機械制造過程中熱處理方法及應用實踐

李群海

摘 要：機械加工中的熱處理是指通過加熱，保溫，冷卻等方法，對機械材料進行處理，使其形態發生變化，從而改變其性能，使其能更好的應用于不同的機械加工中。金屬熱加工工藝 ，從進入銅鐵時代已經開始被人類應用于機械加工中，隨著科技的發展，對熱加工工藝的要求越來越高，熱加工的工藝也得到了不斷的改進。本文主要探討機械制造中常用的熱處理辦法，以及其在機械制造中的應用實踐。

關鍵詞：熱處理;機械加工;應用實踐

隨著工業的不斷發展，對機械制造產品的性能和設計要求也隨之提高，熱處理作為機械加工中必不可少的環節，可以使機械產品達到高精度的工藝要求，并且提高產品的綜合性能，滿足用戶的要求。鋼作為機械制造業中應用最為廣泛的材料，熱處理后能達到成品要求的最佳力學性能、物理性能、化學性能。本文將對鋼常見的熱處理方法以及應用實踐進行探討。

一、鋼的一般熱處理方法。

（一）退火

退火又稱為燜火，是指將鋼件加熱到臨界溫度以上，保持溫度一段時間，在爐中慢慢冷卻，降低鋼的硬度，改善加工性能，增強其塑造性和加工韌性。在制造業中需要根據不同零部件的不同工藝要求，對其進行退火處理，以便進行下一道工藝。常用的退火工藝包括退火爐退火、熱管式退火、接觸式電刷傳輸大電流退火和感應式退火。退火爐退火和熱管式退火設備簡單，但能耗大，且不好控制退火速度和周期。接觸式電刷傳輸大電流退火和感應式退火設備相對復雜，優點是節能環保，能夠對退火周期進行跟蹤控制，且周期短，缺點是設備價格高。

（二）正火

正火是指把鋼件加熱到臨界溫度或者以上，保溫一段時間后，直接在空氣中冷卻，由于冷卻速度比較快，組織變細，鋼的強度和韌性增加，容易切屑加工。正火不需要在爐中冷卻，減少了在爐的時間，處理周期比正火短，可以節省成本。對于復雜的零部件，正火會造成部件變形，裂紋等問題，這對高性能有特別要求部件不適合使用正火方法處理[1]。

（三）淬火

淬火是把鋼件加熱到臨界溫度以上，保溫一段時間后，放置在介質中，使其急速冷卻，以提高硬度，強度以及耐磨性。由于淬火會使鋼件變脆，所以淬火后需要回火處理。淬火冷卻介質一般有水、鹽、油、空氣等。快速冷卻使鋼件內部產生內應力，內應力的作用下會造成鋼件變形，開裂，因此需要選擇合適的冷卻方法。根據冷卻方法不同分為單液淬火、雙介質淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火。單介質淬火最簡單，因此應用比較廣泛。由于制造業中各個零部件要求不同，甚至需要增加一些物理性能，淬火工藝也在不斷改進發展。一些高能密度淬火辦法優于其他熱處理辦法，被應用到精密零件如飛機、火箭的部件中。

（四）回火

淬火后的鋼件，內應力大，再將其加熱到臨界溫度以下，保溫后，在空氣或者其他介質中冷卻。其作用主要是消除淬火產生的內應力，減弱脆性，增加韌性和強度。回火一般與淬火配合使用，才能達到鋼件所需的性能。回火分為低溫回火、中溫回火、高溫回火。不同的鋼件適用不同的回火溫度，需要根據回火脆性選擇適合的回火溫度。

（五）調質

淬火后的零部件，選擇高溫回火，可以消除內應力，提高力學性能，一般機械中的重要零部件如軸都需要調質處理。調質處理的鋼件綜合性能得到提到，在韌性、塑性、強度、切削性能表現良好。具有優秀綜合性能的鋼件被稱作調質鋼，一般用于制作需要長時間保持運作的部件。

