浅谈金属材料热处理工艺与技术发展趋势探索

2020-12-10皮爱民

中国金属通报 2020年3期

皮爱民

（中航光电科技股份有限公司，河南洛阳 471000）

1 金属材料热处理工艺应用必要性

1.1 改变金属材料性能

在传统工业生产模式下，虽然企业借助工业机床设备对金属生产原材料开展切削作业，可在短时间内加工出适当外观造型、规格参数的零部件以及工业产品，但却无法对所使用金属材料的各项性能质量加以转变，最终导致所加工零部件与工业产品出现稳定性不足、使用寿命较短等一系列问题，部分工业产品与零部件很难在高强度、长时间使用过程中保持稳定状态（如所制造各类机械设备等）。通过对金属材料热处理工艺的灵活运用，将会实现对金属材料各项性能属性的大幅提升，以此提高所制造零部件与工业产品的加工质量、延长实际使用寿命。例如部分金属材料在长时间存储、后续使用过程中，受到应力状况因素影响出现程度不一的腐蚀、开裂问题。而对热处理工艺的应用，则将大幅降低应力对金属材料所造成的影响系数，从而实现对金属材料耐久性的提升（延长实际使用寿命）。此外，应用热处理工艺后，金属材料在后续加工、使用过程中将不会出现氧化问题。

1.2 降低金属材料切削难度

在传统金属材料零部件与工业产品加工过程中，由于多数金属材料的自身硬度系数较高，因此在材料切削过程中，普遍存在切削难度系数大、作业效率低下、夹具不稳、材料与刀具粘连、刀具磨损程度严重等问题。通过对金属材料热处理工艺的应用，则可通过对金属材料性能的适当调整，有效解决以上问题，在充分保障加工质量的同时，提高金属材料切边精度与加工效率。

2 金属材料热处理工艺

2.1 化学渗透工艺

化学渗透工艺是在所处理金属材料表层结构上覆盖一层适当成分的化学薄膜，以实现对金属材料自身柔韧性、硬度系数等性能的优化改善，并采用薄膜渗透形式逐渐对金属材料表面形态加以转变与改善，最终实现改善金属材料性能、降低加工损耗、提高金属材料实际利用率的处理目的。相比于其他金属材料热处理工艺而言，化学渗透处理工艺具有经济效益高处理经济成本较低，且会大幅提高金属材料实际利用率，并且节能环保，无需消耗大量能源和资源开展金属材料热处理作业，且不会对生态环境造成污染破坏，工艺流程简略，所覆盖化学薄膜仅需压迫对金属材料表面形态加以渗透和改善等应用优势。

2.2 激光处理工艺

激光处理工艺是作业人员使用相关仪器设备，向所需处理金属材料表面结构上持续照射激光束（适当功率），激光束与金属材料表面结构在接触过程中，会持续提高金属材料表面温度，当材料温度提升至一定标准后，将仪器设备关闭，使得金属材料在热传导作用持续影响下在表面结构上逐渐形成一层相对较薄的表层组织，从而实现对金属材料硬度等性能的有效改善。目前来看，激光处理工艺主要被应用于处理表面结构相对较为坚硬的金属材料。在应用其他工艺对这类金属材料开展热处理作业时，需要消耗较高时间成本与经济成本以穿透金属材料表面结构，经济效益较低。而对激光处理工艺的应用，则可凭借激光束的高度穿透性，在短时间内穿透金属材料表面结构，对金属现有表面/内部组织结构进行控制改善。

激光处理工艺的主要应用优势是高度穿透性、处理效率高（可将激光处理工艺与自动化控制技术加以组合应用）、经济效益高（无需使用外加材料）、处理效果显著（可大幅提高金属材料的硬度、耐磨性等性能）、变形量小（相比其他处理工艺而言，激光束功率密度高，与金属材料的直接作用时间较短。因此，金属材料的热变形量被控制在极小范围内、适用范围广（可应用激光处理工艺对金属材料与零部件的深孔、盲孔、凹槽等区域选择性开展局部热处理）等等。

