金属材料热处理工艺及技术发展趋势

2021-11-30常嘉玮

中国金属通报 2021年1期

常嘉玮

（白银矿冶职业技术学院，甘肃白银 730900）

金属材料与我们的生活息息相关，热处理技术对金属材料的质量有较大的影响，操作人员应该合理选择热处理手段，通过利用智能化、现代化的手段，全面控制生产流程，不断地提高金属材料热处理水平，为后续的金属材料精加工奠定前端基础。

1 金属材料热处理工艺的概述

金属材料是指具有一定光泽，延展性好，容易导电和传热的材料，大部分金属材料具有一定的可塑性和硬度，一般可按照颜色可以分为黑色金属、有色金属和贵金属。黑色金属在日常生活中比较常见，一般指常见的钢铁材料，而有色金属是指除铁、锰以外的金属及其合金，通常情况下可以根据密度分为轻金属和重金属，而贵金属主要包括金、铂等。我国金属材料的应用较为广泛，最早可以追溯到商朝的青铜器，而随着历史的不断发展，在现代工业生产过程中，金属材料在使用过程中更要考虑到其材料的力学性能，综合处理其硬度、强度、塑性和抗冲击能力之间的关系。

2 金属材料热处理工艺流程

金属材料热处理过程中按温度不同可以分为三个阶段，为加热、保温、冷却三个过程，也有一些热处理工艺，只有加热，冷却两个过程，但此过程相互衔接，不能间断。下面主要介绍金属材料热处理的基本过程。

2.1 加热

加热作为热处理工艺中的基本要素，在传统热处理过程中，大多采用木炭或者是煤炭来升高温度，但随着新能源的开发，液体燃料以及气体燃料也被广泛应用到热处理过程中，液体燃料和气体燃料相对较为清洁，比热容较大，升温较快。此外，在工业生产中也经常采用电力技术进行加热，电能便于作人员控制加热时间以及加热温度。

2.2 保温

保温作为金属热处理加工中的第二道工序，保温就是按照相应的技术标准和要求，让加热后的金属材料稳定在要求的温度，最终促使金属材料分子内部热运动，达到预期的性能。

2.3 冷却

冷却作为热处理过程中的关键环节，直接决定的金属材料的性能，技术人员要针对不同材料采取不同的冷却方法，合理调整冷却速度。在工业生产中，一般退火的冷却速度较慢，正火的冷却速度较快，而淬火的冷却速度为最快。操作人员要综合多种冷却方法以达到冷却要求。

3 金属材料热处理工艺中存在的问题

金属材料制造有多种要求，热处理过程中需要耦合多种参数。但有些管理人员尸位素餐、不了解金属材料制造的国家标准及热处理的工艺标准，不具备符合工作需求的专业素质与职业技能，因此，在实际的热处理工艺加工中，频繁出现质量问题。下面将主要论述金属材料在热处理过程中存在的问题。

3.1 金属材料制造资源损耗较大

在金属材料制造过程中，很容易出现大量的资源浪费现象，而我国现在已经面临着一定程度上的金属材料资源紧缺。传统的热处理手段违反了可持续发展的基本理论，同时提高了企业的资金成本，不利于企业长久稳定发展。

3.2 热处理技术集成化不高

工艺流程智能化、数据化发展是时代的必然要求，但由于不同企业的金属材料制造自动化水平不同，在热加工信息处理过程中存在不兼容问题，不能实现真正的资源信息共享，导致热处理技术集成化较低。不能实现对温度、湿度、压力等重要参数的实施调控，热处理单元操作无法科学地整合在一起，工作效率低下。

3.3 金属材料制造质量不达标

金属材料图纸审核作为保证金属材料质量的重要一步，而就目前而言，大部分的企业在金属材料生产过程中忽略了对图纸的审核，在制造过程中很容易出现问题，或者金属材料与甲方要求严重不符，影响了金属材料的使用质量。此外，金属材料制造在热处理过程中意外因素较多，而相应的管理人员不熟悉热处理的基础操作，不能实现对热处理环节的动态调节，对金属材料的细节数据掌握程度不够，不能预判可能出现的危险，导致金属材料往往达不到预期质量。

4 金属材料热处理工艺及技术要点

4.1 明确金属性能与热处理之间的关系

4.1.1 耐久性与热处理应力之间的关系

金属材料在应用过程中会受到外界大量的应力，如果金属材料长期处于不均匀应力或处于易腐蚀的环境下，可能会出现开裂或者是其他变化，因此研究热处理应力对于金属耐腐蚀性的关系十分必要。要综合多种热处理方法，降低金属内部剩余应力，提高金属材料的耐久性，保障金属材料可以适用在多种不良环境中。

4.1.2 材料的硬度与热处理温度的关系

金属材料切割作为金属加工中的重要一点，在许多工艺中都需要对金属材料进行切割拼接，为了更好地完成切割，要根据需要合理选择热处理温度，同时在切割过程中，施工环境会对金属表面和金属的光泽产生巨大的不良影响，在此情况下，可以综合进行预热加工的手段，避免金属材料的毛面、断面现象，提高切割的准确度以及效率。