（六）表面淬火

表面淬火作為淬火中的一種，具體為使用火焰或者高頻電流對鋼件表面短時間內加熱到臨界溫度以上，并快速冷卻。鋼件表面通過熱處理后，具備較高的硬度和耐磨性，而內部的韌性被保留，這類部件既耐磨又能抗沖擊。表面淬火的區別主要在于加熱的能源，其中包括電磁感應、火焰、電接觸以及電解質加熱。隨著要求的提高，出現了電子束和激光加熱[2]。小批量生產和零部件的維修一般采用火焰加熱表面淬火，批量生產則更多選用電磁感應和電解質加熱，而大部件局部適合采用簡單的電接觸加熱。

（七）滲碳

把低碳、中碳鋼件放在滲碳介質中加熱到900-950°C，保持一段時間，讓鋼件表面滲碳后再淬火。通過滲碳處理后的低碳、中碳鋼件表面變得高碳，表面硬度和抗疲勞強度增加，一般應用在需要拉伸性強的小零件，以及需要抗沖擊強的零件。滲碳的工藝也十分廣泛，主要根據滲碳介質不同進行區分，早期，工業使用固體滲碳介質，不易滲碳，便出現液體和氣體滲碳介質，氣體滲碳從轉筒爐發展到連續式氣體滲碳爐，到高溫氣體滲碳爐，到現在的真空滲碳以及離子滲碳。滲碳工藝能使鋼件表面不需要通過復雜的化學處理，便能達到一定的耐磨性和抗疲勞強度。

（八）液化氮共滲和滲氮

增加鋼件表面的氮，氮化層比碳化層薄，但是硬度非常高，適用于合金鋼，滲氮處理改變了鋼件表面的化學成分，提高了表面性能。一般處理方法是把鋼件密封到流動氮氣的容器里加熱，使氮氣吸附在鋼件表面。另外還可以采用液體和離子滲氮。在鋼件的表面加入碳和氮，滲透深度比滲碳淺，使其表面具有更高的強度、抗耐疲勞度、耐磨性，主要應用在硬度要求高，且耐磨的刀具、薄片零件。

（九）時效處理和冷卻處理

機械鋼件在經過不同的加熱處理后，隨著時間的變化，在室溫和常溫下其硬度、強度都會產生不同的變化。這種有計劃的使材料在常溫或者設置的溫度內存放產生變化的變化叫做時效變化[3]。在正常的室溫進行的變化稱為自然時效，在人工控制的溫度下進行的變化稱為人工時效。其作用主要在于穩定鋼件的性能。冷卻處理是指淬火鋼件快速冷卻后置于室溫下，使鋼件的硬度和耐磨性更加穩定。

（十）法蘭發黑

通過表面加熱使鋼件表面形成保護性的氧化鐵層，主要為了提高鋼件的耐腐蝕性，表面更美觀，緊固件通常需要法蘭發黑處理。

二、熱處理方法在機械制造中的應用

熱處理由于方式不同，其適用的范圍也不一樣，比如淬火處理使工件強度過高，后期加工不容易操作，需要進行回火處理。在實際的應用中，一種熱處理方法并不能達到理想的效果，應該根據具體部件的性能需要，選擇一種或者多種熱處理方法結合。并且需要根據機械加工工藝的順序安排合理的熱處理方法。

結束語：

熱處理方法從人類未進入工業文明已經被廣泛應用，到21世紀仍然作為機械制造中的重要工藝，一些高科技的加熱處理方法正在推動機械制造不斷地前進，使得機械制造更為高效率，智能化。

參考文獻：

[1]陳長春. 機械制造過程中熱處理方法及應用[J]. 科學與財富， 2012（6）：405-405.

[2]佚名. 用于機械零件的表面化學熱處理的方法及其所用設備：， CN102776470A[P]. 2012.

[3]王盟， 安長才. 中國工程機械行業熱處理工藝發展概況[J]. 金屬加工（熱加工）， 2011（15）：8-11.