金屬材料熱處理變形及開裂問題分析

默 雄

（河冶科技股份有限公司，河北 石家莊 052165）

金屬熱處理的一般過程是先在不同的介質(zhì)中進(jìn)行加熱，加熱一定的時(shí)間后需要進(jìn)行保溫，根據(jù)所需的材料性質(zhì)，選擇不同的介質(zhì)、以不同的速度進(jìn)行冷卻，通過這些步驟來改變金屬原有的結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)改變金屬性能的目的。所以，在進(jìn)行熱處理時(shí)，要嚴(yán)格把控溫度、介質(zhì)、環(huán)境等相關(guān)因素，盡量避免出現(xiàn)變形和開裂問題。

1 金屬熱處理的簡要介紹

1.1 金屬熱處理的主要作用

無論是在建筑行業(yè)，還是機(jī)械生產(chǎn)行業(yè)，對(duì)金屬的使用量都相當(dāng)可觀。使用較為廣泛的金屬材料主要有：鐵、銅、鋁等，這些材料都能夠通過熱處理改變自身原有的屬性，增加其抗腐蝕能力，提升金屬熔點(diǎn)，讓這些金屬得到更好的應(yīng)用。

1.2 金屬熱處理使用的主要工藝

金屬熱處理主要使用的工藝有：整體熱處理、表面熱處理、化學(xué)熱處理。這些工藝的主要不同之處在于加熱介質(zhì)不同、加熱溫度有所差別、冷卻技術(shù)和冷卻時(shí)間有所不同這幾個(gè)方面。下面我們將分別介紹這幾種常用的工藝。

整體熱處理技術(shù)，從字面意思來理解，就是對(duì)整個(gè)金屬物件進(jìn)行全部的加熱，然后再通過冷卻等技術(shù)完成一系列的加工處理，實(shí)現(xiàn)金屬性能的進(jìn)一步加強(qiáng)，從而讓金屬更具可靠性，投入到建設(shè)生產(chǎn)中。整體熱處理主要由四步組成：第一步，退火，顧名思義就是金屬加熱到一定溫度之后，需要按照工藝要求將金屬放置在合適的介質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行保溫，這樣可以讓金屬內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定的環(huán)境溫度下達(dá)到一種內(nèi)部平衡的狀態(tài)，獲得更穩(wěn)定的金屬結(jié)構(gòu)；第二步，正火，這一過程與退火有相似之處，經(jīng)常將金屬放置在空氣中進(jìn)行冷卻降溫，這一步驟可以獲得更加細(xì)致的分子結(jié)構(gòu)，但是在空氣中進(jìn)行降溫，容易和空氣中的物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致金屬表面生銹，表層的物質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞，常用于對(duì)工藝要求不太高的金屬熱處理中；第三步，淬火，這一過程我們都不陌生，主要就是在金屬溫度穩(wěn)定之后，將金屬快速放置在溶液介質(zhì)中，迅速降溫，讓得到的金屬更加堅(jiān)硬，但是過剛易折，金屬會(huì)變脆；最后一步是回火，回火就是為了降低金屬的脆性，讓金屬在淬火之后仍然置于一定的溫度中進(jìn)行長時(shí)間的保溫，最后再進(jìn)行冷卻，這樣得到的金屬就會(huì)更具韌性，不易損壞。

表面熱處理技術(shù)，我們從字面意思上理解就是只加熱金屬的表層，金屬的內(nèi)部我們不進(jìn)行加熱處理，也就是僅僅改變金屬表層的相關(guān)結(jié)構(gòu)。但是，僅對(duì)表層進(jìn)行加熱相對(duì)比較困難，所以要使用一定的技術(shù)，讓金屬表面的溫度迅速到達(dá)一定的溫度，不讓多余的熱量傳遞到金屬的內(nèi)部。這就要求熱源具有短時(shí)間爆發(fā)出高能量，只有這樣才能滿足表面熱處理的要求。

