第2章　金屬切削機床典型零件的熱處理工藝與規范

2.1　概述

金屬切削機床是采用切削的方法把金屬毛坯加工成機器零件的機器，它是制造機器的機器，故又稱“工作母機”，簡稱機床。在現代機械制造工業中，機床在各類機器制造裝備中所占比重較大，一般都在50％以上，所擔負的工作量占機器總制造工作量的40％～60％，對于具有一定形狀、尺寸和表面質量要求的金屬零件，特別是精密零件的加工，主要是在金屬切削機床上完成的。一個國家機床的擁有量、產量、品種和質量如何，是衡量其工業水平的標志之一。

金屬切削機床必須具有較高的精度和精度保持性。金屬切削機床的精度主要取決于關鍵零件的制造精度和裝配精度。而這些零件的強度、粗糙度、耐磨性及尺寸穩定性等性能又直接與熱處理工藝密切相關。因此，機床零件的熱處理在機床制造業中占有舉足輕重的地位。

隨著現代科學技術的迅猛發展，高速自動化切削機床、數控切削機床、高精度精密切削機床、重型數控機床及加工中心等發展很快。金屬切削機床的工作載荷加重、運動速度更快，機械零件的精度要求則更高。因此，對機床零件材料與熱處理提出了更高、更全面、更嚴格的要求。

2.1.1　金屬切削機床零件熱處理的特點

我國機床行業，中小型機床一般為批量化生產；大型及重型機床為單個或小批量生產。一般機床的工作條件如承載、受沖擊及潤滑條件等都明顯優于汽車、拖拉機及重型機械，但其對零件的精度和精度保持性要求較高。故機床零件的熱處理特點可歸結為如下6點。

（1）用鋼簡單

一般采用非合金（碳素）結構鋼及低合金結構鋼。少數零件，如鑲鋼導軌、淬硬絲杠等采用低合金工具鋼及軸承鋼等。

（2）采用周期式作業爐

大部分零件的無氧化加熱采用鹽浴爐、真空爐或在氣體滲碳爐中滴注煤油生成保護氣氛中進行。

（3）局部淬硬及表面淬硬零件較多

有許多機床零件只要求局部表面有高的耐磨性，除少數零件采用鹽浴爐局部淬硬外，大部分零件采用局部表面淬火法（如感應加熱、激光加熱、超音頻加熱等）淬硬。

（4）精密零件要求具有高的尺寸穩定性

通常在工序中常安排有一次或多次穩定化處理，如去應力退火、低溫時效處理及冷處理等，盡量減少殘余內應力，以保證高的尺寸穩定性。

（5）廣泛采用低溫化學熱處理

機床零件的設計多數從剛性考慮，對熱處理主要要求變形小，耐磨性高，尺寸穩定性好。因此滲氮、氮碳共滲等低溫化學熱處理工藝獲得廣泛應用。

（6）大部分鋼制零件必須經過預先熱處理

如鑄鋼件、鍛件及軋材等，必須經過退火、正火或調質處理等預先熱處理，以提高其強度，消除組織缺陷及改善加工工藝性能；同時也為最終熱處理做好組織準備，減少熱處理變形。

2.1.2　機床零件常用的熱處理工藝

2.1.2.1　預備熱處理工藝

一般在鍛造或粗機械加工后進行，常用的有以下幾種。

（1）退火

各種退火工藝特點如表2-1所示。

（2）正火

正火與退火的主要區別在于冷卻速度不同，正火冷卻速度較快，得到的組織較細，硬度、強度、韌性等也較高。當碳鋼中C<0.6％時，正火后的組織為F+S；當C=0.6％～1.4％時，正火后組織為S（偽共析組織）。

（3）調質處理

零件經機械加工后，加熱淬火，然后于500～650℃下高溫回火，獲得均勻的回火索氏體的熱處理工藝稱為調質處理。其目的在于使零件獲得良好的綜合力學性能。

同時，調質處理也為最終熱處理做好顯微組織準備。這是因為，若淬火前材料的組織為經調質處理獲得的回火索氏體，其淬火溫度可降低，奧氏體化時間可減少，故可減少淬火變形。對淬火易變形的零件，制定工藝時往往要增加調質工序。

2.1.2.2　最終熱處理工藝

一般在半精機械加工，甚至可在精機械加工后進行。常用的有以下幾種。

（1）淬火與回火

將工件加熱至臨界點（Ac3或Ac1）以上，保溫后以大于（上）臨界冷卻速度的速度快速冷卻，使奧氏體轉變為馬氏體（或下貝氏體）的熱處理工藝稱為淬火；而回火則指將淬火后的鋼加熱至A1以下的某一溫度后進行冷卻的熱處理工藝。

