熱處理工藝可分為兩大類：預備熱處理和最終熱處理。
預備熱處理的目的是改善加工性能、消除內應力和為最終熱處理準備良好的金相組織。其熱處理工藝有退火、正火、時效、調質等。
（1）退火和正火
退火和正火用於經過熱加工的毛坯。含碳量大於0.5%的碳鋼和合金鋼，為降低其硬度易於切削，常採用退火處理；含碳量低於0.5%的碳鋼和合金鋼，為避免其硬度過低切削時粘刀，而採用正火處理。退火和正火尚能細化晶粒、均勻組織，為以後的熱處理作準備。退火和正火常安排在毛坯製造之後、粗加工之前進行。
（2）時效處理
時效處理主要用於消除毛坯製造和機械加工中產生的內應力。
為避免過多運輸工作量，對於一般精度的零件，在精加工前安排一次時效處理即可。但精度要求較高的零件，應安排兩次或數次時效處理工序。簡單零件一般可不進行時效處理。
除鑄件外，對於一些剛性較差的精密零件，為消除加工中產生的內應力，穩定零件加工精度，常在粗加工、半精加工之間安排多次時效處理。有些軸類零件加工，在校直工序後也要安排時效處理。
（3）調質
調質即是在淬火後進行高溫回火處理，它能獲得均勻細緻的回火索氏體組織，為以後的表面淬火和滲氮處理時減少變形作準備，因此調質也可作為預備熱處理。
由於調質後零件的綜合力學性能較好，對某些硬度和耐磨性要求不高的零件，也可作為最終熱處理工序。
最終熱處理的目的是提高硬度、耐磨性和強度等力學性能。
（1）淬火
淬火有表面淬火和整體淬火。其中表面淬火因為變形、氧化及脫碳較小而應用較廣，而且表面淬火還具有外部強度高、耐磨性好，而內部保持良好的韌性、抗衝擊力強的優點。為提高表面淬火零件的機械性能，常需進行調質或正火等熱處理作為預備熱處理。其一般工藝路線為：下料--鍛造--正火（退火）--粗加工--調質--半精加工--表面淬火--精加工。
（2）滲碳淬火
滲碳淬火適用於低碳鋼和低合金鋼，先提高零件表層的含碳量，經淬火後使表層獲得高的硬度，而心部仍保持一定的強度和較高的韌性和塑性。滲碳分整體滲碳和局部滲碳。局部滲碳時對不滲碳部分要採取防滲措施（鍍銅或鍍防滲材料）。由於滲碳淬火變形大，且滲碳深度一般在0.5~2mm之間，所以滲碳工序一般安排在半精加工和精加工之間。
其工藝路線一般為：下料-鍛造-正火-粗、半精加工-滲碳淬火-精加工。
當局部滲碳零件的不滲碳部分採用加大餘量後，切除多餘的滲碳層的工藝方案時，切除多餘滲碳層的工序應安排在滲碳後、淬火前進行。
（3）滲氮處理
滲氮是使氮原子滲入金屬表面獲得一層含氮化合物的處理方法。滲氮層可以提高零件表面的硬度、耐磨性、疲勞強度和抗蝕性。由於滲氮處理溫度較低、變形小、且滲氮層較薄（一般不超過0.6~0.7mm），滲氮工序應儘量靠後安排，為減小滲氮時的變形，在切削後一般需進行消除應力的高溫回火。
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