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行业知识
热处理技术发展和前景发展趋势
时间:2016-09-19 11:50  来源:未知   作者:admin   点击:
 在整个国民经济中凡涉及机械制造的任何领域中,热处理是一项广泛应用的一项重要的基础工艺之一。它是金属材料在严格控制的加热和冷却条件下进行处理,通过改变材料内部的显微组织来达到人们所要求的使用性能或服役寿命。热处理技术作为机械制造业中十分重要的基础工艺技术之一,在整个工业领域中,应用十分广泛。在充分发挥材料潜能,节约能源,进行清洁生产和人类社会可持续发展上,热处理技术的拓展是绝不能忽视的。世界上工业发达国家都投入很多资金来发展这门技术。自1996年以来,美国、日本的欧洲的许多发达国家都先后制定21世纪热处理技术发展规划和目标。
美国热处理工业2020年远景把目前和将来国外热处理先进技术与装备水平的目标和主要标志阐述得十分明确。对气体渗碳和用渗碳气氛加氨的气体碳氮共渗和氮碳共渗后排出的废气应经点燃后才可无害排放;离子渗硼中不可使用剧毒的B2H6(乙硼烷);对盐浴中不可使用受热要分解产生氰根的黄血盐和赤血盐;对含碳酸盐的盐浴不可使用尿素或缩二脲,因为它会反应生成氰酸盐,后分解为氰盐。对含S和Li的氰酸盐—碳酸盐盐浴可使氰化物保持在0.1~0.8%的低水平,处理零件的渗氮后性能良好,且处理周期缩短,这工艺在美、欧和日本应用相当多,法国HEF公司的SURSULF工艺及处理后进入氧化盐浴属于这种技术,(我国的LT硫氮碳共渗法也是)。在氰酸盐浴中添加有机聚合物melon也可将氰盐含量降到2%~3%,其余大部分是无毒的氰酸盐,法国HEF公司的德国Durferrit子公司(原属Degussa公司)的Tufftride / Melonite / Tenifer / QPQ处理盐浴属于此类技术,(我国成都工具研究所的QPQ复合盐浴处理也是)。清洗水中的氰含量已经稀释可无害排放。尽管如此,法、德和日本对这些工艺的无公害处理十分严格,并研究废盐的再生。对高速钢刃具淬火仍采用的BaCl2盐浴和含BaCl2废水须经无害化处理达标后才允许排放,德国已采用专门技术和装置来解决。对有些应采用的非清洁工艺和非清洁材料,在整个处理过程中要进行全封闭,并在密闭系统中进行处理,实现无公害排放。处理的渣物要研究予以再生或作特殊处理。
2.1.2.2 精确生产和零畸变:热处理过程中的加热和冷却会使金属工件在处理后发生形状和尺寸的改变,增加加工余量的用再加工方法予以消除,变形超差则会引起报废,使已投入的材料和资源损失。工件变形也会影响互换性和减小运行的精密性,造成效率减低,能耗增大和噪声等弊病。为此,热处理零畸变十分重要,这要依靠热处理过程的精确生产来保证。精确生产要靠控制精度高和可靠运行的热处理设备(温度、压力、时间等工艺参数的精确控制和重现控制),材料的成分组织(含量偏差,杂质含量和偏析,原始组织一致)及相应的材料热物理性能和工艺性能偏差小来予以保证,从而使同一炉批处理件的质量(组织、硬度、变形、表面状态、渗层深度、渗层浓度分布等)差异缩小(或在技术要求控制范围内)和使不同炉批处理产品质量重现性提高。
工件发生变形主要发生在冷却阶段,淬火过程中工件均匀冷却,减小工件表面和心部的温差对减小畸变至关重要,所以应合理选择冷却介质和冷却方式。采用聚合物淬火介质、采用循环和搅动方式及速度控制冷却,合理选用淬火油温度,控制淬火油面压力(以达减小工件淬火变形),进行盐浴分级或等温冷却,施行气体冷却,喷水喷雾冷却,应用计算机模拟的冷却场技术,施压淬火,利用回火余热在自动矫直机上矫直等技术的采用,为减小畸变创造条件。 国际上名牌汽车齿轮渗碳后淬火减小变形的主要措施是实现等温和分级淬火,减小齿轮心表的温差和发生相变的不同时性,来降低热应力和组织应力的差异。也有报导汽车齿轮在低压渗碳后施行变向高压(2MPa)气淬,可使同步环齿轮畸变落在非常狭小的范围内。 应指出,严格的管理,科学先进的工艺方法,可靠的设备,精确的传感器,能实现精密控制的成套工程系统(包括仪器仪表、伐、泵,执行动作元器件,计算机,程序设计和实施等)是确保精确生产,实现无废次品生产和质量分散度为零的生产的保证。
