怎樣發(fā)揮熱處理在設(shè)計(jì)中的作用

文海鵬

設(shè)計(jì)者要了解材料與熱處理之間的關(guān)系，知道零件在受拉壓負(fù)荷和扭矩工況下如何選取合適的材料。

一、材料選擇

設(shè)計(jì)者首先從零件在產(chǎn)品中的作用選取材料和結(jié)構(gòu)形式，材料選擇可從以下幾方面考慮。

1.零件作用

選取材料時(shí)，如果零件不是主要受力件或受力較小，可選取普通的碳素鋼；如果該零件受很大的載荷，首先要考慮零件的強(qiáng)度問題，這時(shí)可選取優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼來滿足零件所要求的強(qiáng)度，且中碳鋼和合金鋼要進(jìn)行調(diào)質(zhì)；一些零件受力不大，但易受疲勞載荷作用破壞；一些長(zhǎng)期處在摩擦的場(chǎng)合，零件表面就需要很好的耐磨性，這時(shí)可采取表面處理工藝來提高抗疲勞性和耐磨性。

2.零件的性能與材料淬透性、回火性能之間的關(guān)系

材料有熱處理要求時(shí)要考慮材料的淬透性能，材料的淬透性能首先與材料本身有關(guān)，其次與材料工件的厚度也有關(guān)。設(shè)計(jì)手冊(cè)上的材料工件厚度參數(shù)，是試塊試驗(yàn)得出的，而試塊尺寸規(guī)格都較小，設(shè)計(jì)者要注意實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。

（1）淬透性對(duì)材料力學(xué)性能的影響 鋼淬火后能獲得淬硬層深度的性質(zhì)叫淬透性。材料淬火后，從表面到內(nèi)部馬氏體組織占50%處的距離為淬硬層深度。一般合金鋼的淬透性高于碳鋼，同一直徑為50mm的圓鋼，一個(gè)材料為45鋼，另一個(gè)為35CrMo鋼。淬火后35CrMo鋼從表面到心部完全淬透，其力學(xué)性能沿截面是均勻分布的，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度從表面到心部都一樣。淬火后再經(jīng)過高溫回火，得到的組織從表面到心部都是回火索氏體組織。其中滲碳體呈粒狀分布，具有較高的強(qiáng)度和韌性。而45鋼，淬透性相對(duì)差些，心部沒有淬透，組織為片層狀索氏體，韌性較低，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度從表面到心部是降低的，韌性從表面到心部是增大的，其力學(xué)性能沿截面分布不均勻。

（2）影響淬透性的因素 影響淬透性的因素是臨界冷卻速度vk，此速度為全部獲得馬氏體組織的最小冷卻速度，此值越小，越易獲得馬氏體組織，表示鋼的淬透性強(qiáng)。亞共析鋼隨著含碳量的增加，將降低臨界冷卻速度，等溫轉(zhuǎn)變曲線右移，淬透性有所增加，過共析鋼隨著含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）超過1.2%～1.3%時(shí)，臨界冷卻速度將升高，等溫轉(zhuǎn)變曲線左移，淬透性明顯降低，合金元素Mn、Mo、Cr、Al、Si、Ni等能降低鋼的臨界冷卻速度，使鋼的淬透性有較大的提高。如果設(shè)計(jì)的零件要求全部淬透，選取含以上合金元素的合金鋼將有利于提高材料的淬透性，淬火+回火后可達(dá)到零件所要求的性能。

（3）不同溫度回火后的性能 為發(fā)揮材料最佳性能，一些中碳鋼或合金鋼必須經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)材料使用的目的不同，可控制回火溫度得到不同的組織?；鼗饻囟仍?50～250℃，得到的組織為回火馬氏體，硬度為58～64HRC，這種回火主要是為了降低材料的殘余應(yīng)力和脆性。一些工模具需要高硬度和較高的耐磨性能，經(jīng)常采用低溫回火，得到所要的材料性能。回火溫度在350～500℃，得到的組織為回火托氏體，硬度為35～45HRC。中溫回火主要用于各種彈簧的處理，使其在保持一定韌性的同時(shí)具有高的彈性和屈服強(qiáng)度，回火溫度在500～650℃，得到的組織為回火索氏體，硬度為200～350HBW。如果設(shè)計(jì)的零件需要調(diào)質(zhì)處理，在選材時(shí)注意材料的WC在0.27%～0.5%之間比較合適，含碳量過低不易淬硬，回火后達(dá)不到所需要的強(qiáng)度；含碳量過高則韌性不夠，綜合力學(xué)性能變差。

