金屬材料熱處理工藝與技術(shù)研究

蔡太祿

摘 要：金屬材料作為主要的工業(yè)材料，其應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。根據(jù)金屬材料自身的特性，其性能與熱處理工藝具有直接關(guān)系，因此，需要加強(qiáng)對金屬材料熱處理工藝與技術(shù)的研究。本文從我國工業(yè)常用的金屬材料出發(fā)，分析了這些金屬材料的性能特點(diǎn)以及與熱處理工藝之間的關(guān)系，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)階段我國常用的金屬材料熱處理工藝，希望能夠?qū)饘俨牧闲阅艿膬?yōu)化處理有所幫助。

關(guān)鍵詞：金屬材料;性能;熱處理工藝技術(shù)

中圖分類號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）10-0105-02

0 引言

在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，金屬材料的加工涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，其中最基礎(chǔ)的加工處理就是熱加工。熱處理能夠從根本上對金屬材料的物理性能按照既定的要求加以改變完善，進(jìn)而優(yōu)化金屬材料的性能，使其能夠適用于工業(yè)生產(chǎn)，提高金屬材料的利用效率。但是，熱處理過程中，金屬材料不可避免地會(huì)受到其他因素的影響，進(jìn)而使得自身的性能并沒有朝著預(yù)期的方向改善，甚至?xí)霈F(xiàn)變形等異常情況，嚴(yán)重影響了金屬材料的熱處理質(zhì)量。對此，熱處理工藝需要全面分析掌握可能出現(xiàn)的影響因素，并采取科學(xué)有效的控制措施以降低不良因素對金屬材料的影響與破壞。

1 金屬材料的簡介

1.1 金屬材料的分類

金屬材料普遍存在于人們的生活和生產(chǎn)活動(dòng)中，具有極高的應(yīng)用價(jià)值，其使用范圍也相對廣泛，是一種常見的工業(yè)材料。通常情況下，金屬材料主要分為金屬納米材料和多孔金屬材料。其中，納米金屬材料，是一種納米材料。它是在普通金屬材料的基礎(chǔ)上經(jīng)過特殊工藝的處理，將普通金屬材料原有的實(shí)際密度尺寸不斷壓縮直至達(dá)到納米級(jí)別。金屬納米材料與原本的普通金屬材料在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)方面都有顯著的區(qū)別。因此，將普通金屬材料按照生產(chǎn)的實(shí)際要求，通過調(diào)整工藝參數(shù)就可以得到不同納米級(jí)別的納米金屬材料，并實(shí)現(xiàn)金屬材料性能的改善。多孔金屬材料的典型特點(diǎn)就是材料內(nèi)部的孔隙較多，具有良好的滲透性和耐腐蝕性。同時(shí)，多孔金屬材料對電磁和其他形式的能量還具有一定的吸收性，可以被應(yīng)用在起落架等金屬設(shè)備中以及其他相關(guān)領(lǐng)域[1]。此外，多孔金屬材料對使用環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，能夠被應(yīng)用在自然環(huán)境相對比較惡劣的情況下，這一特點(diǎn)極大擴(kuò)展了金屬材料的應(yīng)用范圍，提高了應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性。

1.2 金屬材料的主要性能

（1）金屬材料的硬度性能。金屬材料的硬度是物理性能的一種體現(xiàn)，可以用于判斷金屬材料物理性能優(yōu)異性。金屬材料具有良好的硬度性能，主要體現(xiàn)在金屬材料的抗擊能力較強(qiáng)。相反，金屬材料硬度較差則相對比較脆弱，在外部作用力下容易發(fā)生彎曲或者斷裂等現(xiàn)象。（2）金屬材料的耐久性。金屬材料具有良好的耐久性，主要表現(xiàn)在金屬材料具有較長的使用壽命，即使在環(huán)境相對惡劣的使用條件下仍然可以保持相應(yīng)時(shí)間的使用性能。在金屬材料的實(shí)際使用過程中，由于使用環(huán)境復(fù)雜多樣，很有可能會(huì)受到腐蝕，一般常見的腐蝕類型有應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕等。腐蝕作用是影響金屬材料耐久性的主要因素。金屬材料的耐久性越強(qiáng)，其越不容易受環(huán)境腐蝕的影響，便可以在較長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的使用性能[2]。

1.3 金屬材料的疲勞性

金屬材料的疲勞性主要是指金屬材料在使用過程中，受各種負(fù)載作用力的影響，在還未達(dá)到應(yīng)力臨界點(diǎn)之前就已經(jīng)發(fā)生不同程度的變形、斷裂或者其他損壞現(xiàn)象。而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下，像機(jī)械設(shè)備中的軸、軸承、連接桿等都是由金屬材料制備而成，且需要長時(shí)期承受應(yīng)力作用，這就需要這些機(jī)械零部件具備較強(qiáng)的疲勞強(qiáng)度，以延長機(jī)械設(shè)備的使用時(shí)間，保證生產(chǎn)活動(dòng)的順利進(jìn)行。因此，對于工業(yè)機(jī)械設(shè)備所使用的金屬材料必須將疲勞性作為重點(diǎn)衡量指標(biāo)。

