金屬材料的運(yùn)用和熱處理技術(shù)

王 磊

青島工學(xué)院，山東青島 266300

金屬材料作為一種熱門應(yīng)用材料，每年全球范圍內(nèi)擁有數(shù)以億計(jì)的使用量，金屬經(jīng)過采礦、冶煉、軋制等一系列工藝后廣泛應(yīng)用于個各行業(yè)，為了提高金屬的工藝性能和產(chǎn)品質(zhì)量，通常要對金屬材料進(jìn)行熱處理。以下簡單介紹金屬材料熱處理的傳統(tǒng)技術(shù)和新型技術(shù)。

1 金屬材料的運(yùn)用

1.1 多孔金屬材料的應(yīng)用

作為一種新興的功能性材料，多孔金屬材料具有滲透性好、耐高溫、耐腐蝕等特性，目前在工業(yè)領(lǐng)域，通訊領(lǐng)域、國防領(lǐng)域和環(huán)保領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1）過濾與分離

多孔金屬良好的滲透性決定其成為過濾器的理想制備材料，多孔金屬用作分離媒介，其孔道對固體粒子進(jìn)行阻流和捕集，對氣體或液體進(jìn)行過濾分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其過濾分離作用。多孔金屬制成的過濾器還可以用于厭氧細(xì)菌的生長、鋼鐵廠中高爐煤氣的凈化、原子能工業(yè)中硫化床尾氣過濾、紡織和造紙業(yè)中去除染料顆粒和污水處理、石化行業(yè)中排除石油鉆井的泥沙等。

2）能量吸收

汽車的防沖擋、宇宙飛船的起落架等能量吸收裝置都是利用多孔材料的能量吸收性質(zhì)，基于這一性質(zhì)，多孔材料還可以作為燃?xì)廨啓C(jī)等排氣系統(tǒng)的消音材料等，展現(xiàn)了良好的消音效果。

3）電極材料

蓄電池、燃料電池、空氣電池中的電極大多采用多孔鎳制成，用輕質(zhì)高孔率的發(fā)泡沫基板等金屬材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)燒結(jié)基板可減少鎳的消耗，并且提高能量密度。

4）流體分布與控制

石油化工和冶金工業(yè)中青銅、鎳、不銹鋼等燒結(jié)成的多孔板作為流體分布板；多孔不銹鋼用于控制火箭鼻鏈體偏航指示儀外殼的冷卻液；多孔材料還可用于制作自動化系統(tǒng)中的信號控制延時器。

5）熱交換

多孔金屬是熱交換器和加熱器的理想材料，氣孔體可作為熱交換器和散熱器，并且具有較高的效率和使用性能。此外，泡沫鋼可以用來制作汽車發(fā)動機(jī)的排氣支管；多孔金屬還可以用來制作滅火器。

6）電磁屏蔽

目前電磁波輻射日益嚴(yán)重，信息外漏和信號干擾情況普遍，三維網(wǎng)狀的銅和鎳空隙之間互相連通，具有電磁波吸收性能，可用于電磁屏蔽，小巧輕便、散熱、且屏蔽效果好。

1.2 納米金屬材料的應(yīng)用

納米金屬材料具有納米級尺寸的組織結(jié)構(gòu)，具有良好的力學(xué)性能和功能特性，在航航天事業(yè)中，用于航天飛行器機(jī)身以及輔助裝置的制造材料。目前，納米金屬材料主要應(yīng)用于以下幾種領(lǐng)域。

1）高硬度和耐磨WC—Co 納米復(fù)合材料

納米結(jié)構(gòu)的WC—Co 硬度高，且耐磨性能好，目前應(yīng)經(jīng)廣泛應(yīng)用于保護(hù)涂層和切削工具的制造，工業(yè)中，WC—Co 納米合金的使用量非常大。

2）鋁基納米復(fù)合材料

鋁基納米復(fù)合材料在非晶基體上彌散分布著納米尺度的a—Al 粒子，具有極高的強(qiáng)度和抗疲勞性能，通過加工，部分非晶態(tài)合金可以轉(zhuǎn)變?yōu)榫w，是高強(qiáng)度部件的首選材料。

3）電沉積納米晶體鎳

電沉積薄膜具有柱狀晶結(jié)構(gòu)，在350K 時徑粒長大，通過加入溶質(zhì)使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適合用作管材內(nèi)部的涂覆材料。

2 熱處理技術(shù)

