苑大偉

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司，山東 日照 276800）

金屬材料的熱處理工藝技術(shù)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(xiàng)常見的技術(shù)手段。熱處理作為優(yōu)化金屬材料內(nèi)部顯微組織性能的工藝手段，可以提高金屬內(nèi)部材料的物理和化學(xué)性能。但是金屬材料的熱處理工藝也會(huì)影響金屬材料的本身以及所制作產(chǎn)品的質(zhì)量，更有甚者會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染。當(dāng)前的熱處理技術(shù)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(shù)進(jìn)行論述。

1 金屬材料簡(jiǎn)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(gè)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(gòu)成的并且表面有光澤，其內(nèi)部組織具有延展性，可以導(dǎo)電和傳熱的材料。在各個(gè)時(shí)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(jìn)入工業(yè)化時(shí)代的標(biāo)志性象征之一。金屬材料具有高強(qiáng)度，可塑性，耐熱和耐寒，鍛造性強(qiáng)，具有導(dǎo)熱性，導(dǎo)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(biāo)，硬度與材料的性能呈正相關(guān)的關(guān)系。耐久性是指金屬材料在使用過程中對(duì)外界環(huán)境的抵抗能力，一般來說耐久性越強(qiáng)材料的抗腐蝕能力也更強(qiáng)，那么該材料的使用時(shí)間也會(huì)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(dá)到了極值。金屬材料在生產(chǎn)生活中隨處可見，不同的金屬材料以其獨(dú)特的性質(zhì)會(huì)在不同的領(lǐng)域發(fā)揮作用，例如多孔金屬材料一般應(yīng)用在車輛工程和機(jī)械工程領(lǐng)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(jìn)行加熱，使其達(dá)到合適的溫度，再冷卻之后再不同速度和不同介質(zhì)下進(jìn)行冷卻，這個(gè)過程主要是改變金屬材料內(nèi)部的組織以其改變某方面的性能，使其達(dá)到適合應(yīng)用的狀態(tài)。簡(jiǎn)單來說就是通過一系列的步驟使其達(dá)到預(yù)期的性能與結(jié)構(gòu)狀態(tài)?？梢哉f金屬材料的熱處理工藝技術(shù)是改變材料性能的主要方式，經(jīng)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(diǎn)，很難進(jìn)行切割而熱處理技術(shù)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(yīng)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(jiǎn)單的堆制成高溫的火爐進(jìn)行鍛造，據(jù)學(xué)者的研究顯示，金屬材料的熱處理早在1400年前就已經(jīng)運(yùn)用于提高鋼鐵兵器的硬度[2]。傳統(tǒng)的熱處理工藝是經(jīng)過退火、正火、淬火和回火四個(gè)步驟組成。從2000年開始，金屬材料熱處理工藝技術(shù)的研發(fā)和專利數(shù)量才逐漸增加。隨著科學(xué)技術(shù)與工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步，金屬材料的熱處理工藝逐漸增加了技術(shù)種類，針對(duì)不同的金屬材料處理要求可以采用不同的熱處理技術(shù)。

（1）激光處理技術(shù)。激光熱處理技術(shù)帶有鮮明的時(shí)代技術(shù)特性，隨著激光技術(shù)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(shí)間內(nèi)可以達(dá)到很高，其冷卻時(shí)間也相對(duì)較短。激光熱處理技術(shù)主要是用于硬度較強(qiáng)的金屬材料。而隨著自動(dòng)化技術(shù)的提升和互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，激光熱處理技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中主要是靠計(jì)算機(jī)來控制使用的，可以說已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了熱處理的自動(dòng)化和信息化應(yīng)用。這種熱處理方式可以使得材料在進(jìn)行熱處理時(shí)可以批量進(jìn)行生產(chǎn)，也將提高生產(chǎn)和工作效率。

