第六章：工藝設(shè)計

第六章熱處理工藝設(shè)計與質(zhì)量控制本章主要內(nèi)容熱處理工藝與機械設(shè)計的關(guān)系熱處理工藝與其它加工工藝的關(guān)系熱處理工藝流程及規(guī)范的設(shè)計熱處理質(zhì)量控制6.1熱處理工藝與機械設(shè)計選材從熱處理角度，對機械設(shè)計者所選材料進行復(fù)核和咨詢。應(yīng)注意：失效分析調(diào)查合理選用材料性能指標(biāo)（必須考慮實際工件的熱處理因素）對整體性能均一工件，考慮鋼的淬透性對表面強化工件，綜合考慮表面、心部性能要求盡可能選用加工工序簡單的材料考慮我國資源情況使用性能原則使用性能——零件在使用過程中應(yīng)該具有的力學(xué)、物理、化學(xué)性能。使用性能是選材要考慮的首要問題。在零件工作條件和失效形式的基礎(chǔ)上提出使用性能要求：工作條件：受力狀況、環(huán)境狀況、特殊要求；失效形式：過量變形、斷裂、表面損傷。選材原則—使用性能零件工作條件失效形式性能要求應(yīng)力狀況載荷性質(zhì)受載狀態(tài)緊固螺栓拉、剪切靜載荷--過量變形、斷裂強韌性傳動軸彎曲、扭轉(zhuǎn)循環(huán)、沖擊軸頸摩擦、振動疲勞斷裂、過量變形、軸頸磨損綜合機械性能傳動齒輪壓、彎曲循環(huán)、沖擊摩擦、振動齒折斷、磨損、疲勞斷裂、接觸疲勞表面高強度及疲勞極限、心部強韌性彈簧扭轉(zhuǎn)、彎曲交變、沖擊振動彈性失穩(wěn)、疲勞斷裂彈性極限、屈強比、疲勞極限冷作模具復(fù)雜交變、沖擊強烈摩擦磨損、脆斷硬度、強韌性舉例工藝性能原則毛坯成型工藝：金屬的鑄、鍛、焊、壓、粉末冶金；塑料的注塑；陶瓷的模壓等機械加工工藝：車、銑、刨、鉆、磨、特種加工等熱處理工藝表面處理工藝材料的工藝性能選材原則—工藝性能經(jīng)濟性原則材料的價格零件的總成本——由使用壽命、重量、加工費用、研究費用、維修費用和材料價格決定。國家的資源選材原則—經(jīng)濟性失效失效失效基本因素設(shè)計因素：材料、尺寸、結(jié)構(gòu)、工藝等；制造因素裝配因素材質(zhì)因素：成分、夾雜等；運轉(zhuǎn)維修因素過度變形（畸變）失效彈性畸變原因：零件形狀、尺寸；材料的彈性模量；零件的工作溫度；載荷大小等。塑性畸變原因：材質(zhì)缺陷、使用不當(dāng)、設(shè)計失誤。失效形式斷裂斷裂分類按斷口宏觀形貌：韌性斷裂、脆性斷裂；按斷裂模式：穿晶斷裂、沿晶斷裂；按斷裂機制：解理斷裂、純剪切斷裂、微孔聚集型斷裂失效形式—斷裂韌性斷裂與脆性斷裂判斷標(biāo)準(zhǔn)：材料斷裂前是否發(fā)生明顯宏觀塑性變形。一般規(guī)定光滑拉伸試樣的斷面收縮率小于5%為脆性斷裂；大于5%為韌性斷裂。失效形式—斷裂光滑圓柱靜拉伸試樣的典型宏觀斷口特征韌性斷裂（斷口三區(qū)）纖維區(qū)放射區(qū)剪切唇脆性斷裂斷裂面與正應(yīng)力垂直斷口平齊光亮呈放射狀或結(jié)晶狀脆性斷裂宏觀斷口形貌失效形式—斷裂薄板矩形拉伸試樣斷口：人字紋形貌，其放射方向與裂紋擴展方向平行，尖頂指向裂紋源。圓柱拉伸試樣斷口：相同斷裂機制，人字紋形貌更明顯。穿晶斷裂與沿晶斷裂穿晶斷裂可以是韌性斷裂，也可以是脆性斷裂（低溫下）；沿晶斷裂多數(shù)是脆性斷裂。失效形式—斷裂冰糖狀斷口沿晶斷裂（脆性）放射狀斷口穿晶斷裂（脆性）微孔型斷口穿晶斷裂（韌性）解理斷裂沿特定界面發(fā)生的脆性穿晶斷裂失效形式—斷裂微孔聚集型斷裂失效形式—斷裂微孔(a)形核、(b)長大、(c)聚合直到斷裂，其基本特征是韌窩等軸韌窩拉長韌窩韌窩底部的顆粒表明微孔往往在硬質(zhì)點處形核。疲勞斷裂實例疲勞斷裂失效形式—斷裂

