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金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。
钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。
另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。
二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。
一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；
30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；
60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；
激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。
这些过程互相衔接，不可间断。
加热是热处理的重要工序之一。
金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。
电的应用使加热易于控制，且无环境污染。
利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。
金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳（即钢铁零件表面碳含量降低），这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。
因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。
加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。
加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。
另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。
采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。
冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。
一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。
但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。
表面热处理是只加热工件表层，以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。
为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部，使用的热源须具有高的能量密度，即在单位面积的工件上给予较大的热能，使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。
表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理，常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。
热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。
大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能，如耐磨、耐腐蚀等。
还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工。
1铣刀的服役条件：
刀具在切削的主要材料是金属材料，在机床上的切削速度较大，会产生较大的切削热量，刀尖上的温度较高。
刀具在切削时，刀尖与工件之间，刀尖与切除的切削之间会产生强烈的摩擦，因此要求刀具必须有高的硬度。
一般来说，刀具的硬度越高，耐磨性也越好。
刀尖要承受挤压应力和弯曲应力，还要承受不同程度的冲击力，因此刀具必须具备较高的抗弯强度和挤压强度，还应有较高的冲击韧性。
同时伴随摩擦还会产生高温，因此刀具必须具备高温硬度和热硬性，特别是高速切削和加工难切削材料时热硬性尤为重要。
有时韧性成为刀具的重要性能，因为刀具在切削过程中，刀尖会在外力的作用下产生崩刃、折断和破碎等情况，这时韧性就决定了工具的寿命，因此国外及其重视刀具的韧性。
2铣刀的失效形式：
切削刀具常见的失效形式主要有以下几种：
（1）磨损磨损是在正常使用的情况下，切削刀具最常见的失效形式。
切削刀具产生严重磨损时会发出尖叫声或产生严重振动，甚至无法切削。
磨损大都是由于刀具与加工工件或切屑之间的磨粒磨损造成的，有时也可能是由于工件表面形成积屑瘤而形成的黏着磨损所造成的。
刀具产生不正常磨损的主要原因是耐磨性不高，耐磨性不高大都是硬度不足或热硬性不足造成的。
热处理时产生的刀具表面脱碳、脱元素等现象也可能造成耐磨性降低。
为提高刀具表面的耐磨性，应该选择高耐磨性、高热硬性的原材料，热处理时，在不使切削刃脆化的前提条件下，尽量提高工具的硬度；
选择合适的表面处理，也可以提高刀具表面的耐磨性。
（2）崩刃崩刃也是切刀具常见的失效形式之一，其中包括微崩刃、大块崩刃、掉牙、掉齿等现象。
很多崩刃现象的产生是由于切削时切削刃长期承受周期性的循环应力所产生的一种疲劳坏现象，有时也可能是由于突然产生的冲击应力造成的。
间断切削的刀具或切削时承受较大冲击载荷的刀具更容易产生崩刃现象。
制造这类刀具的原材料应该组织均匀，不应有严重的碳化物偏析，热处理硬度应取下限，不应产生过热及回火不足等增加工具脆性的现象。
（3）断裂、破碎切削工具由于承受较大的冲击力或因刀具自身的脆性较大时会产生整体断裂、破碎现象、如砖头的扭断，锯条的折断，锯片铣刀的破碎等都属于这一类。
刀具的断裂、破碎与工刀具本身的韧性不足有关，但这种失效不完全是韧性不足引起的，如拉刀的断裂有时就是因为强度不足或内裂纹引起的。
仪表用的小钻头多以折断形式失效，但试验分析表明，小钻头折断不完全是钻头本身脆性大造成的，多数情况下是因为钻头的耐磨性不够，产生较大的磨损以后还继续钻削，切削阻力增大，这是钻头折断。
（4）被加工工件达不到技术要求在切削过程中，由于刀具产生严重磨损或刀具的切削刃上有明显的崩刃现象，这时刀具虽然可以继续切削，但由于被加工工件的尺寸精度或表面粗糙度达不到技术要求，因而刀具不能继续使用。
3铣刀的性能特点：
刀具在工作时要承受很大的压力、冲击和摩擦，一般材料在这种恶劣的条件下会迅速破损或磨损。
因此，作为刀具材料，必须具备下列五个方面的基本要求：
（1）硬度和耐磨性：
刀具要从工件材料上切下切削，其硬度就必须高于工件材料。
一般高速刚刀具材料的硬度在60HRC以上，而硬质合金与陶瓷的硬度一般在90HRC以上，且陶瓷的硬度高于硬质合金。
（2）强度和韧性：
刀具在切削时都要承受很大的切削力或冲击力。
要保证刀具在切削是不至于崩刃和折断，刀具材料就必须具备足够的强度和韧性。
（3）耐热性：
它是指刀具在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的性能。
刀具材料的耐热性越好，表明刀具材料在高温时抗塑性变形和抗磨损的能力越强。
（4）导热性：
刀具材料的导热系数越大，则切削时由刀具传走的热量也越多，这有利于降低切削温度和提高刀具耐用度。
（5）抗粘结性：
防止工件和刀具材料分子间在高温压力下互相吸附产粘结。
（6）化学稳定性：
是指在高温下，刀具材料不易与周围介质发生化学反应。
（7）良好的公益性与经济性：
刀具的材料应便于制造，及切削性能、热处理性能、焊接性能等要好。
经济性是指刀具材料应结合本国资源，降低成本。
4零件的材料的选择
4.1使用性原则
使用性原则在于所选用的材料制造出机械零件后能否保证其使用性能。
使用性能即材料在使用过程中的表现，是选材时考虑的主要依据。
选材时首要任务是准确判断零件所要求的主要使用性能。
a.分析零件工作条件，提出使用性能对所选材料的使用性能要求，是在对零件的工作条件及零件的失效形式分析的基础上提出来的。
零件的工作条件包括：
受力情况，如应力种类（如拉、压、弯、扭或组合作用）；
在和性质（如静载、动载、交动载荷等）；