一般淬火工件必須經過回火后方能使用。淬火與回火總是經常配合使用的兩種應用最廣且最重要的熱處理工藝。

淬火的目的就是為了獲得馬氏體（或下貝氏體）組織，以提高鋼件的力學性能。而淬火鋼件回火的目的在于以下幾點。

①降低脆性，減少或消除內應力，防止工件變形開裂。

②調整淬火鋼的組織與性能，用不同的回火溫度配合，獲得工件使用要求的性能。

③穩定工件尺寸，以保證工件在使用過程中不發生尺寸和形狀變化。

④對于某些高淬透性的合金鋼，空冷便可淬成馬氏體，如采用退火軟化，則周期很長。此時可采用高溫回火，使碳化物聚集長大，降低硬度，以利切削加工，同時可縮短軟化周期。

⑤對于有色金屬合金、奧氏體不銹鋼等，淬火即固溶處理。

應當說明，對于未淬火的鋼，回火一般是沒有意義的，但淬火鋼不經回火一般也不能直接使用。為了避免工件在放置過程發生變形和開裂，淬火后應及時進行回火。

根據淬火加熱溫度的不同，即奧氏體化的程度不同，淬火可分為完全淬火和不完全淬火。

完全淬火　亞共析鋼加熱至Ac3以上30～50℃，共析鋼加熱至Ac1以上30～50℃，保溫后快速冷卻。

不完全淬火　過共析鋼加熱至Ac1以上30～50℃，保溫后快速冷卻，滲碳體未全部溶于奧氏體而保存下來。亞共析鋼在特殊情況下，也采用不完全淬火（即亞溫淬火），這時鐵素體未全部溶于奧氏體淬火冷卻后被保存下來，起一定的軟墊作用，它適用于在低溫下工作的零件及某些零件易于開裂部位的淬火等場合。

同樣，根據回火溫度的不同，可分為低溫回火、中溫回火和高溫回火，其特征如表2-2所示。淬火+高溫回火獲得回火索氏體組織的熱處理工藝即為調質處理。

（2）表面強化熱處理

把零件表面（全部或局部）加熱和冷卻來改變零件表面性能的熱處理方法稱為表面強化熱處理。常用的表面加熱方法有以下幾種。

電接觸加熱表面淬火，它是利用觸頭和工件間的接觸電阻使工件表面快速加熱，并借其本身未加熱的熱傳導來實現淬火冷卻。此法的優點是設備簡單，操作方便，工件畸變小，淬火后不需回火。它能顯著提高工件的耐磨性和抗擦傷能力，但淬硬層較薄（0.15～0.30mm）。目前多用于機床鑄鐵導軌的表面淬火。

此外還有火焰加熱表面淬火、感應加熱表面淬火及激光加熱表面淬火等。

（3）化學熱處理

化學熱處理的方法較多（見表2-3），由于滲入的元素不同，會使工件表面具有不同性能。例如滲碳、碳氮共滲可提高鋼的硬度、耐磨性及疲勞強度；氮化（滲氮）使工件表面特別硬，顯著提高耐磨性、疲勞強度和耐蝕性；氮碳共滲（又稱軟氮化）可提高工件表面的耐磨性、疲勞強度和抗擦傷能力等。可根據工件的工作條件和對性能的要求，選用不同的工藝方法。

（4）時效和冷處理

①去應力時效　是指精密零件在半精機械加工后，加熱至500～650℃范圍內，保溫較長時間（常用4～12h），然后在空氣中冷卻，以消除內應力的熱處理工藝操作。

②低溫時效（低溫去應力退火處理）　是指精密零件在半精磨機械加工后，在油浴或空氣爐中，加熱至160～220℃，經6～24h保溫后，于空氣中冷卻。其目的在于消除精機械加工及磨削加工產生的應力。精度要求高的零件還要求進行多次的低溫時效處理。

③冷處理　要求高硬度（硬度大于60HRC）的合金工具鋼、軸承鋼工件，淬火、回火后常含有較多的殘余奧氏體，而在使用過程中，殘余奧氏體會繼續轉變，使零件尺寸精度發生變化。因此，對于精度要求較高精密零件，為了消除或減少殘余奧氏體，零件在淬火后隨即冷至-70～-40℃，保持一段時間后再低溫回火，精度高的零件也可反復進行多次冷處理，或在更低溫度下進行冷處理。

應當注意：只有經過淬火的工件才進行深冷處理。形狀簡單的工件淬冷后立即放入深冷裝置，形狀復雜的工件應在淬火后立即低溫回火，然后放入深冷裝置，以免冷處理時工件中產生的內應力與淬火殘余內應力疊加，使工件變形開裂。

2.1.3　機床零件的熱處理工藝性

零件熱處理工藝性是指在滿足使用性能要求的前提下，采用熱處理生產的可行性和經濟性。機床零件熱處理工藝性既涉及機床零件的材料和結構，又與機床零件生產流程和熱處理工藝過程各環節密切相關。所以，在機床零件設計時必須充分重視熱處理工藝性，合理地選擇材料，正確提出技術要求，同時，在制定生產流程時，應合理安排熱處理在整個加工工藝路線中的位置，處理好熱處理工藝與前后工序的關系，而正確地制定熱處理工藝，確保機床零件和產品質量，提高生產效率，降低生產成本，同樣是十分必要的。

機床零件的熱處理工藝性主要包括淬透性、淬硬性、回火脆性、過熱敏感性、回火穩定性、氧化脫碳傾向等。

（1）淬透性

所謂淬透性，是指鋼在淬火時獲得淬透層深度的能力。它是鋼材本身固有的屬性，其大小通常以規定條件（指規定尺寸和形狀的鋼試樣，在規定的淬火冷卻條件下淬火）下淬透層的深度來表示。規定條件下淬火后鋼的淬透層越深，表明其淬透性越好。對于結構鋼，一般規定由鋼件表面到半馬氏體區（即50％區域M組織）的垂直距離作為淬透層深度。

