金屬材料熱處理工藝以及技術發(fā)展趨勢探索

苑大偉

（山東鋼鐵集團日照有限公司，山東 日照 276800）

金屬材料的熱處理工藝技術是在不斷發(fā)展變化的。在我國的工業(yè)化發(fā)展中，金屬材料的熱處理工藝是一項常見的技術手段。熱處理作為優(yōu)化金屬材料內部顯微組織性能的工藝手段，可以提高金屬內部材料的物理和化學性能。但是金屬材料的熱處理工藝也會影響金屬材料的本身以及所制作產品的質量，更有甚者會產生環(huán)境污染。當前的熱處理技術就是隨著科技的不斷發(fā)展來減少這些問題的發(fā)生。本文就是基于金屬材料熱處理技術進行論述。

1 金屬材料簡述

1.1 金屬材料含義及特征

所謂的金屬材料就其外延來說，是材料的一個種類。金屬材料一般分為有色金屬和黑色金屬和特種金屬材料三種。我們所熟悉的鋼鐵材料和合金等都屬于金屬材料。從其組成上講，金屬材料就是由金屬元素或者說主要以金屬元素構成的并且表面有光澤，其內部組織具有延展性，可以導電和傳熱的材料。在各個時代發(fā)展工程中，金屬材料是不可或缺的。金屬材料的大規(guī)模使用也是進入工業(yè)化時代的標志性象征之一。金屬材料具有高強度，可塑性，耐熱和耐寒，鍛造性強，具有導熱性，導電性等特征。是工業(yè)發(fā)展和生活方方面面不可缺少的材料。

1.2 金屬材料性能及用途

金屬材料具有硬度，耐久性和疲勞性等主要性能。所謂硬度主要是指金屬材料的抗擊能力,是衡量金屬材料物理性能的重要指標，硬度與材料的性能呈正相關的關系。耐久性是指金屬材料在使用過程中對外界環(huán)境的抵抗能力，一般來說耐久性越強材料的抗腐蝕能力也更強，那么該材料的使用時間也會更久。金屬材料的疲勞性主要是指材料在長期使用過程中出現(xiàn)的變形或損壞現(xiàn)象，這種情況下該金屬材料的使用壽命也就達到了極值。金屬材料在生產生活中隨處可見，不同的金屬材料以其獨特的性質會在不同的領域發(fā)揮作用，例如多孔金屬材料一般應用在車輛工程和機械工程領域[1]。

2 金屬材料熱處理工藝概述

2.1 熱處理工藝的必要性

金屬材料的熱處理主要是將金屬材料放置于某種中介物中進行加熱，使其達到合適的溫度，再冷卻之后再不同速度和不同介質下進行冷卻，這個過程主要是改變金屬材料內部的組織以其改變某方面的性能，使其達到適合應用的狀態(tài)。簡單來說就是通過一系列的步驟使其達到預期的性能與結構狀態(tài)。可以說金屬材料的熱處理工藝技術是改變材料性能的主要方式，經過熱處理后的金屬材料性能將大大提升。傳統(tǒng)的金屬材料有硬度大的特點，很難進行切割而熱處理技術就降低了金屬材料的切割難度。金屬材料的熱處理工藝就是使金屬材料能夠長久應用的重要手段。

2.2 傳統(tǒng)與現(xiàn)代化的熱處理工藝

傳統(tǒng)的金屬材料熱處理只是簡單的堆制成高溫的火爐進行鍛造，據(jù)學者的研究顯示，金屬材料的熱處理早在1400年前就已經運用于提高鋼鐵兵器的硬度[2]。傳統(tǒng)的熱處理工藝是經過退火、正火、淬火和回火四個步驟組成。從2000年開始，金屬材料熱處理工藝技術的研發(fā)和專利數(shù)量才逐漸增加。隨著科學技術與工藝技術的不斷進步，金屬材料的熱處理工藝逐漸增加了技術種類，針對不同的金屬材料處理要求可以采用不同的熱處理技術。

（1）激光處理技術。激光熱處理技術帶有鮮明的時代技術特性，隨著激光技術的不斷發(fā)展，因其高度的激光穿透性能而被廣泛使用。使用激光束照射金屬表面，激光的熱度在短時間內可以達到很高，其冷卻時間也相對較短。激光熱處理技術主要是用于硬度較強的金屬材料。而隨著自動化技術的提升和互聯(lián)網(wǎng)的應用，激光熱處理技術在實際應用過程中主要是靠計算機來控制使用的，可以說已經實現(xiàn)了熱處理的自動化和信息化應用。這種熱處理方式可以使得材料在進行熱處理時可以批量進行生產，也將提高生產和工作效率。

