金屬材料熱處理節能新技術和應用

蔡太祿

摘 要：我國的金屬材料制造業產量高，工藝也相對發達。其中，金屬熱處理工藝占我國大約總體能耗的25%左右，大約是一些發達國家的6倍。金屬材料的熱處理工藝經過幾代材料人的探索和發展，所加工出來的產品已經相當完美，但是有些技術已經不能達到制造行業現如今追求的環境與技術統一的要求，為了適應時代的發展，更加綠色節能環保的金屬材料熱處理節能新技術成為本領域的發展方向。本文對我國熱處理工藝的現狀進行了分析，并對目前我國熱處理節能新工藝進行了闡述。

關鍵詞：金屬材料;熱處理;節能新技術;應用

金屬材料是直接影響到國家發展的重要物資，在基礎建筑、國防建設等方面被廣泛應用。金屬材料的熱處理工藝具有一個顯著的特點——高耗能，為了適應當今社會節能環保的發展目標，節能新技術的應用成為了金屬熱處理工藝的發展趨勢[1]。節能新技術改善了傳統工藝效率低、能耗高、污染大等一系列問題，但與此同時，新技術也存在著一些缺點需要不斷改善。

1金屬材料熱處理工藝現狀

金屬材料的熱處理工藝能夠對金屬成形后的結構、組織進行進一步的優化，進一步提升金屬材料的性能。目前，我國一些傳統金屬材料熱處理工藝面臨著以下幾個問題：

1.1設備落后，工藝水平低

統觀我國金屬材料的發展史，我國對金屬材料的熱處理技術是在改革開放后才形成了工業化模式，其經濟效益不斷提高。但是相較于發達國家，我國的金屬熱處理工藝工業化起步時間較晚，技術水平也存在一定差距。這主要是兩方面的因素造成的：首先，我國的經濟水平在建國后有一段時間發展較慢，無法為科學技術的發展提供有利的條件;其次，我國依賴國外進口設備的時間較長，自主研發的設備落后，無法達到熱處理工藝要求。即使目前我國上述兩點的處境已經有了大幅度的改善，但是長期遺留下來的問題仍然沒有得到根本解決，我國的熱處理技術目前仍然存在著高耗能、高污染的缺點，嚴重浪費資源、破壞我國生態環境[2]。

1.2能源消耗高，利用率低

我國能源人均占有量低于世界平均水平，對于能源的消耗卻要高于世界上大部分國家。我國在經濟迅速發展的同時，各行各業的建設也在發展，對于金屬材料的需求不斷提高。金屬熱處理工藝作為金屬制造行業一個需要大量消耗能源的環節，節能環保成為其必要的發展理念。但是，我國熱處理工藝行業大多采用的設備較為老舊，技術也較為傳統，經常出現需要多次加工的情況，無法做到一次成形，據統計，一些加工條件嚴苛的產品的返修率甚至能夠達到20%左右，大大增加了資源的消耗量。

1.3缺少專業技術人員

一個金屬產品的最終成形需要進行多道工序，其中金屬材料的熱處理工藝作為能夠調節金屬結構、組織、性能的工藝，具有不可忽視的作用。但是，我國材料領域在不斷發展的時候，熱處理工藝卻沒有得到應有的重視。以我國高校為例，目前專門開設熱處理專業的高校少之又少，大部分高校是將其作為一個專業課程進行教學，所培養的人才對于熱處理工藝專業技能的學習不足;其次，目前我國熱處理行業的從業人員平均年齡較大，雖然經驗豐富，但是也存在著一些例如技術和觀念老舊的問題，無法做到與新型的技術相結合[3]。

2關于金屬材料熱處理技術的節能方面的運用

2.1化學熱處理薄層滲透技術

目前，我國甚至世界范圍內使用最廣泛的化學熱處理技術是薄層滲透技術，這項技術改變了人們通常認為地在將化學元素滲入金屬表層深度用以提高性能的想法，而是將化學元素滲透入金屬表層，降低涂層厚度，實現節能的目的。研究發現，降低涂層厚度可以減少滲透技術對金屬材料本身性能的破壞，在降低涂層加熱時間的同時，還提高了金屬的綜合性能、延長了金屬的使用壽命。以鋼鐵材料為例，經統計，滲碳層減少30%，可以節約電能33%，折合成煤炭或者石油等能源可以節約能源高達50%以上，大大減少了能源的消耗，減輕了對環境的污染。

