CN107904393B - 机械零件热处理强化工艺要求的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热处理技术领域，特别涉及一种机械零件热处理强化工艺要求的确定方法。本发明所提供的方法包括以下步骤：提供一种机械零件；确定机械零件的最低硬度分布曲线；基于机械零件的最低硬度分布曲线，确定机械零件的热处理强化工艺。本发明基于机械零件的最低硬度分布曲线来确定机械零件的热处理强化工艺，使得能够更充分地考虑强度对硬度的要求，制定更合理可靠地热处理工艺要求，有利于使机械零件经热处理之后更好地满足所需要的力学性能、物理性能和化学性能，降低机械零件经热处理后的产品不合格率。

Description

机械零件热处理强化工艺要求的确定方法

技术领域

本发明涉及热处理技术领域，特别涉及一种机械零件热处理强化工艺要求的确定方法。

背景技术

热处理强化是机械制造中的重要工艺之一，为了使机械零件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理强化工艺往往是必不可少的。

热处理强化将零件在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度在不同的介质中冷却，其不改变机械零件的形状和整体的化学成分，而是通过改变机械零件表面或内部的显微组织结构，来提高零件的硬度、耐磨性和强度等力学性能，以便满足零件的强度等使用要求。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。

现有技术中，热处理工艺要求的制定缺少理论和技术依据，例如，机械零件热处理时的表面硬度要求通常只依据热处理工艺本身确定，由机械零件的最高应力获得，再例如，机械零件热处理时的芯部硬度等要求通常只能根据经验或材料热处理本身(端淬曲线)确定，没有理论基础，也没有考虑机械零件的具体情况。这造成热处理工艺要求的制定准确性较差，容易导致机械零件经热处理之后无法满足所需要的力学性能、物理性能和化学性能，引起热处理后产品不合格率高等问题。

而且，目前的机械零件热处理过多的注重金属材料的性能与其成分和内部组织结构之间的关系和变化规律，而没有将热处理工艺要求与机械零件的加工有机地联系起来，易导致所制定的热处理工艺要求不完善，影响机械零件经热处理之后的性能。

发明内容

本发明旨在提供一种机械零件热处理工艺要求的确定方法，基于其降低机械零件经热处理后的不合格率。

为实现上述目的，本发明所提供的机械零件热处理工艺要求的确定方法，一种机械零件热处理强化工艺要求的确定方法，其包括以下步骤：

提供一种机械零件；

确定机械零件的最低硬度分布曲线；

基于机械零件的最低硬度分布曲线，确定机械零件的热处理强化工艺。

可选地，基于机械零件的最低硬度分布曲线确定机械零件的热处理强化工艺包括：

基于机械零件的最低硬度分布曲线确定机械零件的热处理工艺参数，热处理工艺参数包括表面硬度、芯部硬度和渗碳层深度中的至少一个。

可选地，基于机械零件的最低硬度分布曲线确定机械零件的热处理工艺参数包括：

基于位于机械零件的最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线，确定机械零件的热处理工艺参数。

可选地，基于位于机械零件的最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线确定机械零件的热处理工艺参数包括：

将位于最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线在横坐标0处的纵坐标取值确定为表面硬度参数；和/或，

将位于最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线的最低硬度值确定为芯部硬度参数。

可选地，当机械零件沿深度方向均能被热处理时，将位于最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线在横坐标为机械零件的热处理对称中心处的纵坐标取值确定为热处理硬度分布曲线的最低硬度。

