淺談金屬表面高強度耐熱處理的意義及相關辦法

王添逸

通標標準技術服務（天津）有限公司，中國·天津 300000

1 引言

金屬表面耐熱處理技術是指在不增加或不增加太多成本的情況下，以科學合理的方式對工件表面進行保護與強化，讓工件的性能質量達到標準要求，使工件的使用壽命得到延長。下面對金屬表面高強度耐熱處理的意義進行分析。

2 金屬表面高強度耐熱處理的意義

在生產與制造金屬材料的過程中，為了能使金屬工件具有更優良的化學性能、物理性能及力學性能，一般都會對金屬工件進行熱處理。熱處理以不改變金屬工件整體的化學成分與形狀為前提，通過改變工件內部顯微組織，或者是工件表面化學成分，讓工件性能質量得到改善，使用性能達到標準要求[1]。熱處理帶給金屬工件的變化非肉眼可見。金屬工件表面原始內部組織圖見圖1。

圖1 金屬工件表面原始內部組織圖

通常情況下，金屬鑄件的熱處理工藝有低溫退火、完全退火、正火、淬火后回火。在整個金屬工件制造工藝中，熱處理可以在中間進行，也可在最后進行。

如果將熱處理作為一道中間工序，起到的作用是改進金屬工件的切削性、鍛造性等加工性能；如果將熱處理作為最后的工序，起到的作用是改善金屬工件化學性能、物理性能、力學性能等多種性能，讓最終的制品滿足規定要求。研究與實踐證明，較之機械加工等其他處理方式，熱處理在改善金屬工件內部細微組織、改善工件物理、化學性能方面更有奇效。如各種鋼材在經過正火處理后，內部組織會更加細致均勻，力學性能也會大大提升。調質鋼在生產制造過程中常常需要經過淬火、高溫回火等熱處理工序，這樣能夠保證最終的制品有較好的力學性能[2]。

3 金屬熱處理工藝概述

在對金屬進行熱處理時，需按照加熱、保溫、冷卻的順序進行。在某些情況下（如金屬比較特殊或對金屬制品有特殊要求），只需要進行加熱與冷卻。熱處理過程中，加熱、保溫、冷卻三道工序必須環環相扣、緊密銜接，不能間斷[3]。

加熱是金屬表面熱處理工藝中非常關鍵的一步，在加熱時要依據專業理論與標準要求設計好加熱時間、加熱溫度，否則熱處理可能難獲得理想的效果。適用于金屬熱處理的加熱方法較多，如以前有木炭加熱法、液體加熱法等，現在用得最多的是電加熱法。電加熱溫度與時間都易控，且能源充足，清潔無污染，是比較理想的加熱方式。加熱時，可直接使用上述熱源對金屬工件進行加熱，也可通過熔融的鹽或金屬，以至浮動的粒子進行間接加熱。在對金屬表面進行加熱處理時，若金屬暴露在空氣中，就容易發生氧化反應，對金屬工件產生一些不好的影響（如導致金屬工件表面碳含量降低）。所以，在加熱金屬工件時，要盡可能在保護氣氛或可控氣氛中進行。金屬熱處理工藝中，加熱溫度是一項非常重要的參數，加熱溫度直接影響熱處理效果，影響金屬工件性能。在熱處理工藝中，加熱穩定并非恒定不變，加熱溫度隨著熱處理材料、熱處理目的的變化而變化。但這里有一個通用的規則，就是不論處理怎樣的金屬工件，都需將溫度增加到相變溫度以上[4]。同時由于組織的轉變需要一定時間，所以金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還需在此溫度保持一定時間，使內外溫度一致，讓顯微組織完全轉換。這段時間也就是常說的保溫時間。需注意的是，如果熱處理時是使用高能密度加熱法，加熱速度就會極快，保溫時間會縮到很短，甚至沒有保溫時間。在這種情況下更需要控制好實際的加熱溫度，以保證最終的熱處理效果。