鋼的淬透性直接影響其熱處理后的力學性能。此外，淬火組織中馬氏體量多少還會影響鋼的屈強比（σs/σb）和疲勞強度（σ-1）。馬氏體量越多，σs/σb越高。對于不允許出現塑性變形的工件，一般都希望屈強比高些，以盡量提高材料強度的利用率。馬氏體量越多，則鋼回火后的疲勞強度也越高。

鋼的淬透性使鋼產生尺寸效應，由于零件截面尺寸大小不同而造成淬硬層深度不同，同時也影響淬火件表面硬度，因此必須充分重視材料的淬透性，合理選材，對于大截面或形狀復雜的重要零件，應選用淬透性好的合金鋼，添加合金元素Mn、Si、Cr、Ni及微量B等提高淬透性，而V、Ti、Mo、W等則起到細化晶粒的作用，它們可保證沿整個截面都具有高強度、高韌性的良好配合，同時減少熱處理變形和開裂。因此，應根據鋼的淬透性合理安排加工工藝路線。當零件尺寸較大、又受到淬透性限制時，為保證淬硬層深度，可采用先粗加工后熱處理，熱處理后再精加工。截面差別較大的零件，如大直徑臺階軸，從淬透性考慮，可先粗車成形，然后調質，增加淬硬層深度。

總之，鋼的淬透性是制定熱處理工藝的重要依據。淬透性好的鋼淬火時，可選用較緩和的淬火介質和較慢冷卻的淬火工藝，以減少零件的變形和開裂傾向。

（2）淬硬性

鋼的淬硬性（可硬性）是指鋼在淬火后所能達到的最高硬度，即鋼在淬火時的硬化能力，它主要取決于鋼（馬氏體）的碳含量。鋼的碳含量越高，淬火后的硬度也越高，其他合金元素的影響較小。因此，在要求工件表面硬度較高時，應選擇中碳或高碳鋼；對表面硬度要求不高時，一般選擇中碳或低碳鋼。應注意的是，鋼的淬透性和淬硬性是兩個完全不同的概念。

（3）回火脆性

淬火鋼在隨后的回火過程中，當回火溫度升高時，鋼的沖擊韌度變化規律如圖2-1所示。由圖可見，在250～350℃和400～550℃兩個溫度區間沖擊韌度顯著降低，這種脆化現象稱為回火脆性。

①低溫回火脆性　在250～350℃回火時出現的脆性，為低溫回火脆性（第一類回火脆性）。幾乎所有工業用鋼都有這類脆性。這類脆性的產生與回火后的冷卻速度無關，即在產生脆性溫度區回火，不論快冷或慢冷都會產生此類脆性。

目前還沒有辦法完全消除第一類回火脆性，通常都是避開此溫度范圍回火，或采用等溫淬火代替淬、回火，或在鋼中加入少量硅等合金元素，使脆化溫區提高。

②高溫回火脆性　在400～550℃范圍回火后緩慢冷卻所產生的脆性稱為高溫回火脆性（第二類回火脆性）。這類回火脆性具有可逆性，即將已產生此類回火脆性的鋼，重新加熱至650℃以上溫度，然后快冷，則脆性消失；若回火保溫后緩冷，則脆性再次出現，故又稱可逆回火脆性。這類回火脆性主要發生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的結構鋼中。

關于高溫回火脆性產生的原因，一般認為與Sb、Sn、P等雜質元素在原A晶界上偏聚有關。Ni、Cr、Mn等合金元素促進雜質元素的偏聚，這些元素本身也易在晶界上偏聚，所以增強了這類回火脆性的傾向。

防止高溫回火脆性的辦法是：采用先進的冶煉技術（如電渣重熔鋼、真空重熔鋼等），提高鋼的純凈度，盡量減少鋼中雜質元素（如S、P等）的含量；或者加入W（1％）、Mo（0.5％）等能抑制晶界偏聚的合金元素；避免在此溫度（450～650℃）之間回火；若在此溫度范圍回火，則回火保溫后應快冷（如水冷或油冷）以抑制雜質元素的析出。

（4）過熱敏感性

它包括奧氏體晶粒長大，過熱、過燒等。鋼件加熱超過臨界溫度時，獲得奧氏體組織，隨加熱溫度的提高和保溫時間的延長，奧氏體晶粒會逐漸長大，不同的鋼種，冶煉方法不同，奧氏體晶粒長大的傾向也不同。當鋼中含Mn、C、P等元素會促使奧氏體晶粒長大；W、Mo、Cr等元素以及Al、Ti、V、Zr、Nb等微量元素降低奧氏體晶粒長大傾向。

鋼在加熱時，由于加熱溫度過高，保溫時間過長，奧氏體晶粒會長大，從而引起性能顯著降低的現象稱為過熱；繼而當加熱溫度接近固相線附近時，奧氏體晶界會被氧化或部分熔化，這就稱為過燒。過熱的重要特征是晶粒粗大，將使鋼的屈服強度、塑性、沖擊韌度和疲勞性能降低，同時提高鋼的韌脆轉折溫度TK；過熱還會使淬火馬氏體粗大，降低其耐磨性能，增加淬火變形和開裂傾向。因此，在工業生產中，總是通過各種途徑來細化晶粒，達到提高力學性能之目的。

