1.机械零件冷、热加工工艺与热处理工艺的区别

机械零件的加工就是把材料制备成具有一定形状尺寸和性能的制品的过程，主要指材料的成形加工、内部组织结构的控制以及表面处理等。

所有的冷加工（车、铣、刨、磨、钻、插、滚、拉、钳等）及铸造、锻造、焊接等热加工，均是以获得零件的外形、尺寸精度为主要目的的加工工艺方法，而热处理工艺基本上不塑造或改变零件的外形，仅改变材料内部组织与性能。因此，热处理工艺是提高零件的可靠性与使用寿命的重要保证。

2.热处理工艺与零件设计的关系

机械零件（工模具）的设计，包括根据零件的服役条件选择材料，确定零件的外形结构、几何尺寸、传动精度及热处理技术要求等。因此，机械零件设计与热处理工艺的关系，集中表现在零件所选用材料是否正确、对热处理技术要求是否合理及是否便于热处理工艺的实现这三个方面。

（1）正确选材 选材时，应根据零件的服役条件、失效形式找出该零件所选材料的主要力学性能指标。例如，汽车、拖拉机上的连杆螺栓，在工作时整个截面会承受均匀分布的拉应力，并且拉应力是周期变动的。在这种条件下，其除了由于强度不足引起过量的塑性变形外，还会因受周期变动的拉应力而产生疲劳断裂。因此，连杆螺栓材料应具有高的屈服强度和高的疲劳强度。应当认识到零件的实际受力条件是复杂的，同时还应考虑到短时过载、润滑不良、材料内部缺陷等因素的影响，因此力学性能指标是材料选用的主要依据。

材料的相关资料中提供的数据一般是以该材料制成的试样进行力学性能试验测得的。由于工件尺寸、形状及热处理条件不同，往往在工件截面上不能获得与试样处理状态相同的均一组织，因此实际选材时还应考虑材料的淬透性以及零件尺寸等。例如，45钢在完全淬透的情况下，其表面硬度可达58HRC以上，但实际淬火时，随着尺寸的增大，淬火后的硬度降低：在水淬情况下，当试棒直径为25mm以下时可得表面硬度在58HRC以上；当直径增大至50mm时，表面硬度下降至41HRC；当直径增大至125mm时，表面硬度仅为24HRC。

材料选择是否恰当，将关系到热处理工艺过程的全局。当工件热处理工艺所达到的性能、成本未能满足预订目标时，需要重新选择材料，而材料的变更又改变整个热处理工艺。例如，将碳素钢渗碳齿轮的热处理工艺改为调质钢感应淬火；将调质钢表面淬火主轴的热处理工艺改为渗氮钢调质后进行渗氮处理等。因此，材料与热处理工艺之间的关系是密不可分的。

（2）合理地确定热处理技术条件 合理地确定热处理技术要求是热处理正常生产、保证产品质量、降低生产成本等的前提条件，为此应考虑以下几方面的因素：

1）根据零件服役条件，恰当地提出性能要求：如确定零件硬度值时要考虑零件的工作条件和失效形式，用高速工具钢制成的冷变形模具对硬度的要求不同于刀具，适当降低硬度要求，反而延长模具的使用寿命；用40CrNi钢或35CrMo钢制成的10t大型模锻锤锤头常产生疲劳断裂，若将硬度值由241～270HBW提高到38～43HRC，其使用寿命将大幅度提高。

2）热处理技术要求只能制订在所选钢种的淬透性和淬硬性允许范围之内：要求大截面零件获得小尺寸试样的性能指标，或者要求低碳钢不经化学热处理就达到高硬度等都是不合理的。

3）显微组织的控制标准：由于零件的某些使用性能不能完全通过简单的硬度等力学性能表征出来，所以对热处理质量又提出了一些显微组织检验的要求。各种材料经不同热处理后的显微组织，可按国家标准规定的等级进行评定，在技术要求中应标明合格品应有的显微组织级别。

4）热处理技术要求应该允许有一定的热处理变形：由于零件热处理时受组织应力和热应力作用，因此热处理变形是不可避免的，应根据零件所选的钢种及几何尺寸，给予一定的变形量。这些变形量可通过随后的机加工或调整淬火前的加工尺寸等办法进行修正。