2.1.2.3 少无氧化和少无脱碳:一般金属在空气中加热会发生氧化和脱碳,这会造成金属的大量耗损,也破坏工件的表面状态和加工精度。表面发生脱碳的钢铁工件在热处理后的性能会有所下降:硬度降低,耐磨性下降,表面产生张应力,降低抗疲劳性,耐蚀性变差等。这就有必要再行加工去除氧化脱碳层,或进行“复碳”处理,这必然增加生产成本,浪费材料,增加能耗和降低成品率。 属于少无氧化的热处理技术主要包括应用气氛、真空、感应、流态床、盐浴、激光束、电子束、离子束、涂层、包装(packing)和还原性火焰下的燃烧炉加热var cpro_psid ="u2572954"; varcpro_pswidth =966; var cpro_psheight =120;技术。应用气氛包括惰性(主要是Ar)和中性气氛(N2气中)以及可控气氛(控制H2/H2O,CO/CO2的比值至一定程度)。对前两者的气体应进行干燥,使露点下降至-60℃以下。对后者的气氛要在使用温度下具有还原性,它对防止脱碳而言,还要控制气氛碳势。应用气氛在近30年来,有应用氮基气氛的,它可应用碳分子筛的变压吸咐空气来制氮和应用薄膜分离制氮。对渗碳,由纯氮和甲醇裂解气体混合的合成气氛可以替代应用天然气或丙烷制备吸热型气氛。通常生产中可应用99.8%的普氮中滴入甲醇,靠甲醇裂解气中的H2和CO来去除普N2中的残留氧。这样方法是简单的,但在美国由于甲醇涨价,使成本增加很多。实际上在天然气供应保证下,使用天然气制备放热或吸热型气氛更为可行。 应用真空,将炉子抽到0.1Pa的真空度,可实现大多数金属的无氧化加热,但由于真空中的加热是辐射加热,加热速度较慢。往往再通入约0.8×105Pa的惰性气体或气氛,增加一定的对流来提高加热速率,这在真空热处理炉中已渐渐推广使用。当前真空热处理设备有单室、双室、三室、多室、油淬、气淬、油气淬两用、高压气淬、低压渗碳高压气淬、多室低压气淬和高压气淬结合的半连续生产线以及低压渗碳、高压气淬和回火的柔性生产线等。
感应加热由于加热速度迅速,这时工件氧化不严重,也可属少无氧化加热方式,在一点不允许发生氧化场合可在感应加热同时通入气氛加以保护,日本电子工业(株)已提供类似的技术。目前已有应用感应加热进行渗碳化学热处理报导。应用流态床(必要条件下通保护气)和正常脱氧的盐浴炉中可实现无氧化加热。在缺乏气氛炉的现场可使用防氧化涂料和应用不锈钢箔包装后在空气炉中的加热,但注意,这几种加热方式会使加热工件表面出现少量的脱碳。
钢件在空气或含CO2和H2O的氧化性气氛中加热会发生脱碳的弊病,发生脱碳比发生氧化更为严重,要求也更严格。对加热淬火而言,应用CO-CO2、N2-CO-CO2-H2-H2O混合气氛,炉气的碳势须与工件表面含碳量一致,对中高碳钢的加热,必须对炉气实行碳势控制。对应用真空加热中,真空度达到不氧化时,也就不会发生脱碳。国外先进的热处理技术中对脱碳是控制相当严格的。
2 .1.2.4 开发节约能源的设备和工艺:开发节约能源的设备和工艺是十分有效的节能措施。近年来,连续式炉取代周期式炉,节能潜力很大。燃烧炉上采用高效换热器来预热空气,合理控制燃烧系数(α)在1.1~1.3范围,推广具有蜂窝式周期蓄热器装置,横向燃烧的烧嘴和辐射管,都达到很好节能效果。  
  从炉子设计上看,炉子散热量大小与炉子外表面积有很大关系,这样,炉子圆形截面可比矩形截面的表面积小14%,外壁炉壳温度降低10℃,使通过炉壁的散热减少20%。为此,目前日本的密封多用炉和推杆式连续式炉都改为圆形截面。有报导,日本同和矿业(原日本东京热处理)将20年前的渗碳、淬火、清洗和回火推杆式生产线进行节能改造,将前清洗改为燃烧脱脂,脱脂废气热量用作回火炉的部分热源,将渗碳炉排出的气氛用作脱脂炉和碱液清洗槽及淬火油的加热,这样的废热综合利用使燃料费用减少40%,同时改善了环境。在我国,设备的节能潜力更为巨大,千万应引起我国热处理工作者和设备制造商的重视。能源的节约带来的是财富。  