過熱可以返修，返修前需進行一次細化組織的正火或退火，再按正確規范重新加熱淬火。過燒組織晶粒極為粗大，晶界有氧化物網絡，鋼的性能急劇降低。這種缺陷無法挽救，工件只得報廢。

（5）回火穩定性

所謂回火穩定性，是指淬火鋼在回火過程中抵抗硬度、強度下降的能力。由于合金元素阻礙原子擴散，促使淬火碳鋼在回火過程中組織分解和轉變速度減慢，使回火轉變的四個階段推向更高的溫度，使回火后的硬度降低得比較緩慢，從而提高回火穩定性。因而在淬火回火狀態下，與碳鋼相比，在回火溫度相同條件下，合金鋼具有較高的強度和硬度；在保持相同強度硬度條件下，合金鋼回火溫度較高、回火時間較長，內應力消除徹底，故塑性、韌性較高。在工業生產中，對要求內應力消除較完全、強度與韌性配合好的工件，應選用回火穩定性高的合金鋼。對于使用溫度較高的工件，要選擇回火穩定性高的鋼種，一般使用溫度最高限度在回火溫度以下50℃。

（6）氧化脫碳傾向

鋼在加熱過程中，由于周圍氧化氣氛的作用，表面的鐵被氧化成氧化鐵，使鋼表面失去原有的光澤，稱為氧化。其主要化學反應式為：

脫碳是指鋼表面的碳分被氧化成CO、CH4等氣體，使鋼表面的含碳量降低。其化學反應式為：

式中　（C）——溶于奧氏體中的碳。

氧化使工件表面失去金屬光澤，表面粗糙度值增加，精度下降，影響工件尺寸和降低表面質量；同時還使鋼的強度降低，其他力學性能也下降，增加了淬火開裂和淬火軟點的可能性。脫碳使工件表面碳貧化，從而導致鋼件淬火硬度、疲勞性能和耐磨性明顯降低。嚴重的氧化、脫碳會造成工件報廢。在各種鋼種中，含Si鋼的氧化脫碳傾向較大。

在工業生產中，應盡量避免工件的氧化脫碳，重要零件不允許在最終零件上有氧化脫碳層存在。因此，應在生產過程中通過合理預留加工余量，適當安排好加工流程，在熱處理工序中，應積極采用各種少（無）氧化脫碳的熱處理工藝，控制氧化脫碳，保證工件熱處理質量，獲得穩定可靠的使用性能。

2.1.4　機床零件熱處理工藝性的合理選擇

合理選擇機床零件的熱處理工藝性，主要應考慮以下幾方面的內容。

2.1.4.1　機床零件熱處理工藝性的結構設計

在機床零件的設計過程中，必須考慮零件的結構、形狀、尺寸等在之后熱處理工藝中能順利實施，而不致產生大量廢品或次品。

在實際生產中，設計人員往往僅片面、孤立地使零件結構形狀適合部件機構的需要，忽略了零件在加工或熱處理過程中，因結構形狀不合理而導致熱處理淬火變形、開裂，而使零件報廢。為此，在設計淬火零件結構形狀時，應掌握以下原則。

①避免尖角和棱角　零件的尖角、棱角處是淬火應力最為集中的地方，往往導致淬火裂紋。因此，在設計帶有尖角、棱角的零件時，應盡量加工成圓角、倒角以避免開裂。一般原則如圖2-2所示。

②避免截面突變（斷面薄厚相懸殊）　厚薄懸殊的零件，在淬火冷卻時，由于冷卻不均勻而造成的變形、開裂傾向較大。可采用開工藝孔、加厚零件太薄部分、合理安排孔洞位置或變不通孔為通孔等方法加以解決，如圖2-3所示。

③采用封閉、對稱結構　開口或不對稱結構的零件在淬火時應力分布亦不均勻，易引起變形，應改為封閉或對稱結構。圖2-4（a）為生產上經常碰到的彈簧卡頭，其頭部都采用封閉結構；也可在加工成形后，采用銅焊使形成封閉結構再淬火，在淬回火后再切開槽口。而圖2-4（b）所示為一鏜桿截面，要求氮化時變形極小。原結構設計是在鏜桿的一側開槽，結果變形較大；后修改設計，在另一側也開槽，使零件形狀呈對稱結構，結果減少了鏜桿在熱處理時的變形。

④采用組合結構　某些有淬裂傾向而各部分工作條件要求不同的零件或形狀復雜的零件，在可能條件下可采用組合結構或鑲拼結構。圖2-5所示為一磨床頂尖，該頂尖要求有高的熱硬性。原設計方案采用高速鋼W18Cr4V整體制造，在整體淬火后，頂尖出現了裂紋。后修改設計采用組合結構，頂尖部分仍采用W18Cr4V制造，但尾部換用45鋼，分別經熱處理后，采用熱套方式配合，既解決了頂尖淬火開裂，又節約了高速鋼鋼材，效果較好。

