怎样发挥热处理在设计中的作用

文海鹏

设计者要了解材料与热处理之间的关系，知道零件在受拉压负荷和扭矩工况下如何选取合适的材料。

一、材料选择

设计者首先从零件在产品中的作用选取材料和结构形式，材料选择可从以下几方面考虑。

1.零件作用

选取材料时，如果零件不是主要受力件或受力较小，可选取普通的碳素钢；如果该零件受很大的载荷，首先要考虑零件的强度问题，这时可选取优质碳素钢或合金钢来满足零件所要求的强度，且中碳钢和合金钢要进行调质；一些零件受力不大，但易受疲劳载荷作用破坏；一些长期处在摩擦的场合，零件表面就需要很好的耐磨性，这时可采取表面处理工艺来提高抗疲劳性和耐磨性。

2.零件的性能与材料淬透性、回火性能之间的关系

材料有热处理要求时要考虑材料的淬透性能，材料的淬透性能首先与材料本身有关，其次与材料工件的厚度也有关。设计手册上的材料工件厚度参数，是试块试验得出的，而试块尺寸规格都较小，设计者要注意实际应用场合。

（1）淬透性对材料力学性能的影响 钢淬火后能获得淬硬层深度的性质叫淬透性。材料淬火后，从表面到内部马氏体组织占50%处的距离为淬硬层深度。一般合金钢的淬透性高于碳钢，同一直径为50mm的圆钢，一个材料为45钢，另一个为35CrMo钢。淬火后35CrMo钢从表面到心部完全淬透，其力学性能沿截面是均匀分布的，抗拉强度和屈服强度从表面到心部都一样。淬火后再经过高温回火，得到的组织从表面到心部都是回火索氏体组织。其中渗碳体呈粒状分布，具有较高的强度和韧性。而45钢，淬透性相对差些，心部没有淬透，组织为片层状索氏体，韧性较低，抗拉强度和屈服强度从表面到心部是降低的，韧性从表面到心部是增大的，其力学性能沿截面分布不均匀。

（2）影响淬透性的因素 影响淬透性的因素是临界冷却速度vk，此速度为全部获得马氏体组织的最小冷却速度，此值越小，越易获得马氏体组织，表示钢的淬透性强。亚共析钢随着含碳量的增加，将降低临界冷却速度，等温转变曲线右移，淬透性有所增加，过共析钢随着含碳量（质量分数）超过1.2%～1.3%时，临界冷却速度将升高，等温转变曲线左移，淬透性明显降低，合金元素Mn、Mo、Cr、Al、Si、Ni等能降低钢的临界冷却速度，使钢的淬透性有较大的提高。如果设计的零件要求全部淬透，选取含以上合金元素的合金钢将有利于提高材料的淬透性，淬火+回火后可达到零件所要求的性能。

（3）不同温度回火后的性能 为发挥材料最佳性能，一些中碳钢或合金钢必须经过调质处理。根据材料使用的目的不同，可控制回火温度得到不同的组织。回火温度在150～250℃，得到的组织为回火马氏体，硬度为58～64HRC，这种回火主要是为了降低材料的残余应力和脆性。一些工模具需要高硬度和较高的耐磨性能，经常采用低温回火，得到所要的材料性能。回火温度在350～500℃，得到的组织为回火托氏体，硬度为35～45HRC。中温回火主要用于各种弹簧的处理，使其在保持一定韧性的同时具有高的弹性和屈服强度，回火温度在500～650℃，得到的组织为回火索氏体，硬度为200～350HBW。如果设计的零件需要调质处理，在选材时注意材料的WC在0.27%～0.5%之间比较合适，含碳量过低不易淬硬，回火后达不到所需要的强度；含碳量过高则韧性不够，综合力学性能变差。

二、受拉压或扭转负荷零件设计中注意的问题

比如我厂不压井修井机试验拉杆（见图1）是梯形螺纹联接，规格为Tr120×10，承受拉力为1600kN，承受负荷较大。经过计算，螺纹要承受1600kN的拉力，螺纹的安全系数取3，经过计算要求材料屈服强度≥800MPa，材料的使用才安全。由于整个截面都要受力，要求该零件的表面和心部力学性能一致，故选取能全部淬透的钢。优质碳素钢与合金钢相比，合金钢的淬透性优于优质碳素钢，选取35CrMo钢管，壁厚为45mm。该材料的淬透性值为42J/（11～32），J为末端淬透性，表示淬火后，在11～32mm距离处硬度为42HRC，油淬临界直径为31～90mm。

根据35CrMo钢的淬透性曲线可知，在管子壁厚中间部位求得（32～46）J/22.5，表示钢管完全淬透，完全满足设计要求。经过调质处理后，硬度在290～320HBW，抗拉强度达到990MPa，合金钢的屈强比在0.85左右，可知屈服强度可达840MPa左右。且整个截面基本淬透，表面的抗拉强度、屈服强度与心部基本一致，使材料承受抗拉压能力达到最好性能。淬透后的组织从表面到心部都是回火索氏体组织，其中渗碳体呈粒状分布，具有较高的韧性。如果材料中心没有淬透，表面组织是回火索氏体，心部组织为片层状索氏体。首先，表现的是其抗拉强度、屈服强度心部明显下降，达不到所要求的屈服强度，当拉杆所受外负荷产生的应力大于材料的屈服强度时而被拉断。其次，冲击韧度和疲劳性能都降低，导致整体性能下降。可根据材料表面所需要的不同硬度，选取不同的回火温度来控制其表面的硬度，该试验拉杆用卡瓦进行夹持，太硬就会损坏卡瓦牙，太软卡瓦牙就会打滑，夹持不住拉杆，无法使用，拉杆硬度在290～320HBW之间比较合适，因此淬火后回火温度控制在400～440℃就可满足硬度和强度要求。