疲勞斷裂——機件在變動載荷作用下經(jīng)過較長時間工作后發(fā)生的低應(yīng)力脆斷宏觀斷口特征——貝紋線常見疲勞斷裂零件——軸、齒輪、彈簧等瞬時斷裂區(qū)貝紋線疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞源區(qū)疲勞斷裂分析磨損失效磨損基本類型：粘著磨損、磨粒磨損、沖蝕磨損、表面疲勞磨損、微動磨損等。影響因素：摩擦副材質(zhì)工況參數(shù)：載荷、滑動速率、滑動距離、溫度、介質(zhì)、潤滑等。失效形式——磨損腐蝕失效腐蝕：金屬與環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)作用?；绢愋停壕鶆蚋g點蝕晶間腐蝕腐蝕的防護：材料、介質(zhì)；表面防腐涂層失效形式——腐蝕結(jié)構(gòu)工藝從熱處理角度，對機械設(shè)計者所設(shè)計的零件結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸進行復(fù)核和咨詢。應(yīng)注意：零件截面與厚度力求均勻。必要時開工藝孔或局部減薄以減少變形開裂傾向零件的形狀應(yīng)使各部分盡量均勻、對稱盡量減少工件上的孔、槽、鍵槽和深的筋等盡量避免尖銳的棱角、邊緣、臺階，代以過渡圓角尺寸過大、形狀復(fù)雜零件盡可能采用合并結(jié)構(gòu)，如組合模具、焊接件等斷面細小的長棒、桿件或大而薄的板、殼體，盡量不進行熱處理強化，而采用冷變形強化、表面強化等手段結(jié)構(gòu)設(shè)計舉例熱處理技術(shù)條件熱處理技術(shù)條件：對需要熱處理的工件，提出的熱處理后應(yīng)達到的組織、性能、變形、加工工藝性，以及其它物理化學(xué)性質(zhì)方面的要求。熱處理技術(shù)條件注意要點：1.條件適度、技術(shù)合理理想的技術(shù)條件應(yīng)既能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求的起碼水平，又使其在實際生產(chǎn)中達到切實可行的程度。2.挖掘材料性能潛力材料強度、韌性、塑性的最佳配合材料表層與心部性能的最佳配合（表面硬化層成分、深度、分布，心部組織性能）摩擦副零件的最價硬度配比，考慮各種表面涂層技術(shù)各種熱處理組織優(yōu)選3.熱處理工藝先進性（高效、低成本、節(jié)能、環(huán)保）4.前后工藝銜接性（變形、氧化脫碳層、硬度等）6.2熱處理工藝與其它加工工藝熱處理與材料制備金屬材料的冶金質(zhì)量影響熱處理后性能，主要有：成分波動

淬透性熔煉方法、脫氧方式

奧氏體晶粒度、過熱傾向氧和氧化物內(nèi)氧化，化學(xué)熱處理時出現(xiàn)反常組織磷在晶界的偏聚高溫回火脆性碳化物數(shù)量形態(tài)分布組織性能（淬火變形、開裂、尺寸穩(wěn)定性、機械性能）夾雜各向異性，不均勻變形氫脆（白點）脆斷熱處理與冷熱加工金屬冷熱加工對熱處理有很大影響，熱處理可以和冷熱加工合理配合：熱軋、熱鍛、冷拉拔等消除冶金缺陷，改善性能，減少熱處理缺陷可能性精鍛脫碳