熱處理工藝中，冷卻也是一個非常重要的步驟。金屬表面熱處理中的冷卻方法主要由熱處理工藝決定，工作人員需重點關注冷卻速度，要精準計算，嚴格控制冷卻速度。

4 金屬表面高強度耐熱處理具體做法

對金屬表面進行高強度耐熱處理時，時間、溫度是最為重要的影響因素，時間與溫度的調節控制情況直接關系到金屬表面的熱處理效果，影響金屬工件性能質量。在不同的處理條件以及工藝要求下，熱處理溫度與時間也存在差異。在采用熱處理技術對金屬表面進行處理時，工作人員要能熟悉掌握各種規模產品加熱過程中的各種參數，同時找到各參數與裝爐方式、金屬工件尺寸等之間的關系，在此基礎上制定科學合理的熱處理方案，獲得最為理想的熱處理效果。

4.1 大型金屬工件表面高強度熱處理方法

在處理大型金屬工件表面時要注意以下技術要點：大型金屬工件具有尺寸大、組成復雜等特點，熱處理工藝難度較大。為避免大型金屬工件表面在經過熱處理后性能質量仍不滿足使用要求，在具體的處理過程中需要針對以下技術要點做詳細控制：

第一，掌握好熱應力。研究表明，大型金屬工件表面熱處理過程中的熱應力會對熱處理質量產生直接影響，當熱應力過大時，金屬工件的內部組織有可能會受到損壞，為此在處理過程中要對熱應力進行控制，使熱應力不超過組織應力。

第二，在熱處理中，熱應力的控制主要通過調節處理溫度來實現。在熱處理工藝中，溫度參數一般需要經歷均溫、升溫、再均溫、升溫的過程。處理過程中，設定的初次均溫溫度不能超過400℃，第二次設置的均溫溫度保持在680℃左右。調整溫度時對升溫速度進行控制，避免出現突然升溫或降溫情況，要為大型金屬工件表面熱處理效果加以保障。結合以往實踐經驗可知，對大型金屬工件表面進行熱處理時有可能會出現二氧化物過度溶解問題，金屬工件表面也會因此出現裂紋[5]。熱處理中的二氧化物溶解問題多是由于高溫引起，當處理溫度過高且高溫持續時間也較長時，金屬工件中的錳元素就會脫離產品，當熱處理進入淬火階段時，產品難以形成單一的純奧式體組織，金屬工件也就會出現裂紋。為此在對大型金屬工件表面進行熱處理時要能合理控制溫度大小同時調整高溫持續時間，以免高溫對工件的內部組織產生損壞，使金屬工件性能質量嚴重下降。

4.2 中型金屬工件表面熱處理方法

中型金屬工件整體的厚度也較大，在對中型金屬工件表面進行熱處理時，重點是要控制裂紋問題，當裂紋問題嚴重時，很難得到單一的奧氏體組織。因此，在加工過程中需要合理調控溫度參數，控制好高溫時間，防止出現嚴重的裂紋問題。處理過程中，要在淬火工藝之前要調控溫度使溫度處于恒溫狀態。按照相關的技術標準要工藝要求，在進行淬火工藝之前要使均溫系數保持在1.5min/mm 左右。中型金屬工件入爐后就需根據后續的加工需求再對溫度系數進行調整，確保最終的處理效果能達到預期水平。另外是在升溫前要保證加熱均勻，在達到淬火溫度后然后調控溫度使其處于保溫狀態，高溫保溫系數控制在0.8min/mm。

4.3 小型金屬工件表面熱處理方法

小型金屬工件體積小，厚度也較小，在進行熱處理時需要掌握的影響因素也相對較少。對小型金屬工件表面進行熱處理時，需保證入爐溫度不超過745℃，在進行升溫調控時依舊需要控制升溫速度，避免對金屬工件產生負面影響。在熱處理過程中，將保溫系數取1.45min/mm 左右。在保溫狀態下時，對金屬工件表面進行加熱與淬火操作，穩步提高金屬表面性能。

5 結語

綜上所述，熱處理技術是當前一項比較先進有效的金屬處理技術，在機械制造中發揮著重要作用。研究與實踐證明，科學運用熱處理有利于優化金屬工件化學性能、物理性能、力學性能，提升金屬工件應用價值，延長金屬工件使用壽命。為此，在對金屬表面進行高強度耐熱處理時，要嚴格按照技術標準與待處理金屬工件的特征特點，科學設計各項參數，規范管理處理過程，讓熱處理工藝充分發揮出作用。