什么是硬化？设计人员需要了解的类型和绘图说明。

在这里，热处理用于机械零件。设计人员需要了解的淬火类型和绘图说明。　注释

很多人认为，淬火只是在图纸说明中写明的一种硬化钢材的工艺。　我曾有过一次惨痛的经历，由于说明不充分，一个关键部件出现了淬火裂纹，这让我从根本上改变了看法。设计夹具　和......和机械制造材料　可以利用这一点来调整

许多网站解释了不同类型的淬火和个别技术。　但是，从钢材淬火的基本冶金原理到如何将其融入设计并最终转化为图纸说明，并在不产生误解的情况下传达给生产车间，能够提供连贯学习流程的信息并不多。

本文旨在填补这一空白。首先，我将揭示淬火如何硬化钢材的科学原理，以及对调节性能至关重要的回火的重要性。　然后，我将比较各种处理方法和防止缺陷的设计技巧，最后，我将解释如何编写具体的绘图说明，以全面优化的学习流程准确传达设计者的意图。

淬火硬化钢材的基本原理。

淬火硬化钢的原理。

当设计师指示 "淬火 "时，该工艺的本质是重新设计钢材的原子结构，使其具有新的特性。　它存在于以下领域。　　淬火是将钢加热到特定高温，然后迅速冷却的过程、热处理技术可显著提高硬度、强度和耐磨性。是

要了解这一过程，设计师首先需要了解加热过程。　　当钢材被加热到大约 800°C 至 900°C 的高温范围时，其内部的微观结构会转变为一种被称为 "奥氏体 "的特殊状态，从而产生大量的碳固溶。这一准备阶段决定了在随后的冷却过程中会产生什么样的特性。　因此，它是所有淬火工艺的起点。

奥氏体到马氏体

如上所述，加热至高温的钢是奥氏体钢。使用水或油等冷却介质从这种状态快速冷却后，钢的内部微观结构会发生显著变化，变成一种非常坚硬的状态，称为 "马氏体"。做。

如果缓慢冷却，原子会逐渐排列整齐，形成相对柔软和稳定的结构。　　但是淬火的目的是不让这种稳定化发生，也不让原子有时间通过快速冷却发生迁移。　　因此，原子被固定在一种不规则的扭曲状态，这种内部 "应变 "正是马氏体高硬度的来源。　　向马氏体的转变是钢硬化的核心现象。

提高耐磨性和疲劳强度

通过淬火获得的马氏体微观结构，由于原子结构中存在较大的应变，因此具有极高的抗外力变形能力。　　这种特性可提供机械零件所需的优异硬度和耐磨性。

特别是在进行表面硬化处理（如感应硬化）时，压缩方向的力（压缩残余应力）会作用在硬化的表面层上。　　这种力是抑制微裂纹（疲劳断裂的起点）产生和扩展的效果。以下是该系统的一些最重要的优点。　　因此，承受重复载荷的部件的寿命（即疲劳强度）可显著提高。

失去韧性，换来硬度。

设计者必须了解淬火所带来的高硬度的代价　它伴随着以下几点。　　这是材料的 "脆性"。虽然马氏体结构非常坚硬，但其冲击韧性（即韧性）却大大降低。

例如，淬火状态下的钢和玻璃一样硬，但很脆。就是这样。　　因此，在用作机械零件时，极有可能在最轻微的冲击下发生碎裂或断裂。在实际使用中，这种部件是不可行的，因此以下工序对于适当调整硬度和恢复韧性是绝对必要的。

淬火零件必须进行回火

消除残余应力，防止出现放置裂缝。

回火是在淬火后将钢材再次加热到适当温度以恢复其韧性的一种热处理方法。　从设计者的角度来看，回火的最重要目的之一是 "消除残余应力"，以确保部件的可靠性。

由于淬火过程中的快速冷却和微观结构变化，部件内部积累了非常大的隐形力。　　如果不对这种残余应力加以控制，经过一段时间后，部件就会突然开裂。安置裂缝 "的致命缺陷。并可能导致零件在加工后出现尺寸变形。　　回火可大大降低这些危险的内应力，确保部件的可靠性和尺寸稳定性。通常情况下，热处理制造商不会在淬火后留出时间来避免这种风险。

