金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)和應(yīng)用

蔡太祿

摘 要：我國(guó)的金屬材料制造業(yè)產(chǎn)量高，工藝也相對(duì)發(fā)達(dá)。其中，金屬熱處理工藝占我國(guó)大約總體能耗的25%左右，大約是一些發(fā)達(dá)國(guó)家的6倍。金屬材料的熱處理工藝經(jīng)過幾代材料人的探索和發(fā)展，所加工出來的產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)完美，但是有些技術(shù)已經(jīng)不能達(dá)到制造行業(yè)現(xiàn)如今追求的環(huán)境與技術(shù)統(tǒng)一的要求，為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，更加綠色節(jié)能環(huán)保的金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)成為本領(lǐng)域的發(fā)展方向。本文對(duì)我國(guó)熱處理工藝的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對(duì)目前我國(guó)熱處理節(jié)能新工藝進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：金屬材料;熱處理;節(jié)能新技術(shù);應(yīng)用

金屬材料是直接影響到國(guó)家發(fā)展的重要物資，在基礎(chǔ)建筑、國(guó)防建設(shè)等方面被廣泛應(yīng)用。金屬材料的熱處理工藝具有一個(gè)顯著的特點(diǎn)——高耗能，為了適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)節(jié)能環(huán)保的發(fā)展目標(biāo)，節(jié)能新技術(shù)的應(yīng)用成為了金屬熱處理工藝的發(fā)展趨勢(shì)[1]。節(jié)能新技術(shù)改善了傳統(tǒng)工藝效率低、能耗高、污染大等一系列問題，但與此同時(shí)，新技術(shù)也存在著一些缺點(diǎn)需要不斷改善。

1金屬材料熱處理工藝現(xiàn)狀

金屬材料的熱處理工藝能夠?qū)饘俪尚魏蟮慕Y(jié)構(gòu)、組織進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，進(jìn)一步提升金屬材料的性能。目前，我國(guó)一些傳統(tǒng)金屬材料熱處理工藝面臨著以下幾個(gè)問題：

1.1設(shè)備落后，工藝水平低

統(tǒng)觀我國(guó)金屬材料的發(fā)展史，我國(guó)對(duì)金屬材料的熱處理技術(shù)是在改革開放后才形成了工業(yè)化模式，其經(jīng)濟(jì)效益不斷提高。但是相較于發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的金屬熱處理工藝工業(yè)化起步時(shí)間較晚，技術(shù)水平也存在一定差距。這主要是兩方面的因素造成的：首先，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平在建國(guó)后有一段時(shí)間發(fā)展較慢，無法為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供有利的條件;其次，我國(guó)依賴國(guó)外進(jìn)口設(shè)備的時(shí)間較長(zhǎng)，自主研發(fā)的設(shè)備落后，無法達(dá)到熱處理工藝要求。即使目前我國(guó)上述兩點(diǎn)的處境已經(jīng)有了大幅度的改善，但是長(zhǎng)期遺留下來的問題仍然沒有得到根本解決，我國(guó)的熱處理技術(shù)目前仍然存在著高耗能、高污染的缺點(diǎn)，嚴(yán)重浪費(fèi)資源、破壞我國(guó)生態(tài)環(huán)境[2]。

1.2能源消耗高，利用率低

我國(guó)能源人均占有量低于世界平均水平，對(duì)于能源的消耗卻要高于世界上大部分國(guó)家。我國(guó)在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的同時(shí)，各行各業(yè)的建設(shè)也在發(fā)展，對(duì)于金屬材料的需求不斷提高。金屬熱處理工藝作為金屬制造行業(yè)一個(gè)需要大量消耗能源的環(huán)節(jié)，節(jié)能環(huán)保成為其必要的發(fā)展理念。但是，我國(guó)熱處理工藝行業(yè)大多采用的設(shè)備較為老舊，技術(shù)也較為傳統(tǒng)，經(jīng)常出現(xiàn)需要多次加工的情況，無法做到一次成形，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一些加工條件嚴(yán)苛的產(chǎn)品的返修率甚至能夠達(dá)到20%左右，大大增加了資源的消耗量。

1.3缺少專業(yè)技術(shù)人員

一個(gè)金屬產(chǎn)品的最終成形需要進(jìn)行多道工序，其中金屬材料的熱處理工藝作為能夠調(diào)節(jié)金屬結(jié)構(gòu)、組織、性能的工藝，具有不可忽視的作用。但是，我國(guó)材料領(lǐng)域在不斷發(fā)展的時(shí)候，熱處理工藝卻沒有得到應(yīng)有的重視。以我國(guó)高校為例，目前專門開設(shè)熱處理專業(yè)的高校少之又少，大部分高校是將其作為一個(gè)專業(yè)課程進(jìn)行教學(xué)，所培養(yǎng)的人才對(duì)于熱處理工藝專業(yè)技能的學(xué)習(xí)不足;其次，目前我國(guó)熱處理行業(yè)的從業(yè)人員平均年齡較大，雖然經(jīng)驗(yàn)豐富，但是也存在著一些例如技術(shù)和觀念老舊的問題，無法做到與新型的技術(shù)相結(jié)合[3]。

2關(guān)于金屬材料熱處理技術(shù)的節(jié)能方面的運(yùn)用

2.1化學(xué)熱處理薄層滲透技術(shù)