可选地，若热处理硬度分布曲线未位于最低硬度分布曲线之上，则对热处理硬度分布曲线进行处理，直至热处理硬度分布曲线位于最低硬度分布曲线之上。

可选地，在使热处理硬度分布曲线由未位于最低硬度分布曲线之上改变为位于最低硬度分布曲线之上的过程中：

将热处理硬度分布曲线局部向上移动的高度确定渗碳量参数，并将热处理硬度分布曲线向上移动的局部所对应的深度确定为渗碳层深度参数。

可选地，确定机械零件的最低硬度分布曲线包括：

根据机械零件的最低强度分布曲线确定机械零件的最低硬度分布曲线。

可选地，根据机械零件的最低强度分布曲线确定最低硬度分布曲线包括：

基于硬度与强度的转化关系将机械零件的强度转化为硬度，获得机械零件的最低硬度分布曲线。

可选地，硬度与强度的转化关系根据黑色金属硬度与强度的换算关系获得，或者，基于试验获得。

可选地，机械零件的最低强度分布曲线根据机械零件的危险截面应力分布曲线确定。

可选地，在根据机械零件的危险截面应力分布曲线确定机械零件的最低强度分布曲线时，使机械零件的最低强度分布曲线位于机械零件的危险截面应力分布曲线之上。

可选地，机械零件的危险截面应力分布曲线基于机械零件的结构及所承受的载荷，采用材料力学计算方式获得，或者，采用有限元应力分析计算方式获得。

可选地，方法还包括：基于产品强度对硬度的要求与成形加工工艺对硬度的要求确定机械零件的热处理强化工艺。

可选地，基于产品强度对硬度的要求与成形加工工艺对硬度的要求确定的机械零件的热处理强化工艺包括机械零件的热处理方式。

可选地，若成形加工工艺要求机械零件的材料具有较小的硬度，而产品强度要求机械零件具有较大的硬度，则选用低碳材料加工成型，并对机械零件进行淬火。

可选地，在淬火热处理之后，若机械零件的热处理硬度分布曲线仍未位于机械零件的最低硬度分布曲线之上，则对机械零件进行渗碳。

可选地，在采用淬火处理方式提高低碳材料的强度之后，进行回火处理，以软化淬火马氏体组织。

本发明基于机械零件的最低硬度分布曲线来确定机械零件的热处理强化工艺，使得能够更充分地考虑强度对硬度的要求，制定更合理可靠地热处理工艺要求，有利于使机械零件经热处理之后更好地满足所需要的力学性能、物理性能和化学性能，降低机械零件经热处理后的产品不合格率。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例进行详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本发明一实施例的方法的流程示意图。

图2示出机械零件的结构示意图。

图3a示出图2所示机械零件的B-B截面的应力分布曲线。

图3b示出图2所示机械零件的C-C截面的应力分布曲线。

图3c示出图2所示机械零件的D-D截面的应力分布曲线。

图4示出图2所示机械零件的最低强度分布曲线。

图5示出图2所示机械零件的最低硬度分布曲线。

图6示出25CrMo4材料的端淬曲线。

图7示出最低硬度分布曲线与淬火硬度分布曲线的比较示意图。

图8示出渗碳淬火后位于最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线。

图9a示出基于图1所示方法确定的图2所示机械零件的渗碳淬火工艺。

图9b示出基于图1所示方法确定的图2所示机械零件的低温回火工艺。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

图1示出了本发明一实施例方法的流程示意图。参照图1，本发明所提供的机械零件热处理强化工艺要求的确定方法，包括以下步骤：

提供一种机械零件；

确定机械零件的最低硬度分布曲线；

基于机械零件的最低硬度分布曲线，确定机械零件的热处理强化工艺。

硬度是热处理强化工艺要求的具体指标。机械零件的最低硬度分布曲线可以有效反映机械零件的表面硬度及硬度沿深度分布的最低要求。

因此，本发明通过基于机械零件的最低硬度分布曲线来确定机械零件的热处理强化工艺，能够更充分地以强度对硬度的要求为依据，制定更合理可靠地热处理工艺要求，有利于使机械零件经热处理之后更好地满足所需要的力学性能、物理性能和化学性能，降低热处理后产品的不合格率。

在本发明中，机械零件的最低硬度分布曲线可以根据机械零件的最低强度分布曲线确定。具体地，基于硬度与强度的转化关系将机械零件的强度转化为硬度，获得机械零件的最低硬度分布曲线。其中，硬度与强度的转化关系可以根据黑色金属硬度与强度的换算关系获得，或者，基于试验获得。

