淺談金屬材料熱處理工藝與技術(shù)發(fā)展趨勢探索

皮愛民

（中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471000）

1 金屬材料熱處理工藝應(yīng)用必要性

1.1 改變金屬材料性能

在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式下，雖然企業(yè)借助工業(yè)機(jī)床設(shè)備對(duì)金屬生產(chǎn)原材料開展切削作業(yè)，可在短時(shí)間內(nèi)加工出適當(dāng)外觀造型、規(guī)格參數(shù)的零部件以及工業(yè)產(chǎn)品，但卻無法對(duì)所使用金屬材料的各項(xiàng)性能質(zhì)量加以轉(zhuǎn)變，最終導(dǎo)致所加工零部件與工業(yè)產(chǎn)品出現(xiàn)穩(wěn)定性不足、使用壽命較短等一系列問題，部分工業(yè)產(chǎn)品與零部件很難在高強(qiáng)度、長時(shí)間使用過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)（如所制造各類機(jī)械設(shè)備等）。通過對(duì)金屬材料熱處理工藝的靈活運(yùn)用，將會(huì)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料各項(xiàng)性能屬性的大幅提升，以此提高所制造零部件與工業(yè)產(chǎn)品的加工質(zhì)量、延長實(shí)際使用壽命。例如部分金屬材料在長時(shí)間存儲(chǔ)、后續(xù)使用過程中，受到應(yīng)力狀況因素影響出現(xiàn)程度不一的腐蝕、開裂問題。而對(duì)熱處理工藝的應(yīng)用，則將大幅降低應(yīng)力對(duì)金屬材料所造成的影響系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料耐久性的提升（延長實(shí)際使用壽命）。此外，應(yīng)用熱處理工藝后，金屬材料在后續(xù)加工、使用過程中將不會(huì)出現(xiàn)氧化問題。

1.2 降低金屬材料切削難度

在傳統(tǒng)金屬材料零部件與工業(yè)產(chǎn)品加工過程中，由于多數(shù)金屬材料的自身硬度系數(shù)較高，因此在材料切削過程中，普遍存在切削難度系數(shù)大、作業(yè)效率低下、夾具不穩(wěn)、材料與刀具粘連、刀具磨損程度嚴(yán)重等問題。通過對(duì)金屬材料熱處理工藝的應(yīng)用，則可通過對(duì)金屬材料性能的適當(dāng)調(diào)整，有效解決以上問題，在充分保障加工質(zhì)量的同時(shí)，提高金屬材料切邊精度與加工效率。

2 金屬材料熱處理工藝

2.1 化學(xué)滲透工藝

化學(xué)滲透工藝是在所處理金屬材料表層結(jié)構(gòu)上覆蓋一層適當(dāng)成分的化學(xué)薄膜，以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料自身柔韌性、硬度系數(shù)等性能的優(yōu)化改善，并采用薄膜滲透形式逐漸對(duì)金屬材料表面形態(tài)加以轉(zhuǎn)變與改善，最終實(shí)現(xiàn)改善金屬材料性能、降低加工損耗、提高金屬材料實(shí)際利用率的處理目的。相比于其他金屬材料熱處理工藝而言，化學(xué)滲透處理工藝具有經(jīng)濟(jì)效益高處理經(jīng)濟(jì)成本較低，且會(huì)大幅提高金屬材料實(shí)際利用率，并且節(jié)能環(huán)保，無需消耗大量能源和資源開展金屬材料熱處理作業(yè)，且不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染破壞，工藝流程簡略，所覆蓋化學(xué)薄膜僅需壓迫對(duì)金屬材料表面形態(tài)加以滲透和改善等應(yīng)用優(yōu)勢。

