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在设备零件的设计工作中，“硬度”和“抗冲击性”也是决定零件功能的重要因素。
有些零件在与其他零件的滑动面或承受冲击的部位上，需要具备一定的硬度和抗冲击性等性能。
当需要具备这些性能时，有时仅仅依靠材料自身的特性是不够的。在这种情况下，解决方案之一就是通过热处理提高硬度和抗冲击性。为获得所期望的性能，需要选择适当的材料和热处理工 艺，但热处理工艺的种类和特性多种多样、不易理解，也的确是个事实。根据材料和用途的不同，有许多种不同类型的热处理工艺，很多工艺除了特殊用途外并不经常被使用，所以许多设计师对热处理工艺较为生疏。在本文中，我们以通俗易懂的方式总结了常用于设备零件的热处理工艺基本知识和不同类型热处理工艺的使用要点。我相信，妥善运用热处理工艺，将有助于拓宽设计视野。本文将对设备零件上常用的“淬火”“回火”“正火”“退火”以及“高频淬火”“渗碳”和“氮化处理”等热处理工艺的种类及特征进行讲解。热处理是指通过加热和冷却，使零件整体或表面微观结构产生变化的处理工艺。尤其是对于含有碳成分的钢铁，热处理会改变其硬度、耐腐蚀性、耐磨性和抗冲击性等特性。热处理的方法可分为对整个零件进行处理的“整体热处理”和只对表面进行处理的“表面热处 理”两大类。整体热处理主要有 “淬火/回火”、“退火”和“正火”等工艺，而表面热处理则 包括“高频淬火”、“渗碳”和“氮化”等。热处理的效果取决于加热温度、冷却温度和处理速度。如果像淬火这样加热后迅速冷却的工艺，基本上产品会变得脆硬。而相反的，回火、退火和正火则是通过缓慢冷却来对金属组织进行调质。冷却方法包括水冷、油冷、空气冷却、炉冷等，根据热处理的目的相应选择不同的方法。针对零件所期望的功能以及性能，应该采用何种材料和热处理工艺的组合更为适当，可以参考如下的内容。
含碳钢材成为奥氏体(γ铁)的温度因含碳量而异。以含碳量(质量%)0.8%为边界，其趋势有所不同。含碳量恰好达到0.8%的钢被称为共析钢。低于0.8%的钢被称为亚共析钢，而高于0.8%的钢则被称为过共析钢。
图1-2被称为碳-铁合金的平衡状态图。横轴是含碳量，纵轴为金属的温度。表示根据含碳量不同，各种温度条件下的金属内部会形成何种组织。A1为727°C，是微观组织开始奥氏体化的温度(转化温度)。钢材完全转变为奥氏体结构的温度，对于亚共析钢来说是A3线，对于过共析钢来说是Acm线。对于亚共析钢来说，这意味着在A1 和A3之间是铁素体和奥氏体的混合物，而对于过共析钢，Acm和A1之间则是渗碳体和奥氏体混存 的状态。铁素体(α铁)是基本不含碳的组织结构。渗碳体具有碳化铁(FeC3)成分，是非常坚硬的金相组织。珠光体是铁素体与渗碳体呈层状相互重叠而成的组织。淬火时，亚共析钢在温度高于A3时稳定，过共析钢则是在温度高于A1时稳定。然后通过急剧冷却 以获得上述的马氏体组织。一般来说，将温度设定在每条线的30~50°C之上。马氏体在图1-2中并 未出现，这是一种可以通过让奥氏体快速冷却而获得的微观组织。适合进行淬火/回火处理的材料 主要有含碳的S45C等碳素钢，以及SKD和SKH等特种钢。在不锈钢中，SUS420J2也可以通过淬 火/回火提升硬度。此外，析出硬化不锈钢(以SUS630为代表)的含碳量低，很难通过淬火/回火提高硬度，但可通过析出硬化处理提升强度。