探讨金属材料的热处理对机械设计的影响

耿子淳

摘   要：对金属材料进行热处理，可使金属材料的物理性能、化学性能、力学性能达到最佳状态，却不改变金属材料的形状、组成。对金属材料的热处理和机械设计展开了讨论，简述了热处理工艺的发展，详细介绍了常见的金属材料热处理工艺类型，结合实际分析了金属材料热处理工艺对机械设计的影响。

关键词：金属材料;热处理;机械设计;影响

热处理是一种非常有效的金属材料处理方法，在机械加工中非常常见。之所以进行热处理就是为了使金属材料能够满足加工需求，从而生产出工艺合格的机械产品。但是，金属材料的热处理工艺既有优点，又存在一定的缺点，影响机械设计、加工的效率。对此，需正确看待金属材料热处理工艺。只有这样才能充分发挥出热处理工艺的优势。

1    热处理工藝简介

金属材料的热处理可分为加热、保温、冷却3个阶段。早在几千年前，我国就已经出现了金属材料热处理工艺。随着社会的进步，金属材料热处理工艺在不断成熟、完善。尤其是加热源的发展。第一次工业革命时期，主要是以木炭、石油为燃料。后来，演变成为以气体燃料、液体燃料为主。现如今，随着电力的发展，电力又成为新的加热源[1]。这种热处理方式产物无污染，还能有效保护环境。依据机械设计的要求，灵活控制金属热处理过程，尤其是在工业发展迅速的背景下，机械产品的种类多样化。这就需要采用不同的热处理方式，对金属材料进行处理。由此可见，深入研究金属材料热处理对机械设计的影响是非常有必要的。

2    金属材料的热处理方式

2.1  正火

正火是一种处理钢材韧性的热加工工艺，一般作为中间热处理工序。通过正火处理可以提升金属材料的加工性能，使金属材料达到满意的强度标准[2]。

正火的应用范围主要包括：（1）用于低碳钢。经过正火的低碳钢，韧性、硬度都比较好。在切削加工预处理中，可以采用这种方法。（2）用于中碳钢的最后一环热处理工作中。（3）用于工具钢、渗碳钢等。经过正火后，工具钢、渗碳钢的网状碳化物减少。（4）用于铸钢。经过正火处理后的铸钢铸态组织会更加精细，能有效改善切削加工性能。（5）可用于大型锻件的最后热处理，避免大型锻件出现开裂倾向。由以上5点可以看出，正火主要可以用于预先热处理、淬火准备及最终热处理。

2.2  退火

退火是指在缓慢加热金属达到一定温度后，保持一定的时间，使其以特定的速度冷却。这样既能降低金属材料的硬度、改善切削加工性能，又能消除残余应力，减少金属材料的加工变化。最重要的是能细化晶粒，消除金属材料的缺陷。

从退火目的来考虑，退火还可分为完全退火、不完全退火、等温式退火、均匀化退火、球化退火、去应力式退火。其中，完全退火、球化退火多用于钢。不完全退火主要用于低合金钢锻轧件、高碳钢等，可细化组织、降低硬度。等温式退火可用于钢、非铁合金。均匀化退火用于白铜、镁合金等。去应力式退火主要用于毛坯件及经处理过的切削加工零件，能有效消除毛坯件、零件的残余应力，从而使其在加工、使用过程中不会发生形变、裂纹等问题。

2.3  淬火

淬火主要是将金属材料加热到临界温度以上，保持一定的时间后，再以大于临界冷却速度进行冷却。需要注意的是，在冷却过程中，可利用冷却介质实现金属材料骤降至室温。这种工艺方法早在古代就有所应用。随着社会的发展，淬火逐渐被应用在各种齿轮、轴承等耐磨器具的加工中。

从淬火的定义来看，淬火包括加热、保温、冷却3个环节。在不同的环节中，需依据金属材料特性合理选择工艺参数;同时，还应结合金属材料特点，合理选择淬火方式。常见的淬火方式有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火、等温淬火、感应淬火、喷雾淬火、自冷淬火等。需要注意的是，淬火虽然能提高金属材料的硬度，使金属材料组织的奥氏体转变为马氏体，但是，淬火处理也有一定的缺点，比如金属材料冷却过快，会使金属材料产生内应力。而内应力对机械设计的影响非常大，不仅容易造成机械构件物理性状的扭曲、变形，还会造成机械构件的开裂。所以，在实际应用中，需灵活选择淬火方式。

2.4  回火

回火多是在淬火后进行，主要处理内容是将金属材料加热到Ac1以下的某个温度，并保持一定的时间，再将其冷却到室温。通过回火，能有效消除金属材料在淬火处理中产生的残余应力、稳定金属组织、改善金属材料的加工性能，从而使金属材料达到最佳加工状态。

