纺织机械２０１４年第２期 ・制造技术・ ４１ 零件设计与热处理工艺性 梅伟 （恒天重工股份有限公司４５００５３） 摘要本文从零件的材料选择、结构设计、热处理技术要求的确定和标注等方面较详细地阐述了 材料选择结构设计 热处理技术要求 设计与热处理工艺性之间的关系，以充分地发挥零件的机械性能。 关键词 零件设计 热处理工艺性１ 引言 设计的指导思想规定了工作应力、材料性能和 工艺规范，但实际工艺条件也制约设计、限制材料的 选用，并影响着工艺方法和技术要求的制订；热处理 过程受多种可变因素的控制，尽管积累了大量的理 论和实践经验，但热处理质量控制仍是生产难点之 一；因此要求设计人员不仅会设计，而且懂得工艺。 但实际情况是设计与工艺脱节现象时有发生，而相 关知识点比较分散不够系统，因此有必要对零件设 零件选材首先必须满足使用性能要求，其次还 要考虑工艺性和经济性。工件材料选择是否合理， 直接关系到热处理质量，如果通过热处理未能达到 预定的性能指标，需要重新选择材料。 ２．１选用材料注意问题 １．根据零件的工作条件或失效形式选材，工件 所受载荷类型和大小、工作介质、环境和失效形式不 同，所选用的材料不一样。典型零件的服役条件、失 效形式及材料选择的主要指标如表１所示Ｈ Ｊ。 ２．材料选择应考虑零件的结构形状，形状复杂 计中与热处理相关的问题进行总结归纳，供设计人 员参考。 的工件淬火时易畸变开裂，在保证性能的前提和不 过多增加成本的情况下，选用淬透性好的合金钢，采 用油淬，可避免产生废品。 ２材料选择 表１ 服役条件 零件 负荷种类 应力状态 过 常见失效方式 表 尺 村料选择的 类型 及速度 磨 温 介 量 韧 脆 面 寸 疲 咬 腐 静 疲 冲 拉 压 弯 扭 切 接 损 度 质 变 断 断 变 变 劳 蚀 蚀 劳 击 触 形 化 化 主要指标 紧固 螺栓 、Ｊ 、Ｊ 、Ｊ Ｊ 疲劳、屈服及 抗剪强度 轴类 、Ｊ 弯、扭复合 疲劳强度 齿轮 、Ｊ 、Ｊ 、Ｊ 、Ｊ 、Ｊ 弯曲和接触疲劳、 耐磨性，心部强度 螺旋 弹簧 、Ｊ 扭转疲劳、 弹性极限 滚动 轴承 、Ｊ 、Ｊ 接触疲劳、耐磨 性、耐蚀性 ４２ ・制造技术・ ３．材料选择要与热处理工艺相适应，各种材料 均有最佳热处理工艺。例如：３８ＣｒＭｏＡ１钢适宜于渗 氮处理，而２０ＣｒＭｎＴｉ钢若也进行离子渗氮，其使用寿 命远比渗碳淬火低得多；为了避免在选材上的不妥， 设计人员应该对材料热处理的组织性能有所了解。 ４．所选用的材料应具有良好的加工工艺性能， 所选用的材料应容易加工成形，在加工过程中合格 率高，是设计人员在选材时应该重视的问题。根据 工件的加工工艺过程，材料应具有良好的铸造、锻 造、焊接、机加工和热处理工艺性能。 ２．２按照淬透性选用材料 钢的淬透性是钢在淬火时得到的淬硬层深度大小 的能力，它表示钢接受淬火的能力，一般用临界淬透直 径表示，它是选用钢材和制订工艺规程的主要依据。 钢的淬透性使钢产生了尺寸效应（也称为质量 效应）；由于零件截面尺寸大小不同而造成淬硬层深 度不同，同时也影响淬火件的表面硬度，如４５钢在 完全淬透的情况下，其表面硬度可达５８ＨＲＣ；但实 际淬火时，随尺寸增大，淬火后硬度降低，在水淬情 况下，试棒直径为１１～２０ ｍｍ时，表面硬度淬火后 为５０～５５ＨＲＣ；直径在３０～５０ ｍｍ时，表面硬度为 ４５～５０ＨＲＣ；当直径达到８０～１２０ ｒｎｌｎ时，表面硬度 淬火后仅为２５～３５ＨＲＣ。 因此，设计人员必须充分注意材料的淬透性，合 理选材，设计大截面或形状复杂的重要零件时应选 用淬透性好的合金钢，可以保证沿整个截面都具有 高强度和高韧性的良好配合，同时减少变形和开裂。 