（2）化學處理技術。金屬材料的熱處理工藝中的化學處理技術主要是指化學薄層滲透技術。該技術的操作方式是將化學成分放置在金屬材料的表面，以其滲透性來改變金屬材料的柔韌度以及硬度?；瘜W熱處理主要是用來改變金屬材料的外部形態(tài)，該方法在諸多熱處理技術中操作相對簡單，而且不易造成資源浪費現(xiàn)象。相反，化學熱處理技術就是為了降低金屬材料在實際應用過程中的資源浪費。相對來說，這一處理工藝具有較高的性價比，可以達到節(jié)省能源和生產成本的良好效果。

（3）真空熱處理技術。真空熱處理技術顧名思義就是在真空的狀態(tài)下進行金屬材料的熱處理。這也是目前主流的金屬材料熱處理技術[3]。真空熱處理的前提是要建造出一個真空狀態(tài)的環(huán)境，使得金屬材料的熱處理在這一環(huán)境下進行。這一過程會將金屬材料表面二點鱗屑等材料祛除掉，其熱處理效率也相對較高，在處理過后金屬材料表面的光滑度和潔凈程度也保持在較高水平。此外，這一技術還能控制在處理過程中有毒氣體和物質的排放，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢。

（4）涂層處理工藝。涂層處理技術也是現(xiàn)在較為流行的金屬材料熱處理工藝。其中使用最廣泛的是超硬圖層技術，主要是采用多種技術在金屬材料表面進行涂層，可以有效提高金屬表面的硬度。涂抹的材料有多種例如金剛石，氮性金屬和納米結構的物質等等。這種操作方法最突出的優(yōu)勢就在于方便，主要作用于金屬表面，對內部幾乎沒有損害。涂層工藝技術目前也在不斷的發(fā)展當中，其技術的提升將會使得操作更加方便快捷。

（5） CAD熱處理技術。CAD熱處理技術是基于互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展而來的，所謂CAD就是Computer Aided Design即計算機輔助設計這種技術是通過計算機的智能化特性進行機器模擬，模擬金屬材料熱處理的整個過程，將其中可能會引發(fā)的問題進行反饋和實際操作中的調整，再應用到實際操作中。這種技術充分利用了計算機模擬技術的建模和預見性，通過精準的相關參數(shù)對比來優(yōu)化熱處理進程和最終的呈現(xiàn)效果。

3 金屬材料熱處理工藝現(xiàn)存問題

3.1 資源浪費現(xiàn)象

然而在多種熱處理工藝技術的實際應用過程中，還是會出現(xiàn)資源浪費的情況。在金屬材料的處理和制作過程中資源浪費情況是很難避免的，而且不同的企業(yè)運用的熱處理技術也有差別，一些金屬材料資源的缺乏也導致了企業(yè)的成產和操作成本提升，也會造成資源浪費。此外雖然上述的熱處理工藝在某種程度上都有著節(jié)約成本和資源的優(yōu)勢，但是在實際應用中操作不當和不熟練也會造成資源的浪費。

3.2 操作人員專業(yè)技能不足

雖然目前的熱處理工藝操作在不斷的簡化，但是在例如化學熱處理中，相關滲透材料的選取需要工作人員極其細致，否則會造成資源浪費等情況的發(fā)生。此外操作人員如果不具備系統(tǒng)完備的專業(yè)技能，那么其生產出來的金屬材料和金屬產品也將面臨質量不過關的問題。因此對相關工作人員的操作技能培訓和考核就尤為重要。

3.3 材料質量不穩(wěn)定

材料質量不穩(wěn)定的問題也是由于操作不當或者熱處理工藝技術不完善導致的。不同金屬材料的熱處理要求是不同的，在實際操作過程前如果不將操作要求和產品要求了解清楚，那么就會導致所制作出來的金屬材料質量水平參差不一。此外在操作過程中如果不進行動態(tài)的調節(jié)而只是由系統(tǒng)自動化操作也容易出現(xiàn)質量問題。

