金屬材料熱處理工藝與技術(shù)探析

羅運芬

摘 要：當前工藝環(huán)境下，機械企業(yè)只有立足自身技術(shù)基礎(chǔ)，以行業(yè)發(fā)展趨勢為導向，以高標準、高要求研制金屬產(chǎn)品，才能在提升自身行業(yè)競爭力的同時，提高企業(yè)行業(yè)市場適應力。而在機械企業(yè)金屬產(chǎn)品發(fā)展體系中，金屬材料熱處理關(guān)系其產(chǎn)品最終質(zhì)量和使用效果，因此，相關(guān)單位要重視該項工作的發(fā)展，并逐步加大投入?；诖?，為梳理金屬熱處理相關(guān)要素，文章立足金屬材料概念和性能，以金屬熱處理注意事項為切入點，探究其處理工藝和技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上分析鋼金屬從材料熱處理技術(shù)，以供參考。

關(guān)鍵詞：金屬材料;機械企業(yè);熱處理工藝和技術(shù)

中圖分類號：TG156 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.007

對比國內(nèi)外金融材料熱處理可以發(fā)現(xiàn)，我國與國外先進國家還有一定的距離，如專業(yè)化、自動化等水平較低，常發(fā)生諸如氧化、脫碳等問題[1]，嚴重影響金屬產(chǎn)品的質(zhì)量。同時，由于部分廠家在生產(chǎn)時缺乏有效的金屬熱處理技術(shù)，影響產(chǎn)品最終的耐久性，因此有必要梳理該項生產(chǎn)工藝的技術(shù)要素，改善產(chǎn)品最終質(zhì)量、提高處理流程環(huán)保性、提升處理經(jīng)濟效益，進而達到金屬材料熱處理的最終目的。

1 金屬材料基本概念和性能

分析金屬材料外觀和應用方式可以發(fā)現(xiàn)，其主要指擁有光澤度的外觀、可延展的屬性[2]，且能夠傳遞熱量或?qū)щ姷牟牧希渚哂许g性、強度、耐久性、可塑性及疲勞性等特點。通常情況下，其包括特種金屬材料、有色金屬材料、黑色金屬材料等。其中，特種金屬材料可分為功能性金屬材料、結(jié)構(gòu)性金屬材料等。例如，金屬復合材料或非晶態(tài)金屬材料等。有色金屬材料又可分為稀土金屬、半金屬、重金屬、輕金屬等。黑色金屬主要指常見的鋼鐵。而要想充分挖掘金屬材料的性能，提高材料應用質(zhì)量和效果，應注意其性能。

目前，金屬材料的性能主要分為以下幾類：第一，工藝性能，主要指具有一定可焊性、可鑄造、可鍛造以及可切割等特性的金屬;第二，物理性能，主要指金屬的電學性能、電磁性能、熱學性能、密度等;第三，化學性能，主要指金屬材料的抗氧化性和腐蝕性等;第四，機械性能，主要指金屬材料的抗沖擊力、疲勞數(shù)值、韌性、硬度等[3]。

2 金屬材料熱處理注意事項分析

受到金屬材料屬性和材料加工技術(shù)等的影響，在熱處理時要注意：

首先，切割和預熱。在金屬材料加工過程中，通常在設(shè)計等要素影響下進行切割處理，而由于切割的過程會直接影響金屬材料性能，如材料光澤度、變形等情況[4]。為保障材料質(zhì)量，應在切割前對材料進行預熱處理，避免發(fā)生切割粘連等情況，進而提高金屬產(chǎn)品制作質(zhì)量。

其次，耐久性與應力。在處理金屬材料的過程中，如果材料同時遭受腐蝕、外力等因素影響，那么必然會影響材料的應力參數(shù)，進而縮短材料的使用壽命。由此，在運用熱處理工藝加工金屬材料時，要立足材料的自身屬性，如耐久性和其他化學性能等，盡量避免其受到腐蝕等情況，在實現(xiàn)材料處理的同時保障材料性能結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

