熱處理是機(jī)械加工之前或之后的一種加工操作選擇。為什么要使用一種方法而不是另一種方法？CNC加工前和CNC加工后熱處理工藝都很常見(jiàn)，并且都具有特定的優(yōu)點(diǎn)和注意事項(xiàng)。您選擇的金屬熱處理和機(jī)加工順序可能會(huì)影響零件的材料特性、機(jī)加工工藝和公差。

CNC加工前的熱處理

優(yōu)點(diǎn)

選擇經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的金屬確實(shí)有一些優(yōu)點(diǎn)。使用硬化金屬，您的零件可以保持更嚴(yán)格的公差，并且由于可以輕松獲得經(jīng)過(guò)預(yù)熱的金屬，因此采購(gòu)材料變得更加容易。而且，如果等到機(jī)械加工后，熱處理又會(huì)在生產(chǎn)過(guò)程中增加另一個(gè)耗時(shí)的步驟。

缺點(diǎn)

使用已經(jīng)過(guò)熱處理的材料會(huì)影響加工（較硬的材料需要更長(zhǎng)的加工時(shí)間，并且刀具磨損更快，這會(huì)增加加工成本）。根據(jù)所采用的熱處理類型以及材料受影響的表面深度，如果切掉材料的硬化層，那么您首先就會(huì)違背使用硬化金屬的目的。加工過(guò)程也有可能產(chǎn)生足夠的熱量來(lái)增加工件的硬度。某些材料（例如不銹鋼）在加工過(guò)程中更容易出現(xiàn)加工硬化，因此需要格外小心以防止這種情況發(fā)生。

熱處理后數(shù)控加工

優(yōu)點(diǎn)

另一方面，加工后熱處理可以讓您更好地控制工藝過(guò)程。熱處理有多種類型，您可以選擇使用哪種熱處理來(lái)獲得所需的材料特性。機(jī)加工后的熱處理還可以確保零件表面的熱處理效果一致。對(duì)于經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理的材料，熱處理可能僅影響材料到一定深度，因此機(jī)械加工可能會(huì)去除某些地方的硬化材料，而不會(huì)去除其他地方。

缺點(diǎn)

如前所述，機(jī)加工后的熱處理由于外包該工藝的額外步驟而增加了成本和交貨時(shí)間。熱處理還會(huì)導(dǎo)致零件翹曲或變形，影響加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)格公差。由于熱處理過(guò)程中經(jīng)歷的變化，保持嚴(yán)格的公差更加困難。從第一手經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，大型烤箱很難精確保持溫度，這是對(duì)數(shù)控加工零件進(jìn)行熱處理時(shí)需要考慮的問(wèn)題。

熱處理

一般來(lái)說(shuō)，金屬熱處理是將金屬暴露在指定溫度一段時(shí)間，以改變材料性能，如強(qiáng)度、延展性和韌性，或減輕材料中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。通常，這意味著增加金屬的強(qiáng)度和硬度，使其能夠承受更極端的應(yīng)用。然而，某些熱處理工藝（例如退火）實(shí)際上會(huì)降低金屬的硬度或軟化金屬。讓我們看一下不同的熱處理方法。

硬化

您猜對(duì)了，硬化用于使金屬變得更硬。硬度越高意味著金屬在受到?jīng)_擊時(shí)不太可能凹陷或留下痕跡。金屬的硬化實(shí)際上提高了其對(duì)塑性變形的抵抗力。硬化還增加了金屬的拉伸強(qiáng)度，即材料失效和斷裂的力。更高的強(qiáng)度使材料更適合某些應(yīng)用。硬化通常適用于黑色金屬（如鋼），盡管鈦或鋁等其他金屬也可以經(jīng)歷類似的過(guò)程（稱為氮化）。

當(dāng)金屬硬化時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

在硬化過(guò)程中，工件被加熱到高于金屬臨界溫度或其晶體結(jié)構(gòu)和物理性能發(fā)生變化的點(diǎn)的特定溫度。臨界溫度是金屬發(fā)生相變（例如當(dāng)鋼變成奧氏體時(shí)）或富含溶質(zhì)的沉淀物溶解時(shí)的溫度。將金屬保持在該溫度，然后通過(guò)在水、鹽水或油中淬火來(lái)冷卻。

淬火過(guò)程可以形成非常細(xì)小的富含溶液的沉淀物，這不可避免地穩(wěn)定了金屬的晶體結(jié)構(gòu)，并在晶界處留下了較小的變形空間。這增加了金屬的硬度和屈服強(qiáng)度。淬火液取決于金屬的具體合金。每種淬火液都有獨(dú)特的冷卻速度，因此根據(jù)您需要冷卻金屬的速度來(lái)選擇。

