金屬材料熱處理工藝與技術(shù)研究

蔡太祿

摘 要：金屬材料作為主要的工業(yè)材料，其應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。根據(jù)金屬材料自身的特性，其性能與熱處理工藝具有直接關(guān)系，因此，需要加強(qiáng)對(duì)金屬材料熱處理工藝與技術(shù)的研究。本文從我國(guó)工業(yè)常用的金屬材料出發(fā)，分析了這些金屬材料的性能特點(diǎn)以及與熱處理工藝之間的關(guān)系，重點(diǎn)介紹了現(xiàn)階段我國(guó)常用的金屬材料熱處理工藝，希望能夠?qū)饘俨牧闲阅艿膬?yōu)化處理有所幫助。

關(guān)鍵詞：金屬材料;性能;熱處理工藝技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）10-0105-02

0 引言

在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，金屬材料的加工涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，其中最基礎(chǔ)的加工處理就是熱加工。熱處理能夠從根本上對(duì)金屬材料的物理性能按照既定的要求加以改變完善，進(jìn)而優(yōu)化金屬材料的性能，使其能夠適用于工業(yè)生產(chǎn)，提高金屬材料的利用效率。但是，熱處理過(guò)程中，金屬材料不可避免地會(huì)受到其他因素的影響，進(jìn)而使得自身的性能并沒(méi)有朝著預(yù)期的方向改善，甚至?xí)霈F(xiàn)變形等異常情況，嚴(yán)重影響了金屬材料的熱處理質(zhì)量。對(duì)此，熱處理工藝需要全面分析掌握可能出現(xiàn)的影響因素，并采取科學(xué)有效的控制措施以降低不良因素對(duì)金屬材料的影響與破壞。

1 金屬材料的簡(jiǎn)介

1.1 金屬材料的分類(lèi)

金屬材料普遍存在于人們的生活和生產(chǎn)活動(dòng)中，具有極高的應(yīng)用價(jià)值，其使用范圍也相對(duì)廣泛，是一種常見(jiàn)的工業(yè)材料。通常情況下，金屬材料主要分為金屬納米材料和多孔金屬材料。其中，納米金屬材料，是一種納米材料。它是在普通金屬材料的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)特殊工藝的處理，將普通金屬材料原有的實(shí)際密度尺寸不斷壓縮直至達(dá)到納米級(jí)別。金屬納米材料與原本的普通金屬材料在物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)方面都有顯著的區(qū)別。因此，將普通金屬材料按照生產(chǎn)的實(shí)際要求，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)就可以得到不同納米級(jí)別的納米金屬材料，并實(shí)現(xiàn)金屬材料性能的改善。多孔金屬材料的典型特點(diǎn)就是材料內(nèi)部的孔隙較多，具有良好的滲透性和耐腐蝕性。同時(shí)，多孔金屬材料對(duì)電磁和其他形式的能量還具有一定的吸收性，可以被應(yīng)用在起落架等金屬設(shè)備中以及其他相關(guān)領(lǐng)域[1]。此外，多孔金屬材料對(duì)使用環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，能夠被應(yīng)用在自然環(huán)境相對(duì)比較惡劣的情況下，這一特點(diǎn)極大擴(kuò)展了金屬材料的應(yīng)用范圍，提高了應(yīng)用過(guò)程中的穩(wěn)定性。

1.2 金屬材料的主要性能

（1）金屬材料的硬度性能。金屬材料的硬度是物理性能的一種體現(xiàn)，可以用于判斷金屬材料物理性能優(yōu)異性。金屬材料具有良好的硬度性能，主要體現(xiàn)在金屬材料的抗擊能力較強(qiáng)。相反，金屬材料硬度較差則相對(duì)比較脆弱，在外部作用力下容易發(fā)生彎曲或者斷裂等現(xiàn)象。（2）金屬材料的耐久性。金屬材料具有良好的耐久性，主要表現(xiàn)在金屬材料具有較長(zhǎng)的使用壽命，即使在環(huán)境相對(duì)惡劣的使用條件下仍然可以保持相應(yīng)時(shí)間的使用性能。在金屬材料的實(shí)際使用過(guò)程中，由于使用環(huán)境復(fù)雜多樣，很有可能會(huì)受到腐蝕，一般常見(jiàn)的腐蝕類(lèi)型有應(yīng)力腐蝕和縫隙腐蝕等。腐蝕作用是影響金屬材料耐久性的主要因素。金屬材料的耐久性越強(qiáng)，其越不容易受環(huán)境腐蝕的影響，便可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的使用性能[2]。

1.3 金屬材料的疲勞性

金屬材料的疲勞性主要是指金屬材料在使用過(guò)程中，受各種負(fù)載作用力的影響，在還未達(dá)到應(yīng)力臨界點(diǎn)之前就已經(jīng)發(fā)生不同程度的變形、斷裂或者其他損壞現(xiàn)象。而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下，像機(jī)械設(shè)備中的軸、軸承、連接桿等都是由金屬材料制備而成，且需要長(zhǎng)時(shí)期承受應(yīng)力作用，這就需要這些機(jī)械零部件具備較強(qiáng)的疲勞強(qiáng)度，以延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用時(shí)間，保證生產(chǎn)活動(dòng)的順利進(jìn)行。因此，對(duì)于工業(yè)機(jī)械設(shè)備所使用的金屬材料必須將疲勞性作為重點(diǎn)衡量指標(biāo)。

