金屬材料熱處理工藝以及技術發展趨勢探索

薛 勇

（諸城市義和車橋有限公司，山東濰坊 262200）

0 引言

在制作金屬產品的過程中，所用金屬材料的熱處理工藝與技術會在很大程度上影響產品質量，還會直接影響原材料的消耗以及所產生的污染。所以，只有不斷創新與完善金屬材料熱處理工藝以及技術，在降低環境污染、減少材料損耗以及提升處理質量方面進行優化，才能使我國擁有更高的金屬材料熱處理水平，更好地推動我國經濟發展。

1 金屬材料的種類與性能

現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械零件的過程中，金屬材料發揮出來的性能，包括化學性能、物理性能、力學性能等。在荷載的作用下，金屬材料抵抗破壞的性能即力學性能，有時也被叫做機械性能。金屬材料的選材和設計都需要以力學性能為主要依據。外加荷載性質不同，如循環荷載、沖擊、壓縮、扭轉、拉伸等，將對金屬材料的力學性能提出不同的要求。常用的力學性能包括疲勞極限、沖擊韌性、多次沖擊抗力、硬度、塑性、強度等。

所謂工藝性能就是在加工機械零件時，金屬材料在不同的加工條件下發揮出來的性能。金屬材料工藝性能直接影響金屬在制造過程中加工成形的適應能力。由于加工條件不同，也會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程中，研究與分析的性能指標主要有3 個。

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

（2）耐久性。金屬材料的耐久性與其遭受腐蝕的情況有關。在使用金屬材料的過程中，必然會有腐蝕情況存在，只是程度有所不同，包括縫隙與應力多種腐蝕情形。一般來說，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。在遭受持續應力的條件下，金屬材料就會發生異常斷裂，這就是金屬材料自身的疲勞性特征。雖然材料所承受的應力沒有超過其最高負荷程度，但如果持續得時間較長，仍然會出現斷裂情況。

2 金屬材料性能與熱處理技術的關系

2.1 金屬耐久性與熱處理應力

在應用過程中，如果金屬材料在較長的時間內持續遭受外力，或者在較長的時間內處于易腐蝕的環境中，就會有開裂或者其他變化產生，所以研究金屬耐久性與熱處理應力之間的關系非常有意義[3]。在實際熱處理金屬材料時，熱處理應力及大小會對金屬材料自身的耐久性產生很大影響，在這種條件下，只有盡量縮小各種熱處理剩余應力對金屬材料的影響，才能使金屬材料的質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，科學利用整體加工過程與熱處理技術，可以在很大程度上提升金屬產品的性能以及質量[4]。在實際加工過程中，一旦在短時間快速冷卻，金屬材料可能因為受到過大的應力而出現斷裂情況。為有效預防這類現象，在加工金屬材料時工作人員應合理控制熱處理溫度，在合理范圍內不斷調整溫度、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化措施

3.1 影響熱處理變形的因素

實際工業生產中會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程，均是由3 個階段組成，分別為加熱、保溫和冷卻。在實際生產中，可以通過熱處理周期、保溫時間、冷卻速度、加熱速度、加熱溫度、保溫時間等參數對整個工藝過程進行描述。在開展熱處理工藝時，需要形式多樣的加熱爐進行使用，關鍵的技術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，化學熱處理的去氧、滲鋁、去氫或滲鉻、滲氨、滲碳等）。所以，在進行熱處理工藝時，需要嚴格控制加熱爐內的溫度，并高度重視溫度測量工作。

在熱處理工藝的相關規范中，對溫度的要求非常嚴格，如果溫度測量的精準度缺乏，就無法保證有效的落實熱處理工藝規范，這會在不同程度上降低產品質量。精準的測量與控制溫度能有效保障熱處理工藝的質量，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。針對不同零件的結構特點，有針對性地規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致的變形，最終達到減小變形的目的。

（2）預備熱處理。正火硬度過高、魏氏組織、大量索氏體或混晶都會提升內孔變形，所以通過等溫淬火或控溫正火來對鍛件進行處理。

（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程也是非常重要的內容，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。變形情況也會因為油的冷卻能力而產生變化，同時也會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，如果不能均勻地進行冷卻，將會產生與冷卻不均勻程度成正比的應力，產生更大程度的產品變形。

