探讨我国金属材料热处理先进技术应用

摘要：本文作者结合工作经验，对我国金属材料热处理先进技术应用与发展进行分析，以期参考交流。

关键词：金属材料；热处理；先进技术；应用；发展；

中图分类号： [TB31] 文献标识码： A 文章编号：

1、当前我国金属材料热处理节能生产现状及问题

我国金属材料热处理行业主要存在以下问题：

1.1 金属热处理设备陈旧，工艺技术落后

在一些比较大型的国有金属热处理厂，由于技术限制，节能措施不到位，导致能源利用率偏低。而对于一些小型私人企业，不仅设备陈旧，技术落后，资金也很难到位，常使用一些淘汰设备，质量无法得到保证，对环境污染也十分严重，更谈不上节能。

1.2 产品达标率低，常多次处理

由于各个金属热处理厂设备陈旧，技术落后，这就导致产品达标率很低，一些产品返修率甚至高达 20%，有的要经过多次处理才能够达标。这样重复处理无疑是对能源的极大浪费，更别说实现节能。

1.3 专业热处理技术人才缺乏

早在 20 世纪 90 年代，该问题就已十分突出，截止目前还未得到有效解决。而随着社会进一步发展，专业热处理技术人员青黄不接，很多高校又纷纷取消该专业。笔者认为再过几年该问题将会更加突出。因为随着国有企业热处理技术人才老化，一些新兴私人热处理企业的开办都将直接导致该专业技术人才需求的增加。

2、金属材料热处理节能新技术的应用

根据以上分析，可以看出在我国金属材料热处理存在很多问题，无论是技术落后还是设备陈旧，都将直接导致能源利用率十分低下，能耗过大，这就使得资源浪费严重。就目前情况而言，笔者认为要想在我国实现金属材料热处理节能的目的，就应该从以下新技术方面寻找突破口。

2.1 加速化学热处理过程的催渗方法

加速化学热处理过程的催渗方法就是要提高化学热处理速度，降低化学热处理温度，较少化学热处理时间，节约化学热处理成本，提高化学热处理效率，提高提高化学热处理效益。 一是物理催渗法，利用改变温度、气压，或利用特定的物理场（等离子场、真空、高频、电磁场等），加速渗剂的分解，活化工件表面，提高吸附和吸收能力，加速渗入元素的扩散等。 常用高温化学热处理，高压或负压化学热处理，高频化学热处理，采用弹性振荡加速。二是化学催渗法，主要有卤化物催渗法、提高渗剂活性的催渗方法。在渗剂中加入一种或几种化学试剂或物质，促进渗剂的分解，去除表面钝化膜，改善工件表面活化状态，提高渗剂活性和增加活性原子的浓度，从而提高渗入能力，改善渗层质量。

2.2 采用真空热处理技术

在技术和条件成熟的情况下，如果将金属材料构件热处理工艺放在真空中进行，不仅可以实现低压渗碳等金属材料表面处理工艺，而且可以在表面处理工艺结束后直接进行高压气

淬，这样一来就可大大减少金属材料热处理工作时间，进一步就可降低能源消耗，实现节能目的。以目前技术来说，绝对真空是无法做到的，金属材料真空热处理技术一般在低于 10 Pa 的环境中就可达到理想的效果。在该环境下，金属材料表面处理工艺对金属性能影响也相对较小，同时也避免了材料变形、产生气孔等问题，是比较理想的高清洁度、高柔性金属材料热处理方法。该方法已在一些材料热处理工艺中得到应用，并取得了比较好的效果。在国外有 20%左右热处理设备采用真空设备，而我国目前为止真空热处理设备在整个热处理设备中所占比重还不到 5%，可见该技术在我国有着非常大的发展空间和潜力。同时国外真空热处理技术发展已有近 50 年历史，无论在生产真空热处理设备还是真空热处理技术运用上都远远高于我国。我国金属材料真空热处理技术的发展到推广，还有很长的路要走。但展望未来，金属材料热处理工艺、真空热处理技术必须进一步推广应用，这样无论对产品性能还是节约能耗都将是一次重大突破。

