淺談金屬材料熱處理工藝與技術發展趨勢探索

皮愛民

（中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471000）

1 金屬材料熱處理工藝應用必要性

1.1 改變金屬材料性能

在傳統工業生產模式下，雖然企業借助工業機床設備對金屬生產原材料開展切削作業，可在短時間內加工出適當外觀造型、規格參數的零部件以及工業產品，但卻無法對所使用金屬材料的各項性能質量加以轉變，最終導致所加工零部件與工業產品出現穩定性不足、使用壽命較短等一系列問題，部分工業產品與零部件很難在高強度、長時間使用過程中保持穩定狀態（如所制造各類機械設備等）。通過對金屬材料熱處理工藝的靈活運用，將會實現對金屬材料各項性能屬性的大幅提升，以此提高所制造零部件與工業產品的加工質量、延長實際使用壽命。例如部分金屬材料在長時間存儲、后續使用過程中，受到應力狀況因素影響出現程度不一的腐蝕、開裂問題。而對熱處理工藝的應用，則將大幅降低應力對金屬材料所造成的影響系數，從而實現對金屬材料耐久性的提升（延長實際使用壽命）。此外，應用熱處理工藝后，金屬材料在后續加工、使用過程中將不會出現氧化問題。

1.2 降低金屬材料切削難度

在傳統金屬材料零部件與工業產品加工過程中，由于多數金屬材料的自身硬度系數較高，因此在材料切削過程中，普遍存在切削難度系數大、作業效率低下、夾具不穩、材料與刀具粘連、刀具磨損程度嚴重等問題。通過對金屬材料熱處理工藝的應用，則可通過對金屬材料性能的適當調整，有效解決以上問題，在充分保障加工質量的同時，提高金屬材料切邊精度與加工效率。

2 金屬材料熱處理工藝

2.1 化學滲透工藝

化學滲透工藝是在所處理金屬材料表層結構上覆蓋一層適當成分的化學薄膜，以實現對金屬材料自身柔韌性、硬度系數等性能的優化改善，并采用薄膜滲透形式逐漸對金屬材料表面形態加以轉變與改善，最終實現改善金屬材料性能、降低加工損耗、提高金屬材料實際利用率的處理目的。相比于其他金屬材料熱處理工藝而言，化學滲透處理工藝具有經濟效益高處理經濟成本較低，且會大幅提高金屬材料實際利用率，并且節能環保，無需消耗大量能源和資源開展金屬材料熱處理作業，且不會對生態環境造成污染破壞，工藝流程簡略，所覆蓋化學薄膜僅需壓迫對金屬材料表面形態加以滲透和改善等應用優勢。

2.2 激光處理工藝

激光處理工藝是作業人員使用相關儀器設備，向所需處理金屬材料表面結構上持續照射激光束（適當功率），激光束與金屬材料表面結構在接觸過程中，會持續提高金屬材料表面溫度，當材料溫度提升至一定標準后，將儀器設備關閉，使得金屬材料在熱傳導作用持續影響下在表面結構上逐漸形成一層相對較薄的表層組織，從而實現對金屬材料硬度等性能的有效改善。目前來看，激光處理工藝主要被應用于處理表面結構相對較為堅硬的金屬材料。在應用其他工藝對這類金屬材料開展熱處理作業時，需要消耗較高時間成本與經濟成本以穿透金屬材料表面結構，經濟效益較低。而對激光處理工藝的應用，則可憑借激光束的高度穿透性，在短時間內穿透金屬材料表面結構，對金屬現有表面/內部組織結構進行控制改善。

激光處理工藝的主要應用優勢是高度穿透性、處理效率高（可將激光處理工藝與自動化控制技術加以組合應用）、經濟效益高（無需使用外加材料）、處理效果顯著（可大幅提高金屬材料的硬度、耐磨性等性能）、變形量小（相比其他處理工藝而言，激光束功率密度高，與金屬材料的直接作用時間較短。因此，金屬材料的熱變形量被控制在極小范圍內、適用范圍廣（可應用激光處理工藝對金屬材料與零部件的深孔、盲孔、凹槽等區域選擇性開展局部熱處理）等等。