2 金屬材料的性能與熱處理工藝的關(guān)系分析

2.1 金屬材料的耐久性與熱處理之間的關(guān)系

金屬材料的應(yīng)用需要經(jīng)過(guò)熱處理對(duì)其形態(tài)進(jìn)行加工改進(jìn)，而這個(gè)過(guò)程需要對(duì)金屬材料施加不同程度的應(yīng)力作用。而金屬材料在長(zhǎng)時(shí)間的外力作用或者受外界腐蝕的影響，很容易會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，這就需要對(duì)熱處理應(yīng)力加以控制。在熱處理操作之前，全面測(cè)試了解金屬材料的應(yīng)力與耐久性之間的關(guān)系，以確定科學(xué)合理的熱處理應(yīng)力。這樣在對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理時(shí)就可以準(zhǔn)確控制好應(yīng)力的實(shí)施范圍，以免對(duì)金屬材料造成結(jié)構(gòu)和性能上的影響，保證金屬材料的穩(wěn)定性和安全性。同時(shí)，通過(guò)合理掌握熱處理應(yīng)力與金屬材料的耐久性之間的關(guān)系，也可以有效改善金屬材料自身的耐久性能并加以適當(dāng)處理，以免熱處理后仍然存在不當(dāng)?shù)氖Ｓ鄳?yīng)力對(duì)金屬材料造成不同程度上的損害，進(jìn)而影響金屬材料性能的發(fā)揮[3]。

2.2 材料的切割與熱處理之間的關(guān)系

金屬材料切割也是加工過(guò)程中必不可少的一道工序。對(duì)于切割處理，需要綜合考慮到金屬材料的變形和過(guò)程熱量問(wèn)題。不同的金屬材料具有不同的材質(zhì)，在切割過(guò)程中所產(chǎn)生的變形也有所不同。總體上來(lái)說(shuō)，金屬材料越容易發(fā)生變形越不容易切割，對(duì)操作人員的切割技術(shù)水平要求越高。同時(shí)，金屬材料在切割作用影響下會(huì)產(chǎn)生不同程度的熱量，這就需要借助熱處理來(lái)減少切割熱量的產(chǎn)生。一般是對(duì)金屬材料進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理，這樣在切割時(shí)切割工具與金屬材料之間的摩擦力就會(huì)得到有效緩解，進(jìn)而減少兩者之間發(fā)生粘連的現(xiàn)象，更有利于切割人員對(duì)切割位置和切割力度的掌握，保證切割工作的準(zhǔn)確性和高效性。

2.3 金屬材料的疲勞性與熱處理之間的關(guān)系

在熱處理過(guò)程中，不同的金屬材料經(jīng)過(guò)相應(yīng)的預(yù)處理并在短時(shí)間內(nèi)被冷卻，很容易出現(xiàn)變形或者斷裂等現(xiàn)象。這就需要將熱處理及相關(guān)的加工方式合理配合，并將影響因素控制在合理范圍內(nèi)，如切割溫度、環(huán)境溫度等，以改善金屬材料的抗疲勞性。在全面掌握金屬材料自身特性的基礎(chǔ)上，選擇科學(xué)合理的加熱或者冷卻的處理方式，并在加工處理環(huán)節(jié)選用與之相匹配的加工工具，以保證金屬材料不會(huì)在過(guò)度的熱應(yīng)力作用下發(fā)生變形，最大程度上保障熱處理質(zhì)量[4]。

3 金屬材料熱處理的過(guò)程

金屬材料的熱處理主要是根據(jù)溫度的不同劃分成加熱、保溫和冷卻三個(gè)階段。在實(shí)際的熱處理過(guò)程中，可以同時(shí)包括以上三個(gè)階段，也可以只包含其中的兩個(gè)階段，但是每個(gè)階段之間都需要相互銜接，不能間斷。

加熱階段是熱處理工藝的必要環(huán)節(jié)。現(xiàn)階段，熱處理燃料主要以液體和氣體燃料為主，代替了傳統(tǒng)的木炭或者煤炭等。同時(shí)，電力技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展使得加熱階段的加熱溫度和加熱時(shí)間都能夠得到合理的把控。在加熱階段需要注意的是，金屬材料如果過(guò)度暴露在空氣中會(huì)引起氧化或者脫碳等現(xiàn)象，影響金屬材料的熱處理效果。這就需要對(duì)加熱環(huán)境加以控制，并對(duì)金屬材料采用提料或者包裝等方法進(jìn)行必要的保護(hù)。保溫是在熱處理溫度達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在規(guī)定的溫度下對(duì)金屬材料繼續(xù)加熱，以保障金屬材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能變化按照預(yù)定的變化方向發(fā)展。金屬材料經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的加熱或者保溫處理后需要經(jīng)過(guò)冷卻才能夠進(jìn)入到后面工序。而冷卻階段需要重點(diǎn)把控冷卻時(shí)間、冷卻速度和冷卻方法等影響因素。一般情況下，淬火的冷卻速度最快，正火其次，而退火的冷卻速度則最慢。