化學(xué)熱處理其實(shí)就是在加熱過程中改變了金屬的化學(xué)性質(zhì)。它的大部分工藝與表面熱處理類似，最大的不同之處就在于化學(xué)熱處理是將金屬放在其他化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境中進(jìn)行的，常見的有碳、氮、硼等元素，金屬通過與這些物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成抗腐蝕性能更好、硬度更高等性質(zhì)更好的金屬材料，能夠?yàn)楣に嚨纳a(chǎn)、建設(shè)帶來更大的便利。

1.3 金屬熱處理在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

通過上文的分析，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)金屬進(jìn)行熱處理可以很大程度地優(yōu)化金屬的相關(guān)性質(zhì)，比如增強(qiáng)金屬的抗腐蝕性、增加金屬的硬度、降低金屬的脆性，這些優(yōu)點(diǎn)都可以讓我們得到更優(yōu)質(zhì)的金屬材料，這些金屬材料可以用于造船、建設(shè)、生產(chǎn)等各行各業(yè)，對(duì)于一些高要求的剛也部門，通過熱處理的方式也能夠?qū)崿F(xiàn)特定的需求，可以說，熱處理不僅改變了金屬的性質(zhì)功能，也改變了生產(chǎn)建材以及機(jī)械制造的傳統(tǒng)方式，極大地推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。

但是，事無完備，既然有優(yōu)點(diǎn)，就會(huì)有缺陷。金屬熱處理過程中最大的缺陷就是變形和開裂。加熱溫度過高會(huì)影響金屬的外在形狀，使得金屬不能正常投入使用，這樣就需要重新生產(chǎn)新的金屬材料，不僅浪費(fèi)時(shí)間，也會(huì)增加成本。開裂問題也使熱處理中一個(gè)常見的問題，金屬開裂勢(shì)必不能再正常使用，金屬的使用性能和使用年限等都會(huì)受到影響，所以需要重新鍛造金屬。金屬鍛造次數(shù)過多也會(huì)導(dǎo)致影響金屬的性質(zhì)，影響使用。

所以，在金屬熱處理的過程中，要嚴(yán)格控制金屬的加熱條件、冷卻條件以及選擇的技術(shù)工藝，把控加熱時(shí)長、冷卻所用的介質(zhì)，只有嚴(yán)格控制熱處理的各個(gè)階段，才能讓金屬熱處理過程順利進(jìn)行，降低出現(xiàn)變形、開裂問題的頻率，讓金屬熱處理發(fā)揮其更大的作用，降低增加成本的可能性。

2 影響金屬熱處理過程出現(xiàn)變形開裂的主要因素分析

2.1 影響金屬熱處理變形的主要原因

金屬變形主要有兩種，一是金屬的形狀發(fā)生變化，另一種是金屬的尺寸大小發(fā)生變化。熱處理過程中影響金屬形狀的兩大力就是組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，這兩種力相互影響、相互作用，最終形成金屬的形狀，這種形狀是不可逆的。

影響金屬變形的原因多種多樣，但是歸根結(jié)底就是金屬熱處理過程中的兩種力，產(chǎn)生兩種力或是影響兩種力互相作用的因素就是影響金屬變形的主要原因。第一點(diǎn)，金屬在熱吹過程中，要不斷地經(jīng)歷高溫加熱、低溫冷卻，在極高溫和極低溫之間，通過熱脹冷縮以及金屬熱應(yīng)力的作用，金屬的尺寸大小就可能發(fā)生變化，一旦尺寸對(duì)于實(shí)際情況不適用，這一金屬就成為了報(bào)廢品，還需要重新融化鍛造，無疑增加了生產(chǎn)成本。第二點(diǎn)，金屬在受熱過程中的組織應(yīng)力對(duì)金屬的形狀也有不小的影響。金屬工件根據(jù)形狀的不同受力就會(huì)出現(xiàn)差別，在金屬內(nèi)部主要是壓應(yīng)力，而金屬外部是拉應(yīng)力，兩種力相互作用并且隨著溫度的變化而變化，溫度高時(shí)，拉應(yīng)力會(huì)占據(jù)上風(fēng)，使金屬的整體形態(tài)向外延展，如果想控制金屬的延展性，就需要適時(shí)調(diào)整溫度。如果溫度較低，壓應(yīng)力則比較突出，擠壓金屬的內(nèi)部形態(tài)，使金屬的形態(tài)回縮，那么金屬的形狀也會(huì)受到一定的影響。所以，在實(shí)際的金屬熱處理過程中，要根據(jù)金屬的性質(zhì)、所需金屬的形狀、大小，不斷地調(diào)整溫度以及介質(zhì)，只有這樣才能打造出合適的金屬材料，更好地投入到實(shí)際的應(yīng)用之中。