⑤細長零件，其長徑比不宜太大　如機床絲桿、細長軸等，為避免或減少變形，在熱處理時應在井式爐內吊掛加熱，因此其形狀應便于吊具裝夾。

⑥零件應具有足夠剛度　其目的是保證零件在加工特別是熱處理過程中，不會發生畸變，必要時可附加加強筋。

⑦熱處理零件最終熱處理時表面應清潔，并具有較低粗糙度　一般淬火零件粗糙度Ra≤3.2μm；滲碳零件Ra≤6.3μm；滲氮零件Ra≤0.80～0.10μm。

⑧拼焊零件焊縫處，不得要求淬火　因拼焊零件淬火時，焊縫處易開裂。

另外，零件結構形狀和熱處理工藝方法及所選用的設備有一定關系。例如，細長零件應采用井式爐吊掛加熱。熱處理工藝參數不僅應根據選擇的材料來確定，而且還應按零件形狀尺寸因素來調整。淬火冷卻時，細長和圓筒形零件應按長度方向淬入介質；圓盤狀零件應徑向淬入并橫向左右移動；薄片形長刀片應使刃口同時入淬火液；帶各種孔眼、凹槽的零件應選擇使淬火液易于流動的方向淬火。如圖2-6所示。總之，零件結構與所需進行的熱處理工藝應相互配合適應。

2.1.4.2　機床零件熱處理工藝的選擇

若材料和熱處理工藝選擇不當，往往造成使機床精度保持性降低、零件壽命短、工藝復雜、成本提高。材料及熱處理工藝與產品結構、制造工藝、使用壽命和成本有密切的關系，要做到合理選擇，必須對機床的結構性能、零件的服役條件、冷熱加工工藝要求等進行全面了解，然后再根據不同材料及熱處理工藝的特點，通過綜合分析對比確定下來。

機床零件所選用的材料，必須保證其有足夠的剛性和強度，同時應有較好的切削加工性能。其熱處理方案選擇的一般原則如下。

①強度要求不高的工件，多采用碳素結構鋼制造，一般都應該進行正火處理（包括碳素鑄鋼件）。

②為了獲得較好的切削加工性和低的表面粗糙度，工具鋼（碳素和合金）應進行球化退火，低合金結構鋼應進行正火處理。淬硬性好的鋼材，正火后還應進行高溫回火。

③對于強度要求較高及綜合力學性能較好的鋼件，應采用調質處理。

④為減少變形，對于淬火及表面淬火的鋼件，可采用調質處理作為預先熱處理；感應淬火的齒輪也可在粗機械加工后采用感應正火。

⑤對于整體要求高強度、又要求較高耐磨性的零件，可整體加熱淬火，并回火至適宜的硬度。如軸承鋼及合金工具鋼制零件，可整體淬硬至59HRC以上。

⑥對于彈簧鋼制零件（冷拔彈簧鋼絲件除外），均應進行整體淬火回火至42～48HRC。

⑦不適合局部淬硬的小零件如短軸、銷子、螺母及長度小于100mm的螺釘等，需整體淬硬。

⑧對于諸如內外表面要求淬硬的套、蝸桿、齒輪、結合子等零件，由于要求采用表面淬火淬硬的表面較多，應改為整體淬硬。

⑨對于多孔、薄壁、形狀復雜的零件，采用表面淬火加熱不易均勻、質量難以保證，應采用整體淬火、回火。如錐度大的傘齒輪可采用淬火壓床淬火。

⑩對于諸如內六方、內四方螺釘頭部、各種扳手頭部、鍛錘楔鐵等靠近端部有強度、硬度要求的工件，或如上所述不宜采用表面淬火時，可采用鹽浴加熱局部淬火回火。

對于僅表層要求較高的耐磨性和強度，形狀不復雜的零件，如軸、套的外圓表面、機床導軌及滑枕表面、直徑大于50mm的內孔表面等，應采用表面淬火。大模數齒輪齒面也采用單齒表面淬火。

對于局部要求較高耐磨性和強度、形狀不復雜、心部強度要求不高的零件，如軸及螺釘的六方、四方頭部，聯軸器齒部，鎖緊螺母的扳手孔及槽、蝸桿齒部等，可采用表面局部淬火回火。上述零件基本上為深層加熱，淬硬層較深。

高精度、高耐磨性及疲勞強度要求高的零件，如中等以上載荷的齒輪、蝸桿、主軸、套等精密零件及耐磨性要求高的零件，可采用滲碳或碳氮共滲+淬火+低溫回火。

高精度、高耐磨性、高疲勞強度而載荷輕的齒輪、蝸桿、絲桿、主軸、套等精密零件，可采用滲氮或氮碳共滲。對于精度高、載荷輕、形狀復雜、淬火易變形開裂的零件，如花鍵套、多孔分度盤等，也可采用滲氮處理。

對于精密細長零件，粗機械加工后應進行去應力退火；硬度大于60HRC的軸承鋼、合金工具鋼制造的主軸、絲杠和鑲鋼導軌等精密零件，整體淬火后應進行冷處理。所有精密零件在精磨以后應進行一次或多次低溫時效處理。

