金屬材料熱處理技術(shù)及其發(fā)展要素探索

陳建麗

廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 機(jī)器人學(xué)院 廣東 珠海 519090

在機(jī)械制造領(lǐng)域中,對(duì)于金屬材料的選擇以及金屬材料的加工技術(shù)都十分重要,直接決定了工件的質(zhì)量,同時(shí)也代表了一個(gè)企業(yè)的技術(shù)水平。因此,相關(guān)研發(fā)人員一定要跟隨科技發(fā)展腳步,結(jié)合當(dāng)下發(fā)展現(xiàn)狀,根據(jù)實(shí)際情況,發(fā)現(xiàn)熱處理技術(shù)的不足,進(jìn)一步優(yōu)化改良金屬材料熱處理技術(shù),降低能源損耗,提升行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)我國(guó)熱處理行業(yè)發(fā)展未來(lái)的發(fā)展。

一、金屬材料概述

（一）金屬材料種類

1.多孔類金屬材料

多孔類金屬材料的特點(diǎn)是,耐高溫、可滲透、抗腐蝕性較強(qiáng),穩(wěn)定性高,通常被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造過(guò)程中。根據(jù)其可滲透性,多孔類金屬材料經(jīng)常被用于制造過(guò)濾產(chǎn)品,比如空氣凈化器等過(guò)濾設(shè)備,過(guò)濾效果非常好。其過(guò)濾原理是:分解物質(zhì)中的固體組成部分,有效分離物質(zhì)中的氣體和液體。除此之外,多孔類金屬材料還被應(yīng)用于電池制造過(guò)程中,用此類金屬材料制造的電池穩(wěn)定性高,且耗能少,可以有效節(jié)能,保障企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[1]。

2.納米類金屬材料

除了多孔類金屬材料,納米類金屬材料也被廣泛應(yīng)用。納米類金屬材料由特殊材料組成,具有特殊的物理學(xué)效用,尤其是復(fù)合類納米金屬材料,其自身質(zhì)地較硬,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定扎實(shí),還具有良好的耐磨性,被廣泛應(yīng)用于防護(hù)制造領(lǐng)域,如防護(hù)涂層制造等。除此之外,其他類型的納米金屬會(huì)被用于機(jī)械生產(chǎn),通過(guò)對(duì)其再次處理,深加工后的納米金屬材料使用壽命較長(zhǎng),使用效果極佳。特別是電沉積類的納米金屬材料,由于其在內(nèi)部直徑增長(zhǎng)過(guò)程中可以釋放溶質(zhì),起到加固作用,因此,用此類材料制造的機(jī)械產(chǎn)品更加結(jié)實(shí)耐用,被大量投入生產(chǎn),用以完善安全防護(hù)用具的制造。

（二）金屬材料的工藝性能

1.可鑄性

金屬材料可以經(jīng)過(guò)鑄造形成合格鑄件的性能即為可鑄性,主要包括:流動(dòng)性、收縮性及偏析。流動(dòng)性指液態(tài)金屬充滿鑄模的能力,收縮性是鑄件在凝固過(guò)程中收縮體積的程度,偏析指金屬在進(jìn)行冷卻凝固時(shí),由于結(jié)晶造成的前后差異,導(dǎo)致金屬內(nèi)部成份組織不均勻的性能。

2.可鍛性

金屬的可鍛性指的是,金屬材料加壓時(shí),隨著形狀的改變卻不會(huì)產(chǎn)生裂紋的能力,主要包括:錘鍛、軋制、擠壓等。金屬材料的化學(xué)成分組成決定了其可鍛性的好壞[2]。

3.可切削性

金屬的可切削性是指,使用刀具對(duì)金屬切削加工成合格工件的難易程度,判斷可切削性好壞的方式有:看加工后的金屬材料表面的粗糙程度、看刀具的磨損程度、看切削過(guò)程的速度快慢等。通常情況下,金屬材料質(zhì)地較硬或韌性較強(qiáng)都很難進(jìn)行切削[3]。

4.可焊性

金屬的可焊性指金屬材料對(duì)于焊接加工的適應(yīng)程度,主要包括:結(jié)合性能和使用性能兩個(gè)方面。結(jié)合性能就是在一定焊接條件下,金屬材料形成的焊接缺陷的敏感性。而使用性能是在同條件下,金屬焊接接頭對(duì)于使用要求的適應(yīng)能力。

5.熱處理工藝性

金屬的熱處理工藝性是指,通過(guò)對(duì)金屬材料的加熱、保溫和冷卻,使金屬的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,以此來(lái)控制材料性能的工藝。金屬材料中,含有錳、鉻、鎳等元素的合金具有良好的鋼淬透性。

