淺談機(jī)械制造中金屬的熱處理工藝

摘 要：隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，在生產(chǎn)制造中對(duì)金屬零件的質(zhì)量要求也相應(yīng)提高。熱處理是機(jī)械制造中一個(gè)特別重要的環(huán)節(jié)，如何做好各種機(jī)械部件及模具制造的金屬熱處理，是機(jī)械制造中非常關(guān)鍵的問(wèn)題。而在金屬熱處理工藝中，加熱、保溫及冷卻這三個(gè)過(guò)程對(duì)進(jìn)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(duì)金屬熱處理的三大基本過(guò)程進(jìn)行深入透徹的了解。文章重點(diǎn)研究了機(jī)械加工制造中金屬的熱處理工藝。

關(guān)鍵詞：熱處理；機(jī)械制造；淬火；回火

中圖分類號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）9-0150-02

汽車(chē)、農(nóng)機(jī)、化工、航天、礦山等很多行業(yè)中有70%左右的金屬零部件都需要在機(jī)械制造過(guò)程中通過(guò)進(jìn)行熱處理來(lái)改善其組織性能，從而滿足各行各業(yè)對(duì)其特殊性能的需求。金屬零部件通過(guò)熱處理改變了材料的內(nèi)部組織、表面的化學(xué)成分或使用性能等。在鐵、銅、鋼、鎂、合金等諸多金屬部件中，應(yīng)用最為廣泛的金屬材料是鋼鐵。因此，本文以鋼鐵為例來(lái)分析機(jī)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(guò)程中，首先要進(jìn)行的是對(duì)金屬的加熱。我們以A1作為臨界點(diǎn)，當(dāng)加熱在臨界點(diǎn)以下時(shí)，其內(nèi)部組織不會(huì)改變，若要獲得奧氏體組織時(shí)，此時(shí)的加熱就務(wù)必要在臨界點(diǎn)以上。由此可以看出，溫度是加熱過(guò)程中的一個(gè)重要參數(shù)。若要使熱處理的質(zhì)量得以保證就必須對(duì)加熱的溫度進(jìn)行良好的控制。由于工件在加熱過(guò)程中常常是暴露在空氣中的，為了保證經(jīng)熱處理的部件表面性能不受加熱過(guò)程中氧化、脫碳情況的影響，通常會(huì)采取一些保護(hù)措施對(duì)其保護(hù)加熱。如真空或是熔融鹽加熱等。加熱過(guò)程中熱源的選擇從最初的木炭和煤發(fā)展到氣、液等燃料，之后由于電力的發(fā)展，加之電力加熱有綠色環(huán)保，易于控制等優(yōu)點(diǎn)，以電作為熱源加熱越來(lái)越被推廣。企業(yè)可以通過(guò)自身需求選擇適合的熱源來(lái)進(jìn)行直接加熱，或是借助于某些介質(zhì)進(jìn)行間接的加熱。

