淺談機械制造中金屬的熱處理工藝

摘 要：隨著現代工業技術的發展與進步，在生產制造中對金屬零件的質量要求也相應提高。熱處理是機械制造中一個特別重要的環節，如何做好各種機械部件及模具制造的金屬熱處理，是機械制造中非常關鍵的問題。而在金屬熱處理工藝中，加熱、保溫及冷卻這三個過程對進行完熱處理的材料組織性能起決定性作用。這就需要我們對金屬熱處理的三大基本過程進行深入透徹的了解。文章重點研究了機械加工制造中金屬的熱處理工藝。

關鍵詞：熱處理；機械制造；淬火；回火

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）9-0150-02

汽車、農機、化工、航天、礦山等很多行業中有70%左右的金屬零部件都需要在機械制造過程中通過進行熱處理來改善其組織性能，從而滿足各行各業對其特殊性能的需求。金屬零部件通過熱處理改變了材料的內部組織、表面的化學成分或使用性能等。在鐵、銅、鋼、鎂、合金等諸多金屬部件中，應用最為廣泛的金屬材料是鋼鐵。因此，本文以鋼鐵為例來分析機械加工制造中金屬的熱處理工藝。

1 金屬的熱處理工序

1.1 加熱

在熱處理過程中，首先要進行的是對金屬的加熱。我們以A1作為臨界點，當加熱在臨界點以下時，其內部組織不會改變，若要獲得奧氏體組織時，此時的加熱就務必要在臨界點以上。由此可以看出，溫度是加熱過程中的一個重要參數。若要使熱處理的質量得以保證就必須對加熱的溫度進行良好的控制。由于工件在加熱過程中常常是暴露在空氣中的，為了保證經熱處理的部件表面性能不受加熱過程中氧化、脫碳情況的影響，通常會采取一些保護措施對其保護加熱。如真空或是熔融鹽加熱等。加熱過程中熱源的選擇從最初的木炭和煤發展到氣、液等燃料，之后由于電力的發展，加之電力加熱有綠色環保，易于控制等優點，以電作為熱源加熱越來越被推廣。企業可以通過自身需求選擇適合的熱源來進行直接加熱，或是借助于某些介質進行間接的加熱。

1.2 保溫

部件在加熱過程中暴露在空氣里會發生氧化反應以及脫碳等情況，另外部件較大的情況下要保證部件加熱均勻，此時就需要進行保溫。部件的材料選擇與其尺寸的大小直接影響到保溫時間的長短與保溫介質的選擇。通常來說，部件尺寸越大其熱能的傳導性就越差，此時就需要較長的時間來進行保溫，以保證部件能夠熱透。

1.3 冷卻

冷卻是金屬的熱處理過程中最為重要的一個步驟也是最后一個步驟。由于金屬在熱處理中，經冷卻之后的組織性能受冷卻方法、工藝及冷卻速度的影響較大，因此我們必須熟練掌握不同冷卻方法的工藝過程，并嚴格控制好冷卻速度。通常情況下退火的冷卻速度<正火的冷卻速度<淬火的冷卻速度。

2 金屬的熱處理分類

2.1 整體熱處理

首先將部件進行整體加熱，之后再以一定的速度進行冷卻，以此改變其性能的金屬熱處理工藝稱之為整體熱處理。我們以鋼鐵為例來了解整體熱處理的四大基本工藝：退火、正火、淬火、回火。

