金屬材料熱處理工藝在機械制造中的應用

陸 云 ， 陳 強 ， 郭忠曉 ， 朱凱麗 ， 洪端華

（德西福格汽車配件（平湖）有限公司，浙江 嘉興 314200）

相較于其他機械制造材料而言，金屬材料具備良好的耐久性和硬度，同時抗疲勞能力相對較強，應用金屬材料制造生產(chǎn)的機械，在正常的工作環(huán)境下并不會發(fā)生腐蝕、老化的問題。但不同的金屬材料其硬度存在一定程度的差異，所以在熱處理加工的過程中可能會受到外部因素、內(nèi)部應力的影響而出現(xiàn)內(nèi)部結構斷裂甚至整體結構斷裂問題[1]。

1 金屬材料熱處理工藝在機械制造中的應用優(yōu)勢

結合機械制造領域中金屬材料熱處理工藝的應用，分別對各項熱處理技術的應用優(yōu)勢進行分析，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 熱處理工藝

2 金屬材料與熱處理加工工藝之間的關系

單純從理論上分析，在機械制造領域中，相關技術人員應用熱處理工藝對金屬材料進行加工，能夠達成提高金屬構件耐久力、抗腐蝕性的目標，同時還能夠在一定程度上提升金屬材料加工的效率和質量，甚至可以實現(xiàn)金屬材料環(huán)保加工的預想。但是從實踐的角度來看，應用熱處理工藝加工金屬材料也有可能受溫度、人為等因素的影響而導致金屬材料斷裂、金屬構件損壞。所以探究金屬材料與熱處理加工工藝之間的關系對于金屬材料熱處理工藝在機械制造中的應用與推廣具有重要意義。本研究將結合該項工藝的實踐應用展開總結性分析。

2.1 金屬材料耐久性與熱處理工藝

在機械制造過程中，生產(chǎn)廠家對金屬原材料的加工并非一蹴而就的，金屬原材料在相對較長的時間內(nèi)均會受到不同程度、不同類別的外力因素影響，在此種狀態(tài)下金屬材料極易出現(xiàn)疲勞斷裂的問題。換言之，熱處理工藝會在不同程度上降低金屬材料的耐久性，金屬構件的損壞程度受外力作用頻率的直接影響，所以熱處理工藝的合理應用才能夠最大限度地降低外力作用對金屬構件產(chǎn)生的負面影響[3]。

2.2 材料切割與熱處理預熱

一般情況下機械制造過程中生產(chǎn)區(qū)域需要對大量的金屬材料進行切割，那么在這一工藝流程中相關工作人員選擇合適的切割工具，并對金屬材料進行熱處理預熱，則能夠在一定程度上縮短金屬材料切割的時間，降低金屬材料切割工序對切割工具的損耗。此外，在整個金屬材料切割工作環(huán)境中不同的金屬材料所呈現(xiàn)出的特性存在一定的差異，所以為了降低金屬材料切割的難度，提升金屬材料切割的速度，進行熱處理預熱可將金屬材料的屬性保持在活性區(qū)間之內(nèi)，從而在降低金屬材料硬度的基礎上促進材料切割工序的順利開展[4]。

2.3 金屬疲勞與熱處理應用

眾多實踐研究表明，科學合理地應用熱處理技術能夠提升金屬材料的整體性能。但在機械制造生產(chǎn)中，如果金屬材料熱處理存在金屬材料瞬間冷卻的現(xiàn)象，那么金屬材料的結構應力參數(shù)將會迅速增加，如果這一參數(shù)突破了材料本身可承受的范圍，那么經(jīng)過熱處理后的金屬材料將會出現(xiàn)結構斷裂問題。這一問題屬于金屬疲勞的范疇，所以技術人員在對金屬材料熱處理的過程中，應將金屬疲勞性作為一個重點，通過對加工溫度的合理控制，降低金屬材料疲勞問題發(fā)生的概率[5]。

3 金屬材料熱處理工藝在機械制造中的質量控制

3.1 金屬材料進行熱處理前需做好預處理工作

金屬材料熱處理環(huán)節(jié)中的正火、退火等工藝流程均會對金屬材料本身的形狀造成不同程度的影響，其中在正火流程中如果溫度偏高，將會導致金屬材料的內(nèi)部結構變形?；谶@一問題，在金屬材料熱處理之前相關技術人員應控制好溫度環(huán)境，一般情況下技術人員可以應用等溫淬火熱處理技術抑制金屬材料的結構變形。但若想保證金屬材料的正火流程處理的質量，相關技術人員還應將退火工藝的選取作為側重點，即結合所加工的金屬材料結構屬性選取與之相符合的退火工藝，從而對金屬材料結構變形進行有效控制[6]。

3.2 機械零部件加工的優(yōu)化

待金屬材料熱處理后，技術人員應基于金屬材料的變形規(guī)律，在具體的操作中持續(xù)優(yōu)化金屬材料的變形控制效果，全面分析金屬材料熱處理過程中的材料變形允許值，確保熱處理環(huán)節(jié)與機械零部件制造環(huán)節(jié)的工序標準始終保持一致。必要時技術人員應適當?shù)匦拚庸ず蟮慕饘俨牧铣叽?，切實保證金屬材料的尺寸合格。此外，為實現(xiàn)金屬材料熱處理變形的有效控制，技術人員還可以運用同樣的組織應力對裝夾方式進行改進，提高熱源的能量密度，更好地避免過多熱能傳入工件內(nèi)部[7]。

