金属类零件在制造加工过程中的热处理选择和安排

6.3　金属类零件在制造加工过程中的热处理选择和安排

6.3.1　热处理在工艺路线中的位置

1.热处理在工艺路线中的位置的安排原则

按照预先热处理与最终热处理的划分，常见的最终热处理的应用及与其他加工工序的相互关系如下。

（1）经过以淬火＋低温回火为代表的最终热处理以后，零件硬度较高，除磨削外，不宜进行其他切削加工。所以最终热处理一般安排在半精加工之后、精加工之前。

（2）最终热处理可以不止进行一次，如渗氮零件、精密零件热处理等。

（3）整体淬火和表面淬火在工艺路线中的位置相同。为保证心部性能，在表面淬火前可先进行正火或调质，调质的效果更好。

（4）如果零件整个表面都要求渗碳（或碳氮共渗，以下同），对于一般渗碳件，渗碳后（指气体渗碳）进行直接淬火或进行重新加热的一次淬火，即渗碳与淬火、回火在工艺路线上是紧邻的。

（5）当零件需要进行局部渗碳时，若采用预留加工余量法，则渗碳与淬火、回火之间应安排切削加工工序，以除去不需渗碳的渗碳层，此时不能进行渗碳后的直接淬火；若采用镀铜法防渗，在渗碳前应安排镀铜工序。

（6）零件表面软渗氮和表面渗硫的减摩处理，因渗层极薄（分别为0.01～0.02 mm和不超过0.01mm），渗后不能进行任何切削加工。

（7）对某些精度要求高的零件，为防止热处理变形或尺寸不稳定，可考虑在工艺路线上增加一次或两次去应力退火处理，对精密零件甚至要进行冷处理。

（8）调质一般放在粗加工之后，半精加工之前，既利于淬透，又给后续加工留有校正余量。

2.热处理在工艺路线中的位置

根据上述原则，在机械制造中常见热处理零件的工艺路线见表6－4。

表6－4　机械制造中常见热处理零件的工艺路线

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注:①工艺路线中的（→精加工），由零件的精度及表面粗糙度要求决定有无；

②对5、6的（→切削加工），根据零件的要求，可停留在加工过程的不同阶段；

③对6、7、8、9、10、11、12、13、14、16若使用退火型材，去掉工艺路线中的“锻→退火或正火”，代之以“下料”；

④上述工艺路线只是给出某一类零件工艺路线的安排方法，使用中应根据具体零件的要求进行调整，如对一般的量具、轴承零件无须进行冷处理，可进行一次时效，有时甚至连时效也不需要。

6.3.2　钢铁普通热处理方案的选择

在零件的设计图纸上要注明热处理的工艺类别及相关的技术要求，非常重要的零件还要注明σ_b、σ_s、δ、ψ、a_K等力学性能指标。选择什么热处理工艺类别和提出什么样的要求，由实际零件的大小、形状、工作条件、材料等决定。下面针对不同目的，给出不同的热处理工艺类别和要求，可供参考，如表6－5所示。

表6－5　钢铁普通热处理方案的选择

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6.3.3　钢铁表面热处理方案的选择

几种常用表面热处理方法的比较见表6－6及表6－2。

高频淬火用于要求高硬度和耐磨性、较高疲劳强度、形状简单、变形较小及局部硬化的零件，如轴、机床齿轮，材料多为中碳钢或中碳合金钢，大批生产时成本低。

渗碳用于耐磨性要求高（高于高频淬火）、重载和很大冲击载荷的复杂零件，如汽车拖拉机齿轮、轴等，成本较高，材料多为低碳钢或低碳合金钢。

表6－6　几种常用表面热处理的比较

碳氮共渗用于耐磨性要求高（高于渗碳）、中等或较重载荷和承受冲击负荷的零件，生产周期比渗碳短，成本较高，材料同渗碳钢。

软渗氮用于要求减摩、疲劳强度高、变形小的中碳钢及中碳合金钢零件和高合金钢制造的模具、刀具等零件，成本较高。

渗氮的生产周期长，使得成本高，主要用于要求非常耐磨、疲劳强度高、变形小的精密零件，如轴、丝杠等，材料多为含Cr、Mo、Al等氮化物形成元素的钢，如38CrMoAl。

6.3.4　非铁合金热处理方案的选择

1.铝及铝合金

铸造铝合金进行退火是为了消除铸造时产生的偏析及内应力，使组织稳定，提高塑性。这种退火一般是均匀化退火，退火温度取决于铝合金种类。若是时效强化的铸件，无须专门进行退火，因为淬火加热就会使铝合金成分均匀和消除内应力。

变形铝合金在用冷变形方法形成零件时会发生加工硬化，需要在一次或几次变形后进行再结晶退火。对热处理不能强化的变形铝合金（如防锈铝等），为保持加工硬化后的效果，只进行去应力退火，退火温度低于再结晶退火。硬铝、超硬铝、锻铝这三种变形铝合金及除ZAlSi12、ZAlMg10以外的铸铝合金，都可进行时效强化。

