金属材料热处理及其发展趋势

金属热处理及其发展趋势

摘要：本文简要介绍了金属材料的概念和几种加工工艺性能，并详细阐述了热处理加工工艺及其发展趋势。

关键词：金属材料；工艺性能；热处理；发展趋势

Metallic heat treatment and development trend Abstract：This paper introduces the conception of metallic material and several properties of process technology in brief, we also states the process technology and development trend of heat treatment in detail.

Keyword：metallic material;processing property; heat treatment; development trend 人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。

随着我国经济市场的日益繁荣，我国的金属材料加工市场也迅猛的发展起来，这就推动了对金属材料进行加工的加工及数额研发和应用。对于加工市场，加工技术的优劣决定了材料的加工市场，也决定着一个加工企业的竞争力。因此，对于金属材料加工企业，了解国内外金属材料加工生产核心技术的研发动向、工艺制备、技术应用对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键[1]。

1. 金属材料的简介及加工工艺性能

1.1. 金属材料

金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。

金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90%以上的工业纯铁，含碳2%～4%的铸铁，含碳小于2%的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等[2]。

1.2. 金属材料的工艺性能

金属的特性是由金属结合建的性质所决定的。金属材料的工艺特性主要表现在以下几方面:

1、铸造性能（可铸性）：指金属材料能用铸造的方法获得合格铸件的性能。铸造性主要包括流动性，收缩性和偏析。流动性是指液态金属充满铸模的能力，收缩性是指铸件凝

固时，体积收缩的程度，偏析是指金属在冷却凝固过程中，因结晶先后差异而造成金属内部化学成分和组织的不均匀性。

2、可锻性能：指金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。它包括在热态或冷态下能够进行锤锻，轧制，拉伸，挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。

3、切削加工性能（可切削性，机械加工性）：指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度。切削加工性好坏常用加工后工件的表面粗糙度，允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。它与金属材料的化学成分，力学性能，导热性及加工硬化程度等诸多因素有关。通常是用硬度和韧性作切削加工性好坏的大致判断。一般讲，金属材料的硬度愈高愈难切削，硬度虽不高，但韧性大，切削也较困难。

4、焊接性能（可焊性）：指金属材料对焊接加工的适应性能。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面的内容：一是结合性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性，二是使用性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使用要求的适用性。

5、热处理工艺性能：是将材料放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的组织结构,来控制其性能的一种综合工艺过程。钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性，即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好，碳钢的淬透性比较差[3]。

2. 金属热处理

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其他加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的[4]。

在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770至前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。

二十世纪以来，金属物理的发展和其他新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计，使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法[5]。

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断[6]。

加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作

为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。

金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热[7]。

加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。

冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。

3. 金属热处理的发展趋势

3.1. 大力发展多参数热处理和复合热处理工艺

传统的热处理，就主要控制的参数而言，多为常压下的温度时间两个参数的热处理；就工艺方式而言，多为单一的热处理。这样热处理的效果也只能是单一化。为此，要大力发展多参数热处理和复合热处理工艺。

3.1.1. 多参数热处理

1. 真空热处理。这是一种附加压力的多参数热处理。它具有无氧化、无脱碳、工件表面光亮、变形小、无污染、节能、自动化程度高、适用范围广等优点，是近年来发展最快的热处理新技术之一。采用真空热处理技术可使结构材料、工模具的质量和使用寿命得到大幅度的提高，尤其适合于一些精密零件的热处理。预计今后随着热处理行业的技术进步和对热处理工件质量要求的越来越高，真空热处理将会有较大的发展。

2.化学热处理。这是一种附加成分的多参数热处理。普通化学热处理，如渗碳、碳氮共渗、碳氮硼共渗等，分别属于附加单成分、双成分和三成分的多参数热处理。近年来，又发展了许多利用新技术的新型化学热处理，如真空化学热处理，流态床化学热处理、离子渗金属、离子注入、激光表面合金化等，均可提高工件的耐磨损及耐腐蚀等使用性能[8]。

3.1.2. 复合热处理

复合热处理是将两种或两种以上的热处理工艺复合，或将热处理与其它加工工艺复合，这样就能得到参与组合的几种工艺的综合效果，使工件获得优良的性能，并节约能源，降低成本，提高生产效率。