影響機床精度的鑄鐵件，在粗機械加工后應進行時效處理；有精度要求的焊接件，焊接后應進行高溫回火處理。

2.1.4.3　機床零件熱處理技術要求的確定

熱處理技術要求，是零件設計者在材料確定后提出的，并應在圖樣上標注出來。機床零件熱處理技術要求，一般是熱處理質量的檢驗指標，主要包括硬度和其他力學性能指標，淬硬層深度，顯微組織的控制標準，熱處理允許的變形量等。

2.1.4.4　熱處理工序的安排與熱處理工藝性

一個機床零件的產生是由各種加工工藝配合的結果。在正確設計和合理選材的基礎上，只有合理安排各加工工藝流程，才能生產出符合技術要求、成本低的零件。各加工工序之間有著密切的聯系和影響，特別是熱處理工序，其他加工工序對熱處理工藝性和熱處理質量都有重要的影響。

（1）熱加工與熱處理工藝性

正確的熱加工（如軋制、鍛造等），可顯著改善金屬材料的性能，消除或減輕原材料中存在的各種缺陷，如氣孔的焊合、粗大樹枝晶和柱狀晶的破碎、非金屬夾雜物形態和大小及分布的改變等。

①鑄造工藝與熱處理工藝性的合理配合　鑄造工藝與熱處理工藝性之間的關系十分密切，其合理配合可有效消除鑄造應力，均勻與改善組織，提高力學性能，從而滿足使用要求。

普通灰鑄鐵是工業上應用最為廣泛的鑄鐵，為消除鑄件冷卻過程中產生的內應力，防止鑄件在后續加工工序中產生變形與裂紋，常需進行低溫退火（即時效處理）。特別是形狀復雜的高精度機床的重要鑄件（如機床導軌等），在機械半精加工后，還應進行第二次時效處理。機床導軌一般采用高強度灰鑄鐵制造，為提高導軌的耐磨性和機床精度的保持性，延長使用壽命，常需進行表面淬火（感應加熱、火焰加熱表面淬火等），以獲得一定深度的硬化層。

球墨鑄鐵生產中常用的熱處理方法有退火、正火、淬火、回火及等溫淬火等，由于其石墨為球狀，對基體的破壞作用可降至最低程度，以致基體的作用可得到較充分發揮，因而幾乎所能采用的熱處理方法都可用于球墨鑄鐵，使其力學性能得到充分的改善。

碳素鋼及低合金鑄件常采用退火、正火、高溫回火等工藝，以消除應力、均勻及改善組織。對于高合金鋼鑄件，為消除枝晶偏析及驅逐因固溶于鋼中的有害氣體氫，常采用高溫長時間的擴散退火等。

②熱變形加工與熱處理的合理配合　熱變形加工的加熱溫度、加熱速度、終鍛（軋）溫度、冷卻方式等都會影響金屬材料的組織和性能以及殘余應力的分布。鍛軋溫度過高，或在臨界變形度范圍內形變，就會導致形成粗大晶粒，并增加淬火后變形開裂傾向；終鍛（軋）溫度過低，也會增加殘余內應力，進而使材料內部出現微裂紋，最終在淬火時會開裂。若在熱加工時未能把碳化物不均勻性和方向性基本消除，就會使鋼的熱處理工藝性惡化，如過熱敏感性增加、淬硬性降低、變形增大等；若精鍛后零件表面上出現脫碳層，在后續熱處理過程中易在零件表面形成高殘余拉應力，甚至造成開裂。總之，不正確的熱變形加工，都會使工件的熱處理質量變差，如組織不均勻，硬度不均勻，力學性能下降。冷卻方式也是造成零件開裂的原因之一。

③焊接與熱處理的合理配合　焊接后的工件在焊縫處為鑄態組織，在熱影響區則可能存在過熱組織，焊縫中還有可能有夾雜、微氣孔等缺陷，并在構件中還存在較高焊接應力。所以焊接件應進行退火或正火來消除內應力及改善組織。復雜的焊接件，在焊接過程中還需進行中間退火或正火。

（2）冷加工與熱處理工藝性

①冷變形加工與熱處理的合理配合　冷擠壓、冷沖壓、冷拉、冷鐓等冷變形壓力加工前，必須經過良好的預先熱處理，以獲得均勻且具有良好塑性的組織（細晶粒及粒狀滲碳體），同時在加工成形過程中或最后還需進行消除加工硬化或殘余內應力的正火或退火處理。對于形狀復雜的精沖壓零件，只有球化退火組織才能獲得高的精度和表面粗糙度。但球化組織的抗拉強度較低，當強度達不到設計要求時，還需用熱處理方法來提高。

②切削加工性與熱處理的合理配合　切削加工性的改善與熱處理工藝性的關系更是密不可分。切削加工性體現在被加工零件的表面粗糙度、切削力的大小以及切削刀具的使用壽命等方面。金屬材料的組織和性能對切削加工性有著重大的影響。不同材料在不同切削加工方式下表現出來的切削加工質量是不一樣的，如表2-4所示。

