金屬材料熱處理技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢

摘 要：【目的】深入分析金屬材料熱處理技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢，為不同金屬材料熱處理技術(shù)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。【方法】通過搜索相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，對金屬材料熱處理技術(shù)的研究進(jìn)行歸納整理，綜述技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展趨勢?！窘Y(jié)果】金屬材料熱處理技術(shù)能夠改善金屬表面分子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)其耐磨、耐腐蝕、強(qiáng)度與硬度等性能。在加熱、冷卻工序中能夠進(jìn)一步優(yōu)化金屬材料制品的性能?！窘Y(jié)論】金屬材料應(yīng)用較為廣泛，其處理技術(shù)呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢，其中智能、環(huán)保、高效將成為未來發(fā)展的主流趨勢。

關(guān)鍵詞：金屬材料；熱處理技術(shù)；應(yīng)用；發(fā)展趨勢

中圖分類號：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）18-0086-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.016

Application and Development Trend of Heat Treatment Technology for Metal Materials

DONG Guoping

（Avic Xi'An Aircraft Industry Group Company Ltd.， Xi'an 710089， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to analyze the application and control requirements of heat treatment technology of metal materials and provide useful experience for different heat treatment technologies of metal materials. [Methods] The research on heat treatment technology of metal materials was summarized searching related literature and combining technical experience， and the application and development trend of technology were reviewed. [Findings] The heat treatment technology of metal materials can improve the surface and internal structure of metal， enhance its wear resistance， corrosion resistance， ductility， strength and hardness， and further optimize the performance and process beauty of metal materials products in the technical treatment process of heating and cooling. [Conclusions] Metal materials are widely used. The heat treatment technology of metal materials shows a diversified development trend， and the application of environmental protection， intelligence and high efficiency will become the mainstream trend.

Keywords： metal materials; heat treatment technology; application; development trend

0 引言

金屬材料主要是由金屬元素構(gòu)成的，具有金屬特性，對于制造行業(yè)發(fā)展具有重要作用。金屬材料具有導(dǎo)電性、光與熱傳遞性，以及延展性等特性，這些特性使其在不同行業(yè)具有相應(yīng)的應(yīng)用價值。當(dāng)前，在交通、建筑、電子、航空、汽車、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域，金屬材料都得到了廣泛應(yīng)用。

金屬材料多以單質(zhì)的形式存在，必須通過深度加工處理才能進(jìn)一步滿足工業(yè)的應(yīng)用需求。熱處理技術(shù)是對金屬材料實(shí)施基本性能改變的有效方式。通過熱處理技術(shù)改變金屬表面的分子結(jié)構(gòu)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)金屬的整體性能［1］，從而提升金屬材料的耐磨、抗腐蝕等性能［2］。隨著時代的發(fā)展，金屬材料應(yīng)用也將更為廣泛，智能化是其未來的發(fā)展方向。

1 金屬材料熱處理技術(shù)應(yīng)用的必要性

熱處理技術(shù)可以改善金屬材料的部分性能，使得金屬材料在強(qiáng)度、硬度、耐磨度、耐腐蝕性等方面都有所改善，從而增強(qiáng)材料的延展性和使用穩(wěn)定性［3］。目前，通過熱處理技術(shù)對結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行的改變與提升，主要表現(xiàn)在以下兩方面。

一是改善金屬的材料性能。一方面熱處理技術(shù)能夠改善金屬材料的力學(xué)性能和耐磨性能。例如，通過淬火的方式能夠較大程度上增強(qiáng)材料的強(qiáng)度與硬度，而通過退火處理可以進(jìn)一步提升材料延展性，使得材料在外力的作用下增強(qiáng)力學(xué)性能。另一方面熱處理技術(shù)能提升金屬材料的抗腐蝕性能。通過熱處理技術(shù)使得金屬材料表面形成化合物層，以應(yīng)對惡劣環(huán)境下的工作需求，提升金屬材料的使用效果。

二是優(yōu)化金屬的材料結(jié)構(gòu)。在金屬加工的過程中，各類材料由于自身的性能往往會出現(xiàn)開裂或變形的情況，而熱處理技術(shù)能夠使金屬材料內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，提升材料的結(jié)構(gòu)抗性。