在根据机械零件的最低强度分布曲线确定机械零件的最低硬度分布曲线时，机械零件的最低强度分布曲线根据机械零件的危险截面应力分布曲线确定。具体地，可以使机械零件的最低强度分布曲线位于机械零件的危险截面应力分布曲线之上。这样，根据强度-应力干涉模型，能够使得机械零件的强度设计大于应力，保证机械零件的最低强度和强度沿深度的分布均高于最大载荷时的最高应力和应力分布，以确保机械零件满足强度设计要求。

其中，机械零件的危险截面应力分布曲线可以基于机械零件的结构及所承受的载荷，采用材料力学计算方式获得，或者，采用有限元应力分析计算方式获得。由于机械零件的危险截面应力分布曲线覆盖了机械零件的其他截面的应力分布情况，可以有效反映机械零件的危险部位、危险部位的最高应力及应力沿深度的分布，因此，基于其确定机械零件的最低强度分布曲线，进而基于依据其所确定的最低强度分布曲线确定机械零件的最低硬度分布曲线，更加安全可靠。

在本发明中，确定机械零件的热处理强化工艺可以包括确定机械零件的热处理工艺参数。其中，热处理工艺参数可以包括表面硬度、芯部硬度和渗碳层深度中的至少一个。

表面硬度、芯部硬度、渗碳层深度及硬度梯度分布等是热处理强化后机械零件硬度分布形状的重要指标。其中，表面最高硬度由渗碳保证；渗碳层深度确保零件的表面和次表面(即外表面下部的表面)的硬度在最低硬度分布曲线之上；热处理强化后的硬度梯度分布保证任意点的硬度均在零件最低硬度分布曲线之上。所以，确定热处理的表面硬度、渗碳层的硬度和深度以及硬度梯度分布等参数，实质是确定热处理强化后的硬度分布形状实质。

具体地，可以根据热处理硬度分布曲线和最低硬度分布曲线确定机械零件的热处理工艺参数。其中，热处理硬度分布曲线是指经各步热处理后零件的硬度分布曲线，例如，其可以为淬火后的零件硬度分布曲线，此时的热处理硬度分布曲线具体为淬火硬度分布曲线；再例如，其可以为渗碳淬火后的零件硬度分布曲线，此时的热处理硬度分布曲线则具体是指渗碳淬火硬度分布曲线。热处理硬度分布曲线位于最低硬度分布曲线之上，表明机械零件经已有的热处理之后已经满足强度要求，无需再进行其他热处理。而若热处理硬度分布曲线未位于最低硬度分布曲线之上，则表面机械零件经已有的热处理之后仍然无法满足强度要求，还需再进行其他热处理。

因此，更具体地，可以基于位于机械零件的最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线，来确定机械零件的热处理工艺参数。

当机械零件的热处理硬度分布曲线位于最低硬度分布曲线之上时，可以将热处理硬度分布曲线在横坐标0处的纵坐标取值确定为表面硬度参数；和/或，将位于最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线的最低硬度值确定为芯部硬度参数或将未被热处理部位的硬度值确定为芯部硬度。其中，当机械零件厚度尺寸较小时，热处理能涉及到机械零件的整个厚度方向，即此时机械零件沿深度方向均能被热处理，这种情况下，由于由外表面至热处理对称中心，热处理的强化作用逐渐减弱，硬度逐渐减小，因此，可以将位于最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线在横坐标为所述机械零件的热处理对称中心处的硬度确定为热处理硬度分布曲线的最低硬度，即确定为芯部硬度参数；而当机械零件厚度尺寸较大时，热处理可能只能涉及到机械零件的部分厚度，即此时机械零件沿深度方向只有部分能被热处理，这种情况下，由于未被热处理部分的硬度小于被热处理部分的硬度，因此，可以将机械零件沿深度方向未被热处理的部位的硬度确定为机械零件的最低硬度，即确定为芯部硬度参数。

