金屬材料熱處理工藝與技術(shù)分析

易 超

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200）

科學(xué)應(yīng)用熱處理技術(shù)的主要目的是顯著提高金屬材料的性能，對有效提高金屬材料的利用率具有關(guān)鍵作用和重要價(jià)值玩。金屬材料的熱處理受一些影響因素的影響而扭曲，對金屬材料特定用途的某些不利影響這就是為什么要注意深入分析影響熱處理的因素，運(yùn)用科學(xué)實(shí)用的控制策略，有效降低變形的可能性和可能性，保證金屬材料良好的加工性能，有效提高金屬材料的利用率[1]。

1 金屬熱處理工藝概念介紹

金屬材料熱處理是一種重要手段，對產(chǎn)品進(jìn)行一定的熱處理可以除去在高溫狀態(tài)下進(jìn)行加工對產(chǎn)品造成的缺陷問題，能夠促進(jìn)內(nèi)部組織與結(jié)構(gòu)變化，改善材料性能,同時(shí)還能夠消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象、降低殘存在物體內(nèi)部的應(yīng)力，使得組織結(jié)構(gòu)和性能更加均勻，而不恰當(dāng)?shù)臒崽幚?，會造成人力、物力的浪費(fèi)。1863年時(shí)，英國鋼的內(nèi)部組織在加熱和溫度降低時(shí)會發(fā)生變化，鋼中的高溫相在淬火時(shí)會轉(zhuǎn)變?yōu)橛蚕?，英國專家發(fā)現(xiàn)鋼鐵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會隨著溫度的冷熱變化而變化，證實(shí)鋼鐵在淬火過程中會變得越來越堅(jiān)硬。漸漸人們也發(fā)現(xiàn)在對鋼鐵等進(jìn)行熱處理過程中，還能夠?qū)ζ湫纬杀Ｗo(hù)作用，避免被跟氧化合而致使鋼的含碳量減少。20世紀(jì)60年代，熱處理技術(shù)利用等離子體場效應(yīng)發(fā)展了離子氮碳共滲和低溫滲氮處理。發(fā)展至今，熱處理工藝多種多樣，常被應(yīng)用的熱處理工藝有加熱到一定溫度并持續(xù)一定時(shí)間后緩慢溫度降低、加熱到一定溫度后放在水或油或空氣中迅速溫度降低和表面加熱溫度降低改變表層力學(xué)性能等。對于熱處理的概念不能一概而論，它包含著詳細(xì)的分類。金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理（熱處理一般可分為三個(gè)環(huán)節(jié)：一是淬火環(huán)節(jié)，主要是利用冷卻水對軋制后的高溫鋼材進(jìn)行急劇降溫冷卻，使軋件表面形成具有更高強(qiáng)度與硬度的馬氏體結(jié)構(gòu)；第二環(huán)節(jié)是回火，經(jīng)過淬火后的鋼材，其表面溫度要低于內(nèi)部溫度，此時(shí)鋼材內(nèi)部的熱量就會向外部傳遞，繼而使表面溫度升高。由于其溫升熱量來自于鋼材內(nèi)部，因而也被稱為自回火；第三是冷卻環(huán)節(jié)，經(jīng)過自回火后加工，其表面與內(nèi)部溫度逐漸趨于一致，內(nèi)部的奧氏體經(jīng)過等溫相變，獲得最終的金相組織。金屬熱處理常用的處理方法包括三種：表面熱處理、局部熱處理和化學(xué)熱處理。其中表面熱處理包含激光和感應(yīng)加熱熱處理以及火焰淬火；而日常所說的滲碳、滲氮、滲金屬、復(fù)合滲等則屬于化學(xué)熱處理[2]。