5）经济性：提出零件的热处理技术要求时应综合考虑该零件的制造成本、使用寿命等经济因素，以达到最佳的技术经济效益。

（3）恰当处理热处理件外形结构 在实际生产中，工程师们有时只注意如何使零件的结构、形状及尺寸适合部件机构的需要，而往往忽视零件在热处理过程中因结构的不合理而给热处理工序带来的不便，以致引起淬火变形甚至开裂，使零件报废。因此，在设计淬火零件的结构、形状及尺寸时，必须充分考虑淬火零件的结构、形状及各部分的尺寸与热处理工艺性的关系，应掌握以下原则：

1）避免尖角和棱角：零件的尖角、棱角部分是淬火应力最为集中的地方，往往是淬火裂纹的起点。因此，在零件结构设计时应避免尖角、棱角，并要在尖角、棱角的地方倒角，如图4-1所示。

图4-1 避免尖角、棱角的实例

2）设计时要避免厚薄悬殊（见图4-2），并且还要考虑零件对称。图4-3a所示零件截面形状不均匀，淬火后零件圆度变大，为此开一个工艺孔（见图4-3b）可减少圆度。

图4-2 避免厚薄悬殊

图4-3 开工艺孔

3）采用封闭、对称结构：零件为开口或不对称结构时，淬火时淬火应力分布不均匀，易引起变形。为了减少零件变形，应尽可能采用封闭、对称结构。

4）采用组合结构：对形状复杂或截面尺寸变化较大的零件，应尽可能采用组合结构或镶拼结构。特别细长、薄长的零件，结构上有可能拼接时，应尽量拼接。

5）轴类零件的细长比不可太大。

6）内孔要求淬硬时，应变不通孔为通孔。孔与孔之间或孔与棱边之间应有一定的距离。如有可能，在内孔底部横向钻通，以改善淬火时内孔的冷条件。

7）提高零件结构的刚性，必要时可附加加强肋。

8）热处理前零件要有一定的表面粗糙度。一般淬火零件的表面粗糙度要求不大于Ra3.2μm；渗氮零件的表面粗糙度大时，脆性增大，硬度不容易测准，一般要求为Ra0.80～0.10μm；渗碳零件表面粗糙度应不高于Ra6.3μm。另外，表面不能有较深的印痕，关键部位不能有印痕。

3.热处理工艺与铸造的关系

（1）铸造工艺对热处理质量的影响 铸钢件由于从高温液态直接在铸型中冷凝而成，因此本身往往有很多缺陷。

1）晶粒粗大：常出现粗大片状珠光体，周围有又粗又厚的铁素体网或粗大的铁素体晶粒。

2）魏氏体组织：铁素体以针状出现，脆性较大。

3）枝晶偏析，造成成分不均匀。

4）凝固和冷却的不均匀，造成内应力较大。(www.daowen.com)

以上这些缺陷的存在，使铸件的力学性能大大降低，可加工性变坏，并在随后的热处理中可能造成变形，硬度不足，甚至开裂。因此，必须在机加工前进行预备热处理，以消除组织缺陷，改善可加工性，为淬火做好组织准备。

（2）铸钢件的预备热处理 铸钢件的预备热处理一般在铸造后立即进行，但应分不同情况采取不同的预备热处理方法。

1）低碳钢一般选用正火处理，获得均匀的铁素体加细片状珠光体组织。低碳钢件一般不采用退火方式，因为退火对其可加工性不利。

2）中碳钢和合金钢一般采用完全退火或等温退火，获得铁素体加片状（或球状）珠光体组织。

这两种预备热处理的方式，都可以消除铸造中出现的粗大晶粒、网状铁素体和魏氏组织等微观缺陷和应力，大大改善铸件的可加工性，并可细化组织，为最终热处理做好组织准备，使最终热处理时组织细化，同时也减少变形开裂的倾向。

3）如果只是为了消除铸造应力，则可进行去应力退火。

4）大型铸件往往会出现枝晶偏析现象，这时可进行均匀化退火。由于均匀化退火温度较高，处理后组织变得异常粗大，因此，随后还应再进行一次完全退火或正火，细化晶粒，提高强度，改善可加工性能，为最终热处理做好组织准备。

（3）铸铁件 灰铸铁件一般要进行退火，包括消除铸件内应力的去应力退火，消除白口组织以利于切削加工的石墨化退火，以及提高铸件强度和塑性的正火处理。球墨铸铁在机加工前应进行退火，以消除内应力并均匀组织，粗加工后再淬火、回火（等温淬火、表面淬火或化学热处理等）。其强化潜力巨大，经热处理提高自身的强度后，可用于制造若干重要零件，如齿轮、曲轴等。

