热处理在机械制造过程中的作用
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摘 要：热处理是研究金属材料成分—组织—性能之间内在规律的现代学科。在机械制造中，热处理作为一种工艺方法，其作用是改变零件的内部组织结构，获得零件应有的使用性能，改善零件的工艺性能，充分发挥金属材料的内在潜力，提高产品质量，延长零部件使用寿命，减轻重量，节约材料，降低成本。
关键词：机械制造 工艺方法 热处理 使用性能
中图分类号：TG161 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）04（b）-0069-02
机械产品质量的标志主要是效能、寿命和重量。效能是设计的目的，而零件获取应有的效能靠机械制造工艺来实现。众所周知，在机械制造过程中，大多数机械零件是先经过铸造、锻压和焊接等成型工艺，获得具有一定形状尺寸和内在质量的毛坯（或半成品），然后再经过车、铣、刨、磨、镗等切削加工工艺，才能得到零件设计要求的外观尺寸和表面质量（精度、表面粗糙度），而零件在服役中满足设计效能的内在质量（内部组织、使用性能）必须经过热处理才能获得。在现代机床制造中60%～70%的工件需要热处理，在汽车、拖拉机工业中占70%～80%，而各种工具、模具、量具和轴承等则几乎100%要进行热处理，所以，热处理在机械制造过程中有举足轻重的作用。
1 热处理是机械制造中的一种工艺方法
热处理是研究金属材料成分—组织—性能之间内在规律的、完整的、独立的现代学科。什么是热处理呢？广义地说，就是使固态金属通过加热、保温、冷却的方法，以改变其内部组织结构，从而获得预期的性能，其中包括力学性能、工艺性能、物理性能和化学性能等。
在机械制造过程中，热处理不直接改变零件的形状、尺寸和表面质量，旨在改善金属的内部组织结构，获取零件设计效能应有的内在质量和使用性能。所以说它是保证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，还是挖掘材料潜力、提高零件使用寿命、减轻零件重量的有效途径，从而直接影响零件制造的质量、效率和成本。可见，热处理和铸造、锻压、焊接、切削加工等工艺方法一样，都是机械制造中必要的生产工艺过程，在机械制造过程中选对、用好热处理工艺，充分发挥热处理的作用，对机械制造全过程有重要的指导意义。
2 热处理工序在机械制造工艺中的位置
在机械制造过程中，根据热处理的目的和工序位置不同，热处理可分为预先热处理和最终热处理两大类。
⑴预先热处理包括退火、正火、调质、时效处理等，其工序位置一般均安排在毛坯生产之后，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与内应力;调整硬度改善切削加工性能;细化晶粒改善组织，为后续工序和最终热处理做好组织准备。
⑵最终热处理包括淬火、回火，表面热处理，渗碳、氮化等化学热处理，其工序位置常比较靠后，一般均安排在半精加工之后，精加工之前。最终热处理常依据零件对性能要求的不同而具体实施，因而其目的也各不相同，宗旨是满足零件的组织要求和使用性能要求。
⑶对于有些高精密或特殊要求的零件，最后还要增加辅助热处理工序，如冷处理、时效处理、蒸汽处理、喷丸处理等，以满足零件的特殊要求。
3 热处理对零件毛坯质量的影响
铸造、锻压和焊接是应用较为广泛的毛坯成型方法，这些成型工艺过程的特点，决定了毛坯成型后都会或多或少地存在一些缺陷，而这些缺陷又是在成型工艺过程中无法避免和消除的。缺陷的存在，降低了毛坯件的性能和质量，尤其是内应力，还会造成毛坯件产生变形和开裂。
