熱處理是機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，并且都具有特定的優(yōu)點和注意事項。您選擇的金屬熱處理和機加工順序可能會影響零件的材料特性、機加工工藝和公差。

CNC加工前的熱處理

優(yōu)點

選擇經(jīng)過預(yù)熱處理的金屬確實有一些優(yōu)點。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)過預(yù)熱的金屬，因此采購材料變得更加容易。而且，如果等到機械加工后，熱處理又會在生產(chǎn)過程中增加另一個耗時的步驟。

缺點

使用已經(jīng)過熱處理的材料會影響加工（較硬的材料需要更長的加工時間，并且刀具磨損更快，這會增加加工成本）。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，那么您首先就會違背使用硬化金屬的目的。加工過程也有可能產(chǎn)生足夠的熱量來增加工件的硬度。某些材料（例如不銹鋼）在加工過程中更容易出現(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

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

缺點

如前所述，機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間。熱處理還會導(dǎo)致零件翹曲或變形，影響加工過程中實現(xiàn)的嚴(yán)格公差。由于熱處理過程中經(jīng)歷的變化，保持嚴(yán)格的公差更加困難。從第一手經(jīng)驗來看，大型烤箱很難精確保持溫度，這是對數(shù)控加工零件進行熱處理時需要考慮的問題。

熱處理

一般來說，金屬熱處理是將金屬暴露在指定溫度一段時間，以改變材料性能，如強度、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）實際上會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)_擊時不太可能凹陷或留下痕跡。金屬的硬化實際上提高了其對塑性變形的抵抗力。硬化還增加了金屬的拉伸強度，即材料失效和斷裂的力。更高的強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)歷類似的過程（稱為氮化）。

當(dāng)金屬硬化時會發(fā)生什么？

在硬化過程中，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）或富含溶質(zhì)的沉淀物溶解時的溫度。將金屬保持在該溫度，然后通過在水、鹽水或油中淬火來冷卻。

淬火過程可以形成非常細(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度。淬火液取決于金屬的具體合金。每種淬火液都有獨特的冷卻速度，因此根據(jù)您需要冷卻金屬的速度來選擇。

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。此過程通常在機械加工后完成，以形成耐用的外層。

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

零件的外層通常經(jīng)過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、時效，即加熱零件并形成兩相基體合金。當(dāng)長時間加熱時，這些元素會在固體金屬內(nèi)沉淀或形成固體顆粒。這會影響晶粒結(jié)構(gòu)，從而提高材料的強度和耐腐蝕性（最常見）。

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。您可以對鋼、銅、鋁和黃銅合金進行退火。

退火過程是如何完成的？

為了對金屬進行退火，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。這種緩慢的冷卻過程是通過將金屬埋在絕緣材料中或在爐子和金屬冷卻時將其保留在爐子中來完成的。

退火過程分為三個冶金階段：

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

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

3、如果退火過程持續(xù)時間過長，可能會出現(xiàn)晶粒長大；導(dǎo)致顯微組織粗大，限制延展性并可能導(dǎo)致金屬強度減弱；

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

回火

回火是一種特殊工藝，對硬化和淬火的金屬進行，以釋放應(yīng)力并軟化它們，類似于退火工藝。回火過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），從而提高強度和延展性。時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。該機制類似于鋼的回火原理，但具體機制是金屬間化合物的沉淀，它通過防止晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)位錯的形成來增加金屬的強度。這些金屬間化合物析出物的數(shù)量和總體尺寸由回火過程中的時間和溫度控制。