2.铜及铜合金

工业纯铜和铜合金的热处理与防锈铝类似，冷变形后或者进行再结晶退火，或者进行去应力退火。此外，普通黄铜（wZn＞7%）冷加工后在潮湿的大气中、在含有氨气的大气或海水中易产生应力腐蚀而开裂，因此，对这种黄铜在冷加工后必须进行200～300℃的去应力退火。铍青铜可进行时效强化处理，通常在氩或氢气的保护环境下经800℃水淬，350℃、2h人工时效后，具有极高的强硬度和弹性极限。

6.3.5　零件的热处理工艺性

1.热处理技术要求的标注

大量数据表明，硬度与强度等力学性能有一定对应关系，从硬度值即可推测出材料强度的高低。由于测试硬度简单方便，又不损害工件，所以硬度是零件热处理后最主要的检验指标，只有少数重要的零件（如枪械上的零件）才检验其他力学性能。因此，硬度要求是零件热处理最重要的技术要求之一。

图样上的“热处理技术要求”要写明材料工艺类别、硬度要求，如渗碳、高频淬火、渗氮等。对于整体淬火，可以写“淬火、回火58～62HRC”或“热处理58～62HRC”或简写成“淬火58～62HRC”。金属热处理工艺的代号写法也可参照GB/T 12603—1990。一般情况下，图样上不注明热处理工艺的具体细节。

图样上提出的硬度范围为:HRC在5个单位左右，HBS在30～40个单位范围。标注HRC时，在高硬度范围内可以小一些，如60～63HRC、62～65HRC是在4个单位内变动；在其他的硬度范围内，可在5～6个单位内变动，如40～45HRC，即在6个单位范围内变动。图样上不允许提出诸如46HRC、237HBS这样的准确要求，因为工艺及操作上不能保证。

对于表面热处理，要提出硬化层深度（如高、中频淬火等）和渗层深度（如渗碳等）要求。

“热处理技术要求”标注在标题栏上方、标题栏中或图样的右上角均可。热处理技术要求要健全、明确。

整体热处理与局部热处理标注实例如图6－3所示。

2.热处理工艺性

零件的热处理工艺性即在对零件进行结构设计时，要考虑其热处理的工艺性如何，以及这样的零件结构对零件使用性能的影响。它要解决三个问题:一是零件的结构要使热处理易于进行；二是零件结构有利于减少变形，防止开裂；三是零件结构使零件不会发生早期失效，具有较长的寿命。良好的结构设计在满足使用性能的同时，还要满足成形、热处理、机加工等工艺性的要求。为使零件的结构既易于进行热处理，又有利于减少热处理变形和防止开裂，故设计中应注意以下几个问题。

图6－3　热处理零件图标注实例

1）避免零件的厚薄悬殊

厚薄悬殊的零件，淬火时冷却不均匀，容易变形、开裂，使用寿命也低，如图6－4所示。改进的办法是修改设计。

2）避免尖角

零件的尖角易使淬火应力集中，从而导致淬火裂纹。应尽量将尖角改成圆角或倒角，零件不仅在淬火时不易开裂，在工作条件下应力集中也小，寿命较长，如图6－5所示。

图6－4　零件截面厚薄不同的几个实例

图6－5　避免尖角实例

3）采用封闭和对称结构

开口和不对称的零件淬火时变形非常大，故应改成封闭或对称的结构。如图6－6所示的弹簧卡头在铣床切槽时，在带锥端的尖角处要留下5～6mm，留待淬火回火后再切口。图6－7所示为镗杆某一截面，原设计只在一侧有键槽，渗氮后变形大；在另一侧对称地开了同样大小的键槽以后，使镗杆渗氮变形大为减小。

图6－6　弹簧卡头

图6－7　镗杆某一截面

4）采用组合结构

对于大型、复杂且有尖角的零件或是对不同部位的性能要求不同的零件，应采用组合结构，这不但可以避免变形、开裂，也简化了切削加工，明显提高了零件寿命。图6－8所示为硅钢片落料凸模，淬火后①、③两脚间尺寸变大；改进为由四块拼成，避免了变形。