我厂另一个试验扭杆（见图2），主要是来传递扭矩，最大扭矩为24kN·m。根据使用功能只能选取圆形截面的型材，如圆管和圆钢。圆管重量相对于圆钢比较轻，便于吊装，可节约材料，降低设计成本，故选取圆管较合适。扭杆承受扭力时，圆管最外径承受的剪切力最大，越往里承受的剪切力逐渐减小，心部不受剪切力，故要求材料厚度一半淬透即可，根据剪切强度和要承受的扭矩大小，选用45钢管，壁厚20mm。该材料的淬透性值为43J/（1.5～3.5），水淬临界直径为5～20mm，经调质后屈服强度达305MPa以上，计算后钢管最外圆所受的最大剪切力90.5MPa，通过计算后安全系数为2，完全满设计要求。表面硬度为290～320HBW，满足设计要求，该硬度接近油管的硬度，适合卡瓦牙的夹持，不需再选取淬透性高的材料。

三、疲劳破坏和耐磨性问题

除选用合适的材料外，了解一些提高材料抗疲劳强度和表面耐磨性能的热处理方法及强化工艺，对设计选材有很大帮助。

1.表面淬火处理

我厂生产的滑轮比较多，滑轮槽常受钢丝绳摩擦而易磨损，且承受载荷也不断变化，因此滑轮槽表面要有一定的耐磨性和抗疲性。滑轮槽表面进行高频感应淬火可提高耐磨性和抗疲劳性能。

图1 拉杆

高频淬火可在几秒钟内使工件表面上升到800～1000℃，而心部温度仍接近室温，表面已超过相变温度（727℃）。此时工件表面发生相变形成奥氏体组织，淬火冷却后变为隐晶马氏体组织。由于马氏体比奥氏体体积大，因此表层金属膨胀，受里层金属的牵制，产生残余压应力，能提高疲劳强度，从而提高了零件的抗疲劳性能。设计滑轮时，选强度较高、塑性和韧性较好的ZG270-500，其wC为0.4%，属中碳钢（在0.4%～0.5%之间适合表面淬火）。如果含碳量过高，则会增加淬硬层脆性，降低心部塑性和韧性，淬火时易开裂，相反，则淬火后硬度和耐磨性达不到设计的要求。滑轮槽表面淬火后的硬度为40～50HRC，淬硬层深度为1.5～2.5mm。注意如果材料的综合力学性能差，表面淬火之前材料要进行调质处理，可根据零件使用的目的来确定。

2.表面强化

钻机产品上用的齿轮，承受较重的载荷，齿与齿之间易磨损，齿表面需要较高的硬度以提高耐磨性能，而其他部位需要较好的韧性和塑性，故选用渗碳钢比较合适。如20CrMnTi，wC在0.10%～0.25%之间，属于低碳钢，心部具有很好的韧性和塑性。用表面强化渗碳处理来提高齿表面的耐磨性能，渗碳后工件表面wC在0.85%～1.05%比较合适。渗碳一般选气体渗碳，温度在900～950℃。

渗碳后要进行低温回火处理，表面得到细小片状回火马氏体及少量的渗碳体组织，硬度在56～62HRC。而心部组织随钢的淬透性不同而有所不同，如低碳钢，心部组织为铁素体和珠光体，硬度为10～15HRC，而低碳合金钢20CrMNTi由于淬透性高，心部为回火低碳马氏体及铁素体组成，其硬度为35～45HRC，具有较高的强度和很好的韧性和塑性，但其渗碳淬火温度高，零件变形大。最后要进行精加工处理，一般采用磨削加工，注意渗碳的深度要留出磨削加工余量。

另一个表面强化工艺渗氮，渗氮温度在500～570℃，渗氮后在零件表面形成一层硬度很高的氮化物。因为渗氮层内具有较大的残余压应力，能抵消在疲劳载荷下产生的拉应力，延缓疲劳破坏过程，且渗氮层面是致密且连续分布，有效地提高了零件的抗腐蚀能力。由于渗氮温度在A1（727℃）以下，渗氮后无需淬火即可达所需硬度，所以渗氮变形小。我厂的不压井修井机上的卡瓦总成中有4个支架（见图3），支架内侧有精度较高的圆弧面及圆弧槽，外侧为斜面，该斜面受力且易磨损导致零件失效。故选用淬透性较好的42CrMo合金钢，粗车后调质处理。原材料采用锻件，保证了毛坯的质量，为了保证4片支架的圆弧面同心，只有采用整体加工圆弧面和圆弧槽后切成4片，然后再加工其他地方。如果采用渗碳淬火处理，其变形大，影响加工过的尺寸精度，从而导致零件报废，这时采用渗氮处理比较合适，且42CrMo材料中含有易渗氮的Cr、Mo等合金元素。渗氮处理后零件变形小，不影响圆弧面与圆弧槽的尺寸公差，渗氮后再对斜面进行精磨或研磨即可达到性能要求。由于渗氮层比较薄，厚度在0.24～0.5mm，要注意精加工余量。

由此可见，设计者掌握一些热处理方面的知识，可指导合理选材，有助于提高设计质量，降低制造成本，提高生产效率及使用性能，延长产品使用寿命。

图2 扭杆连接示意

图3 支架示意