3.4 技術研發(fā)能力不足

技術研發(fā)能力的不足是在宏觀層面上體現(xiàn)的，雖然目前我國的制造業(yè)和工業(yè)化以及互聯(lián)網(wǎng)的水平逐漸提升，但是在世界范圍內來看，我們的技術研發(fā)能力還相對較弱。金屬材料熱處理的工藝技術手段也不是很多元。在科研上主要是相關的科研院所和高校在進行研究，而作為操作主體的企業(yè)和工廠卻很少進行自主研發(fā)，而且兩者之間的互動和聯(lián)系也較少。

4 基于現(xiàn)存問題的解決措施

4.1 國家政策加大扶持力度

在此基礎上，首先國家在相關的政策上要對金屬材料的熱處理給予支持。雖然我國的金屬材料熱處理技術發(fā)展相對較晚，但是國家要在政策上進行資金和技術的扶持，以進一步推動我國金屬制造業(yè)的發(fā)展以及相關產業(yè)和技術的進步。此外要將政策落到實處，不能只是高屋建瓴。

4.2 企業(yè)為主體向國外學習

企業(yè)是熱處理操作的主體，企業(yè)應該意識到自身的地位要積極主動地向國外的相關企業(yè)學習其先進的熱處理技術和設備。積極進行企業(yè)之間的交流和合作，定期組織相關人員外出考察和交流，在管理上也可以學習國外的先進經驗。

4.3 產學研結合加快技術研發(fā)

針對我國熱處理技術研發(fā)多在高校的情況，應該加快產學研一體化建設。推動企業(yè)的研發(fā)人員提高自身的科研能力和專利數(shù)量與質量。加強企業(yè)同科研院所的交流與合作，雙方可以進行聯(lián)合研究，將理論與實際操作相結合。此外企業(yè)還應該對其工作人員定期進行專業(yè)操作技能的培訓與考核，定期搜集工作人員反饋的問題并進行改進。

5 金屬材料熱處理工藝技術發(fā)展趨勢

5.1 專業(yè)化、垂直化發(fā)展

當前我國金屬材料熱處理工藝技術的發(fā)展呈現(xiàn)出專業(yè)化，自動化和垂直化發(fā)展的趨勢。針對現(xiàn)在工藝技術中存在的問題有針對性的進行改造。自動化是企業(yè)都追求的特性，自動化程度越高也將使得企業(yè)的生產效率不斷提升，垂直化和專業(yè)化的發(fā)展是指未來的金屬材料將會朝著統(tǒng)一的標準操作。

5.2 可控氣氛熱處理技術

當前備受行業(yè)關注的技術之一就是可控氣氛熱處理技術。這種技術將會保護金屬熱處理的操作過程，將會再次提升金屬熱處理的效率，從而提升金屬材料和產品的質量，還可以所以切割改變金屬的尺寸，其操作更為簡單快捷。此外今后還會將特殊分子材料如納米技術廣泛應用到金屬熱處理中。隨著技術的不斷進步，最終將會推動金屬制造業(yè)的發(fā)展，也將相應國家生態(tài)文明建設的要求。

5.3 互聯(lián)網(wǎng)輔助工藝技術生產

互聯(lián)網(wǎng)作為21世紀的標志性技術極大的改變了人類生活的方方面面，在金屬熱處理工藝技術的今后發(fā)展過程中，除了CAD技術的輔助使用，還將開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，云計算等的新興技術功能，將其應用在金屬熱處理操作過程之中。也將進一步推進金屬制造業(yè)的智能化發(fā)展。這也是“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的應用體現(xiàn)。例如可以搭建熱處理過程的虛擬仿真實驗平臺，還可以進行三維建模進行模擬實驗演練，以降低在實際操作過程中的問題出現(xiàn)。

6 總結

綜上所述，金屬熱處理工藝技術對于金屬材料的性能延展和改善具有總要的實踐意義。本文首先從金屬材料的定義以及其特性和應用談起，對金屬熱處理技術的傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代化的幾個主要技術進行詳細的解析。針對現(xiàn)階段出現(xiàn)的問題總結提出相應的改善建議，最后對金屬材料熱處理工藝的發(fā)展趨勢進行展望。相信契合了我國生態(tài)文明建設和可持續(xù)發(fā)展理念大背景下的金屬熱處理技術將會得到長足的發(fā)展。