（2）化學(xué)處理技術(shù)。金屬材料的熱處理工藝中的化學(xué)處理技術(shù)主要是指化學(xué)薄層滲透技術(shù)。該技術(shù)的操作方式是將化學(xué)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(xué)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(shù)中操作相對(duì)簡(jiǎn)單，而且不易造成資源浪費(fèi)現(xiàn)象。相反，化學(xué)熱處理技術(shù)就是為了降低金屬材料在實(shí)際應(yīng)用過程中的資源浪費(fèi)。相對(duì)來說，這一處理工藝具有較高的性價(jià)比，可以達(dá)到節(jié)省能源和生產(chǎn)成本的良好效果。

（3）真空熱處理技術(shù)。真空熱處理技術(shù)顧名思義就是在真空的狀態(tài)下進(jìn)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(shù)[3]。真空熱處理的前提是要建造出一個(gè)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(jìn)行。這一過程會(huì)將金屬材料表面二點(diǎn)鱗屑等材料祛除掉，其熱處理效率也相對(duì)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(shù)還能控制在處理過程中有毒氣體和物質(zhì)的排放，具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

（4）涂層處理工藝。涂層處理技術(shù)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(shù)，主要是采用多種技術(shù)在金屬材料表面進(jìn)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(jié)構(gòu)的物質(zhì)等等。這種操作方法最突出的優(yōu)勢(shì)就在于方便，主要作用于金屬表面，對(duì)內(nèi)部幾乎沒有損害。涂層工藝技術(shù)目前也在不斷的發(fā)展當(dāng)中，其技術(shù)的提升將會(huì)使得操作更加方便快捷。

（5） CAD熱處理技術(shù)。CAD熱處理技術(shù)是基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展而來的，所謂CAD就是Computer Aided Design即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)這種技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)的智能化特性進(jìn)行機(jī)器模擬，模擬金屬材料熱處理的整個(gè)過程，將其中可能會(huì)引發(fā)的問題進(jìn)行反饋和實(shí)際操作中的調(diào)整，再應(yīng)用到實(shí)際操作中。這種技術(shù)充分利用了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的建模和預(yù)見性，通過精準(zhǔn)的相關(guān)參數(shù)對(duì)比來優(yōu)化熱處理進(jìn)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(fèi)現(xiàn)象

然而在多種熱處理工藝技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，還是會(huì)出現(xiàn)資源浪費(fèi)的情況。在金屬材料的處理和制作過程中資源浪費(fèi)情況是很難避免的，而且不同的企業(yè)運(yùn)用的熱處理技術(shù)也有差別，一些金屬材料資源的缺乏也導(dǎo)致了企業(yè)的成產(chǎn)和操作成本提升，也會(huì)造成資源浪費(fèi)。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(shì)，但是在實(shí)際應(yīng)用中操作不當(dāng)和不熟練也會(huì)造成資源的浪費(fèi)。

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(jiǎn)化，但是在例如化學(xué)熱處理中，相關(guān)滲透材料的選取需要工作人員極其細(xì)致，否則會(huì)造成資源浪費(fèi)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(chǎn)出來的金屬材料和金屬產(chǎn)品也將面臨質(zhì)量不過關(guān)的問題。因此對(duì)相關(guān)工作人員的操作技能培訓(xùn)和考核就尤為重要。

3.3 材料質(zhì)量不穩(wěn)定

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

3.4 技術(shù)研發(fā)能力不足

技術(shù)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(nèi)來看，我們的技術(shù)研發(fā)能力還相對(duì)較弱。金屬材料熱處理的工藝技術(shù)手段也不是很多元。在科研上主要是相關(guān)的科研院所和高校在進(jìn)行研究，而作為操作主體的企業(yè)和工廠卻很少進(jìn)行自主研發(fā)，而且兩者之間的互動(dòng)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(chǔ)上，首先國家在相關(guān)的政策上要對(duì)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(shù)發(fā)展相對(duì)較晚，但是國家要在政策上進(jìn)行資金和技術(shù)的扶持，以進(jìn)一步推動(dòng)我國金屬制造業(yè)的發(fā)展以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的進(jìn)步。此外要將政策落到實(shí)處，不能只是高屋建瓴。