2 金屬材料熱處理技術(shù)工序

金屬材料熱處理技術(shù)是將金屬材料在相應(yīng)的高溫環(huán)境下加熱一段時間后，再用不同的介質(zhì)進(jìn)行冷卻，從而改善其表面性能的。金屬材料熱處理工序往往分為兩個步驟：一是加熱工序，這一階段主要進(jìn)行加熱處理，通過不同的熱處理技術(shù)來滿足技術(shù)或工藝的要求，往往通過化學(xué)熱處理、表面熱處理等方式進(jìn)行；二是冷卻工序，在冷卻處理過程中要注重各種材料對于冷卻的要求，從而達(dá)到材料處理的最佳效果。

2.1 加熱

加熱是金屬材料熱處理技術(shù)中的關(guān)鍵步驟，也是增強(qiáng)金屬材料熱處理技術(shù)質(zhì)量保障的必要環(huán)節(jié)［4］。在這一過程中主要是通過熱源的選擇，以增強(qiáng)技術(shù)材料的加熱效果，其目的是使金屬零部件能夠均勻受熱，以滿足不同金屬制品的工藝制作需求，可以進(jìn)行直接加熱，也可以實(shí)施間接加熱。加熱過程中對于溫度的控制十分重要。對于不同的零部件考慮其溫度的特定性，一旦達(dá)到相應(yīng)的溫度，必須使材料內(nèi)外部受熱保持一致，并在相應(yīng)的時間內(nèi)達(dá)到恒溫，才能保證技術(shù)處理的穩(wěn)定性。在熱處理過程中還要注重金屬材料與空氣的接觸是否會影響材料表面的性能，如果極易發(fā)生氧化等問題，還必須對加熱的表面進(jìn)行處理避免其氧化，導(dǎo)致金屬材料性能發(fā)生較大的變化。

2.2 冷卻

冷卻是金屬材料進(jìn)行處理過程中不可或缺的工序［5］。在冷卻處理中要注意控制其速度和時間。正如加熱工藝處理具有差異性，冷卻處理工藝同樣存在差異性。例如，淬火冷卻需要速度較快，正火冷卻次之，退火冷卻則要求速度較慢。因此，針對每一種不同的冷卻工藝，都應(yīng)明確既定的標(biāo)準(zhǔn)和要求，確保達(dá)到應(yīng)有的效果。

3 金屬材料熱處理技術(shù)的應(yīng)用

3.1 激光熱處理技術(shù)

激光熱處理技術(shù)金屬材料處理過程中常見的應(yīng)用技術(shù)，其原理是利用激光對金屬材料進(jìn)行加熱。由于該技術(shù)穿透性強(qiáng)，在加熱的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)由里到外的均勻加熱且不會因受到外界的高溫壓迫而出現(xiàn)斷裂、變形等情況，有助于增強(qiáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密性，應(yīng)用效果較好。但在激光熱處理技術(shù)的實(shí)踐過程中需注重激光處理對金屬材料的溫度控制。激光處理技術(shù)就其整體的工藝流程而言，無須投入過多的設(shè)備資源，能夠減輕環(huán)境污染，節(jié)能效果較好，在未來的發(fā)展中應(yīng)用前景良好。

3.2 超硬涂層處理技術(shù)

超硬涂層處理技術(shù)處理的目的是增強(qiáng)金屬制品的耐磨性。當(dāng)金屬零部件與外界存在較大的接觸性摩擦，為增強(qiáng)這類零部件的耐磨能力，而又要求不影響零部件的其他性能時，該技術(shù)較為適用。超硬涂層處理技術(shù)需要依據(jù)不同的使用環(huán)境或摩擦參數(shù)進(jìn)行靈活選擇，以進(jìn)一步延長金屬材料在制成零部件后的使用壽命。例如，金屬刀具的制作中，往往需要通過超硬涂層技術(shù)來增強(qiáng)刀具的硬度，但同時要保證涂層的熱傳遞低于金屬材料的，從而提升刀具的產(chǎn)品性能。

3.3 化學(xué)滲透技術(shù)

化學(xué)滲透技術(shù)是通過化學(xué)方式改變金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的處理技術(shù)。對金屬材料薄層添加化學(xué)藥劑，并通過滲透的方式使得化學(xué)藥劑滲入金屬表面，與金屬表面進(jìn)行相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)，并通過熱處理的方式加快化學(xué)反應(yīng)，以此提升整體的反應(yīng)效率，并生成有效的保護(hù)層，增強(qiáng)材料的耐性或延展性。該技術(shù)操作便捷，而且對化學(xué)滲透的溫度、時間沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，可以依據(jù)自身的需求進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)處理?；瘜W(xué)滲透技術(shù)能夠快速改變金屬材料性能，且成本相對較低，也能夠滿足節(jié)能減排的要求，未來發(fā)展中該技術(shù)仍舊是金屬材料處理的主要技術(shù)之一。