金屬材料經(jīng)過熱處理技術(shù)可以提高金屬質(zhì)量性能，增強(qiáng)可塑性，但是材料內(nèi)部化學(xué)組成和化學(xué)性質(zhì)并未發(fā)生改變。傳統(tǒng)熱處理分為基本熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理，隨著金屬材料與現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多新型熱處理工藝相繼出現(xiàn)，如真空熱處理技術(shù)、感應(yīng)淬火熱處理等。

2.1 傳統(tǒng)熱處理技術(shù)

1）基本熱處理

基本熱處理是通過適當(dāng)?shù)募訜崽幚砀纳乒ぜ慕M織和結(jié)構(gòu)性能，其溫度區(qū)間變化如圖所示。

圖1

退火過程是將工件加熱到一定溫度后，再進(jìn)行緩慢冷卻，從而使工件硬度降低，可塑性增強(qiáng)。正火是將金屬材料加熱到Ac3 以上溫度，此溫度下保持一段時間后，將其取出，在空氣中冷卻。與退火相比，其強(qiáng)度、硬度、韌性較高。猝火是將金屬材料加熱到Ac3 或Acl 以上某一溫度，大于臨界冷卻速度獲得馬氏體組織，淬火后必須配以適當(dāng)?shù)幕鼗鸸に?，增?qiáng)工件性能，延長使用壽命，常用的淬火方法有單液淬火、雙液淬火和等溫淬火。

2）表面熱處理

表面熱處理主要對工件裹層進(jìn)行熱處理，表面淬火處理前需要進(jìn)行正火處理或調(diào)質(zhì)處理，然后快速加熱使金屬材料迅速升溫，直至猝火溫度，材料內(nèi)部尚未存在熱量傳導(dǎo)時，冷卻，進(jìn)行低溫回火處理。此時材料表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，且材料內(nèi)部性能完好。通常中碳或中碳合金鋼材料適合表面淬火工藝。

3）化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是將介質(zhì)中的活性原子加入材料表面，從而改變材料表面的結(jié)構(gòu)性能，使其抗疲勞性、耐磨性和抗蝕能力增強(qiáng)?；瘜W(xué)熱處理常用方法有滲碳、滲氮和碳氮共滲等。

2.2 熱處理新工藝

1）真空熱處理技術(shù)

真空熱處理是將真空技術(shù)與熱處理技術(shù)相結(jié)合，其部分在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，幾乎所有的處理工藝均可通過真空人處理來解決。它是在壓強(qiáng)低于一個大氣壓的條件下，進(jìn)行氣氛控制熱處理。真空熱處理可以使金屬材料表面潔凈明亮，改善材料外觀的同時提高材料性能。

2）感應(yīng)熱處理

感應(yīng)熱處理是通過電磁感應(yīng)使金屬材料內(nèi)部產(chǎn)生漩渦，將其加熱，工業(yè)生產(chǎn)中，通過感應(yīng)熱處理可以提高生產(chǎn)效率，減少能耗、降低成本，減輕污染，所以感應(yīng)熱處理技術(shù)是今后的發(fā)展方向。

3）熱處理新設(shè)備

隨著熱處理技術(shù)的發(fā)展，許多節(jié)能高效的新設(shè)備不斷更新，如真空加熱高壓氣淬設(shè)備。低壓滲碳雙室高壓氣淬爐、密封滲碳高壓氣淬爐、馬氏體分級淬火生產(chǎn)線等，這些進(jìn)設(shè)備的產(chǎn)生極大地改善了金屬熱處理技術(shù)，標(biāo)志著熱處理技術(shù)的重大進(jìn)步。

4）熱處理新材料

生態(tài)淬火劑作為熱處理的新材料對熱處理的工藝效果發(fā)揮重要作用，它是向植物油中加入添加劑，提高熱處理工件壽命和滲碳溫度。常用淬火劑的有水、鹽水、熔鹽、冷熱礦物油和NiAl 金屬鍵化合物，

3 結(jié)論

金屬材料由于其優(yōu)異的性能和廣泛的來源使其在全球各個領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。金屬材料的熱處理工藝是改善金屬性能的重要手段，所以我們要不斷地進(jìn)行金屬材料和熱處理技術(shù)的研究創(chuàng)新，不斷完善設(shè)備功能、控制手段和工藝技術(shù)，通過新型熱處理技術(shù)，促進(jìn)我國工業(yè)，航天、醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展。

[1]陳曉洪.金屬材料及熱處理技術(shù)[J].工業(yè)技術(shù)，2012(9)：15-17.