金属材料热处理工艺与技术分析

易 超

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330200）

科学应用热处理技术的主要目的是显著提高金属材料的性能，对有效提高金属材料的利用率具有关键作用和重要价值玩。金属材料的热处理受一些影响因素的影响而扭曲，对金属材料特定用途的某些不利影响这就是为什么要注意深入分析影响热处理的因素，运用科学实用的控制策略，有效降低变形的可能性和可能性，保证金属材料良好的加工性能，有效提高金属材料的利用率[1]。

1 金属热处理工艺概念介绍

金属材料热处理是一种重要手段，对产品进行一定的热处理可以除去在高温状态下进行加工对产品造成的缺陷问题，能够促进内部组织与结构变化，改善材料性能,同时还能够消除化学成分不均匀现象、降低残存在物体内部的应力，使得组织结构和性能更加均匀，而不恰当的热处理，会造成人力、物力的浪费。1863年时，英国钢的内部组织在加热和温度降低时会发生变化，钢中的高温相在淬火时会转变为硬相，英国专家发现钢铁的内部结构会随着温度的冷热变化而变化，证实钢铁在淬火过程中会变得越来越坚硬。渐渐人们也发现在对钢铁等进行热处理过程中，还能够对其形成保护作用，避免被跟氧化合而致使钢的含碳量减少。20世纪60年代，热处理技术利用等离子体场效应发展了离子氮碳共渗和低温渗氮处理。发展至今，热处理工艺多种多样，常被应用的热处理工艺有加热到一定温度并持续一定时间后缓慢温度降低、加热到一定温度后放在水或油或空气中迅速温度降低和表面加热温度降低改变表层力学性能等。对于热处理的概念不能一概而论，它包含着详细的分类。金属热处理工艺大体可分为整体热处理（热处理一般可分为三个环节：一是淬火环节，主要是利用冷却水对轧制后的高温钢材进行急剧降温冷却，使轧件表面形成具有更高强度与硬度的马氏体结构；第二环节是回火，经过淬火后的钢材，其表面温度要低于内部温度，此时钢材内部的热量就会向外部传递，继而使表面温度升高。由于其温升热量来自于钢材内部，因而也被称为自回火；第三是冷却环节，经过自回火后加工，其表面与内部温度逐渐趋于一致，内部的奥氏体经过等温相变，获得最终的金相组织。金属热处理常用的处理方法包括三种：表面热处理、局部热处理和化学热处理。其中表面热处理包含激光和感应加热热处理以及火焰淬火；而日常所说的渗碳、渗氮、渗金属、复合渗等则属于化学热处理[2]。

2 机械金属材料热加工处理实践中遇到的问题

机械金属材料在进行热加工处理的过程中，因为金属材料本身材质性能性质，因为受到的外部的力或者外在环境变化，尤其是温度的高低导致冷热不均情况时，可能会存在断裂变形的状况。通过机械金属材料的热处理，温度的提高会影响金属的状态性质发生变化，从而直接影响金属内在结构变化，尤其是增加提高温度热加工的情况时，机械金属的外部结构发生变化，发生最终的变形塑型。在这个过程中会因为不同的热加工速度和次数而影响机械金属材料的外在变化，也就是说，随着热加工次数的增加而导致金属材料的外在状态发生改变。通常情况下，在金属材料内应力变化中包括热应力和组织应力变形。通过对机械金属材料处理过程中，分别进行相的热效应处理和冷效应处理，经过这样的处理过程，最终的结果就是热应力变形。往往在这个金属材料的处理过程中，通过对加工形式和不同金属材料的添加减少，机械金属材料会在内在性能和外在形状方面产生影响变化。通过实践可以使我们得知，机械金属材料使用性能有所提升，这个提升的过程虽然复杂麻烦，不管是金属的不同种类，还是不同的加工处理方式和加工次数，都是直接影响最终机械金属材料的使用寿命。所以通过收集不同数据进行对比分析，积极申报相关科研课题和完成相关实验，从而使机械金属材料的研究水平有质的飞跃，当然在现实情况中还存在一定的工艺和技术的壁垒，要想突破瓶颈，还需要对机械金属材料的热处理加工过程中积极积累经验和教训，通过经验和工匠精神的发挥，精益求精避免机械金属材料发生外在变形和内在性能降低。通过机械金属材料的处理加工，往往会遇到的问题如下。机械金属材料前期冷处理过程中有残留奥氏体到马氏体的过程转化反应，机械金属材料的体积会导致相应增加。在这时，低温回火工艺和其时效就会发生作用，可能因内应力导致机械金属材料产生外在断裂变形，或者可能因马氏体转化反应分解析出许多碳化物，最终影响金属材料的体积降低。另外就是在热处理淬火过程之前，因为碳化物的数量、锻造所致的金属纤维方向、以及合金元素偏析等方式导致机械金属材料的的相关变化。一般处理方式就是通过调质处理的方式去改变或降低机械金属材料变形量绝对值，通过金属淬火工艺使机械金属材料发生有秩序规律的可控变形，从而形成比较符合要求并满意的最终处理结果。需要强调的是，化学热处理方式对改善金属材料表层性能有着决定性作用，因为金属处理层的厚度问题，会发生不同改变结果。所以处理方式就是在机械金属热处理加工基础上还可以对金属材料进行磨削加工，一定程度上减少金属材料所发生的不确定因素劣性形态发生改变，控制向正态良性变化发展。