2.2 影響金屬熱處理開裂的主要原因

金屬在熱處理過程中經(jīng)常出現(xiàn)開裂的問題。金屬一旦出現(xiàn)了開裂，就不能正常使用，要么作為報(bào)廢品，要么重新鍛造。但是無論是哪一種方式，都需要投入人力、物力、財(cái)力，給生產(chǎn)過程帶來損失。所以，我們需要對(duì)產(chǎn)生開裂的因素進(jìn)行分析，從而找出改善措施。

第一點(diǎn)，金屬的化學(xué)成分。金屬工件的原材料大都是鋼材料。鋼材料的性質(zhì)較硬，但是硬質(zhì)材料的通病是比較脆，延展性較差，當(dāng)與強(qiáng)作用力時(shí)就會(huì)出現(xiàn)開裂的問題。除此以外，鋼由于碳含量的不同可以劃分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。低碳鋼對(duì)時(shí)間比較敏感，在熱處理進(jìn)行冷卻時(shí)，低碳鋼中的碳元素能穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)飽和的水平，隨之慢慢地形成碳氮物，這樣就能讓提高鋼的硬度和強(qiáng)度。中碳鋼含碳率略高于低碳鋼，中碳鋼是使用最廣泛的碳鋼，中碳鋼常用來制造切削功能的金屬用具、建筑材料以及各種常用的機(jī)械零件，具有很大的利用空間。高碳鋼是含碳量最高的碳鋼，最常用于焊接工藝。這些碳鋼有各自不同的優(yōu)勢(shì)，在生活中的使用也不盡相同，進(jìn)行熱處理時(shí)也需要不同的工藝技術(shù)。

第二點(diǎn)，鋼具有淬透性。所謂淬透性就是指在淬火過程中的滲透。主要是通過測(cè)量淬透層的深度以及淬透的分布來衡量淬透性。淬透性的大小主要是由金屬材料的淬火溫度決定的，這一性質(zhì)用于衡量金屬能夠接受淬火的能力。所以，如果金屬的淬火性較差，那么產(chǎn)生開裂的可能性就會(huì)比較大，在熱處理過程中就要注意淬火的溫度條件，盡量減少出現(xiàn)開裂的可能。對(duì)于淬透性較好的金屬也不要掉以輕心，雖然其淬透能力較強(qiáng)，但是也要掌握時(shí)間、溫度條件，過度的淬火也會(huì)影響金屬的性能。

3 降低出現(xiàn)金屬變形、開裂問題頻次的舉措

3.1 選用合適冷卻材料、加熱介質(zhì)

一般來說，在金屬熱處理過程中常用的冷卻材料就是水。水便宜易得，而且水的比熱容較大，能夠幫助讓金屬實(shí)現(xiàn)較快的冷卻降溫。而且水的成分較為穩(wěn)定，水中的雜質(zhì)較少，不易與金屬在高溫下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，影響金屬材料的性質(zhì)。但是水也存在一定的問題，如果金屬溫度達(dá)到500攝氏度，那么水的冷卻能力就不那么明顯，不能實(shí)現(xiàn)快速冷卻的要求。但是如果金屬溫度在300攝氏度左右，就會(huì)讓金屬降溫過快，金屬內(nèi)部的應(yīng)力就會(huì)影響金屬內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致金屬的結(jié)果收到破壞，影響金屬的最終性能。

