CNC加工零件热处理：增强强度、硬度与性能

改变金属性质及其对精密加工响应的方法很多。热处理就是其中之一。热处理影响金属许多不同方面，包括强度、硬度、韧性、加工性、成形性、延展性和弹性。也影响金属物理机械性能，从而改变金属用途或改变金属未来加工。这些变化因材料微观结构有时化学成分变化而发生。

这里我们深入研究CNC加工中最常用金属合金相关热处理，及这些热处理如何影响精密加工零件。

什么是热处理？

许多标准CNC生产设施使用热处理。制造商可通过选择包含热处理工艺改变成品组件强度、塑性和耐腐蚀性。这些处理涉及将金属合金加热到（通常）极端温度，然后在受控条件下冷却以改变材料物理状态或机械性能。材料加热温度、保持温度时间、冷却速率极大影响金属合金最终物理性能。设计工程过程部分是确定零件所需物理性能，选择最佳金属满足要求。金属合金加工前或后热处理可大幅改善关键物理性能。热处理增加金属硬度、强度或加工性。

热处理类型

退火

退火是将材料加热至临界温度再缓慢冷却的热处理工艺。退火改变材料物理结构，使其更软更具延展性。退火是将铝、铜、钢、银、黄铜等金属加热至特定温度并保持一段时间使其转变，然后空冷的热处理方法。此过程增加金属延展性、降低硬度，使金属更易加工。铜、银、黄铜可快速或缓慢冷却，而钢等铁金属必须始终缓慢冷却才能退火。退火通常在所有金属合金成形后、进一步加工前进行以软化它们、改善加工性，使硬质材料不易开裂破碎。若未指定其他热处理，大多数CNC加工零件材料性能为退火状态。

回火

回火也在低于退火温度下加热零件，通常在淬火低碳钢（1045、A36）和合金钢（4140、4240）后进行。回火可改变金属硬度、延展性和强度，通常使其更易加工。金属加热至临界点以下温度，因较低温度降低脆性同时保持硬度。

消除应力

消除应力涉及将零件加热至高温（但低于退火），然后缓慢冷却零件。通常用于CNC加工后消除制造过程产生的残余应力。这样可生产力学性能更一致的零件。消除应力是消除材料前序制造过程中内应力的必要条件。若无应力消除，零件使用中会开裂或失去公差，最终导致零件损坏。

淬火

淬火涉及将金属加热至极高温度然后快速冷却。通常将材料浸入油、水或暴露于冷空气流中。但视零件所需最终机械性能，有时用聚合物或盐。快速冷却"锁定"材料加热时经历的微观结构变化，导致零件极高硬度。零件通常在CNC加工后作为制造工序最后一步淬火以实现高表面硬度。随后可用回火工艺控制所得硬度。例如工具钢A2淬火后硬度63-65 HRC，但可回火至42-62 HRC硬度。回火可降低零件脆性，延长使用寿命（硬度56-58 HRC效果最佳）。

表面硬化

表面硬化是一系列热处理，可使零件表面高硬度同时保持内部材料柔软。这通常比给整个零件体积添加硬度（如淬火）更好，因为更硬零件也更脆。渗碳是最常见表面硬化热处理。对低碳金属（如钢），必须向表面注入额外碳，然后淬火将碳锁定在金属基体中，以类似阳极氧化增加铝合金表面硬度的方式增加钢表面硬度。表面硬化通常作为零件加工后最后一步工艺。结合高温与其他元素化学品产生硬化外层。因硬化使金属更脆，表面硬化适用于需柔性金属且具耐磨层的应用。

热处理何时应用？

金属合金可在整个制造过程中热处理。对CNC加工零件，通常用以下热处理：

CNC加工前：若需提供标准化牌号金属合金，CNC服务商将直接从库存材料加工零件。这通常是缩短交货时间的最佳选择。

CNC加工后：某些热处理可显著增加材料硬度，或作为成形后精加工步骤。这些情况下高硬度降低材料加工性，故CNC加工后热处理。例如CNC加工工具钢零件是标准做法。

订单中如何指定热处理

下CNC订单时，有三种方式要求热处理：

引用制造标准

许多热处理已标准化广泛使用。例如铝合金T6指示符（6061-T6、7075-T6等）表明材料经沉淀硬化。

指定所需硬度

这是指定工具钢热处理和表面硬化常用方法。将向制造商指示CNC加工后需进行哪种热处理。例如D2工具钢硬度通常56-58 HRC。

指定热处理循环

这需要冶金学专业知识。若您了解不同热处理如何影响金属，可指定所需热处理工艺以专门修改应用材料性能。