探討金屬材料的熱處理對機(jī)械設(shè)計的影響

耿子淳

摘? ?要：對金屬材料進(jìn)行熱處理，可使金屬材料的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能達(dá)到最佳狀態(tài)，卻不改變金屬材料的形狀、組成。對金屬材料的熱處理和機(jī)械設(shè)計展開了討論，簡述了熱處理工藝的發(fā)展，詳細(xì)介紹了常見的金屬材料熱處理工藝類型，結(jié)合實(shí)際分析了金屬材料熱處理工藝對機(jī)械設(shè)計的影響。

關(guān)鍵詞：金屬材料;熱處理;機(jī)械設(shè)計;影響

熱處理是一種非常有效的金屬材料處理方法，在機(jī)械加工中非常常見。之所以進(jìn)行熱處理就是為了使金屬材料能夠滿足加工需求，從而生產(chǎn)出工藝合格的機(jī)械產(chǎn)品。但是，金屬材料的熱處理工藝既有優(yōu)點(diǎn)，又存在一定的缺點(diǎn)，影響機(jī)械設(shè)計、加工的效率。對此，需正確看待金屬材料熱處理工藝。只有這樣才能充分發(fā)揮出熱處理工藝的優(yōu)勢。

1? ? 熱處理工藝簡介

金屬材料的熱處理可分為加熱、保溫、冷卻3個階段。早在幾千年前，我國就已經(jīng)出現(xiàn)了金屬材料熱處理工藝。隨著社會的進(jìn)步，金屬材料熱處理工藝在不斷成熟、完善。尤其是加熱源的發(fā)展。第一次工業(yè)革命時期，主要是以木炭、石油為燃料。后來，演變成為以氣體燃料、液體燃料為主。現(xiàn)如今，隨著電力的發(fā)展，電力又成為新的加熱源[1]。這種熱處理方式產(chǎn)物無污染，還能有效保護(hù)環(huán)境。依據(jù)機(jī)械設(shè)計的要求，靈活控制金屬熱處理過程，尤其是在工業(yè)發(fā)展迅速的背景下，機(jī)械產(chǎn)品的種類多樣化。這就需要采用不同的熱處理方式，對金屬材料進(jìn)行處理。由此可見，深入研究金屬材料熱處理對機(jī)械設(shè)計的影響是非常有必要的。

2? ? 金屬材料的熱處理方式

2.1? 正火

正火是一種處理鋼材韌性的熱加工工藝，一般作為中間熱處理工序。通過正火處理可以提升金屬材料的加工性能，使金屬材料達(dá)到滿意的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)[2]。

正火的應(yīng)用范圍主要包括：（1）用于低碳鋼。經(jīng)過正火的低碳鋼，韌性、硬度都比較好。在切削加工預(yù)處理中，可以采用這種方法。（2）用于中碳鋼的最后一環(huán)熱處理工作中。（3）用于工具鋼、滲碳鋼等。經(jīng)過正火后，工具鋼、滲碳鋼的網(wǎng)狀碳化物減少。（4）用于鑄鋼。經(jīng)過正火處理后的鑄鋼鑄態(tài)組織會更加精細(xì)，能有效改善切削加工性能。（5）可用于大型鍛件的最后熱處理，避免大型鍛件出現(xiàn)開裂傾向。由以上5點(diǎn)可以看出，正火主要可以用于預(yù)先熱處理、淬火準(zhǔn)備及最終熱處理。

2.2? 退火

退火是指在緩慢加熱金屬達(dá)到一定溫度后，保持一定的時間，使其以特定的速度冷卻。這樣既能降低金屬材料的硬度、改善切削加工性能，又能消除殘余應(yīng)力，減少金屬材料的加工變化。最重要的是能細(xì)化晶粒，消除金屬材料的缺陷。

從退火目的來考慮，退火還可分為完全退火、不完全退火、等溫式退火、均勻化退火、球化退火、去應(yīng)力式退火。其中，完全退火、球化退火多用于鋼。不完全退火主要用于低合金鋼鍛軋件、高碳鋼等，可細(xì)化組織、降低硬度。等溫式退火可用于鋼、非鐵合金。均勻化退火用于白銅、鎂合金等。去應(yīng)力式退火主要用于毛坯件及經(jīng)處理過的切削加工零件，能有效消除毛坯件、零件的殘余應(yīng)力，從而使其在加工、使用過程中不會發(fā)生形變、裂紋等問題。