為了降低水介質(zhì)的問題，一般在水中添加一些化學(xué)物質(zhì)中和水的一些問題，經(jīng)常加入食用鹽或是食用堿，這樣就能夠讓處于高溫的金屬也能夠迅速冷卻下來，保證金屬的剛性。但是食用鹽的濃度也要合理控制，濃度太高的鹽水容易造成金屬的生銹，影響金屬的抗腐蝕性，濃度如果太低，冷卻效果就不會(huì)那么明顯，所以，合適配比非常重要。

與冷卻介質(zhì)相對(duì)應(yīng)的是加熱介質(zhì)，在實(shí)際的熱處理過程中，往往需要將鋼材料與一些物質(zhì)混合加熱，讓鋼材與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。常見的物質(zhì)有碳、氮、硼等元素，這些元素可以提高鋼材的韌性或是硬度。能夠在不同方面提升鋼材料的性質(zhì)，承諾個(gè)人運(yùn)用到不同的生產(chǎn)、建設(shè)中。

3.2 在熱處理過程中精準(zhǔn)控溫

俗話說“火候要控制好”，做飯燒菜的過程也非常講究對(duì)火候的把控，火候大了，菜的鮮度就不能保障，火候不到，菜的香味就不能迸發(fā)出來，可見溫度是十分重要的。金屬熱處理的各個(gè)過程都需要與溫度打交道。在加熱過程中，要注意加熱的溫度，溫度達(dá)不到規(guī)定的溫度，金屬就不能實(shí)現(xiàn)完美的蛻變，溫度過高可能會(huì)造成金屬形狀發(fā)生變化，這樣的金屬也就不能投入使用。在冷卻過程中，一些金屬要求快速冷卻，如果實(shí)際中很長時(shí)間都不能冷卻下來，那么金屬的剛性就不能得到保證。所以說，溫度的把控對(duì)于金屬的熱處理是非常重要的。

在進(jìn)行金屬的熱處理中，一定要把控處理的溫度。而且，生產(chǎn)部門可以引進(jìn)精確度更高的溫度度量設(shè)備，將溫度誤差控制在很小的范圍內(nèi)，減少溫度誤差帶來的損失。同時(shí)，生產(chǎn)技術(shù)人員也要加強(qiáng)個(gè)人專業(yè)素養(yǎng)，在熱處理過程中做到認(rèn)真生產(chǎn)，安全生產(chǎn)，不能再工作中出現(xiàn)低級(jí)錯(cuò)誤，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

3.3 注意預(yù)熱技術(shù)的使用

因?yàn)榻饘僭诩訜徇^程中不易直接達(dá)到一定的高溫，所以可以將金屬進(jìn)行預(yù)熱，這樣既可以能夠讓金屬在較短的時(shí)間里升到一定的溫度。而且，金屬在前期的升溫過程會(huì)花費(fèi)較長的時(shí)間，預(yù)熱技術(shù)也能夠節(jié)約一定的時(shí)間，可以說是一舉兩得。

4 結(jié)語

金屬熱處理在生產(chǎn)制造中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，既能夠獲得高性能的材料，也能夠兼顧經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的要求。所以，應(yīng)該努力克服金屬熱處理中出現(xiàn)的變形、開裂問題，不僅要選擇合適的加熱材料，也要選擇好冷卻介質(zhì)，同時(shí)，應(yīng)該牢牢控制把握溫度，提高溫度的準(zhǔn)確度。只有這樣，才能有效降低出現(xiàn)變形等問題的可能性，讓金屬熱處理更好地服務(wù)人民。