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热处理工艺与机械零件设计的关系

发布时间:2018-02-11   来源:易紧通整理  

  机械零件(包括工具、模具)的设计,包括根据零件服役条件选择材料,确定零件的结构、几何尺寸、传动精度及热处理技术要求等。但是,在机械零件设计时,除了考虑使所设计零件能满足服役条件外,还必须考虑通过何种工艺方法才能制造出合乎需要的零件,以及它们的经济效果如何(该零件的工艺性和经济性)。

  机械零件设计与热处理工艺的关系,表现在零件所选用材料和对热处理技术要求是否合理,以及零件结构设计是否便于热处理工艺的实现。

  合理选择材料并提出技术要求

  1.根据零件服役条件合理选择材料

  在进行零件设计时,经常根据材料的性能数据来选择材料,但有时却忽略了零件尺寸对性能的影响,导致实际生产中工件热处理后,机械性能达不到要求。以45钢为例,在完全淬透情况下,其表面硬度可达58HRC以上。但实际淬火时,随着尺寸增大,淬火后硬度降低。在水淬情况下。试棒直径在25mm以下时表面硬度可达58HRC以上。但当直径增大到50mm时,表面硬度下降至41HRC;直径增大到125mm时,表面硬度仅为24HRC。

  对调质状态使用的零件,不仅要求有高的强度,而且要求有高的塑性和韧性。只有马氏体的高温回火组织(回火索氏体)才能有强度和塑性、韧性的良好配合。对淬透性较差的钢,在试棒尺寸较小时,用普通淬火方法完全淬透情况下能够满足要求,而在试棒尺寸较大时,将得不到全部马氏体。在强度相等条件下,尺寸较大者,塑性、韧性较差,弯曲疲劳强度也较低。

  因此,在零件设计时应该注意实际淬火效果,不能仅凭手册上的性能数据,因为手册上的性能数据只是对一定尺寸大小以下的试棒而言的。

  对调质处理的工件,除了规定调质后的表面硬度外,还应该根据零件承载情况,对淬硬层深度提出具体要求,并根据淬硬层要求及工件截面尺寸选择钢材。调质件对淬硬层深度的要求大致有如下三种情况:

  (1)沿截面承载均匀的零件,要求心部至少有50%的马氏体。对重要的零件,例如柴油机连杆及连枰螺栓,甚至要求心部有95%以上的马氏体。

  (2)对某些轴类零件,由于承受的是弯曲、扭转等复合应力的作用,沿截面应力分布是不均匀的,最大应力发生在轴的表层,而轴的中心受力很小。对这类零件心部没有必要得到100%的马氏体,一般只要求自表面的3/4半径或1/2半径处淬硬就行了。但要尽量防止游离铁素体产生。

  (3)对于尺寸较大的碳素钢和低合金钢调质件,当尺寸超过该材料可淬硬范围时,甚至表层也得不到马氏体组织,硬度也不高。对这类工件是否必须调质,应加以考虑。一般以正火加“高温回火”(高温回火目的主要是去应力)为宜。这样工艺简单,变形较小。但是在水中或油中冷却时,沿工件截面上各点的冷速比在空气中冷却时快。故当性能要求较高时,为了避免或减少游离铁素体的析出,采用调质工艺较合适。为了防止淬裂,以油淬为宜。究竟采用什么工艺方案,应该在正确设计计算的基础上,对材料性能提出明确要求。如果由于淬透性不足,根本满足不了设计性能要求,应该改用淬透性较高的材料。

  对工具、模具,一般均要求完全淬透,除了要考虑其性能指标外,为了保证其热处理效果,还必须考虑所选用材料淬透性是否合乎要求,特别是对尺寸变形要求较高的零件,更应该注意这一问题。

  表面硬化处理零件,例如高频淬火、渗碳,渗氮等,如何在表面造成有利的残余压应力,选也和设计是否正确有关。这包括钢的淬透性、心部含碳量、硬化层深度与截面尺寸比等的选择确定。

  在前面曾经讨论了表面残余应力与含碳量的关系(见图9-22)。图14-1为Cr-A1钢于500℃渗氮96h后(层深0.65mm)因渗氮而引起的残余应力与直径的关系。由图14-1可见,在同样渗氮层深度情况下,圆柱体直径较大的残余压应力也较大。


图14-1 渗氮引起的残余应力与直径的关系

  图14-2为直径18mm的SAE8617钢920℃渗碳(碳势0.95%C)淬火后(来回火)渗碳层深度与残余应力的关系;图14-3为直径6mm的SAE8640和SAE8620(含碳量较低)钢残余应力的分布规律(920℃渗碳,层深0.13mm)。由图14-2和图14-3可以看出,渗碳层深者,最大残余压应力移向离表面较深处;心都含碳量较低者,表面残余压应力较大。


  图14-2渗碳层深度对残余应力的影响                          图14-3渗碳件心部含碳量对残余应力的影响

  2.合理确定热处理技术条件

  合理地确定热处理技术条件是热址理正常生产运行的重要条件,应注意下列问题:

