深度剖析金属材料热处理的新工艺

【摘 要】本文主要针对近些年来涌现的激光热处理、真空热处理、形变热处理等新型热处理工艺进行详细、深度的剖析。本文期望通过金属材料热处理新型工艺的介绍来更好的促进中国热处理行业和制造业更好的发展。

【关键词】热处理；新工艺；激光；真空；形变

随着现代工业的飞速发展，我们对机械零件、模具等提出了越来越高的要求。金属热处理作为制造业中非常重要的工艺之一，往往是金属加工过程中不可或缺的工艺环节。由于热处理一般不改变工件的形状和整体的化学组成，只是通过改变工件内部的显微组织结构等来改善工件的内在质量，因此它具有其他工艺无法比拟的优势。据不完全统计，在汽车、拖拉机、机床等制造中，需要热处理的金属零件多达70%～80%，而在模具和滚动轴承中，金属热处理基本上达到了100%。因此它越发受到了人们的关注，在石油化工、航空航天、汽车制造业等发挥着重要的作用。

1.激光热处理

激光自从问世以来，以其相干性和单色性好，能量大等特点被广泛应用，其一系列潜在绝大价值已经引起了各个部门的重视，特别是在航空军工等领域，激光更是被视为新一代制导武器。随着激光理论、空间技术的迅速发展和日臻完善，激光热处理已经显现出了其独特的优点和效果，已经广泛应用于材料的切割、焊接、热处理等领域，是一种有望在工业中得到广泛应用的新型热处理工艺手段。

1.1激光热处理工艺的热学分析

激光照射金属工件表面可以快速加热工件，其输出功率P可以用功率密度？祝和光斑面积S来表示：P=？祝・S（S=πd2/4）；其中功率密度可以达到109W/cm2，远远大于普通的热源（约107W/cm2），且激光光斑面积可以小至10-5cm2，为普通太阳光最小光斑面积的1/100。因此激光的输出功率可以达到普通热源的104倍。

一般来讲激光辐射在材料内部产生的热处理过程不仅与辐射功率密度有关，而且与作用时间有密切关系。在实际的应用中我们可以控制辐射功率密度和辐射时间来控制能量的输入，从而进行相变强化、非晶态化、重熔合金化等处理。

1.2激光热处理工艺及其优点

总体来讲，激光热处理的优点主要体现在：

（1）可以用于加工高熔点、高硬度等特性的金属材料。由于激光能量密度高，能量传递方便，可以对高熔点等材料进行局部强化热处理，单位时间单位表面积内能量快速积累从而达到高效热处理的效果，特别适合对于一些常规热处理难于加工的零件进行处理，比如工件的盲孔底部或者复杂工件的孔内壁等，通过激光热处理可以有效的对这些复杂的区域进行热处理，达到预期的效果。这个时候激光热处理的优势就淋漓尽致的体现出来了。

（2）激光加热时间短，对材料区影响小。由于激光能量极高，对于一般的工件，在若干毫秒（ms）的热处理时间内就能达到普通热处理的效果。在这么短的热处理时间内，工件的变形小，热影响区小，可以达到局部热处理的效果，特别适合一些高端精密仪器的加工。并且它属于非接触式加工，可以避免接触工件而引起的工件的污染。

（3）激光技术可以与计算机辅助设计技术（CAD或CAM）等系统结合，可以实现加工过程的计算机自动化，易实现自动化控制，可以节约能源，提高工作效率。

2.真空热处理

真空热处理是指在低于一个大气压的环境中进行的热处理工艺，它是真空技术与热处理技术相结合的一种新型的热处理技术。它可以实现其他常规热处理工艺过程所涉及到的过程，但是其热效果的质量得到大幅度的提高，被视为一种具有潜在巨大应用价值的金属热处理工艺。

