熱處理在機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—性能之間內在規律的現代學科。在機械制造中，熱處理作為一種工藝方法，其作用是改變零件的內部組織結構，獲得零件應有的使用性能，改善零件的工藝性能，充分發揮金屬材料的內在潛力，提高產品質量，延長零部件使用壽命，減輕重量，節約材料，降低成本。

關鍵詞：機械制造? 工藝方法? 熱處理? 使用性能

中圖分類號：TG161? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0069-02

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

1? 熱處理是機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—性能之間內在規律的、完整的、獨立的現代學科。什么是熱處理呢？廣義地說，就是使固態金屬通過加熱、保溫、冷卻的方法，以改變其內部組織結構，從而獲得預期的性能，其中包括力學性能、工藝性能、物理性能和化學性能等。

在機械制造過程中，熱處理不直接改變零件的形狀、尺寸和表面質量，旨在改善金屬的內部組織結構，獲取零件設計效能應有的內在質量和使用性能。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，都是機械制造中必要的生產工藝過程，在機械制造過程中選對、用好熱處理工藝，充分發揮熱處理的作用，對機械制造全過程有重要的指導意義。

2? 熱處理工序在機械制造工藝中的位置

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

⑴預先熱處理包括退火、正火、調質、時效處理等，其工序位置一般均安排在毛坯生產之后，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應力;調整硬度改善切削加工性能;細化晶粒改善組織，為后續工序和最終熱處理做好組織準備。

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。最終熱處理常依據零件對性能要求的不同而具體實施，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? 熱處理對零件毛坯質量的影響

鑄造、鍛壓和焊接是應用較為廣泛的毛坯成型方法，這些成型工藝過程的特點，決定了毛坯成型后都會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量，尤其是內應力，還會造成毛坯件產生變形和開裂。

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，可用擴散退火達到均勻化，此后再進行一次完全退火或正火細化晶粒;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構鋼鍛件的硬度，可用完全退火或等溫退火;消除冷壓力加工過程中產生的加工硬化可用再結晶退火;對鑄件、鍛件、焊接件的內應力可使用去應力退火等。通過熱處理消除毛坯中的缺陷，改善組織和性能，為后續工序做好了準備。

4? 熱處理對零件切削加工性能的影響

金屬的切削性能是對材料多方面的綜合評價，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、加工表面質量等多個指標來衡量。影響金屬切削性能的主要因素是材料的化學成分、物理性能、內部組織和力學性能，當制造零件的材料選定后，其化學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部組織和力學性能來決定，而熱處理是能夠同時改變金屬材料內部組織和力學性能的唯一方法，故其是改善零件切削加工性能的重要手段。

當金屬材料的強度和硬度較高時，則其加工時的切削力大、切削溫度高、刀具磨損快;而當金屬材料的塑性和韌性較好時，斷屑困難、不易獲得好的表面質量。普遍認為金屬材料的硬度在HBS160～230為最佳的切削范圍，例如，對高碳鋼進行球化退火，獲得粒狀珠光體組織，可降低硬度，改善切削加工性能，提高生產率;而對低碳鋼進行正火，可增加珠光體組織的百分含量，提高硬度，減輕切削時產生的“粘刀”現象，改善零件的表面加工質量。

切削加工過程中的一些物理現象，如切削力、切削熱等，不僅影響切削加工性能，還會產生加工硬化和切削內應力。所以，對于形狀復雜的零件，在制造過程中不只進行一次熱處理，往往需要進行多次熱處理，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到零件應有的工藝性能和使用性能，達到物盡其用，減少浪費，制造出高質量的合格零件。

5? 熱處理對零件使用性能的影響

對于機械加工完畢的零件，既使形狀尺寸表面質量都達到設計要求，也未必是一個合格的零件，還要看是否獲得其使用要求應有的內部組織和使用性能。要獲取應有的使用性能以達到設計效能應有的指標，必須用熱處理改變它的內部組織。例如：對連桿、軸類等受力情況復雜的零件，可采用調質處理獲得回火索氏體組織，從而具有強度、塑性和韌性都較好的綜合機械性能。對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粒狀碳化物及少量殘余奧氏體組織。如將未經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，還將會造成重大的生產事故，甚至人身安全事故。

6? 結語

熱處理作為一種工藝方法，其在生產中受諸多因素的影響，其工藝規范的制定和操作過程的正確實施是兩個重要的環節。熱處理工藝方法有數百種之多，是一套完整的、系統的工藝方法，工藝過程中一個細小的變化就會產生不同的結果，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，學會正確運用熱處理工藝，才能有助于掌握機械制造的全過程。只有徹底擺脫“強度不夠增大尺寸”的設計思路，正確運用熱處理手段，充分發揮金屬材料的內在潛力，才能設計制造出外型精巧，使用壽命長，成本低廉，性能高質量優的機械產品。綜上所述可知，在機械制造過程中，只有把設計—材料—制造三者有機結合起來，既注重外形尺寸與表面質量，又注重內部組織與使用性能，才能有效地提高產品的質量，獲得最佳的技術經濟效果。

參考文獻

[1] 王運炎.金屬材料與熱處理[M].北京：機械工業出版社，1984.

[2] 雷廷權，傅家.熱處理工藝方法300種[M].北京：中國農業機械出版社，1982.

[3] 羅大金.材料工程基礎[M].北京：化學工業出版社，2007.

①作者簡介：王志宏（1973，3—），男，漢族，河北香河人，本科，實驗師，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：模具設計與制造。