金屬熱處理工藝在熱能動力工程中的應用

孫赫蔓

摘 要：在熱能動力工程中推廣應用金屬熱處理技術，既是行業(yè)發(fā)展的必然需求，也是行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的主流趨勢。本文首先對金屬熱處理工藝進行概述，然后闡述金屬熱處理加工工藝的步驟，之后探討熱能動力工程需要解決的問題，最后具體分析金屬熱處理技術在熱能動力工程中的有效應用。

關鍵詞：金屬熱處理;熱能動力工程;退火工藝;正火工藝;淬火工藝;回火工藝

Abstract： The application of metal heat treatment technology in thermal power engineering is not only the inevitable demand of industry development， but also the mainstream trend of industry innovation and development. This paper first summarized the metal heat treatment process， then described the steps of metal heat treatment process， then dis- cussed the problems to be solved in thermal power engineering， and finally analyzed the effective application of metal heat treatment technology in thermal power engineering.

Keywords： metal heat treatment; thermal power engineering; annealing process; normalizing process; quenching process; tempering process

金屬材料處理一直是熱能動力工程元件鍛造難度相對較大的環(huán)節(jié)，熱處理能轉變內(nèi)部顯微組織，對工件的內(nèi)部質(zhì)量具有深遠影響，因此，金屬熱處理技術在熱能動力工程中的應用十分普遍，是熱能動力工程的重要組成部分之一。金屬熱處理技術和工藝的廣泛應用對推動我國熱能動力工程的發(fā)展具有十分重要的作用，因此深入研究金屬熱處理技術在熱能動力工程中的應用具有重要的現(xiàn)實意義[1]。

1 金屬熱處理工藝概述

金屬熱處理指的是將金屬工件置入高溫環(huán)境中或適宜溫度中加熱一段時間，取出并通過不同的冷卻方式降溫的一種工藝。金屬熱處理是材料生產(chǎn)過程中最為重要的一項工藝，不改變金屬工件的整體形狀、屬性和化學成分，僅僅改變材料的內(nèi)部質(zhì)量即去除雜質(zhì)、強化提純，改變金屬外表面化學成分[2]。一般來說，未經(jīng)熱處理的金屬工件硬度過高，不利于后續(xù)加工，而經(jīng)過熱處理之后，其材料的內(nèi)部組織稍有變化，硬度降低、塑性提高，金屬整體質(zhì)量被改善，可以應用于多個工程中。

2 金屬熱處理加工工藝的步驟

金屬熱處理的工藝分四步進行，即“四把火”，包括退火、正火、淬火和回火。退火和正火的相同點是將金屬置入高溫環(huán)境中加熱;不同點是利用了不同的冷卻方法，退火是將金屬置入恒溫環(huán)境中慢慢冷卻，目的是降低金屬硬度，而正火是將金屬置入適宜的空氣環(huán)境中冷卻，目的是改善金屬表面化學成分。淬火和回火是一個流程內(nèi)的兩個步驟，淬火是將金屬置入水、油、無機鹽或有機水溶液中冷卻，然后經(jīng)過回火的長時間保溫，以解決淬火后材料組織不平衡、較脆較硬的問題[3]。

2.1 退火工藝

退火工藝能有效降低金屬的硬度，便于金屬的塑形處理，進而為冷變形加工和機械加工創(chuàng)造良好的工作條件。退火工藝主要是將金屬材料加熱到設定溫度，保持一定時間，然后緩慢冷卻的熱處理工藝。通常情況下，退火工藝被廣泛應用在改善材料切削性能方面，一些要求不高的零件也可以采用退火工藝進行最終的熱處理[4]。金屬退火工藝如圖1所示。

2.2 正火工藝

正火工藝是將金屬加工材料加熱至該金屬臨界點以上的一定溫度，保溫一段時間后的工件從爐中取出置于空氣中進行自然冷卻，進而得到珠光體類組織的熱處理工藝。正火工藝與退火工藝雖然大致流程相同，但由于加熱溫度設定值的區(qū)別，正火工藝獲得的加工材料成品與退火工藝相比更加精細，產(chǎn)品的機械性能得到有效提升，且正火工藝是爐外空氣自然冷卻，冷卻液不占用設備，生產(chǎn)周期相對較短，生產(chǎn)效率較高[5]。

2.3 淬火工藝

淬火工藝與前兩項金屬熱處理工藝相同，即將金屬原材料高溫加熱至一定溫度，并且恒溫保持一段時間后，將其進行部分或者全部的奧氏體化，待加工材料完全冷卻后進行貝氏體轉變的一種熱處理工藝。淬火工藝能夠有效提升金屬工件表面的耐磨性和硬度。

2.4 回火工藝

回火工藝是建立在淬火工藝基礎上，將經(jīng)過淬火工藝處理后的工件加熱到臨界點以下數(shù)值溫度，并恒溫保持一段時間后，冷卻獲取最終所需要金屬工件的一種熱處理工藝?；鼗鸸に嚹軌蛴行Ы档徒饘俟ぜ膹姸群陀捕?，大幅度提升金屬工件的組織穩(wěn)定性以及韌性。

3 熱能動力工程需要解決的問題

熱能動力工程的主要功能是實現(xiàn)熱能與機械能、動能和電能的轉換。隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)如今各大熱能工程企業(yè)著重研究如何提高熱能與其他能量的轉化效率、保證工人的安全等問題。首先，這些企業(yè)沒有考慮能源循環(huán)利用，導致能源利用不合理，造成極大浪費，降低了熱能使用效率;其次，各種能源燃燒導致生產(chǎn)設備時不時出現(xiàn)泄漏、損壞的現(xiàn)象，使廢水、廢氣污染周邊環(huán)境，嚴重影響居民生活質(zhì)量;再次，由于企業(yè)沒有使用安全的熱能生產(chǎn)裝置，再加上不注意維修和保養(yǎng)，對工廠工人的生命安全造成威脅。

