金屬材料熱處理工藝與技術分析

馬飛 強歆 于媛

摘 要：金屬材料具有塑性好、韌性強、耐腐蝕性好和強度高等性能，能夠在很多領域中發(fā)揮重要作用。為了使得金屬材料發(fā)揮更好的應用效果，使用熱處理工藝對其進行處理，有助于進一步提高金屬材料的綜合性能。文章主要分析金屬材料熱處理工藝和技術，首先對金屬材料及熱處理工藝進行簡要分析，然后分析熱處理工藝對金屬材料的影響，只有使用科學、合理的熱處理工藝，才能使得金屬材料的綜合性能更加完善。文章還分析了幾種金屬材料熱處理技術，比如激光熱處理技術、熱處理CAD技術、真空熱處理技術等。隨著科學技術的發(fā)展，熱處理技術變得更加先進和完善，對金屬材料進行加工處理將會具有更好的效果。

關鍵詞：熱處理;金屬材料;工藝和技術

中圖分類號：TQ050.4+1 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0017-04

Abstract：Metal materials have the properties of good plasticity， strong toughness， good corrosion resistance and high strength， which can play an important role in many fields. In order to make the metal materials exert better application effects， the heat treatment process is used to treat them， which helps to further improve the comprehensive performance of the metal materials. Therefore， the paper mainly analyzes the heat treatment process and technology of metal materials. First， it briefly analyzes the metal materials and heat treatment process， and then analyzes the effect of heat treatment process on metal materials. Only by using scientific and reasonable heat treatment process can the comprehensive performance of metal materials be more perfect. . The paper also analyzes several metal material heat treatment technologies， such as laser heat treatment technology， heat treatment CAD technology， and vacuum heat treatment technology. With the development of science and technology， heat treatment technology has become more advanced and perfect， and processing metal materials will have better results.

Key words：heat treatment; metal materials; process and technology

在國民經(jīng)濟中工業(yè)生產(chǎn)一直占據(jù)著非常重要的部分，涉及到人類生活的方方面面，在社會的快速發(fā)展過程中，工業(yè)生產(chǎn)也在不斷發(fā)展，并且也帶動了其他行業(yè)的發(fā)展，比如有色金屬行業(yè)等。當前，有色金屬的開發(fā)和利用越來越多，所以推動了熱處理技術快速發(fā)展，使其變得更加完善和成熟[1]。由于熱處理工藝和技術直接決定著金屬材料的物理性能，如果在使用過程中，其工藝和技術存在問題，那么就會降低金屬材料的耐久性、抗疲勞性、硬度等，使得所生產(chǎn)的產(chǎn)品不符合質量要求，將會增加企業(yè)的制造成本，還會存在安全事故[2]。所以需要嚴格控制好金屬材料熱處理工藝和技術，用其增加金屬材料的綜合性能。

金屬材料熱處理工藝和技術在不斷完善的過程中，不僅能夠增加生產(chǎn)產(chǎn)品的質量，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，而且還有助于保護環(huán)境、節(jié)能減排，正好符合當前人類節(jié)能環(huán)保的理念[3]。于是研發(fā)和創(chuàng)新金屬材料熱處理工藝和技術值得各個相關研究者的重視，在應用過程中，需要嚴控管控好熱處理的各個工藝環(huán)節(jié)，從而增加熱處理技術的水平?；诖?，文章將主要分析金屬材料熱處理工藝和技術，以供相關研究者參考。

1 金屬材料的分類

在生產(chǎn)和生活中，金屬材料作為一種常見材料能夠發(fā)揮重要作用。因為該材料具有很好的剛度、硬度和強度，而且還具有很好的導熱性和導電性，另外，其韌性和可塑性也較好，所以在不同領域中能夠發(fā)揮重要作用，并且很多領域中已經(jīng)離不開金屬材料的作用。金屬材料的種類有很多，不同材料的性能也會存在差異，總體上金屬材料可以分為3類，分別為黑色金屬材料、有色金屬材料和特種金屬材料，這3種材料如下[4]。

（1）黑色金屬材料。這種材料就是我們身邊非常常見的一種鋼鐵材料，比如含碳量大于2.11%的鑄鐵、含碳量在0.0218～2.11%之間的鋼，還有工業(yè)純鐵，廣義上的黑色金屬材料還包含錳、锘及其合金[5]。

（2）有色金屬材料。這種材料就是除了鐵、錳、锘以外的所有金屬及其合金，這種材料的主要特點在于具有更好的強度和硬度，而且還具有電阻溫度系數(shù)小的特點。有色金屬材料下面有很多不同類別的材料，比如重金屬、稀有金屬、貴金屬、稀土金屬、輕金屬等等[6]。

