金屬材料熱處理工藝研究進(jìn)展

王海濤，宮 文

（佳木斯大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000）

1 金屬材料分類

1.1 黑色金屬

黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括雜質(zhì)總含量小于0.2%及含碳量不超過0.0218%的工業(yè)純鐵，含碳量在0.0218%～2.11%的鋼，含碳量大于2.11%的鑄鐵。鐵在地殼中的分布比較集中，儲(chǔ)量比較豐富，適用于大量開采和大規(guī)模冶煉，故其在所有工業(yè)金屬中的價(jià)格最低廉，產(chǎn)量也最多。制成的鋼和鑄鐵經(jīng)不同處理后，可獲得適應(yīng)各種用途所要求的性能材料，因此成為工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的金屬材料，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極重要的地位。所以鋼鐵材料在也是目前研究熱點(diǎn)比較高的材料之一。

1.2 有色金屬

如圖1，有色金屬是指除鐵、鉻、錳三種金屬元素以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等，有色合金的強(qiáng)度和硬度一般比純金屬高，并且有色金屬擁有電阻大、電阻溫度系數(shù)小等特點(diǎn)。有色金屬是國民經(jīng)濟(jì)、人民日常生活及國防工業(yè)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展中必不可少的基礎(chǔ)性材料和重要的國家戰(zhàn)略性物資。農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、工業(yè)現(xiàn)代化、國防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化都離不開有色金屬的應(yīng)用。世界上許多國家，尤其是工業(yè)發(fā)達(dá)國家，都大力發(fā)展有色金屬工業(yè)，增加本國有色金屬的戰(zhàn)略儲(chǔ)備。我國作為有色金屬生產(chǎn)第一大國，我國在有色金屬研究領(lǐng)域，特別是在復(fù)雜低品位的有色金屬資源的開發(fā)和利用上取得了長足進(jìn)展。

圖1 有色金屬

1.3 特種金屬

特殊金屬材料是指具有特殊性能的金屬材料，是通過特殊成型方法或通過成分設(shè)計(jì)制成的。如非晶態(tài)金屬就是將熔融金屬或合金通過特殊裝置，具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)磁性、高耐腐蝕性的金屬材料。如高溫合金是通過成分設(shè)計(jì)得到的耐熱性優(yōu)良的金屬材料，包括鐵基奧氏體耐熱鋼、鎳基合金、鈷基合金等。

2 兩種金屬材料性能與熱處理工藝的關(guān)系分析

2.1 金屬材料耐久性與熱處理的關(guān)系

工業(yè)在使用金屬材料應(yīng)用過程中，需要對(duì)金屬材料的形狀進(jìn)行一定的加工。金屬材料在外力的作用下或者脫離腐蝕性環(huán)境，這些因素都會(huì)對(duì)金屬材料的性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。工業(yè)上為了保證金屬材料的安全性和穩(wěn)定性，很有必要研究金屬材料熱處理與耐久性的相關(guān)關(guān)系。在實(shí)踐中在熱處理過程中，金屬材料的耐久性會(huì)影響熱處理的應(yīng)力。因此，只有降低應(yīng)力的不利影響，才能充分利用金屬材料物質(zhì)的價(jià)值。目前全球金屬是使用量不斷增加，提高技術(shù)減少金屬材料在加工工程中的浪費(fèi)是非常有必要的，在金屬材料耐久性和熱處理的研究領(lǐng)域，我國在這些方面取得了長足的進(jìn)步，并且在金屬材料的實(shí)際應(yīng)用上也開始不斷完善工藝標(biāo)準(zhǔn)和加工技術(shù)。

2.2 材料切割與熱處理的關(guān)系

工業(yè)上在金屬材料的加工過程中，切削加工也是一個(gè)必不可少的過程。為了做好切削加工，必須選擇科學(xué)的刀具進(jìn)行加工。在切割過程中由于金屬材料的材料種類不同，發(fā)生的相對(duì)變形也會(huì)不同。材料變形越嚴(yán)重，在材料的整個(gè)切割過程中就會(huì)越困難。因此在切割過程中，必須處理好切削加工與熱處理之間的關(guān)系。具體來說，預(yù)處理可以有效減少刀具和金屬的磨損以及材料間摩擦引起的粘附問題，從而不斷提高切割的精度和效率。預(yù)加工可以在一定程度上使工件表面粗糙度得到改善，為精加工做好準(zhǔn)備。在工業(yè)上對(duì)金屬材料的切削有一定的國家標(biāo)準(zhǔn)，在不同材料，加工精度，加工形狀不同時(shí)，選用的刀具就不同，刀具的角度也會(huì)不同。

