金属材料热处理技术及其发展要素探索

陈建丽

广东科学技术职业学院 机器人学院 广东 珠海 519090

在机械制造领域中,对于金属材料的选择以及金属材料的加工技术都十分重要,直接决定了工件的质量,同时也代表了一个企业的技术水平。因此,相关研发人员一定要跟随科技发展脚步,结合当下发展现状,根据实际情况,发现热处理技术的不足,进一步优化改良金属材料热处理技术,降低能源损耗,提升行业经济效益,促进我国热处理行业发展未来的发展。

一、金属材料概述

（一）金属材料种类

1.多孔类金属材料

多孔类金属材料的特点是,耐高温、可渗透、抗腐蚀性较强,稳定性高,通常被广泛应用于机械制造过程中。根据其可渗透性,多孔类金属材料经常被用于制造过滤产品,比如空气净化器等过滤设备,过滤效果非常好。其过滤原理是:分解物质中的固体组成部分,有效分离物质中的气体和液体。除此之外,多孔类金属材料还被应用于电池制造过程中,用此类金属材料制造的电池稳定性高,且耗能少,可以有效节能,保障企业经济效益[1]。

2.纳米类金属材料

除了多孔类金属材料,纳米类金属材料也被广泛应用。纳米类金属材料由特殊材料组成,具有特殊的物理学效用,尤其是复合类纳米金属材料,其自身质地较硬,结构稳定扎实,还具有良好的耐磨性,被广泛应用于防护制造领域,如防护涂层制造等。除此之外,其他类型的纳米金属会被用于机械生产,通过对其再次处理,深加工后的纳米金属材料使用寿命较长,使用效果极佳。特别是电沉积类的纳米金属材料,由于其在内部直径增长过程中可以释放溶质,起到加固作用,因此,用此类材料制造的机械产品更加结实耐用,被大量投入生产,用以完善安全防护用具的制造。

（二）金属材料的工艺性能

1.可铸性

金属材料可以经过铸造形成合格铸件的性能即为可铸性,主要包括:流动性、收缩性及偏析。流动性指液态金属充满铸模的能力,收缩性是铸件在凝固过程中收缩体积的程度,偏析指金属在进行冷却凝固时,由于结晶造成的前后差异,导致金属内部成份组织不均匀的性能。

2.可锻性

金属的可锻性指的是,金属材料加压时,随着形状的改变却不会产生裂纹的能力,主要包括:锤锻、轧制、挤压等。金属材料的化学成分组成决定了其可锻性的好坏[2]。

3.可切削性

金属的可切削性是指,使用刀具对金属切削加工成合格工件的难易程度,判断可切削性好坏的方式有:看加工后的金属材料表面的粗糙程度、看刀具的磨损程度、看切削过程的速度快慢等。通常情况下,金属材料质地较硬或韧性较强都很难进行切削[3]。

4.可焊性

金属的可焊性指金属材料对于焊接加工的适应程度,主要包括:结合性能和使用性能两个方面。结合性能就是在一定焊接条件下,金属材料形成的焊接缺陷的敏感性。而使用性能是在同条件下,金属焊接接头对于使用要求的适应能力。

5.热处理工艺性

金属的热处理工艺性是指,通过对金属材料的加热、保温和冷却,使金属的组织结构发生改变,以此来控制材料性能的工艺。金属材料中,含有锰、铬、镍等元素的合金具有良好的钢淬透性。

二、热处理技术概述

（一）热处理技术种类

根据热处理技术升温、降温的差异性,可以将其分为一般热处理和外表热处理、他种热处理几类。一般热处理主要包括:淬火、正火、回火、退火等;外表热处理主要包括:外表淬火、渗氮热处理等;他种热处理主要包括:真空处理、激光热处理等。虽然热处理技术种类繁多,但是其主要环节都分为加热、保温、降温三个方面[4]。

（二）金属材料热处理技术

1.切削

金属材料的切削技术,对于后期产品的档次起到了优化作用。对金属材料进行切削时,根据加工材料、所处环境和切削设备的不同,金属材料的形状也会有所不同。切削前要先对金属材料进行热处理,被广泛应用于产品工具的制造中,完成材料的切削,使其达到预期效果,防止金属材料形状发生太大的变化。

2.断裂韧性

断裂韧性可以用于衡量韧性好坏,代表了材料的抗断裂能力。在金属材料中自身存在很多微裂纹,这些微裂纹很容易受外力作用后发生扩展,导致金属材料断裂。因此,错开金属晶体内部位置,减少错位的数量,就可以有效避免材料出现裂缝,使材料更加坚硬。为了更好地塑造金属材料的韧性,可以强化晶体硬度,有效控制错位现象的发生。与此同时,对材料进行热处理时,需要控制好温度,温度不够或缺少应力,都会难以实现对材料错位的控制。由此看来,适宜的温度,是使金属热处理技术成功的决定性因素。

