金属材料热处理工艺与技术探析

罗运芬

摘 要：当前工艺环境下，机械企业只有立足自身技术基础，以行业发展趋势为导向，以高标准、高要求研制金属产品，才能在提升自身行业竞争力的同时，提高企业行业市场适应力。而在机械企业金属产品发展体系中，金属材料热处理关系其产品最终质量和使用效果，因此，相关单位要重视该项工作的发展，并逐步加大投入。基于此，为梳理金属热处理相关要素，文章立足金属材料概念和性能，以金属热处理注意事项为切入点，探究其处理工艺和技术，并在此基础上分析钢金属从材料热处理技术，以供参考。

关键词：金属材料;机械企业;热处理工艺和技术

中图分类号：TG156 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）12-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.12.007

对比国内外金融材料热处理可以发现，我国与国外先进国家还有一定的距离，如专业化、自动化等水平较低，常发生诸如氧化、脱碳等问题[1]，严重影响金属产品的质量。同时，由于部分厂家在生产时缺乏有效的金属热处理技术，影响产品最终的耐久性，因此有必要梳理该项生产工艺的技术要素，改善产品最终质量、提高处理流程环保性、提升处理经济效益，进而达到金属材料热处理的最终目的。

1 金属材料基本概念和性能

分析金属材料外观和应用方式可以发现，其主要指拥有光泽度的外观、可延展的属性[2]，且能够传递热量或导电的材料，其具有韧性、强度、耐久性、可塑性及疲劳性等特点。通常情况下，其包括特种金属材料、有色金属材料、黑色金属材料等。其中，特种金属材料可分为功能性金属材料、结构性金属材料等。例如，金属复合材料或非晶态金属材料等。有色金属材料又可分为稀土金属、半金属、重金属、轻金屬等。黑色金属主要指常见的钢铁。而要想充分挖掘金属材料的性能，提高材料应用质量和效果，应注意其性能。

目前，金属材料的性能主要分为以下几类：第一，工艺性能，主要指具有一定可焊性、可铸造、可锻造以及可切割等特性的金属;第二，物理性能，主要指金属的电学性能、电磁性能、热学性能、密度等;第三，化学性能，主要指金属材料的抗氧化性和腐蚀性等;第四，机械性能，主要指金属材料的抗冲击力、疲劳数值、韧性、硬度等[3]。

2 金属材料热处理注意事项分析

受到金属材料属性和材料加工技术等的影响，在热处理时要注意：

首先，切割和预热。在金属材料加工过程中，通常在设计等要素影响下进行切割处理，而由于切割的过程会直接影响金属材料性能，如材料光泽度、变形等情况[4]。为保障材料质量，应在切割前对材料进行预热处理，避免发生切割粘连等情况，进而提高金属产品制作质量。

其次，耐久性与应力。在处理金属材料的过程中，如果材料同时遭受腐蚀、外力等因素影响，那么必然会影响材料的应力参数，进而缩短材料的使用寿命。由此，在运用热处理工艺加工金属材料时，要立足材料的自身属性，如耐久性和其他化学性能等，尽量避免其受到腐蚀等情况，在实现材料处理的同时保障材料性能结构的稳定性。

最后，疲劳性和温度。在处理金属材料过程中，为提高成品质量、缩短工艺周期，会对部分材料进行冷处理，如运用快速冷却技术等，这就会导致材料压力变大，进而出现破损、断裂等情况。据此，为避免发生这一情况，在处理材料时应控制温度，即在规定温度范围进行工艺处理，避免影响产品疲劳值，提升产品综合性能等[5]。

3 金属材料热处理工艺和技术要点分析

3.1 处理过程

聚焦热处理技术在金属材料中的应用过程、方式、结果等要素可以看出，主要有加热技术、保温技术、冷却技术，当然，在材料性能基础上还有可能仅包含加热、冷却工艺技术。此外，要注意以上热处理技术流程不可间断，做好衔接工作。

第一，加热技术。这一流程是金属材料热处理的关键要素，是材料后续各项工作开展的前提要素，因此，要重视该项技术的流程性控制。目前，加热技术主要有传统的煤炭和木炭、现代的气体和液体燃料以及当前的电加热技术。其中，煤炭和木炭成本较低，但难以完成部分特定金属的加热工作。气体和液体燃料加热速度较快，但其成本相对较大。而电加热可以更加合理地控制加热流程，如时间、温度等，具有较高的应用价值。当然，需要注意的是，金属在加热过程中一般暴露在空气中，而在氧气等因素的影响下，材料可能会出现脱碳、氧化等情况。因此，相关技术人员在控制加热温度的同时，应做好保护工作，如涂抹防护层等。

