金属材料热处理工艺以及技术发展趋势探索

薛 勇

（诸城市义和车桥有限公司，山东潍坊 262200）

0 引言

在制作金属产品的过程中，所用金属材料的热处理工艺与技术会在很大程度上影响产品质量，还会直接影响原材料的消耗以及所产生的污染。所以，只有不断创新与完善金属材料热处理工艺以及技术，在降低环境污染、减少材料损耗以及提升处理质量方面进行优化，才能使我国拥有更高的金属材料热处理水平，更好地推动我国经济发展。

1 金属材料的种类与性能

现阶段所使用的金属材料主要具有两种性能，就是使用性能和工艺性能。使用性能就是在使用机械零件的过程中，金属材料发挥出来的性能，包括化学性能、物理性能、力学性能等。在荷载的作用下，金属材料抵抗破坏的性能即力学性能，有时也被叫做机械性能。金属材料的选材和设计都需要以力学性能为主要依据。外加荷载性质不同，如循环荷载、冲击、压缩、扭转、拉伸等，将对金属材料的力学性能提出不同的要求。常用的力学性能包括疲劳极限、冲击韧性、多次冲击抗力、硬度、塑性、强度等。

所谓工艺性能就是在加工机械零件时，金属材料在不同的加工条件下发挥出来的性能。金属材料工艺性能直接影响金属在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同，也会有不同的工艺性能要求，如切削加工性、可锻性、热处理性能、可焊性和铸造性能等。

在研究与分析金属材料性能的过程中，研究与分析的性能指标主要有3 个。

（1）硬度。就是金属材料的抗击能力，是金属材料的关键特性之一。金属材料拥有较高的硬度时，其抗击性能更强，拥有更广的应用范围[2]。

（2）耐久性。金属材料的耐久性与其遭受腐蚀的情况有关。在使用金属材料的过程中，必然会有腐蚀情况存在，只是程度有所不同，包括缝隙与应力多种腐蚀情形。一般来说，金属材料遭受越低程度的腐蚀，其具有耐久性就越突出。

（3）疲劳性。在遭受持续应力的条件下，金属材料就会发生异常断裂，这就是金属材料自身的疲劳性特征。虽然材料所承受的应力没有超过其最高负荷程度，但如果持续得时间较长，仍然会出现断裂情况。

2 金属材料性能与热处理技术的关系

2.1 金属耐久性与热处理应力

在应用过程中，如果金属材料在较长的时间内持续遭受外力，或者在较长的时间内处于易腐蚀的环境中，就会有开裂或者其他变化产生，所以研究金属耐久性与热处理应力之间的关系非常有意义[3]。在实际热处理金属材料时，热处理应力及大小会对金属材料自身的耐久性产生很大影响，在这种条件下，只有尽量缩小各种热处理剩余应力对金属材料的影响，才能使金属材料的质量和耐久性得到更好的提升。

2.2 金属材料疲劳性与热处理温度

在加工处理金属材料时，科学利用整体加工过程与热处理技术，可以在很大程度上提升金属产品的性能以及质量[4]。在实际加工过程中，一旦在短时间快速冷却，金属材料可能因为受到过大的应力而出现断裂情况。为有效预防这类现象，在加工金属材料时工作人员应合理控制热处理温度，在合理范围内不断调整温度、找出温度的最佳值，使金属材料拥有更好的疲劳性。

3 影响热处理变形的因素及优化措施

3.1 影响热处理变形的因素

实际工业生产中会利用各种各样的热处理工艺，如淬火、正火、回火、退火等，热作用是他们共同的基本过程，均是由3 个阶段组成，分别为加热、保温和冷却。在实际生产中，可以通过热处理周期、保温时间、冷却速度、加热速度、加热温度、保温时间等参数对整个工艺过程进行描述。在开展热处理工艺时，需要形式多样的加热炉进行使用，关键的技术热处理工作也都是在这些加热炉中开展（如基本热处理中的回火、淬火、退火，化学热处理的去氧、渗铝、去氢或渗铬、渗氨、渗碳等）。所以，在进行热处理工艺时，需要严格控制加热炉内的温度，并高度重视温度测量工作。

在热处理工艺的相关规范中，对温度的要求非常严格，如果温度测量的精准度缺乏，就无法保证有效的落实热处理工艺规范，这会在不同程度上降低产品质量。精准的测量与控制温度能有效保障热处理工艺的质量，减少金属材料的热处理变形。

3.2 减少热处理变形的措施

（1）保证加热次序和冷却次序的合理性。针对不同零件的结构特点，有针对性地规划零件的热处理顺序，能在一定程度上减少热处理变形，在相互作用下抵消各部分热处理导致的变形，最终达到减小变形的目的。

