金屬材料熱處理工藝以及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)探索

薛 勇

（諸城市義和車橋有限公司，山東濰坊 262200）

0 引言

在制作金屬產(chǎn)品的過(guò)程中，所用金屬材料的熱處理工藝與技術(shù)會(huì)在很大程度上影響產(chǎn)品質(zhì)量，還會(huì)直接影響原材料的消耗以及所產(chǎn)生的污染。所以，只有不斷創(chuàng)新與完善金屬材料熱處理工藝以及技術(shù)，在降低環(huán)境污染、減少材料損耗以及提升處理質(zhì)量方面進(jìn)行優(yōu)化，才能使我國(guó)擁有更高的金屬材料熱處理水平，更好地推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1 金屬材料的種類與性能

現(xiàn)階段所使用的金屬材料主要具有兩種性能，就是使用性能和工藝性能。使用性能就是在使用機(jī)械零件的過(guò)程中，金屬材料發(fā)揮出來(lái)的性能，包括化學(xué)性能、物理性能、力學(xué)性能等。在荷載的作用下，金屬材料抵抗破壞的性能即力學(xué)性能，有時(shí)也被叫做機(jī)械性能。金屬材料的選材和設(shè)計(jì)都需要以力學(xué)性能為主要依據(jù)。外加荷載性質(zhì)不同，如循環(huán)荷載、沖擊、壓縮、扭轉(zhuǎn)、拉伸等，將對(duì)金屬材料的力學(xué)性能提出不同的要求。常用的力學(xué)性能包括疲勞極限、沖擊韌性、多次沖擊抗力、硬度、塑性、強(qiáng)度等。

所謂工藝性能就是在加工機(jī)械零件時(shí)，金屬材料在不同的加工條件下發(fā)揮出來(lái)的性能。金屬材料工藝性能直接影響金屬在制造過(guò)程中加工成形的適應(yīng)能力。由于加工條件不同，也會(huì)有不同的工藝性能要求，如切削加工性、可鍛性、熱處理性能、可焊性和鑄造性能等。

在研究與分析金屬材料性能的過(guò)程中，研究與分析的性能指標(biāo)主要有3 個(gè)。

（1）硬度。就是金屬材料的抗擊能力，是金屬材料的關(guān)鍵特性之一。金屬材料擁有較高的硬度時(shí)，其抗擊性能更強(qiáng)，擁有更廣的應(yīng)用范圍[2]。

（2）耐久性。金屬材料的耐久性與其遭受腐蝕的情況有關(guān)。在使用金屬材料的過(guò)程中，必然會(huì)有腐蝕情況存在，只是程度有所不同，包括縫隙與應(yīng)力多種腐蝕情形。一般來(lái)說(shuō)，金屬材料遭受越低程度的腐蝕，其具有耐久性就越突出。

（3）疲勞性。在遭受持續(xù)應(yīng)力的條件下，金屬材料就會(huì)發(fā)生異常斷裂，這就是金屬材料自身的疲勞性特征。雖然材料所承受的應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)其最高負(fù)荷程度，但如果持續(xù)得時(shí)間較長(zhǎng)，仍然會(huì)出現(xiàn)斷裂情況。

2 金屬材料性能與熱處理技術(shù)的關(guān)系

2.1 金屬耐久性與熱處理應(yīng)力

在應(yīng)用過(guò)程中，如果金屬材料在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)持續(xù)遭受外力，或者在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)處于易腐蝕的環(huán)境中，就會(huì)有開裂或者其他變化產(chǎn)生，所以研究金屬耐久性與熱處理應(yīng)力之間的關(guān)系非常有意義[3]。在實(shí)際熱處理金屬材料時(shí)，熱處理應(yīng)力及大小會(huì)對(duì)金屬材料自身的耐久性產(chǎn)生很大影響，在這種條件下，只有盡量縮小各種熱處理剩余應(yīng)力對(duì)金屬材料的影響，才能使金屬材料的質(zhì)量和耐久性得到更好的提升。

2.2 金屬材料疲勞性與熱處理溫度

在加工處理金屬材料時(shí)，科學(xué)利用整體加工過(guò)程與熱處理技術(shù)，可以在很大程度上提升金屬產(chǎn)品的性能以及質(zhì)量[4]。在實(shí)際加工過(guò)程中，一旦在短時(shí)間快速冷卻，金屬材料可能因?yàn)槭艿竭^(guò)大的應(yīng)力而出現(xiàn)斷裂情況。為有效預(yù)防這類現(xiàn)象，在加工金屬材料時(shí)工作人員應(yīng)合理控制熱處理溫度，在合理范圍內(nèi)不斷調(diào)整溫度、找出溫度的最佳值，使金屬材料擁有更好的疲勞性。