經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，與以上三種問題息息相關的是企業(yè)使用的設備、管道等金屬裝置。一般來說，這些金屬裝置需要具有耐高溫、耐高壓、耐低溫、耐腐蝕和耐沖擊等特點，企業(yè)要在實際應用前做好金屬改良工藝的準備工作。但是，很多企業(yè)對金屬熱處理相關工藝不重視，導致相關裝置并沒有達到要求。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，將金屬熱處理工藝應用到熱能動力工程中，會促進熱能工程項目實現(xiàn)重大突破。

4 金屬熱處理技術在熱能動力工程中的有效應用

金屬熱處理技術是機械制造行業(yè)中極為常用的技術，在熱能動力工程中也發(fā)揮了非常顯著的作用。如圖2所示，金屬熱處理技術可以幫助熱能動力工程革新工藝、改進設備，在鍋爐鍋殼、汽輪機葉輪、空壓機隔膜、熱電廠噴管等設備制造中，應用金屬熱處理技術可以改善構成設備的金屬材料的性能。下面具體介紹金屬熱處理技術在熱能動力工程中的應用措施。

4.1 涂層技術

能源浪費現(xiàn)象是熱能動力工程中普遍存在的問題。許多金屬元件并不能充分發(fā)揮其功能效用，極大地影響了熱能動力工程的整體效率。因此，熱能動力工程需要在技術上進行變革，提升工作效率和質(zhì)量，進而滿足金屬熱處理的需求。例如：綜合利用涂層技術，可以在較大功率設備應用時對其金屬進行性能優(yōu)化，對于待加工的工件，采用離子沖擊波進行直接轟擊，大幅提升工件的硬度和強度。同時，金屬熱處理技術與PLC系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)使用可以實現(xiàn)遠程調(diào)動，從而提高金屬熱處理工藝的效率，縮短工時、壓縮成本，進而全面提升熱能動力工程的生產(chǎn)效率，提升企業(yè)經(jīng)濟效益。

4.2 真空熱處理技術

真空熱處理是真空技術與熱處理技術相結合的新型熱處理技術。真空熱處理所處的真空環(huán)境指的是低于一個大氣壓的氣氛環(huán)境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，真空熱處理實際也屬于氣氛控制熱處理。真空熱處理技術的優(yōu)勢是：金屬零件不會出現(xiàn)內(nèi)氧化的問題;滲碳材料的溫度也可被提升，熱能動力工程所需的生產(chǎn)周期就會逐漸變短;氣體的排放量會減少。在具體應用該技術的過程中，工作人員應該重點關注真空滲碳，避免金屬零件出現(xiàn)質(zhì)量問題，動態(tài)操控排氣裝置和點火器，不斷簡化加工工件的整體流程，有效降低單元操作的基礎成本，以提高整體收益。

4.3 薄層滲入技術

隨著我國工業(yè)體系向高精尖的方向不斷發(fā)展，金屬熱處理技術也在逐漸向精細化和智能化方向過渡。在金屬熱處理技術不斷應用過程中，科研人員通過外加其他元素改變金屬表層理化性質(zhì)的方式，研發(fā)出了薄層滲透技術。在利用該技術的過程中，科研人員通過不斷實驗探索，通過調(diào)整碳、錳等不同元素的配比，對金屬材料的性能進行動態(tài)調(diào)節(jié)，進而達到最優(yōu)處理。薄層滲入技術通過多元線性規(guī)劃能切實提升金屬熱處理水平。

4.4 滲碳技術

在進行金屬熱處理的過程中，生產(chǎn)者需要根據(jù)市場需求選擇不同的滲碳技術。當前，熱能動力工程生產(chǎn)過程中常用的滲碳技術為微波滲碳技術和環(huán)乙烯滲碳技術。環(huán)乙烯滲碳技術具有操作簡潔、流程簡單的特點，能有效規(guī)避金屬元件在進行熱處理過程中的臨界氧化現(xiàn)象，金屬硬度得到有效提升，避免出現(xiàn)嚴重的變形現(xiàn)象。但是，該滲碳技術整體生產(chǎn)效率不高，金屬熱處理效果不佳。而微波滲碳技術的生態(tài)水平更加突出，滲碳效率高且碳循環(huán)穩(wěn)定，同時能保持較高精度的碳管理，確保金屬熱處理工藝的可持續(xù)性和發(fā)展性。

5 結語

在熱能動力工程上推廣應用金屬熱處理技術，既是行業(yè)發(fā)展的必然需求，也是行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的主流趨勢。在應用金屬熱處理工藝的過程中，要進行創(chuàng)新應用，深度融合現(xiàn)代化的加工工藝及信息化技術，進而全面提升金屬熱處理工藝的能效，為推動熱能動力工程的高質(zhì)量發(fā)展奠定堅實的技術基礎。

參考文獻：

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[2]梁文炯.金屬的熱處理和熱能動力工程當中的具體應用[J].低碳世界，2018（10）：121-122.

[3]龔雪婷.環(huán)境材料學對金屬熱處理發(fā)展的影響探討[C]//《科技與企業(yè)》編輯部，經(jīng)濟生活：2012商會經(jīng)濟研討會論文集（上），2012.

[4]彭天成.金屬材料熱處理變形的影響因素與控制策略[J].冶金與材料，2018（1）：44，46.

[5]吳江濤，潘海宏，王云龍，等.金屬材料熱處理變形的影響因素與控制策略[J].世界有色金屬，2017（19）：236，238.