（3）特種金屬材料。這種材料包含具有特定的用途，主要包含兩大類，分別為功能金屬材料和結構金屬材料。當前在很多領域中廣泛使用的納米材料，經(jīng)過融合納米技術，使得金屬材料改變原來的化學性能和物理性能，從而具備更高的綜合性能，比如較強的抗疲勞性能、強度等[7]。

2 金屬材料的主要性能

金屬材料因其性能優(yōu)異，所以在很多領域中具有重要作用。比如具有塑性好、韌性強、耐腐蝕性好和強度高等性能，3種金屬材料的主要物理性能如下：

（1）金屬材料的硬度性能。金屬材料在應用過程中，其硬度性能主要表現(xiàn)出來的是抗擊能力。硬度屬于金屬材料顯著的物理性能，并且也是衡量金屬材料物理性能的重要指標。如果金屬材料的硬度越大，那么將會具有更好的抗擊能力，其應用性能也將更好。

（2）金屬材料的耐久性。金屬材料在長時間的使用過程中，會受到各種環(huán)境問題而導致其性能降低，金屬材料的耐久性就是能夠抵抗環(huán)境對其影響，從而能夠繼續(xù)保持其使用性能的能力。一般情況下，金屬材料抗腐蝕性和耐久性之間有必然聯(lián)系，因為金屬材料受到外界作用會出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，當腐蝕現(xiàn)象比較明顯時，則說明金屬材料的耐久性較差，反之，如果金屬材料的耐久性較強，則材料的抗腐蝕也較強，金屬材料的使用壽命也將更長。

（3）金屬材料的疲勞性。疲勞性指的是金屬材料在長期的工作過程中，會受到連續(xù)不斷的交變荷載，沒有出現(xiàn)明顯變形，但是會突然發(fā)生斷裂或者損壞的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的發(fā)生并不是因為金屬承受能力已經(jīng)達到了臨界點，而是因為金屬材料經(jīng)過長時間的連續(xù)外力影響下而發(fā)生的損壞或者斷裂情況。

在金屬性能中疲勞性也屬于一個重要的衡量指標。因為在實際的應用過程中，機械設備中的軸承、連桿之類的金屬零部件都會發(fā)生疲勞失效的情況，如果金屬材料非常容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象，那么將會影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本。于是如果金屬材料需要應用于長期應力工作環(huán)境下，那么一定要增強其抗疲勞性能，才有利于增加工件的使用周期。

3 金屬材料熱處理簡介

3.1 金屬材料熱處理的定義

金屬材料熱處理應用于工業(yè)生產(chǎn)過程中，其主要定義就是在特定容器中放入金屬材料對其進行加熱，當加熱到規(guī)定溫度之后，還需要保持該溫度持續(xù)一段時間，再通過使用不同速度對不同預定介質緊致降溫處理，先熱后冷的處理方式目的在于是的金屬材料表面或者內(nèi)在的基本組織結構發(fā)生變化，是得該金屬材料能夠符合一定的性能和結構[8]?？傊饘俨牧蠠崽幚砭褪峭ㄟ^加熱、保溫、降溫等步驟對金屬材料進行處理，然后得到預期性能和結構的一種熱處理技術。

一般情況下，金屬材料熱處理工藝可以分為3種不同的處理工藝，分別為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理。每種熱處理工藝對金屬材料進行加工，其得到的金屬內(nèi)部和表面基本結構將會存在差別，能夠實現(xiàn)不同的使用性能要求。所以需要根據(jù)金屬材料的實際需求選擇最為合適的熱處理工藝。

3.2 金屬材料熱處理的過程

在金屬材料熱處理的定義中已經(jīng)提出過熱處理就是對金屬材料進行加熱、保溫和冷卻。其實，在有些情況，其中的保溫可以省略。雖然熱處理工藝涉及到三個或者兩個處理過程，但其中每一個過程之間是互相銜接，不會出現(xiàn)斷裂情況。另外，在每個處理過程中還存在很多需要注意的細節(jié)部分，熱處理的3個階段進行分析如下。