2 機(jī)械金屬材料熱加工處理實(shí)踐中遇到的問題

機(jī)械金屬材料在進(jìn)行熱加工處理的過程中，因?yàn)榻饘俨牧媳旧聿馁|(zhì)性能性質(zhì)，因?yàn)槭艿降耐獠康牧蛘咄庠诃h(huán)境變化，尤其是溫度的高低導(dǎo)致冷熱不均情況時(shí)，可能會存在斷裂變形的狀況。通過機(jī)械金屬材料的熱處理，溫度的提高會影響金屬的狀態(tài)性質(zhì)發(fā)生變化，從而直接影響金屬內(nèi)在結(jié)構(gòu)變化，尤其是增加提高溫度熱加工的情況時(shí)，機(jī)械金屬的外部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，發(fā)生最終的變形塑型。在這個(gè)過程中會因?yàn)椴煌臒峒庸に俣群痛螖?shù)而影響機(jī)械金屬材料的外在變化，也就是說，隨著熱加工次數(shù)的增加而導(dǎo)致金屬材料的外在狀態(tài)發(fā)生改變。通常情況下，在金屬材料內(nèi)應(yīng)力變化中包括熱應(yīng)力和組織應(yīng)力變形。通過對機(jī)械金屬材料處理過程中，分別進(jìn)行相的熱效應(yīng)處理和冷效應(yīng)處理，經(jīng)過這樣的處理過程，最終的結(jié)果就是熱應(yīng)力變形。往往在這個(gè)金屬材料的處理過程中，通過對加工形式和不同金屬材料的添加減少，機(jī)械金屬材料會在內(nèi)在性能和外在形狀方面產(chǎn)生影響變化。通過實(shí)踐可以使我們得知，機(jī)械金屬材料使用性能有所提升，這個(gè)提升的過程雖然復(fù)雜麻煩，不管是金屬的不同種類，還是不同的加工處理方式和加工次數(shù)，都是直接影響最終機(jī)械金屬材料的使用壽命。所以通過收集不同數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，積極申報(bào)相關(guān)科研課題和完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，從而使機(jī)械金屬材料的研究水平有質(zhì)的飛躍，當(dāng)然在現(xiàn)實(shí)情況中還存在一定的工藝和技術(shù)的壁壘，要想突破瓶頸，還需要對機(jī)械金屬材料的熱處理加工過程中積極積累經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，通過經(jīng)驗(yàn)和工匠精神的發(fā)揮，精益求精避免機(jī)械金屬材料發(fā)生外在變形和內(nèi)在性能降低。通過機(jī)械金屬材料的處理加工，往往會遇到的問題如下。機(jī)械金屬材料前期冷處理過程中有殘留奧氏體到馬氏體的過程轉(zhuǎn)化反應(yīng)，機(jī)械金屬材料的體積會導(dǎo)致相應(yīng)增加。在這時(shí)，低溫回火工藝和其時(shí)效就會發(fā)生作用，可能因內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致機(jī)械金屬材料產(chǎn)生外在斷裂變形，或者可能因馬氏體轉(zhuǎn)化反應(yīng)分解析出許多碳化物，最終影響金屬材料的體積降低。另外就是在熱處理淬火過程之前，因?yàn)樘蓟锏臄?shù)量、鍛造所致的金屬纖維方向、以及合金元素偏析等方式導(dǎo)致機(jī)械金屬材料的的相關(guān)變化。一般處理方式就是通過調(diào)質(zhì)處理的方式去改變或降低機(jī)械金屬材料變形量絕對值，通過金屬淬火工藝使機(jī)械金屬材料發(fā)生有秩序規(guī)律的可控變形，從而形成比較符合要求并滿意的最終處理結(jié)果。需要強(qiáng)調(diào)的是，化學(xué)熱處理方式對改善金屬材料表層性能有著決定性作用，因?yàn)榻饘偬幚韺拥暮穸葐栴}，會發(fā)生不同改變結(jié)果。所以處理方式就是在機(jī)械金屬熱處理加工基礎(chǔ)上還可以對金屬材料進(jìn)行磨削加工，一定程度上減少金屬材料所發(fā)生的不確定因素劣性形態(tài)發(fā)生改變，控制向正態(tài)良性變化發(fā)展。