而当机械零件的热处理硬度分布曲线未位于最低硬度分布曲线之上时，例如，当机械零件的热处理硬度分布曲线与最低硬度分布曲线有交点时，可以先对热处理硬度分布曲线进行处理，例如通过移动热处理硬度分布曲线，使得热处理硬度分布曲线位于最低硬度分布曲线之上。

渗碳可以改变机械零件的硬度，改善产品的硬度分布。渗碳层含碳量的大小可以使机械零件的热处理硬度分布曲线的局部高度发生变化。渗碳层深度的改变，可以改变热处理硬度分布曲线局部升高的区域。因此，通过渗碳处理，可以使热处理硬度分布曲线的局部发生向上移动，进而使得热处理硬度分布曲线由未位于最低硬度分布曲线之上改变为位于最低硬度分布曲线之上。其中，热处理硬度分布曲线向上移动的高度和渗碳区域的含碳量成正比，即可以根据热处理硬度分布曲线局部向上移动的高度来确定渗碳量。而随着机械零件的深度增加，渗碳区域的含碳量逐渐下降，因此局部向上移动的高度在深度方向上由表面向内逐渐减小。当钢的成分(此处主要即指渗碳量)和温度确定后，渗碳层深度与渗碳时间呈抛物线关系。可以将热处理硬度分布曲线向上移动的局部所对应的深度确定为渗碳层深度参数。

所以，在热处理硬度分布曲线由未位于最低硬度分布曲线之上改变为位于最低硬度分布曲线之上的过程中，可以将热处理硬度分布曲线局部向上移动的高度确定为渗碳量参数，并将热处理硬度分布曲线向上移动的局部所对应的深度确定为渗碳层深度参数。

基于上述各步骤，本发明可以确定机械零件热处理工艺的表面硬度、芯部硬度及渗碳层深度等参数。并且其中，表面硬度参数的确定不再仅基于机械零件的最高应力来确定，而是基于最低硬度分布曲线来确定，准确性更高；而芯部硬度、渗碳层深度及硬化层深度等参数也不再基于根据经验或材料热处理本身确定，而是充分考虑所需强度等性能对硬度的要求，具有理论和技术依据，更符合机械零件性能的实际需求。

另外，本发明的方法可以还包括：基于产品强度对硬度的要求与成形加工工艺对硬度的要求确定机械零件的热处理强化工艺。这样可以基于对产品强度要求和成形加工工艺要求的耦合，来更完善地制定热处理强化工艺要求。例如，可以基于产品强度对硬度的要求与成形加工工艺对硬度的要求来确定机械零件的热处理方式。其中，若成形加工工艺要求机械零件的材料具有较小的硬度，而产品强度要求机械零件具有较大的硬度，则可以选用低碳材料加工成型，并采用淬火热处理方式，提高低碳材料的强度。而且，在采用淬火处理方式提高低碳材料的强度之后，还可以进行回火处理，以软化淬火马氏体组织，提高机械零件的抗冲击能力。

下面结合图1-图9b以某变截面变壁厚成形零件为例，来对本发明的方法进行进一步地说明。

该变截面变壁厚的机械零件为变截面变壁厚的成形轴(以下简称成形轴)，其材料为25CrMo4，要求产品承受的最大静扭矩Mn不低于4000Nm，同时在最大静扭矩情况下还承受附加弯矩。该机械零件的结构以及不同截面处的附加弯矩大小和分布如图2所示。

图1示出了该实施例方法的流程示意图。如图1所示，该实施例的方法包括以下步骤：

(1)步骤100，确定机械零件的危险截面应力分布曲线。

根据机械零件的结构及其所承受的载荷，采用材料力学分析计算方式或有限元应力分析计算方式，可以确定机械零件的危险截面应力分布曲线。通过确定机械零件的危险截面应力分布曲线，可以获得机械零件危险部件的最高应力和应力沿深度的分布。