退火和正火是消除毛坯缺陷最常用、最有效的方法。例如：铸锭、铸件中的成分偏析，可用扩散退火达到均匀化，此后再进行一次完全退火或正火细化晶粒;铸件中的白口组织和硬皮，可用软化退火或石墨化退火;降低中碳钢及合金结构钢锻件的硬度，可用完全退火或等温退火;消除冷压力加工过程中产生的加工硬化可用再结晶退火;对铸件、锻件、焊接件的内应力可使用去应力退火等。通过热处理消除毛坯中的缺陷，改善组织和性能，为后续工序做好了准备。
4 热处理对零件切削加工性能的影响
金属的切削性能是对材料多方面的综合评价，常由刀具耐用度、切削力的大小、切削热的高低、切屑形状与排出、加工表面质量等多个指标来衡量。影响金属切削性能的主要因素是材料的化学成分、物理性能、内部组织和力学性能，当制造零件的材料选定后，其化学成分和物理性能不再改变，切削加工性能将主要由零件的内部组织和力学性能来决定，而热处理是能够同时改变金属材料内部组织和力学性能的唯一方法，故其是改善零件切削加工性能的重要手段。
当金属材料的强度和硬度较高时，则其加工时的切削力大、切削温度高、刀具磨损快;而当金属材料的塑性和韧性较好时，断屑困难、不易获得好的表面质量。普遍认为金属材料的硬度在HBS160～230为最佳的切削范围，例如，对高碳钢进行球化退火，获得粒状珠光体组织，可降低硬度，改善切削加工性能，提高生产率;而对低碳钢进行正火，可增加珠光体组织的百分含量，提高硬度，减轻切削时产生的“粘刀”现象，改善零件的表面加工质量。
切削加工过程中的一些物理现象，如切削力、切削热等，不仅影响切削加工性能，还会产生加工硬化和切削内应力。所以，对于形状复杂的零件，在制造过程中不只进行一次热处理，往往需要进行多次热处理，常常把热处理工序穿插安排在切削加工过程中，只有冷、热加工工序合理搭配，才有利于以最低的制造成本达到零件应有的工艺性能和使用性能，达到物尽其用，减少浪费，制造出高质量的合格零件。
5 热处理对零件使用性能的影响
对于机械加工完毕的零件，既使形状尺寸表面质量都达到设计要求，也未必是一个合格的零件，还要看是否获得其使用要求应有的内部组织和使用性能。要获取应有的使用性能以达到设计效能应有的指标，必须用热处理改变它的内部组织。例如：对连杆、轴类等受力情况复杂的零件，可采用调质处理获得回火索氏体组织，从而具有强度、塑性和韧性都较好的综合机械性能。对于要求高硬度和良好耐磨性的工具、模具，最终热处理常采用淬火和低温回火，以获得回火马氏体和细粒状碳化物及少量残余奥氏体组织。如将未经过任何热处理的工具、模具直接投入使用，这不仅要造成人力、能源、资源的巨大浪费，还将会造成重大的生产事故，甚至人身安全事故。
6 结语
热处理作为一种工艺方法，其在生产中受诸多因素的影响，其工艺规范的制定和操作过程的正确实施是两个重要的环节。热处理工艺方法有数百种之多，是一套完整的、系统的工艺方法，工艺过程中一个细小的变化就会产生不同的结果，绝不是什么简单地加加热、变变色。只有全面掌握热处理原理，学会正确运用热处理工艺，才能有助于掌握机械制造的全过程。只有彻底摆脱“强度不够增大尺寸”的设计思路，正确运用热处理手段，充分發挥金属材料的内在潜力，才能设计制造出外型精巧，使用寿命长，成本低廉，性能高质量优的机械产品。综上所述可知，在机械制造过程中，只有把设计—材料—制造三者有机结合起来，既注重外形尺寸与表面质量，又注重内部组织与使用性能，才能有效地提高产品的质量，获得最佳的技术经济效果。
参考文献
[1] 王运炎.金属材料与热处理[M].北京：机械工业出版社，1984.
[2] 雷廷权，傅家.热处理工艺方法300种[M].北京：中国农业机械出版社，1982.
[3] 罗大金.材料工程基础[M].北京：化学工业出版社，2007.
①作者简介：王志宏（1973，3—），男，汉族，河北香河人，本科，实验师，研究方向：模具。
薛子闯（1987，5—），男，汉族，河南南阳人，本科，助教，研究方向：模具设计与制造。
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