金屬材料的運用和熱處理技術

王 磊

青島工學院，山東青島 266300

金屬材料作為一種熱門應用材料，每年全球范圍內擁有數以億計的使用量，金屬經過采礦、冶煉、軋制等一系列工藝后廣泛應用于個各行業，為了提高金屬的工藝性能和產品質量，通常要對金屬材料進行熱處理。以下簡單介紹金屬材料熱處理的傳統技術和新型技術。

1 金屬材料的運用

1.1 多孔金屬材料的應用

作為一種新興的功能性材料，多孔金屬材料具有滲透性好、耐高溫、耐腐蝕等特性，目前在工業領域，通訊領域、國防領域和環保領域有著廣泛的應用。

1）過濾與分離

多孔金屬良好的滲透性決定其成為過濾器的理想制備材料，多孔金屬用作分離媒介，其孔道對固體粒子進行阻流和捕集，對氣體或液體進行過濾分離，進而實現其過濾分離作用。多孔金屬制成的過濾器還可以用于厭氧細菌的生長、鋼鐵廠中高爐煤氣的凈化、原子能工業中硫化床尾氣過濾、紡織和造紙業中去除染料顆粒和污水處理、石化行業中排除石油鉆井的泥沙等。

2）能量吸收

汽車的防沖擋、宇宙飛船的起落架等能量吸收裝置都是利用多孔材料的能量吸收性質，基于這一性質，多孔材料還可以作為燃氣輪機等排氣系統的消音材料等，展現了良好的消音效果。

3）電極材料

蓄電池、燃料電池、空氣電池中的電極大多采用多孔鎳制成，用輕質高孔率的發泡沫基板等金屬材料代替傳統燒結基板可減少鎳的消耗，并且提高能量密度。

4）流體分布與控制

石油化工和冶金工業中青銅、鎳、不銹鋼等燒結成的多孔板作為流體分布板；多孔不銹鋼用于控制火箭鼻鏈體偏航指示儀外殼的冷卻液；多孔材料還可用于制作自動化系統中的信號控制延時器。

5）熱交換

多孔金屬是熱交換器和加熱器的理想材料，氣孔體可作為熱交換器和散熱器，并且具有較高的效率和使用性能。此外，泡沫鋼可以用來制作汽車發動機的排氣支管；多孔金屬還可以用來制作滅火器。

6）電磁屏蔽

目前電磁波輻射日益嚴重，信息外漏和信號干擾情況普遍，三維網狀的銅和鎳空隙之間互相連通，具有電磁波吸收性能，可用于電磁屏蔽，小巧輕便、散熱、且屏蔽效果好。

1.2 納米金屬材料的應用

納米金屬材料具有納米級尺寸的組織結構，具有良好的力學性能和功能特性，在航航天事業中，用于航天飛行器機身以及輔助裝置的制造材料。目前，納米金屬材料主要應用于以下幾種領域。

1）高硬度和耐磨WC—Co 納米復合材料

納米結構的WC—Co 硬度高，且耐磨性能好，目前應經廣泛應用于保護涂層和切削工具的制造，工業中，WC—Co 納米合金的使用量非常大。

2）鋁基納米復合材料

鋁基納米復合材料在非晶基體上彌散分布著納米尺度的a—Al 粒子，具有極高的強度和抗疲勞性能，通過加工，部分非晶態合金可以轉變為晶體，是高強度部件的首選材料。

3）電沉積納米晶體鎳

電沉積薄膜具有柱狀晶結構，在350K 時徑粒長大，通過加入溶質使其結構穩定，適合用作管材內部的涂覆材料。

2 熱處理技術

金屬材料經過熱處理技術可以提高金屬質量性能，增強可塑性，但是材料內部化學組成和化學性質并未發生改變。傳統熱處理分為基本熱處理、表面熱處理和化學熱處理，隨著金屬材料與現代科學技術的發展，許多新型熱處理工藝相繼出現，如真空熱處理技術、感應淬火熱處理等。

2.1 傳統熱處理技術

1）基本熱處理

基本熱處理是通過適當的加熱處理改善工件的組織和結構性能，其溫度區間變化如圖所示。

圖1

退火過程是將工件加熱到一定溫度后，再進行緩慢冷卻，從而使工件硬度降低，可塑性增強。正火是將金屬材料加熱到Ac3 以上溫度，此溫度下保持一段時間后，將其取出，在空氣中冷卻。與退火相比，其強度、硬度、韌性較高。猝火是將金屬材料加熱到Ac3 或Acl 以上某一溫度，大于臨界冷卻速度獲得馬氏體組織，淬火后必須配以適當的回火工藝，增強工件性能，延長使用壽命，常用的淬火方法有單液淬火、雙液淬火和等溫淬火。

2）表面熱處理

表面熱處理主要對工件裹層進行熱處理，表面淬火處理前需要進行正火處理或調質處理，然后快速加熱使金屬材料迅速升溫，直至猝火溫度，材料內部尚未存在熱量傳導時，冷卻，進行低溫回火處理。此時材料表層獲得硬而耐磨的馬氏體組織，且材料內部性能完好。通常中碳或中碳合金鋼材料適合表面淬火工藝。

3）化學熱處理

化學熱處理是將介質中的活性原子加入材料表面，從而改變材料表面的結構性能，使其抗疲勞性、耐磨性和抗蝕能力增強。化學熱處理常用方法有滲碳、滲氮和碳氮共滲等。

2.2 熱處理新工藝

1）真空熱處理技術

真空熱處理是將真空技術與熱處理技術相結合，其部分在真空狀態下進行的，幾乎所有的處理工藝均可通過真空人處理來解決。它是在壓強低于一個大氣壓的條件下，進行氣氛控制熱處理。真空熱處理可以使金屬材料表面潔凈明亮，改善材料外觀的同時提高材料性能。

2）感應熱處理

感應熱處理是通過電磁感應使金屬材料內部產生漩渦，將其加熱，工業生產中，通過感應熱處理可以提高生產效率，減少能耗、降低成本，減輕污染，所以感應熱處理技術是今后的發展方向。

3）熱處理新設備

隨著熱處理技術的發展，許多節能高效的新設備不斷更新，如真空加熱高壓氣淬設備。低壓滲碳雙室高壓氣淬爐、密封滲碳高壓氣淬爐、馬氏體分級淬火生產線等，這些進設備的產生極大地改善了金屬熱處理技術，標志著熱處理技術的重大進步。

4）熱處理新材料

生態淬火劑作為熱處理的新材料對熱處理的工藝效果發揮重要作用，它是向植物油中加入添加劑，提高熱處理工件壽命和滲碳溫度。常用淬火劑的有水、鹽水、熔鹽、冷熱礦物油和NiAl 金屬鍵化合物，

3 結論

金屬材料由于其優異的性能和廣泛的來源使其在全球各個領域得到普遍的應用，具有良好的應用前景。金屬材料的熱處理工藝是改善金屬性能的重要手段，所以我們要不斷地進行金屬材料和熱處理技術的研究創新，不斷完善設備功能、控制手段和工藝技術，通過新型熱處理技術，促進我國工業，航天、醫療事業的發展。

[1]陳曉洪.金屬材料及熱處理技術[J].工業技術，2012(9)：15-17.