具体地，该实施例基于图2所示成形轴的截面尺寸及所承受的载荷，通过材料力学分析和计算，确定该成形轴的危险部位主要位于D-D截面、C-C截面和B-B截面，并且，确定在最大静扭矩4000Nm和弯矩下，该成形轴的B-B截面、C-C截面和D-D截面处的应力沿深度分布分别如图3a、图3b和图3c所示。

由图3a-3c可知，三个危险截面的最大应力都在外表面，其中，截面B-B处的最大应力为2460MPa，截面C-C处的最大应力为2283MPa，截面D-D处的最大应力为2293MPa。因此，截面B-B为该成形轴的静载最危险截面。

该实施例后续以该静载最危险的B-B截面作为热处理强化工艺要求制定的依据。

(2)步骤200，确定机械零件的最低强度分布曲线。

基于前述步骤100所确定的危险截面应力分布曲线，确定机械零件的最低强度分布曲线，获得机械零件危险部位的最低强度和强度沿深度分布的最低要求。

根据强度-应力干涉模型，在确定机械零件的最低强度分布曲线时，应使机械零件的强度大于应力，以保证机械零件满足强度设计要求。

在该实施例中，基于前述步骤100中获得的成形轴的最高应力和应力沿深度的分布，使该成形轴的最低强度和强度沿深度的分布都高于其在危险截面B-B处的应力和应力分布，从而获得该成形轴的最低强度和强度分布如图4所示。

在制定热处理工艺要求时，应使零件危险部位的最低强度和强度分布都高于图4所示的最低强度分布曲线。

(3)步骤300，确定机械零件的最低硬度分布曲线。

基于前述步骤200所确定的最低强度分布曲线，确定机械零件的最低硬度分布曲线，获得机械零件的表面硬度和硬度沿深度分布的最低要求。

热处理工艺强化要求通常以硬度作为具体指标。因此，该实施例将步骤200中所确定的对最低强度和强度的分布要求转换为最低硬度和硬度的分布要求。其中，硬度与强度的转换关系，可以根据黑色金属硬度及强度换算值(GB/T 1172-1999)获得，或者直接试验获得。

具体地，该实施例根据试验得到硬度和强度的转换关系为1HV＝4.63Mpa。基于该强度和硬度的对应关系，将图4所示的最低强度分布曲线转化为最低硬度分布曲线，获得成形轴的最低硬度和硬度分布如图5所示。该成形轴危险部位的最低硬度和硬度分布都应高于图5中的硬度分布曲线，即，图5所示的最低硬度分布曲线为机械零件硬度沿深度分布的最低要求。热处理的硬度变化梯度要使零件任一点的硬度均在图5所示的最低硬度分布曲线之上。硬度变化梯度是指单位深度的硬度变化量，例如可以由图5所示的最低硬度分布曲线的最大硬度值与最小硬度值之间的差除以对应的深度差获得，即，(532-400)/3.15＝42，也即，根据最低硬度分布曲线确定硬度变化梯度为42HV/mm。

(4)步骤400，确定机械零件的热处理工艺要求。

该实施例确定机械零件的热处理工艺要求时，确定机械零件的热处理方式，并确定机械零件热处理强化后的硬度分布形状。

确定热处理方式，即确定对机械零件采用淬火、回火、退火及正火等多种热处理方式中的哪一种，以及确定是否还需要渗碳和/或渗氮等。而确定热处理强化后的硬度分布形状，即是确定机械零件经热处理后的表面硬度、芯部硬度、硬度梯度分布及渗碳层深度等工艺参数。

该实施例基于步骤300所确定的最低硬度分布曲线确定机械零件的热处理方式，并确定机械零件热处理强化后的硬度分布形状。而且，该实施例在确定热处理方式的过程中不仅考虑产品强度的要求，还综合考虑材料、加工性能及加工硬化等的要求。

其中，为了便于变截面变壁厚成形和后续成形，要求毛坯的强度和硬度尽可能低(硬度HV180以下)，一般选用低碳合金钢材料。该实施例选用25CrMo4材料，便于成形。而该实施例的成形轴所承受静断裂扭矩不低于4000Nm，并且还承受部分弯矩，为了使其满足产品的高强度要求，一般选用高碳合金通过淬火来满足高强度和高硬度要求。

