張均紅

（武漢市漢陽區(qū)武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430050）

金屬材料熱處理實(shí)際上采用特定工藝對(duì)金屬材料進(jìn)行加熱，保溫或者冷卻，改變固態(tài)金屬的形態(tài)，然后在機(jī)械或化學(xué)的作用下，優(yōu)化和改善金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能，從而達(dá)到提高金屬產(chǎn)品制造質(zhì)量的目的[1]。

1 金屬材料熱處理工藝的優(yōu)點(diǎn)

為了達(dá)到提升金屬材料性能的目的，工作人員必須通過對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理加工的方式，在多種方式的淬煉下，降低金屬材料中可能出現(xiàn)的網(wǎng)狀碳化物等雜質(zhì)，然后通過對(duì)金屬材料顆粒的細(xì)化，消除金屬材料的內(nèi)應(yīng)力，促進(jìn)金屬材料強(qiáng)度與韌性的全面提升，才能發(fā)揮出金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的效果。通過對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理，幫助金屬材料塑形，然后在熱應(yīng)力與重力勢(shì)能的雙重作業(yè)下，破壞原子結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到降低金屬材料塑型難度的目的。另外，由于針對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理不僅有助于金屬材料使用壽命的延長，提高了金屬材料的力學(xué)性能，而且最大限度的避免了因?yàn)榻饘俨牧媳砻娉霈F(xiàn)損傷或者局部塑性形變等問題的發(fā)生，導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)斷裂的問題，降低了工業(yè)生產(chǎn)的成本，促進(jìn)了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的穩(wěn)步提高。

2 金屬材料熱處理主要工藝

如果根據(jù)金屬材料熱處理部位不同分類的話，金屬材料的熱處理可以詳細(xì)的氛圍表面熱處理與整體熱處理兩種。①表面熱處理。所謂表面熱處理就是只需要對(duì)金屬零部件表面進(jìn)行加熱，然后對(duì)零部件進(jìn)行熱處理的一種工藝方法。表面熱處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用的過程中，要求操作人員必須嚴(yán)格的按照要求控制零部件加熱的過程，避免熱量傳導(dǎo)至零部件的內(nèi)部。②整體熱處理。整體熱處理主要是通過對(duì)零部件整體加熱的方式，改變零部件表層的力學(xué)性能。比如，操作人員如果采用火焰淬火或者電感應(yīng)等方式作為加熱源加熱的話，促使金屬零部件的表層或者局部在短時(shí)間內(nèi)即可達(dá)到工藝處理要求的溫度。工作人員在進(jìn)行金屬零部件的整體熱處理時(shí)，必須先對(duì)零部件整體進(jìn)行加熱，然后將金屬零部件放置于專用加熱裝置中，在零部件達(dá)到適當(dāng)溫度后，再按照工藝要求冷卻金屬零部件，從而達(dá)到改變零部件整體性能的目的。目前，常見的鋼鐵材料整體熱處理工藝主要有以下幾種。①退火。所謂退火就是先將金屬零部件加熱到一定溫度，然后再根據(jù)金屬零部件的外形尺寸設(shè)定材料保溫的時(shí)間，在保溫結(jié)束后，再通過緩慢冷卻零部件的方式，使金屬零部件內(nèi)部組織達(dá)到一種平衡的狀態(tài)，從而達(dá)到提高金屬零部件工藝性能與使用性能的目的。②正火。正火過程與退火非常相似，也就是在金屬零部件達(dá)到合適溫度后，將零部件放在空氣中自然冷卻。正火與退火相比，經(jīng)過正火處理的金屬零部件不僅組織更細(xì)，而且金屬材料的切削性能也會(huì)道德顯著的提高。③淬火。淬火作為一種增強(qiáng)金屬零部件硬度最有效的方法之一，該方法在實(shí)際應(yīng)用的過程中，要求操作人員必須先將零部件進(jìn)行加熱，然后將經(jīng)過保溫處理的零部件放入水、無機(jī)鹽溶液、油等液體介質(zhì)中進(jìn)行冷卻，經(jīng)過淬火處理的金屬零部件不管是硬度還是脆性都得到了顯著=提高。④回火?；鼗鹱鳛榇慊鸬淖詈笠坏拦ば?，該工序的應(yīng)用主要是為了降低零部件經(jīng)過淬火處理后的脆性。該工序在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要求操作人員必須將零部件放在650℃的高溫環(huán)境下，進(jìn)行長時(shí)間的恒溫與保溫，然后再按照操作步驟完成對(duì)零部件的冷卻處理[2]。