（1）加熱階段。在熱處理工藝中加熱屬于最為基本的前提條件，并且也是非常重要的處理階段。傳統(tǒng)的加熱方式會使用煤炭或者木炭作為燃料，用來提高金屬溫度，后來科學技術的發(fā)展，并且對節(jié)能環(huán)保的重視程度不斷提高，氣體燃料和液體燃料被開發(fā)，從而廣泛的應用到熱處理中。如今，在電力技術的大力發(fā)展之下，金屬材料熱處理工藝變得更加的便捷，能夠更加方便、靈敏的對加熱溫度和時間進行控制，所以熱處理工藝使用電力技術進行加熱，具有跨時代的意義。使用燃料對金屬進行加熱的過程中，金屬會與氧氣發(fā)生氧化，會與空氣發(fā)生脫碳現(xiàn)象，為了降低金屬材料的負面影響，所以在加熱過程中，其加熱環(huán)境的要求比較高，如今也已經(jīng)有真空加熱的處理方式，同時在加熱時也可以是用涂料或者包裝方式對金屬表面進行保護加熱。

（2）保溫階段。當上述加熱達到指定溫度之后，還需要以一定溫度保持一段時間，即保溫階段。在保溫階段需要根據(jù)實際的技術規(guī)范和標準，設置好保溫階段的保溫時間。當然在設置保溫時間之前需要有前提條件，即溫度要能夠得到有效保障和可控制。保溫的目的在于促使金屬材料發(fā)生連續(xù)反應，使其內(nèi)部和外部結構發(fā)生變化，從而使得金屬材料的性能變得更加穩(wěn)定和提高。一般情況下，在金屬熱處理過程中都需要保溫階段，只有在特殊情況，保溫階段可以省去。

（3）冷卻階段。熱處理工藝中，冷卻階段也屬于必不可少的環(huán)節(jié)，與加熱階段一樣，具有非常重要的作用。冷卻階段就是對金屬材料進行將溫處理，然而在降溫過程中并不僅僅直接將溫度降下來，還需要使用合適的冷卻方法和時間。因為不同的工藝和金屬材料，冷卻方法和時間不同，將會使得最終的產(chǎn)品質量完全不同。不同的冷卻方式主要體現(xiàn)在其冷卻速度不一樣，一般情況下，正火的冷卻速度比較快，退火的冷卻速度最慢，淬火的冷卻速度恰好與之相反，即冷卻速度最快。另外還需要根據(jù)金屬材料熱處理工藝設置好冷卻時間。

4 熱處理工藝對金屬材料性能的影響

金屬材料進行熱加工處理的目的在于提高其綜合性能，所以熱處理工藝對金屬材料進行處理有利于提高其物理性能，使得金屬材料在應用過程具有更好的使用效果。

（1）熱處理溫度對金屬材料疲勞性的影響。當金屬材料完成合理的預處理之后，其綜合性能就會有明顯的提高。其中抗疲勞性能主要會受到熱處理溫度的影響。例如，熱處理工藝在金屬材料使用過程中，如果其中的冷卻速度沒有設置好，將其設置得過快，那么金屬材料的溫度在段時間內(nèi)發(fā)生驟變，就會存在比較大的應力作用，于是金屬材料容易出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象，也就是金屬材料的疲勞性能將會受到比較大的影響。所以在熱處理過程中，工作人員需要嚴格控制好溫度，并且不斷對溫度進行調(diào)整，從而選擇出一個最適合的溫度提高金屬材料的抗疲勞性能。

（2）熱處理工藝對金屬材料耐久性的影響。由于金屬材料在受到持續(xù)加熱的過程中，然后在突然發(fā)生冷卻反應，其結構就會發(fā)生較大改變，金屬材料的自身耐腐蝕也會受到比較大的影響。通過從熱處理的應力入手，工作人員首先要了解到金屬材料的自身耐久性，然后再確定熱處理應力的大小，于是使用這種熱處理工藝能夠改善金屬材料耐久性。確定應力大小時，不能出現(xiàn)剩余應力，不然就會對金屬材料耐久性產(chǎn)生負面影響。所以，通過使用熱處理工藝，能夠對金屬材料的腐蝕性造成影響，同時就會對其耐久性造成影響。

（3）熱處理預熱對金屬材料切割的影響。熱處理過程中除了會對金屬材料的性能造成影響，而且還會影響其切割效果。因為對金屬材料進行整體加工時，不可避免的會對金屬材料進行切割操作。其中使用的切割工具非常重要，另外工作環(huán)境的影響也會非常大?；诖?，為了使得金屬材料的切割質量有所保障和提高，可以使用預熱處理的方式。熱處理預熱對金屬材料切割的影響有兩面性，如果進行科學合理的預熱處理，可以避免金屬材料在切割時使用的刀具和材料之間的粘連現(xiàn)象，那么就會增加材料的切割效率，而且還能夠保證金屬材料切割的精確度，最終提高金屬材料的切割質量;反之使用預熱處理時，沒有嚴格按照規(guī)范要求進行，那么就會增加金屬材料切割的誤差，使得切割成品質量不符合要求。