表面硬化

表面硬化或表面硬化是一種僅影響材料外表面的硬化類型。此過(guò)程通常在機(jī)械加工后完成，以形成耐用的外層。

表面硬化工藝適用于鋼合金，通過(guò)在高溫下將碳、氮或硼（分別稱為滲碳、氮化和硼化）擴(kuò)散到鋼的外層，然后進(jìn)行熱處理以提高硬度。碳、氮或硼的滲透深度取決于暴露時(shí)間和暴露溫度。

零件的外層通常經(jīng)過(guò)表面硬化以耐壓和抗沖擊，而零件的內(nèi)部則可以保持軟化和延展性。這種軟核和硬殼的組合可以改善疲勞和高應(yīng)力抵抗力，對(duì)于齒輪和軸承特別有用。

沉淀硬化

沉淀硬化是一種在低溫下進(jìn)行的熱處理工藝，用于具有某些合金元素的特定金屬。這些元素包括銅、鋁、磷和鈦。沉淀硬化分為三個(gè)階段：

1、固溶退火，用低于金屬共晶溫度的化學(xué)溶液處理金屬，以使特定元素沉淀；

2、淬火，允許沉淀元素溶解，以及

3、時(shí)效，即加熱零件并形成兩相基體合金。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間加熱時(shí)，這些元素會(huì)在固體金屬內(nèi)沉淀或形成固體顆粒。這會(huì)影響晶粒結(jié)構(gòu)，從而提高材料的強(qiáng)度和耐腐蝕性（最常見(jiàn)）。

退火

不要翻白眼，但退火就像金屬的健康療養(yǎng)所。退火用于軟化金屬，以及消除應(yīng)力并增加材料的延展性。此過(guò)程使金屬顯著更易于加工。在微觀結(jié)構(gòu)層面上，金屬更加細(xì)化，因此軟化。您可以對(duì)鋼、銅、鋁和黃銅合金進(jìn)行退火。

退火過(guò)程是如何完成的？

為了對(duì)金屬進(jìn)行退火，將金屬緩慢加熱到特定溫度（高于材料的臨界溫度），保持在該溫度，最后以緩慢的設(shè)定速率冷卻。這種緩慢的冷卻過(guò)程是通過(guò)將金屬埋在絕緣材料中或在爐子和金屬冷卻時(shí)將其保留在爐子中來(lái)完成的。

退火過(guò)程分為三個(gè)冶金階段：

1、恢復(fù)，在加熱過(guò)程中發(fā)生；去除晶體缺陷（主要是晶體結(jié)構(gòu)中的線性位錯(cuò)）；導(dǎo)致金屬內(nèi)應(yīng)力降低；

2、再結(jié)晶，發(fā)生在受控冷卻過(guò)程中；導(dǎo)致晶粒成核和生長(zhǎng)，以取代由于內(nèi)應(yīng)力而變形的任何區(qū)域；促進(jìn)晶粒結(jié)構(gòu)的均勻性和金屬的軟化；

3、如果退火過(guò)程持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大；導(dǎo)致顯微組織粗大，限制延展性并可能導(dǎo)致金屬?gòu)?qiáng)度減弱；

從熱力學(xué)的角度來(lái)看，退火實(shí)際上加速了內(nèi)部應(yīng)力消除的自發(fā)過(guò)程（通過(guò)增加熱量充當(dāng)催化劑），這在技術(shù)上是金屬吉布斯自由能的降低。冷卻實(shí)際上促進(jìn)了金屬內(nèi)晶格空位的消除，從而通過(guò)創(chuàng)建更均勻、更堅(jiān)固的晶體結(jié)構(gòu)來(lái)減少應(yīng)力。

回火

回火是一種特殊工藝，對(duì)硬化和淬火的金屬進(jìn)行，以釋放應(yīng)力并軟化它們，類似于退火工藝。回火過(guò)程基本上是重新加熱已經(jīng)硬化的金屬。回火通常發(fā)生在比硬化更低的溫度下，并通過(guò)金屬間顆粒的沉淀產(chǎn)生相變（即鋼合金中的貝氏體、馬氏體和鐵素體），從而提高強(qiáng)度和延展性。時(shí)效是鋁合金的一種特殊回火類型。

沉淀硬化合金必須經(jīng)過(guò)固溶處理，加熱金屬以使合金元素均勻分布和溶解，并快速淬火以防止這些元素從固溶體中脫落。這些沉淀硬化合金在低于固溶溫度的溫度下回火。該機(jī)制類似于鋼的回火原理，但具體機(jī)制是金屬間化合物的沉淀，它通過(guò)防止晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)位錯(cuò)的形成來(lái)增加金屬的強(qiáng)度。這些金屬間化合物析出物的數(shù)量和總體尺寸由回火過(guò)程中的時(shí)間和溫度控制。