  (1)根据零件服役条件,恰当地提出性能要求。

  一种机器零件,根据其服役条件,可能对某些性能有特殊要求,而有些性能则是次要的,甚至是可以不考虑的,在技术要求中应该标明重要的特殊要求。例如对于有些传动轴,承受弯曲应力和扭转应力的复合作用,最大应力在最外层,因此,对淬火只要求能淬透到零件半径的1/2或1/3即可。又如齿轮类零件,有的齿轮传递功率较大,接触应力也较大,但摩擦磨损不大,则可以采用中碳钢调质加齿部高频加热淬火,即能满足要求。又如有些齿轮,传递功率大,耐磨性要求高,几何精度要求高,但冲击小,接触应力电较小,则可采用中碳合金钢渗氮处理。而对传递功率大,接触应力,摩擦磨损大,又有冲击载荷情况下工作的齿轮,应采用低碳合金钢渗碳处理。同样渗碳齿轮,根据工作条件不同,也应该选择不同表面碳浓度、渗层组织和渗层深度。图14-4为锁紧螺母,根据其工作条件,只要四个槽口部分淬硬即可,如提出要整体淬硬。当然也可满足使用要求,但给工艺带来了困难。一般该种锁紧螺母采用45钢,槽口硬度应达到35~45HRC。如整体淬火,必须在全部加工后进行,结果淬火后内螺纹变形,且无法校正。如仅提出槽口淬火及硬度要求,则可以把内螺纹加工放在槽口加工、高频淬火和回火之后进行,此既保证了槽口硬度要求,又保证了螺纹精度。


图14-4 锁紧螺母

  (2)热处理要求只能定在所选钢号淬透性和可淬硬性允许范周之内。

  (3)热处理要求应该允许有一定的热处理变形。由于淬火前后钢的组织状态不同,因而其比容也不同,必定引起掣件因比容变化而造成的尺寸变化(体积变形)。零件各部分的尺寸不同,由于比容变化而引起的体积变化量也不同。这不仅会引起尺寸的变化,还会引起形状的变化,如变成椭圆或出现喇叭形等。制定热处理技术要求时,应该根据零件所用钢号、热处理前后的组织状态,估算或通过试验测定其几何尺寸变化规律,限定其变形量。这些变形量通过留加工余量、调整加工尺寸等方法可以得到修正。

  (4)经济效果。提出零件的热处理技术要求时,必须综合考虑该种零件制造成本、使用寿命等实际经济效果。应诙考虑热处理工序本身的成本,例如设备投资、工时、材料消耗、热处理后的产品返修率及废品率等。如果热处理技术要求提得过高,现有设备和技术条件很难达到。势必造成热处理产品返修率及废品率很高,浪费很多工时及材料,使热处理成本提高。

  但是,考虑产品经济效果,不能单考虑热处理成本,应该考虑产品整个制造过程,包括原材料消耗在内的制造成本。例如热处理时如果不考虑氧化、脱碳,或者不限制热处理变形,这些缺陷如果依靠增加机械加工工序和增加加工余量来解决,将浪费很多原材料及昂贵的的冷加工工时,并且还可能降低零件质量。如果该种零件批量很大。常年生产,显然,如果热处理采用保护气氛或其他无氧化脱加热,再加一些防止和校正变形的设备措施,虽然热处理投资要多一些,成本要高一些,但综台考虑整个零件的制造成本可能却降低了。

  考虑一种机器零件的经济效果,还需要考虑其使用成本。对于某种机器零件,虽然其使用性能对热处理要求较高,但是该种零件在机器中拆换很方便,失效也不会造成机器设备破损事故,而且一台机器中该种零件的需用量还很大。在这种情况下,从使用成本考虑。希望该零件制造成本低,售价便宜。因此,热处理技术条件不宜定得过高。但对有些机器零件,其质量好坏直接影响整台机器使用期(例如大修期)的长短,一旦失效,将造成机器损坏事故,如高速柴油机曲轴、连杆等。对这类机器零件,如果能把使用寿命提高一倍,其经济效果将远高于该种零件售价的两倍。显然,如果能从提高热处理技术要求而使寿命提高一倍,即使其制造成本提高一倍,但综合考虑制造,使用经济效果还是良好的。

  因此,从综合考虑经济效果出发,应该有一最佳热处理技术要求或最佳质量检查标准。

  零件结构设计与热处理工艺性的关系

  零件结构设计直接影响热处理工艺的实现。如果结构设计不合理,有可能使要求淬硬的工作表面不能淬火或产生热处理变形、开裂等。因此要求设计者在进行零件结构设计时,充分注意结构的热处理工艺性。从热处理工艺性考虑,在进行零件结构设计时,应注意下列几点:

  (1)在零件热处理加热和冷却时要便于装卡、吊挂。

  零件热处理加热和冷却时,装卡、吊挂是否合适,不仅影响热处理变形、开裂,而且还影响热处理后的性能。例如没有合适的装卡部位,而在热处理时直接在工件表面装夹具,则在淬火冷却时,在这些部位会产生淬火软点,影响零件使用性能。因此,有时为了热处理的装卡、吊挂的需要,在不影响工件使用性能条件下,在工件上应开一些工艺孔。

  (2)有利于热处理时均匀加热和冷却。

  热处理时若能均匀加热和冷却,在工件内部得到均匀的组织和性能,则可避免变形和开裂的发生。为此,零件形状应该尽可能简单,截面厚薄均匀,尽可能把盲孔变为通孔,特别是作为工作表面的内孔,要求有一定硬度,必须是通孔,一般原则见图14-5。


图14-5 有利于热处理时均匀加热和冷却的典型结构

  (3)避免尖角、棱角。

  零件的尖角和棱角部分是淬火应力集中的地方,往往成为淬火裂纹的起点。在高频加热表面淬火时。这些地方极易过热;在渗碳、渗氮时,棱角部分浓度容易过高,产生脆性。因此,在零件结构设计时应避免尖角、棱角,一般原则见图14-6。


图14-6 避免尖角、棱角的零件结构

  (4)采用封闭、对称结构。

  零件形状为开口的或不对称结构时,淬火时淬火应力分布不均,易引起变形。为了减小变形,应尽可能采用封闭对称结构。

  (5)对形状复杂或截面尺寸变化较大的零件,尽可能采用组合结构或镶拼结构。
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