熱處理在機(jī)械制造過程中的作用

王志宏 薛子闖

摘? 要：熱處理是研究金屬材料成分—組織—性能之間內(nèi)在規(guī)律的現(xiàn)代學(xué)科。在機(jī)械制造中，熱處理作為一種工藝方法，其作用是改變零件的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，獲得零件應(yīng)有的使用性能，改善零件的工藝性能，充分發(fā)揮金屬材料的內(nèi)在潛力，提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長零部件使用壽命，減輕重量，節(jié)約材料，降低成本。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造? 工藝方法? 熱處理? 使用性能

中圖分類號(hào)：TG161? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（b）-0069-02

機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)志主要是效能、壽命和重量。效能是設(shè)計(jì)的目的，而零件獲取應(yīng)有的效能靠機(jī)械制造工藝來實(shí)現(xiàn)。眾所周知，在機(jī)械制造過程中，大多數(shù)機(jī)械零件是先經(jīng)過鑄造、鍛壓和焊接等成型工藝，獲得具有一定形狀尺寸和內(nèi)在質(zhì)量的毛坯（或半成品），然后再經(jīng)過車、銑、刨、磨、鏜等切削加工工藝，才能得到零件設(shè)計(jì)要求的外觀尺寸和表面質(zhì)量（精度、表面粗糙度），而零件在服役中滿足設(shè)計(jì)效能的內(nèi)在質(zhì)量（內(nèi)部組織、使用性能）必須經(jīng)過熱處理才能獲得。在現(xiàn)代機(jī)床制造中60%～70%的工件需要熱處理，在汽車、拖拉機(jī)工業(yè)中占70%～80%，而各種工具、模具、量具和軸承等則幾乎100%要進(jìn)行熱處理，所以，熱處理在機(jī)械制造過程中有舉足輕重的作用。

1? 熱處理是機(jī)械制造中的一種工藝方法

熱處理是研究金屬材料成分—組織—性能之間內(nèi)在規(guī)律的、完整的、獨(dú)立的現(xiàn)代學(xué)科。什么是熱處理呢？廣義地說，就是使固態(tài)金屬通過加熱、保溫、冷卻的方法，以改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，從而獲得預(yù)期的性能，其中包括力學(xué)性能、工藝性能、物理性能和化學(xué)性能等。

在機(jī)械制造過程中，熱處理不直接改變零件的形狀、尺寸和表面質(zhì)量，旨在改善金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，獲取零件設(shè)計(jì)效能應(yīng)有的內(nèi)在質(zhì)量和使用性能。所以說它是保證零件使用性能的重要方法，也是改善零件切削加工性能的主要手段，還是挖掘材料潛力、提高零件使用壽命、減輕零件重量的有效途徑，從而直接影響零件制造的質(zhì)量、效率和成本。可見，熱處理和鑄造、鍛壓、焊接、切削加工等工藝方法一樣，都是機(jī)械制造中必要的生產(chǎn)工藝過程，在機(jī)械制造過程中選對(duì)、用好熱處理工藝，充分發(fā)揮熱處理的作用，對(duì)機(jī)械制造全過程有重要的指導(dǎo)意義。

2? 熱處理工序在機(jī)械制造工藝中的位置

在機(jī)械制造過程中，根據(jù)熱處理的目的和工序位置不同，熱處理可分為預(yù)先熱處理和最終熱處理兩大類。

⑴預(yù)先熱處理包括退火、正火、調(diào)質(zhì)、時(shí)效處理等，其工序位置一般均安排在毛坯生產(chǎn)之后，切削加工之前（或粗加工之后，半精加工之前）。其主要目的是消除毛坯中的缺陷與內(nèi)應(yīng)力;調(diào)整硬度改善切削加工性能;細(xì)化晶粒改善組織，為后續(xù)工序和最終熱處理做好組織準(zhǔn)備。

⑵最終熱處理包括淬火、回火，表面熱處理，滲碳、氮化等化學(xué)熱處理，其工序位置常比較靠后，一般均安排在半精加工之后，精加工之前。最終熱處理常依據(jù)零件對(duì)性能要求的不同而具體實(shí)施，因而其目的也各不相同，宗旨是滿足零件的組織要求和使用性能要求。

⑶對(duì)于有些高精密或特殊要求的零件，最后還要增加輔助熱處理工序，如冷處理、時(shí)效處理、蒸汽處理、噴丸處理等，以滿足零件的特殊要求。

3? 熱處理對(duì)零件毛坯質(zhì)量的影響

鑄造、鍛壓和焊接是應(yīng)用較為廣泛的毛坯成型方法，這些成型工藝過程的特點(diǎn)，決定了毛坯成型后都會(huì)或多或少地存在一些缺陷，而這些缺陷又是在成型工藝過程中無法避免和消除的。缺陷的存在，降低了毛坯件的性能和質(zhì)量，尤其是內(nèi)應(yīng)力，還會(huì)造成毛坯件產(chǎn)生變形和開裂。

退火和正火是消除毛坯缺陷最常用、最有效的方法。例如：鑄錠、鑄件中的成分偏析，可用擴(kuò)散退火達(dá)到均勻化，此后再進(jìn)行一次完全退火或正火細(xì)化晶粒;鑄件中的白口組織和硬皮，可用軟化退火或石墨化退火;降低中碳鋼及合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件的硬度，可用完全退火或等溫退火;消除冷壓力加工過程中產(chǎn)生的加工硬化可用再結(jié)晶退火;對(duì)鑄件、鍛件、焊接件的內(nèi)應(yīng)力可使用去應(yīng)力退火等。通過熱處理消除毛坯中的缺陷，改善組織和性能，為后續(xù)工序做好了準(zhǔn)備。