3 金屬材料熱處理工藝與技術(shù)

3.1 減少熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

熱處理過程中由于塑性變形產(chǎn)生殘留的應(yīng)力，因?yàn)椴荒芡耆?，會破壞金屬材料表面的保護(hù)膜，殘余應(yīng)力值越高表現(xiàn)出有害就越大，會降低試樣的實(shí)際抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，還會降低疲勞極限，縮短試樣壽命造成脆性斷裂。殘余應(yīng)力會導(dǎo)致試樣在淬火時(shí)因熱膨脹而產(chǎn)生應(yīng)力集中，試樣可能因而產(chǎn)生嚴(yán)重變形或開裂，為了避免熱處理失敗，就要求爐內(nèi)溫度溫差不能超過±20℃/小時(shí)，保溫時(shí)間不宜過長和過快，在熱處理升溫過程中要有緩慢升溫階段，也要有緩慢冷卻階段，這種方法是消除殘余應(yīng)力的有效方法。對此類有缺陷的試樣也可以在熱處理之前預(yù)先采取適當(dāng)?shù)男迯?fù)措施。

3.2 保障冷卻的科學(xué)合理性

金屬材料熱處理過程中發(fā)生變形以及出現(xiàn)開裂的質(zhì)量問題，主要是在具體的操作過程中沒有注重質(zhì)量的有效控制，所以在實(shí)際熱處理工藝的落實(shí)中，要能從不同的角度出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化，從整體上提升冷卻的質(zhì)量。金屬熱處理要和材料的性質(zhì)相結(jié)合，針對性選擇相應(yīng)的冷卻方法，避免受到冷卻因素的影響而發(fā)生變形的問題。熱處理中有雙介質(zhì)淬火以及單介質(zhì)淬火和馬氏體分級淬火等方式，操作人員要對各種淬火的方式以及優(yōu)勢能有充分的了解，在冷卻的環(huán)節(jié)要針對性選擇淬火的方式來保障熱處理的整體質(zhì)量，只有從這一環(huán)節(jié)加強(qiáng)質(zhì)量的有效控制，才能有助于提升熱處理的整體質(zhì)量。如雙介質(zhì)淬火的方式快速冷卻，萍火零界溫度能迅速降到300弋，在兩三分鐘保溫處理后放在低冷卻速度介質(zhì)中二次冷卻處理。而采用單介質(zhì)淬火的方式是通過在一種冷卻介質(zhì)中冷卻淬火零件的方式，在操作上較為簡單化，但是容易造成材料變形以及開裂的問題。如下圖的相關(guān)金屬材料尺寸的處理，在實(shí)際處理工作的落實(shí)當(dāng)中，結(jié)合材料處理的需要針對性選取了冷卻的方式，保障了材料處理的質(zhì)量。

3.3 有效加工

熱處理環(huán)節(jié)往往會牽涉到機(jī)械加工，需要采用夾具進(jìn)行輔助處理加工，在保證淬火合格率的前提下，要注意留有夾具的余量，這樣能有效保證經(jīng)過熱處理后的金屬工作的質(zhì)量；除此之外，為處理金屬材料的變形提供保證，在加工時(shí)，要對夾具進(jìn)行合理選擇，對加工作業(yè)人員進(jìn)行相應(yīng)的技能培訓(xùn)，提升其專業(yè)技能水平以及質(zhì)量意識，對金屬材料的變形規(guī)律有正確的認(rèn)知，確保其在加工過程中作業(yè)規(guī)范，以降低熱應(yīng)力不均衡而造成金屬材料變形的幾率。

3.4 運(yùn)用機(jī)械化加工技術(shù)