3 金屬材料熱處理中造成變形與開裂的主要原因

3.1 金屬材料熱處理過程中的冷卻方法

由于金屬材料熱處理過程中主要分為退火、正火、淬火和回火等幾個(gè)步驟，再加上金屬材料在熱處理過程中對(duì)冷卻技術(shù)的應(yīng)用提出了非常嚴(yán)格的要求，如果冷卻技術(shù)選擇出現(xiàn)問題的話，必然會(huì)導(dǎo)致金屬材料因?yàn)槔鋮s處理不均勻，影響金屬材料的拉伸應(yīng)力。就目前來說，我國最常用的金屬材料熱處理工藝主要有雙液淬火與單液淬火兩種。經(jīng)過長期的實(shí)踐應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，這兩種方法在實(shí)際應(yīng)用的過程中優(yōu)勢(shì)和缺陷都非常的明顯。在這其中，雙液淬火法雖然實(shí)現(xiàn)了快速降低金屬材料溫度的目的，但是其淬火效率較低，無法進(jìn)行大范圍的推廣和應(yīng)用。而單液淬火法雖然可以應(yīng)用于大型金屬材料的熱處理，但是由于使用這種方法操作人員無法有效控制淬火的速度。如果金屬材料熱處理過程中，操作人員選擇了措施的冷卻方法的話，不但會(huì)會(huì)影響到金屬材料的形變應(yīng)力控制能力，而且還會(huì)因?yàn)榻饘俨牧蠠崽幚硇实南陆担绊懡饘俨牧鲜褂眯阅艿奶岣摺?/p>

3.2 溫度控制不合理

由于金屬材料熱處理過程對(duì)溫度控制提出了非常嚴(yán)格的要求，再加上金屬材料在熱處理的各個(gè)步驟中對(duì)溫度控制的要求也各不相同，一旦溫度控制失衡的話，就會(huì)導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)形變或者開裂的問題。比如，操作人員在進(jìn)行金屬材料熱處理時(shí)，忽略了金屬材料加熱爐的溫度，或者將未經(jīng)過精密溫度測(cè)量的金屬材料直接進(jìn)行熱處理，不但會(huì)影響金屬材料出現(xiàn)質(zhì)量問題，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致金屬材料報(bào)廢，無法正常使用。另外，金屬材料熱處理過程中，出現(xiàn)的加熱溫度、加熱速度、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)把控不到位，熱處理工藝應(yīng)用不科學(xué)等現(xiàn)象，也是導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)變形或者開裂等質(zhì)量問題的主要原因。

3.3 熱處理過程中殘余應(yīng)力引起

雖然正常的金屬材料熱處理過程中，并不會(huì)導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)變形或者開裂的問題，但是如果金屬材料熱處理過程中，拉應(yīng)力與多項(xiàng)應(yīng)力同時(shí)存在，且兩者之間發(fā)生對(duì)沖關(guān)系時(shí)，那么一旦金屬材料承受的總應(yīng)力超出臨界值的話，那么殘余應(yīng)力體系就可能導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)變形或者開裂的問題。另外，金屬材料在工作環(huán)境、熱處理溫度、工作介質(zhì)、殘余應(yīng)力體系等因素，不僅會(huì)導(dǎo)致金屬材料抗腐蝕性能與防開裂能力的下降，嚴(yán)重的還會(huì)因?yàn)榻饘俨牧媳砻婵刂屏鸭y保護(hù)膜出現(xiàn)破裂，導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)局部變形或者開裂的問題，影響金屬材料的使用壽命和質(zhì)量。