按照淬透性钢分类为如下三种： １．淬透性差的钢（临界直径：水淬＜４０ １ＴＵＴＩ、油 淬＜２５ １ＴＵＴＩ）：３５、４０、４５、６０、７０、２０Ｃｒ、４０Ｃｒ、Ｔ８、Ｔ９、 Ｔ１０、Ｔ１２等。 ２．中等淬透性的钢（临界直径：水淬４０～８０ ＩＴＩＩＴＩ、油淬２５～４０ ｒｎｒｎ）：４５Ｍｎ２、３５ＣｒＭｏ、４２ＣｒＭｏ、 ４０ＣｒＮｉＭｏ、３８ＣｒＭｏＡ１、Ｃ ＷＭｎ、６０Ｓｉ２Ｍｎ、Ｇｒｌ５等。 ３．淬透性好的钢（临界直径：水淬＞８０ ｒｎｌＴｌ、油 淬＞４０ ＩＴＵＴＩ）：Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ、Ｃｒｌ２、Ｃｒｌ２ＭｏＶ、 ３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ、５ＣｒＮｉＭｏ、２Ｃｒ１３、３Ｃｒ１３、１Ｃｒｌ７Ｎｉ２等。 ２．３引用材料手册中的数据时需注意的问题 设计人员还应注意到各种材料手册中的数据一 般是以该材料制成的试样进行力学性能试验测得 的，因此都有尺寸限制，不能根据小尺寸试样的性能 指标来进行大尺寸零件的强度计算。由于实际工件 尺寸、形状及热处理条件不同，往往在工件截面上不 纺织机械总第２５２期 能获得与试样处理状态相同的均一组织，因此实际 选材时应考虑材料的淬透性以及零件尺寸大小等。 ２．４材料成分与表面硬度 钢的表面硬度主要取决于钢的含碳量，含碳量 越高，淬火后表面硬度越高，其他合金元素影响较 小。当碳含量达０．６％时，淬火钢的硬度接近最大 值。碳含量继续增加，虽然马氏体硬度会有所提高， 但由于残留奥氏体量增加，碳素钢的硬度提高不多， 合金钢的硬度反而下降。 要求硬度较高时，应选择中碳或高碳钢。 要求硬度不高时，应选择中碳或低碳钢。 由强度推算出硬度（回火后），再由回火后的硬 度推算出淬火后的硬度，从而得到该零件要求的最 低含碳量。 ３热处理工艺对零件结构设计的要求 在零件结构设计时应注意改善热处理工艺性， 对热处理零件结构设计主要要求有： １．尽量使截面均匀，质量平衡，避免厚薄悬殊 的设计；零件的几何形状力求简单、对称； ２．零件圆角半径要大，截面变化要平滑，避免 尖角、棱角，减少应力集中； ３．轴类零件的细长比不可太大； ４．内孔要求淬硬时，应变不通孔为通孔。孔与 孔之问或孔与棱边之间应有一定距离； ５．形状特别复杂或不同部位有不同性能要求 时，在可能的情况下可改成组合结构；对特别细长、 薄长的零件，结构上有可能拼接时，应尽量拼接； ６．高频淬火部位应尽量避免有孔或槽。不能 避免的孔或槽，其边缘一定要倒角，键槽可在槽两端 的圆弧处倒角。 ４零件热处理要求的确定 Ｊ 热处理技术要求应以满足零件使用性能为目标。 除了对硬度和畸变量有要求外，对表面强化工件，热 处理技术要求还应包括硬化层深度和心部硬度。 ４．１硬度 硬度是工件热处理最重要的质量检验指标，不 少工件还是唯一的技术要求。这不仅是因为硬度试 验快速、简便又不损坏工件，而且硬度值可以推测其 他力学性能。因此，合理地确定热处理后的硬度值 将赋予工件以最佳的使用性能，对提高质量、延长使 用寿命都有重要作用。 纺织机械２０１４年第２期 设计人员在确定硬度时，通常是根据工件工作 时所承受的载荷，计算出零件上的应力分布，考虑安 全系数，提出对材料的强度要求。根据强度与硬度 的关系，确定工件热处理后应具有的硬度值。确定 硬度值时，要避免照抄手册，数据应注重工件的实际 工作条件和失效形式。 ４．２其他力学性能指标 某些重要零件除了要求硬度值外，还必须规定 其他力学性能指标。 １．强度与韧性的合理配合，通常钢铁材料的强 度和韧度是互为消长的。