最后，疲勞性和溫度。在處理金屬材料過程中，為提高成品質(zhì)量、縮短工藝周期，會對部分材料進行冷處理，如運用快速冷卻技術(shù)等，這就會導致材料壓力變大，進而出現(xiàn)破損、斷裂等情況。據(jù)此，為避免發(fā)生這一情況，在處理材料時應控制溫度，即在規(guī)定溫度范圍進行工藝處理，避免影響產(chǎn)品疲勞值，提升產(chǎn)品綜合性能等[5]。

3 金屬材料熱處理工藝和技術(shù)要點分析

3.1 處理過程

聚焦熱處理技術(shù)在金屬材料中的應用過程、方式、結(jié)果等要素可以看出，主要有加熱技術(shù)、保溫技術(shù)、冷卻技術(shù)，當然，在材料性能基礎(chǔ)上還有可能僅包含加熱、冷卻工藝技術(shù)。此外，要注意以上熱處理技術(shù)流程不可間斷，做好銜接工作。

第一，加熱技術(shù)。這一流程是金屬材料熱處理的關(guān)鍵要素，是材料后續(xù)各項工作開展的前提要素，因此，要重視該項技術(shù)的流程性控制。目前，加熱技術(shù)主要有傳統(tǒng)的煤炭和木炭、現(xiàn)代的氣體和液體燃料以及當前的電加熱技術(shù)。其中，煤炭和木炭成本較低，但難以完成部分特定金屬的加熱工作。氣體和液體燃料加熱速度較快，但其成本相對較大。而電加熱可以更加合理地控制加熱流程，如時間、溫度等，具有較高的應用價值。當然，需要注意的是，金屬在加熱過程中一般暴露在空氣中，而在氧氣等因素的影響下，材料可能會出現(xiàn)脫碳、氧化等情況。因此，相關(guān)技術(shù)人員在控制加熱溫度的同時，應做好保護工作，如涂抹防護層等。

第二，保溫技術(shù)。這一流程主要指在金屬性能、相關(guān)規(guī)范、標準等基礎(chǔ)上控制溫度，保障材料達到加工的預期目的，如內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變、成形等。因此，技術(shù)人員在保溫過程中既要注意金屬材料的參數(shù)性能，也要在限定范圍內(nèi)控制其溫度。

第三，冷卻技術(shù)。在金屬材料熱處理工藝流程中，冷卻工藝至關(guān)重要。技術(shù)人員要區(qū)分各個金屬材料的參數(shù)，并掌握其特定的冷卻時間和方式，控制冷卻速度，如更快的淬火冷卻、較高的正火冷卻、較慢的退火冷卻等。

3.2 熱處理工藝和技術(shù)

3.2.1 薄層滲透技術(shù)

為避免處理金屬材料的過程中，其化學性能受到影響，應注意工藝技術(shù)的技能屬性。目前，薄層滲透技術(shù)屬于常用的熱處理節(jié)能技術(shù)[6]。究其原因，其他熱處理技術(shù)在進行材料加工處理時，一方面，會在材料表層殘留會破壞材料穩(wěn)定性的物質(zhì)要素，如化學元素等，進而降低材料等的金屬性能;另一方面，部分熱處理工藝會耗費更多加工時間，在無形中增加工藝時間和成本。通過薄層滲透技術(shù)，則能有效避免上述問題，其原理主要是以化學滲透方式達成對材料的處理工作，此類方式不僅能在一定程度上提高材料的硬度和韌性，避免材料化學污染，而且能提高材料處理效率，降低處理能源消耗，進而提高金屬材料加工經(jīng)濟效益。

3.2.2 激光處理技術(shù)

分析其方式可以看出，其主要指在材料表面照射激光，在激光照射下金屬材料的溫度會快速提高，當達到規(guī)定范圍后關(guān)閉激光停止照射，此時，失去溫度來源后，金屬會立即失去溫度，其表面會形成較薄的一層組織。相較于常規(guī)處理技術(shù)，此項處理技術(shù)可在一定程度上增強金屬的硬度。剖析其原因可以發(fā)現(xiàn)，由于處理方式擁有較強的穿透性，因此在完成激光照射后再處理，會在不影響材料性能基礎(chǔ)上提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、增強材料硬度。

