摘要：金属热处理是对金属材料采用一系列手段改变其内部组织及性能的工艺过程，是先进制造业的重要基础工艺。随着我国工业化进程的持续推进，对金属材料制品的需求和要求也越来越高，智能化、绿色化的先进热处理技术，对提高制造业发展水平、落实制造强国战略具有举足轻重的作用。本文将研究金属材料热处理技术发展的前沿趋势，探索热处理发展的全新方向。
关键词：金属材料；热处理；工艺及技术；发展趋势
引言
制造业是国民经济的支柱，更是国际竞争的主战场，随着中国制造2025战略的实施，我国逐渐从制造大国向制造强国迈进。金属热处理作为制造业的核心关键技术之一，对于提升金属材料性能、发掘金属材料潜能，提高机械产品质量发挥着十分重要的作用。但由于热处理影响的是材料的内部组织结构，而不会改变材料及产品的形状，使得人们不能直观感受到它的必要性，在我国制造业中长期存在着“重冷（冷加工）轻热（热加工）”现象，使得热处理发展长期滞后于制造业整体水平。近年来，随着新一轮技术和产业变革的到来，热处理技术也迎来新的发展机遇，各种新型热处理技术不断涌现，对制造业转型升级和提质增效产生了深刻影响。
1 金属材料热处理工艺概述
金属材料热处理是通过对加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度等因素的控制，来引发及控制金属材料的相变过程，以期获得满足使用性能的组织结构。以钢的热处理为例，加热时的转变是奥氏体的形成：钢的常温组织为铁素体+珠光体，加热温度超过临界温度后，珠光体向奥氏体转变，剩余铁素体向奥氏体溶解，直到成为单一奥氏体组织；冷却时的转变则是奥氏体的分解：高温下的奥氏体组织随温度降低发生分解，在不同冷速下奥氏体可分解为珠光体、马氏体、贝氏体等不同形态、不同性能的组织。最常见的金属热处理工艺为退火、正火、淬火和回火这四种基本工艺。热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变材料内部的显微组织，改善工件的各种使用性能。比如：退回及正火可以细化晶粒、改善力学性能，可以降低硬度、提高塑性、改善机械加工性能；淬火则一般是为了得到高硬度的马氏体组织；回火可以调整硬度，提高塑性和韧性。
2 金属材料热处理的发展趋势
近年来，信息技术与制造业不断融合，绿色低碳的制造体系加速构建，多元技术不断交叉融合，热处理技术也不断突破创新，向着绿色化、智能化、多元融合化等方向不断升级。
2.1 绿色化
热处理过程是机械制造业中耗能最高的工艺环节之一，同时还会排出废水、废气、废渣、电磁辐射等，对环境产生较大的污染。在国家大力倡导低碳经济、绿色发展、节能环保的背景下，迫切需要发展科技含量高、资源能源节约、环境友好型的绿色清洁热处理技术。从广义上来说，真空热处理、感应淬火、氮基气氛热处理等热处理工艺以及加热节能技术、智能控制冷却、排出气体回收利用等重点环节控制技术都是绿色热处理体系的重要组成部分。新型的绿色热处理技术具有能源消耗低、资源利用高效等优势，可以有效缓解我国资源能源及环境问题，促进我国制造业可持续发展。
2.2 智能化
随着新一代信息技术的高速发展，应用信息技术、先进传感器以及人工智能等，改造提升传统的热处理技术、管理以及经营理念，将全面提高热处理质量和工作效率，使传统热处理技术产生质的飞跃。智能化、信息化技术应用于热处理主要有以下三种方式：一是计算机辅助，包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助生产（CAM）、计算机辅助选材（CAMS）等，可以有效保证热处理工艺的稳定性，并使热处理向数字化、智能化、柔性化方向发展。二是传感器应用，应用高精度、自动化的温度、压力、碳势、力学性能等传感器，检测控制热处理过程中的各种控制因素，提高热处理过程的控制精度。三是工业机器人应用，在控制精度要求高、工作环境恶劣的环节，采用智能控制系统或智能机器人，提高自动化水平，降低生产劳动强度。
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2.3 多元融合化
在实际生产应用中，传统的单一热处理技术往往存在一定的局限性，或者提升硬度的同时牺牲了韧性，或者加热过程造成不必要的能源浪费和材料氧化，或者产生较大的内应力和形变等。随着技术水平的整体提升，各种加热技术、气氛控制技术、冷却过程控制等技术不断创新，多参数热处理（化学热处理、形变热处理等）、复合热处理（渗氮与高频淬火的复合、激光加热与化学气相沉积复合等）等多元融合化热处理工艺不断涌现，其他学科技术开始融合应用于热处理技术，多学科知识相互融合、多种技术相互集成成为热处理技术创新的重要突破口。
3 几种新型热处理工艺
3.1 真空热处理
真空热处理是将金属工件在1个大气压以下（即负压下）加热的金属热处理工艺，具有真空脱气作用、真空脱脂作用、表面净化作用等，它是真空技术与热处理技术结合的产物。真空热处理按真空程度可分为低真空、中等真空、高真空和超高真空，按重点技术环节可分为真空高压冷淬技术、真空渗氮技术、真空清洗与干燥技术等。与常规热处理相比，真空热处理具有自动化程度高、无脱碳、工件表面光亮、节能等优点，可大幅提高材料及工件的质量和使用寿命，尤其适用于精密零件的热处理。
3.2 激光热处理
激光热处理也被称为激光淬火，采用高能量激光束快速照射工件，使材料表面温度迅速升高至相变点以上，激光束离开被照射部位后，由于加热部位限定在表面，在外部空气及内部冷态基体热传导的共同作用下，表面迅速冷却发生自冷淬火，得到硬化层组织。激光热处理过程中工件变形极小，适用于发动机缸孔、冲压模具、铸造型板等其他淬火技术不能完成或难以实现的工件局部表面强化，提高其表面硬度、强度以及耐磨性、耐蚀性等。激光热处理具有较高的自动化水平，多采用计算机系统控制激光加热过程，能显著提升工作效率以及硬化层深度的控制精度。
3.3 形变热处理
形变热处理是一种附加应力的多参数热处理工艺，它将压力加工与热处理相结合，使成形工艺与获得最终性能统一起来。形变热处理综合利用了形变强化和相变强化作用，能实现强度与韧性的良好配合。同时，还能大大简化钢材或零件的生产流程、高效利用余热以及节约资源消耗，具有显著的经济效益和生态效益。形变热处理广泛应用于结构钢、轴承钢、高速钢等，而有些微合金化钢必须采用形变热处理才能充分发挥钢中合金元素的作用。
3.4 热处理CAD技术
CAD（Computer Aided Design）技术即计算机辅助设计，CAD技术通过计算机将热处理过程进行建模，采用模拟-分析-研究的动态过程，模拟不同热处理参数以及热处理过程中可能会出现的各种问题，然后对热处理过程进行智能化调整，从而保障热处理效果。同时，CAD技术应用于新技术研发，可以有效减少实际试验次数、缩短研究周期、降低研发成本。
4 结语
近年来，金属材料热处理出现了许多新工艺、新技术，这些新工艺、新技术不仅可以更加有效的提升材料的强度、硬度、韧性等各种机械性能，在节能减排上也有十分显著的效果，代表了金属热处理技术的前沿趋势。未来，我们应该进一步加强热处理技术的创新研究，积极推进新型热处理技术的应用推广，更好的服务于制造强国战略。
参考文献：
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[4]钱宏义，钱文勇.金属材料热处理工艺与技术分析[J].科技风，2018（33）.
论文作者:田磊
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/6
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