环境状况（如温度、介质）；
特殊状况（如热、电、磁作用）。
通常情况下，零件所要求的使用性能主要是零件的力学性能，其性能参数与零件的尺寸参数配合构成零件的承载能力，因此，按使用性原则选材的主要依据是材料的力学性能指标。
b.常用力学性能指标在选材中的意义常用力学性能指标是指强度、硬度、塑性、韧性。
1）强度常用的强度指标有σs（σ0.2）、σb和σ-0.1，这些指标比较直观，可直接用于定量设计计算。
2）硬度常用的硬度指标有HBS（或HBW）或HRC，他与其性能指标密切相关。
3）塑性和韧性常用的塑性和韧性指标有Ψ、δ、αKV（αKU）等，这些指标一般不直接用于设计计算。
c.选用材料性能数据时应注意的问题各种材料的力学性能数据一般都可以从设计手册中查到，但在具体选用时要注意以下几点：
1）材料的加工工艺及热处理工艺同种材料，采用不同的工艺，其性能数据不同。
2）实际性能与实验数据
3）材料的化学成分及热处理工艺参数的波动所引起性能数据的波动
4）测试条件的波动由于测试条件不同，测得的性能数据会有一定的差异，在确定具体数据时应充分注意。
4.3工艺性原则
工艺性原则是指所选用的材料能否保证顺利地加工制造成零件。
工艺性能的好坏，对决定零件加工的难易程度、生产效率、生产成本等方面起着十分重要的作用，是选材时必须同时考虑的另一个重要因素。
材料的工艺性能根据加工方法不同有以下几种：
a）铸造性能；
b）压力加工性能；
c）焊接性能；
d）切削加工性能；
e）热处理工艺性能；
4.4经济性原则
经济性原则是指所选用的材料加工成零件后能否做到价格便宜，成本低廉。
在满足前面两条原则的前提下，应尽可能提高经济效益。
这可从两个方面来考虑：
a）材料本身价格考虑，应尽可能选用价格便宜的材料，如能用碳钢的就不用合金钢，能用低合金钢的就不用高合金钢。
能用钢的就不用有色金属等。
b）从加工费用来考虑，使加工设备尽可能简单，加工工序尽可能减少，并且可能采用少、无切削加工等均可提高经济性。
c）此外还应考虑所选材料要立足于国内和货源较近的地区，同时尽量减少所用材料的品种规格，以便简化采购、保管及生产管理等工作。
d）在选用高分子材料是，除了考虑上述三项原则外，还应着重考虑在使用条件下，周围环境（温度、光、氧、水、油等）对其性能的影响。
4.5选材时应注意的几个问题
零件选材原则的实质是所选材料要耐用，易加工且费用低。
同时，应注意以下几点：
a.在大多数情况下优先考虑使用性能，工艺性能和经济性原则
次之;
b.有些力学性能指标（如σb、σ0.2、σ-1、K1c）可直接用于设
计计算;
δ、Ψ、Ak等不能直接用于计算，而是用于提高零件的抗过载能力，以保证零件工作安全性;
c.在对零件的力学性能要求转化为材料力学性能指标时，要注
意手册上给出的组织状态。
如果零件的最终状态与手册上给出的相同，可直接使用，否则，还得查阅其它手册、文献资料或进行针对性的力学性能试验；
d.手册或标准给出的力学性能数据是在试验室条件下对小试样
的试验结果，引用这些数据时要注意尺寸效应；
e.由于材料成分是一个范围，试样毛坯的供应状态可以有多种，
因此，即使是同一牌号的材料，性能也不完全相同。
国际标准或原冶金部标准给出的热轧或退火状态的力学性能范围或最低值，其数据可靠；
而技术资料、论文中给出的数据一般是特定条件下的平均值，使用时要加以注意；
f.同一材料的不同供应状态（如铸造、锻造、冷变形等）对数
据影响很大；
g.选材时要注意同时考虑所选材料的成型加工方法。
我国目前应用最多的刀具材料是高速钢和硬质合金，其次是超硬材料和陶瓷刀具材料。
随着材料技术研究的不断深入，我国各大企业和大专院所新开发的各类刀具材料也不断增加，但大多是在高速钢、硬质合金和陶瓷刀具材料基础上的改进。
我得铣刀设计选用的是特殊高性能高速钢——W6Mo5Cr4V2Co8
4.6材料分析.
W6Mo5Cr4V2Co8是特殊高性能高速钢，简称M36,其主要成分含量为：
C0.08%、W6%、Mo5%、V2%、Cr4%、Co8%。
具有高的硬度、高耐磨性和一定的韧性外，还具有优异的热硬性，在600°
时硬度仍可达到55HRC以上。
4.7元素作用.
高速合金钢属于高碳钢，碳的质量分数为0.70%～1.60%，其中含有大量W、Mo、Cr、V、Co以及总量少于2%的其他合金元素，如AI、Si、RE、Nb、N等。