3.4 原材料組織以及性能原因

①金屬材料熱處理主要是為了提高其材料的表層相關(guān)性能，例如增強(qiáng)金屬材料表層抗氧化的能力和減少金屬材料表面的磨損程度等。但熱處理層的深度有限，為使已滲透層發(fā)揮有效作用，那就應(yīng)在熱處理之后，只對(duì)材料進(jìn)行磨削加工處理，然而一般的金屬材料想要進(jìn)行熱處理變形矯正的難度卻很大。②在金屬材料淬火前相關(guān)原始組織通常會(huì)對(duì)材料造成影響，比如影響碳化物的數(shù)量、形態(tài)和合金元素的偏差、影響淬火所產(chǎn)生的纖維的方向等。為了實(shí)現(xiàn)金屬材料變形量的減少，可采取一些有效的調(diào)質(zhì)處理，從而使金屬材料淬火中的變形更有規(guī)律可言，繼而達(dá)到防范變形的目標(biāo)。

4 變形與開裂處理在變形和開裂的預(yù)防處理

4.1 做好處理前預(yù)處理

金屬材料熱處理使用的正火和退火是導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生變形問題的主要原因。由于金屬材料在正火過程中的溫度較大，引發(fā)金屬材料內(nèi)部出現(xiàn)明顯的變形問題。針對(duì)此類問題，工作人員在開始金屬材料的熱處理作業(yè)前，必須采取積極有效的措施控制金屬材料熱處理的溫度，避免因?yàn)闊崽幚憝h(huán)節(jié)溫度誤差過大，影響金屬材料的使用性能和質(zhì)量。經(jīng)過長期的實(shí)踐操作發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過正火處理后的金屬材料，應(yīng)該使用等溫淬火的方法，確保金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性，才能達(dá)到有效控制金屬材料內(nèi)部變形問題的目的。此外，為了提高金屬材料熱處理正火的效果，工作人員應(yīng)該根據(jù)金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇最佳的退火工藝，合理借助溫度梯度對(duì)金屬材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，控制金屬材料熱處理過程可能出現(xiàn)的變形問題。

4.2 選用合適的冷卻介質(zhì)

水是最常用的金屬材料淬火介質(zhì)之一，雖然水具有冷卻能力強(qiáng)、成本低、成分穩(wěn)定且不易變質(zhì)等各方面的優(yōu)點(diǎn)，但是如果將水作為淬火介質(zhì)的話，且缺點(diǎn)也同樣突出。比如，水在500℃～600℃區(qū)間處于蒸汽膜階段，冷卻速度會(huì)明顯下降。如果金屬材料的溫度達(dá)到100℃～300℃時(shí)時(shí)，處在沸騰階段的水，就會(huì)因?yàn)槔鋮s能力過強(qiáng)，導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變速度過快、內(nèi)應(yīng)力增大的問題，一旦金屬材料的應(yīng)力超過且臨界值的話，那么金屬零部件就會(huì)出現(xiàn)變形或者開裂的問題。所以，為了最大限度的克服水作為淬火介質(zhì)應(yīng)用時(shí)的缺點(diǎn)，工作人員往往采取向水中添加食鹽或者堿等方法，在高溫部件浸入到水溶液后，水在蒸汽膜階段離析出的食鹽或者堿的晶體就會(huì)產(chǎn)生爆裂，破壞蒸汽膜以及金屬零部件表層的氧化皮，從而達(dá)到有效提升水的冷卻能力的目的。另外，為了達(dá)到有效控制水溶液對(duì)金屬材料腐蝕性的目的，工作人員往往采取將水溶液濃度控制在10%～15%之間的方式，在金屬材料淬火完成后按照要求對(duì)金屬材料進(jìn)行防銹處理和清洗，提高金屬材料的淬透性和淬硬性，降低金屬零部件變形問題發(fā)生的幾率。