3.4 真空熱處理技術(shù)

真空熱處理技術(shù)是通過真空的方式進(jìn)行加熱的一種技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢在于隔絕了空氣，有效避免了金屬材料的氧化問題，金屬材料在加熱過程中表面不存在受氧化而產(chǎn)生質(zhì)量問題的情況。真空熱處理技術(shù)的技術(shù)亮點(diǎn)主要表現(xiàn)以下方面：①真空環(huán)境有效保證了技術(shù)操作的穩(wěn)定性，同時真空環(huán)境能夠?qū)崿F(xiàn)表面的有效清潔，有助于加熱環(huán)境下各類雜質(zhì)的分解和材料純度的提升；②該技術(shù)有效地降低了由于氧化作用而產(chǎn)生的各類廢氣，是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)的有效方式；③由于技術(shù)過程在真空環(huán)境中，各類數(shù)據(jù)參數(shù)能夠得到精細(xì)化控制，滿足材料熱處理過程中的精度需求。當(dāng)前，該技術(shù)在電子制造、汽車生產(chǎn)、航空航天等不同領(lǐng)域中占據(jù)了絕對的優(yōu)勢。另外，通過該技術(shù)處理的金屬材料制成的成品在耐性和抗性上都得到了較大的提升，為產(chǎn)品的升級改造提升更多的可能性。在未來的發(fā)展中，該技術(shù)將會不斷突破與創(chuàng)新，是綠色工業(yè)發(fā)展中可選擇的熱處理技術(shù)之一。

4 金屬材料熱處理技術(shù)的應(yīng)用控制要求

4.1 注重預(yù)處理方案的可行性論證

金屬材料熱處理技術(shù)中最主要的控制要求就是要注意變形問題［6］。針對不同的處理方案加以分析，選擇降低變形概率的技術(shù)方法，尤其是在選擇加熱、冷卻的工藝中，要選擇有效的方式來降低材料的變形問題。例如，在相應(yīng)的材料冷卻過程中發(fā)現(xiàn)，正火處理能夠讓金屬材料的結(jié)構(gòu)內(nèi)部保持更好的均勻性，那么就要考慮通過正火冷卻的可行性。要在實(shí)施熱處理技術(shù)的過程中進(jìn)行預(yù)處理，通過預(yù)處理判斷應(yīng)選擇哪一種標(biāo)準(zhǔn)的工序來進(jìn)行操作，并對熱處理技術(shù)中的各類參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，判斷選擇方案成效和可行性。預(yù)處理方案的目的是對比熱處理技術(shù)過程中各類方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從而選擇最佳的技術(shù)方案，使得金屬材料熱處理效果達(dá)到最佳，對變形等問題能夠起到較好的預(yù)防效果。

4.2 把握技術(shù)處理的工藝細(xì)節(jié)

金屬材料熱處理技術(shù)的效果得以保證的關(guān)鍵在于對整體的工序進(jìn)行精準(zhǔn)的控制與把握，確保材料處理的技術(shù)所反饋的數(shù)據(jù)能夠滿足應(yīng)用的條件。由于熱處理技術(shù)往往處于成品制成的關(guān)鍵階段，如果技術(shù)選擇不到位，對成品的制作會產(chǎn)生較大的影響。因此，在熱處理技術(shù)應(yīng)用中必須注重工藝流程的精準(zhǔn)性。尤其是對材料產(chǎn)生變形、裂縫、內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等的因素都要進(jìn)行有效地排除。在工藝過程進(jìn)行批量化生產(chǎn)之前必須進(jìn)行小規(guī)模的工藝試驗(yàn)，明確出現(xiàn)變形等的問題的原因，并針對各類問題提出有效的解決方案，才能夠進(jìn)行最終的批量化生產(chǎn)。對金屬材料產(chǎn)生的脆性進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化對比，能夠提升材料的可延展性，讓整體的技術(shù)處理過程更加科學(xué)、可控。只有把握工藝過程的各個細(xì)節(jié)，降低各類因素帶來的質(zhì)量問題，才能最終提升技術(shù)處理的效果。