3 影響熱處理變形的因素及優(yōu)化措施

3.1 影響熱處理變形的因素

實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)利用各種各樣的熱處理工藝，如淬火、正火、回火、退火等，熱作用是他們共同的基本過(guò)程，均是由3 個(gè)階段組成，分別為加熱、保溫和冷卻。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以通過(guò)熱處理周期、保溫時(shí)間、冷卻速度、加熱速度、加熱溫度、保溫時(shí)間等參數(shù)對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程進(jìn)行描述。在開展熱處理工藝時(shí)，需要形式多樣的加熱爐進(jìn)行使用，關(guān)鍵的技術(shù)熱處理工作也都是在這些加熱爐中開展（如基本熱處理中的回火、淬火、退火，化學(xué)熱處理的去氧、滲鋁、去氫或滲鉻、滲氨、滲碳等）。所以，在進(jìn)行熱處理工藝時(shí)，需要嚴(yán)格控制加熱爐內(nèi)的溫度，并高度重視溫度測(cè)量工作。

在熱處理工藝的相關(guān)規(guī)范中，對(duì)溫度的要求非常嚴(yán)格，如果溫度測(cè)量的精準(zhǔn)度缺乏，就無(wú)法保證有效的落實(shí)熱處理工藝規(guī)范，這會(huì)在不同程度上降低產(chǎn)品質(zhì)量。精準(zhǔn)的測(cè)量與控制溫度能有效保障熱處理工藝的質(zhì)量，減少金屬材料的熱處理變形。

3.2 減少熱處理變形的措施

（1）保證加熱次序和冷卻次序的合理性。針對(duì)不同零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有針對(duì)性地規(guī)劃零件的熱處理順序，能在一定程度上減少熱處理變形，在相互作用下抵消各部分熱處理導(dǎo)致的變形，最終達(dá)到減小變形的目的。

（2）預(yù)備熱處理。正火硬度過(guò)高、魏氏組織、大量索氏體或混晶都會(huì)提升內(nèi)孔變形，所以通過(guò)等溫淬火或控溫正火來(lái)對(duì)鍛件進(jìn)行處理。

（3）利用合理的冷卻方法。在影響變形的各種因素中金屬淬火后冷卻過(guò)程也是非常重要的內(nèi)容，與冷油淬火相比，熱油淬火能更有效地控制變形，一般采用100 ℃±20 ℃的溫度。變形情況也會(huì)因?yàn)橛偷睦鋮s能力而產(chǎn)生變化，同時(shí)也會(huì)受到淬火油的攪拌速度與方式的影響。金屬熱處理的冷卻速度較快，如果不能均勻地進(jìn)行冷卻，將會(huì)產(chǎn)生與冷卻不均勻程度成正比的應(yīng)力，產(chǎn)生更大程度的產(chǎn)品變形。

（4）選擇合適的介質(zhì)。在滿足產(chǎn)品硬度要求的前提下，盡量合理利用油性介質(zhì)。相關(guān)研究證明，在相同條件下，油性介質(zhì)需要更長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，而水性介質(zhì)擁有相對(duì)較短的冷卻時(shí)間。而且，與油性介質(zhì)相比，水性介質(zhì)冷卻特性更容易受到水溫變化的影響，在相同的熱處理?xiàng)l件下，油性介質(zhì)比水性介質(zhì)淬火后的變形量小。

4 熱處理工藝及技術(shù)

4.1 常用的熱處理工藝

金屬熱處理的常用工藝包括退火、正火、淬火以及回火。其中退火就是加熱材料至能夠引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的臨界溫度，然后再進(jìn)行隨爐冷卻。正火也是相似的過(guò)程，只不過(guò)正火的冷卻是在空氣中進(jìn)行，能夠縮短冷卻時(shí)間，進(jìn)而取得更高的生產(chǎn)效率[5]。淬火與退火、正火不同，需要在一定時(shí)間內(nèi)保溫經(jīng)過(guò)加熱的材料，然后利用油或者水使其盡快冷卻，經(jīng)過(guò)這種方法加工的金屬擁有較高的硬度以及脆性，還會(huì)有淬火應(yīng)力在金屬材料內(nèi)部形成，這種應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致金屬開裂，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還應(yīng)該與回火處理相配合。回火處理就是將淬火處理完的金屬再次加熱至臨界溫度，并且進(jìn)行空氣冷卻。

4.2 特殊的熱處理工藝

（1）激光熱處理技術(shù)。近年來(lái)，激光依靠其穿透性強(qiáng)、亮度高的特點(diǎn)獲得了十分廣泛的應(yīng)用。在金屬熱處理技術(shù)中，在處理一些擁有較高硬度的金屬材料時(shí)，利用激光技術(shù)能夠很好的完成相應(yīng)的工作。在實(shí)際應(yīng)用中，大多情況下人們都是借助計(jì)算機(jī)來(lái)控制激光熱處理過(guò)程，從而使其擁有更高的自動(dòng)化程度，使處理效率得到有效提升。