基于上述情况，为了同时满足零件的成形工艺要求和产品的高强度要求，该实施例选用低碳材料加工制成成形轴，然后再对成形轴进行淬火，通过淬火热处理强化工艺进一步提高低碳材料的强度，这样可以有效解决零件成形过程的低强度和产品高强度要求之间的矛盾。

并且，确定进行淬火处理后，还可以进一步确定是否需要进行渗碳处理。渗碳可以进一步提高被渗碳部位的硬度，以使热处理后零件的实际硬度分布能够位于最低硬度分布曲线之上，满足强度要求。其中，可以根据热处理后的硬度分布是否已经满足要求，来确定是否需要增加渗碳处理。

而热处理后的硬度分布是否已经满足要求，可以通过比较热处理硬度分布曲线是否位于最低硬度分布曲线之上来判断。若热处理硬度分布曲线位于最低硬度分布曲线之上，则判断目前的热处理已经可以使零件的硬度分布满足要求，无需再进行渗碳。这种情况下，可以直接由目前的热处理所对应的硬度分布曲线获得芯部硬度及表面硬度等热处理工艺参数，确定热处理后的硬度分布形状要求。而若热处理硬度分布曲线未位于最低硬度分布曲线之上，则判断目前的热处理仍不能使零件的硬度分布满足要求，仍需增加渗碳处理，以进一步提高零件的硬度。这种情况下，则需要在增加渗碳处理使热处理硬度分布曲线改变为位于最低硬度分布曲线之上之后，再由热处理硬度分布曲线获得芯部硬度、表面硬度及渗碳层深度等热处理工艺参数。

具体地，在该实施例中，由于前面已经确定采用淬火处理方式，因此，接下来可以通过判断成形轴经淬火后其硬度分布是否能够满足要求来确定是否需要进一步渗碳，即，可以通过比较淬火硬度分布曲线和最低硬度分布曲线，来确定是否需要进行渗碳处理，也即，可以通过判断淬火硬度分布曲线是否位于最低硬度分布曲线之上，来判断是否还需要对成形轴进行渗碳处理。若淬火硬度分布曲线位于最低硬度分布曲线之上，则判断经过淬火后，成形轴的硬度分布已经满足要求，无需再渗碳。这种情况下，可以直接由淬火硬度分布曲线获得芯部硬度及表面硬度等热处理工艺参数，确定热处理后的硬度分布形状。而若淬火硬度分布曲线未位于最低硬度分布曲线之上，而是在最低硬度分布曲线之下或者与最低硬度分布曲线有交点，则判断经过淬火后，成形轴的硬度分布仍不满足要求，需要增加渗碳处理，并需要对渗碳层深度等参数进行设计。这种情况下，可以由位于最低硬度分布曲线之上的渗碳淬火硬度分布曲线获得芯部硬度、表面硬度及渗碳层深度等热处理工艺参数。

更具体地，该实施例在判断是否需要渗碳时包括以下步骤：

(41)确定淬火硬度分布曲线。

淬火硬度分布曲线根据机械零件的材料端淬曲线及机械零件的结构特点确定。

在该实施例中，成形轴采用25CrMo4材料，该材料的端淬曲线如图6所示，其中包含最低端淬曲线和最高端淬曲线。由于该实施例的成形轴为空心轴且内径和外径分别为7mm和25.6mm，在如前所述进行淬火时，对内环和外环同时淬火，因此，可以认为淬火硬度分布曲线大致以4.5mm处的硬度为中心相对称，即4.5深度为淬火热处理的对称中心，进而基于该图6所示的材料端淬曲线，可以获得如图7所示的淬火硬度分布曲线，其中包括最低淬火硬度分布曲线和最高淬火硬度分布曲线。