2.2激光熱處理技術

激光具有能量密度高、穿透性強等優點，激光熱處理技術經過近十幾年的發展，已經比較成熟。激光熱處理技術主要是利用激光束對金屬的表面進行處理，使得金屬材料產生表面硬化或者合金化，改變金屬材料表面的成分、組織和性能，以提高金屬材料的可使用性。這項技術改變了傳統熱處理工藝將金屬材料整體進行加熱處理的作業模式，而是將能量聚集在金屬材料的表面，降低了金屬材料在熱處理過程中的損耗。同時，激光熱處理技術由于其極強的穿透力，可以使金屬材料的表面溫度迅速達到低于金屬熔點的臨界轉變溫度，此時，金屬材料的表面會迅速發生奧氏體化，不斷提高金屬材料表面的硬度，此時，應該對其進行急速的自冷淬火，這樣可以將材料的性能提高到較高的程度[4]。

激光熱處理技術還能夠直接運用數字化機床的操作模式將其作業到生產流水線上，通過計算機編程技術，可以提高激光熱處理技術的準確性，并且因為激光束的能量能夠遠距離傳送，可以實現多個工作臺同時工作的目的，大大提高了生產效率和機械使用率。同時，激光技術因其特有的能量束可以對一些金屬材料較為獨特的位置進行熱處理，例如深溝、縫隙等，解決了傳統熱處理工藝加工的難題。

2.3真空熱處理技術

對于一些極易氧化的金屬材料而言，熱處理過程中如何實現氧氣的隔絕成為難題。真空熱處理技術的出現能夠使得金屬材料在無氧的環境中實現性能的提升，對于一些特殊的金屬的熱處理更是具有不可替代的地位。

在真空中對金屬材料進行熱處理，隔絕了滲碳零件發生內氧化的可能性，可以實現金屬表面低壓滲碳等技術的同時，還可以在后續的金屬表面進行高壓氣淬，如此一來，高滲碳溫度和低生產周期成為了真空熱處理技術不可取代的優勢。同時，由于熱處理過程中其特有的真空環境，降低了加熱和降溫的時間，還可以大大減少有害氣體的排放，對環境更為友好[5]。

2.4振動時效處理技術

金屬材料進行多次熱處理后，由于溫度、介質、技術等原因，難免會產生一些成形缺陷，例如裂紋、變形、殘余應力等，會嚴重影響材料的品質乃至使用壽命。振動時效熱處理技術就是為了消除金屬材料的一些成形缺陷，避免金屬材料的二次返廠。振動時效熱處理是利用不同頻率產生的多諧波共振原理，通過多型振動時效系列電腦控制設備對熱處理過程進行控制，大大節約了熱處理過程中的電能消耗，降低生產成本。

2.5熱處理CAD技術

計算機模擬技術的興起為各行各業提供了新的發展思路，通過熱處理CAD技術，能夠模擬熱處理實際的工作環境和工藝條件，對優化熱處理工藝具有重要的影響。熱處理CAD技術能夠系統研究熱處理工藝過程中出現的問題，在開發智能控制方面具有不可比擬的優勢，例如：噴淋、噴霧、淬火劑和淬火方法的正確選擇、熱傳遞系數的變化等，是目前我國發展熱處理節能新技術的重要方向。

3結語

材料的發展關系到我國的國防民生，金屬材料的熱處理工藝作為金屬成形過程中的高耗能、高污染環節，還需要進行不斷的優化改進。目前我國金屬熱處理工藝正面臨著時代發展的考驗，這就要求更加先進的技術和更高素質的技術人員加入到這個行業里來，打破傳統觀念的束縛，建立綠色、環保、節能、高效的新型熱處理工藝模式，加速我國熱處理工藝向低污染、低成本、低耗能、高產出的轉變。

參考文獻：

[1]蔣超友.金屬材料熱處理節能新技術的運用研究[J].中國金屬通報，2020（02）：67-68.

[2]張泉.金屬材料熱處理節能新技術和應用[J].科技經濟導刊，2019，27（34）：67.

[3]王潔梅.金屬材料熱處理節能新技術的研究[J].中國金屬通報，2019（01）：12-13.

[4]王雙寶.關于金屬材料熱處理節能新技術的運用[J].內燃機與配件，2018（22）：224-225.

[5]冷廷梅.金屬材料熱處理節能新技術與實施要點分析[J].智庫時代，2018（24）：250+257.