2.2 激光處理工藝

激光處理工藝是作業(yè)人員使用相關(guān)儀器設(shè)備，向所需處理金屬材料表面結(jié)構(gòu)上持續(xù)照射激光束（適當(dāng)功率），激光束與金屬材料表面結(jié)構(gòu)在接觸過程中，會(huì)持續(xù)提高金屬材料表面溫度，當(dāng)材料溫度提升至一定標(biāo)準(zhǔn)后，將儀器設(shè)備關(guān)閉，使得金屬材料在熱傳導(dǎo)作用持續(xù)影響下在表面結(jié)構(gòu)上逐漸形成一層相對(duì)較薄的表層組織，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料硬度等性能的有效改善。目前來看，激光處理工藝主要被應(yīng)用于處理表面結(jié)構(gòu)相對(duì)較為堅(jiān)硬的金屬材料。在應(yīng)用其他工藝對(duì)這類金屬材料開展熱處理作業(yè)時(shí)，需要消耗較高時(shí)間成本與經(jīng)濟(jì)成本以穿透金屬材料表面結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)效益較低。而對(duì)激光處理工藝的應(yīng)用，則可憑借激光束的高度穿透性，在短時(shí)間內(nèi)穿透金屬材料表面結(jié)構(gòu)，對(duì)金屬現(xiàn)有表面/內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制改善。

激光處理工藝的主要應(yīng)用優(yōu)勢是高度穿透性、處理效率高（可將激光處理工藝與自動(dòng)化控制技術(shù)加以組合應(yīng)用）、經(jīng)濟(jì)效益高（無需使用外加材料）、處理效果顯著（可大幅提高金屬材料的硬度、耐磨性等性能）、變形量?。ㄏ啾绕渌幚砉に嚩?，激光束功率密度高，與金屬材料的直接作用時(shí)間較短。因此，金屬材料的熱變形量被控制在極小范圍內(nèi)、適用范圍廣（可應(yīng)用激光處理工藝對(duì)金屬材料與零部件的深孔、盲孔、凹槽等區(qū)域選擇性開展局部熱處理）等等。

2.3 涂層處理工藝

涂層處理工藝是對(duì)多項(xiàng)涂層技術(shù)加以組合應(yīng)用，在所處理金屬材料表面結(jié)構(gòu)上制備一層具有極高硬度的涂層。從工藝原理角度來看，涂層處理工藝與化學(xué)滲透工藝較為相似，無需對(duì)金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的有效改善。而應(yīng)用較為常見的涂層物質(zhì)成分由碳化金屬、氧化金屬、納米晶、氮化碳、氮化金屬等共同加以構(gòu)成，結(jié)合金屬材料實(shí)際熱處理需求，搭配適當(dāng)超硬涂層物質(zhì)，將其涂抹在金屬材料表面結(jié)構(gòu)之上，隨后應(yīng)用濺射、離子鍍等處理技術(shù)將所涂抹超硬物質(zhì)與金屬材料表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行熔合。涂層處理工藝的主要應(yīng)用優(yōu)勢與價(jià)值在于可針對(duì)性提高金屬材料的硬度系數(shù)、具有高度發(fā)展空間（隨著相關(guān)技術(shù)的不斷優(yōu)化完善，涂層處理效果仍存在一定優(yōu)化空間）、自動(dòng)化程度高（作業(yè)人員可借助自動(dòng)化控制技術(shù)與系統(tǒng)開展金屬材料自動(dòng)熱處理作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬處理情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測），也是當(dāng)前應(yīng)用較為常見的一項(xiàng)金屬材料熱處理工藝。

2.4 振動(dòng)時(shí)效處理工藝

振動(dòng)時(shí)效處理工藝是在金屬材料經(jīng)過固溶處理作業(yè)，較高溫度狀態(tài)下，通過振動(dòng)方式將金屬材料所產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行降低、消除。在有效提升金屬材料屈服強(qiáng)度系數(shù)的同時(shí)，控制金屬材料變形量，避免材料出現(xiàn)應(yīng)力松弛以及再分布問題。目前來看，通過對(duì)振動(dòng)時(shí)效處理工藝的應(yīng)用，可將所處理金屬材料的殘余應(yīng)力降低30%～55%左右，同時(shí)也會(huì)使得金屬材料的應(yīng)力峰值出現(xiàn)一定幅度降低（并提高應(yīng)力分布均勻系數(shù)）。與其他金屬材料熱處理工藝相比，振動(dòng)時(shí)效處理工藝具有材料處理效率高、自動(dòng)化程度高、處理成本低廉、節(jié)能環(huán)保、抑制金屬變形等諸多應(yīng)用優(yōu)勢。