4.3 減少金屬材料因熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力

雖然工作人員通過優(yōu)化和完善金屬材料熱處理工藝的方式，可以最大限度的減少金屬材料熱處理后殘留的應(yīng)力，但是由于殘留應(yīng)力并不能完全消除，所以必然會(huì)因?yàn)榻饘俨牧媳砻姹Ｗo(hù)膜遭到破壞，而導(dǎo)致零部件出現(xiàn)變形或者開裂的問題。針對(duì)這一情況，操作人員在進(jìn)行金屬材料的熱處理時(shí)，應(yīng)該根據(jù)零部件實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)，采取具有針對(duì)性的措施，將金屬材料的殘留應(yīng)力降至可控的范圍。此外，針對(duì)本身就后已經(jīng)出現(xiàn)局部局限的金屬零部件，必須在進(jìn)行熱處理前，仔細(xì)的檢查金屬材料表面的粗糙度、裂紋、劃傷等表面質(zhì)量，避免因?yàn)榻饘俨牧媳砻娲嬖谌毕荩瑢?dǎo)致零部件在催化過程中因?yàn)闊崤蛎洺霈F(xiàn)應(yīng)力集中的問題，影響金屬零部件熱處理的質(zhì)量和效果。

4.4 保證零件結(jié)構(gòu)配置的合理性

金屬零部件結(jié)構(gòu)也是導(dǎo)致金屬熱處理或者冷卻過程中，金屬零部件出現(xiàn)變形的問題。由于金屬材料因?yàn)楹穸炔煌岳鋮s的速度行業(yè)不同，因此，工作人員在進(jìn)行金屬零部件的熱處理時(shí)，應(yīng)該采取積極有效的措施減小材料厚薄的誤差，集中控制因?yàn)閼?yīng)力集中產(chǎn)生的變形和開裂問題，確保金屬零部件界面保持均勻的狀態(tài)。同時(shí)在金屬零部件設(shè)計(jì)階段，工作人員應(yīng)該盡可能的避免棱角與溝槽的出現(xiàn)，才能最大限度的降低金屬零部件熱處理過程中出現(xiàn)變形或者開裂問題的幾率。

4.5 采用合適的裝夾方式

為了達(dá)到有效控制金屬零部件熱處理過程中產(chǎn)生的變形問題的目的，工作人員必須在金屬材料熱處理過程中，確保金屬材料加熱與冷卻的均勻性，保證金屬材料的內(nèi)部應(yīng)力始終處在均勻的狀態(tài)下，然后運(yùn)用合理的裝夾方式，提高金屬材料熱處理的效果，避免因?yàn)榻饘倭悴考崽幚憝h(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，影響金屬零部件的使用性能和質(zhì)量。

4.6 加強(qiáng)機(jī)械加工控制

經(jīng)過熱處理的金屬材料還需要按照要求進(jìn)行深度的機(jī)械加工，工作人員在進(jìn)行金屬材料的機(jī)械加工時(shí)，必須以金屬材料的變形規(guī)律為依據(jù)，使用反變形方法或者收縮預(yù)脹孔等方法，控制金屬材料熱處理過程中出現(xiàn)的變形問題。在金屬材料熱處理進(jìn)入到最后一道工序后，工作人員必須通過對(duì)熱處理變形允許量的有效控制和調(diào)整，修正金屬材料熱處理前的尺寸修正工作，才能在有效提升金屬材料熱處理質(zhì)量的前提下，確保經(jīng)過熱處理后的金屬材料大多設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求[3]。

5 結(jié)語

總之，金屬材料熱處理技術(shù)是一種同時(shí)兼具高性能與高經(jīng)濟(jì)性的金屬材料處理手段，該技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中的推廣和應(yīng)用，徹底解決了傳統(tǒng)金屬材料加工制造過程中出現(xiàn)的變形和開裂問題，促進(jìn)了金屬材料加工質(zhì)量的有效提升。由于金屬材料熱處理不僅會(huì)導(dǎo)致金屬材料出現(xiàn)變形和開裂的問題，增加了金屬零部件的質(zhì)量控制成本，而且限制了熱處理工藝在特殊場(chǎng)合中的應(yīng)用。所以，相關(guān)研究人員必須從理論和實(shí)踐層面不斷的探索和研究，解決金屬材料熱處理引發(fā)的變形和開裂問題，促進(jìn)金屬材料熱處理質(zhì)量和使用性能的有效提升。