二、受拉壓或扭轉(zhuǎn)負(fù)荷零件設(shè)計(jì)中注意的問題

比如我廠不壓井修井機(jī)試驗(yàn)拉桿（見圖1）是梯形螺紋聯(lián)接，規(guī)格為Tr120×10，承受拉力為1600kN，承受負(fù)荷較大。經(jīng)過計(jì)算，螺紋要承受1600kN的拉力，螺紋的安全系數(shù)取3，經(jīng)過計(jì)算要求材料屈服強(qiáng)度≥800MPa，材料的使用才安全。由于整個(gè)截面都要受力，要求該零件的表面和心部力學(xué)性能一致，故選取能全部淬透的鋼。優(yōu)質(zhì)碳素鋼與合金鋼相比，合金鋼的淬透性優(yōu)于優(yōu)質(zhì)碳素鋼，選取35CrMo鋼管，壁厚為45mm。該材料的淬透性值為42J/（11～32），J為末端淬透性，表示淬火后，在11～32mm距離處硬度為42HRC，油淬臨界直徑為31～90mm。

根據(jù)35CrMo鋼的淬透性曲線可知，在管子壁厚中間部位求得（32～46）J/22.5，表示鋼管完全淬透，完全滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，硬度在290～320HBW，抗拉強(qiáng)度達(dá)到990MPa，合金鋼的屈強(qiáng)比在0.85左右，可知屈服強(qiáng)度可達(dá)840MPa左右。且整個(gè)截面基本淬透，表面的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與心部基本一致，使材料承受抗拉壓能力達(dá)到最好性能。淬透后的組織從表面到心部都是回火索氏體組織，其中滲碳體呈粒狀分布，具有較高的韌性。如果材料中心沒有淬透，表面組織是回火索氏體，心部組織為片層狀索氏體。首先，表現(xiàn)的是其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度心部明顯下降，達(dá)不到所要求的屈服強(qiáng)度，當(dāng)拉桿所受外負(fù)荷產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)而被拉斷。其次，沖擊韌度和疲勞性能都降低，導(dǎo)致整體性能下降?？筛鶕?jù)材料表面所需要的不同硬度，選取不同的回火溫度來控制其表面的硬度，該試驗(yàn)拉桿用卡瓦進(jìn)行夾持，太硬就會(huì)損壞卡瓦牙，太軟卡瓦牙就會(huì)打滑，夾持不住拉桿，無法使用，拉桿硬度在290～320HBW之間比較合適，因此淬火后回火溫度控制在400～440℃就可滿足硬度和強(qiáng)度要求。

我廠另一個(gè)試驗(yàn)扭桿（見圖2），主要是來傳遞扭矩，最大扭矩為24kN·m。根據(jù)使用功能只能選取圓形截面的型材，如圓管和圓鋼。圓管重量相對(duì)于圓鋼比較輕，便于吊裝，可節(jié)約材料，降低設(shè)計(jì)成本，故選取圓管較合適。扭桿承受扭力時(shí)，圓管最外徑承受的剪切力最大，越往里承受的剪切力逐漸減小，心部不受剪切力，故要求材料厚度一半淬透即可，根據(jù)剪切強(qiáng)度和要承受的扭矩大小，選用45鋼管，壁厚20mm。該材料的淬透性值為43J/（1.5～3.5），水淬臨界直徑為5～20mm，經(jīng)調(diào)質(zhì)后屈服強(qiáng)度達(dá)305MPa以上，計(jì)算后鋼管最外圓所受的最大剪切力90.5MPa，通過計(jì)算后安全系數(shù)為2，完全滿設(shè)計(jì)要求。表面硬度為290～320HBW，滿足設(shè)計(jì)要求，該硬度接近油管的硬度，適合卡瓦牙的夾持，不需再選取淬透性高的材料。

三、疲勞破壞和耐磨性問題

除選用合適的材料外，了解一些提高材料抗疲勞強(qiáng)度和表面耐磨性能的熱處理方法及強(qiáng)化工藝，對(duì)設(shè)計(jì)選材有很大幫助。

1.表面淬火處理

我廠生產(chǎn)的滑輪比較多，滑輪槽常受鋼絲繩摩擦而易磨損，且承受載荷也不斷變化，因此滑輪槽表面要有一定的耐磨性和抗疲性?；啿郾砻孢M(jìn)行高頻感應(yīng)淬火可提高耐磨性和抗疲勞性能。