4? 熱處理對(duì)零件切削加工性能的影響

金屬的切削性能是對(duì)材料多方面的綜合評(píng)價(jià)，常由刀具耐用度、切削力的大小、切削熱的高低、切屑形狀與排出、加工表面質(zhì)量等多個(gè)指標(biāo)來衡量。影響金屬切削性能的主要因素是材料的化學(xué)成分、物理性能、內(nèi)部組織和力學(xué)性能，當(dāng)制造零件的材料選定后，其化學(xué)成分和物理性能不再改變，切削加工性能將主要由零件的內(nèi)部組織和力學(xué)性能來決定，而熱處理是能夠同時(shí)改變金屬材料內(nèi)部組織和力學(xué)性能的唯一方法，故其是改善零件切削加工性能的重要手段。

當(dāng)金屬材料的強(qiáng)度和硬度較高時(shí)，則其加工時(shí)的切削力大、切削溫度高、刀具磨損快;而當(dāng)金屬材料的塑性和韌性較好時(shí)，斷屑困難、不易獲得好的表面質(zhì)量。普遍認(rèn)為金屬材料的硬度在HBS160～230為最佳的切削范圍，例如，對(duì)高碳鋼進(jìn)行球化退火，獲得粒狀珠光體組織，可降低硬度，改善切削加工性能，提高生產(chǎn)率;而對(duì)低碳鋼進(jìn)行正火，可增加珠光體組織的百分含量，提高硬度，減輕切削時(shí)產(chǎn)生的“粘刀”現(xiàn)象，改善零件的表面加工質(zhì)量。

切削加工過程中的一些物理現(xiàn)象，如切削力、切削熱等，不僅影響切削加工性能，還會(huì)產(chǎn)生加工硬化和切削內(nèi)應(yīng)力。所以，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，在制造過程中不只進(jìn)行一次熱處理，往往需要進(jìn)行多次熱處理，常常把熱處理工序穿插安排在切削加工過程中，只有冷、熱加工工序合理搭配，才有利于以最低的制造成本達(dá)到零件應(yīng)有的工藝性能和使用性能，達(dá)到物盡其用，減少浪費(fèi)，制造出高質(zhì)量的合格零件。

5? 熱處理對(duì)零件使用性能的影響

對(duì)于機(jī)械加工完畢的零件，既使形狀尺寸表面質(zhì)量都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，也未必是一個(gè)合格的零件，還要看是否獲得其使用要求應(yīng)有的內(nèi)部組織和使用性能。要獲取應(yīng)有的使用性能以達(dá)到設(shè)計(jì)效能應(yīng)有的指標(biāo)，必須用熱處理改變它的內(nèi)部組織。例如：對(duì)連桿、軸類等受力情況復(fù)雜的零件，可采用調(diào)質(zhì)處理獲得回火索氏體組織，從而具有強(qiáng)度、塑性和韌性都較好的綜合機(jī)械性能。對(duì)于要求高硬度和良好耐磨性的工具、模具，最終熱處理常采用淬火和低溫回火，以獲得回火馬氏體和細(xì)粒狀碳化物及少量殘余奧氏體組織。如將未經(jīng)過任何熱處理的工具、模具直接投入使用，這不僅要造成人力、能源、資源的巨大浪費(fèi)，還將會(huì)造成重大的生產(chǎn)事故，甚至人身安全事故。

6? 結(jié)語

熱處理作為一種工藝方法，其在生產(chǎn)中受諸多因素的影響，其工藝規(guī)范的制定和操作過程的正確實(shí)施是兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)。熱處理工藝方法有數(shù)百種之多，是一套完整的、系統(tǒng)的工藝方法，工藝過程中一個(gè)細(xì)小的變化就會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，絕不是什么簡單地加加熱、變變色。只有全面掌握熱處理原理，學(xué)會(huì)正確運(yùn)用熱處理工藝，才能有助于掌握機(jī)械制造的全過程。只有徹底擺脫“強(qiáng)度不夠增大尺寸”的設(shè)計(jì)思路，正確運(yùn)用熱處理手段，充分發(fā)揮金屬材料的內(nèi)在潛力，才能設(shè)計(jì)制造出外型精巧，使用壽命長，成本低廉，性能高質(zhì)量優(yōu)的機(jī)械產(chǎn)品。綜上所述可知，在機(jī)械制造過程中，只有把設(shè)計(jì)—材料—制造三者有機(jī)結(jié)合起來，既注重外形尺寸與表面質(zhì)量，又注重內(nèi)部組織與使用性能，才能有效地提高產(chǎn)品的質(zhì)量，獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 王運(yùn)炎.金屬材料與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

[2] 雷廷權(quán)，傅家.熱處理工藝方法300種[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1982.

[3] 羅大金.材料工程基礎(chǔ)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

①作者簡介：王志宏（1973，3—），男，漢族，河北香河人，本科，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：模具。

薛子闖（1987，5—），男，漢族，河南南陽人，本科，助教，研究方向：模具設(shè)計(jì)與制造。