金属材料的运用和热处理技术

王 磊

青岛工学院，山东青岛 266300

金属材料作为一种热门应用材料，每年全球范围内拥有数以亿计的使用量，金属经过采矿、冶炼、轧制等一系列工艺后广泛应用于个各行业，为了提高金属的工艺性能和产品质量，通常要对金属材料进行热处理。以下简单介绍金属材料热处理的传统技术和新型技术。

1 金属材料的运用

1.1 多孔金属材料的应用

作为一种新兴的功能性材料，多孔金属材料具有渗透性好、耐高温、耐腐蚀等特性，目前在工业领域，通讯领域、国防领域和环保领域有着广泛的应用。

1）过滤与分离

多孔金属良好的渗透性决定其成为过滤器的理想制备材料，多孔金属用作分离媒介，其孔道对固体粒子进行阻流和捕集，对气体或液体进行过滤分离，进而实现其过滤分离作用。多孔金属制成的过滤器还可以用于厌氧细菌的生长、钢铁厂中高炉煤气的净化、原子能工业中硫化床尾气过滤、纺织和造纸业中去除染料颗粒和污水处理、石化行业中排除石油钻井的泥沙等。

2）能量吸收

汽车的防冲挡、宇宙飞船的起落架等能量吸收装置都是利用多孔材料的能量吸收性质，基于这一性质，多孔材料还可以作为燃气轮机等排气系统的消音材料等，展现了良好的消音效果。

3）电极材料

蓄电池、燃料电池、空气电池中的电极大多采用多孔镍制成，用轻质高孔率的发泡沫基板等金属材料代替传统烧结基板可减少镍的消耗，并且提高能量密度。

4）流体分布与控制

石油化工和冶金工业中青铜、镍、不锈钢等烧结成的多孔板作为流体分布板；多孔不锈钢用于控制火箭鼻链体偏航指示仪外壳的冷却液；多孔材料还可用于制作自动化系统中的信号控制延时器。

5）热交换

多孔金属是热交换器和加热器的理想材料，气孔体可作为热交换器和散热器，并且具有较高的效率和使用性能。此外，泡沫钢可以用来制作汽车发动机的排气支管；多孔金属还可以用来制作灭火器。

6）电磁屏蔽

目前电磁波辐射日益严重，信息外漏和信号干扰情况普遍，三维网状的铜和镍空隙之间互相连通，具有电磁波吸收性能，可用于电磁屏蔽，小巧轻便、散热、且屏蔽效果好。

1.2 纳米金属材料的应用

纳米金属材料具有纳米级尺寸的组织结构，具有良好的力学性能和功能特性，在航航天事业中，用于航天飞行器机身以及辅助装置的制造材料。目前，纳米金属材料主要应用于以下几种领域。

1）高硬度和耐磨WC—Co 纳米复合材料

纳米结构的WC—Co 硬度高，且耐磨性能好，目前应经广泛应用于保护涂层和切削工具的制造，工业中，WC—Co 纳米合金的使用量非常大。

2）铝基纳米复合材料

铝基纳米复合材料在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a—Al 粒子，具有极高的强度和抗疲劳性能，通过加工，部分非晶态合金可以转变为晶体，是高强度部件的首选材料。

3）电沉积纳米晶体镍

电沉积薄膜具有柱状晶结构，在350K 时径粒长大，通过加入溶质使其结构稳定，适合用作管材内部的涂覆材料。

2 热处理技术

金属材料经过热处理技术可以提高金属质量性能，增强可塑性，但是材料内部化学组成和化学性质并未发生改变。传统热处理分为基本热处理、表面热处理和化学热处理，随着金属材料与现代科学技术的发展，许多新型热处理工艺相继出现，如真空热处理技术、感应淬火热处理等。

2.1 传统热处理技术

1）基本热处理

基本热处理是通过适当的加热处理改善工件的组织和结构性能，其温度区间变化如图所示。

图1

退火过程是将工件加热到一定温度后，再进行缓慢冷却，从而使工件硬度降低，可塑性增强。正火是将金属材料加热到Ac3 以上温度，此温度下保持一段时间后，将其取出，在空气中冷却。与退火相比，其强度、硬度、韧性较高。猝火是将金属材料加热到Ac3 或Acl 以上某一温度，大于临界冷却速度获得马氏体组织，淬火后必须配以适当的回火工艺，增强工件性能，延长使用寿命，常用的淬火方法有单液淬火、双液淬火和等温淬火。

2）表面热处理

表面热处理主要对工件裹层进行热处理，表面淬火处理前需要进行正火处理或调质处理，然后快速加热使金属材料迅速升温，直至猝火温度，材料内部尚未存在热量传导时，冷却，进行低温回火处理。此时材料表层获得硬而耐磨的马氏体组织，且材料内部性能完好。通常中碳或中碳合金钢材料适合表面淬火工艺。

3）化学热处理

化学热处理是将介质中的活性原子加入材料表面，从而改变材料表面的结构性能，使其抗疲劳性、耐磨性和抗蚀能力增强。化学热处理常用方法有渗碳、渗氮和碳氮共渗等。

2.2 热处理新工艺

1）真空热处理技术

真空热处理是将真空技术与热处理技术相结合，其部分在真空状态下进行的，几乎所有的处理工艺均可通过真空人处理来解决。它是在压强低于一个大气压的条件下，进行气氛控制热处理。真空热处理可以使金属材料表面洁净明亮，改善材料外观的同时提高材料性能。

2）感应热处理

感应热处理是通过电磁感应使金属材料内部产生漩涡，将其加热，工业生产中，通过感应热处理可以提高生产效率，减少能耗、降低成本，减轻污染，所以感应热处理技术是今后的发展方向。

3）热处理新设备

随着热处理技术的发展，许多节能高效的新设备不断更新，如真空加热高压气淬设备。低压渗碳双室高压气淬炉、密封渗碳高压气淬炉、马氏体分级淬火生产线等，这些进设备的产生极大地改善了金属热处理技术，标志着热处理技术的重大进步。

4）热处理新材料

生态淬火剂作为热处理的新材料对热处理的工艺效果发挥重要作用，它是向植物油中加入添加剂，提高热处理工件寿命和渗碳温度。常用淬火剂的有水、盐水、熔盐、冷热矿物油和NiAl 金属键化合物，

3 结论

金属材料由于其优异的性能和广泛的来源使其在全球各个领域得到普遍的应用，具有良好的应用前景。金属材料的热处理工艺是改善金属性能的重要手段，所以我们要不断地进行金属材料和热处理技术的研究创新，不断完善设备功能、控制手段和工艺技术，通过新型热处理技术，促进我国工业，航天、医疗事业的发展。

[1]陈晓洪.金属材料及热处理技术[J].工业技术，2012(9)：15-17.