碳的加入量必须保证淬火后得到高碳马氏体，高温回火是能造成显著的弥散硬化效应。
弥散硬化所析出的强化相主要为M2C型（W2C、Mo2C）、MC型（VC）和M23C6型（Cr23C6）合金碳化物。
高速钢的碳质量分数必须所加合金元素相匹配，碳质量分数过高或过低均对性能有不利影响。
当钢中强碳化合物形成元素钒的质量分数增加，例如W6Mo5Cr4V2钢碳的质量分数为0.80%～0.90%，而W6Mo5Cr4V3钢碳的质量分数增加到1.10%～1.25%。
W、Mo、V的加入可提高高速钢的回火稳定性，并在回火过程中产生弥散硬化效应，使高速钢具有优良的热硬性。
W、Mo作用相同，所以高速钢有钨系、钨-钼系和钼系高速钢之分，其中一份Mo相当二份W。
V的弥散硬化作用显著，高速钢中V的加入量在1%～5%，随钒质量分数的增加钢的硬度和耐磨性增加，磨削加工性能变坏。
加入非碳化物形成元素Co可抑制合金碳化物的粗化，并能生成MoW金属间化合物增加弥散硬化效应，进一步提高钢的回火稳定性和热硬性。
在所有高速钢中Cr的质量分数均为4%，主要是提高钢的淬透性，也能提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性。
5加工工艺路线
铣刀的加工路线为：
毛坯——铸造——退火——机械加工——
淬火——回火——检验。
锻、铸造：
可以获得铣刀的毛坯，给机械加工作准备。
退火：
目的
（1）是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化，改善塑性和韧性，使化学成分均匀化，去除残余应力，或得到预期的物理性能。
（2）软化工件以便进行切削加工。
淬火：
目的
（1）提高硬度与耐磨性；
（2）提高强韧性；
（3）提高耐蚀性与耐热性。
回火：
目的是提高淬火钢的塑性与韧性，减低其脆性，但往往不可避免的要降低强度和硬度，回火的另一个目的是降低或消除淬火引起的残余内应力，这对于稳定工具钢制品的尺寸特别重要。
检验：
通过质量检验可把不合格品剔除出去。
6热处理工艺流程
毛坯——铸造——退火——机械加工——淬火（预热—淬火加热—冷却）——高温回火——检验
6.1退火
由于高速钢中有较高的碳含量和大量的合金元素，在冶金厂轧制或锻造以后，即使空冷的情况下，也会有较高的硬度，因此必须进行退火软化处理，达到标准规定的硬度值才能出厂。
工具制造者有时要对高速钢进行锻造成形或为改善碳化物偏析而进行锻造，有时用热轧成型的方法制造工具，有时要对淬火件进行返修等都需要对高速钢进行退火。
近年来国内外的实验都说明，高速钢退火时，如果保温时间太长，会显著地降低工具的使用寿命，因此选择合理的退火工艺规程非常重要。
常见高速钢的退火温度和退火以后的硬度见表二。
退火的保温时间根据装炉量等情况应有所不同，一般应在3—4h以上。
保温后可采用10—20℃/h的速度冷却至600℃以下出炉。
也可采用冷至740—760℃，停留4—6h，再冷至600℃以下出炉的等温退火方法。
表二高速钢的热处理规范
6.2淬火
1.预热由于高速钢是高合金钢，导热性差，为减少工件变形和缩短高温停留时间，淬火加热一般要采用两次预热或一次预热。
预热工艺:
500～560℃，保温时间1～1.5min/mm（空气炉）；
800～850℃,保温0.8～1.0min/mm（盐浴炉）
2.淬火加热
（1）淬火加热温度。
高速钢工具淬火加热温度的选择，首先是由制造工具的高速钢的牌号成分决定的，同时也要考虑工具的种类和规格，专门针对具体加工对象制造的工具还必须考虑到被加工材料的可加工性和切削规范等使用条件。
随着淬火加热温度的升高，碳化物不断地溶入高速钢的基体，高速钢中残留碳化物的数量不断减少。
图6-2显示了W6Mo5Cr4V2和18Cr4v两种钢在淬火加热时，钢种碳化物数量逐渐减少的情况。
18Cr4v钢中碳化物的质量分数淬火加热前在25%以上，加热到1300℃时只有15%左右。
W6Mo5Cr4V2钢中碳化物的质量分数淬火加热前在20%以上，加热到1300℃时只有10%多一些。
图6-2高速钢中碳化物的数量与淬火温度的关系
随着碳化物的不断溶入基体，基体中的C及W、Mo、Cr、V等合金元素的含量不断升高，这有利于提高淬火后形成的马氏体的耐磨性和热硬性。
