锻件热处理工艺设计中的质量控制

硬度是锻件热处理最重要的质量检验指标，对于不少锻件还是唯一的技术要求。这不仅是因为硬度试验快速、简便又不损坏锻件，而且从硬度值可以推测其他力学性能。某些热处理工艺参数也是根据锻件所要求的硬度值决定的。因此，合理地确定热处理后的硬度值将赋予锻件以最佳的使用性能，对提高质量、延长寿命都有重要作用。

设计人员在确定硬度时，通常是根据锻件工作时所承受的载荷，计算出锻件上的应力分布，考虑安全系数，提出对材料的强度要求。根据强度与硬度关系，确定锻件热处理后应具有的硬度值。确定硬度时，要避免照抄手册上的数据，应注重锻件的实际工作条件和失效形式。例如，相同的冷作模具，用在精度高的冲床上时，要求模具硬度髙些；但是如果冲床精度差、模具工作时所受的冲击能量大，为避免崩刃或折断，适当降低模具硬度，使用寿命反 而延长。用40CrNi或35CrMo制造的10t大型模锻锤的锤杆，误认为受到冲击能量很大，将 硬度定得很低，结果寿命反而缩短。根据失效分析，锤杆属于疲劳断裂，将锤杆硬度值由241〜270HBW提高到38-43HRC,则使用寿命大幅度提高。

某些重要锻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性是互为消长的。对于结构锻件，常用一次冲击韧度作为安全的判据，追求高韧性指标，而不牺牲强度，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和高强度（抗扭强度），而忽视了韧性对减少模具崩刃和折断的作用，使用寿命也不长。因此，应对锻件的工作条件和失效形式进行调查分析，根据强度与韧性合理配合来确定锻件应选用的强度和韧性指标。

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样测得的，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）。锻件结构强度受尺寸因素及缺口效应的影响，而系统强度则与其他锻件的相互作用有关。在这三者之间存在很大的差异，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表明，当组合件（如蜗轮蜗杆、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,汽车后桥主动齿轮的表面硬度比从动齿轮座商2-5HRC。同一种钢材经同种方法处理成相同硬度的摩擦副，耐磨性比较差。

4)表面强化的锻件，心、表强度应合理匹配。表面强化零件（如渗碳淬火、碳氮共渗淬火、渗氮，感应淬火等）时，当硬化层深度一定时，心部应具有适宜的强度，使心、表强度达到最优的匹配状态，以保证锻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，导致疲劳性能下降；如果心部强度太高，表面残余压应力小，疲劳寿命也不长。

5)环境介质的影响。在腐蚀、高温等特殊环境介质中作的锻件，要采用相应的力学性能指标，如应力腐蚀门槛值、蠕变极限、持久强度等。

硬化层深度的确定要考虑锻件的使用性能、失效形式和节能等原则。

以磨损失效为主的零件，根据锻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。

以疲劳破坏为主要失效的零件，根据表面强化方法、心表强度、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。如渗碳和碳氮共渗齿轮，最佳硬化率为0.1-0.15。

​

为了热处理节能，硬化层不宜过深，有些专家对硬化层进行研究后认为，一般对渗碳淬火和高频感应淬火的硬化层规定偏深，如能适当减小硬化层深度可显著节约能耗。

各种材料经不同热处理后的显微组织，可按国家标准或行业标准进行评定，如中碳钢和中碳合金钢马氏体评级，渗碳或碳氮共渗的碳化物、残留奥氏体、心部铁素体的评级等。在技术要求中要标明合格品应有的显微组织级别，对于这些标准要严格执行，并根据零件的工作条件和失效形式通过试验对标准进行更新，使产品质量不断提髙。尤其是当前关于组织与性能关系的研究成果很多，如淬火组织中铁素体形态及相对量对力学性能的影响，残留奥氏体利与弊的讨论，碳化物形态、数量及大小与强韧性关系的研究等，为进一步修正和完善各种显微组织评级标准提供了依据。但是也要防止不根据产品的实际情况，把一些不成熟的或片面的试验结果用作评级的依据，这对提髙产品质量是不利的。

热处理畸变量是热处理质最的重要指标之一，是热处理质量控制的主要内容。设计人员应根据锻件特点和工艺过程，合理提出允许畸变量。尽管影响热处理畸变的因素很多，但是畸变还是有规律的。热处理工作者应根据热处理畸变的理论和实践，采取具体措施，使热处理畸变值不超过设计规定的技术要求。

当热处理是工件加工过程的最后工序时，热处理畸变的允许值就是图样上规定的工件尺寸，而畸变量要根据上道工序加工尺寸确定。为此应与机加工部门协商，按照工件的畸变规律，在热处理前进行尺寸的预修正，使热处理畸变正好处于合格范围内。

当热处理是中间工序时，热处理前的加工余量应视为机加工余量和热处理畸变量之和。通常机加工余量易于确定，而热处理畸变量由于影响因素多，比较复杂，因此为机械加工留出足够的加工余量，其余均可作为热处理允许畸变量。

工件的结构、尺寸、形状对热处理畸变与开裂有很大影响。

1)零件截面力求均匀，以减少过渡区的应力集中及畸变开裂倾向。

2)工件应尽量保持结构与材料成分和组织的对称性，以减少由于冷却不均引起的畸变。必要时可开工艺孔，调整不同部位的冷却速度。

3)工件应尽量避免尖锐棱角、沟槽等，台阶处要有圆角过渡。

4)尽量减少工件上的孔、槽和肋（尤其是深孔、深槽、粗肋）。