目前，在智能、自動等技術(shù)的支撐下，該項技術(shù)得到了明顯進步，例如，避免操作失誤等問題。尤其在從充分利用信息技術(shù)基礎(chǔ)上，還能進一步提高工作效率，提升處理效果。

3.2.3 涂層技術(shù)

涂層技術(shù)主要指將具有保護功能的材料涂抹在金屬表層，以提升金屬的硬度、使用效果等。目前，常見的金屬涂抹材料有金屬衍生物和納米晶兩種。金屬材料的熱處理過程中，如果采用涂層技術(shù)，相關(guān)操作更為簡便，金屬結(jié)構(gòu)也不會受到明顯損害，金屬能夠擁有理想的硬度，保證其應用效果大幅提高。在完成金屬材料的涂層后，還應對其進行適應性加工，以保障該項技術(shù)的加工質(zhì)量，如利用沉積技術(shù)、蒸鍍技術(shù)等。

3.2.4 振動技術(shù)

振動技術(shù)擁有較高的時效性，其主要指利用振動技術(shù)消除金屬的內(nèi)應力，保障其硬度能夠達到加工需求和標準。以此項技術(shù)加工金屬材料，不僅能夠大幅提高材料的穩(wěn)固性，而且能在結(jié)合計算機技術(shù)的基礎(chǔ)上有效控制振動參數(shù)，進而避免操作失誤導致的材料損壞，保障金屬材料的利用率。分析此項技術(shù)的優(yōu)勢可以看出，其能夠在較短的時間內(nèi)完成熱處理工作，提升加工效率，實現(xiàn)節(jié)能減排目標，因此，具有應用、推廣、研發(fā)等的價值。

3.2.5 CAD工藝

CAD處理技術(shù)主要指利用計算機模擬加工過程，并搭建加工模型，而在完成模型建設(shè)后，技術(shù)人員就能全面、系統(tǒng)地分析加工過程，詳盡掌握加工過程中可能會出現(xiàn)的各種問題，并依據(jù)問題數(shù)據(jù)恰當調(diào)整加工過程，降低加工失誤、加工問題、加工成本等。此種處理方式具有全面性特征，能夠起到良好的預防效果，通過此種方法可以使得熱處理效果更為理想。從CAD技術(shù)應用的實際情況看，其能夠依據(jù)模擬數(shù)據(jù)對比處理前、處理后金屬材料的相關(guān)數(shù)據(jù)，進一步了解材料參數(shù)變化情況，而相關(guān)人員可以此為依據(jù)完善加工技術(shù)、流程等，達到處理效果預期目標，保證熱處理的實際效果。

4 鋼金融材料熱處理技術(shù)分析

4.1 鋼的退火與正火

分析鋼金屬材料退火與正火效果和作用可以看出，其目的主要有：第一，適應加工、切削，提升硬度適應力等;第二，改善組織構(gòu)成，降低干擾應力;第三，為后期熱處理奠定基礎(chǔ)。

4.1.1 退火

退火主要包含去應力退火、擴散退火、球化退火、等溫退火、完全退火等熱處理工藝。

去應力退火主要以加熱工件為中心，調(diào)整溫度至Ac1，待保溫處理完畢后，同爐同冷卻。這一處理技術(shù)可有效降低應焊接、鍛造等技術(shù)產(chǎn)生的內(nèi)應力。

擴散技術(shù)主要是將溫度控制在固相線溫度以下，加熱相關(guān)工件，并在完成后熱處理。這一處理技術(shù)可有效避免成分偏析等問題。

球化退火主要是將溫度控制在Ac1+20 ℃～30 ℃，加熱過共析鋼、共析鋼，待完成加熱工藝后，緩慢降低其溫度。這一處理技術(shù)可提升工件加工性能，如切削等，能為后期淬火工作奠定基礎(chǔ)。

