金属材料热处理工艺与技术分析

马飞 强歆 于媛

摘 要：金属材料具有塑性好、韧性强、耐腐蚀性好和强度高等性能，能够在很多领域中发挥重要作用。为了使得金属材料发挥更好的应用效果，使用热处理工艺对其进行处理，有助于进一步提高金属材料的综合性能。文章主要分析金属材料热处理工艺和技术，首先对金属材料及热处理工艺进行简要分析，然后分析热处理工艺对金属材料的影响，只有使用科学、合理的热处理工艺，才能使得金属材料的综合性能更加完善。文章还分析了几种金属材料热处理技术，比如激光热处理技术、热处理CAD技术、真空热处理技术等。随着科学技术的发展，热处理技术变得更加先进和完善，对金属材料进行加工处理将会具有更好的效果。

关键词：热处理;金属材料;工艺和技术

中图分类号：TQ050.4+1 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0017-04

Abstract：Metal materials have the properties of good plasticity， strong toughness， good corrosion resistance and high strength， which can play an important role in many fields. In order to make the metal materials exert better application effects， the heat treatment process is used to treat them， which helps to further improve the comprehensive performance of the metal materials. Therefore， the paper mainly analyzes the heat treatment process and technology of metal materials. First， it briefly analyzes the metal materials and heat treatment process， and then analyzes the effect of heat treatment process on metal materials. Only by using scientific and reasonable heat treatment process can the comprehensive performance of metal materials be more perfect. . The paper also analyzes several metal material heat treatment technologies， such as laser heat treatment technology， heat treatment CAD technology， and vacuum heat treatment technology. With the development of science and technology， heat treatment technology has become more advanced and perfect， and processing metal materials will have better results.

Key words：heat treatment; metal materials; process and technology

在国民经济中工业生产一直占据着非常重要的部分，涉及到人类生活的方方面面，在社会的快速发展过程中，工业生产也在不断发展，并且也带动了其他行业的发展，比如有色金属行业等。当前，有色金属的开发和利用越来越多，所以推动了热处理技术快速发展，使其变得更加完善和成熟[1]。由于热处理工艺和技术直接决定着金属材料的物理性能，如果在使用过程中，其工艺和技术存在问题，那么就会降低金属材料的耐久性、抗疲劳性、硬度等，使得所生产的产品不符合质量要求，将会增加企业的制造成本，还会存在安全事故[2]。所以需要严格控制好金属材料热处理工艺和技术，用其增加金属材料的综合性能。

金属材料热处理工艺和技术在不断完善的过程中，不仅能够增加生产产品的质量，降低企业生产成本，而且还有助于保护环境、节能减排，正好符合当前人类节能环保的理念[3]。于是研发和创新金属材料热处理工艺和技术值得各个相关研究者的重视，在应用过程中，需要严控管控好热处理的各个工艺环节，从而增加热处理技术的水平。基于此，文章将主要分析金属材料热处理工艺和技术，以供相关研究者参考。

1 金属材料的分类

在生产和生活中，金属材料作为一种常见材料能够发挥重要作用。因为该材料具有很好的刚度、硬度和强度，而且还具有很好的导热性和导电性，另外，其韧性和可塑性也较好，所以在不同领域中能够发挥重要作用，并且很多领域中已经离不开金属材料的作用。金属材料的种类有很多，不同材料的性能也会存在差异，总体上金属材料可以分为3类，分别为黑色金属材料、有色金属材料和特种金属材料，这3种材料如下[4]。

（1）黑色金属材料。这种材料就是我们身边非常常见的一种钢铁材料，比如含碳量大于2.11%的鑄铁、含碳量在0.0218～2.11%之间的钢，还有工业纯铁，广义上的黑色金属材料还包含锰、锘及其合金[5]。

（2）有色金属材料。这种材料就是除了铁、锰、锘以外的所有金属及其合金，这种材料的主要特点在于具有更好的强度和硬度，而且还具有电阻温度系数小的特点。有色金属材料下面有很多不同类别的材料，比如重金属、稀有金属、贵金属、稀土金属、轻金属等等[6]。