4 金屬材料熱處理工藝在機械制造中的常見問題及解決對策

4.1 常見問題

通過上述分析可知，金屬材料熱處理工藝的應用具有諸多優(yōu)勢，但同時也存在一些問題，如金屬構件出現(xiàn)變形、開裂。如果能夠解決這兩大問題，那么在今后的機械制造生產(chǎn)中該項工藝將會得到進一步的推廣。一般情況下，無論機械制造生產(chǎn)應用何種熱處理技術，金屬材料熱處理均會在一個相對固定的工藝流程下進行。所以本研究認為如果分析各個流程中可能導致金屬構件變形、開裂的原因，而后提出相應的解決對策，能夠有效降低金屬構件熱處理過程中變形、開裂問題發(fā)生的概率。

4.2 原因分析

4.2.1內(nèi)應力塑性變形

結合機械制造領域中金屬材料的熱處理工藝流程得以明確，“加熱→保溫→冷卻”是金屬材料需要歷經(jīng)的三個階段。在這三個階段中，外界的溫度環(huán)境對金屬材料的結構存在直接影響，如果三個階段存在溫度不均的情況，那么金屬材料的內(nèi)部組織將會發(fā)生變化致使金屬材料產(chǎn)生內(nèi)應力，金屬零部件受內(nèi)應力的影響發(fā)生塑性變形[8]。

4.2.2比容變形

機械制造中不同的零部件制造需求致使生產(chǎn)過程中需要應用多種金屬材料，而不同種類的金屬材料內(nèi)部組織存在一定的差異。在熱處理的過程中金屬材料的體積、大小、尺寸等的變化均會在相變的過程中出現(xiàn)不同程度的比容變形問題，較內(nèi)應力塑性變形而言比容變形的方向無法確定。

4.2.3冷卻方式

金屬材料熱處理工藝對冷卻技術的選擇與合理應用存在較高的要求，若冷卻方式選擇錯誤，那么金屬材料將會因冷卻不均出現(xiàn)變形、開裂，冷卻技術的使用失誤極易導致金屬零部件損壞[9]。

4.2.4溫度把控

金屬材料的熱處理中，溫度參數(shù)的控制對于金屬材料的熱處理質量存在直接的影響。如果相關技術人員并未保證溫度參數(shù)的精準性，也會引發(fā)金屬材料發(fā)生變形、開裂，甚至導致金屬原材料報廢無法被二次應用。

4.3 解決對策

4.3.1強化金屬構件結構處理

在機械制造領域中對金屬材料進行熱處理，相關工作人員若想避免金屬零部件發(fā)生變形、開裂，需要在熱處理工作開展之前充分考量可能會引起金屬材料熱處理變形、開裂的原因，并在具體的實踐中對金屬構件的結構進行校正、調(diào)節(jié)。如果實踐中無法直接校正金屬材料，則需要確保金屬構件擁有充足的加工余量[10]。此外，在設計金屬構件的過程中也應考量金屬材料熱處理的負面影響，盡最大的可能在保證金屬構件服役能力的基礎上重視金屬構件截面力量的分布均勻，一般情況下對稱分布的金屬構件結構能夠有效地降低熱處理變形、開裂的概率。

4.3.2調(diào)節(jié)構件熱處理工藝參數(shù)

在金屬材料熱處理工藝中，相關技術人員應重視對工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，參數(shù)主要涵蓋金屬構件的加熱或冷卻速度、加熱或冷卻溫度以及金屬構件熱處理的保溫時間等，具體工藝參數(shù)還有很多，本節(jié)將不過多贅述。對金屬構件熱處理工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)并選擇和確定合適的工藝參數(shù)，能夠使金屬構件在整個熱處理工藝流程中擁有一個相對均勻的組織轉變時間，從而在一定程度上減小金屬構件比容變形發(fā)生的概率。

4.3.3科學把控冷卻技術

為避免金屬材料在熱處理過程中出現(xiàn)變形甚至斷裂，在生產(chǎn)的過程中相關管理人員應合理地選擇金屬材料冷卻技術，建議管理人員在以往生產(chǎn)經(jīng)驗的基礎上結合金屬原材料的屬性、內(nèi)部結構特點以及承受能力去選擇冷卻技術，其中金屬材料的尺寸、結構應作為首選分析指標。

4.3.4降低殘余應力

在機械制造中應用熱處理工藝對金屬材料進行處理，會在熱處理的過程中產(chǎn)生不同程度的殘余應力。這些殘余應力會破壞金屬材料表面的保護膜，嚴重者會引發(fā)金屬材料變形降低金屬材料的質量。所以相關技術人員在具體操作中還應將殘余應力的降低納入工藝質量控制與管理范疇。結合金屬材料熱處理實踐可知，絕大多數(shù)技術人員均會選擇在金屬材料熱處理的過程中加入數(shù)量不等的合金元素，用于延長金屬材料的使用壽命，且在一定程度上提升金屬材料被熱處理的適應能力。

5 結束語

通過上述的理論研究可知，在具體的應用中，熱處理工藝雖然能夠提高金屬材料的性能，起到一定的節(jié)能環(huán)保作用，但熱處理過程也會導致金屬材料發(fā)生變形、開裂，甚至會致使金屬材料報廢。所以，若想科學地應用熱處理工藝，有效避免熱處理過程對金屬材料結構所產(chǎn)生的不利影響，相關技術人員在具體操作的過程中還應重視對各項工藝參數(shù)的測量與控制，并將實踐應用作為基礎，積累熱處理經(jīng)驗，從而使熱處理工藝的應用全面助力金屬零部件生產(chǎn)質量的提升。