3 金属材料热处理工艺与技术

3.1 减少热处理产生的残余应力

热处理过程中由于塑性变形产生残留的应力，因为不能完全消除，会破坏金属材料表面的保护膜，残余应力值越高表现出有害就越大，会降低试样的实际抗拉强度或屈服强度，还会降低疲劳极限，缩短试样寿命造成脆性断裂。残余应力会导致试样在淬火时因热膨胀而产生应力集中，试样可能因而产生严重变形或开裂，为了避免热处理失败，就要求炉内温度温差不能超过±20℃/小时，保温时间不宜过长和过快，在热处理升温过程中要有缓慢升温阶段，也要有缓慢冷却阶段，这种方法是消除残余应力的有效方法。对此类有缺陷的试样也可以在热处理之前预先采取适当的修复措施。

3.2 保障冷却的科学合理性

金属材料热处理过程中发生变形以及出现开裂的质量问题，主要是在具体的操作过程中没有注重质量的有效控制，所以在实际热处理工艺的落实中，要能从不同的角度出发进行优化，从整体上提升冷却的质量。金属热处理要和材料的性质相结合，针对性选择相应的冷却方法，避免受到冷却因素的影响而发生变形的问题。热处理中有双介质淬火以及单介质淬火和马氏体分级淬火等方式，操作人员要对各种淬火的方式以及优势能有充分的了解，在冷却的环节要针对性选择淬火的方式来保障热处理的整体质量，只有从这一环节加强质量的有效控制，才能有助于提升热处理的整体质量。如双介质淬火的方式快速冷却，萍火零界温度能迅速降到300弋，在两三分钟保温处理后放在低冷却速度介质中二次冷却处理。而采用单介质淬火的方式是通过在一种冷却介质中冷却淬火零件的方式，在操作上较为简单化，但是容易造成材料变形以及开裂的问题。如下图的相关金属材料尺寸的处理，在实际处理工作的落实当中，结合材料处理的需要针对性选取了冷却的方式，保障了材料处理的质量。

3.3 有效加工

热处理环节往往会牵涉到机械加工，需要采用夹具进行辅助处理加工，在保证淬火合格率的前提下，要注意留有夹具的余量，这样能有效保证经过热处理后的金属工作的质量；除此之外，为处理金属材料的变形提供保证，在加工时，要对夹具进行合理选择，对加工作业人员进行相应的技能培训，提升其专业技能水平以及质量意识，对金属材料的变形规律有正确的认知，确保其在加工过程中作业规范，以降低热应力不均衡而造成金属材料变形的几率。

3.4 运用机械化加工技术

针对金属材料，进行热处理期间，工序顺利存在明显的固定性特点，不过，由于材料性质具有显著的差异性，因此，对于性质各不相同的金属材料，热处理工作所对应的工序同样也会存在相应的差异。针对大多数金属材料加工，热处理属于非常关键的工序，不过，由于部分金属材料存在明显的特殊性，因此，热处理工序效果也会受金属材料影响。机械加工处理的运用，对余量处理具有非常显著的效果，对于加工工序，也会制定相应的变形范围，针对加工处理之后的材料，若超过变形规定范围，则需对变形的具体原因进行分析判断，并运用合理有效的处理措施，对变形做出妥善解决。

3.5 金属材料表面的氮化复合处理

传统的金属材料表面氮化复合处理，是将温度控制在520℃～560℃之间，在材料的选择上通常以氯化钡、中性氯化钠为主。在含有氰化物和氰酸盐中完成操作，利用熔盐中氰酸盐的分解以及化学反应所形成的氮，从而对在熔盐中的金属工件表面进行氮化处理。复合处理是根据“淬火——抛光——淬火”基本流程来命名的，复合处理技术曾经是我国重点研究的项目之一，主要是因为其具有良好的实施效果，表现在以下几个方面 ：第一，具有良好的耐磨性。复合处理能够有效提高金属工件使用寿命达2倍以上，在疲劳强度方面也能够提高40%左右。第二，具有良好的抗蚀性。经复合处理技术后的金属工件相比较发黑处理的金属工件在大气和盐雾中抗蚀性提高70倍左右。第三，变形度较小。复合处理技术能够保证金属工件无变形，变形在0.005mm左右，这几乎是可以忽略不计的。第四，节能效果非常理想。不仅在环保性能上十分优越，同时对技术处理的要求温度角度，能耗较低，且无公害[2]。

4 结语

金属材料是现代工业、建筑、农业、船舶制造、国防及科学技术等部门使用最广泛的材料，来源丰富、性能优良、品种多、性能各异，能满足各行各业不同的要求，但如果金属材料在热处理过程中质量控制不过关，导致金属材料变形以及其它问题的产生，就会使得所制造的零件不能满足产品使用要求，或是影响整体的使用，甚至可能会造成重大的经济的损失。所以，必须采取有效的控制手段预防金属材料在热处理中发生变形现象，一是要加强对热处理工艺的研究，不同的金属材料匹配相应的热处理实施工艺；二是对热处理过程进行全面的监控，确保温度、时间、操作规范；三是加强对生产人员的专业技能的提升，确保其技术水平与质量意识适应新时代发展下对金属材料生产加工的高要求。除此之外，还要通过合格的检测手段，依据可靠性和适用性的原则选择合适的方法，准确获取金属材料的成分、组织、性能，从而达到高效、准确的检验目的，并在此基础上通过不同的加工方法，使金属材料的某些性能获得进一步的改善，从而扩大其使用范围，更好地为人民的生产生活服务[3,4]。