在精密机械设计中,正确选用零件的材料和热处理方法,对保证和提高产品的性能和质量,降低成本,有着十分重要的意义。
在精密机械中应用的材料,按用途可分为结构材料和功能材料。结构材料是指工程上要求具有一定强度、刚度﹑塑性,硬度、耐磨性等力学性能的材料;功能材料是指具有光、电,声、热﹑磁等功能和效应的材料。根据材料的特点及性质，一般可分为金属材料、非金属材料和复合材料,其中非金属材料又可分为无机非金属材料和有机材料。
金属材料是精密机械中应用最广泛的材料,具体又可分为黑色金属材料和有色金属材料两类,黑色金属材料是指铁基金属合金,包括钢和铸铁。
1）钢
钢是铁和碳的合金,有时也含有其他金属或非金属元素。钢可分为碳素钢和合金钢两大类。
(1）碳素钢 碳素钢的性能主要取决于钢中的碳含量。按碳含量的不同,碳素钢分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。碳素钢价格低廉,容易获得和加工。通过增﹑减碳含量和进行不同的热处理,可以改善碳素钢的性能,满足一般生产上的要求。对于受力不大,基本上承受静载荷的零件,可选用普通碳素钢;当零件受力较大,承受变应力或冲击载荷时,可选用优质碳素钢。由于碳素钢淬透性低,且不能满足一些特殊的性能要求,如耐热、耐低温(低温下韧度高)、耐腐蚀、耐磨等,因而它的使用受到了限制。
(2）合金钢 当零件受力较大,承受变应力,工作情况复杂,热处理要求较高时,一般选用合金钢。合金钢中含有一定数量的合金元素。合金元素的加入对钢的性能影响很大,可以增加材料的强度﹑硬度﹑延展性和韧度,提高其耐磨﹑耐酸﹑防锈和抗腐蚀等性能。根据加入合金元素总量的不同,合金钢可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。
2)铸铁
铸铁的抗拉强度﹑塑性和韧度较差,但抗压强度较高﹐具有良好的铸造性、切削加工性和减摩性等,且价格低廉。铸铁分为灰铸铁和球墨铸铁。
(1）灰铸铁 灰铸铁中的碳主要以自由状态的片状石墨形式存在,断口呈灰色。灰铸铁成本低、铸造性好,可制成形状复杂的零件,且具有良好的减振性能。灰铸铁本身的抗压强度高于抗拉强度,故适用于制造在受压状态下工作的零件。但灰铸铁的脆性很大,不宜承受冲击载荷。
(2）球墨铸铁 球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形式存在,具有较高的延展性和耐磨性。球墨铸铁的强度比灰铸铁高,接近于碳素结构钢,而减振性优于钢,因此多用于制造受冲击载荷的零件。
3）有色金属
工业上把铁以外的金属统称为有色金属,以有色金属为主要元素组成的合金称为有色金属合金。有色金属及其合金具有一些特殊性能,如良好的减摩性,耐蚀性、耐热性和导电性等，在精密机械中多作为耐磨﹑减摩、耐蚀或装饰材料来使用。
(1)铜和铜合金 铜具有良好的导电性、导热性﹑耐蚀性和延展性。常用的铜合金有黄铜﹑青铜等。黄铜是铜与锌的合金,可铸造也可锻造,有良好机械加工性能。青铜是在铜合金中加入锡﹑铅等元素形成的。加入元素以锡为主的称为锡青铜,锡青铜的强度、硬度、耐磨性及耐腐蚀性都比黄铜高,具有良好的弹性,导电性﹑切削性能和压力加工性能。铜合金中加入的主要元素不是锌和锡的合金,称为无锡青铜,如铜合金中加入铝、镀、铅等元素,分别形成铝青铜﹑镀青铜、铅青铜。铝青铜的强度比黄铜和锡青铜都高,且价格便宜,常用来制造承受重载、耐磨的零件。镀青铜经淬火和人工时效处理后,强度、硬度、弹性极限和疲劳极限均有较大的提高,具有良好的耐蚀性,导电和导热性,而且其无磁性,是制造某些弹性元件的极好材料,但成本较高。
(2）铝合金 铝合金是在铝中加入铜、镁、锰、锌、硅等形成的。铝合金分为铸铝合金和硬铝合金两种。铸铝合金的铸造性能良好﹐切削性能较差,具有足够的强度、良好的塑性和耐蚀性,常用于制造光学仪器和精密机械的壳体和支座。硬铝合金经轧制成材,广泛用于制造精密机械中的结构零件。铝合金不耐磨,可用镀铬的方法提高其耐磨能力。铝合金使用时不产生电火花,故可用作储存易燃易爆物的容器材料。
(3）钛合金 钛合金中主要加人的元素有铝、铬、锰、铁、钼、钒等。钛和钛合金的密度都较小,高﹑低温性能较好,强度高﹐并具有良好的耐蚀性,所以在航空、造船、化工等工业中得到了广泛应用。
4）非金属材料
在精密机械和仪器仪表中,除了大量应用各种金属材料外,还经常使用各种非金属材料，如橡胶、工程塑料、人工合成矿物等。
(1）橡胶﹑橡胶除具有较大的弹性和良好的绝缘性之外,还有良好的耐磨损、耐化学腐蚀和耐放射性等性能,应用非常广泛。
(2）工程塑料﹑工程塑料是以天然树脂或人造树脂为基础,加人填充剂﹑增塑剂、润滑剂等制成的高分子有机物。其密度小,质量小,耐腐蚀性能好﹑容易加工,可用注塑、挤压成型的方法制成各种形状复杂、尺寸精确的零件。
工程塑料按其成形工艺的特点,可分为热塑性塑料和热固性塑料。常用的热塑性塑料有:聚酰胺(尼龙)聚甲醛、聚碳酸酯、氯化聚醚、有机玻璃等。常用的热固性塑料有酚醛塑料、氨基塑料等。
(3)人工合成矿物 常用的人工合成矿物有石英和刚玉。石英的主要成分为二氧化硅，石英是透明的,有天然与人工合成的两种。石英晶体是一种六棱柱形多面体,两端呈角锥形。石英是各向异性体,具有压电效应。电子钟、电子表及各种频率计中的晶体振荡器都是由石英晶体制成的。
刚玉俗称宝石,硬度仅次于钻石,其主要成分是三氧化二铝。纯净的宝石无色,但由于杂质的渗入会呈现红﹑蓝﹑黑、褐等不同颜色。如渗入氧化铬和二氧化钛的刚玉呈红色,即为红宝石;渗入氧化钛和氧化铁的刚玉呈蓝色,即为蓝宝石。仪器仪表和钟表行业一般使用红宝石来制造微型轴承,如一些航空仪表、百分表和钟表等中的宝石轴承。
5）复合材料
复合材料是由两种或两种以上性质不同的金属材料或非金属材料,按设计要求进行定向处理或复合而得到的一种新型材料。常见的复合材料有纤维复合材料,层叠复合材料、颗粒复合材料、骨架复合材料等。工业中用得较多的是纤维复合材料,这种材料主要用于制造薄壁压力容器。另外,在碳素结构钢板表面贴覆塑料或不锈钢,可以得到强度高而且耐蚀性能好的塑料复合钢板或金属复合钢板。目前,复合材料已广泛用于汽车﹑航空航天工业等领域。
关于各种材料的力学性能、产品规格等,可参阅相关文献。