固溶处理是对不锈钢进行加热以及快速冷却，从而消 除加工应力以及将析出的碳化铬重新溶解在奥氏体中。析出硬化处理是指在固溶热处理之后进行析出硬化热处理(时效硬化热处理)，使金属间化合物的微小析出颗粒分散，从而提升强度的处理工艺。除了通常的淬火/回火处理工艺外，还有“奥氏体回火(JIS符号HQA)”、“马氏体回火 (Martempering)”、“马氏体等温淬火(Marquenching)”和“零下处理(HSZ)”等特殊的 热处理工艺。这些工艺与常规的淬火/回火相比，可以获得更为优秀的韧性和抗冲击性性能，以及变形更少等特殊效果。当希望尝试常规热处理以外的方法时，可以考虑这些手法。表1-1中总结了常用热处理工艺的物理特性，供参考。
含碳的钢材在加热到一定温度以上(约800°C左右)时，会转变成名为“奥氏体”的组织。在整体奥氏体化稳定后，通过快速冷却将其转变为“马氏体”的坚硬组织的工艺，称为“淬火”。淬火 (Quenching)在JIS符号中标注为HQ。淬火会让钢材变得更坚硬，但也会使钢材更脆，不适合直接作为零件使用。再次加热到比淬火温度更低的温度，然后通过缓慢冷却来提升韧性的处理过程被称为“回火”。回火(Tempering)在JIS符号中标注为HT。回火处理中重新加热的温度越 高，则硬度会降低，韧性会提升。以高温重新加热，从而提升韧性而非硬度的工艺，被称为“高温回火”。与此相对，以低温重新加热，以优先提升硬度而非韧性的工艺，被称为“低温回火”。淬火和回火通常会配套使用(HQ/HT)。提到淬火，往往会被理解为“加热”，但其原意是指在加热后通过“快速冷却”转化为马氏体组织。在淬火后通过高温回火来调整硬度以及强度、韧性等特性的热处理被称为 “调质”。尤其是S50C等碳素钢以及SCM440等钢材，大多经过预先调质，作为能够进行机械加工的“调质钢”形 态投入使用。根据材料制造商不同，也有以“预硬钢”(NAK55、DH2F、STAVAX等)的形式投 入销售的产品。调质钢材的硬度大多调整至HRC30~40左右，可以进行切削加工的范围。淬火是通过加热和冷却来实施处理。加热是通过将零件放入热处理用的加热炉中，并加热到让微观组织转变为奥氏体的温度。通常，亚共析钢应该比A3的温度线高约30~50°C，过共析钢应该比A1(727°C)高约30~50°C。淬火温度既不能太高也不能太低，否则无法充分淬透，所以温度控制非常重要。对于过共析钢， 虽然将温度提高到Acm温度以上能够完全奥氏体化，但如果提升到这个温度将无法正常淬火， 因此改为比A1温度高30~50°C。虽然这个温度也会形成含有渗碳体的组织，但可以通过保持淬火温度让渗碳体固溶在奥氏体组织中，从而获得充分的淬火效果。“固溶”是指即使某种金属的晶体结构中渗入另一种金属的组织，但是仍然保持其原始组织并形成混合的状态。保持淬火温度直到充分奥氏体化或固溶化后，再进行冷却。冷却方法包括水冷、油冷、空气冷却、水溶液、盐浴冷却等各种不同种类。水冷是用水进行冷却的方法，冷却速度快，成本低廉。然而，单纯的水冷会导致冷却过快，发生变形进而引发故障的可能性会增大。油冷是使用油进行冷却的方法，可以实现比水冷更慢和更均匀的冷却。用烧碱溶于水之后形成的水溶液进行冷却，能够进一步提升水的冷却性能，而且具有利用不同浓度改变冷却速度的优点。盐浴(salt baths)是将盐加热到几百度以使其液态化。