3.2. 采用新的加热源和新的加热方式

在新的加热源中，以高能率热源最为引人注目。高能率热源主要有激光束、电子束、

等离子体电弧等。由于高能率热处理的设备费用昂贵等原因，目前我国尚未大量应用，但其发展前景广阔，今后将会成为很有前途的热处理工艺。

在热处理时实现少无氧化加热，是减少金属氧化损耗、保证工件表面质量的必备条件，而采用真空和可控气氛则是实现少无氧化加热的主要途径。

3.3. 采用新的淬火介质和改进淬火方法

无机物水溶液淬火剂和有机聚合物淬火剂是新型淬火介质的发展重点，特别是有机聚合物淬火剂的研究和应用尤为引人注目，其优点是无毒、无烟、无臭、无腐蚀、不燃烧、抗老化、使用安全可靠、且冷却性能好、冷却速度可调、适用范围广、工件淬硬均匀、可明显减少淬火变形和开裂倾向。从提高工件质量、改善劳动条件、避免火灾和节能的角度考虑，有机聚合物淬火剂有逐步取代淬火油的趋势，是淬火介质的主要发展方向，尤其是对于水淬开裂、变形大，油淬不硬的工件，采用有机聚合物淬火剂更是成功的选择。

为了使工件实现理想的冷却，获得最佳的淬火效果，除根据工件所用的材料、技术要求、服役条件等，来合理选用淬火介质外，还需不断改进现有的淬火方法，并采用新的淬火方法。如采用高压气冷淬火法、强烈淬火法、流态床冷却淬火法、水空气混合剂冷却法、沸腾水淬火法、热油淬火法、深冷处理法等，均能改善淬火介质的冷却性能，使工件冷却均匀，获得很好的淬硬效果，有效地减少工件的变形和开裂。

3.4. 研制开发各种新型热处理设备

热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证，直接关系到热处理技术水平的高低和工件质量的好坏。热处理设备的设计制造应与热处理工艺密切结合，热处理设备要能满足热处理工艺的要求，提高热处理的质量；同时，要根据热处理新工艺发展的需要，研制开发新型高效热处理设备，用热处理工艺来促进热处理设备的发展。要不断提高我国热处理设备的设计制造水平，增强自我开发和技术创新能力，这对提高热处理炉的性能、节约能源、提高生产效率、降低工艺成本，是十分重要的。热处理炉型要多品种、多规格，并尽可能采用相应的国际标准，要有温度均匀性指标(对于可控气氛炉还要有气氛均匀性指标)，要提高国产元器件和检测仪表的精确度和可靠性，加强产品的质量检验，从而提高热处理行业的整体水平和经济效益[9]。

4. 小结

我国的热处理技术已得到了长足的发展，在热处理的基础理论和某些热处理新工艺、新技术研究方面已达到国际先进水平，但在热处理生产工艺和热处理设备方面还存在较大的差距，主要表现在少无氧化热处理应用少、产品质量不稳定、能耗大、污染严重、管理水平低、成本高。目前在我国工业生产上大量应用的还是常规热处理工艺，今后仍将占有重要的地位和相当大的比重，但正在日益改进和不断完善。要以少无氧化加热、节能、无污染和微电子技术在热处理中的应用为重点，大力发展先进的热处理成套技术，利用现代高新技术对常规热处理进行技术改造，实现热处理设备的更新换代，全面提高热处理的工艺水平、装备水平、管理水平和产品水平，这对于改变我国热处理技术的面貌，赶上工业

发达国家的先进水平，将起到积极的促进作用。

参考文献

[1] 姜锡山.特殊钢金相图谱[M].北京:机械工业出版社，2002, 179.

[2] 束德林.工程材料力学性能[M].北京:机械工业出版社，2003, 14.

[3] 宋丹娜，白艳英，于秀玲.浅谈中国不锈钢产业的现状及可持续发展[J].四川有色金属，2009(1): 1-5.

[4] 王一德，徐芳泓.铁水为主要原料的不锈钢冶炼新工艺的开发.

[5] 樊东黎.论我们热处理的技术改造[J].金属热处理，1998(7): 28.

[6] 李键.要重视发展热处理清洁生产[J].金属热处理，1998(7): 25.

[7] 刘晔东.热处理变形浅析.机械工人：热加工. 2007年10期.

[8] 雷声.齿轮热处理变形的控制.机械工程师. 2008年5期.

[9] 魏强、刘晓清.热处理淬火变形的控制. 汽车工艺与材料.2008年7期.