2.3? 淬火

淬火主要是將金屬材料加熱到臨界溫度以上，保持一定的時間后，再以大于臨界冷卻速度進(jìn)行冷卻。需要注意的是，在冷卻過程中，可利用冷卻介質(zhì)實(shí)現(xiàn)金屬材料驟降至室溫。這種工藝方法早在古代就有所應(yīng)用。隨著社會的發(fā)展，淬火逐漸被應(yīng)用在各種齒輪、軸承等耐磨器具的加工中。

從淬火的定義來看，淬火包括加熱、保溫、冷卻3個環(huán)節(jié)。在不同的環(huán)節(jié)中，需依據(jù)金屬材料特性合理選擇工藝參數(shù);同時，還應(yīng)結(jié)合金屬材料特點(diǎn)，合理選擇淬火方式。常見的淬火方式有單介質(zhì)淬火、雙介質(zhì)淬火、分級淬火、等溫淬火、感應(yīng)淬火、噴霧淬火、自冷淬火等。需要注意的是，淬火雖然能提高金屬材料的硬度，使金屬材料組織的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，但是，淬火處理也有一定的缺點(diǎn)，比如金屬材料冷卻過快，會使金屬材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。而內(nèi)應(yīng)力對機(jī)械設(shè)計的影響非常大，不僅容易造成機(jī)械構(gòu)件物理性狀的扭曲、變形，還會造成機(jī)械構(gòu)件的開裂。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，需靈活選擇淬火方式。

2.4? 回火

回火多是在淬火后進(jìn)行，主要處理內(nèi)容是將金屬材料加熱到Ac1以下的某個溫度，并保持一定的時間，再將其冷卻到室溫。通過回火，能有效消除金屬材料在淬火處理中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、穩(wěn)定金屬組織、改善金屬材料的加工性能，從而使金屬材料達(dá)到最佳加工狀態(tài)。

回火可分為高溫回火、低溫回火、中溫回火3種方式。其中，高溫回火可用于齒輪、軸類等零件的處理。中溫回火可用于鍛模、沖擊等工具的處理，有效提高金屬材料的力學(xué)性能。低溫回火主要用于模具、刃具、滾動軸承等的處理，不僅能提高材料的硬度、耐磨性，而且還可以降低淬火的殘余應(yīng)力。通過回火，還能使金屬組織轉(zhuǎn)為回火馬氏體、回火托氏體等。

2.5? 其他熱處理方式

除上述幾種的熱處理方式，還有化學(xué)熱處理方式、表面熱處理方式等，如滲碳、滲氮等處理方式。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬材料的熱處理工藝種類也會不斷豐富。

3? ? 對機(jī)械設(shè)計的影響

機(jī)械設(shè)計的主要流程包括明確設(shè)計任務(wù)、設(shè)計方案、技術(shù)設(shè)計、編寫技術(shù)文件。其中，最為關(guān)鍵的就是方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計。在方案設(shè)計中，主要考慮機(jī)械產(chǎn)品的使用要求，運(yùn)用現(xiàn)有的技術(shù)，確定機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，并繪制原理工作圖。技術(shù)設(shè)計的主要內(nèi)容是確定機(jī)械產(chǎn)品的構(gòu)件尺寸，并計算構(gòu)件的載荷，確定構(gòu)件尺寸，最終完成機(jī)械產(chǎn)品的總裝配圖。

需要注意的是在構(gòu)件設(shè)計中，重點(diǎn)考慮熱處理要求。比如若需要高耐磨性、綜合力學(xué)性能較好的材料，就需要切實(shí)考慮金屬材料特性，并合理選擇熱處理工藝。只有這樣才能保證機(jī)械設(shè)計的科學(xué)性。