第二，保温技术。这一流程主要指在金属性能、相关规范、标准等基础上控制温度，保障材料达到加工的预期目的，如内部结构的改变、成形等。因此，技术人员在保温过程中既要注意金属材料的参数性能，也要在限定范围内控制其温度。

第三，冷却技术。在金属材料热处理工艺流程中，冷却工艺至关重要。技术人员要区分各个金属材料的参数，并掌握其特定的冷却时间和方式，控制冷却速度，如更快的淬火冷却、较高的正火冷却、较慢的退火冷却等。

3.2 热处理工艺和技术

3.2.1 薄层渗透技术

为避免处理金属材料的过程中，其化学性能受到影响，应注意工艺技术的技能属性。目前，薄层渗透技术属于常用的热处理节能技术[6]。究其原因，其他热处理技术在进行材料加工处理时，一方面，会在材料表层残留会破坏材料稳定性的物质要素，如化学元素等，进而降低材料等的金属性能;另一方面，部分热处理工艺会耗费更多加工时间，在无形中增加工艺时间和成本。通过薄层渗透技术，则能有效避免上述问题，其原理主要是以化学渗透方式达成对材料的处理工作，此类方式不仅能在一定程度上提高材料的硬度和韧性，避免材料化学污染，而且能提高材料处理效率，降低处理能源消耗，进而提高金属材料加工经济效益。

3.2.2 激光处理技术

分析其方式可以看出，其主要指在材料表面照射激光，在激光照射下金属材料的温度会快速提高，当达到规定范围后关闭激光停止照射，此时，失去温度来源后，金属会立即失去温度，其表面会形成较薄的一层组织。相较于常规处理技术，此项处理技术可在一定程度上增强金属的硬度。剖析其原因可以发现，由于处理方式拥有较强的穿透性，因此在完成激光照射后再处理，会在不影响材料性能基础上提高其结构稳定性、增强材料硬度。

目前，在智能、自动等技术的支撑下，该项技术得到了明显进步，例如，避免操作失误等问题。尤其在从充分利用信息技术基础上，还能进一步提高工作效率，提升处理效果。

3.2.3 涂层技术

涂层技术主要指将具有保护功能的材料涂抹在金属表层，以提升金属的硬度、使用效果等。目前，常见的金属涂抹材料有金属衍生物和纳米晶两种。金属材料的热处理过程中，如果采用涂层技术，相关操作更为简便，金属结构也不会受到明显损害，金属能够拥有理想的硬度，保证其应用效果大幅提高。在完成金属材料的涂层后，还应对其进行适应性加工，以保障该项技术的加工质量，如利用沉积技术、蒸镀技术等。

3.2.4 振动技术

振动技术拥有较高的时效性，其主要指利用振动技术消除金属的内应力，保障其硬度能够达到加工需求和标准。以此项技术加工金属材料，不仅能够大幅提高材料的稳固性，而且能在结合计算机技术的基础上有效控制振动参数，进而避免操作失误导致的材料损坏，保障金属材料的利用率。分析此项技术的优势可以看出，其能够在较短的时间内完成热处理工作，提升加工效率，实现节能减排目标，因此，具有应用、推广、研发等的价值。

3.2.5 CAD工艺

CAD处理技术主要指利用计算机模拟加工过程，并搭建加工模型，而在完成模型建设后，技术人员就能全面、系统地分析加工过程，详尽掌握加工过程中可能会出现的各种问题，并依据问题数据恰当调整加工过程，降低加工失误、加工问题、加工成本等。此种处理方式具有全面性特征，能够起到良好的预防效果，通过此种方法可以使得热处理效果更为理想。从CAD技术应用的实际情况看，其能够依据模拟数据对比处理前、处理后金属材料的相关数据，进一步了解材料参数变化情况，而相关人员可以此为依据完善加工技术、流程等，达到处理效果预期目标，保证热处理的实际效果。

4 钢金融材料热处理技术分析

4.1 钢的退火与正火

分析钢金属材料退火与正火效果和作用可以看出，其目的主要有：第一，适应加工、切削，提升硬度适应力等;第二，改善组织构成，降低干扰应力;第三，为后期热处理奠定基础。

4.1.1 退火

退火主要包含去应力退火、扩散退火、球化退火、等温退火、完全退火等热处理工艺。

去应力退火主要以加热工件为中心，调整温度至Ac1，待保温处理完毕后，同炉同冷却。这一处理技术可有效降低应焊接、锻造等技术产生的内应力。

扩散技术主要是将温度控制在固相线温度以下，加热相关工件，并在完成后热处理。这一处理技术可有效避免成分偏析等问题。

球化退火主要是将温度控制在Ac1+20 ℃～30 ℃，加热过共析钢、共析钢，待完成加热工艺后，缓慢降低其温度。这一处理技术可提升工件加工性能，如切削等，能为后期淬火工作奠定基础。