以硬度为重点的低温回火

低温回火是在大约 150°C 至 250°C 的相对低温范围内进行的回火。　　当设计人员希望尽量减少淬火后的高硬度损失，同时消除上述有害残余应力时，就会选择这种方法。

这种处理方法适用于耐磨性要求极高的部件，例如切削工具、精密测量仪和轴承等产品热处理过程的温度范围在 -40 °C 至 +40 °C 之间。　　从热处理工程师的角度来看，在这一温度范围内加热可将硬脆的 "硬化马氏体 "转变为 "回火马氏体"，并略微恢复韧性。

高温回火，注重韧性

高温回火在大约 400°C 至 650°C 的高温范围内进行，也被称为 "回火"。　　设计者选择这种处理方法的目的是以牺牲一些硬度为代价，大幅提高韧性、获得强度和韧性兼顾的坚韧材料。　这是为了

它广泛用于需要承受高冲击和重复载荷的结构部件，如轴、齿轮和高强度螺栓。　　性能设计的关键在于设计者根据零件的性能要求，选择（或请加工制造商建议）合适的回火温度。　　让我们以典型的结构合金钢 SCM435 为例，看看回火温度与机械性能之间的关系。

SCM435（AISI 4140）回火特性示例

*注：250-400°C 范围可能属于低温回火脆性区，需要在设计时加以注意。数据为典型值；实际值可能因钢的成分和条件而异。

应避免的回火脆性温度范围。

回火温度不能随意选择，设计人员必须避免 "危险温度范围"。　　在特定温度范围内进行处理不仅不会提高韧性，反而会使材料变脆出现 "回火脆性"。要做的事

不同钢种的危险温度范围略有不同，但一般有两个范围。

• 低温回火脆性：约 250°C - 400°C
• 高温回火脆性：约 450°C 至 550°C

在图纸中标明回火时避免这些温度范围对确保部件可靠性至关重要。

什么是工具钢的二次硬化？

在普通钢材中，回火温度越高，硬度越低。　但是，对于含有许多特殊合金元素（如钨和钼）的工具钢，在 500°C 至 600°C 等高温下回火会对硬度产生不利影响。二次硬化 "的特殊现象，即硬度增加。可以看到。

从热处理工程师的角度来看，这种现象是由于加热在结构上形成了新的、非常坚硬的特殊碳化物。　　这种特性被积极用于提高需要在高温下保持硬度的高性能模具和切削工具的性能。

[防止混淆] 回火与退火/正火的区别。

回火 "一词有时会与 "退火 "或 "回火 "相混淆，因为它们听起来很相似。　　然而，这两种热处理的目的和过程完全不同。　　设计师必须清楚地了解这些差异，才能给出正确的指导。

简言之，每项计划的目标如下。

• 回火：使经过淬火硬化的钢材具有 "韧性"（韧性）。调整过程是
• 退火目的：使钢材尽可能 "软"，以便于加工。筹备过程是
• 正常化目的：改善钢的冶金结构，使其 "均匀、精细"，并提高其性能。筹备过程是

每种热处理与其在工艺中的位置之间的关系

最重要的是淬火和回火是一系列工序，始终作为一组工序进行。这意味着　　另一方面，退火和回火是预处理"。它通常作为淬火和回火工艺进行，通常不在淬火和回火后进行。这是因为淬火和回火所获得的硬度和韧性会丧失。

• 退火作为预处理：如果材料太硬，无法加工，则首先使用退火来软化材料，使其更容易切割。　成型后，通过淬火和回火获得最终强度。
• 正火作为一种预处理方法：由于锻造或其他工艺的原因，金属结构变得不均匀，在淬火前将其调整到均匀状态。　这样可确保淬火结果更加均匀可靠。

不同热处理的比较

因此，每种热处理都是一个独立的过程，但每种热处理都在完成单个部件的大流程中的适当阶段发挥着重要作用。　　作为设计者，您必须了解这些差异，并着眼于部件的整个制造过程。