針對金屬材料，進(jìn)行熱處理期間，工序順利存在明顯的固定性特點(diǎn)，不過，由于材料性質(zhì)具有顯著的差異性，因此，對于性質(zhì)各不相同的金屬材料，熱處理工作所對應(yīng)的工序同樣也會存在相應(yīng)的差異。針對大多數(shù)金屬材料加工，熱處理屬于非常關(guān)鍵的工序，不過，由于部分金屬材料存在明顯的特殊性，因此，熱處理工序效果也會受金屬材料影響。機(jī)械加工處理的運(yùn)用，對余量處理具有非常顯著的效果，對于加工工序，也會制定相應(yīng)的變形范圍，針對加工處理之后的材料，若超過變形規(guī)定范圍，則需對變形的具體原因進(jìn)行分析判斷，并運(yùn)用合理有效的處理措施，對變形做出妥善解決。

3.5 金屬材料表面的氮化復(fù)合處理

傳統(tǒng)的金屬材料表面氮化復(fù)合處理，是將溫度控制在520℃～560℃之間，在材料的選擇上通常以氯化鋇、中性氯化鈉為主。在含有氰化物和氰酸鹽中完成操作，利用熔鹽中氰酸鹽的分解以及化學(xué)反應(yīng)所形成的氮，從而對在熔鹽中的金屬工件表面進(jìn)行氮化處理。復(fù)合處理是根據(jù)“淬火——拋光——淬火”基本流程來命名的，復(fù)合處理技術(shù)曾經(jīng)是我國重點(diǎn)研究的項(xiàng)目之一，主要是因?yàn)槠渚哂辛己玫膶?shí)施效果，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 ：第一，具有良好的耐磨性。復(fù)合處理能夠有效提高金屬工件使用壽命達(dá)2倍以上，在疲勞強(qiáng)度方面也能夠提高40%左右。第二，具有良好的抗蝕性。經(jīng)復(fù)合處理技術(shù)后的金屬工件相比較發(fā)黑處理的金屬工件在大氣和鹽霧中抗蝕性提高70倍左右。第三，變形度較小。復(fù)合處理技術(shù)能夠保證金屬工件無變形，變形在0.005mm左右，這幾乎是可以忽略不計(jì)的。第四，節(jié)能效果非常理想。不僅在環(huán)保性能上十分優(yōu)越，同時(shí)對技術(shù)處理的要求溫度角度，能耗較低，且無公害[2]。

4 結(jié)語

金屬材料是現(xiàn)代工業(yè)、建筑、農(nóng)業(yè)、船舶制造、國防及科學(xué)技術(shù)等部門使用最廣泛的材料，來源豐富、性能優(yōu)良、品種多、性能各異，能滿足各行各業(yè)不同的要求，但如果金屬材料在熱處理過程中質(zhì)量控制不過關(guān)，導(dǎo)致金屬材料變形以及其它問題的產(chǎn)生，就會使得所制造的零件不能滿足產(chǎn)品使用要求，或是影響整體的使用，甚至可能會造成重大的經(jīng)濟(jì)的損失。所以，必須采取有效的控制手段預(yù)防金屬材料在熱處理中發(fā)生變形現(xiàn)象，一是要加強(qiáng)對熱處理工藝的研究，不同的金屬材料匹配相應(yīng)的熱處理實(shí)施工藝；二是對熱處理過程進(jìn)行全面的監(jiān)控，確保溫度、時(shí)間、操作規(guī)范；三是加強(qiáng)對生產(chǎn)人員的專業(yè)技能的提升，確保其技術(shù)水平與質(zhì)量意識適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展下對金屬材料生產(chǎn)加工的高要求。除此之外，還要通過合格的檢測手段，依據(jù)可靠性和適用性的原則選擇合適的方法，準(zhǔn)確獲取金屬材料的成分、組織、性能，從而達(dá)到高效、準(zhǔn)確的檢驗(yàn)?zāi)康模⒃诖嘶A(chǔ)上通過不同的加工方法，使金屬材料的某些性能獲得進(jìn)一步的改善，從而擴(kuò)大其使用范圍，更好地為人民的生產(chǎn)生活服務(wù)[3,4]。