2 金屬材料的性能與熱處理工藝的關(guān)系分析

2.1 金屬材料的耐久性與熱處理之間的關(guān)系

金屬材料的應(yīng)用需要經(jīng)過熱處理對其形態(tài)進(jìn)行加工改進(jìn)，而這個(gè)過程需要對金屬材料施加不同程度的應(yīng)力作用。而金屬材料在長時(shí)間的外力作用或者受外界腐蝕的影響，很容易會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，這就需要對熱處理應(yīng)力加以控制。在熱處理操作之前，全面測試了解金屬材料的應(yīng)力與耐久性之間的關(guān)系，以確定科學(xué)合理的熱處理應(yīng)力。這樣在對金屬材料進(jìn)行熱處理時(shí)就可以準(zhǔn)確控制好應(yīng)力的實(shí)施范圍，以免對金屬材料造成結(jié)構(gòu)和性能上的影響，保證金屬材料的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，通過合理掌握熱處理應(yīng)力與金屬材料的耐久性之間的關(guān)系，也可以有效改善金屬材料自身的耐久性能并加以適當(dāng)處理，以免熱處理后仍然存在不當(dāng)?shù)氖Ｓ鄳?yīng)力對金屬材料造成不同程度上的損害，進(jìn)而影響金屬材料性能的發(fā)揮[3]。

2.2 材料的切割與熱處理之間的關(guān)系

金屬材料切割也是加工過程中必不可少的一道工序。對于切割處理，需要綜合考慮到金屬材料的變形和過程熱量問題。不同的金屬材料具有不同的材質(zhì)，在切割過程中所產(chǎn)生的變形也有所不同。總體上來說，金屬材料越容易發(fā)生變形越不容易切割，對操作人員的切割技術(shù)水平要求越高。同時(shí)，金屬材料在切割作用影響下會(huì)產(chǎn)生不同程度的熱量，這就需要借助熱處理來減少切割熱量的產(chǎn)生。一般是對金屬材料進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，這樣在切割時(shí)切割工具與金屬材料之間的摩擦力就會(huì)得到有效緩解，進(jìn)而減少兩者之間發(fā)生粘連的現(xiàn)象，更有利于切割人員對切割位置和切割力度的掌握，保證切割工作的準(zhǔn)確性和高效性。

2.3 金屬材料的疲勞性與熱處理之間的關(guān)系

在熱處理過程中，不同的金屬材料經(jīng)過相應(yīng)的預(yù)處理并在短時(shí)間內(nèi)被冷卻，很容易出現(xiàn)變形或者斷裂等現(xiàn)象。這就需要將熱處理及相關(guān)的加工方式合理配合，并將影響因素控制在合理范圍內(nèi)，如切割溫度、環(huán)境溫度等，以改善金屬材料的抗疲勞性。在全面掌握金屬材料自身特性的基礎(chǔ)上，選擇科學(xué)合理的加熱或者冷卻的處理方式，并在加工處理環(huán)節(jié)選用與之相匹配的加工工具，以保證金屬材料不會(huì)在過度的熱應(yīng)力作用下發(fā)生變形，最大程度上保障熱處理質(zhì)量[4]。

3 金屬材料熱處理的過程

金屬材料的熱處理主要是根據(jù)溫度的不同劃分成加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段。在實(shí)際的熱處理過程中，可以同時(shí)包括以上三個(gè)階段，也可以只包含其中的兩個(gè)階段，但是每個(gè)階段之間都需要相互銜接，不能間斷。

加熱階段是熱處理工藝的必要環(huán)節(jié)。現(xiàn)階段，熱處理燃料主要以液體和氣體燃料為主，代替了傳統(tǒng)的木炭或者煤炭等。同時(shí)，電力技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展使得加熱階段的加熱溫度和加熱時(shí)間都能夠得到合理的把控。在加熱階段需要注意的是，金屬材料如果過度暴露在空氣中會(huì)引起氧化或者脫碳等現(xiàn)象，影響金屬材料的熱處理效果。這就需要對加熱環(huán)境加以控制，并對金屬材料采用提料或者包裝等方法進(jìn)行必要的保護(hù)。保溫是在熱處理溫度達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在規(guī)定的溫度下對金屬材料繼續(xù)加熱，以保障金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能變化按照預(yù)定的變化方向發(fā)展。金屬材料經(jīng)過一定時(shí)間的加熱或者保溫處理后需要經(jīng)過冷卻才能夠進(jìn)入到后面工序。而冷卻階段需要重點(diǎn)把控冷卻時(shí)間、冷卻速度和冷卻方法等影響因素。一般情況下，淬火的冷卻速度最快，正火其次，而退火的冷卻速度則最慢。

4 金屬材料熱處理工藝及技術(shù)

4.1 化學(xué)薄層滲透技術(shù)