等温退火主要是将过共析钢、亚共析钢加热到相爱难改观温度，如Ac1+30 ℃～50 ℃，并在完成加热、保温后，将其快冷，最后出炉空冷。

完全退火主要是利用Ac3+30 ℃～50 ℃加热亚共析钢，待达到温度目标值之后，保温、缓冷。这一处理技术可消除工件内应力。

4.1.2 正火

正火主要指利用温度将钢材料加工到Accm以上30 ℃～50 ℃、Ac3，并在完成后，保温、暴露冷却。基于其原理、目的，其应用范围为：第一，改善工件加工性能，例如提高正火硬度，提升切削效果;第二，降低二次渗碳体在过共析钢中的含量;第三，应用于普通钢材料热处理最终步骤。事实上，对比分析退火与正火可以看出，后者得到的组织要细，且冷却速度高于前者。

4.2 钢的淬火

淬火主要指加热钢工件材料至临界点，待完成保温后，其冷处理速度控制在VK以上。目前，淬火主要有几项工艺：第一，单液淬火法，首先将工件加热，然后将工件置于油或水的介质中进行冷却的一种工艺方式;第二，双液淬火法，主要包含两种冷却介质，一种冷却效果强，另一种冷却效果较弱，该方式先将工件置于效果强的冷却介质，再放入冷却效果较差的介质，由于此项热处理技术的特殊性，一般应用于大型合金钢工件、高碳钢工件等;第三，分级淬火工艺，主要指将利用碱浴或盐浴等方式淬火钢工件，并在完成后缓冷，此技术具有提高材料塑性的优点，比如避免其开裂、变形等。

4.3 钢的回火

回火主要指将完成淬火工艺的钢，放置在A1温度环境中精心加热，让其成为稳定的回火组织。因此，其目前主要有：第一，消除内部应力;第二，提升组织性能;第三，避免回火脆性等。依据温度，回火可分为低温回火、中温回火、高温回火三个类别。

4.3.1 低温回火

低温回火主要指在150 ℃～250 ℃回火，完成后得到马氏体组织。此工艺的目的为：一是控制材料内应力，让淬火材料得到预期韧性，拥有预期硬度;二是提高工件耐磨性、硬度性，并拥有较高的数据，如量具、轴承、道具等。具体而言，此方式主要应用于高碳合金钢和淬火高碳钢，完成淬火后，可得到隐晶回火马氏体和均匀细粒碳化物颗粒组织，具有很高的硬度和耐磨性，同时显著降低了钢的淬火应力和脆性.对于淬火获得低碳马氏体的钢，低温回火可以减少内应力，提高钢的强度和塑性。

4.3.2 中温回火

中温回火主要指在350 ℃～500 ℃回火，完成后得到屈氏体组织。对于一般碳钢和低合金钢，此温度范围内回火（第三阶段），碳化物开始聚集和长大，基体开始回复，淬火应力基本消失。同时，中温回火后的钢具有较高的弹性、较高的强度和硬度，并具有良好的塑性和韧性。由此，此热处理技术一般用于各种弹簧零件和热锻模具。

4.3.3 高温回火

高温回火主要指在500 ℃～650 ℃回火，完成后得到索氏体组织。在完成调质处理后的工件具有高的塑性、韧性和强度的配合。此项技术一般适用于中碳结构钢或低合金结构钢，用来制作曲轴、连杆、连杆螺栓、机床主轴等重要零件。这些机械零件在使用中要求较高的强度并能承受。

5 结语

现阶段，在热处理理念和技术高速发展背景下，开始发展出更多的金属热处理技术，相关厂家应重视这些处理技术的价值和意义，完善或重构自身金属热处理技术工艺，以提高自身金属材料加工质量，提升自身经济效果。

参考文献

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[2] 柯林达，许伟春，杜磊，等.激光选区熔化工艺及热处理对稀土改性Al-Mn合金性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2021，41（7）：817-820.

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[5] 谢斌，周海涛，段海洋.热处理工艺对二氧化锡雾化粉粒度及均匀性的影响[J].材料开发与应用，2021，36（3）：7-11.

[6] 马胜宾，滕敦波，王俊翔.热处理工艺对高C—Cr高强耐磨钢组织和性能的影响[J].中国冶金，2021，31（6）：39-44.