二、熱處理技術(shù)概述

（一）熱處理技術(shù)種類

根據(jù)熱處理技術(shù)升溫、降溫的差異性,可以將其分為一般熱處理和外表熱處理、他種熱處理幾類。一般熱處理主要包括:淬火、正火、回火、退火等;外表熱處理主要包括:外表淬火、滲氮熱處理等;他種熱處理主要包括:真空處理、激光熱處理等。雖然熱處理技術(shù)種類繁多,但是其主要環(huán)節(jié)都分為加熱、保溫、降溫三個(gè)方面[4]。

（二）金屬材料熱處理技術(shù)

1.切削

金屬材料的切削技術(shù),對(duì)于后期產(chǎn)品的檔次起到了優(yōu)化作用。對(duì)金屬材料進(jìn)行切削時(shí),根據(jù)加工材料、所處環(huán)境和切削設(shè)備的不同,金屬材料的形狀也會(huì)有所不同。切削前要先對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理,被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品工具的制造中,完成材料的切削,使其達(dá)到預(yù)期效果,防止金屬材料形狀發(fā)生太大的變化。

2.斷裂韌性

斷裂韌性可以用于衡量韌性好壞,代表了材料的抗斷裂能力。在金屬材料中自身存在很多微裂紋,這些微裂紋很容易受外力作用后發(fā)生擴(kuò)展,導(dǎo)致金屬材料斷裂。因此,錯(cuò)開金屬晶體內(nèi)部位置,減少錯(cuò)位的數(shù)量,就可以有效避免材料出現(xiàn)裂縫,使材料更加堅(jiān)硬。為了更好地塑造金屬材料的韌性,可以強(qiáng)化晶體硬度,有效控制錯(cuò)位現(xiàn)象的發(fā)生。與此同時(shí),對(duì)材料進(jìn)行熱處理時(shí),需要控制好溫度,溫度不夠或缺少應(yīng)力,都會(huì)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料錯(cuò)位的控制。由此看來(lái),適宜的溫度,是使金屬熱處理技術(shù)成功的決定性因素。

3.抗腐蝕裂縫

除了金屬材料自身存在的微裂紋會(huì)使金屬產(chǎn)生裂縫外,在固定腐蝕和應(yīng)力等外界因素的影響下,金屬材料也會(huì)出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。通常情況下,產(chǎn)生剩余拉力是造成應(yīng)力腐蝕的主要原因。對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理后,先升溫后降溫,導(dǎo)致金屬材料的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)和功能都產(chǎn)生較大變化,應(yīng)將工件中的應(yīng)力減少至零[5]。

三、金屬材料熱處理技術(shù)當(dāng)前存在的問(wèn)題

（一）缺乏高級(jí)技術(shù)專業(yè)人才

由于工作環(huán)境復(fù)雜和工作性質(zhì)的特殊性,在我國(guó),從事于金屬材料熱處理技術(shù)的高級(jí)技術(shù)人才非常少。隨著科技的發(fā)展,對(duì)于高科技創(chuàng)新型人才的需求也越來(lái)越大,結(jié)合我國(guó)行業(yè)現(xiàn)狀來(lái)看,大多數(shù)從事于金屬材料熱處理工作的人員,專業(yè)水平普遍偏低,整體創(chuàng)新能力不夠。由此看來(lái),引進(jìn)高級(jí)技術(shù)專業(yè)人才,對(duì)于我國(guó)金屬材料熱處理技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

（二）沒(méi)有全面貫徹落實(shí)可持續(xù)發(fā)展理念

在進(jìn)行金屬材料熱處理的過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生大量的能源損耗,占據(jù)國(guó)家資源消耗總量的大部分比例,大大增加了成本造成企業(yè)負(fù)擔(dān)。結(jié)合目前我國(guó)金屬熱處理行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,不難看出隨著企業(yè)規(guī)模和數(shù)量的擴(kuò)大,能源損耗也越來(lái)越大。因此,為了全面貫徹國(guó)家倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展理念,需要加大熱處理技術(shù)創(chuàng)新力度,滿足國(guó)家節(jié)能環(huán)保的具體要求。企業(yè)采取一定措施,提高金屬材料利用率,節(jié)約生產(chǎn)成本,減少對(duì)環(huán)境的污染。

（三）熱處理設(shè)備落后、工藝水平偏低

雖然我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展進(jìn)程飛快,但在金屬材料熱處理方面,仍然存在熱處理設(shè)備落后和整體工藝技術(shù)水平偏低的問(wèn)題。相關(guān)技術(shù)還不夠成熟,企業(yè)投入資金不夠?qū)е略O(shè)備不先進(jìn),導(dǎo)致制造工件質(zhì)量不穩(wěn)定,還會(huì)造成資源的大量浪費(fèi),對(duì)環(huán)境也帶來(lái)大程度的污染[6]。

四、金屬材料熱處理技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）大力發(fā)展多參數(shù)熱處理和復(fù)合熱處理工藝