4 金屬材料熱處理工藝及技術(shù)

4.1 化學(xué)薄層滲透技術(shù)

薄層滲透技術(shù)屬于一種化學(xué)處理方式，主要是利用金屬材料中不同成分的滲透性能進(jìn)行薄層滲透處理。該方法主要是利用化學(xué)方法來(lái)影響金屬材料自身的化學(xué)特性，以改善其強(qiáng)度和韌性。金屬材料經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理之后不僅能夠減少金屬材料在后續(xù)加工過(guò)程中的材料浪費(fèi)問(wèn)題，而且能夠在一定程度上將部分有毒有害成分禁錮在材料自身內(nèi)部，以避免對(duì)使用環(huán)境造成污染，簡(jiǎn)化了后續(xù)對(duì)于金屬材料的化學(xué)處理過(guò)程，同時(shí)也使得金屬材料的處理和加工成本有所降低，提高金屬材料的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[5]。

4.2 激光熱處理技術(shù)

激光作為一種獨(dú)特的光源，具有良好的穿透性。激光熱處理技術(shù)主要是通過(guò)對(duì)金屬材料的表面進(jìn)行激光照射，利用激光的特性在瞬間改變金屬材料內(nèi)外部的溫度，并合理把控照射時(shí)間，并進(jìn)行相應(yīng)的冷卻處理。這種處理方法的操作效率較高，方便在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬材料硬度的調(diào)整，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4.3 超硬涂層技術(shù)

超硬涂層技術(shù)是一種比較普遍的涂層技術(shù)。其根本原理是在金屬材料表面采用碳化金屬或者氧化金屬涂層進(jìn)行熱處理，以達(dá)到改變金屬材料內(nèi)部特性的作用。超硬涂層技術(shù)能夠明顯改變金屬材料的表面硬度，使其滿足實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)要求。

4.4 振動(dòng)處理技術(shù)

振動(dòng)處理技術(shù)主要是對(duì)金屬材料進(jìn)行振動(dòng)處理，其重點(diǎn)需要把控的就是振動(dòng)強(qiáng)度和振動(dòng)時(shí)間，一方面有效防止金屬材料發(fā)生變形;另一方面主要是對(duì)金屬材料進(jìn)行必要的預(yù)處理，以改變內(nèi)部應(yīng)力。因此，經(jīng)振動(dòng)處理后的金屬材料的熱處理效果更為優(yōu)異，同時(shí)優(yōu)化了熱處理過(guò)程，降低了處理成本。

4.5 熱處理CAD技術(shù)

熱處理CAD技術(shù)是采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和CAD技術(shù)對(duì)金屬材料進(jìn)行預(yù)先處理的模擬試驗(yàn)，這樣能夠在模擬過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的弊端或者隱患問(wèn)題，并實(shí)施針對(duì)性的完善處理，使得金屬材料在實(shí)際的熱處理過(guò)程中能夠得到最好的改善與優(yōu)化。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)等信息性技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效協(xié)助改善金屬材料的內(nèi)部應(yīng)力等性能，提高了熱處理的處理效率，而且也在一定程度上降低了材料的損耗問(wèn)題。

4.6 金屬冷卻方法的選擇

金屬材料的冷卻階段需要根據(jù)材料自身的屬性選擇與之相匹配的淬火方法，其中比較常用的就是單液和雙液淬火方法。雙液淬火方法的冷卻速度相對(duì)較高。雙液淬火方法是在金屬材料溶液達(dá)到350℃的條件下直接將其切換至另外一種冷卻速度較慢的淬火介質(zhì)中，然后逐步冷卻至常溫。該方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)鋮s速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，防止金屬材料因冷卻速度不當(dāng)而出現(xiàn)變形等問(wèn)題。同時(shí)，金屬材料的冷卻控制，還需要操作人員具有專(zhuān)業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平，在熱處理前期準(zhǔn)備階段將各種金屬材料的性能指標(biāo)和處理要求全面熟悉掌握，以方便選用科學(xué)合理的處理工藝，并對(duì)整個(gè)工藝流程進(jìn)行全面的核查，提出科學(xué)準(zhǔn)確的優(yōu)化意見(jiàn)。因此，熱處理工藝方法、處理設(shè)備和操作人員需要全面配合優(yōu)化，才能夠從根本上保障金屬材料的處理質(zhì)量，使其性能滿足生產(chǎn)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，熱處理工藝的使用與優(yōu)化前提就是要對(duì)金屬材料的性能進(jìn)行全面熟悉與掌握，并抓住金屬材料性能與熱處理之間的關(guān)系，選用科學(xué)合理的熱處理工藝。相關(guān)部門(mén)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)金屬材料熱處理工藝的研究與應(yīng)用，以?xún)?yōu)化改善金屬材料的應(yīng)用性能，拓展金屬材料的應(yīng)用范圍。

參考文獻(xiàn)

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