
220
210205
190
185
175
120115
110
105
100
1657545调质≤100>100~300
156~207560540
300280
230220
130125
175855045正火25≤2416103602601501959555应用最广泛。正火回火
≤100>100~300
>300~500
>500~750
170~217162~217
156~217
600580
560
540
300290
280
270
240235
225
215
140135
130
125
1959555调质≤200217~2556503602701552151006040Cr调质25100080048528024512070用于载荷较大,而无很大冲击的重要轴。≤100>100~300
>300~500
>500~800
241~286229~269
217~255
750700
650
600
550500
450
350
350320
295
255
200185
170
145
2451207035SiMn42SiMn
调质2590075044525524512070性能接近40Cr,用于中小型轴。≤100>100~300
>300~400
>400~500
229~286217~269
217~255
196~255
800750
700
650
520450
400
380
355320
295
275
205185
170
160
2451207040MnB调质25100080048528024512070性能同40Cr,用于重要的轴。≤200241~2867505003351952451207040CrNi调质25100080048528028513075用于很重要的轴35CrMo调质2510085050028524512070性能接近40CrNi,用于重载荷的轴。≤100>100~300
>300~500
>500~800
207~269750700
650
600
550500
450
400
350320
295
270
200185
170
155
2451207038SiMnMo调质≤100>100~300
>300~500
>500~800
229~286217~269
196~241
187~241
750700
650
600
600550
500
400
360335
310
270
210195
175
155
27512070性能接近于35CrMo。37SiMn2MoV调质25100085049528527512070用于高强度、大尺寸和重载荷的轴。≤200>200~400
>400~600
269~302241~286
241~269
880830
780
700650
600
425395
370
245230
215
2751207038CrMoAlA调质30229100085049528527512575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HRC56~62
850650
550400
375280
215160
21510060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HRC56~62
11008505253003651651001Cr13调质≤60187~21760042027515527513075用于腐蚀条件下工作的轴。2Cr13调质≤100197~248660450295170275130751Cr18Ni9Ti淬火≤60>60~180
>100~200
≤192550540
500
220200
200
205195
185
120115
105
1657545用于在高、低温及强腐蚀条件下工作的轴。QT400-15--156~197400300145125100用于结构、形状复杂的轴QT450-10--170~207450330160140110QT500-7--187~255500380180155125QT600-3--197~269600420215185150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。
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。
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---4402401801051257040用于不重要或载荷不大的轴20正火25≤1564202501801001257040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
103~156400380
370
360
220200
190
180
165155
150
145
9590
85
80
125704035正火25≤875403202301301657545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
149~187143~187
137~187
520500
480
460
440
270260
240
230
220
210205
190
185
175
120115
110
105
100
1657545调质≤100>100~300
156~207560540
300280
230220
130125
175855045正火25≤2416103602601501959555应用最广泛。正火回火
≤100>100~300
>300~500
>500~750
170~217162~217
156~217
600580
560
540
300290
280
270
240235
225
215
140135
130
125
1959555调质≤200217~2556503602701552151006040Cr调质25100080048528024512070用于载荷较大,而无很大冲击的重要轴。≤100>100~300
>300~500
>500~800
241~286229~269
217~255
750700
650
600
550500
450
350
350320
295
255
200185
170
145
2451207035SiMn42SiMn
调质2590075044525524512070性能接近40Cr,用于中小型轴,工程
《轴的常用材料与机械性能》(http://meiwen.anslib.com)。≤100>100~300
>300~400
>400~500
229~286217~269
217~255
196~255
800750
700
650
520450
400
380
355320
295
275
205185
170
160
2451207040MnB调质25100080048528024512070性能同40Cr,用于重要的轴。≤200241~2867505003351952451207040CrNi调质25100080048528028513075用于很重要的轴35CrMo调质2510085050028524512070性能接近40CrNi,用于重载荷的轴。≤100>100~300
>300~500
>500~800
207~269750700
650
600
550500
450
400
350320
295
270
200185
170
155
2451207038SiMnMo调质≤100>100~300
>300~500
>500~800
229~286217~269
196~241
187~241
750700
650
600
600550
500
400
360335
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270
210195
175
155
27512070性能接近于35CrMo。37SiMn2MoV调质25100085049528527512070用于高强度、大尺寸和重载荷的轴。≤200>200~400
>400~600
269~302241~286
241~269
880830
780
700650
600
425395
370
245230
215
2751207038CrMoAlA调质30229100085049528527512575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HRC56~62
850650
550400
375280
215160
21510060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HRC56~62
11008505253003651651001Cr13调质≤60187~21760042027515527513075用于腐蚀条件下工作的轴。2Cr13调质≤100197~248660450295170275130751Cr18Ni9Ti淬火≤60>60~180
>100~200
≤192550540
500
220200
200
205195
185
120115
105
1657545用于在高、低温及强腐蚀条件下工作的轴。QT400-15--156~197400300145125100用于结构、形状复杂的轴QT450-10--170~207450330160140110QT500-7--187~255500380180155125QT600-3--197~269600420215185150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4550Mn
QT600-3
正火调质
正火
170~228217~277
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QT600-345
45
正火正火
调质
220~260163~196
207~241
感应淬火,自回火感应淬火,自回火
感应淬火,自回火
2.9~3.53~4.5
≥3
46~5855~63
≥55
重型载重车45QT900-2
35CrMo
正火正火+回火
调质
280~321
216~269
氮碳共渗感应淬火
0.9~1.23~5
≥300HV1053~58
大马力柴油机QT600-335CrNi3Mo
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
229~302241~302
187~229
贝氏体等温淬火贝氏体等温淬火氮碳共渗
感应淬火
0.1~0.153.0~6.0
43~50>700HV
颈55~63
齿45~58
载重车拖拉机
45QT600-3
正火去应力退火
163~197230~280
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20QT600-3
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
1.3~1.71.5~2.0
58~6243~51
59~63
大马力柴油机
船20CrMnTi正火--渗碳、淬火、回火1.7~2.256~61机车50Mn退火去应力退火
241~285感应淬火 凸轮轴颈
2~51.5~4
58~6255~62
45正火-感应淬火、回火1.3~2.550~55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220~250HB1)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42~47HRC1)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170~217HB1)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48~53HRC1)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220~250HB1)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48~53HRC1)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48~53HRC1)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250~280HB1)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50~55HRC1)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
GCr159Mn2V
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250~280HB1)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≥900HV1)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
20Cr20MnVB
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
20CrMnTi12CrNi3
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28~3228~324~650~55--40MnB正火41~47-----20CrMnTi正火----1.5~1.858~6342CrMo正火37~4122~321~250~55--载重车40Cr正火--3~649~62--12Cr2Ni4A正火----1.2~1.658~6340MnB正火187~241HB--4~752~58----40MnB调质229~269HB--4~752~63重型车40CrMnMo退火≤255HB37~44------40Cr正火--7~1050~5540CrNi退火--8~1053~60