金屬材料熱處理工藝及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

常嘉瑋

（白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 白銀 730900）

金屬材料與我們的生活息息相關(guān)，熱處理技術(shù)對(duì)金屬材料的質(zhì)量有較大的影響，操作人員應(yīng)該合理選擇熱處理手段，通過(guò)利用智能化、現(xiàn)代化的手段，全面控制生產(chǎn)流程，不斷地提高金屬材料熱處理水平，為后續(xù)的金屬材料精加工奠定前端基礎(chǔ)。

1 金屬材料熱處理工藝的概述

金屬材料是指具有一定光澤，延展性好，容易導(dǎo)電和傳熱的材料，大部分金屬材料具有一定的可塑性和硬度，一般可按照顏色可以分為黑色金屬、有色金屬和貴金屬。黑色金屬在日常生活中比較常見(jiàn)，一般指常見(jiàn)的鋼鐵材料，而有色金屬是指除鐵、錳以外的金屬及其合金，通常情況下可以根據(jù)密度分為輕金屬和重金屬，而貴金屬主要包括金、鉑等。我國(guó)金屬材料的應(yīng)用較為廣泛，最早可以追溯到商朝的青銅器，而隨著歷史的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，金屬材料在使用過(guò)程中更要考慮到其材料的力學(xué)性能，綜合處理其硬度、強(qiáng)度、塑性和抗沖擊能力之間的關(guān)系。

2 金屬材料熱處理工藝流程

金屬材料熱處理過(guò)程中按溫度不同可以分為三個(gè)階段，為加熱、保溫、冷卻三個(gè)過(guò)程，也有一些熱處理工藝，只有加熱，冷卻兩個(gè)過(guò)程，但此過(guò)程相互銜接，不能間斷。下面主要介紹金屬材料熱處理的基本過(guò)程。

2.1 加熱

加熱作為熱處理工藝中的基本要素，在傳統(tǒng)熱處理過(guò)程中，大多采用木炭或者是煤炭來(lái)升高溫度，但隨著新能源的開(kāi)發(fā)，液體燃料以及氣體燃料也被廣泛應(yīng)用到熱處理過(guò)程中，液體燃料和氣體燃料相對(duì)較為清潔，比熱容較大，升溫較快。此外，在工業(yè)生產(chǎn)中也經(jīng)常采用電力技術(shù)進(jìn)行加熱，電能便于作人員控制加熱時(shí)間以及加熱溫度。

2.2 保溫

保溫作為金屬熱處理加工中的第二道工序，保溫就是按照相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，讓加熱后的金屬材料穩(wěn)定在要求的溫度，最終促使金屬材料分子內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)期的性能。

2.3 冷卻

冷卻作為熱處理過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接決定的金屬材料的性能，技術(shù)人員要針對(duì)不同材料采取不同的冷卻方法，合理調(diào)整冷卻速度。在工業(yè)生產(chǎn)中，一般退火的冷卻速度較慢，正火的冷卻速度較快，而淬火的冷卻速度為最快。操作人員要綜合多種冷卻方法以達(dá)到冷卻要求。

3 金屬材料熱處理工藝中存在的問(wèn)題

金屬材料制造有多種要求，熱處理過(guò)程中需要耦合多種參數(shù)。但有些管理人員尸位素餐、不了解金屬材料制造的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及熱處理的工藝標(biāo)準(zhǔn)，不具備符合工作需求的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)與職業(yè)技能，因此，在實(shí)際的熱處理工藝加工中，頻繁出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。下面將主要論述金屬材料在熱處理過(guò)程中存在的問(wèn)題。

3.1 金屬材料制造資源損耗較大

在金屬材料制造過(guò)程中，很容易出現(xiàn)大量的資源浪費(fèi)現(xiàn)象，而我國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)面臨著一定程度上的金屬材料資源緊缺。傳統(tǒng)的熱處理手段違反了可持續(xù)發(fā)展的基本理論，同時(shí)提高了企業(yè)的資金成本，不利于企業(yè)長(zhǎng)久穩(wěn)定發(fā)展。

3.2 熱處理技術(shù)集成化不高

工藝流程智能化、數(shù)據(jù)化發(fā)展是時(shí)代的必然要求，但由于不同企業(yè)的金屬材料制造自動(dòng)化水平不同，在熱加工信息處理過(guò)程中存在不兼容問(wèn)題，不能實(shí)現(xiàn)真正的資源信息共享，導(dǎo)致熱處理技術(shù)集成化較低。不能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、壓力等重要參數(shù)的實(shí)施調(diào)控，熱處理單元操作無(wú)法科學(xué)地整合在一起，工作效率低下。

3.3 金屬材料制造質(zhì)量不達(dá)標(biāo)