3.1? 負(fù)面影響

金屬材料熱處理有可能造成工件缺陷，影響機(jī)械設(shè)計的質(zhì)量。常見的缺陷有裂紋、變形、殘余應(yīng)力、脆性等。在這些缺陷中危害最嚴(yán)重的有裂紋、變形。以裂紋為例，最常見的是淬火裂紋，其次是回火裂紋、加熱裂紋。以變形為例，最常見的就是淬火變形。若要解決這類缺陷，就應(yīng)合理設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，尤其是產(chǎn)品的截面尺寸、圓角過渡、形狀。同時，還應(yīng)合理安排熱處理工藝路線。若是形狀比較復(fù)雜，且對精度要求高的構(gòu)件，在淬火前應(yīng)先進(jìn)行去應(yīng)力退火。

鑒于這種負(fù)面影響，在機(jī)械設(shè)計之初，設(shè)計人員就應(yīng)切實(shí)考慮金屬材料的熱處理缺陷，并制定有效的防范措施。以齒輪加工為例，在齒輪設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)考慮齒輪截面的變化均勻、對稱，從而有效應(yīng)對齒輪熱處理過程中的熱應(yīng)力集中傾向。同時，還應(yīng)合理設(shè)計齒輪熱處理的冷卻速度、冷卻時間等參數(shù)，有效控制齒輪的熱處理變形。在設(shè)計中應(yīng)盡量保證齒輪輪輻、輪緣等部位截面尺寸的均勻。總的來說，在齒輪設(shè)計中，應(yīng)切實(shí)考慮齒輪結(jié)構(gòu)的對稱性、均勻性，并采取有效的措施控制其變形，從而減少熱處理對機(jī)械設(shè)計的影響。

3.2? 積極影響

熱處理工藝的最大優(yōu)勢就是可以改變金屬材料的性能，滿足機(jī)械設(shè)計的要求。經(jīng)過熱處理，金屬材料會出現(xiàn)一定的缺陷，但是這些缺陷是可以預(yù)防和處理的。

通過有效熱處理可以改變金屬組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升金屬材料的使用性能，從而最大限度地發(fā)揮金屬材料的潛力，滿足各種機(jī)械產(chǎn)品加工的需求。以鋼為例，通過正火將鋼加熱到臨界溫度Ac3以上，再保溫、冷卻，就可以增加組織中的珠光體量、細(xì)化晶粒、改善鋼的組織結(jié)構(gòu)，并有效消除鋼的殘余應(yīng)力。通過鋼的淬火，可以得到硬度耐磨性較強(qiáng)的馬氏體組織。具體以GCr15軸承鋼制造軸承的熱處理為例，在預(yù)備熱處理環(huán)節(jié)，通過正火細(xì)化晶粒、消除網(wǎng)狀碳化物。同時，通過球化退火，提高材料的韌性，并降低材料的硬度。在淬火處理中，選擇830 ℃左右的高溫進(jìn)行加熱，提升Cr的溶解度，控制晶粒直徑。最后，對經(jīng)淬火處理后的產(chǎn)物進(jìn)行冷處理，獲得馬氏體組織，再進(jìn)行低溫回火，保持材料的高硬度，消除材料的殘余應(yīng)力。對于金屬材料來說，通過有效的熱處理，能使金屬材料獲得更好的加工性能。就目前來說，熱處理工藝已經(jīng)成為機(jī)械加工中的必要措施。由此可見，只有正確認(rèn)識熱處理工藝對機(jī)械設(shè)計的影響，才能靈活應(yīng)用熱處理工藝，提升金屬材料的加工質(zhì)量。

4? ? 結(jié)語

金屬材料的熱處理工藝具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。不僅能提升機(jī)械設(shè)計的水平，還能促進(jìn)機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展。可以說，金屬材料的熱處理是機(jī)械行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。機(jī)械設(shè)計人員應(yīng)正確認(rèn)識金屬材料的熱處理，并結(jié)合機(jī)械設(shè)計內(nèi)容，靈活應(yīng)用熱處理工藝。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李志敏.試論金屬材料和熱處理工藝的相關(guān)性[C].北京：中國教育發(fā)展戰(zhàn)略學(xué)會，2018.

[2]齊天峰，王謝濤，王宇航.基于金屬材料的熱處理對機(jī)械設(shè)計的影響[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018（32）：73.