建筑钢结构金属材料热处理的研究

2013-12-02刘和国

中国建筑金属结构 2013年16期

刘和国

（中国五矿二十三冶建设集团公司，湖南长沙 410015）

在当今时代，技术与工艺都在不断进步，金属材料越来越广泛地被运用到生产生活中，其中一个很重要的运用领域就是建筑的钢结构。但是，在实际施工中，很多时候金属材料是不能直接使用的，需要在材料的基础上进行加工处理，才能运用到施工中，或者进入下一个加工阶段。在这些加工处理工序中，金属材料热处理是一个很重要的方面，在对金属的加工中运用广泛，并已经应用于生产活动。金属材料的热处理不仅对生产起着重要作用，同时也涉及到节能环保等诸多领域。所以，对建筑钢结构的金属材料的热处理，是很有研究价值与研究必要的。

1 建筑钢结构金属材料热处理

1.1 金属材料热处理的概念

金属材料热处理是指将金属制成的工件放入某种介质中，对其加热，直至适宜的温度，在保持这种温度一段时间以后，再以不同的速度置入不同的介质，对工件进行冷却。这样，金属材料表面或内部的显微组织结构就会发生改变，从而使金属工件表现出不同的性能。

1.2 金属材料热处理的分类及特点

金属材料热处理工艺根据处理方法的不同，大体可分为3类，分别是表面热处理、整体热处理和化学热处理。而每一类方法又在介质、温度和冷却方法上有所不同，因此可区分为若干小类。采用不同的热处理工艺对同一种金属进行加工，可以使金属材料呈现出不同的组织结构，进而有不同的性能。在建筑钢结构方面，钢铁的应用自然是最为广泛地，而钢铁的显微组织也最为复杂，相应的处理工艺的种类也最为繁多。

金属热处理与其他加工工艺相比，主要是通过改变材料的内部组织或表面的化学成分，对材料的性能进行改变，一般不会对工件的形状以及材料本身的化学成分造成改变。这样的处理能够改善工件的内在质量，因此具有其特殊性，需要严格监管。

1.3 金属材料热处理的加工过程

金属材料热处理工艺的过程一般包括加热、保温、冷却3个阶段，有时不需要保温。这些环节是环环相扣的。

加热在金属材料的热处理中是非常重要的工序之一，对金属材料进行加热的方法很多，最初的热源是煤和木柴，现代多采用气体和液体燃料。利用电力可以对加热进行准确的控制，并且不会产生环境污染。利用这些热源，可以直接对金属材料进行加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。

在对金属进行加热时，金属材料暴露在空气当中，很容易被空气氧化、脱碳（即钢铁零件表面碳含量降低）。这样的情况对金属材料热处理后的性能会造成不良影响。因此，金属材料应该在可控环境或保护环境中、熔融盐中和真空中加热，也可以用涂料或包装的方法进行保护加热。

加热时，对温度的控制是热处理工艺中极为关键的环节。对加热温度进行选择并加以控制，对保证热处理质量有着至关重要的意义。由于需要处理的金属材料不同、需要达到的加工目的不同，所需要的加工温度也有所不同。一般情况下，需要加热到一定的温度以上，以此获得性能的变化。由于性能的变化需要一定的时间，因此还需要将高温保持一定的时间，以此保证金属材料内外温度的一致，获得性能的完全转变，这段时间被称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。

在金属材料热处理的加工过程中，冷却也是必不可少的环节。冷却的方法有很多种，主要因工艺的不同而不同。在这一环节中，主要需控制的是冷却的速度。一般情况下，正火的冷却速度比较快，退火的冷却速度比较慢。材料本身的不同也对冷却速度有着不同的要求，这就需要在实际加工过程中进行有效的控制。

1.4 金属材料热处理对建筑钢结构的作用

建筑钢结构对部件性能的要求很严格，而且因部件不同、作用不同而有着不同的要求。因此，部件的性能需要得到严格的掌控。在这一点上，金属材料的热处理显得尤为重要。对不同材质进行不同的加工，可以满足建筑钢结构的大部分要求。

2 金属材料热处理节能新技术的发展研究

2.1 节能新技术的工艺特点

要想对一项新技术进行研究，我们首先需要知道的就是这项技术的特点，从而确定是否有必要研究这项工艺。金属的热处理与其他一般工艺相比，并不对材料的形状和成分造成较大的改变，而是从微观的角度改变金属材料或金属工件的内部细微结构，或是对金属材料或金属工件的表面进行改变，以实现要求达到的使用性能。在金属材料热处理的特点中，这一点是非常特别的。

在很多建筑物的钢结构中，金属材料或金属工件的形状与化学成分是不能改变的，但是却对金属材料或金属工件在力学与化学方面的性能有着非常高的要求。其中，钢铁就是一个很好的例子，钢铁的显微结构很复杂，但是在经过热处理的加工后，钢铁各方面的性能都能达到施工的要求标准。

2.2.1 热处理的主要污染物

任何工艺在实际的使用过程中，都很难或不可能达到尽善尽美，总会有着这样那样的小的瑕疵。这些瑕疵有的无伤大雅，有的则会造成严重的后果。在对金属材料和金属工件进行热处理的过程中，不可避免地会产生污染。这些污染物的表现形式有很多，处理的难度也各不相同。一般来说，在对金属进行热处理时，会产生空气污染、水污染、噪声污染和电磁污染等。其中，噪声污染和电磁污染很容易得到有效的处理和避免，可以安装噪声消除装置和电磁屏蔽装置。在金属热处理的工序中，淬火工序会产生有机物和化学物品都会产生不同程度的水污染或空气污染。加快金属材料热处理新技术的应用的同时，也必须注意在整个过程中所造成的环境污染。

2.2.2 我国金属材料热处理节能环保的现状

改革开放以来，我国各个领域的科学技术都得到了飞速的发展，我国的国民经济也一直在稳步提升。金属材料热处理在各个领域的应用越来越广泛，其优越的性能控制在生产生活当中的作用越来越明显。但是，随之而来的各种负面影响也越来越明显，而且并未得到应有的重视。从当前的角度来说，金属材料热处理技术的主要问题在于对研究和实际应用中所投入的资金严重不足；从事金属材料热处理技术研究的科研人员较少；我国从事金属材料热处理的公司多为封闭经营，使得金属材料热处理技术的推广与交流受到了严重阻碍。