5）合理布置孔洞位置

零件上孔洞位置安排不当，淬火时由于冷速不均匀，也会引起变形甚至开裂。如图6－4（d）所示，指出了孔洞相对零件的尺寸要求，图6－9所示为孔洞排布好与不好的例子。

图6－8　凸模

图6－9　凹模

图6－10　冲孔凸模

6）设置工艺孔

当零件截面无法避免厚薄悬殊时，在结构或功能许可的条件下可以设置热处理工艺孔，使零件淬火冷却均匀，减少变形。图6－4（a）、（c）所示为设置工艺孔的例子。

7）采用局部淬火或整体淬火

对长杆或薄片类零件若采用局部淬火就可满足要求时，不应提出整体淬火的要求。这是因为局部淬火的变形很小。相反，对较短的零件或三维尺寸接近的零件，若整体淬火能满足要求，不应要求局部淬火或要求两个甚至三个硬度（很难实施与保证），但高频淬火例外。图6－10所示的冲孔凸模，材料为GCr15，要求硬度为58～62 HRC。整体淬火后沿固定端的砂轮越程槽处开裂；改为在下端刃口处局部淬火，避免了开裂。

考虑零件的热处理工艺性时切忌绝对化。如果零件的结构是合理的、必须的，那么，热处理工艺性应服从零件结构的总体要求。例如冲孔、落料凹模，要求制件必须有尖角时，模具上的尖角就是合理的。如果零件的结构可以变动或允许局部的修改，那么，零件的结构一定要服从热处理工艺性的需要。

高频感应加热的热处理结构工艺性有特殊要求，可参阅有关专著。

3.减小零件热处理变形和防止开裂的方法

常见的热处理缺陷有变形与开裂、过热与过烧、氧化与脱碳等。热处理变形与开裂的根本原因是工件受不均匀加热和冷却所形成的热应力及相变应力所致。热处理开裂是不可弥补的缺陷，必须杜绝；而热处理变形则尽可能减小。一般从材料选择，工艺及结构设计上采取措施来减小或防止。

1）选材

选屈服强度较高、且淬透性好的合金钢，可采用缓和的淬火介质进行冷却，降低了零件的内应力，显著减少了零件的变形与开裂倾向。图6－11所示为凸凹模原用CrWMn钢，采用各种方法淬火后，因202尺寸膨大而报废；更换空冷微变形钢Cr12MoV后，经空冷淬火，其变形在要求的范围之内。

2）预留加工余量

大多数情况下，若热处理变形不是很大，用后续的精加工消除变形是许可的。此时并不刻意追求小变形、微变形。那么，在热处理前的半精加工就要预留余量，余量必须大于变形量。调质件、轴、套、环，渗碳件的加工余量可查阅有关金属切削手册或热处理手册。

3）按变形规律调整切削加工尺寸

对变形要求严格的零件，可在热处理后统计出这个零件相应的变形规律，据此在淬火前的半精加工中调整这个尺寸，利用变形刚好达到设计要求。

图6－12所示为凸凹模镶块，材料为CrWMn钢，淬火后孔距要变大。为此，淬火前将孔距镗成，淬火以后该尺寸涨大0.06～0.08mm，使预留偏差与热处理的变形相抵消，正好符合图样要求。

图6－11　凸凹模

图6－12　凸凹模镶块

图6－13　塔形齿轮

4）合理安排工艺路线

如果热处理工序在工艺路线中的位置安排不当，零件有可能因变形而报废。图6－13所示为塔形齿轮，轮辐上有6个孔靠近齿根。若先加工出孔再高频淬火，近孔部位齿节圆下凹；若改为先对轮齿高频淬火，后加工6个孔，可避免节圆变形。

精密零件为减少变形，可在工艺路线的适当位置安排消除应力处理或时效处理。

5）降低零件表面粗糙度

降低零件敏感部位的表面粗糙度值，可减少甚至完全避免零件沿外表面过深刀痕处的开裂。轴承套圈淬火时就有沿加工粗糙的外圆周走向开裂的例子。

6）合理的锻造和热处理

合理的锻造使工具钢的冶金质量获得改善，随后热处理时变形小而均匀，对高碳高合金钢（如Cr12型模具钢等）尤为重要。合适的预先热处理可减少变形，如模具零件采用调质处理有时比球化退火好。采用双介质淬火、分级淬火或等温淬火及分段加热等，也是常用的减少变形和开裂的措施。

7）修改技术条件

对某些易变形工件，可在使用性能要求许可的条件下，降低对热处理变形或开裂敏感部位的尺寸公差或形位公差的要求，从而大幅度提高零件的合格率。中、低合金钢尤其是碳钢的零件，如既对变形要求很严、又对硬度要求很高时，必须采用剧烈的介质冷却，此时对硬度和变形的要求加以兼顾是较为困难的。若将硬度降至35 HRC以下，可将毛坯（或先经粗加工）先调质再切削加工，既保证了技术要求，又完全避免了变形的后顾之忧。这种办法对易开裂零件也很有效。

8）采用先进设备式特种加工方法

采用坐标磨或特种加工（如电火花加工等）方法，零件可以在高硬度状态下进行加工，使很多零件的变形问题得到彻底解决。如图6－10所示的凸凹模，对两孔距的公差要求很高，采用钻孔（坐标镗，留余量）→淬火、回火→坐标磨的方法，使孔距尺寸公差很容易得到保证。