4.1.3 金属材料的疲劳性与热处理

热处理过程中，金属材料需要进行冷却，一旦冷却过程中受到应力值较大，可能出现不规则断裂，为了有效防止此类情况，工作人员因该合理控制温度以及冷却时间。在合理范围内对温度进行调整，从而寻找到最合适的温度，以提升金属材料的疲劳性和抗压性能。以市场需求为导向，不断简化热处理的工作流程，减少金属材料的耦合数据存在的偏差，实现对金属材料热处理过程的精细化管理。

例如，在金属材料制造过程中要制定好相应的衡量标准，综合考量金属材料的结构特点，明确金属材料的结构特点和用途，以用途推测结构，规范金属材料的尺寸公差以及表面活性。综合应用热处理和冷处理等方法，提高金属材料制造精度，在保证金属材料质量的前提下，最大限度地降低成本。

4.1.4 金属材料的导电性与热处理关系

金属材料的导电性本质上来说是金属内部电子受到电场或热能后，表示可移动电子的的活跃程度。在导电性研究过程中较为复杂，不同金属的的原子结构和导电能力存在一定差异，在现代生产过程中需要通过热处理技术，对于单质金属进行融合，综合利用多种合金材料，以达到日常的实际要求和成本控制。

例如，在进行热处理过程中可以利用有限元以节点位移、并综合应用矩阵阶数与单位等效方程，根据变分原理，取得金属材料函数的极值，使金属结构能够持续离散化。将连续的金属材料分割成单一的微小导电单元，单元与单元之间通过固定的节点进行关联，其外观上有特定的网络形状。利用数据进行等效的计算，减少工作步骤，以满足不同条件下的导电要求。

4.2 利用多种技术手段

热处理作为改良金属材料的基本手段，在工业生产上要最大程度上发挥金属材料的使用价值，通过各种手段不断提高材料的机械性能，不合理的热处理方法会丧失金属材料原有的优良性能，破坏金属材料本身的抗变性和耐久性，因此工作人员应该充分考量金属材料本身性质和组织构架，来确定热处理工艺，设置科学合理的工业流程，最大程度上发挥金属材料的使用价值。下面将主要论述热处理技术的基本手段。

4.2.1 激光热处理技术

一般情况下，激光热处理技术在金属材料中主要被应用于淬火，变相硬化等两个方面。激光热处理技术的主要原理是利用高密度的激光束对金属材料表面进行热处理，以此来达到强化的目的。在实际应用领域中，激光处理技术被广泛应用于汽车领域，激光热处理加工后的金属耐磨性好且硬度高。

4.2.2 振动时效处理技术

在金属材料热处理过程中，金属材料不可避免的会受到一定的机械力和应力，在这种情况下，金属材料内部会产生一定的振动动力，这种震动力有可能导致材料在切割的过程中出现位置偏移，最终对金属质量产生一定的影响，因此管理人员应该对于振动参数进行调整，以此来规避振动力对于材料加工过程的影响，最终实现精准的作业目标。

5 金属材料热处理工艺的发展趋势

5.1 精细化发展

目前我国科技飞速发展，但金属在材料加工中仍遇到许多问题。在未来发展过程中，将会综合应用模拟，以仿真技术、信息技术为主的自动化控制会代替传统的热处理操作。在市场化和全球化的今天，各个企业为了追求更大的利润，必须快速提高生产效率，迎合市场的需求，满足多样化的市场的目的，因此快速和绿色的热处理技术深度开发也是金属材料制造行业发展的重要趋势。未来的金属材料势必朝着统一标准，由现在的粗放型转为集成性发展，使金属材料加工接近零误差，保证金属材料加工显得更加人性化、科学化，为后续的制造业服务。

5.2 整合多种新材料

金属材料行业发展如火如荼，在未来发展过程中将会利用多种新材料，开创新局面。下面将主要介绍纳米金属材料与多孔性金属材料

5.2.1 纳米金属材料

目前，我国金属材料行业逐渐向着精细化和智能化发展，纳米技术发展，使得纳米金属成为了一种新型的金属物质。纳米技术可以将金属材料密度尺寸直接压缩到纳米级，以改变金属的密度参数，很大程度上改变了金属材料被本身的物理性质。通过纳米技术可以调整普通金属的硬度、性能和塑性，使金属更好的满足工业的需求。

5.2.2 多孔性金属材料

一般自然界中的金属材料的组织结构较为结实，而多孔性金属材料具有良好的渗透剂性能，同时具备耐酸，耐碱，耐腐蚀的特性，能够保证多孔性金属在恶劣的自然环境下稳定工作，多孔性金属材料还能够承受较大的能量减少自身应力。同时多孔性金属材料可以吸收更多的电离能，能减少辐射干扰，在未来发展中，多孔性金属材料将会应用到各种领域，发挥自身的特性。