(42)比较淬火硬度分布曲线是否位于最低硬度分布曲线之上，并根据比较结果判断是否渗碳。

将步骤300所确定的如图5所示的最低硬度分布曲线与前述所确定的如图7所示的淬火硬度分布曲线进行比较，结果如图7所示。由图7可知，淬火硬度分布曲线并未完全位于最低硬度分布曲线之上，而是与最低硬度分布曲线有一个交点，这表明仅仅如前述对成形轴进行淬火处理后，成形轴的最低淬火硬度以及硬度分布仍有一部分不能满足产品的最低硬度和硬度分布要求，还需要对成形轴进行渗碳，至此确定热处理方式为渗碳淬火。

(43)确定渗碳层深度参数。

零件经渗碳淬火后，其硬度分布曲线的变化趋势为：由表面向芯部先是在第一区域(参照图8的区域A)内极缓慢地减小；而后在第二区域(参照图8的区域B)内快速减小；最后在第三区域(参照图8的区域C)内基本保持不变。其中，第一区域的大小与渗碳层深度相关：第一区域越大，渗碳层深度越深；第一区域越小，渗碳层深度越浅。

当渗碳层深度过浅，即第一区域过小时，将可能会使得渗碳淬火硬度分布曲线在第二区域内与最低硬度分布曲线相交，导致零件的强度不能满足最低强度要求。因此，需给硬度在第二区域内的快速下降留有余地，即渗碳层应保有一定的厚度，也即第一区域应保证一定的宽度。但考虑到渗碳层每增加一定的深度，则生产成本将提高很多，因此，渗碳层也不宜过深。

具体地，在该实施例中，根据含碳量与硬度的对应关系，并根据图7中淬火硬度分布曲线与最低硬度分布曲线的比较结果所确定的淬火硬度分布曲线与最低硬度分布曲线的交点可知，要将热处理硬度分布曲线(具体为淬火硬度分布曲线)由与最低硬度分布曲线有交点改变为位于最低硬度分布曲线之上，淬火硬度分布曲线向上移动的局部所对应的深度不小于0.5mm，因此，确定对成形轴渗碳时的渗碳深度应不低于0.5mm。而考虑到渗碳成本，该实施例确定渗碳层深度为0.5-1mm。基于此，获得渗碳淬火后的热处理硬度分布曲线如图8所示，其中包括最低渗碳淬火硬度分布曲线和最高渗碳淬火硬度分布曲线。基于该图8所示的热处理硬度分布曲线确定热处理强化后硬度分布形状的要求。

由图8可知，经渗碳淬火热处理后，成形轴任意点的硬度均在零件最低硬度分布曲线之上，满足要求。并且，由图8可知，渗碳淬火硬度分布曲线在横坐标为0处的纵坐标取值最小为630HV，由于横坐标为0对应深度为0，也即对应成形轴的外表面，因此，可以确定经热处理后成形轴的表面硬度应不低于630HV。另外，如前所述，该实施例可以大致以深度4.5mm处的硬度为芯部硬度，而由图8可知，深度4.5mm处最高渗碳淬火硬度曲线的取值与最低渗碳淬火硬度分布曲线的取值的平均值大致为480HV，将该平均值确定为深度4.5mm处的硬度值，因此，可以确定成形轴经热处理后其芯部硬度应不小于480HV。

另外，经渗碳淬火后，成形轴的主要部分全部淬透。而为了使产品具有足够的韧性以抵抗使用过程中的冲击，该实施例还在渗碳淬火后对成形轴进行回火处理，利用回火来软化淬火马氏体组织。具体地，该实施例对成形轴进行低温回火处理。

基于上述，该实施例确定对成形轴所采用的热处理强化方式为渗碳淬火加低温回火。

(5)步骤500，确定机械零件的热处理强化工艺。

根据前述步骤所确定的热处理方式、热处理强化后硬度分布形状以及材料的组织转变基本理论和技术，确定热处理强化工艺要求。

具体地，针对图2所示变截面变壁厚的成形轴，其材料选用25CrMo4，热处理强化方式采用渗碳淬火加低温回火，芯部硬度不小于480HV；表面硬度不小于630HV；渗碳硬化层深度为0.5～1mm。基于此，确定具体的渗碳淬火工艺和低温回火工艺分别如图9a和图9b所示。