目前，我國(guó)甚至世界范圍內(nèi)使用最廣泛的化學(xué)熱處理技術(shù)是薄層滲透技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)改變了人們通常認(rèn)為地在將化學(xué)元素滲入金屬表層深度用以提高性能的想法，而是將化學(xué)元素滲透入金屬表層，降低涂層厚度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。研究發(fā)現(xiàn)，降低涂層厚度可以減少滲透技術(shù)對(duì)金屬材料本身性能的破壞，在降低涂層加熱時(shí)間的同時(shí)，還提高了金屬的綜合性能、延長(zhǎng)了金屬的使用壽命。以鋼鐵材料為例，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，滲碳層減少30%，可以節(jié)約電能33%，折合成煤炭或者石油等能源可以節(jié)約能源高達(dá)50%以上，大大減少了能源的消耗，減輕了對(duì)環(huán)境的污染。

2.2激光熱處理技術(shù)

激光具有能量密度高、穿透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，激光熱處理技術(shù)經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，已經(jīng)比較成熟。激光熱處理技術(shù)主要是利用激光束對(duì)金屬的表面進(jìn)行處理，使得金屬材料產(chǎn)生表面硬化或者合金化，改變金屬材料表面的成分、組織和性能，以提高金屬材料的可使用性。這項(xiàng)技術(shù)改變了傳統(tǒng)熱處理工藝將金屬材料整體進(jìn)行加熱處理的作業(yè)模式，而是將能量聚集在金屬材料的表面，降低了金屬材料在熱處理過程中的損耗。同時(shí)，激光熱處理技術(shù)由于其極強(qiáng)的穿透力，可以使金屬材料的表面溫度迅速達(dá)到低于金屬熔點(diǎn)的臨界轉(zhuǎn)變溫度，此時(shí)，金屬材料的表面會(huì)迅速發(fā)生奧氏體化，不斷提高金屬材料表面的硬度，此時(shí)，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行急速的自冷淬火，這樣可以將材料的性能提高到較高的程度[4]。

激光熱處理技術(shù)還能夠直接運(yùn)用數(shù)字化機(jī)床的操作模式將其作業(yè)到生產(chǎn)流水線上，通過計(jì)算機(jī)編程技術(shù)，可以提高激光熱處理技術(shù)的準(zhǔn)確性，并且因?yàn)榧す馐哪芰磕軌蜻h(yuǎn)距離傳送，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)工作臺(tái)同時(shí)工作的目的，大大提高了生產(chǎn)效率和機(jī)械使用率。同時(shí)，激光技術(shù)因其特有的能量束可以對(duì)一些金屬材料較為獨(dú)特的位置進(jìn)行熱處理，例如深溝、縫隙等，解決了傳統(tǒng)熱處理工藝加工的難題。

2.3真空熱處理技術(shù)

對(duì)于一些極易氧化的金屬材料而言，熱處理過程中如何實(shí)現(xiàn)氧氣的隔絕成為難題。真空熱處理技術(shù)的出現(xiàn)能夠使得金屬材料在無氧的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)性能的提升，對(duì)于一些特殊的金屬的熱處理更是具有不可替代的地位。

在真空中對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理，隔絕了滲碳零件發(fā)生內(nèi)氧化的可能性，可以實(shí)現(xiàn)金屬表面低壓滲碳等技術(shù)的同時(shí)，還可以在后續(xù)的金屬表面進(jìn)行高壓氣淬，如此一來，高滲碳溫度和低生產(chǎn)周期成為了真空熱處理技術(shù)不可取代的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于熱處理過程中其特有的真空環(huán)境，降低了加熱和降溫的時(shí)間，還可以大大減少有害氣體的排放，對(duì)環(huán)境更為友好[5]。

2.4振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)

金屬材料進(jìn)行多次熱處理后，由于溫度、介質(zhì)、技術(shù)等原因，難免會(huì)產(chǎn)生一些成形缺陷，例如裂紋、變形、殘余應(yīng)力等，會(huì)嚴(yán)重影響材料的品質(zhì)乃至使用壽命。振動(dòng)時(shí)效熱處理技術(shù)就是為了消除金屬材料的一些成形缺陷，避免金屬材料的二次返廠。振動(dòng)時(shí)效熱處理是利用不同頻率產(chǎn)生的多諧波共振原理，通過多型振動(dòng)時(shí)效系列電腦控制設(shè)備對(duì)熱處理過程進(jìn)行控制，大大節(jié)約了熱處理過程中的電能消耗，降低生產(chǎn)成本。

2.5熱處理CAD技術(shù)

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的興起為各行各業(yè)提供了新的發(fā)展思路，通過熱處理CAD技術(shù)，能夠模擬熱處理實(shí)際的工作環(huán)境和工藝條件，對(duì)優(yōu)化熱處理工藝具有重要的影響。熱處理CAD技術(shù)能夠系統(tǒng)研究熱處理工藝過程中出現(xiàn)的問題，在開發(fā)智能控制方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，例如：噴淋、噴霧、淬火劑和淬火方法的正確選擇、熱傳遞系數(shù)的變化等，是目前我國(guó)發(fā)展熱處理節(jié)能新技術(shù)的重要方向。

3結(jié)語

材料的發(fā)展關(guān)系到我國(guó)的國(guó)防民生，金屬材料的熱處理工藝作為金屬成形過程中的高耗能、高污染環(huán)節(jié)，還需要進(jìn)行不斷的優(yōu)化改進(jìn)。目前我國(guó)金屬熱處理工藝正面臨著時(shí)代發(fā)展的考驗(yàn)，這就要求更加先進(jìn)的技術(shù)和更高素質(zhì)的技術(shù)人員加入到這個(gè)行業(yè)里來，打破傳統(tǒng)觀念的束縛，建立綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效的新型熱處理工藝模式，加速我國(guó)熱處理工藝向低污染、低成本、低耗能、高產(chǎn)出的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

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[5]冷廷梅.金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)與實(shí)施要點(diǎn)分析[J].智庫時(shí)代，2018（24）：250+257.