3.抗腐蚀裂缝

除了金属材料自身存在的微裂纹会使金属产生裂缝外,在固定腐蚀和应力等外界因素的影响下,金属材料也会出现裂缝现象。通常情况下,产生剩余拉力是造成应力腐蚀的主要原因。对金属材料进行热处理后,先升温后降温,导致金属材料的内部组成结构和功能都产生较大变化,应将工件中的应力减少至零[5]。

三、金属材料热处理技术当前存在的问题

（一）缺乏高级技术专业人才

由于工作环境复杂和工作性质的特殊性,在我国,从事于金属材料热处理技术的高级技术人才非常少。随着科技的发展,对于高科技创新型人才的需求也越来越大,结合我国行业现状来看,大多数从事于金属材料热处理工作的人员,专业水平普遍偏低,整体创新能力不够。由此看来,引进高级技术专业人才,对于我国金属材料热处理技术的发展至关重要。

（二）没有全面贯彻落实可持续发展理念

在进行金属材料热处理的过程中,会产生大量的能源损耗,占据国家资源消耗总量的大部分比例,大大增加了成本造成企业负担。结合目前我国金属热处理行业发展现状,不难看出随着企业规模和数量的扩大,能源损耗也越来越大。因此,为了全面贯彻国家倡导的可持续发展理念,需要加大热处理技术创新力度,满足国家节能环保的具体要求。企业采取一定措施,提高金属材料利用率,节约生产成本,减少对环境的污染。

（三）热处理设备落后、工艺水平偏低

虽然我国科学技术发展进程飞快,但在金属材料热处理方面,仍然存在热处理设备落后和整体工艺技术水平偏低的问题。相关技术还不够成熟,企业投入资金不够导致设备不先进,导致制造工件质量不稳定,还会造成资源的大量浪费,对环境也带来大程度的污染[6]。

四、金属材料热处理技术未来的发展趋势

（一）大力发展多参数热处理和复合热处理工艺

照目前情况来看,以往传统的热处理方式过于单一,已经无法满足我国未来金属材料热处理行业的发展需求,基于此可以大力发展多参数和复合热处理工艺。

1.多参数热处理

（1）真空热处理:主要有无氧化、无脱碳、变形小、无污染、适用范围广泛等优点,作为新型热处理技术,在近几年来发展迅速,且在未来有良好的发展前景。对金属材料进行真空热处理,可以提升工模具和材料结构的使用寿命,主要适用于处理一些精密零件。

（2）化学热处理:诸如渗碳、碳氮共渗和碳氮硼共渗等化学热处理过程,分别属于附加单成分、双成分和三成分的多参数热处理。除此之外还有很多正在发展中的新型化学热处理,比如前文所提到的真空热处理,可以较大程度提升工件成品的耐磨性和耐腐蚀性。

2.复合热处理

复合热处理指将多种热处理工艺和加工工艺复合,从而达成多种工艺处理下的综合效果,制造多种性能良好的最优工件,并提高生产效率,节约能源。

（二）采用新型加热源和加热方式

当前的新型加热源中,高能率热源发展前景较好。高能率热源主要包括激光束、电子束、等离子体电弧等,虽然前景可观,但高能率热处理设备价格非常昂贵,所以暂时还未被大量投入使用中[7]。

（三）采用新型淬火介质、改进淬火方法

当下新型淬火介质主要包括无机物水溶液和有机聚合物淬火剂,有机聚合物淬火剂具有无烟、无臭、无毒、耐腐蚀、冷却性能好等多个优点,可以有效减少工件因淬火发生变形、开裂等现象,可以提高工件的质量,且符合国家节能理念,适用于水淬开裂、变形较大的一些工作,可以说有机聚合物淬火剂甚至会渐渐取代淬火油。

若想达到最好的淬火效果,还应该对现有淬火技术不断进行改良优化,且引进新技术、新方法,比如:高压冷淬火法、强烈淬火法、热油淬火法等等,这些新型淬火技术可以有效加强淬火介质的冷却性,达到最佳淬硬效果,有效减少工件在淬火过程中的变形和开裂现象。

（四）研发新型热处理设备

对于热处理工艺来说,先进的热处理设备可以为工艺打下坚实基础,甚至可以当作判断热处理水平好坏的依据。在进行新型热处理设备研发过程,各处细节要充分结合热处理工艺,尽可能满足当下热处理工作需求,提高热处理炉的生产性能,贯彻国家节能发展理念,提高生产效率,减少生产成本[8]。与此同时,设计研发热处理炉时,要按照国际标准,设计多个品种、多个规格的热处理炉型,还要设立温度均匀性指标和气氛均匀性指标,全面提升我国生产工件的精确性,为国产元器件的质量提供保障,提升企业经济效益,促进我国热处理行业发展未来的发展。

五、结束语

综上所述,金属材料具有硬度大、韧性高、数量丰富等多个优点,在我国各个领域都得到了广泛应用。而随着当前我国科技水平的进步,金属材料热处理工艺水平也随之提升,但为了更好发挥作用,相关工作人员应结合当下发展现状,根据实际情况,发现热处理技术的不足,进一步优化改良金属材料热处理技术,降低能源损耗,提升行业经济效益,促进我国热处理行业发展未来的发展。