根据应用选择硬化类型

多种类型的淬火　存在。　　以下是五种最典型的硬化类型的摘录说明。

整体淬火以提高整个部件的强度

整体淬火又称 "zub quenching"，是一种将整个部件均匀加热，然后浸入油或水中冷却整个部件的方法。　　理论上，这将硬化整个部件，从表面到中心。

设计师的视角

需要整个部件具有均匀的强度和韧性时的最佳选择。　它适用于工具、模具和螺栓等需要整个部件承受载荷的应用。不过，由于整个部件都要加热和冷却，设计时必须考虑到热变形（畸变）往往比其他方法更大。

工程师的观点

处理温度大约设定在 800-900 °C，然后用油或水快速冷却。对于壁厚较大的工件，在选择冷却方法时必须谨慎，因为中心的冷却速度往往较慢，会造成一种称为 "质量效应 "的现象，即硬度比表面降低。

仅用于表面硬化的高频淬火

高频淬火　是一种表面硬化方法，它利用电磁感应原理有选择地快速加热和冷却部件的表层。　　利用高频电流集中在导体表面的 "表皮效应 "特性，导体内部不会被加热，只有表面可以在保持原有韧性的情况下被硬化。

设计师的视角

它适用于需要耐磨性的表面和需要韧性以承受冲击的内部（心）。　典型的应用包括齿轮齿面和轴轴承等。其主要优点是只对必要部分进行淬火，由于整个表面不需要加热，因此热变形非常小。

工程师的观点

通过精确控制加热线圈的形状、频率、输出和加热时间，可以控制固化的面积和深度。加热周期极短，只有几秒钟，可以集成到自动化生产线中进行批量生产。

适合大型部件的火焰淬火

火焰淬火是一种直接从燃烧器喷出高温火焰（如使用氧乙炔气）加热表面然后冷却的方法。

设计师的视角

由于它不需要像感应淬火那样的专用线圈，因此适用于超大型零件、几何形状复杂的零件或小批量生产，在这些情况下，生产专用线圈的成本不值得考虑。主要应用于机床的滑动表面和大型齿轮。

工程师的观点

加热温度和硬化层深度的均匀性在很大程度上取决于操作人员控制火焰、移动速度和距离的技巧。由于温度控制的精度不如感应淬火，因此需要熟练的技术来确保质量的一致性。

渗碳淬火以改变表面质量

渗碳和淬火不仅是一种热处理，还是一种改变钢表面化学成分的 "热化学处理"。　含碳量低的钢材在淬火后不会硬化，而是在富碳气氛中加热至高温。这使得碳渗入表层，形成高碳钢状态，随后的淬火仅使表层硬化。

设计师的视角

这种方法非常适合将表面的极高硬度和耐磨性与芯部的高冲击韧性这两种相互矛盾的特性结合在一个部件中。这种方法适用于在恶劣条件下使用的零件，如汽车中的高性能齿轮。

工程师的观点

由于处理是在大约 900-950°C 的高温下进行的，持续时间为数小时或更长，因此热变形往往比其他表面硬化方法更大。因此，基于处理后变形消除和精加工的尺寸设计非常重要。

氮化处理具有低失真优势

渗氮是另一种热化学处理方法。　但在比渗碳温度更低的温度下（约 500°C 至 550°C），氮原子会渗入钢的表面。　氮与钢中的合金元素发生反应，形成非常坚硬的氮化物，使表面硬化。由于不使用马氏体转变，因此不需要淬火（快速冷却）工艺。

设计师的视角

当尺寸精度是重中之重时，它比其他任何淬火处理方法都更为可行。由于处理温度较低，几乎不存在与淬火相关的尺寸变化和变形。因此，它可用于最终精加工后的精密模具和精密机器零件。

工程师的观点

其特点是硬化层很浅，加工时间长。　　虽然硬度很高，但可能不适合承受高冲击负荷的应用，因此必须仔细考虑部件的工作环境。

防止淬火缺陷的设计和材料。

形状设计可防止烤裂和变形。

淬火中的 "淬火裂纹 "和 "淬火变形 "等缺陷主要是由于快速冷却过程中温度不均匀和零件内部发生微观结构变化造成的。　这些缺陷的风险不仅可以通过制造工艺的巧妙设计大大降低，还可以通过设计阶段的考虑大大降低。

