金屬材料熱處理工藝與技術分析

易 超

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200）

科學應用熱處理技術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鍵作用和重要價值玩。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，運用科學實用的控制策略，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，對產品進行一定的熱處理可以除去在高溫狀態下進行加工對產品造成的缺陷問題，能夠促進內部組織與結構變化，改善材料性能,同時還能夠消除化學成分不均勻現象、降低殘存在物體內部的應力，使得組織結構和性能更加均勻，而不恰當的熱處理，會造成人力、物力的浪費。1863年時，英國鋼的內部組織在加熱和溫度降低時會發生變化，鋼中的高溫相在淬火時會轉變為硬相，英國專家發現鋼鐵的內部結構會隨著溫度的冷熱變化而變化，證實鋼鐵在淬火過程中會變得越來越堅硬。漸漸人們也發現在對鋼鐵等進行熱處理過程中，還能夠對其形成保護作用，避免被跟氧化合而致使鋼的含碳量減少。20世紀60年代，熱處理技術利用等離子體場效應發展了離子氮碳共滲和低溫滲氮處理。發展至今，熱處理工藝多種多樣，常被應用的熱處理工藝有加熱到一定溫度并持續一定時間后緩慢溫度降低、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性能等。對于熱處理的概念不能一概而論，它包含著詳細的分類。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環節：一是淬火環節，主要是利用冷卻水對軋制后的高溫鋼材進行急劇降溫冷卻，使軋件表面形成具有更高強度與硬度的馬氏體結構；第二環節是回火，經過淬火后的鋼材，其表面溫度要低于內部溫度，此時鋼材內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部，因而也被稱為自回火；第三是冷卻環節，經過自回火后加工，其表面與內部溫度逐漸趨于一致，內部的奧氏體經過等溫相變，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、局部熱處理和化學熱處理。其中表面熱處理包含激光和感應加熱熱處理以及火焰淬火；而日常所說的滲碳、滲氮、滲金屬、復合滲等則屬于化學熱處理[2]。

2 機械金屬材料熱加工處理實踐中遇到的問題

機械金屬材料在進行熱加工處理的過程中，因為金屬材料本身材質性能性質，因為受到的外部的力或者外在環境變化，尤其是溫度的高低導致冷熱不均情況時，可能會存在斷裂變形的狀況。通過機械金屬材料的熱處理，溫度的提高會影響金屬的狀態性質發生變化，從而直接影響金屬內在結構變化，尤其是增加提高溫度熱加工的情況時，機械金屬的外部結構發生變化，發生最終的變形塑型。在這個過程中會因為不同的熱加工速度和次數而影響機械金屬材料的外在變化，也就是說，隨著熱加工次數的增加而導致金屬材料的外在狀態發生改變。通常情況下，在金屬材料內應力變化中包括熱應力和組織應力變形。通過對機械金屬材料處理過程中，分別進行相的熱效應處理和冷效應處理，經過這樣的處理過程，最終的結果就是熱應力變形。往往在這個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，機械金屬材料會在內在性能和外在形狀方面產生影響變化。通過實踐可以使我們得知，機械金屬材料使用性能有所提升，這個提升的過程雖然復雜麻煩，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，都是直接影響最終機械金屬材料的使用壽命。所以通過收集不同數據進行對比分析，積極申報相關科研課題和完成相關實驗，從而使機械金屬材料的研究水平有質的飛躍，當然在現實情況中還存在一定的工藝和技術的壁壘，要想突破瓶頸，還需要對機械金屬材料的熱處理加工過程中積極積累經驗和教訓，通過經驗和工匠精神的發揮，精益求精避免機械金屬材料發生外在變形和內在性能降低。通過機械金屬材料的處理加工，往往會遇到的問題如下。機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化反應，機械金屬材料的體積會導致相應增加。在這時，低溫回火工藝和其時效就會發生作用，可能因內應力導致機械金屬材料產生外在斷裂變形，或者可能因馬氏體轉化反應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，因為碳化物的數量、鍛造所致的金屬纖維方向、以及合金元素偏析等方式導致機械金屬材料的的相關變化。一般處理方式就是通過調質處理的方式去改變或降低機械金屬材料變形量絕對值，通過金屬淬火工藝使機械金屬材料發生有秩序規律的可控變形，從而形成比較符合要求并滿意的最終處理結果。需要強調的是，化學熱處理方式對改善金屬材料表層性能有著決定性作用，因為金屬處理層的厚度問題，會發生不同改變結果。所以處理方式就是在機械金屬熱處理加工基礎上還可以對金屬材料進行磨削加工，一定程度上減少金屬材料所發生的不確定因素劣性形態發生改變，控制向正態良性變化發展。