5 金屬材料熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢

金屬材料熱處理技發(fā)展呈現(xiàn)多元化的趨勢，其中環(huán)保、智能、高效等將成為未來發(fā)展的主流趨勢，這也進(jìn)一步指明了材料生產(chǎn)性能穩(wěn)定、降低環(huán)境污染和降低生產(chǎn)成本的發(fā)展方向。

首先，自動化發(fā)展趨勢。隨著科技的快速發(fā)展，熱處理技術(shù)呈現(xiàn)智能化、自動化的發(fā)展趨勢。通過運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)的模擬分析對整體的流程進(jìn)行優(yōu)化，同時對工藝的便捷性和應(yīng)用價值進(jìn)行深入的分析。目前來看，已經(jīng)形成了以CAD（計算機(jī)輔助診斷）技術(shù)為主的熱處理智能化技術(shù)，對于材料處理技術(shù)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行計算與分析，模擬金屬表面、內(nèi)部各類數(shù)據(jù)參數(shù)，并將數(shù)據(jù)通過計算機(jī)進(jìn)行回傳并建立三維模型。技術(shù)人員可以結(jié)合計算機(jī)回傳的相應(yīng)參數(shù)來進(jìn)行分析，進(jìn)一步避免了人為的因素干擾，能夠更有效地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，通過數(shù)據(jù)對比得到最佳的技術(shù)處理方案。同時，在自動化、智能化的處理過程中有效降低了人力、物力成本。

其次，高效化發(fā)展趨勢。為進(jìn)一步增強(qiáng)市場的競爭力、滿足不同行業(yè)的市場需求，金屬材料熱處理技術(shù)向著批量化、高效化的方向發(fā)展。通過引入先進(jìn)的熱處理設(shè)備，不斷優(yōu)化各類處理工藝和分析處理數(shù)據(jù)能力，使熱處理向著高效化方向發(fā)展，提升整體的熱處理技術(shù)的處理效率，降低處理時間與周期。能夠?qū)囟?、冷卻速度和處理時間等參數(shù)進(jìn)行精確控制，提升材料性能的準(zhǔn)確性，降低由于材料性能控制不準(zhǔn)確帶來的能源消耗。例如，通過激光加熱、感應(yīng)加熱等這類技術(shù)能夠使得加熱過程更穩(wěn)定，能源消耗相對較低，提升了材料熱處理技術(shù)的工作效率。

最后，環(huán)保發(fā)展趨勢。隨著國家對節(jié)能減排的不斷重視，各個行業(yè)都在尋求低排放的生產(chǎn)過程。金屬材料熱處理技術(shù)也要向著低能耗的方向發(fā)展，才能夠滿足時代的技術(shù)更新需求。新型的熱處理技術(shù)必須考慮節(jié)能，這也會成為未來的主攻方向。金屬材料熱處理技術(shù)的節(jié)能減排，不僅體現(xiàn)在技術(shù)的節(jié)能性上，而且也要體現(xiàn)在使用的技術(shù)處理上，材料具有環(huán)保的節(jié)能特征上。例如，采用真空技術(shù)，這類技術(shù)具有提升材料耐度的特征，技術(shù)過程中往往會采用環(huán)保型淬火介質(zhì)，這不僅增強(qiáng)了技術(shù)的節(jié)能效果，而且也提升了使用材料的綠色環(huán)保性，此外，材料的回收利用或循環(huán)使用是未來熱處理技術(shù)向著環(huán)保方向發(fā)展的實(shí)踐路徑。

6 結(jié)語

在工業(yè)的發(fā)展過程中，金屬材料需求不斷增加，金屬材料熱處理技術(shù)也受到了廣泛應(yīng)用。為增強(qiáng)金屬材料的性能穩(wěn)定性，提升性能的延展性、耐性、硬度等要求，需要依照不同的工藝要求來開展相應(yīng)熱處理技術(shù)，達(dá)到工業(yè)發(fā)展的整體需求，同時還要響應(yīng)國家的能源政策，達(dá)到節(jié)能減排的目的。金屬材料熱處理技術(shù)的應(yīng)用和未來的發(fā)展勢必要在達(dá)到金屬材料處理的技術(shù)效果的同時，還能夠達(dá)到節(jié)約成本、節(jié)約能源的要求，只有這樣才能夠進(jìn)一步增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用的廣泛性。

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