2.3 采用振动时效处理技术

当金属材料进行热处理后，由于工艺和环境条件制约，难免会在金属材料内部留下微小裂纹、热残余应力等缺陷，如果不进行正确处理，轻则影响金属材料在使用过程中的寿命，重则使该材料损伤乃至不合格，需重新进行加工处理，造成资源浪费，无法达到节能目的。而振动时效处理技术就是针对这一问题，消除金属材料在热处理过程中产生的热残余应力等缺陷，从而避免重复热处理，实现节能。一般情况下，振动时效处理技术可以直接节省电能 20%左右，进而节省燃料资源 40%左右。

2.4 改善热处理设备材料，提高能源循环利用

目前，我国绝大多数热处理厂使用的热处理设备材料均是普通材料，这样的材料不仅导热性能差，保温隔热性能更是无法保障。这就要消耗更多能量来维持金属材料热处理工序，必然导致了不必要能耗。如果采用陶瓷纤维等隔热和保温性能良好的材料来代替普通材料，在节能方面一定可以取得比较好的效果。同时在废热处理上，传统热处理工艺并没有将其很好地利用，而是直接排放到外部环境。如果用换热管等装置将其回收利用，用来对炉子进行预热，那么将会大大提高能源利用率，从而达到节能的目的。

3、钢铁材料先进化学热处理技术及应用

3.1 钢铁材料低温快速渗碳或碳氮共渗技术

低温快速渗碳或碳氮共渗技术是适用于低温快速渗碳或碳氮共渗的节能新技术。该技术只需利用催渗剂进行适当的工艺调整即可。低温快速渗碳或碳氮共渗技术的核心是通过在渗碳气氛中添加微量的催渗剂，使丙烷、丙酮、煤油等渗碳介质在气氛中产生部分活性高的正四价的碳离子，在奥氏体中扩散阻力小、扩散速度快。可减少变形，减少产品晶粒粗化倾向，使本质粗晶粒钢渗碳直接淬火后的马氏体级别得到一定控制，显著节约能量，合理利用价格便宜的本质粗晶粒钢，提高零件的强度和韧性，进一步延长设备及其耐热元件寿命。在同样工艺温度下，低温快速渗碳或碳氮共渗技术可显著减少工件在高温阶段的保持时间，防止氧化和脱碳，节约电费，提高生产效率，减少变形。低温快速渗碳或碳氮共渗技术还可以提高渗碳或碳氮共渗气氛中碳的活性，减少炭黑，延长氧探头寿命。

3.2 钢铁材料表面金属碳化物扩散覆层技术

金属碳化物扩散覆层技术是在一定的处理温度下将工件置于硼砂熔盐及其特种介质中， 通过特种熔盐中的金属原子和工件中的碳、氮原子产生化学反应，在工件表面扩散而形成

一层几微米至二十余微米的钛、铌、铬、钒等金属碳化物层。目前在解决冷作模具磨损失效的应用其技术、品质、成本等综合优势明显。金属碳化物扩散覆层适合于磨损失效、在常温下工作的工件。由于模具表面硬度大大提高，全面解决磨损、拉毛等现象，同等工况下，使用寿命平均提高十倍以上。由于扩散覆层与基体冶金结合，表现出最优异的抗剥离性，可反复处理，论工件形状如何，都能形成均匀的被覆层，处理过程中模具变形较小；被扩散覆层后的表面粗糙度与处理前大致相同，若母材表面加工光滑，扩散覆层处理后可直接使用。金属碳化物扩散覆层技术是在工件表面形成 TiC、NbC、VC 等 ，使工件表面硬度可达 HV 2200 HV～3600HV，光洁度可达 Ra0.2，模具工件使用寿命大大提高，降低了模具的制作和维修费用，产品废品率和次品率大幅降低，生产过程中不用经常拆装、维修模具，劳动效率大幅提高。由于在部分冲压加工工艺中可完全省去原用的磷化、皂化工序，生产过程更环保、更安全，生产现场更易于管理。金属碳化物扩散覆层可直接的应用以磨损失效的冷作模具、标件，冲压、挤压、冷镦工艺中的成形、整形。

4、结语

实现金属材料热处理行业节能目标是当下我国机械制造加工行业亟需解决的问题。本文总结了金属材料热处理工艺中各种新兴工艺，旨在为金属材料热处理行业节能目标探索改进

方案。