（3）特种金属材料。这种材料包含具有特定的用途，主要包含两大类，分别为功能金属材料和结构金属材料。当前在很多领域中广泛使用的纳米材料，经过融合纳米技术，使得金属材料改变原来的化学性能和物理性能，从而具备更高的综合性能，比如较强的抗疲劳性能、强度等[7]。

2 金属材料的主要性能

金属材料因其性能优异，所以在很多领域中具有重要作用。比如具有塑性好、韧性强、耐腐蚀性好和强度高等性能，3种金属材料的主要物理性能如下：

（1）金属材料的硬度性能。金属材料在应用过程中，其硬度性能主要表现出来的是抗击能力。硬度属于金属材料显著的物理性能，并且也是衡量金属材料物理性能的重要指标。如果金属材料的硬度越大，那么将会具有更好的抗击能力，其应用性能也将更好。

（2）金属材料的耐久性。金属材料在长时间的使用过程中，会受到各种环境问题而导致其性能降低，金属材料的耐久性就是能够抵抗环境对其影响，从而能够继续保持其使用性能的能力。一般情况下，金属材料抗腐蚀性和耐久性之间有必然联系，因为金属材料受到外界作用会出现腐蚀现象，当腐蚀现象比较明显时，则说明金属材料的耐久性较差，反之，如果金属材料的耐久性较强，则材料的抗腐蚀也较强，金属材料的使用寿命也将更长。

（3）金属材料的疲劳性。疲劳性指的是金属材料在长期的工作过程中，会受到连续不断的交变荷载，没有出现明显变形，但是会突然发生断裂或者损坏的现象，这种现象的发生并不是因为金属承受能力已经达到了临界点，而是因为金属材料经过长时间的连续外力影响下而发生的损坏或者断裂情况。

在金属性能中疲劳性也属于一个重要的衡量指标。因为在实际的应用过程中，机械设备中的轴承、连杆之类的金属零部件都会发生疲劳失效的情况，如果金属材料非常容易出现这种现象，那么将会影响企业的生产效率和生产成本。于是如果金属材料需要应用于长期应力工作环境下，那么一定要增强其抗疲劳性能，才有利于增加工件的使用周期。

3 金属材料热处理简介

3.1 金属材料热处理的定义

金属材料热处理应用于工业生产过程中，其主要定义就是在特定容器中放入金属材料对其进行加热，当加热到规定温度之后，还需要保持该温度持续一段时间，再通过使用不同速度对不同预定介质紧致降温处理，先热后冷的处理方式目的在于是的金属材料表面或者内在的基本组织结构发生变化，是得该金属材料能够符合一定的性能和结构[8]。总之，金属材料热处理就是通过加热、保温、降温等步骤对金属材料进行处理，然后得到预期性能和结构的一种热处理技术。

一般情况下，金属材料热处理工艺可以分为3种不同的处理工艺，分别为整体热处理、表面热处理和化学热处理。每种热处理工艺对金属材料进行加工，其得到的金属内部和表面基本结构将会存在差别，能够实现不同的使用性能要求。所以需要根据金属材料的实际需求选择最为合适的热处理工艺。

3.2 金属材料热处理的过程

在金属材料热处理的定义中已经提出过热处理就是对金属材料进行加热、保温和冷却。其实，在有些情况，其中的保温可以省略。虽然热处理工艺涉及到三个或者两个处理过程，但其中每一个过程之间是互相衔接，不会出现断裂情况。另外，在每个处理过程中还存在很多需要注意的细节部分，热处理的3个阶段进行分析如下。

