轴的常用材料与机械性能

来源：百科故事网时间：2020-12-19 属于：机械设计

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Ｌ厥庖求的轴，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n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
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≥	[σ+1]	[σ0]	[σ-1]	备注
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。
20	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	用于载荷不大，要求韧性较高的场合。
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。
40Cr	调质	≤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	用于载荷较大，而无很大冲击的重要轴。
35SiMn 42SiMn	调质	25		900	750	445	255	245	120	70	性能接近40Cr，用于中小型轴。
35SiMn 42SiMn	调质	≤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	性能接近40Cr，用于中小型轴。
40MnB	调质	25		1000	800	485	280	245	120	70	性能同40Cr，用于重要的轴。
40MnB	调质	≤200	241～286	750	500	335	195	245	120	70	性能同40Cr，用于重要的轴。
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。
35CrMo	调质	≤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	性能接近40CrNi，用于重载荷的轴。
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。
37SiMn2MoV	调质	≤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	用于高强度、大尺寸和重载荷的轴。
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	用于要求强度、韧性均较高的轴(如齿轮轴、蜗杆)
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	用于腐蚀条件下工作的轴。
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
用途	材料	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 ;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
用途		材料	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	43s50 ＞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
	机车	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t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0 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t	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
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)	轴颈部分表面淬硬	48～53HRC	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
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	g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)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;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
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;疲劳应力和冲击载荷	38CrMoAlA	渗氮	≥900HV	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
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)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t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
产品	钢号	预处理	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