薄層滲透技術(shù)屬于一種化學(xué)處理方式，主要是利用金屬材料中不同成分的滲透性能進(jìn)行薄層滲透處理。該方法主要是利用化學(xué)方法來影響金屬材料自身的化學(xué)特性，以改善其強(qiáng)度和韌性。金屬材料經(jīng)過相應(yīng)的處理之后不僅能夠減少金屬材料在后續(xù)加工過程中的材料浪費(fèi)問題，而且能夠在一定程度上將部分有毒有害成分禁錮在材料自身內(nèi)部，以避免對使用環(huán)境造成污染，簡化了后續(xù)對于金屬材料的化學(xué)處理過程，同時(shí)也使得金屬材料的處理和加工成本有所降低，提高金屬材料的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[5]。

4.2 激光熱處理技術(shù)

激光作為一種獨(dú)特的光源，具有良好的穿透性。激光熱處理技術(shù)主要是通過對金屬材料的表面進(jìn)行激光照射，利用激光的特性在瞬間改變金屬材料內(nèi)外部的溫度，并合理把控照射時(shí)間，并進(jìn)行相應(yīng)的冷卻處理。這種處理方法的操作效率較高，方便在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對金屬材料硬度的調(diào)整，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4.3 超硬涂層技術(shù)

超硬涂層技術(shù)是一種比較普遍的涂層技術(shù)。其根本原理是在金屬材料表面采用碳化金屬或者氧化金屬涂層進(jìn)行熱處理，以達(dá)到改變金屬材料內(nèi)部特性的作用。超硬涂層技術(shù)能夠明顯改變金屬材料的表面硬度，使其滿足實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)要求。

4.4 振動(dòng)處理技術(shù)

振動(dòng)處理技術(shù)主要是對金屬材料進(jìn)行振動(dòng)處理，其重點(diǎn)需要把控的就是振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)時(shí)間，一方面有效防止金屬材料發(fā)生變形;另一方面主要是對金屬材料進(jìn)行必要的預(yù)處理，以改變內(nèi)部應(yīng)力。因此，經(jīng)振動(dòng)處理后的金屬材料的熱處理效果更為優(yōu)異，同時(shí)優(yōu)化了熱處理過程，降低了處理成本。

4.5 熱處理CAD技術(shù)

熱處理CAD技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和CAD技術(shù)對金屬材料進(jìn)行預(yù)先處理的模擬試驗(yàn)，這樣能夠在模擬過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的弊端或者隱患問題，并實(shí)施針對性的完善處理，使得金屬材料在實(shí)際的熱處理過程中能夠得到最好的改善與優(yōu)化。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)等信息性技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效協(xié)助改善金屬材料的內(nèi)部應(yīng)力等性能，提高了熱處理的處理效率，而且也在一定程度上降低了材料的損耗問題。

4.6 金屬冷卻方法的選擇

金屬材料的冷卻階段需要根據(jù)材料自身的屬性選擇與之相匹配的淬火方法，其中比較常用的就是單液和雙液淬火方法。雙液淬火方法的冷卻速度相對較高。雙液淬火方法是在金屬材料溶液達(dá)到350℃的條件下直接將其切換至另外一種冷卻速度較慢的淬火介質(zhì)中，然后逐步冷卻至常溫。該方法的優(yōu)勢在于能夠?qū)鋮s速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，防止金屬材料因冷卻速度不當(dāng)而出現(xiàn)變形等問題。同時(shí)，金屬材料的冷卻控制，還需要操作人員具有專業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平，在熱處理前期準(zhǔn)備階段將各種金屬材料的性能指標(biāo)和處理要求全面熟悉掌握，以方便選用科學(xué)合理的處理工藝，并對整個(gè)工藝流程進(jìn)行全面的核查，提出科學(xué)準(zhǔn)確的優(yōu)化意見。因此，熱處理工藝方法、處理設(shè)備和操作人員需要全面配合優(yōu)化，才能夠從根本上保障金屬材料的處理質(zhì)量，使其性能滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié)語

綜上所述，熱處理工藝的使用與優(yōu)化前提就是要對金屬材料的性能進(jìn)行全面熟悉與掌握，并抓住金屬材料性能與熱處理之間的關(guān)系，選用科學(xué)合理的熱處理工藝。相關(guān)部門應(yīng)該加強(qiáng)對金屬材料熱處理工藝的研究與應(yīng)用，以優(yōu)化改善金屬材料的應(yīng)用性能，拓展金屬材料的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

[1] 林志祥.金屬材料熱處理工藝與技術(shù)分析[J].信息記錄材料，2020（1）：29-30.

[2] 劉威.金屬材料熱處理工藝與技術(shù)分析[J].中國金屬通報(bào)，2019（12）：83-84.

[3] 黃強(qiáng).金屬材料熱處理工藝及技術(shù)發(fā)展[J].世界有色金屬，2019（24）：173+175.

[4] 徐堅(jiān)，李世顯.試析金屬材料熱處理工藝及技術(shù)發(fā)展趨勢[J].冶金與材料，2019（6）：65-66.

[5] 陳奎，袁明濤，顧韜.金屬材料熱處理工藝與技術(shù)分析[J].信息記錄材料，2019（8）：38-39.