2.3 涂層處理工藝

涂層處理工藝是對多項涂層技術加以組合應用，在所處理金屬材料表面結構上制備一層具有極高硬度的涂層。從工藝原理角度來看，涂層處理工藝與化學滲透工藝較為相似，無需對金屬材料內部結構進行處理，即可實現對材料性能的有效改善。而應用較為常見的涂層物質成分由碳化金屬、氧化金屬、納米晶、氮化碳、氮化金屬等共同加以構成，結合金屬材料實際熱處理需求，搭配適當超硬涂層物質，將其涂抹在金屬材料表面結構之上，隨后應用濺射、離子鍍等處理技術將所涂抹超硬物質與金屬材料表面結構進行熔合。涂層處理工藝的主要應用優勢與價值在于可針對性提高金屬材料的硬度系數、具有高度發展空間（隨著相關技術的不斷優化完善，涂層處理效果仍存在一定優化空間）、自動化程度高（作業人員可借助自動化控制技術與系統開展金屬材料自動熱處理作業，并實現對金屬處理情況的實時監測），也是當前應用較為常見的一項金屬材料熱處理工藝。

2.4 振動時效處理工藝

振動時效處理工藝是在金屬材料經過固溶處理作業，較高溫度狀態下，通過振動方式將金屬材料所產生內應力進行降低、消除。在有效提升金屬材料屈服強度系數的同時，控制金屬材料變形量，避免材料出現應力松弛以及再分布問題。目前來看，通過對振動時效處理工藝的應用，可將所處理金屬材料的殘余應力降低30%～55%左右，同時也會使得金屬材料的應力峰值出現一定幅度降低（并提高應力分布均勻系數）。與其他金屬材料熱處理工藝相比，振動時效處理工藝具有材料處理效率高、自動化程度高、處理成本低廉、節能環保、抑制金屬變形等諸多應用優勢。

2.5 熱處理CAD工藝

該項處理工藝主要是基于計算機控制系統對金屬材料熱處理工藝過程進行建模計算，提前對金屬材料熱處理過程中各項突發問題的出現概率、所造成影響程度等加以精確預算，在其基礎上對相關工藝參數進行優化調整，從而實現對金屬材料熱處理加工工藝的優化完善、提升處理效果。在金屬材料熱處理過程中，可通過對CAD工藝的應用而實現對金屬材料實時熱處理過程與情況的有效掌握，及時針對所出現問題采取有效預防與解決措施。在開展金屬材料熱處理作業前，可選擇將熱處理CAD工藝與其他處理工藝進行組合應用，以此實現對工藝方案與金屬材料實際熱處理效果二者之間匹配度的優化提升。

2.6 真空熱處理工藝

其應用原理是提前營造一個類似大氣壓的真空氣氛環境（包括低真空、高真空、中等真空以及超高真空），將全部抑或是部分金屬材料熱處理工藝在真空環境下開展，從而實現對金屬材料熱處理工藝的無氧化、無滲碳、無脫碳的發展，同時在金屬材料熱處理過程中，也具有去除金屬材料/工件表面結構所附著磷屑、脫脂去氣等處理效果。相比而言，真空熱處理工藝具有節能環保、處理效率高、工作畸變小、處理效果顯著、工藝操作靈活、工件與金屬材料表面潔凈性高等諸多應用優勢。

3 金屬材料熱處理工藝未來發展趨勢

（1）自動化發展。目前來看，金屬材料熱處理工藝的自動化仍處于發展之中，在處理過程中企業不但需要配置、投入大量人力成本用于開展各項金屬材料熱處理作業，且受到人為因素影響，金屬材料與工件的處理效果受到一定程度影響干擾，缺乏統一處理標準。因此，應重點推動金屬材料熱處理工藝的自動化發展進程，在有效保障并小幅提升金屬材料熱處理效果的基礎上，將傳統處理工藝與自動化控制技術進行組合應用，以實現對金屬材料熱處理效率的提升，以及對處理經濟成本的控制。

（2）無氧化處理。在當前我國金屬材料熱處理工藝研發工作開展過程中，新問世一項無氧熱處理工藝具有極高的潛在應用價值，這一工藝便是可控氣氛技術。在應用可控氣氛處理工藝時，將對所處理金屬材料的表面結構提供有效保護，同時大幅提升處理質量，較為適用于對鋼制品的熱處理。從金屬材料熱處理工藝整體發展角度來看，無氧化處理工藝具有諸多應用優勢，是總體工藝體系的未來主要發展趨勢之一。

4 結語

只有深入研究各項金屬材料熱處理工藝的應用現狀、主要優勢與應用原理，結合工藝應用現狀對工藝未來發展趨勢進行探索展望。才能從全局角度出發，做到對金屬材料熱處理工藝的有效利用，并深入挖掘工藝潛在應用價值，為我國工業領域持續注入新的發展活力。