（4）選擇合適的介質。在滿足產品硬度要求的前提下，盡量合理利用油性介質。相關研究證明，在相同條件下，油性介質需要更長的冷卻時間，而水性介質擁有相對較短的冷卻時間。而且，與油性介質相比，水性介質冷卻特性更容易受到水溫變化的影響，在相同的熱處理條件下，油性介質比水性介質淬火后的變形量小。

4 熱處理工藝及技術

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部結構變化的臨界溫度，然后再進行隨爐冷卻。正火也是相似的過程，只不過正火的冷卻是在空氣中進行，能夠縮短冷卻時間，進而取得更高的生產效率[5]。淬火與退火、正火不同，需要在一定時間內保溫經過加熱的材料，然后利用油或者水使其盡快冷卻，經過這種方法加工的金屬擁有較高的硬度以及脆性，還會有淬火應力在金屬材料內部形成，這種應力會導致金屬開裂，所以在實際應用時還應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，并且進行空氣冷卻。

4.2 特殊的熱處理工藝

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

（2）真空熱處理技術。在處理金屬材料方面，真空熱處理技術也得到了廣泛應用。它主要是通過真空環境對金屬進行熱處理，高效率的特點突出，所以在節約時間成本方面優勢突出。另外，利用這種技術能有效控制加工過程中的有毒廢氣，有較好的環保效果。

（3）薄層滲透化學處理技術。這一技術是利用化學處理對金屬材料進行加工，從而對金屬材料進行薄層滲透，使材料擁有更高的韌性。由于該技術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。在現階段的金屬材料熱處理中，超硬涂層技術的應用非常廣泛。利用該技術能在很大程度上提升金屬表面的硬度，進而延長材料的使用時間。另外，該技術可以使材料擁有更高的整體性能，從而優化材料的利用效果。在現階段利用超硬涂層技術時，需要電子計算機的輔助。該技術對材料加工具有更好的監控效果，能夠有效提高最終的處理效果。

（5）利用CAD（Computer Aided Design，計算機輔助設計）進行的熱處理。這種金屬熱處理技術在現階段也較為先進，能夠將金屬熱處理過程通過計算機進行仿真模擬，通過現代智能的方法來取得熱處理的效果。這種金屬熱處理過程能夠科學地預見最終的結果，并且對過程中可能出現的問題進行分析、技術處理，能夠避免很多不必要的麻煩。

（6）振動時效處理工藝。這種工藝主要是運用振動的原理來開展金屬材料熱處理。在處理完成后會明顯提高金屬材料的穩定性，同時有效避免材料變形的情況。

5 金屬材料熱處理工藝及技術發展趨勢

現階段最值得改進的熱處理技術是可控氣氛技術，實質上這種技術就是利用氣氛技術達到控制和保護金屬材料熱處理過程的目的，從而使金屬材料熱處理擁有更高的效率和質量。與傳統的熱處理技術相比，基于氣氛技術的無氧化處理將成為重要的金屬材料熱處理工藝發展方向。這是因為它能更好地對金屬材料表面進行保護，使熱處理擁有更高的質量。可控氣氛熱處理技術非常適用于鋼制品中，在對鋼材進行熱處理時因為溫度過高，所以出現氧化現象的概率較大，而利用可控氣氛進行鋼材熱處理能有效避免這一情況發生。

另外，可控氣氛熱處理工藝還有一個非常突出的優勢，就是能隨意調節金屬材料的尺寸，從而使操作變得更加靈活、簡單。雖然可控氣氛熱處理技術的優勢較多，但是它也有很多不足，因此需要相關的技術人員不斷努力攻克，從而使其應用空間變得更加廣泛。

6 結束語

綜上所述，基于我國可持續發展理念，對金屬材料熱處理節能技術進行推廣和宣傳，能夠取得更好的生產質量、更高的生產效率，從而實現節能減排的目的。所以，在應用熱處理節能技術時，應該轉變傳統觀念，樹立節能與環保的觀念。根據企業的實際情況，合理利用金屬材料熱處理節能技術，一方面能夠降低企業能源開支，另一方面使企業取得更高的經濟效益。另外，還應該加強傳統技術與現代化技術之間的結合，提升科技水平，促進我國熱處理行業可持續發展。