（4）非铁金属铸件 可按技术要求进行淬火（固溶处理）与时效处理，以满足铸件的组织性能要求。

4.热处理工艺与锻造的关系

（1）锻造工艺对热处理质量的影响 由于锻造温度较高，一般在1150～1200℃，锻后往往带有过热缺陷。这种过热缺陷由于晶内织构的作用，用一般正火的方法很难消除，因而在最终热处理后通常会留下淬火组织晶粒粗大、冲击韧度降低等缺陷。高速工具钢、高铬模具钢等含有粗大共晶碳化物，如果锻造比不足或反复锻打次数不够，则会使共晶碳化物呈严重带状、网状或大块存在，不仅不利于切削加工，而且在随后的淬火处理时易变形开裂，并影响零件的韧性。另外，锻造成形时，零件各部位变形程度不同，将在同一零件内部造成组织不均匀，如果不加以消除，在淬火中就会导致变形开裂。

因此，为了改善锻件的组织状态，为以后的淬火做好组织准备，以及降低硬度，改善可加工性，锻件必须进行预备热处理。

（2）锻件的预备热处理方法

1）碳质量分数小于0.45%的碳素钢和碳质量分数小于0.40%的低合金结构钢，应用正火方法进行预备热处理。

2）碳质量分数为0.45%～0.70%的碳素结构钢和弹簧钢，以及碳质量分数大于0.40%的合金结构钢和弹簧钢，一般应采用完全退火的方法进行预备热处理。

3）工具钢应采用球化退火的方法进行预备热处理，但若组织中有网状碳化物，则可先进行一次正火，消除网状组织，再进行高温回火，以利于切削加工。

4）对于需渗氮或高频感应淬火的小型锻件，以及合金元素含量较高的钢种，如18Cr2Ni4WA钢等退火不易软化的钢种，可采用调质处理进行预备热处理。

5.热处理工艺与焊接的关系

焊接件的热处理目的主要是去除因焊接而形成的结构应力，稳定构件的尺寸，再一个就是对焊缝处的组织缺陷进行弥补。因此，焊接成形后应进行去应力处理，如对焊接件局部有组织和性能要求的，可进行感应淬火、火焰淬火等热处理操作。

6.热处理工艺与切削加工的关系

钢可加工性的好坏与其化学成分、金相组织和力学性能有关。热处理可以改善材料的可加工性能，提高加工后的表面粗糙度，提高刀具的寿命。常用结构钢采用不同热处理工艺后的硬度、组织与机加工表面粗糙度的关系见表4-1。

表4-1 常用结构钢采用不同热处理工艺后的硬度、组织与机加工表面粗糙度的关系

为了不发生“粘刀”现象和刀具的严重磨损，硬度控制在170～230HBW时，钢具有良好的可加工性。若想进一步改善表面粗糙度，则可将硬度提高到大于或等于250HBW，但刀具将受到严重磨损，使用寿命降低。

切削加工对热处理质量也有重要影响，切削加工时的进给量大会使工件产生切削应力，导致热处理后变形严重，当切削加工后表面粗糙度值大，特别是有较深的刀痕时，常在这些地方产生淬火裂纹。为了消除因切削应力而造成的变形，在淬火之前应附加一次或数次消除应力处理，同时对进给量及切削刀痕应严加控制。

7.加工工艺路线对热处理的影响

零件加工工艺路线安排得是否合理，将直接影响热处理质量。图4-4是40Cr钢齿轮简图。该齿轮靠近齿根处有6个ϕ35mm孔，原工艺路线是成形加工后再进行高频感应淬火，结果发现高频感应淬火后靠近ϕ35mm孔处的节圆会下凹。将工艺路线修改为高频感应淬火后再钻孔，解决了这一问题。

再如图4-5所示的汽车拉条，设计要求材料为T8A钢，淬、回火硬度为58～62HRC，平面度误差为0.15mm。原工艺路线为全部加工成形后再进行淬、回火处理，结果淬火后开口处张开形成废品。将工艺路线改为先加工成图4-5中轮廓线所示封闭结构，淬、回火后再用砂轮片切割成形，减少了变形。

图4-4 40Cr钢齿轮简图

图4-5 汽车拉条简图

高频感应淬火的齿轮、长轴套、垫圈等零件，在情况允许的条件下，先高频感应淬火再加工齿轮、长轴套的内孔以及键槽或垫圈上的孔，这样可以减少变形，保证精度。

对于某些精密零件，为了减小切削加工或磨削加工造成的应力对尺寸稳定性的影响，一般在工艺路线中可穿插安排去应力处理或时效处理。