其特点是冷却均匀，不易发生烧裂等，但 是成本较为昂贵。空气冷却是在大气中进行冷却的方法，冷却速度非常慢。这种冷却方法通常用于退火。根据热处理的类型和材料，从这些冷却方法中选择最适合的方法，或将其组合使用。缓慢的冷却会使微观组织恢复到原来的状态，而快速冷却会让微观组织没有足够的时间转变为珠光体或铁素体，从而发生转变为“马氏体”的状态转化。这种通过快速冷却转化为马氏体的过程被称为“淬火”。这种冷却速度对淬火非常重要。如果速度不够快，马氏体以外的相就会混入，无法获得充分淬透的硬化特性。但是，如果快速冷却时超过开始向马氏体转化的温度，则会大幅度增加发生“淬火裂纹”和“变形”的可能性。如果超过这个转化温度，则大多会采用通过空气冷却等方式减缓冷却速度的二级冷却。马氏体本身是一种坚硬而缺乏韧性的脆性组织，所以不能仅仅只在淬火处理后就投入实际使用。通过再次加热和冷却以恢复韧性的处理过程，称为回火。回火是加热至低于A1温度的温度，然后缓慢冷却。硬度会比淬火时有所降低。加热后逐渐冷却，使组织均匀化和软化，从而消除内部应力，提升切削加工性能。这种热处理工 艺被称为“退火”(或“烧钝”)。退火(Annealing)的JIS符号为HA，也称为烧钝处理。退火主要有完退火(JIS符号HAF)、软化退火(HASF)、去应力退火(HAR)、扩散退火 (HAH)、球化退火(HAS)等不同种类。加热时的温度因目的而异。这种热处理工艺不仅应用 于碳素钢等，还可用于不锈钢以及铝合金等。退火是一种“软化”的处理工艺。此外，退火(Annealing)还能够通过加热来消除零件中的残余应力，并提升可加工性。对于薄壁切削加工件，在适当的时机进行退火可以提升加工完成时的精度。加热处理可以在材料的未加工状态下进行，也可在带有加工余量的粗加工状态下进行。尤其是对于SUS304等材料来说，由 于加工应力引起的变形特别大，运用好退火工艺有助于改善平面度等精度。请务必积极与加工现场交流信息，充分探讨是否需要以及何时需要进行退火处理。钢材是在铸造、锻造、轧制等受力状态下完成制造的，通过热处理使其微观组织均匀化、细化， 从而确保机械性能的方法，称为“正火”(或 “常化”)。正火(Normarizing)的JIS符号为 HNR。表面热处理中常用的有“高频淬火”、“渗碳”、“氮化”工艺。高频淬火是利用交流电源的感应加热，仅将表面部分加热到800°C以上的方法。主要用于提高轴类和齿轮类零件的硬度和抗疲劳性。高频淬火的JIS符号标注为HQI(Induction Hardening)。其原理是将用于电加热的线圈靠近零件，让高频感应电流流过线圈，利用电阻热使零件表面迅速升温。然后通过低温回火来恢复韧性。在高频淬火中只有表面被淬火，因此表面实现硬化，耐磨性等得到改善，而内部仍然保持坚韧。由于只是部分受热，变形和尺寸变化较小。例如，轴的形状可能会在热处理后发生弯曲变形，因此需要使用压力机等设备消除变形，所以需要对表面淬火，在表面产生压缩残余应力，从而提升抗疲劳性。另外，通过高频淬火达到的表面硬度要比采用常规淬火/回火工艺时更硬。高频淬火只需要很短的加热时间，因此也被称为更加环保的热处理工艺。与整体淬火不同的是，还可以指定要淬火的部位和淬火深度。这是表面淬火工艺中的一种，表面淬火还包括“火焰淬火(JIS符号HQF)”、“电子束淬火”、“激光淬火”等。要想对钢铁进行淬火处理，必须具有碳元素。