為改善切削加工性，過共析鋼及共析鋼應采用球化退火，中碳鋼可根據不同要求采用正火、調質或等溫處理。經正火處理的低碳鋼由于硬度達不到良好切削加工表面粗糙度時，可采用噴霧冷卻、不完全淬火等方式來進一步提高硬度，改善切削加工性。對于難切削加工的奧氏體不銹鋼、奧氏體耐熱鋼、耐磨鋼等，僅改變組織很難改善可加工性，則應從切削加工工藝本身的革新來解決，如采用電解液加工、電火花加工、等離子切削等方法。

鋼的組織對磨削過程也有影響。表面存在粗大的網狀碳化物，過量殘余奧氏體，表面脫碳層等均易導致磨削裂紋的產生。另外，磨削裂紋的產生還往往與磨削工藝規范直接相關。所以，解決磨削裂紋，既要求工件有良好的組織，又需根據不同情況制定適宜的磨削工藝。

在大批量生產中，若熱處理生產條件穩定，質量控制及檢測技術較好，可總結出零件在熱處理過程中尺寸及形狀變化規律，從而可修改或制定適當的工藝公差。利用工藝公差來事先補償熱處理工藝的尺寸及形狀變化，保證零件質量。

還需強調的是，零件的切削加工質量對熱處理工藝性也有很大的影響。如零件的車削加工表面太粗糙、刀痕過深，將會引起缺口效應，在淬火冷卻時就會因缺口處局部應力過大而產生淬火裂紋。

（3）熱處理工序的合理安排

一個零件從原材料或毛坯到零件完成和裝配要通過許多道次的冷、熱變形加工工序，熱處理工藝在整個工藝過程中如何安排，對零件的工藝性有很大影響，不同零件在工藝過程中熱處理工序安排是不同的。

①預先熱處理工序位置的安排　它主要指退火、正火、調質等工序。這些工序主要安排在毛坯生產（指鑄、鍛）之后，切削加工之前，有時也安排在粗機械加工之后，精機械加工之前。

a.退火、正火工序。一般安排在毛坯生產之后，切削加工之前。其加工工藝流程為：毛坯（鑄或鍛坯）→退火或正火→切削加工→最終熱處理等工序。

對于精密零件，為消除切削加工造成的附加內應力，在切削加工工序之間往往還安排一次去應力退火。去加工工藝流程為：毛坯（鑄或鍛坯）→退火或正火→粗機械加工→去應力退火→半精機械加工→后續其他工序。

b.調質工序。一般安排在粗機械加工之后，精或半精機械加工之前。一般不安排在粗機械加工之前進行調質，以免坯料粗糙表面的氧化、脫碳層影響調質質量。

調質件的加工工藝流程為：下料→鍛造→退火或正火→粗機械加工→調質處理→半精機械加工或精機械加工→成品或繼續后續工序。

坯料在調質處理時，會產生較大的氧化、脫碳及變形，因此調質處理前的粗機械加工必須留有足夠的加工余量（一般視材質零件直徑不同單邊留有2～4mm的加工余量）。例如38CrMoAlA鋼加熱時脫碳傾向大，為此其加工余量應在正常范圍基礎上還應再增加50％以上。此外，為控制調質件的變形量，在工藝上應規定允許的變形量，若超過就應增加校直工序。調質處理前的加工余量如表2-5所示。

對于灰鑄鐵件、鑄鋼件、某些鋼軋制件及鍛鋼件，經退火、正火或調質處理后，往往不再進行最終熱處理，這些工序也就成為事實上的最終熱處理工序。

②最終熱處理工序位置的安排　零件經最終熱處理后，由于硬度高，只能進行磨削加工，故工序位置應盡量靠后，一般均安排在半精機械加工之后，磨削工序之前進行。

a.淬火工序。

?整體淬火件的加工工藝流程一般為：下料→鍛造→退火（或正火）→粗機械加工→半精機械加工→淬火、低溫或中溫回火→磨削加工→成品。

?感應淬火件的加工工藝流程一般為：下料→鍛造→退火（或正火）→粗機械加工→調質處理→半精機械加工→感應淬火、低溫回火→磨削→成品。

由于零件淬火后往往會產生較大的變形，若零件淬火加熱保護條件不好，還會出現氧化、脫碳現象。因此，需根據具體熱處理條件預留一定加工余量，以備最終熱處理后再經磨削加工去除。淬火件預留磨量如表2-6～表2-10所示。

注：振擺僅指花鍵部分，其余部分仍按一般軸類件考慮。

表面淬火件由于僅表面硬化，故其變形較整體淬火件要小。此外，表面淬火件為提高其心部力學性能及獲得細小的馬氏體表層淬火組織，常需先進行正火或調質處理。由于調質處理后的組織，其比體積比正火后的更接近淬火組織，因而預先熱處理采用調質處理更有利于減少表面淬火后零件的變形。若感應加熱表面淬火之前不加調質處理工序，鍛造后的預先熱處理就必須采用正火處理。若正火后硬度偏高，切削加工性不佳時，可在正火后再進行高溫回火。

b.滲碳淬火工序。滲碳分為整體滲碳和局部滲碳兩種。當滲碳淬火件局部不允許有硬度時，應在設計圖樣上注明。防滲部位可鍍銅或采用多留加工余量的方法，待零件滲碳后，淬火前再去除該部位的滲碳層。局部不滲碳處的加工余量應根據零件設計所要求的滲碳層深度來確定。滲碳淬火件的加工余量如表2-11所示。