金屬材料圖紙審核作為保證金屬材料質(zhì)量的重要一步，而就目前而言，大部分的企業(yè)在金屬材料生產(chǎn)過(guò)程中忽略了對(duì)圖紙的審核，在制造過(guò)程中很容易出現(xiàn)問(wèn)題，或者金屬材料與甲方要求嚴(yán)重不符，影響了金屬材料的使用質(zhì)量。此外，金屬材料制造在熱處理過(guò)程中意外因素較多，而相應(yīng)的管理人員不熟悉熱處理的基礎(chǔ)操作，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱處理環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，對(duì)金屬材料的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)掌握程度不夠，不能預(yù)判可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，導(dǎo)致金屬材料往往達(dá)不到預(yù)期質(zhì)量。

4 金屬材料熱處理工藝及技術(shù)要點(diǎn)

4.1 明確金屬性能與熱處理之間的關(guān)系

4.1.1 耐久性與熱處理應(yīng)力之間的關(guān)系

金屬材料在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)受到外界大量的應(yīng)力，如果金屬材料長(zhǎng)期處于不均勻應(yīng)力或處于易腐蝕的環(huán)境下，可能會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂或者是其他變化，因此研究熱處理應(yīng)力對(duì)于金屬耐腐蝕性的關(guān)系十分必要。要綜合多種熱處理方法，降低金屬內(nèi)部剩余應(yīng)力，提高金屬材料的耐久性，保障金屬材料可以適用在多種不良環(huán)境中。

4.1.2 材料的硬度與熱處理溫度的關(guān)系

金屬材料切割作為金屬加工中的重要一點(diǎn)，在許多工藝中都需要對(duì)金屬材料進(jìn)行切割拼接，為了更好地完成切割，要根據(jù)需要合理選擇熱處理溫度，同時(shí)在切割過(guò)程中，施工環(huán)境會(huì)對(duì)金屬表面和金屬的光澤產(chǎn)生巨大的不良影響，在此情況下，可以綜合進(jìn)行預(yù)熱加工的手段，避免金屬材料的毛面、斷面現(xiàn)象，提高切割的準(zhǔn)確度以及效率。

4.1.3 金屬材料的疲勞性與熱處理

熱處理過(guò)程中，金屬材料需要進(jìn)行冷卻，一旦冷卻過(guò)程中受到應(yīng)力值較大，可能出現(xiàn)不規(guī)則斷裂，為了有效防止此類(lèi)情況，工作人員因該合理控制溫度以及冷卻時(shí)間。在合理范圍內(nèi)對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)整，從而尋找到最合適的溫度，以提升金屬材料的疲勞性和抗壓性能。以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，不斷簡(jiǎn)化熱處理的工作流程，減少金屬材料的耦合數(shù)據(jù)存在的偏差，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料熱處理過(guò)程的精細(xì)化管理。

例如，在金屬材料制造過(guò)程中要制定好相應(yīng)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，綜合考量金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，明確金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和用途，以用途推測(cè)結(jié)構(gòu)，規(guī)范金屬材料的尺寸公差以及表面活性。綜合應(yīng)用熱處理和冷處理等方法，提高金屬材料制造精度，在保證金屬材料質(zhì)量的前提下，最大限度地降低成本。

4.1.4 金屬材料的導(dǎo)電性與熱處理關(guān)系

金屬材料的導(dǎo)電性本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是金屬內(nèi)部電子受到電場(chǎng)或熱能后，表示可移動(dòng)電子的的活躍程度。在導(dǎo)電性研究過(guò)程中較為復(fù)雜，不同金屬的的原子結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電能力存在一定差異，在現(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中需要通過(guò)熱處理技術(shù)，對(duì)于單質(zhì)金屬進(jìn)行融合，綜合利用多種合金材料，以達(dá)到日常的實(shí)際要求和成本控制。

例如，在進(jìn)行熱處理過(guò)程中可以利用有限元以節(jié)點(diǎn)位移、并綜合應(yīng)用矩陣階數(shù)與單位等效方程，根據(jù)變分原理，取得金屬材料函數(shù)的極值，使金屬結(jié)構(gòu)能夠持續(xù)離散化。將連續(xù)的金屬材料分割成單一的微小導(dǎo)電單元，單元與單元之間通過(guò)固定的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其外觀上有特定的網(wǎng)絡(luò)形狀。利用數(shù)據(jù)進(jìn)行等效的計(jì)算，減少工作步驟，以滿(mǎn)足不同條件下的導(dǎo)電要求。