图6-3为W6Mo5Cr4V2和18Cr4v两种钢C及W、Mo、Cr、V含量随着淬火温度的升高而升高的情况。
基体中C的含量几乎随着淬火加热温度的升高而直线上升。
Cr的含量随着淬火加热温度的升高而增加，1100℃以上Cr含量不在增加，说明Cr的碳化物在1100℃几乎全部溶入基体。
W、Mo、V的含量随着淬火加热温度的升高而不断上升，直到1300℃其含量还在增加，说明此时这些碳化物只是部分溶入基体，尚未完全溶解。
图6-3高速钢中合金元素含量与淬火温度的关系
3淬火保温时间
淬火保温时间是指工件装炉后，从炉温回升到淬火温度是算，直到出炉为止所需要的时间。
保温时间包括工件的透热时间和组织转变时间。
据HB/Z5025-77<
<
航空结构钢的热处理>
>
的规定，保温时间按照零件按最大厚度或条件厚度来确定。
所谓最大厚度是指零件最厚截面处的尺寸，或叠放零件的总厚度，取二者中的最大者。
零件的条件厚度（壁厚）乘以形状系数。
计算保温时间的经验公式:
合金钢t=（1.2～1.5）D.t/min
D:
计算厚度或直径;
4冷却介质
高速钢有极好的淬透性，空冷就可得到马氏体，但为了防止空冷析出合金碳化物，降低马氏体中的合金含量，影响热硬性，所以必须采用油冷。
6.3回火
回火后的硬度和回火温度之间的关系，
400℃以下回火，仅有少量M3C合金渗碳体析出；
450℃以上M3C和MC型合金碳化物开始弥散析出，产生弥散硬化效应；
在560℃达到峰值，HRC为63～65.所以高速钢回火温度选在560℃左右。
6.4热处理后的力学性能
（1）球化退火的目的是得到球化组织，这是任何一种钢具有最加速性与最低硬度的组织。
（2）淬火：
（3）回火：
7金相显微组织组织
7.1淬火加回火后的金相组织如：
图7-1
图7-1500X
4%硝酸酒精W6Mo5Cr4V2Co8高速钢
工艺：
1230℃加热淬火，560℃三次回火，每次一小时
组织：
回火马氏体+少量残余奥氏体+碳化物
8.质量检验
8.1质量检验方法
根据检验对象的不同，可选择不同的检验方法.检验方式的是：
及确保质量，又要便于生产及可能的节省工作量。
按检验的特点和作用，检验方式可以分为以下三类：
（1）按照工艺过程次序划分，检验方式可分为：
1）预先检验。
在热处理前对原材料、毛坯、半成品的检验。
2）中间检验。
在工艺过程中对某一工序或某批工件检验
3）最后检验。
零件热处理后检验。
（2）按检验产品的数量划分，检验方式可分为：
2）全数检验。
及对产品逐渐检验，这种检验应是非破坏性的，且检验数目和费应少。
3）抽样检验。
按事制定的准备的方案，从某批产品中随机抽取一部分进行检验，并依据检验结果对该批产品的质量进行评估与判断。
（3）按检验预防性划分，检验方式可分为：
1）首件检验。
在变换处理对象、条件和操作者后，对头几件产品进行的检验。
2）统计检验。
运用数理统计的方法对产品进行抽检，并对结果进行分析，了解产品质量的波动情况，从而发现工艺过程中出现的不正常预兆。
找出诱发不正常现象的原因，及时地采取措施，预防不合格产品的产生。
8.2常用热处理质量检验方法
一、硬度检验
1.硬度试验特点
硬度试验是热处理质量检验最常用的方法之一，这是由于硬度通常
热处理技术要求之一，能敏感的反应热处理工艺与材料成分、组织结
构之间的关系.此外，硬度试验还具有如下特点:
1）硬度试验可代替某些力学性呢不过实验，反映出其他力学性能。
2）大多数零件经硬度试验后，不受受伤，可看做是无损实验。
3）实验机价格便宜。
操作迅速简便，数据重现性好。
4）除特殊要求外，均在实物上进行测试。
5）可以测定有效硬化深度。
2.硬度试验方法及选用
硬度实验有不氏、洛氏、维氏、肖氏和显微硬度等方法。
硬度试验
原则是:
（1）一般正火、退火和调制件用布氏硬度计（HBW）检验，也允许用洛氏硬度计（HRC）检验；
淬火件用洛氏硬度计检验。
（2）退火、正火和调质件，如尺寸较大者可用手锤式布氏硬度及检验。
（3）淬火件如用洛氏硬度计无法检验时，允许用肖式硬度计或其他便携式硬度计检验；
但零件表面粗糙度应尽量接近标准硬度块的粗糙度，用锉刀检验零件表面硬度时，必须注意挫检位置，应不影响零件的最后精度。
（4）硬度检验的位置应应根据工艺文件或检验人员确定，零
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