综上可知，该实施例以产品应力分布和强度分布要求为前提，综合考虑机械零件的加工工艺、热处理工艺本身和产品强度要求，耦合毛坯-工艺-产品进行热处理工艺参数制定，可以确定更符合实际要求的热处理强化工艺，为基于毛坯-工艺-产品的机械零件热处理工艺要求制定和热处理工艺参数优化提供技术依据。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种机械零件热处理强化工艺要求的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一种机械零件；

确定所述机械零件的最低硬度分布曲线；

基于所述机械零件的最低硬度分布曲线，确定所述机械零件的热处理强化工艺；

其中，所述基于机械零件的最低硬度分布曲线确定机械零件的热处理强化工艺包括：基于机械零件的最低硬度分布曲线确定所述机械零件的热处理工艺参数，所述热处理工艺参数包括表面硬度、芯部硬度和渗碳层深度中的至少一个；

其中，所述基于机械零件的最低硬度分布曲线确定机械零件的热处理工艺参数包括：基于位于所述机械零件的最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线，确定所述机械零件的热处理工艺参数；

其中，若热处理硬度分布曲线未位于最低硬度分布曲线之上，则对热处理硬度分布曲线进行处理，直至热处理硬度分布曲线位于最低硬度分布曲线之上；

其中，在使热处理硬度分布曲线由未位于最低硬度分布曲线之上改变为位于最低硬度分布曲线之上的过程中：将热处理硬度分布曲线局部向上移动的高度确定渗碳量参数，并将热处理硬度分布曲线向上移动的局部所对应的深度确定为渗碳层深度参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于位于机械零件的最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线确定机械零件的热处理工艺参数包括：

将位于最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线在横坐标0处的纵坐标取值确定为表面硬度参数；和/或，

将位于最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线的最低硬度值确定为芯部硬度参数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

当所述机械零件沿深度方向均能被热处理时，将位于最低硬度分布曲线之上的热处理硬度分布曲线在横坐标为所述机械零件的热处理对称中心处的硬度确定为热处理硬度分布曲线的最低硬度。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述确定机械零件的最低硬度分布曲线包括：

根据所述机械零件的最低强度分布曲线确定所述机械零件的最低硬度分布曲线。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据机械零件的最低强度分布曲线确定最低硬度分布曲线包括：

基于硬度与强度的转化关系将所述机械零件的强度转化为硬度，获得所述机械零件的最低硬度分布曲线。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，硬度与强度的转化关系根据黑色金属硬度与强度的换算关系获得，或者，基于试验获得。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述机械零件的最低强度分布曲线根据所述机械零件的危险截面应力分布曲线确定。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在根据所述机械零件的危险截面应力分布曲线确定所述机械零件的最低强度分布曲线时，使所述机械零件的最低强度分布曲线位于所述机械零件的危险截面应力分布曲线之上。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述机械零件的危险截面应力分布曲线基于所述机械零件的结构及所承受的载荷，采用材料力学计算方式获得，或者，采用有限元应力分析计算方式获得。

10.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于产品强度对硬度的要求与成形加工工艺对硬度的要求确定所述机械零件的热处理强化工艺。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，基于产品强度对硬度的要求与成形加工工艺对硬度的要求确定的所述机械零件的热处理强化工艺包括所述机械零件的热处理方式。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，若成形加工工艺要求所述机械零件的材料具有较小的硬度，而产品强度要求所述机械零件具有较大的硬度，则选用低碳材料加工成型，并对所述机械零件进行淬火。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在淬火热处理之后，若所述机械零件的热处理硬度分布曲线仍未位于所述机械零件的最低硬度分布曲线之上，则对所述机械零件进行渗碳。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在采用淬火处理方式提高所述低碳材料的强度之后，进行回火处理，以软化淬火马氏体组织。

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