2.1真空热处理的应用

真空热处理可以实现无氧化、无脱碳、无渗碳等效果，另外还可以去掉金属工件表面的磷屑，能够达到表面光亮净化的效果，因此近年来其应用范围也越来越广，从真空退火的应用延伸到真空渗碳等应用方面。

2.2真空退火

对于金属工件来讲，退火可以改变晶体结构、组织结构，消除组织应力等作用，利用真空退火还可以防止脱碳、除气脱脂、蒸发氧化物从而提高金属工件的表面光亮度和力学性能。实践表明，真空退火时，金属工件的光亮度与体系的真空度、退火温度等有关。对于结构钢来讲，在700～850℃，真空度为133.3×10-2Pa时，平均光亮度为60～70%；然而当真空度提高的话光亮度可以提高到70～80%。因此在生产中可以根据实际情况来加以选择。对于各种不锈钢来讲，只有在高于133.3×10-3Pa真空度条件下退火才能使光亮度达到70%以上。

2.3真空化学热处理（真空渗碳）

随着热处理工艺的不断发展，真空化学热处理的应用也越来越受到重视，真空化学热处理方法能有效的提高金属工件的各项综合性能。在真空化学热处理方法中以真空渗碳工艺较为经典，它是在真空淬火和高温渗碳的基础上发展起来的一种新的热处理工艺。它具有渗碳时间短、作业条件好等优点，有着极为广泛的应用前景。

2.4真空热处理的优点

真空热处理工艺的优点主要体现在：

（1）真空脱气作用。当金属工件表面的氧分压小于氧化物分解压力的时候，金属工件表面的氧化物等杂质就会自动脱附，从而达到净化表面的作用。这样可以提高材料表面纯度，从而提高材料的疲劳强度和耐腐蚀性。

（2）能耗小，生产成本低。经粗略计算，真空热处理工艺的能量消耗约为常规热处理的50%。

（3）淬火变形小。在真空热处理中，由于加热速率缓慢，工件内外的温差小，因此热应力小，变形小。

（4）和常规热处理工艺相比，真空热处理工艺的稳定性和重复性更好。这样有利于进行试验性的可行性评估和分析，实验的真实可靠性更强。

（5）操作安全，自动化程度高，适合于工厂大规模加工与生产。

3.形变热处理

形变热处理工艺，作为一种新型的热处理工艺方式，是在形变强化和热处理强化基础上发展起来的。人们在生产研究过程中发现，当金属工件在同时受到形变和相变时，奥氏体晶粒发生细化，位错密度提高，晶界发生畸变，能够达到单一形变或者单一相变所不能达到的综合强韧化的效果。形变热处理的方法很多，一般来讲，根据形变与相变过程的相互顺序可以将其分为相变前形变、相变中形变、相变后形变等。近年来，在形变热处理工艺的基础上又发展起来了一些复合形变热处理方法。它是将形变热处理与化学热处理、表面淬火工艺等结合起来而派生出来的。从这些快速发展的复合形变热处理工艺我们可以看出热处理工艺作为一种新型的热处理工艺所体现出来的独特优势和生命力。

形变热处理的优点：

形变热处理的优点主要体现在：

（1）它将金属材料的成型与材料最终性能有机结合起来，简化了生产的过程，节约了能源消耗。

（2）它塑性变形与热处理工艺过程两者有机结合起来，使材料的最终性能得到大幅提高，达到了单一形变强化和相变强化所达不到的效果。通过形变热处理这种新型的工艺方式，可以使材料的综合性能得到较大改善。

4.结语

金属材料作为国家经济发展和基础建设的重要支柱行业，在机械制造中具有非常重要的作用，因此正确运用热处理，了解其作用和特点是非常重要的。热处理的新工艺会随着社会的不断发展而不断涌现，给制备高端、精密仪器带来了希望。■

【参考文献】

[1]张玉庭，等.简明热处理手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]徐祖耀，等.马氏体相变与马氏体[M].北京：科学出版社，1980.