4.2 企業(yè)為主體向國外學(xué)習(xí)

企業(yè)是熱處理操作的主體，企業(yè)應(yīng)該意識(shí)到自身的地位要積極主動(dòng)地向國外的相關(guān)企業(yè)學(xué)習(xí)其先進(jìn)的熱處理技術(shù)和設(shè)備。積極進(jìn)行企業(yè)之間的交流和合作，定期組織相關(guān)人員外出考察和交流，在管理上也可以學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。

4.3 產(chǎn)學(xué)研結(jié)合加快技術(shù)研發(fā)

針對(duì)我國熱處理技術(shù)研發(fā)多在高校的情況，應(yīng)該加快產(chǎn)學(xué)研一體化建設(shè)。推動(dòng)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(zhì)量。加強(qiáng)企業(yè)同科研院所的交流與合作，雙方可以進(jìn)行聯(lián)合研究，將理論與實(shí)際操作相結(jié)合。此外企業(yè)還應(yīng)該對(duì)其工作人員定期進(jìn)行專業(yè)操作技能的培訓(xùn)與考核，定期搜集工作人員反饋的問題并進(jìn)行改進(jìn)。

5 金屬材料熱處理工藝技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

5.1 專業(yè)化、垂直化發(fā)展

當(dāng)前我國金屬材料熱處理工藝技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出專業(yè)化，自動(dòng)化和垂直化發(fā)展的趨勢(shì)。針對(duì)現(xiàn)在工藝技術(shù)中存在的問題有針對(duì)性的進(jìn)行改造。自動(dòng)化是企業(yè)都追求的特性，自動(dòng)化程度越高也將使得企業(yè)的生產(chǎn)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(huì)朝著統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)操作。

5.2 可控氣氛熱處理技術(shù)

當(dāng)前備受行業(yè)關(guān)注的技術(shù)之一就是可控氣氛熱處理技術(shù)。這種技術(shù)將會(huì)保護(hù)金屬熱處理的操作過程，將會(huì)再次提升金屬熱處理的效率，從而提升金屬材料和產(chǎn)品的質(zhì)量，還可以所以切割改變金屬的尺寸，其操作更為簡(jiǎn)單快捷。此外今后還會(huì)將特殊分子材料如納米技術(shù)廣泛應(yīng)用到金屬熱處理中。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，最終將會(huì)推動(dòng)金屬制造業(yè)的發(fā)展，也將相應(yīng)國家生態(tài)文明建設(shè)的要求。

5.3 互聯(lián)網(wǎng)輔助工藝技術(shù)生產(chǎn)

互聯(lián)網(wǎng)作為21世紀(jì)的標(biāo)志性技術(shù)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(shù)的今后發(fā)展過程中，除了CAD技術(shù)的輔助使用，還將開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，云計(jì)算等的新興技術(shù)功能，將其應(yīng)用在金屬熱處理操作過程之中。也將進(jìn)一步推進(jìn)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(yīng)用體現(xiàn)。例如可以搭建熱處理過程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還可以進(jìn)行三維建模進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)演練，以降低在實(shí)際操作過程中的問題出現(xiàn)。

6 總結(jié)

綜上所述，金屬熱處理工藝技術(shù)對(duì)于金屬材料的性能延展和改善具有總要的實(shí)踐意義。本文首先從金屬材料的定義以及其特性和應(yīng)用談起，對(duì)金屬熱處理技術(shù)的傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代化的幾個(gè)主要技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的解析。針對(duì)現(xiàn)階段出現(xiàn)的問題總結(jié)提出相應(yīng)的改善建議，最后對(duì)金屬材料熱處理工藝的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。相信契合了我國生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展理念大背景下的金屬熱處理技術(shù)將會(huì)得到長足的發(fā)展。