機械制造過程中熱處理方法及應(yīng)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(tài)發(fā)生變化，從而改變其性能，使其能更好的應(yīng)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(jīng)開始被人類應(yīng)用于機械加工中，隨著科技的發(fā)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(yīng)用實踐。

關(guān)鍵詞：熱處理;機械加工;應(yīng)用實踐

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對機械制造產(chǎn)品的性能和設(shè)計要求也隨之提高，熱處理作為機械加工中必不可少的環(huán)節(jié)，可以使機械產(chǎn)品達到高精度的工藝要求，并且提高產(chǎn)品的綜合性能，滿足用戶的要求。鋼作為機械制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的材料，熱處理后能達到成品要求的最佳力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能。本文將對鋼常見的熱處理方法以及應(yīng)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(yè)中需要根據(jù)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(yīng)式退火。退火爐退火和熱管式退火設(shè)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(yīng)式退火設(shè)備相對復(fù)雜，優(yōu)點是節(jié)能環(huán)保，能夠?qū)ν嘶鹬芷谶M行跟蹤控制，且周期短，缺點是設(shè)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(jié)省成本。對于復(fù)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(zhì)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(zhì)一般有水、鹽、油、空氣等?？焖倮鋮s使鋼件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)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(jù)冷卻方法不同分為單液淬火、雙介質(zhì)淬火、馬氏體分級淬火和貝氏體等溫淬火。單介質(zhì)淬火最簡單，因此應(yīng)用比較廣泛。由于制造業(yè)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(fā)展。一些高能密度淬火辦法優(yōu)于其他熱處理辦法，被應(yīng)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(nèi)應(yīng)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(zhì)中冷卻。其作用主要是消除淬火產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)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?；鼗鸱譃榈蜏鼗鼗?、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(jù)回火脆性選擇適合的回火溫度。

（五）調(diào)質(zhì)

淬火后的零部件，選擇高溫回火，可以消除內(nèi)應(yīng)力，提高力學(xué)性能，一般機械中的重要零部件如軸都需要調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)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(xiàn)良好。具有優(yōu)秀綜合性能的鋼件被稱作調(diào)質(zhì)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(nèi)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(nèi)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(qū)別主要在于加熱的能源，其中包括電磁感應(yīng)、火焰、電接觸以及電解質(zhì)加熱。隨著要求的提高，出現(xiàn)了電子束和激光加熱[2]。小批量生產(chǎn)和零部件的維修一般采用火焰加熱表面淬火，批量生產(chǎn)則更多選用電磁感應(yīng)和電解質(zhì)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(zhì)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(yīng)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(jù)滲碳介質(zhì)不同進行區(qū)分，早期，工業(yè)使用固體滲碳介質(zhì)，不易滲碳，便出現(xiàn)液體和氣體滲碳介質(zhì)，氣體滲碳從轉(zhuǎn)筒爐發(fā)展到連續(xù)式氣體滲碳爐，到高溫氣體滲碳爐，到現(xiàn)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(fù)雜的化學(xué)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(xué)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(yīng)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(jīng)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(chǎn)生不同的變化。這種有計劃的使材料在常溫或者設(shè)置的溫度內(nèi)存放產(chǎn)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(wěn)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(wěn)定。

（十）法蘭發(fā)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(fā)黑處理。

二、熱處理方法在機械制造中的應(yīng)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(yīng)用中，一種熱處理方法并不能達到理想的效果，應(yīng)該根據(jù)具體部件的性能需要，選擇一種或者多種熱處理方法結(jié)合。并且需要根據(jù)機械加工工藝的順序安排合理的熱處理方法。

結(jié)束語：

熱處理方法從人類未進入工業(yè)文明已經(jīng)被廣泛應(yīng)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(yīng)用[J]. 科學(xué)與財富， 2012（6）：405-405.

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

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