5 金屬材料熱處理新工藝和技術

隨著我國科學技術的不斷發(fā)展，金屬材料熱處理工藝得到了進一步發(fā)展，技術方面更加的先進，更過的新方法、新工藝不斷涌現(xiàn)，使得金屬材料能夠獲得更好的熱處理，有助于提高金屬材料的物理性能，還有助于提高金屬材料的成品質量。下面將對幾種熱處理新工藝和技術進行簡要介紹。

（1）激光熱處理技術。這種技術就是通過使用高能量激光束對金屬材料進行熱處理，因為高能激光束具有非常大的熱量，作用于金屬表面會使其溫度快速上升而達到相變點。這種技術的最大優(yōu)勢在于功率高、激光束密度大，所以在處理過程中，會增加金屬材料表面的耐磨性、強度和硬度，使得金屬材料具有更好的力學性能，而且還可以增加材料的熱處理速度[9]。當前，使用激光熱處理技術的主要對象是鑄造型板沖壓模具，在石油化工、冶金和汽車等領域中使用較為頻繁，因為這種技術的生產(chǎn)成本比較高。

（2）熱處理CAD技術。該技術屬于一種模擬系統(tǒng)，其中主要以計算機作為輔助工具，然后對材料進行熱處理工藝模擬，這種技術的主要優(yōu)勢在于通過模擬實際的熱處理工藝，從而提高熱處理工藝的實際效果，能夠降低實際工作失誤，提高實驗效率。甚至通過該技術能夠模擬現(xiàn)實工作不能達到的操作，比如完全退火和等溫退火等，能夠預防金屬材料的變形。熱處理CAD技術的具體模擬過程是研究人員首先使用CAD技術還原整個熱加工過程，其中包括模擬具體的熱加工工序，在設置工序過程中需要綜合考慮到金屬材料的化學性能、物理性能和熱加工的具體要求等，在模擬過程中需要及時將步驟中存在問題的地方進行修改完善。實際上熱處理CAD技術就是信息技術和電腦技術在加工領域中的應用，這些技術使得熱處理技術生產(chǎn)變得更加高效。

（3）化學薄層滲透熱處理技術。顧名思義，該技術是通過使用化學反應的方法對金屬材料進行熱處理，經(jīng)過化學反應，金屬材料的薄層得以滲透之后，該材料就會在很大幅度上提高其堅韌性。傳統(tǒng)的熱處理技術是使用燃料進行熱處理，然而這種技術打破了傳統(tǒng)的處理過程，具有更好的節(jié)能減排作用，而且熱處理時間快。如今化學薄層滲透熱處理技術在實際的生產(chǎn)中已經(jīng)有著廣泛的使用。

（4）振動時效處理技術。在金屬材料熱加工過程中，振動時效處理技術屬于必要部分。因為金屬材料進行熱處理就會受到機械設備的影響，使其自身發(fā)生非常大的振動，金屬材料受到較大振動力，就會導致其出現(xiàn)錯位或者位移等情況，加工出來的產(chǎn)品就會出現(xiàn)質量問題。所以必須要使用振動時效處理技術，其主要作用在于對機械設備產(chǎn)生的振動進行干預，從而可以降低振動對金屬材料的影響，從而提高生產(chǎn)加工產(chǎn)品的精確度和質量。

（5）真空熱處理技術。通過燃料加熱的熱處理技術中，氧氣屬于不可或缺的物質，于是在有氧環(huán)境下進行熱處理，金屬材料表面會發(fā)生氧化作用，就會對其性能造成影響。于是為了解決該問題，伴隨著科學技術的快速發(fā)展，研究者們實現(xiàn)了真空熱處理技術，即在沒有氧氣環(huán)境中對材料進行熱處理，避免了金屬材料氧化。這種技術的主要優(yōu)勢就是防止金屬材料氧化，并且在真空環(huán)境下，低壓滲透材料能夠直接進行高壓氣淬施工，所以能夠縮短熱處理流程，提高熱處理效率[10]。

6 結語

綜上所述，金屬材料熱處理工藝和技術變得更加成熟，不僅能夠提高金屬材料的綜合性能，而且在一定程度上有助于推動我國工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，并且熱處理工藝還能夠符合當前人類節(jié)能環(huán)保的理念，能夠降低金屬材料的處理成本。我們需要重視的是提高熱處理加工效率，并且需要熟知熱處理和金屬材料之間的關系，熟練掌握熱處理工藝和技術，使得金屬材料的性能更加優(yōu)異。隨著科學技術、新材料的不斷發(fā)展，金屬材料的應用性能將會更好，我國的工業(yè)化發(fā)展將會不變得更加完善。

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