復(fù)碳處理恢復(fù)表面碳勢焊縫熱處理去應(yīng)力，改善組織性能無切削加工如沖壓、擠壓等預(yù)先或中間熱處理改善加工性能，最終熱處理改善成型后組織性能熱處理與切削加工切削加工性——用加工零件粗糙度、切削力、刀具壽命評價。過共析鋼、共析鋼——球化退火中碳鋼——根據(jù)不同要求采用正火、調(diào)質(zhì)或等溫處理低碳鋼——噴霧冷卻或不完全淬火粗大網(wǎng)狀碳化物、過量殘余A、表面脫碳等易導(dǎo)致磨削裂紋，應(yīng)避免預(yù)先熱處理在機械加工之前，對零件表面質(zhì)量要求不高（后續(xù)機械加工中去除表面層），考慮成本因素。最終熱處理在精加工之后，尺寸精度要求高的零件在磨加工之前。熱處理變形穩(wěn)定時，可以考慮用事先工藝公差來補償熱處理變形。熱處理與其它加工工藝的組合1.形變與熱處理“百煉成鋼”——脫碳與鍛造的重復(fù)進行“夾鋼鍛焊”——鍛造、焊接與滲碳相互融合鍛造余熱正火、淬火工藝及各種形變熱處理工藝熱處理后表面噴丸或冷輥壓表面2.鑄造與熱處理金屬型激冷生產(chǎn)表面硬化冷硬鑄鐵鑄滲——鑄型表面摻入合金滲劑，使鑄件凝固過程伴隨化學(xué)熱處理過程3.金屬表面工程與熱處理后續(xù)熱處理增加涂層深度、增加結(jié)合力，改善涂層組織性能工藝路線對熱處理的影響高頻淬火后鉆孔？鉆孔后高頻淬火？熱處理工藝與其它工藝的配合某農(nóng)用拖拉機驅(qū)動軸高頻淬火工藝路線選擇6.3熱處理工藝流程及規(guī)范的設(shè)計熱處理工藝流程——采用的熱處理方案、方法，由一序列工序組合而成。設(shè)計原則1.保證工件熱處理后的組織性能2.盡量采用高生產(chǎn)率、低能耗的熱處理工藝流程（節(jié)能熱處理）不需熱處理簡化熱處理工藝：利用上一個熱加工工藝的余熱；不同熱處理工藝的復(fù)合改進熱處理工藝采用熱處理新技術(shù)改進熱處理設(shè)備：網(wǎng)帶爐、多用爐、計算機控制技術(shù)3.環(huán)保：盡量少用氰鹽、鋇鹽、鹽浴、酸堿液、有害氣體、粉塵、電磁輻射等4.對熱處理工藝進行技術(shù)經(jīng)濟分析選擇最佳工藝流程熱處理工藝流程設(shè)計基本要求熱處理工藝復(fù)合熱處理工藝復(fù)合（合并）原則功能繼承原則：“錦上添花”優(yōu)質(zhì)原則：大幅度提高使用性能，而不顯著增加變形開裂節(jié)能經(jīng)濟原則：簡化熱處理工序、縮短熱處理周期（余熱利用、工藝合并）工藝穩(wěn)定原則主要復(fù)合熱處理工藝方法表面合金化+淬火表面硬化+低溫回火溫度下的化學(xué)熱處理淬火+高中溫回火溫度下的化學(xué)熱處理整體或表面強化+表面形變（輥壓、噴丸）整體或表面強化+功能涂層（電鍍、噴涂、有機涂層）表面合金化+淬火滲碳+淬火碳氮共滲+淬火氮化+淬火低溫回火：滲氮降低表面Ms點，淬火后可獲得表面壓應(yīng)力氮化+高頻淬火：表層氮化物分解，提高表面硬化層，降低表面脆性氮碳共滲+高頻淬火氮碳共滲+整體淬火表面硬化+低溫回火溫度下化學(xué)熱處理滲碳淬火+低溫（180°C）滲硫氮化+低溫（190°C）滲硫高頻淬火+低溫滲硫獲得表面高耐磨性的同時提高潤滑性淬火+高中溫溫度下化學(xué)熱處理調(diào)質(zhì)+氮碳共滲（520~570°C）：耐磨耐疲勞調(diào)質(zhì)+硫氮碳共滲（520~570°C）：耐磨耐疲勞潤滑分級淬火+氮碳共滲整體淬火+蒸汽處理或氧氮化處理（蒸汽處理+軟氮化）：耐磨耐蝕不粘刀如，高速鋼最后一次回火過程中通入水蒸汽，在550°C保持30~60min，表面生成均勻、堅實、多孔的3~5m厚的蘭色Fe3O4薄膜；井式滲碳爐中滴入30~50%甲酰胺水溶液或20~40%尿素水溶液，在540~560°C保持60~150min，表面生成3~4m厚的Fe3O4薄膜，內(nèi)層為0.03~0.05mm厚的氮碳擴散層。蒸汽處理爐其它復(fù)合處理鍍覆熱處理：電鍍+熱處理表面浸滲合成樹脂：如鋁合金陽極處理+浸滲合成樹脂6.4熱處理質(zhì)量控制目的及主要內(nèi)容目的：保證被處理零件的質(zhì)量指標(biāo)符合設(shè)計規(guī)定范圍內(nèi)容：產(chǎn)品設(shè)計中的熱處理質(zhì)量控制熱處理設(shè)備及熱工儀表的質(zhì)量控制熱處理工藝設(shè)計中的質(zhì)量控制熱處理加工工序的質(zhì)量控制零件材料及熱處理工藝材料質(zhì)量控制熱處理質(zhì)量檢驗的質(zhì)量控制操作者技能和責(zé)任控制產(chǎn)品設(shè)計中的熱處理質(zhì)量控制總目標(biāo)：合理選材，正確確定性能指標(biāo)。選材原則：零件的服役條件和主要性能要求零件的結(jié)構(gòu)，材料的加工工藝性熱處理工藝性成本熱處理技術(shù)要求的確定硬度表面硬度顯微組織工藝設(shè)計中的質(zhì)量控制熱處理工藝設(shè)計依據(jù)：熱處理工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、零件圖樣、零件制造技術(shù)要求內(nèi)容工藝試驗工藝文件編制（1）熱處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和熱處理工藝守則：包含某工藝的作用、工藝參數(shù)、可選用的設(shè)備和工裝、操作方法、公害及防護、工藝應(yīng)達到的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。（2）熱處理工藝卡：工藝規(guī)范（3）熱處理細則卡（熱處理作業(yè)指導(dǎo)書）：作業(yè)要求或特別注意事項、質(zhì)量檢驗的質(zhì)量管理點。熱處理工藝卡舉例熱