注：合金滲碳鋼切除滲碳層的加工余量應增加0.5～1.0倍。

滲碳淬火件的一般加工工藝流程為：下料→鍛造→正火→粗機械加工→半精機械加工→局部滲碳時，對于不需滲碳部位，采取鍍銅保護（或預留去除滲碳層余量方法）→滲碳→（對于預留去除滲碳層余量者，再經切削加工去除不需滲碳部位的滲碳層）→淬火+低溫回火→磨削→成品。

c.滲氮工序。由于滲氮溫度低，且滲氮后不需淬火，故零件變形小，滲氮層硬而薄（滲層一般小于0.6mm），故其工序位置應盡量靠后，一般滲氮后只需精磨或研磨，為防止因切削加工產生的殘余應力引起滲氮件變形，在滲氮前常需進行去應力退火。又因滲氮層薄而脆，工件心部必須有較高的強度才能承受載荷，故一般應先進行調質處理。調質后形成的細密均勻的回火索氏體組織，可提高工件心部的強度和韌性，防止出現異常的滲氮層組織及脆性，從而可獲得良好的滲氮層。

滲氮件的加工工藝流程一般為（以38CrMoAlA鋼為例）：下料→鍛造→退火→粗機械加工→調質處理（注意：其后需切試片進行金相組織檢驗，表面鐵素體量應小于5％）→半精機械加工→去應力退火（注意：其加熱溫度應小于調質處理的高溫回火溫度）→粗磨→滲氮（注意：帶試片，以利于滲氮后金相組織及滲層深度檢驗）→精磨或研磨（注意：對高精度零件，為避免研磨過程產生的附加應力造成工件變形或開裂，應在兩次精磨或研磨之間增加一次低溫穩定化處理工序）→成品。

對需精磨的滲氮件，粗磨時直徑應留0.10～0.15mm的加工余量；對需研磨的滲氮件，則只需留0.05mm的加工余量。

零件不需滲氮部位可鍍錫（或鍍鎳）保護，也可留1mm防滲加工余量，滲氮后再磨去。

d.其他情況時的加工工藝流程的合理安排。在實際生產條件下，常因某些特殊需要，如零件毛坯尺寸的改變或者為了防止工件的淬火變形或開裂等，在制定具體加工工藝流程時，熱處理工序還會有所變動，為此還應根據具體情況進行調整。

?如采用型材毛坯，則鍛造及其后的退火或正火等工序便可省去。

?對于細長軸類和形狀復雜的零件，在粗機械加工成形后，安排一道去應力退火工序，以消除切削加工引起的應力，對減小淬火變形十分有利。

?對于一些精密零件，為消除切削加工造成的殘余應力，應同滲氮件一樣，在粗機械加工后可穿插去應力退火或時效（或稱穩定化）處理以減少變形。而對于諸如精密機床主軸、絲杠等需要精磨的精密零件，在最終熱處理及粗磨后，一般安排1～2次時效處理（注意：處理溫度應低于回火溫度，時間應在10h以上，一般放在油浴爐內進行，習慣又稱油煮定性），以消除磨削應力，穩定工件尺寸，防止隨后發生變形。對于精密絲桿，有時還采用先整體淬火、回火，再將螺紋磨削成形，以保證精度，防止開裂。

?適當調整加工工藝流程的順序，以利于減少工件變形。

一45鋼制鎖緊螺母（見圖2-7），要求四個槽口部分的硬度在35～40HRC。當槽口、內螺紋等全部加工后，再整體淬火、回火，槽口硬度雖可達到要求，但內螺紋變形較大（漲大），不能保證精度；若先熱處理后再切削加工，則又嫌硬度較高，切削加工困難。因此，通過將熱處理方法及工序位置調整來解決這些矛盾。其加工工藝流程如下：下料→調質處理（硬度25～30HRC）→加工槽口→槽口高頻感應淬火（硬度達35～40HRC）→加工內螺紋。

這樣，既滿足了槽口的硬度要求，又保證了螺紋的精度。

又如，圖2-8所示是45鋼制齒輪，它有6個ф35mm孔靠近齒根。若先加工出這些孔再進行高頻淬火，則齒部靠近ф35mm孔處的節圓直徑將會變小，因此只能在高頻淬火后再鉆這6個孔。

再如圖2-9所示的鑲條，選用20Cr鋼，滲碳層深度為1.3～1.7mm，淬火、回火后硬度為56～62HRC。由于一面有配作孔，鑲條在滲碳后必須將配作面的滲碳層加工掉，結果鑲條兩面的碳含量不同，淬火時體積變化不同。滲碳面碳含量高，淬火后表面殘余壓應力較大，配作面去碳后碳含量低，殘余壓應力較小，結果造成很大變形。由于校直困難，影響磨削加工。如改成按下述加工工藝流程加工，可減少變形：下料（兩件）→粗機械加工→滲碳→開切口→淬火、回火→切開（分成兩件）→磨削，配作。

總之，合理的熱處理工序安排，既可達到技術要求，又可減少零件的變形。

以下就金屬切削機床典型零件的熱處理特點作一分析說明。