等溫退火主要是將過共析鋼、亞共析鋼加熱到相愛難改觀溫度，如Ac1+30 ℃～50 ℃，并在完成加熱、保溫后，將其快冷，最后出爐空冷。

完全退火主要是利用Ac3+30 ℃～50 ℃加熱亞共析鋼，待達到溫度目標值之后，保溫、緩冷。這一處理技術(shù)可消除工件內(nèi)應力。

4.1.2 正火

正火主要指利用溫度將鋼材料加工到Accm以上30 ℃～50 ℃、Ac3，并在完成后，保溫、暴露冷卻?；谄湓怼⒛康?，其應用范圍為：第一，改善工件加工性能，例如提高正火硬度，提升切削效果;第二，降低二次滲碳體在過共析鋼中的含量;第三，應用于普通鋼材料熱處理最終步驟。事實上，對比分析退火與正火可以看出，后者得到的組織要細，且冷卻速度高于前者。

4.2 鋼的淬火

淬火主要指加熱鋼工件材料至臨界點，待完成保溫后，其冷處理速度控制在VK以上。目前，淬火主要有幾項工藝：第一，單液淬火法，首先將工件加熱，然后將工件置于油或水的介質(zhì)中進行冷卻的一種工藝方式;第二，雙液淬火法，主要包含兩種冷卻介質(zhì)，一種冷卻效果強，另一種冷卻效果較弱，該方式先將工件置于效果強的冷卻介質(zhì)，再放入冷卻效果較差的介質(zhì)，由于此項熱處理技術(shù)的特殊性，一般應用于大型合金鋼工件、高碳鋼工件等;第三，分級淬火工藝，主要指將利用堿浴或鹽浴等方式淬火鋼工件，并在完成后緩冷，此技術(shù)具有提高材料塑性的優(yōu)點，比如避免其開裂、變形等。

4.3 鋼的回火

回火主要指將完成淬火工藝的鋼，放置在A1溫度環(huán)境中精心加熱，讓其成為穩(wěn)定的回火組織。因此，其目前主要有：第一，消除內(nèi)部應力;第二，提升組織性能;第三，避免回火脆性等。依據(jù)溫度，回火可分為低溫回火、中溫回火、高溫回火三個類別。

4.3.1 低溫回火

低溫回火主要指在150 ℃～250 ℃回火，完成后得到馬氏體組織。此工藝的目的為：一是控制材料內(nèi)應力，讓淬火材料得到預期韌性，擁有預期硬度;二是提高工件耐磨性、硬度性，并擁有較高的數(shù)據(jù)，如量具、軸承、道具等。具體而言，此方式主要應用于高碳合金鋼和淬火高碳鋼，完成淬火后，可得到隱晶回火馬氏體和均勻細粒碳化物顆粒組織，具有很高的硬度和耐磨性，同時顯著降低了鋼的淬火應力和脆性.對于淬火獲得低碳馬氏體的鋼，低溫回火可以減少內(nèi)應力，提高鋼的強度和塑性。

4.3.2 中溫回火

中溫回火主要指在350 ℃～500 ℃回火，完成后得到屈氏體組織。對于一般碳鋼和低合金鋼，此溫度范圍內(nèi)回火（第三階段），碳化物開始聚集和長大，基體開始回復，淬火應力基本消失。同時，中溫回火后的鋼具有較高的彈性、較高的強度和硬度，并具有良好的塑性和韌性。由此，此熱處理技術(shù)一般用于各種彈簧零件和熱鍛模具。

4.3.3 高溫回火

高溫回火主要指在500 ℃～650 ℃回火，完成后得到索氏體組織。在完成調(diào)質(zhì)處理后的工件具有高的塑性、韌性和強度的配合。此項技術(shù)一般適用于中碳結(jié)構(gòu)鋼或低合金結(jié)構(gòu)鋼，用來制作曲軸、連桿、連桿螺栓、機床主軸等重要零件。這些機械零件在使用中要求較高的強度并能承受。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段，在熱處理理念和技術(shù)高速發(fā)展背景下，開始發(fā)展出更多的金屬熱處理技術(shù)，相關(guān)廠家應重視這些處理技術(shù)的價值和意義，完善或重構(gòu)自身金屬熱處理技術(shù)工藝，以提高自身金屬材料加工質(zhì)量，提升自身經(jīng)濟效果。

參考文獻

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