（2）真空熱處理技術(shù)。在處理金屬材料方面，真空熱處理技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用。它主要是通過(guò)真空環(huán)境對(duì)金屬進(jìn)行熱處理，高效率的特點(diǎn)突出，所以在節(jié)約時(shí)間成本方面優(yōu)勢(shì)突出。另外，利用這種技術(shù)能有效控制加工過(guò)程中的有毒廢氣，有較好的環(huán)保效果。

（3）薄層滲透化學(xué)處理技術(shù)。這一技術(shù)是利用化學(xué)處理對(duì)金屬材料進(jìn)行加工，從而對(duì)金屬材料進(jìn)行薄層滲透，使材料擁有更高的韌性。由于該技術(shù)只能完成材料表面薄層的滲透，不僅能提升金屬材料性能，還能提升處理效率。

（4）超硬涂層技術(shù)。在現(xiàn)階段的金屬材料熱處理中，超硬涂層技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。利用該技術(shù)能在很大程度上提升金屬表面的硬度，進(jìn)而延長(zhǎng)材料的使用時(shí)間。另外，該技術(shù)可以使材料擁有更高的整體性能，從而優(yōu)化材料的利用效果。在現(xiàn)階段利用超硬涂層技術(shù)時(shí)，需要電子計(jì)算機(jī)的輔助。該技術(shù)對(duì)材料加工具有更好的監(jiān)控效果，能夠有效提高最終的處理效果。

（5）利用CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）進(jìn)行的熱處理。這種金屬熱處理技術(shù)在現(xiàn)階段也較為先進(jìn)，能夠?qū)⒔饘贌崽幚磉^(guò)程通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真模擬，通過(guò)現(xiàn)代智能的方法來(lái)取得熱處理的效果。這種金屬熱處理過(guò)程能夠科學(xué)地預(yù)見最終的結(jié)果，并且對(duì)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析、技術(shù)處理，能夠避免很多不必要的麻煩。

（6）振動(dòng)時(shí)效處理工藝。這種工藝主要是運(yùn)用振動(dòng)的原理來(lái)開展金屬材料熱處理。在處理完成后會(huì)明顯提高金屬材料的穩(wěn)定性，同時(shí)有效避免材料變形的情況。

5 金屬材料熱處理工藝及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段最值得改進(jìn)的熱處理技術(shù)是可控氣氛技術(shù)，實(shí)質(zhì)上這種技術(shù)就是利用氣氛技術(shù)達(dá)到控制和保護(hù)金屬材料熱處理過(guò)程的目的，從而使金屬材料熱處理?yè)碛懈叩男屎唾|(zhì)量。與傳統(tǒng)的熱處理技術(shù)相比，基于氣氛技術(shù)的無(wú)氧化處理將成為重要的金屬材料熱處理工藝發(fā)展方向。這是因?yàn)樗芨玫貙?duì)金屬材料表面進(jìn)行保護(hù)，使熱處理?yè)碛懈叩馁|(zhì)量?？煽貧夥諢崽幚砑夹g(shù)非常適用于鋼制品中，在對(duì)鋼材進(jìn)行熱處理時(shí)因?yàn)闇囟冗^(guò)高，所以出現(xiàn)氧化現(xiàn)象的概率較大，而利用可控氣氛進(jìn)行鋼材熱處理能有效避免這一情況發(fā)生。

另外，可控氣氛熱處理工藝還有一個(gè)非常突出的優(yōu)勢(shì)，就是能隨意調(diào)節(jié)金屬材料的尺寸，從而使操作變得更加靈活、簡(jiǎn)單。雖然可控氣氛熱處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)較多，但是它也有很多不足，因此需要相關(guān)的技術(shù)人員不斷努力攻克，從而使其應(yīng)用空間變得更加廣泛。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，基于我國(guó)可持續(xù)發(fā)展理念，對(duì)金屬材料熱處理節(jié)能技術(shù)進(jìn)行推廣和宣傳，能夠取得更好的生產(chǎn)質(zhì)量、更高的生產(chǎn)效率，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。所以，在應(yīng)用熱處理節(jié)能技術(shù)時(shí)，應(yīng)該轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)觀念，樹立節(jié)能與環(huán)保的觀念。根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況，合理利用金屬材料熱處理節(jié)能技術(shù)，一方面能夠降低企業(yè)能源開支，另一方面使企業(yè)取得更高的經(jīng)濟(jì)效益。另外，還應(yīng)該加強(qiáng)傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代化技術(shù)之間的結(jié)合，提升科技水平，促進(jìn)我國(guó)熱處理行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。