（1）加热阶段。在热处理工艺中加热属于最为基本的前提条件，并且也是非常重要的处理阶段。传统的加热方式会使用煤炭或者木炭作为燃料，用来提高金属温度，后来科学技术的发展，并且对节能环保的重视程度不断提高，气体燃料和液体燃料被开发，从而广泛的应用到热处理中。如今，在电力技术的大力发展之下，金属材料热处理工艺变得更加的便捷，能够更加方便、灵敏的对加热温度和时间进行控制，所以热处理工艺使用电力技术进行加热，具有跨时代的意义。使用燃料对金属进行加热的过程中，金属会与氧气发生氧化，会与空气发生脱碳现象，为了降低金属材料的负面影响，所以在加热过程中，其加热环境的要求比较高，如今也已经有真空加热的处理方式，同时在加热时也可以是用涂料或者包装方式对金属表面进行保护加热。

（2）保温阶段。当上述加热达到指定温度之后，还需要以一定温度保持一段时间，即保温阶段。在保温阶段需要根据实际的技术规范和标准，设置好保温阶段的保温时间。当然在设置保温时间之前需要有前提条件，即温度要能够得到有效保障和可控制。保温的目的在于促使金属材料发生连续反应，使其内部和外部结构发生变化，从而使得金属材料的性能变得更加稳定和提高。一般情况下，在金属热处理过程中都需要保温階段，只有在特殊情况，保温阶段可以省去。

（3）冷却阶段。热处理工艺中，冷却阶段也属于必不可少的环节，与加热阶段一样，具有非常重要的作用。冷却阶段就是对金属材料进行将温处理，然而在降温过程中并不仅仅直接将温度降下来，还需要使用合适的冷却方法和时间。因为不同的工艺和金属材料，冷却方法和时间不同，将会使得最终的产品质量完全不同。不同的冷却方式主要体现在其冷却速度不一样，一般情况下，正火的冷却速度比较快，退火的冷却速度最慢，淬火的冷却速度恰好与之相反，即冷却速度最快。另外还需要根据金属材料热处理工艺设置好冷却时间。

4 热处理工艺对金属材料性能的影响

金属材料进行热加工处理的目的在于提高其综合性能，所以热处理工艺对金属材料进行处理有利于提高其物理性能，使得金属材料在应用过程具有更好的使用效果。

（1）热处理温度对金属材料疲劳性的影响。当金属材料完成合理的预处理之后，其综合性能就会有明显的提高。其中抗疲劳性能主要会受到热处理温度的影响。例如，热处理工艺在金属材料使用过程中，如果其中的冷却速度没有设置好，将其设置得过快，那么金属材料的温度在段时间内发生骤变，就会存在比较大的应力作用，于是金属材料容易出现断裂等现象，也就是金属材料的疲劳性能将会受到比较大的影响。所以在热处理过程中，工作人员需要严格控制好温度，并且不断对温度进行调整，从而选择出一个最适合的温度提高金属材料的抗疲劳性能。

（2）热处理工艺对金属材料耐久性的影响。由于金属材料在受到持续加热的过程中，然后在突然发生冷却反应，其结构就会发生较大改变，金属材料的自身耐腐蚀也会受到比较大的影响。通过从热处理的应力入手，工作人员首先要了解到金属材料的自身耐久性，然后再确定热处理应力的大小，于是使用这种热处理工艺能够改善金属材料耐久性。确定应力大小时，不能出现剩余应力，不然就会对金属材料耐久性产生负面影响。所以，通过使用热处理工艺，能够对金属材料的腐蚀性造成影响，同时就会对其耐久性造成影响。

（3）热处理预热对金属材料切割的影响。热处理过程中除了会对金属材料的性能造成影响，而且还会影响其切割效果。因为对金属材料进行整体加工时，不可避免的会对金属材料进行切割操作。其中使用的切割工具非常重要，另外工作环境的影响也会非常大。基于此，为了使得金属材料的切割质量有所保障和提高，可以使用预热处理的方式。热处理预热对金属材料切割的影响有两面性，如果进行科学合理的预热处理，可以避免金属材料在切割时使用的刀具和材料之间的粘连现象，那么就会增加材料的切割效率，而且还能够保证金属材料切割的精确度，最终提高金属材料的切割质量;反之使用预热处理时，没有严格按照规范要求进行，那么就会增加金属材料切割的误差，使得切割成品质量不符合要求。