2.5 熱處理CAD工藝

該項(xiàng)處理工藝主要是基于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)金屬材料熱處理工藝過程進(jìn)行建模計(jì)算，提前對(duì)金屬材料熱處理過程中各項(xiàng)突發(fā)問題的出現(xiàn)概率、所造成影響程度等加以精確預(yù)算，在其基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料熱處理加工工藝的優(yōu)化完善、提升處理效果。在金屬材料熱處理過程中，可通過對(duì)CAD工藝的應(yīng)用而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料實(shí)時(shí)熱處理過程與情況的有效掌握，及時(shí)針對(duì)所出現(xiàn)問題采取有效預(yù)防與解決措施。在開展金屬材料熱處理作業(yè)前，可選擇將熱處理CAD工藝與其他處理工藝進(jìn)行組合應(yīng)用，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝方案與金屬材料實(shí)際熱處理效果二者之間匹配度的優(yōu)化提升。

2.6 真空熱處理工藝

其應(yīng)用原理是提前營造一個(gè)類似大氣壓的真空氣氛環(huán)境（包括低真空、高真空、中等真空以及超高真空），將全部抑或是部分金屬材料熱處理工藝在真空環(huán)境下開展，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料熱處理工藝的無氧化、無滲碳、無脫碳的發(fā)展，同時(shí)在金屬材料熱處理過程中，也具有去除金屬材料/工件表面結(jié)構(gòu)所附著磷屑、脫脂去氣等處理效果。相比而言，真空熱處理工藝具有節(jié)能環(huán)保、處理效率高、工作畸變小、處理效果顯著、工藝操作靈活、工件與金屬材料表面潔凈性高等諸多應(yīng)用優(yōu)勢。

3 金屬材料熱處理工藝未來發(fā)展趨勢

（1）自動(dòng)化發(fā)展。目前來看，金屬材料熱處理工藝的自動(dòng)化仍處于發(fā)展之中，在處理過程中企業(yè)不但需要配置、投入大量人力成本用于開展各項(xiàng)金屬材料熱處理作業(yè)，且受到人為因素影響，金屬材料與工件的處理效果受到一定程度影響干擾，缺乏統(tǒng)一處理標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)重點(diǎn)推動(dòng)金屬材料熱處理工藝的自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程，在有效保障并小幅提升金屬材料熱處理效果的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)處理工藝與自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行組合應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料熱處理效率的提升，以及對(duì)處理經(jīng)濟(jì)成本的控制。

（2）無氧化處理。在當(dāng)前我國金屬材料熱處理工藝研發(fā)工作開展過程中，新問世一項(xiàng)無氧熱處理工藝具有極高的潛在應(yīng)用價(jià)值，這一工藝便是可控氣氛技術(shù)。在應(yīng)用可控氣氛處理工藝時(shí)，將對(duì)所處理金屬材料的表面結(jié)構(gòu)提供有效保護(hù)，同時(shí)大幅提升處理質(zhì)量，較為適用于對(duì)鋼制品的熱處理。從金屬材料熱處理工藝整體發(fā)展角度來看，無氧化處理工藝具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢，是總體工藝體系的未來主要發(fā)展趨勢之一。

4 結(jié)語

只有深入研究各項(xiàng)金屬材料熱處理工藝的應(yīng)用現(xiàn)狀、主要優(yōu)勢與應(yīng)用原理，結(jié)合工藝應(yīng)用現(xiàn)狀對(duì)工藝未來發(fā)展趨勢進(jìn)行探索展望。才能從全局角度出發(fā)，做到對(duì)金屬材料熱處理工藝的有效利用，并深入挖掘工藝潛在應(yīng)用價(jià)值，為我國工業(yè)領(lǐng)域持續(xù)注入新的發(fā)展活力。