①退火：是將金屬部件加熱到一定的溫度之后，再根據其金屬材料的不同以及不見尺寸的大小進行不同時間的保溫，最后再緩慢冷卻。經過退火后的部件其內部組織能夠接近或處于一種平衡狀態，在材料硬度降低的同時提高了材料的可塑性，使其更利于加工。在工藝及使用性能方面都有良好的效果。同時也為之后的工序做好組織準備。由于不同的機械部件對其性能的需求不同，這就需要不同的工藝來滿足其需求。因此，又將退火工藝分為完全退火、去應力退火、球化退火等。完全退火通常用作對一些部件進行預先的熱處理或某些不重要部件的最終熱處理。②正火：是將金屬部件加熱到一定溫度后進行適當的保溫，之后再將其置于靜止的空氣中冷卻。金屬部件通過正火可以提高其力學性能，減少組織缺陷，更利于機械加工，同時也為后續工藝做好組織準備。正火有時也作為一些部件的最終熱處理。正火較退火而言，經過正火的部件其內部組織更細。③淬火：是將金屬部件加熱到一定的溫度后進行保溫，之后再將其置于淬冷介質中進行快速冷卻。常用的淬冷介質有水、油、無機鹽等。不同的金屬部件對于淬冷介質的選用也是不同的。通過淬火，使得部件的硬度大大提高，強度及耐磨性也增強。但與此同時部件的脆度也相應的變大。淬火能夠使部件獲得貝氏體或馬氏體組織，并為之后的工序做好組織準備。④回火：鋼件通過淬火之后，其脆度大大增加。為了降低其脆性，可將其再進行加熱（溫度通常控制在大于室溫且低于650 ℃之間的某一溫度），經過較長時間的保溫之后，再進行冷卻。通過回火的鋼件，不僅具有了淬火后的硬度、強度、耐磨性能，其塑性及韌性也大大得以提升。常見的回火工藝有低溫、中溫、高溫回火。低溫回火的溫度一般控制在150～250 ℃范圍內，通過低溫回火的部件可獲得回火馬氏體組織，其硬度范圍通常為HRC58-64。在各種高碳切削刀具、軸承、冷沖模具等工件中應用較多，通常低溫回火的部件都具有高硬度、高耐磨性、內應力小、脆度低的特點。中溫回火的溫度一般控制在350～500 ℃范圍內，通過中溫回火的部件可獲得回火屈氏體組織，其硬度范圍一般為HRC35-50。在一些熱作模具以及彈簧的處理中應用較多。通過中溫回火的部件其韌性較高，彈性極限及屈服強度也較高。高溫回火的溫度一般控制在500～650 ℃范圍內，通過高溫回火的部件可獲得回火索氏體組織，其硬度范圍一般為HB200-330。淬火后經高溫回火的工藝過程也稱調制處理。在連桿、齒輪等一些重要機械部件中應用較多。經過高溫回火的部件，其綜合機械性能較好。也由于其具有高強度、高硬度、良好的韌性及塑性等特點，高溫回火工藝較多應用于汽車及機床中重要部件的加工。

2.2 表面熱處理

為了使金屬部件表面能夠具有期望的力學性能，通常會只對工件的表層進行加熱，這種工藝稱之為表面熱處理。由于表面熱處理工藝只需對金屬部件的表面加熱，因此，為了使部件的內部不過多接受表層熱量的傳導，我們對熱源的選擇也是有特殊要求的。生產加工中通常會選擇感應電流、電子束、氧乙炔火焰以及激光等作為表面熱處理的熱源。這些熱源的能量密度都比較高，這樣可以使得部件在較短的時間內獲得較多的熱量，使溫度瞬時升高。表面熱處理有火焰加熱表面淬火熱處理、感應加熱表面淬火熱處理以及電接觸加熱表面淬火熱處理等方式。

2.3 化學熱處理

為了使金屬工件表面的硬度、抗疲勞強度得到提高，并同時改善其抗氧化、抗蝕、耐磨等性能，通常會采取將金屬工件置于一些含有化學元素的化學介質中，對其進行加熱和保溫。通過化學熱處理，金屬工件表層的化學成分發生了變化，其組織結構及性能也得以改善。在化學熱處理中化學介質的選用通常是一些氮、碳、硼或合金元素的氣體、液體或固體。根據介質選用的不同，可將化學熱處理工藝分為滲氮、滲碳、滲硼、滲金屬等。

3 結 語

金屬的熱處理工藝作為機械制造行業中重要的一項工藝過程，它能夠在保證機械部件的形狀外觀、整體的化學成分不改變的同時，通過改變其內部組織結構或表面的學成分等而使部件具有期望的物理性能、化學性能、力學性能、機械性能等，這是其它加工工藝所不及的。為了使金屬的熱處理工藝更好的服務于機械制造業，除合理的選擇金屬材料，熟練掌握各種成型的熱處理工藝外，還需要我們對金屬物理以及其他相關新技術進行不斷的發現、研究、利用，從而促使金屬熱處理工藝更好的應用于機械制造業。

參考文獻：

[1] 梁鳳堯.熱處理工藝在金屬零件加工中的作用[J].輕工科技，2012，（5）.