圖1 拉桿

高頻淬火可在幾秒鐘內(nèi)使工件表面上升到800～1000℃，而心部溫度仍接近室溫，表面已超過相變溫度（727℃）。此時(shí)工件表面發(fā)生相變形成奧氏體組織，淬火冷卻后變?yōu)殡[晶馬氏體組織。由于馬氏體比奧氏體體積大，因此表層金屬膨脹，受里層金屬的牽制，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，能提高疲勞強(qiáng)度，從而提高了零件的抗疲勞性能。設(shè)計(jì)滑輪時(shí)，選強(qiáng)度較高、塑性和韌性較好的ZG270-500，其wC為0.4%，屬中碳鋼（在0.4%～0.5%之間適合表面淬火）。如果含碳量過高，則會(huì)增加淬硬層脆性，降低心部塑性和韌性，淬火時(shí)易開裂，相反，則淬火后硬度和耐磨性達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求?；啿郾砻娲慊鸷蟮挠捕葹?0～50HRC，淬硬層深度為1.5～2.5mm。注意如果材料的綜合力學(xué)性能差，表面淬火之前材料要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，可根據(jù)零件使用的目的來確定。

2.表面強(qiáng)化

鉆機(jī)產(chǎn)品上用的齒輪，承受較重的載荷，齒與齒之間易磨損，齒表面需要較高的硬度以提高耐磨性能，而其他部位需要較好的韌性和塑性，故選用滲碳鋼比較合適。如20CrMnTi，wC在0.10%～0.25%之間，屬于低碳鋼，心部具有很好的韌性和塑性。用表面強(qiáng)化滲碳處理來提高齒表面的耐磨性能，滲碳后工件表面wC在0.85%～1.05%比較合適。滲碳一般選氣體滲碳，溫度在900～950℃。

滲碳后要進(jìn)行低溫回火處理，表面得到細(xì)小片狀回火馬氏體及少量的滲碳體組織，硬度在56～62HRC。而心部組織隨鋼的淬透性不同而有所不同，如低碳鋼，心部組織為鐵素體和珠光體，硬度為10～15HRC，而低碳合金鋼20CrMNTi由于淬透性高，心部為回火低碳馬氏體及鐵素體組成，其硬度為35～45HRC，具有較高的強(qiáng)度和很好的韌性和塑性，但其滲碳淬火溫度高，零件變形大。最后要進(jìn)行精加工處理，一般采用磨削加工，注意滲碳的深度要留出磨削加工余量。

另一個(gè)表面強(qiáng)化工藝滲氮，滲氮溫度在500～570℃，滲氮后在零件表面形成一層硬度很高的氮化物。因?yàn)闈B氮層內(nèi)具有較大的殘余壓應(yīng)力，能抵消在疲勞載荷下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，延緩疲勞破壞過程，且滲氮層面是致密且連續(xù)分布，有效地提高了零件的抗腐蝕能力。由于滲氮溫度在A1（727℃）以下，滲氮后無需淬火即可達(dá)所需硬度，所以滲氮變形小。我廠的不壓井修井機(jī)上的卡瓦總成中有4個(gè)支架（見圖3），支架內(nèi)側(cè)有精度較高的圓弧面及圓弧槽，外側(cè)為斜面，該斜面受力且易磨損導(dǎo)致零件失效。故選用淬透性較好的42CrMo合金鋼，粗車后調(diào)質(zhì)處理。原材料采用鍛件，保證了毛坯的質(zhì)量，為了保證4片支架的圓弧面同心，只有采用整體加工圓弧面和圓弧槽后切成4片，然后再加工其他地方。如果采用滲碳淬火處理，其變形大，影響加工過的尺寸精度，從而導(dǎo)致零件報(bào)廢，這時(shí)采用滲氮處理比較合適，且42CrMo材料中含有易滲氮的Cr、Mo等合金元素。滲氮處理后零件變形小，不影響圓弧面與圓弧槽的尺寸公差，滲氮后再對(duì)斜面進(jìn)行精磨或研磨即可達(dá)到性能要求。由于滲氮層比較薄，厚度在0.24～0.5mm，要注意精加工余量。

由此可見，設(shè)計(jì)者掌握一些熱處理方面的知識(shí)，可指導(dǎo)合理選材，有助于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低制造成本，提高生產(chǎn)效率及使用性能，延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。

圖2 扭桿連接示意

圖3 支架示意