2.3 涂层处理工艺

涂层处理工艺是对多项涂层技术加以组合应用，在所处理金属材料表面结构上制备一层具有极高硬度的涂层。从工艺原理角度来看，涂层处理工艺与化学渗透工艺较为相似，无需对金属材料内部结构进行处理，即可实现对材料性能的有效改善。而应用较为常见的涂层物质成分由碳化金属、氧化金属、纳米晶、氮化碳、氮化金属等共同加以构成，结合金属材料实际热处理需求，搭配适当超硬涂层物质，将其涂抹在金属材料表面结构之上，随后应用溅射、离子镀等处理技术将所涂抹超硬物质与金属材料表面结构进行熔合。涂层处理工艺的主要应用优势与价值在于可针对性提高金属材料的硬度系数、具有高度发展空间（随着相关技术的不断优化完善，涂层处理效果仍存在一定优化空间）、自动化程度高（作业人员可借助自动化控制技术与系统开展金属材料自动热处理作业，并实现对金属处理情况的实时监测），也是当前应用较为常见的一项金属材料热处理工艺。

2.4 振动时效处理工艺

振动时效处理工艺是在金属材料经过固溶处理作业，较高温度状态下，通过振动方式将金属材料所产生内应力进行降低、消除。在有效提升金属材料屈服强度系数的同时，控制金属材料变形量，避免材料出现应力松弛以及再分布问题。目前来看，通过对振动时效处理工艺的应用，可将所处理金属材料的残余应力降低30%～55%左右，同时也会使得金属材料的应力峰值出现一定幅度降低（并提高应力分布均匀系数）。与其他金属材料热处理工艺相比，振动时效处理工艺具有材料处理效率高、自动化程度高、处理成本低廉、节能环保、抑制金属变形等诸多应用优势。

2.5 热处理CAD工艺

该项处理工艺主要是基于计算机控制系统对金属材料热处理工艺过程进行建模计算，提前对金属材料热处理过程中各项突发问题的出现概率、所造成影响程度等加以精确预算，在其基础上对相关工艺参数进行优化调整，从而实现对金属材料热处理加工工艺的优化完善、提升处理效果。在金属材料热处理过程中，可通过对CAD工艺的应用而实现对金属材料实时热处理过程与情况的有效掌握，及时针对所出现问题采取有效预防与解决措施。在开展金属材料热处理作业前，可选择将热处理CAD工艺与其他处理工艺进行组合应用，以此实现对工艺方案与金属材料实际热处理效果二者之间匹配度的优化提升。

2.6 真空热处理工艺

其应用原理是提前营造一个类似大气压的真空气氛环境（包括低真空、高真空、中等真空以及超高真空），将全部抑或是部分金属材料热处理工艺在真空环境下开展，从而实现对金属材料热处理工艺的无氧化、无渗碳、无脱碳的发展，同时在金属材料热处理过程中，也具有去除金属材料/工件表面结构所附着磷屑、脱脂去气等处理效果。相比而言，真空热处理工艺具有节能环保、处理效率高、工作畸变小、处理效果显著、工艺操作灵活、工件与金属材料表面洁净性高等诸多应用优势。

3 金属材料热处理工艺未来发展趋势

（1）自动化发展。目前来看，金属材料热处理工艺的自动化仍处于发展之中，在处理过程中企业不但需要配置、投入大量人力成本用于开展各项金属材料热处理作业，且受到人为因素影响，金属材料与工件的处理效果受到一定程度影响干扰，缺乏统一处理标准。因此，应重点推动金属材料热处理工艺的自动化发展进程，在有效保障并小幅提升金属材料热处理效果的基础上，将传统处理工艺与自动化控制技术进行组合应用，以实现对金属材料热处理效率的提升，以及对处理经济成本的控制。

（2）无氧化处理。在当前我国金属材料热处理工艺研发工作开展过程中，新问世一项无氧热处理工艺具有极高的潜在应用价值，这一工艺便是可控气氛技术。在应用可控气氛处理工艺时，将对所处理金属材料的表面结构提供有效保护，同时大幅提升处理质量，较为适用于对钢制品的热处理。从金属材料热处理工艺整体发展角度来看，无氧化处理工艺具有诸多应用优势，是总体工艺体系的未来主要发展趋势之一。