2.3 金屬材料疲勞與熱處理的關(guān)系

工業(yè)上在金屬材料加工過程中，科學(xué)的熱處理與精確的加工手段相結(jié)合，可以大大提高工件的加工效率。但在實(shí)際加工處理過程中，如果在短時(shí)間內(nèi)對(duì)材料進(jìn)行預(yù)處理和冷卻，被加工工件就會(huì)很容易破碎。加工人員為了更好地準(zhǔn)備相關(guān)工作，我們需要對(duì)被加工工件整個(gè)的切割過程進(jìn)行控制，從而提高金屬材料的抗疲勞性能。在金屬材料的熱處理中，采用了不同的加熱或冷卻方法,這說明不同金屬材料的變形是不同的。這就要求加工人員根據(jù)零件加工的實(shí)際情況選擇合適的夾具,熱處理工程中控制熱應(yīng)力和材料變形的緊固方法和加工工具。變形可以控制在合理的范圍內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)零件通過調(diào)整夾緊方式，提高金屬材料的熱處理質(zhì)量。

3 金屬材料熱處理工藝與技術(shù)

3.1 化學(xué)薄層滲透技術(shù)

通過化學(xué)方法處理可以提高金屬材料的強(qiáng)度和韌性并在一定程度上對(duì)其表面進(jìn)行改性，使其具有一定的特殊性能，從而降低材料加工的成本?；瘜W(xué)薄層滲透技術(shù)屬于材料在材料加工中較為常見的方法之一，該方法可以減少金屬利用從而帶來的污染，改方法簡化了操作過程，降低生產(chǎn)成本，從而不斷提高金屬的質(zhì)量。給金屬材料加工帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 激光熱處理技術(shù)

如圖2，激光具有良好的穿透性。利用這一優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)金屬材料進(jìn)行相應(yīng)的熱處理，以提高金屬的性能。激光具有精度高，使用簡單等特點(diǎn)，但在激光處理工程中會(huì)帶來高熱，從而是金屬發(fā)生一定的形變，激光熱處理技術(shù)對(duì)電能消耗巨大，且不利于大規(guī)模加工使用。

圖2 工業(yè)上激光熱處理設(shè)備

3.3 超硬涂層技術(shù)

超硬涂層技術(shù)是金屬材料加工中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。具體來說，就是通過對(duì)金屬材料表面進(jìn)行熱處理加工，將超硬涂層技術(shù)應(yīng)用于金屬材料的加工過程當(dāng)中。在超硬涂層的幫助下，可以提高金屬材料的強(qiáng)度和表面硬度。在碳化金屬、氧化金屬等的加工過程中特殊涂層能起到很好的作用。

3.4 振動(dòng)處理技術(shù)

該技術(shù)能有效避免金屬材料在加工過程中發(fā)生的金屬變形，并在加工前及時(shí)控制金屬材料的內(nèi)應(yīng)力，從而提高整個(gè)加工過程的加工質(zhì)量，這一加工過程是通過振動(dòng)加工完成的，所以這一加工工藝就是振動(dòng)加工工藝。通過一系列的加工，可以有效地提高金屬材料的穩(wěn)定性。另外，這種振動(dòng)處理技術(shù)可以有效地處理金屬材料，從而提高熱處理效果，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率

3.5 熱處理CAD技術(shù)

該技術(shù)主要利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、智能管理和CAD技術(shù)對(duì)金屬材料進(jìn)行模擬試驗(yàn)，可以在計(jì)算機(jī)模擬工程中發(fā)現(xiàn)材料具有的各種問改進(jìn)其材料配比，為開展現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)提前發(fā)現(xiàn)問題，改善工藝做準(zhǔn)備。計(jì)算機(jī)模擬中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用相應(yīng)的封端技術(shù)提高了材料的性能。