3 金屬材料熱處理工藝與技術

3.1 減少熱處理產生的殘余應力

熱處理過程中由于塑性變形產生殘留的應力，因為不能完全消除，會破壞金屬材料表面的保護膜，殘余應力值越高表現出有害就越大，會降低試樣的實際抗拉強度或屈服強度，還會降低疲勞極限，縮短試樣壽命造成脆性斷裂。殘余應力會導致試樣在淬火時因熱膨脹而產生應力集中，試樣可能因而產生嚴重變形或開裂，為了避免熱處理失敗，就要求爐內溫度溫差不能超過±20℃/小時，保溫時間不宜過長和過快，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先采取適當的修復措施。

3.2 保障冷卻的科學合理性

金屬材料熱處理過程中發生變形以及出現開裂的質量問題，主要是在具體的操作過程中沒有注重質量的有效控制，所以在實際熱處理工藝的落實中，要能從不同的角度出發進行優化，從整體上提升冷卻的質量。金屬熱處理要和材料的性質相結合，針對性選擇相應的冷卻方法，避免受到冷卻因素的影響而發生變形的問題。熱處理中有雙介質淬火以及單介質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勢能有充分的了解，在冷卻的環節要針對性選擇淬火的方式來保障熱處理的整體質量，只有從這一環節加強質量的有效控制，才能有助于提升熱處理的整體質量。如雙介質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中二次冷卻處理。而采用單介質淬火的方式是通過在一種冷卻介質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。如下圖的相關金屬材料尺寸的處理，在實際處理工作的落實當中，結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量。

3.3 有效加工

熱處理環節往往會牽涉到機械加工，需要采用夾具進行輔助處理加工，在保證淬火合格率的前提下，要注意留有夾具的余量，這樣能有效保證經過熱處理后的金屬工作的質量；除此之外，為處理金屬材料的變形提供保證，在加工時，要對夾具進行合理選擇，對加工作業人員進行相應的技能培訓，提升其專業技能水平以及質量意識，對金屬材料的變形規律有正確的認知，確保其在加工過程中作業規范，以降低熱應力不均衡而造成金屬材料變形的幾率。

3.4 運用機械化加工技術

針對金屬材料，進行熱處理期間，工序順利存在明顯的固定性特點，不過，由于材料性質具有顯著的差異性，因此，對于性質各不相同的金屬材料，熱處理工作所對應的工序同樣也會存在相應的差異。針對大多數金屬材料加工，熱處理屬于非常關鍵的工序，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。機械加工處理的運用，對余量處理具有非常顯著的效果，對于加工工序，也會制定相應的變形范圍，針對加工處理之后的材料，若超過變形規定范圍，則需對變形的具體原因進行分析判斷，并運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合處理

傳統的金屬材料表面氮化復合處理，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反應所形成的氮，從而對在熔鹽中的金屬工件表面進行氮化處理。復合處理是根據“淬火——拋光——淬火”基本流程來命名的，復合處理技術曾經是我國重點研究的項目之一，主要是因為其具有良好的實施效果，表現在以下幾個方面 ：第一，具有良好的耐磨性。復合處理能夠有效提高金屬工件使用壽命達2倍以上，在疲勞強度方面也能夠提高40%左右。第二，具有良好的抗蝕性。經復合處理技術后的金屬工件相比較發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。復合處理技術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的。第四，節能效果非常理想。不僅在環保性能上十分優越，同時對技術處理的要求溫度角度，能耗較低，且無公害[2]。

4 結語

金屬材料是現代工業、建筑、農業、船舶制造、國防及科學技術等部門使用最廣泛的材料，來源豐富、性能優良、品種多、性能各異，能滿足各行各業不同的要求，但如果金屬材料在熱處理過程中質量控制不過關，導致金屬材料變形以及其它問題的產生，就會使得所制造的零件不能滿足產品使用要求，或是影響整體的使用，甚至可能會造成重大的經濟的損失。所以，必須采取有效的控制手段預防金屬材料在熱處理中發生變形現象，一是要加強對熱處理工藝的研究，不同的金屬材料匹配相應的熱處理實施工藝；二是對熱處理過程進行全面的監控，確保溫度、時間、操作規范；三是加強對生產人員的專業技能的提升，確保其技術水平與質量意識適應新時代發展下對金屬材料生產加工的高要求。除此之外，還要通過合格的檢測手段，依據可靠性和適用性的原則選擇合適的方法，準確獲取金屬材料的成分、組織、性能，從而達到高效、準確的檢驗目的，并在此基礎上通過不同的加工方法，使金屬材料的某些性能獲得進一步的改善，從而擴大其使用范圍，更好地為人民的生產生活服務[3,4]。