（2）预备热处理。正火硬度过高、魏氏组织、大量索氏体或混晶都会提升内孔变形，所以通过等温淬火或控温正火来对锻件进行处理。

（3）利用合理的冷却方法。在影响变形的各种因素中金属淬火后冷却过程也是非常重要的内容，与冷油淬火相比，热油淬火能更有效地控制变形，一般采用100 ℃±20 ℃的温度。变形情况也会因为油的冷却能力而产生变化，同时也会受到淬火油的搅拌速度与方式的影响。金属热处理的冷却速度较快，如果不能均匀地进行冷却，将会产生与冷却不均匀程度成正比的应力，产生更大程度的产品变形。

（4）选择合适的介质。在满足产品硬度要求的前提下，尽量合理利用油性介质。相关研究证明，在相同条件下，油性介质需要更长的冷却时间，而水性介质拥有相对较短的冷却时间。而且，与油性介质相比，水性介质冷却特性更容易受到水温变化的影响，在相同的热处理条件下，油性介质比水性介质淬火后的变形量小。

4 热处理工艺及技术

4.1 常用的热处理工艺

金属热处理的常用工艺包括退火、正火、淬火以及回火。其中退火就是加热材料至能够引起内部结构变化的临界温度，然后再进行随炉冷却。正火也是相似的过程，只不过正火的冷却是在空气中进行，能够缩短冷却时间，进而取得更高的生产效率[5]。淬火与退火、正火不同，需要在一定时间内保温经过加热的材料，然后利用油或者水使其尽快冷却，经过这种方法加工的金属拥有较高的硬度以及脆性，还会有淬火应力在金属材料内部形成，这种应力会导致金属开裂，所以在实际应用时还应该与回火处理相配合。回火处理就是将淬火处理完的金属再次加热至临界温度，并且进行空气冷却。

4.2 特殊的热处理工艺

（1）激光热处理技术。近年来，激光依靠其穿透性强、亮度高的特点获得了十分广泛的应用。在金属热处理技术中，在处理一些拥有较高硬度的金属材料时，利用激光技术能够很好的完成相应的工作。在实际应用中，大多情况下人们都是借助计算机来控制激光热处理过程，从而使其拥有更高的自动化程度，使处理效率得到有效提升。

（2）真空热处理技术。在处理金属材料方面，真空热处理技术也得到了广泛应用。它主要是通过真空环境对金属进行热处理，高效率的特点突出，所以在节约时间成本方面优势突出。另外，利用这种技术能有效控制加工过程中的有毒废气，有较好的环保效果。

（3）薄层渗透化学处理技术。这一技术是利用化学处理对金属材料进行加工，从而对金属材料进行薄层渗透，使材料拥有更高的韧性。由于该技术只能完成材料表面薄层的渗透，不仅能提升金属材料性能，还能提升处理效率。

（4）超硬涂层技术。在现阶段的金属材料热处理中，超硬涂层技术的应用非常广泛。利用该技术能在很大程度上提升金属表面的硬度，进而延长材料的使用时间。另外，该技术可以使材料拥有更高的整体性能，从而优化材料的利用效果。在现阶段利用超硬涂层技术时，需要电子计算机的辅助。该技术对材料加工具有更好的监控效果，能够有效提高最终的处理效果。

（5）利用CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）进行的热处理。这种金属热处理技术在现阶段也较为先进，能够将金属热处理过程通过计算机进行仿真模拟，通过现代智能的方法来取得热处理的效果。这种金属热处理过程能够科学地预见最终的结果，并且对过程中可能出现的问题进行分析、技术处理，能够避免很多不必要的麻烦。

（6）振动时效处理工艺。这种工艺主要是运用振动的原理来开展金属材料热处理。在处理完成后会明显提高金属材料的稳定性，同时有效避免材料变形的情况。

5 金属材料热处理工艺及技术发展趋势

现阶段最值得改进的热处理技术是可控气氛技术，实质上这种技术就是利用气氛技术达到控制和保护金属材料热处理过程的目的，从而使金属材料热处理拥有更高的效率和质量。与传统的热处理技术相比，基于气氛技术的无氧化处理将成为重要的金属材料热处理工艺发展方向。这是因为它能更好地对金属材料表面进行保护，使热处理拥有更高的质量。可控气氛热处理技术非常适用于钢制品中，在对钢材进行热处理时因为温度过高，所以出现氧化现象的概率较大，而利用可控气氛进行钢材热处理能有效避免这一情况发生。

另外，可控气氛热处理工艺还有一个非常突出的优势，就是能随意调节金属材料的尺寸，从而使操作变得更加灵活、简单。虽然可控气氛热处理技术的优势较多，但是它也有很多不足，因此需要相关的技术人员不断努力攻克，从而使其应用空间变得更加广泛。

6 结束语

综上所述，基于我国可持续发展理念，对金属材料热处理节能技术进行推广和宣传，能够取得更好的生产质量、更高的生产效率，从而实现节能减排的目的。所以，在应用热处理节能技术时，应该转变传统观念，树立节能与环保的观念。根据企业的实际情况，合理利用金属材料热处理节能技术，一方面能够降低企业能源开支，另一方面使企业取得更高的经济效益。另外，还应该加强传统技术与现代化技术之间的结合，提升科技水平，促进我国热处理行业可持续发展。