作为设计者，应特别注意形状设计，以避免应力集中。　　尖角和壁厚突然变化的区域在热处理过程中容易产生应力集中，很容易成为烧裂的起点。提供尽可能大的半径 R（转角半径）并使壁厚尽可能均匀是提高热处理成功率的基本设计准则。

防止热处理引起的尺寸变化。

由于微观结构变化引起的体积膨胀和残余应力导致的变形，在进行淬火时尺寸变化原则上是不可避免的。　　对于尺寸精度要求特别高的部件，必须事先设计好这些尺寸变化。

作为设计者，需要采取的一项具体措施是提供 "磨削余量"（shiro），以便在热处理后精加工到最终尺寸。　　这样，热处理造成的轻微变形和尺寸变化就可以在随后的磨削过程中被吸收。　　这也是因为机加工产生的内应力会加剧热处理造成的变形、如果需要，热处理制造商可在淬火前进行 "去应力退火"。

淬透性是选择材料的关键。

淬透性是钢材性能的一个指标，例如 "淬透的难易程度和深度"。　　它是钢材可达到的最高硬度(主要由碳含量决定）是一个不同但非常重要的概念。

铬（Cr）和钼（Mo）等合金元素在改善这种淬透性方面发挥了作用。　　即使在冷却速度相对较慢的零件中心，这些元素的存在也有助于形成马氏体结构。因此，设计人员选择具有与零件尺寸和壁厚相称的淬透性的材料是成功进行热处理的关键。

在图纸中做出正确的硬化说明。

由设计师提供绘图说明。

图纸上的热处理说明是一种技术 "契约"，可确保设计者的意图准确传达给制造现场。　模棱两可的说明必须清晰而具体，因为它们可能直接导致性能不佳和制造问题。

设计者至少应在图纸上包括以下内容

• 处理方法：说明使用了哪种方法，如整体淬火（回火）、感应淬火等。　　使用 JIS 符号也很常见，如 "HQT（淬火和回火）"。
• 处理区域：对于表面硬化，需要硬化的区域应在图上清晰标明，例如用粗单点线标明。
• 硬度：指定所需的硬度。

设计者的一个重要职责就是确保这些信息不被过多或过少描述。

HRC 和有效硬化层深度规格

在确定硬度时，设计师应遵循一些重要规则。

HRC（洛氏 C 标度）

钢材淬火后的硬度一般用 "洛氏硬度 C 级"（HRC）来表示。　　在进行标示时，为了考虑到制造过程中的正常变化，通常会指定一个范围，如 "HRC 52-57"，而不是一个单一的数字，如 "HRC 55"。

有效硬化层深度

在表面硬化（如感应淬火）中，"有效硬化层深度 "的指定与硬度一样极其重要。　　这是指从表面到保持特定硬度（在 JIS 中一般规定为 550 HV）位置的距离，是与零件的耐磨性和疲劳强度直接相关的性能指标。在图纸上，也应明确标出一个范围，如 "有效硬化层深度 0.8 至 1.2 毫米"。

通过正确的淬火达到您想要的性能。

正如本文所述，正确的淬火说明不仅仅是指定硬度的问题。　　为了给出正确的淬火说明，必须始终注意以下几点

• 淬火是通过使钢材的微观结构马氏体化而硬化的过程
• 淬火后变脆，因此必须通过回火恢复韧性。
• 通过选择回火温度来平衡硬度和韧性。
• 消除残余应力对防止放置裂缝和尺寸稳定性非常重要。
• 根据部件的用途和形状选择最合适的淬火方法。
• 整体淬火适用于提高整个部件的强度
• 感应淬火适用于只需对表面进行淬火且变形较小的情况
• 渗碳淬火是一种使低碳钢表面硬化的处理方法
• 氮化处理是一种表面硬化方法，适用于对变形要求极高的精密部件。
• 在设计阶段尽量避免应力集中。
• 避免尖角和提供足够的角半径是防止烧裂的基础。
• 选择淬透性与部件尺寸相适应的材料。
• 图纸清楚地标明了处理方法、范围、硬度和有效硬化层深度。
• 一定要在一定范围内指定硬度和淬硬层深度。
• 通过整合这些知识，可以进行可靠的机器设计。

上图