5 金属材料热处理新工艺和技术

随着我国科学技术的不断发展，金属材料热处理工艺得到了进一步发展，技术方面更加的先进，更过的新方法、新工艺不断涌现，使得金属材料能够获得更好的热处理，有助于提高金属材料的物理性能，还有助于提高金属材料的成品质量。下面将对几种热处理新工艺和技术进行简要介绍。

（1）激光热处理技术。这种技术就是通过使用高能量激光束对金属材料进行热处理，因为高能激光束具有非常大的热量，作用于金属表面会使其温度快速上升而达到相变点。这种技术的最大优势在于功率高、激光束密度大，所以在处理过程中，会增加金属材料表面的耐磨性、强度和硬度，使得金属材料具有更好的力学性能，而且还可以增加材料的热处理速度[9]。当前，使用激光热处理技术的主要对象是铸造型板冲压模具，在石油化工、冶金和汽车等领域中使用较为频繁，因为这种技术的生产成本比较高。

（2）热处理CAD技术。该技术属于一种模拟系统，其中主要以计算机作为辅助工具，然后对材料进行热处理工艺模拟，这种技术的主要优势在于通过模拟实际的热处理工艺，从而提高热处理工艺的实际效果，能够降低实际工作失误，提高实验效率。甚至通过该技术能够模拟现实工作不能达到的操作，比如完全退火和等温退火等，能够预防金属材料的变形。热处理CAD技术的具体模拟过程是研究人员首先使用CAD技术还原整个热加工过程，其中包括模拟具体的热加工工序，在设置工序过程中需要综合考虑到金属材料的化学性能、物理性能和热加工的具体要求等，在模拟过程中需要及时将步骤中存在问题的地方进行修改完善。实际上热处理CAD技术就是信息技术和电脑技术在加工领域中的应用，这些技术使得热处理技术生产变得更加高效。

（3）化学薄层渗透热处理技术。顾名思义，该技术是通过使用化学反应的方法对金属材料进行热处理，经过化学反应，金属材料的薄层得以渗透之后，该材料就会在很大幅度上提高其坚韧性。传统的热处理技术是使用燃料进行热处理，然而这种技术打破了传统的处理过程，具有更好的节能减排作用，而且热处理时间快。如今化学薄层渗透热处理技术在实际的生产中已经有着广泛的使用。

（4）振动时效处理技术。在金属材料热加工过程中，振动时效处理技术属于必要部分。因为金属材料进行热处理就会受到机械设备的影响，使其自身发生非常大的振动，金属材料受到较大振动力，就会导致其出现错位或者位移等情况，加工出来的产品就会出现质量问题。所以必须要使用振动时效处理技术，其主要作用在于对机械设备产生的振动进行干预，从而可以降低振动对金属材料的影响，从而提高生产加工产品的精确度和质量。

（5）真空热处理技术。通过燃料加热的热处理技术中，氧气属于不可或缺的物质，于是在有氧环境下进行热处理，金属材料表面会发生氧化作用，就会对其性能造成影响。于是为了解决该问题，伴随着科学技术的快速发展，研究者们实现了真空热处理技术，即在没有氧气环境中对材料进行热处理，避免了金属材料氧化。这种技术的主要优势就是防止金属材料氧化，并且在真空环境下，低压渗透材料能够直接进行高压气淬施工，所以能够缩短热处理流程，提高热处理效率[10]。

6 结语

综上所述，金属材料热处理工艺和技术变得更加成熟，不仅能够提高金属材料的综合性能，而且在一定程度上有助于推动我国工业的可持续发展，并且热处理工艺还能够符合当前人类节能环保的理念，能够降低金属材料的处理成本。我们需要重视的是提高热处理加工效率，并且需要熟知热处理和金属材料之间的关系，熟练掌握热处理工艺和技术，使得金属材料的性能更加优异。随着科学技术、新材料的不断发展，金属材料的应用性能将会更好，我國的工业化发展将会不变得更加完善。

参考文献

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