4.2 利用多種技術(shù)手段

熱處理作為改良金屬材料的基本手段，在工業(yè)生產(chǎn)上要最大程度上發(fā)揮金屬材料的使用價(jià)值，通過(guò)各種手段不斷提高材料的機(jī)械性能，不合理的熱處理方法會(huì)喪失金屬材料原有的優(yōu)良性能，破壞金屬材料本身的抗變性和耐久性，因此工作人員應(yīng)該充分考量金屬材料本身性質(zhì)和組織構(gòu)架，來(lái)確定熱處理工藝，設(shè)置科學(xué)合理的工業(yè)流程，最大程度上發(fā)揮金屬材料的使用價(jià)值。下面將主要論述熱處理技術(shù)的基本手段。

4.2.1 激光熱處理技術(shù)

一般情況下，激光熱處理技術(shù)在金屬材料中主要被應(yīng)用于淬火，變相硬化等兩個(gè)方面。激光熱處理技術(shù)的主要原理是利用高密度的激光束對(duì)金屬材料表面進(jìn)行熱處理，以此來(lái)達(dá)到強(qiáng)化的目的。在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域中，激光處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)領(lǐng)域，激光熱處理加工后的金屬耐磨性好且硬度高。

4.2.2 振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)

在金屬材料熱處理過(guò)程中，金屬材料不可避免的會(huì)受到一定的機(jī)械力和應(yīng)力，在這種情況下，金屬材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)動(dòng)力，這種震動(dòng)力有可能導(dǎo)致材料在切割的過(guò)程中出現(xiàn)位置偏移，最終對(duì)金屬質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，因此管理人員應(yīng)該對(duì)于振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以此來(lái)規(guī)避振動(dòng)力對(duì)于材料加工過(guò)程的影響，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的作業(yè)目標(biāo)。

5 金屬材料熱處理工藝的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 精細(xì)化發(fā)展

目前我國(guó)科技飛速發(fā)展，但金屬在材料加工中仍遇到許多問(wèn)題。在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，將會(huì)綜合應(yīng)用模擬，以仿真技術(shù)、信息技術(shù)為主的自動(dòng)化控制會(huì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱處理操作。在市場(chǎng)化和全球化的今天，各個(gè)企業(yè)為了追求更大的利潤(rùn)，必須快速提高生產(chǎn)效率，迎合市場(chǎng)的需求，滿(mǎn)足多樣化的市場(chǎng)的目的，因此快速和綠色的熱處理技術(shù)深度開(kāi)發(fā)也是金屬材料制造行業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。未來(lái)的金屬材料勢(shì)必朝著統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，由現(xiàn)在的粗放型轉(zhuǎn)為集成性發(fā)展，使金屬材料加工接近零誤差，保證金屬材料加工顯得更加人性化、科學(xué)化，為后續(xù)的制造業(yè)服務(wù)。

5.2 整合多種新材料

金屬材料行業(yè)發(fā)展如火如荼，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中將會(huì)利用多種新材料，開(kāi)創(chuàng)新局面。下面將主要介紹納米金屬材料與多孔性金屬材料

5.2.1 納米金屬材料

目前，我國(guó)金屬材料行業(yè)逐漸向著精細(xì)化和智能化發(fā)展，納米技術(shù)發(fā)展，使得納米金屬成為了一種新型的金屬物質(zhì)。納米技術(shù)可以將金屬材料密度尺寸直接壓縮到納米級(jí)，以改變金屬的密度參數(shù)，很大程度上改變了金屬材料被本身的物理性質(zhì)。通過(guò)納米技術(shù)可以調(diào)整普通金屬的硬度、性能和塑性，使金屬更好的滿(mǎn)足工業(yè)的需求。

5.2.2 多孔性金屬材料

一般自然界中的金屬材料的組織結(jié)構(gòu)較為結(jié)實(shí)，而多孔性金屬材料具有良好的滲透劑性能，同時(shí)具備耐酸，耐堿，耐腐蝕的特性，能夠保證多孔性金屬在惡劣的自然環(huán)境下穩(wěn)定工作，多孔性金屬材料還能夠承受較大的能量減少自身應(yīng)力。同時(shí)多孔性金屬材料可以吸收更多的電離能，能減少輻射干擾，在未來(lái)發(fā)展中，多孔性金屬材料將會(huì)應(yīng)用到各種領(lǐng)域，發(fā)揮自身的特性。

6 總結(jié)

我國(guó)工業(yè)體系不斷發(fā)展，而金屬材料作為整個(gè)工業(yè)體系的前端，起到重要的支撐作用。熱處理技術(shù)作為金屬材料的基本技術(shù)手段，對(duì)于金屬材料的質(zhì)量至關(guān)重要，因此研究人員要明確金屬材料與熱處理工藝之間的關(guān)系，不斷完善熱處理工藝以及技術(shù)開(kāi)發(fā)，我國(guó)后續(xù)的金屬精加工行業(yè)提供幫助。