1.2 保溫

部件在加熱過(guò)程中暴露在空氣里會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)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(shí)就需要進(jìn)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(shí)間的長(zhǎng)短與保溫介質(zhì)的選擇。通常來(lái)說(shuō)，部件尺寸越大其熱能的傳導(dǎo)性就越差，此時(shí)就需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)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(guò)程中最為重要的一個(gè)步驟也是最后一個(gè)步驟。由于金屬在熱處理中，經(jīng)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(guò)程，并嚴(yán)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(jìn)行整體加熱，之后再以一定的速度進(jìn)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(lái)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(jù)其金屬材料的不同以及不見(jiàn)尺寸的大小進(jìn)行不同時(shí)間的保溫，最后再緩慢冷卻。經(jīng)過(guò)退火后的部件其內(nèi)部組織能夠接近或處于一種平衡狀態(tài)，在材料硬度降低的同時(shí)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(shí)也為之后的工序做好組織準(zhǔn)備。由于不同的機(jī)械部件對(duì)其性能的需求不同，這就需要不同的工藝來(lái)滿足其需求。因此，又將退火工藝分為完全退火、去應(yīng)力退火、球化退火等。完全退火通常用作對(duì)一些部件進(jìn)行預(yù)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(jìn)行適當(dāng)?shù)谋?，之后再將其置于靜止的空氣中冷卻。金屬部件通過(guò)正火可以提高其力學(xué)性能，減少組織缺陷，更利于機(jī)械加工，同時(shí)也為后續(xù)工藝做好組織準(zhǔn)備。正火有時(shí)也作為一些部件的最終熱處理。正火較退火而言，經(jīng)過(guò)正火的部件其內(nèi)部組織更細(xì)。③淬火：是將金屬部件加熱到一定的溫度后進(jìn)行保溫，之后再將其置于淬冷介質(zhì)中進(jìn)行快速冷卻。常用的淬冷介質(zhì)有水、油、無(wú)機(jī)鹽等。不同的金屬部件對(duì)于淬冷介質(zhì)的選用也是不同的。通過(guò)淬火，使得部件的硬度大大提高，強(qiáng)度及耐磨性也增強(qiáng)。但與此同時(shí)部件的脆度也相應(yīng)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(zhǔn)備。④回火：鋼件通過(guò)淬火之后，其脆度大大增加。為了降低其脆性，可將其再進(jìn)行加熱（溫度通?？刂圃诖笥谑覝厍业陀?50 ℃之間的某一溫度），經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的保溫之后，再進(jìn)行冷卻。通過(guò)回火的鋼件，不僅具有了淬火后的硬度、強(qiáng)度、耐磨性能，其塑性及韌性也大大得以提升。常見(jiàn)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(nèi)，通過(guò)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(yīng)用較多，通常低溫回火的部件都具有高硬度、高耐磨性、內(nèi)應(yīng)力小、脆度低的特點(diǎn)。中溫回火的溫度一般控制在350～500 ℃范圍內(nèi)，通過(guò)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(yīng)用較多。通過(guò)中溫回火的部件其韌性較高，彈性極限及屈服強(qiáng)度也較高。高溫回火的溫度一般控制在500～650 ℃范圍內(nèi)，通過(guò)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(jīng)高溫回火的工藝過(guò)程也稱調(diào)制處理。在連桿、齒輪等一些重要機(jī)械部件中應(yīng)用較多。經(jīng)過(guò)高溫回火的部件，其綜合機(jī)械性能較好。也由于其具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的韌性及塑性等特點(diǎn)，高溫回火工藝較多應(yīng)用于汽車(chē)及機(jī)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(xué)性能，通常會(huì)只對(duì)工件的表層進(jìn)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(duì)金屬部件的表面加熱，因此，為了使部件的內(nèi)部不過(guò)多接受表層熱量的傳導(dǎo)，我們對(duì)熱源的選擇也是有特殊要求的。生產(chǎn)加工中通常會(huì)選擇感應(yīng)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(shí)間內(nèi)獲得較多的熱量，使溫度瞬時(shí)升高。表面熱處理有火焰加熱表面淬火熱處理、感應(yīng)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(xué)熱處理

為了使金屬工件表面的硬度、抗疲勞強(qiáng)度得到提高，并同時(shí)改善其抗氧化、抗蝕、耐磨等性能，通常會(huì)采取將金屬工件置于一些含有化學(xué)元素的化學(xué)介質(zhì)中，對(duì)其進(jìn)行加熱和保溫。通過(guò)化學(xué)熱處理，金屬工件表層的化學(xué)成分發(fā)生了變化，其組織結(jié)構(gòu)及性能也得以改善。在化學(xué)熱處理中化學(xué)介質(zhì)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(jù)介質(zhì)選用的不同，可將化學(xué)熱處理工藝分為滲氮、滲碳、滲硼、滲金屬等。

3 結(jié) 語(yǔ)

金屬的熱處理工藝作為機(jī)械制造行業(yè)中重要的一項(xiàng)工藝過(guò)程，它能夠在保證機(jī)械部件的形狀外觀、整體的化學(xué)成分不改變的同時(shí)，通過(guò)改變其內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)或表面的學(xué)成分等而使部件具有期望的物理性能、化學(xué)性能、力學(xué)性能、機(jī)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(wù)于機(jī)械制造業(yè)，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(duì)金屬物理以及其他相關(guān)新技術(shù)進(jìn)行不斷的發(fā)現(xiàn)、研究、利用，從而促使金屬熱處理工藝更好的應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[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）.