回火可分为高温回火、低温回火、中温回火3种方式。其中，高温回火可用于齿轮、轴类等零件的处理。中温回火可用于锻模、冲击等工具的处理，有效提高金属材料的力学性能。低温回火主要用于模具、刃具、滚动轴承等的处理，不仅能提高材料的硬度、耐磨性，而且还可以降低淬火的残余应力。通过回火，还能使金属组织转为回火马氏体、回火托氏体等。

2.5  其他热处理方式

除上述几种的热处理方式，还有化学热处理方式、表面热处理方式等，如渗碳、渗氮等处理方式。随着我国科学技术的不断发展，金属材料的热处理工艺种类也会不断丰富。

3    对机械设计的影响

机械设计的主要流程包括明确设计任务、设计方案、技术设计、编写技术文件。其中，最为关键的就是方案设计、技术设计。在方案设计中，主要考虑机械产品的使用要求，运用现有的技术，确定机械产品的结构、参数，并绘制原理工作图。技术设计的主要内容是确定机械产品的构件尺寸，并计算构件的载荷，确定构件尺寸，最终完成机械产品的总装配图。

需要注意的是在构件设计中，重点考虑热处理要求。比如若需要高耐磨性、综合力学性能较好的材料，就需要切实考虑金属材料特性，并合理选择热处理工艺。只有这样才能保证机械设计的科学性。

3.1  负面影响

金属材料热处理有可能造成工件缺陷，影响机械设计的质量。常见的缺陷有裂纹、变形、残余应力、脆性等。在这些缺陷中危害最严重的有裂纹、变形。以裂纹为例，最常见的是淬火裂纹，其次是回火裂纹、加热裂纹。以变形为例，最常见的就是淬火变形。若要解决这类缺陷，就应合理设计产品结构，尤其是产品的截面尺寸、圆角过渡、形状。同时，还应合理安排热处理工艺路线。若是形状比较复杂，且对精度要求高的构件，在淬火前应先进行去应力退火。

鉴于这种负面影响，在机械设计之初，设计人员就应切实考虑金属材料的热处理缺陷，并制定有效的防范措施。以齿轮加工为例，在齿轮设计中，设计人员应考虑齿轮截面的变化均匀、对称，从而有效应对齿轮热处理过程中的热应力集中倾向。同时，还应合理设计齿轮热处理的冷却速度、冷却时间等参数，有效控制齿轮的热处理变形。在设计中应尽量保证齿轮轮辐、轮缘等部位截面尺寸的均匀。总的来说，在齿轮设计中，应切实考虑齿轮结构的对称性、均匀性，并采取有效的措施控制其变形，从而减少热处理对机械设计的影响。

3.2  积极影响

热处理工艺的最大优势就是可以改变金属材料的性能，满足机械设计的要求。经过热处理，金属材料会出现一定的缺陷，但是这些缺陷是可以预防和处理的。

通过有效热处理可以改变金属组织内部结构，提升金属材料的使用性能，从而最大限度地发挥金属材料的潜力，满足各种机械产品加工的需求。以钢为例，通过正火将钢加热到临界温度Ac3以上，再保温、冷却，就可以增加组织中的珠光体量、细化晶粒、改善钢的组织结构，并有效消除钢的残余应力。通过钢的淬火，可以得到硬度耐磨性较强的马氏体组织。具体以GCr15轴承钢制造轴承的热处理为例，在预备热处理环节，通过正火细化晶粒、消除网状碳化物。同时，通过球化退火，提高材料的韧性，并降低材料的硬度。在淬火处理中，选择830 ℃左右的高温进行加热，提升Cr的溶解度，控制晶粒直径。最后，对经淬火处理后的产物进行冷处理，获得马氏体组织，再进行低温回火，保持材料的高硬度，消除材料的残余应力。对于金属材料来说，通过有效的热处理，能使金属材料获得更好的加工性能。就目前来说，热处理工艺已经成为机械加工中的必要措施。由此可见，只有正确认识热处理工艺对机械设计的影响，才能灵活应用热处理工艺，提升金属材料的加工质量。

4    結语

金属材料的热处理工艺具有非常重要的现实意义。不仅能提升机械设计的水平，还能促进机械加工行业的发展。可以说，金属材料的热处理是机械行业发展的基础。机械设计人员应正确认识金属材料的热处理，并结合机械设计内容，灵活应用热处理工艺。

[参考文献]

[1]李志敏.试论金属材料和热处理工艺的相关性[C].北京：中国教育发展战略学会，2018.

[2]齐天峰，王谢涛，王宇航.基于金属材料的热处理对机械设计的影响[J].科技经济导刊，2018（32）：73.