碳素钢等含碳量高的钢材可以进行淬火，而低碳钢等含碳量较低的钢材无法淬火处理。在这种情况下，提升钢铁表面的含碳量以便进行淬火的方法称为渗碳。渗碳处理的JIS符号标注为HC(Carburizing)。低碳钢比高碳钢更有韧性、更便宜、更容易加工，但硬度较差。渗碳能够仅仅只提高表面硬度， 可以说这是一种能够充分发挥低碳钢优势，同时改善其劣势的优秀工艺方法。在渗碳处理需要将“渗碳剂”与零件一同加热，从而使碳扩散并渗透到零件表面。根据渗碳剂的种类不同，可采用的方法包括固体渗碳(木炭)、液体渗碳(氰化物盐)和气体渗碳(碳氢化合物气体)。渗碳处理需要在高温下长时间加热，会改变零件中心的微观组织。因此，渗碳处理后需要进行淬火/回火处理。这种工艺主要用于低碳钢，使其表面具有坚硬、耐磨的特性，而内部依然能够保持 柔软结构。常被用于S15C等低碳钢以及SCM415等含碳量较低的钢种。通过渗碳得到的硬化层具有整体硬化层深度和有效硬化层深度2种深度规格。有效硬化层深度是指 “在淬火状态下，或以200°C以下温度回火后，从表面开始至硬度达到550HV位置的距离”(摘 自JISG0559)。整体硬化层深度是指从表面至硬度达到材料自身硬度位置的距离。尽管可以指定有效深度，但多数热处理企业只支持在一个固定范围内进行指定，通常可处理的有效深度为0.3~1.5mm。氮化是在零件表面形成氮的化合物，从而提高零件表面硬度的方法。包括气体氮化、盐浴氮化、气体软氮化、离子氮化等。这种处理工艺是将近表面暴露在低于奥氏体化温度的含氨或含氮的气体中，使氮气渗透到近表面区域，从而使近表面硬化。氮化处理不需要提升处理温度，这意味着处理后不需要进行热处理，有着不容易发生变形的特点。氮化处理的JIS符号标注为HNT(Nitriding)。氮化处理可分为硬化到1000HV左右的氮化处理与硬化到600HB左右的软氮化处理。当硬化处理的目的是提升耐磨性时，一般选用氮化处理，而当希望提升抗疲劳性时，一般选用软氮化处理。这一工艺的另一个特点在于，由于处理所需的温度低，即使是调质钢也可以在保持内部硬度的同时，提高表面硬度。这种处理工艺也被用于处理SUS306以及SUS316等奥氏体不锈钢。氮化层的 厚度和硬度会根据处理温度的不同而变化，氮化层的厚度一般在0.1~0.5mm左右。在本文中，我们讲解了设备零件中常用的热处理工艺。可以看出，热处理可以硬化零件表面，提高其耐磨性和抗冲击性，是非常有效的处理手段。尤其是改变材质硬度这一点，是非常重要的关键点。一般来说，热处理会因为加热而导致工件发生变形和尺寸变化。对精度有要求的部位必须预先设置余量，需要在热处理后进行精加工以修正为达到良好精度的形状。通过热处理硬化后的零件可能难以用立铣刀进行切削加工。当材料硬度超过HRC60时，通过切削加工进行精加工变得更加困难，因此必须预先确认加工余量的范围、位置以及精加工方法。对于平面或圆柱形的内外径，通过研磨加工进行精加工更为容易。而对于阶梯形状，需要设置磨削加工的避让形状(如退刀槽等)，以避免抵在磨削用砂轮的侧面。如果因为形状复杂而难以通过正常的切削加工完成精加工，则需要利用轮廓磨床或夹具磨床进行精加工，而这意味着加工成本也相对较高。当然，精加工位置越少，则成本降低，所以在设计中请尽量确保只需最低限度的精加工就能完成产品加工。OK，今天就到这里了，如果本文对你有帮助，记得点赞并关注。
