热处理是机械加工之前或之后的一种加工操作选择。为什么要使用一种方法而不是另一种方法？CNC加工前和CNC加工后热处理工艺都很常见，并且都具有特定的优点和注意事项。您选择的金属热处理和机加工顺序可能会影响零件的材料特性、机加工工艺和公差。

CNC加工前的热处理

优点

选择经过预热处理的金属确实有一些优点。使用硬化金属，您的零件可以保持更严格的公差，并且由于可以轻松获得经过预热的金属，因此采购材料变得更加容易。而且，如果等到机械加工后，热处理又会在生产过程中增加另一个耗时的步骤。

缺点

使用已经过热处理的材料会影响加工（较硬的材料需要更长的加工时间，并且刀具磨损更快，这会增加加工成本）。根据所采用的热处理类型以及材料受影响的表面深度，如果切掉材料的硬化层，那么您首先就会违背使用硬化金属的目的。加工过程也有可能产生足够的热量来增加工件的硬度。某些材料（例如不锈钢）在加工过程中更容易出现加工硬化，因此需要格外小心以防止这种情况发生。

热处理后数控加工

优点

另一方面，加工后热处理可以让您更好地控制工艺过程。热处理有多种类型，您可以选择使用哪种热处理来获得所需的材料特性。机加工后的热处理还可以确保零件表面的热处理效果一致。对于经过预热处理的材料，热处理可能仅影响材料到一定深度，因此机械加工可能会去除某些地方的硬化材料，而不会去除其他地方。

缺点

如前所述，机加工后的热处理由于外包该工艺的额外步骤而增加了成本和交货时间。热处理还会导致零件翘曲或变形，影响加工过程中实现的严格公差。由于热处理过程中经历的变化，保持严格的公差更加困难。从第一手经验来看，大型烤箱很难精确保持温度，这是对数控加工零件进行热处理时需要考虑的问题。

热处理

一般来说，金属热处理是将金属暴露在指定温度一段时间，以改变材料性能，如强度、延展性和韧性，或减轻材料中产生的残余应力。通常，这意味着增加金属的强度和硬度，使其能够承受更极端的应用。然而，某些热处理工艺（例如退火）实际上会降低金属的硬度或软化金属。让我们看一下不同的热处理方法。

硬化

您猜对了，硬化用于使金属变得更硬。硬度越高意味着金属在受到冲击时不太可能凹陷或留下痕迹。金属的硬化实际上提高了其对塑性变形的抵抗力。硬化还增加了金属的拉伸强度，即材料失效和断裂的力。更高的强度使材料更适合某些应用。硬化通常适用于黑色金属（如钢），尽管钛或铝等其他金属也可以经历类似的过程（称为氮化）。

当金属硬化时会发生什么？

在硬化过程中，工件被加热到高于金属临界温度或其晶体结构和物理性能发生变化的点的特定温度。临界温度是金属发生相变（例如当钢变成奥氏体时）或富含溶质的沉淀物溶解时的温度。将金属保持在该温度，然后通过在水、盐水或油中淬火来冷却。

淬火过程可以形成非常细小的富含溶液的沉淀物，这不可避免地稳定了金属的晶体结构，并在晶界处留下了较小的变形空间。这增加了金属的硬度和屈服强度。淬火液取决于金属的具体合金。每种淬火液都有独特的冷却速度，因此根据您需要冷却金属的速度来选择。

表面硬化

表面硬化或表面硬化是一种仅影响材料外表面的硬化类型。此过程通常在机械加工后完成，以形成耐用的外层。

表面硬化工艺适用于钢合金，通过在高温下将碳、氮或硼（分别称为渗碳、氮化和硼化）扩散到钢的外层，然后进行热处理以提高硬度。碳、氮或硼的渗透深度取决于暴露时间和暴露温度。

零件的外层通常经过表面硬化以耐压和抗冲击，而零件的内部则可以保持软化和延展性。这种软核和硬壳的组合可以改善疲劳和高应力抵抗力，对于齿轮和轴承特别有用。

沉淀硬化

沉淀硬化是一种在低温下进行的热处理工艺，用于具有某些合金元素的特定金属。这些元素包括铜、铝、磷和钛。沉淀硬化分为三个阶段：

1、固溶退火，用低于金属共晶温度的化学溶液处理金属，以使特定元素沉淀；

2、淬火，允许沉淀元素溶解，以及

3、时效，即加热零件并形成两相基体合金。当长时间加热时，这些元素会在固体金属内沉淀或形成固体颗粒。这会影响晶粒结构，从而提高材料的强度和耐腐蚀性（最常见）。

退火

不要翻白眼，但退火就像金属的健康疗养所。退火用于软化金属，以及消除应力并增加材料的延展性。此过程使金属显着更易于加工。在微观结构层面上，金属更加细化，因此软化。您可以对钢、铜、铝和黄铜合金进行退火。

退火过程是如何完成的？

为了对金属进行退火，将金属缓慢加热到特定温度（高于材料的临界温度），保持在该温度，最后以缓慢的设定速率冷却。这种缓慢的冷却过程是通过将金属埋在绝缘材料中或在炉子和金属冷却时将其保留在炉子中来完成的。

退火过程分为三个冶金阶段：

1、恢复，在加热过程中发生；去除晶体缺陷（主要是晶体结构中的线性位错）；导致金属内应力降低；

2、再结晶，发生在受控冷却过程中；导致晶粒成核和生长，以取代由于内应力而变形的任何区域；促进晶粒结构的均匀性和金属的软化；

3、如果退火过程持续时间过长，可能会出现晶粒长大；导致显微组织粗大，限制延展性并可能导致金属强度减弱；

从热力学的角度来看，退火实际上加速了内部应力消除的自发过程（通过增加热量充当催化剂），这在技术上是金属吉布斯自由能的降低。冷却实际上促进了金属内晶格空位的消除，从而通过创建更均匀、更坚固的晶体结构来减少应力。

回火

回火是一种特殊工艺，对硬化和淬火的金属进行，以释放应力并软化它们，类似于退火工艺。回火过程基本上是重新加热已经硬化的金属。回火通常发生在比硬化更低的温度下，并通过金属间颗粒的沉淀产生相变（即钢合金中的贝氏体、马氏体和铁素体），从而提高强度和延展性。时效是铝合金的一种特殊回火类型。

沉淀硬化合金必须经过固溶处理，加热金属以使合金元素均匀分布和溶解，并快速淬火以防止这些元素从固溶体中脱落。这些沉淀硬化合金在低于固溶温度的温度下回火。该机制类似于钢的回火原理，但具体机制是金属间化合物的沉淀，它通过防止晶体结构内位错的形成来增加金属的强度。这些金属间化合物析出物的数量和总体尺寸由回火过程中的时间和温度控制。