对于结构零件，常用一次 冲击值作为安全的判据，追求高韧度指标，而不惜牺 牲强度，致使机械产品粗大笨重，寿命不长。相反对 于工模具，为了提高耐磨性而追求高硬度高强度（扭 转强度），而忽视了韧度对减少模具崩刃和折断的作 用，使用寿命也不长。因此，应对零件的工作条件和 失效形式进行调查分析，根据强度与韧度的合理配 合来确定应选用的强度和韧度指标。 ２．正确处理材料强度、结构强度和系统强度的 关系。各种材料强度指标都是用标准试棒测得的，它 取决于材料的组织状态（包括表面状态、残余应力和 应力状态）。零件结构强度受尺寸因素和缺口效应的 影响。而系统强度则与其他零件的相互作用有关，如 摩擦副的表面粗糙度和摩擦性能等。在这三者之间 存在很大差异，如材料的光滑试棒疲劳强度高，但实 物的疲劳强度可能很低。因此，对某些重要零件，根 据模拟试验结果确定力学性能指标较为恰当。 ３．组合件的强度匹配要合理。大量试验及实 际使用情况表明，当组合件（如涡轮蜗杆、链条链轮、 滚珠与套圈及传动齿轮等）达到最佳强度匹配时，使 用寿命可延长。例如滚珠比套圈的硬度应高 ２ＨＲＣ，主动齿轮的表面硬度比被动齿轮应高２～ ５ＨＲＣ。同一种钢材经同种方法处理成相同硬度的 摩擦副，耐磨性最差。 ４．表面强化的零件，心、表强度应合理匹配。 表面强化零件（如渗碳淬火、渗氮、感应淬火等）当硬 化层深度一定时，心部应具有适宜的强度，使心部强 度达到最优的匹配状态，以保证零件具有高的使用 寿命。如果心部强度太低，过渡区容易产生疲劳源， 导致疲劳陛能下降；心部强度太高，表面残余压应力 小，疲劳寿命也不长。 ４．３硬化层深度 硬化层深度的确定要考虑零件的使用性能、失 ・制造技术・ ４３ 效形式和节能等原则。 １．以磨损失效为主的零件，根据零件的设计寿 命和磨损速度确定硬化层深度，一般不宜过厚，特别 是工模具的表面硬化层过深会引起崩刃或断裂； ２．以疲劳破坏为主要失效形式的零件，根据表 面强化方法、心部强度、载荷形式及零件的形状尺寸 等因素确定硬化层深度，使其达到最佳硬化率。如 渗碳齿轮，最佳硬化率为０．１～０．１５； ３．为了热处理节能，硬化层不宜过深，如能适 当减少硬化层深度可显著节约能耗。 ５零件热处理技术要求的标注 一般情况下，调质类零件标注为布氏硬度ＨＢ， 淬火类、渗碳淬火类、感应淬火类零件标注为洛氏硬 度ＨＲＣ，氮化类零件标注为ＨＶ。 ５．１热处理技术要求的标注一般以范围法表示，标 出上下限值法，如：６０～６５ＨＲＣ；也可用偏差法表 示，以技术要求的下限值为名义值，下偏差为０再加 上上偏差表示，如：６０ＨＲＣ；特殊情况下也可只标下 限值或上限值，此前应用不小于或不大于表示，如不 大于２３０ＨＢ。 ５．２在同一产品的所有零件图样上，必须采用统一 表达方式。 ５．３对于局部热处理的零件，在技术要求的文字说 明中要写明：“局部热处理”。在需要热处理的部位 用粗点划线框画出，如果是轴对称零件或不致引起 误会的情况下，可用一根粗点划线画出热处理部分 外侧表示。 ５．４如零件形状复杂或容易与其他工艺标注混淆， 热处理技术要求标注有困难，而用文字说明也很难 说清楚时，可用另加附图专门标注热处理技术要求。 ６结束语 在满足使用要求的前提下，我们只有通过正确 地选材、合理地提出技术要求、优化结构设计和选用 合适的冷热加工工艺，才能充分发挥零件的机械性 能；因此，除了热处理人员的努力外，还需要设计师 与机加工工艺师的理解与合作。 参考文献 ［１］热处理手册编委会编．典型零件热处理［Ｍ］．北京：机 械工业出版社，２００４：１９—２１． ［２］热处理手册编委会编．热处理质量控制与检验［Ｍ］． 北京：机械工、Ｉ 出版社，２００４：６—７．