照目前情況來(lái)看,以往傳統(tǒng)的熱處理方式過(guò)于單一,已經(jīng)無(wú)法滿足我國(guó)未來(lái)金屬材料熱處理行業(yè)的發(fā)展需求,基于此可以大力發(fā)展多參數(shù)和復(fù)合熱處理工藝。

1.多參數(shù)熱處理

（1）真空熱處理:主要有無(wú)氧化、無(wú)脫碳、變形小、無(wú)污染、適用范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn),作為新型熱處理技術(shù),在近幾年來(lái)發(fā)展迅速,且在未來(lái)有良好的發(fā)展前景。對(duì)金屬材料進(jìn)行真空熱處理,可以提升工模具和材料結(jié)構(gòu)的使用壽命,主要適用于處理一些精密零件。

（2）化學(xué)熱處理:諸如滲碳、碳氮共滲和碳氮硼共滲等化學(xué)熱處理過(guò)程,分別屬于附加單成分、雙成分和三成分的多參數(shù)熱處理。除此之外還有很多正在發(fā)展中的新型化學(xué)熱處理,比如前文所提到的真空熱處理,可以較大程度提升工件成品的耐磨性和耐腐蝕性。

2.復(fù)合熱處理

復(fù)合熱處理指將多種熱處理工藝和加工工藝復(fù)合,從而達(dá)成多種工藝處理下的綜合效果,制造多種性能良好的最優(yōu)工件,并提高生產(chǎn)效率,節(jié)約能源。

（二）采用新型加熱源和加熱方式

當(dāng)前的新型加熱源中,高能率熱源發(fā)展前景較好。高能率熱源主要包括激光束、電子束、等離子體電弧等,雖然前景可觀,但高能率熱處理設(shè)備價(jià)格非常昂貴,所以暫時(shí)還未被大量投入使用中[7]。

（三）采用新型淬火介質(zhì)、改進(jìn)淬火方法

當(dāng)下新型淬火介質(zhì)主要包括無(wú)機(jī)物水溶液和有機(jī)聚合物淬火劑,有機(jī)聚合物淬火劑具有無(wú)煙、無(wú)臭、無(wú)毒、耐腐蝕、冷卻性能好等多個(gè)優(yōu)點(diǎn),可以有效減少工件因淬火發(fā)生變形、開裂等現(xiàn)象,可以提高工件的質(zhì)量,且符合國(guó)家節(jié)能理念,適用于水淬開裂、變形較大的一些工作,可以說(shuō)有機(jī)聚合物淬火劑甚至?xí)u漸取代淬火油。

若想達(dá)到最好的淬火效果,還應(yīng)該對(duì)現(xiàn)有淬火技術(shù)不斷進(jìn)行改良優(yōu)化,且引進(jìn)新技術(shù)、新方法,比如:高壓冷淬火法、強(qiáng)烈淬火法、熱油淬火法等等,這些新型淬火技術(shù)可以有效加強(qiáng)淬火介質(zhì)的冷卻性,達(dá)到最佳淬硬效果,有效減少工件在淬火過(guò)程中的變形和開裂現(xiàn)象。

（四）研發(fā)新型熱處理設(shè)備

對(duì)于熱處理工藝來(lái)說(shuō),先進(jìn)的熱處理設(shè)備可以為工藝打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),甚至可以當(dāng)作判斷熱處理水平好壞的依據(jù)。在進(jìn)行新型熱處理設(shè)備研發(fā)過(guò)程,各處細(xì)節(jié)要充分結(jié)合熱處理工藝,盡可能滿足當(dāng)下熱處理工作需求,提高熱處理爐的生產(chǎn)性能,貫徹國(guó)家節(jié)能發(fā)展理念,提高生產(chǎn)效率,減少生產(chǎn)成本[8]。與此同時(shí),設(shè)計(jì)研發(fā)熱處理爐時(shí),要按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)多個(gè)品種、多個(gè)規(guī)格的熱處理爐型,還要設(shè)立溫度均勻性指標(biāo)和氣氛均勻性指標(biāo),全面提升我國(guó)生產(chǎn)工件的精確性,為國(guó)產(chǎn)元器件的質(zhì)量提供保障,提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)我國(guó)熱處理行業(yè)發(fā)展未來(lái)的發(fā)展。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,金屬材料具有硬度大、韌性高、數(shù)量豐富等多個(gè)優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。而隨著當(dāng)前我國(guó)科技水平的進(jìn)步,金屬材料熱處理工藝水平也隨之提升,但為了更好發(fā)揮作用,相關(guān)工作人員應(yīng)結(jié)合當(dāng)下發(fā)展現(xiàn)狀,根據(jù)實(shí)際情況,發(fā)現(xiàn)熱處理技術(shù)的不足,進(jìn)一步優(yōu)化改良金屬材料熱處理技術(shù),降低能源損耗,提升行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)我國(guó)熱處理行業(yè)發(fā)展未來(lái)的發(fā)展。