  开发节能的热处理工艺也是很有效的节能措施。实施高温渗碳可大大缩短工艺周期,日本早就进行这项工作,把渗碳温度从930℃提高至1050℃将减短工艺周期40%。但在一般电阻炉中实施受到发热体和耐热材料的限制难以兑现,而在真空炉中进行低压渗碳,在1050℃进行渗碳是轻而易举的事。现在乙炔低压渗碳已成熟应用于生产,实现了真空渗碳技术的革命性突破,通入低压氨气也可实现乙炔低压碳氮共渗,不论从质量、环保和经济来看,乙炔低压真空渗碳是能整合进入生产线的符合未来要求的表面改性技术(下文还有论述)。  
  以氮碳共渗、硫氮碳共渗和氧氮共渗代替渗碳和碳氮共渗可把工艺温度从850~930℃降到550~580℃,代替一般气体渗氮可把工艺时间从30~70h减少到1.5~3h。另外钢件锻后热处理,应用非调质钢取代昂贵耗能的淬火+高温回火工艺都可达节能目的。  
  有报导,我国每吨钢材的耗电在500~1000kWh,比美、欧和日本高2~3倍,从上面分析,开发节约能源的设备和工艺潜力很大,前景乐观,但一定要付诸努力。  
2.2.我国热处理工业目前状况和与国外存在的差距  
  2 .2.1 目前状况:我国热处理工业的基本情况与美国(1996年)和日本(1998年)的比较列于表1。我国的情况1常见于一般杂志上刊登的,实际上是我国上世纪90年代中期的情况;我国的情况2取自金属热处理2005年,是中国热处理行业协会樊东黎教授根据2003年约20余个工业城市调查基础上的推算估计值,估算似乎相当乐观。  
  现在全国全能企业热处理厂、分厂、车间、股份制、民营热处理企业约15,000家,其中全民制企业约12,000家,占80%,个体民营和股份制企业约3000家。热处理员工(按每家25人计算)总数约37万人,其中技术人员和管理人员约3万和3.3万,占8%和9%左右。全国热处理加热设备约15万台(一标准台以75KW计算),装机容量为11×106kW。计算的全国加热设备年生产能力近45×106t。计算的消耗电总量为9.9×109kWh。折算的全国热处理年营业额约310亿元。由此计算的我国年劳动生产率为8.7万元/人年,超出我国第九个五年计划后期的6万元/人年水平,但仍为美国1996年水平的1/10。以能源利用计算,全国热处理平均单位电耗约730kWh/t(全国年实际热处理生产量以13.5×106t算),指望2005年大中城市平均电耗达500 kWh/t的“十五”目标可以实现。  
  国内对专营热处理的民营股份企业的计算:企业数约3000家,保守地设每企业年平均营业额为200万元,则全年数为60亿元,占全国热处理总营业额的20%,此比例大于美国的10%(1996年),小于日本的30%。又设每企业员工数为10~12人,则全员劳动生产率为20万元/人年 ~ 16.7万元/人年,为美国(1996年)的1/4~1/5。估计上海地区的数字会更高。这为投资和收益的推算仅提供参考。  
  上海的情况按2000年有关文章介绍:全市共有加热炉6500余台,装机容量36万kW。全年用电量为3亿kWh,年热处理工件重量约60万吨,按此计算电耗数为500kWh/t,名列全国前茅,已达我国“十五”目标。估计近两年又会有下降。但这数字与1997年《国外金属热处理》杂志上报导的引进Holcroft公司设备的先进能耗(356kWh/t)比尚有一定差距。当然应指出,我估算的是平均值,先进设备的值是单台数据。这儿仅作说明方便而已,影响能耗的因素是多方面的。有报导欧洲国家的能耗为400度/t,日本为300度/t(年数不详)。  
  2.2.2 热处理设备现状和差距  
  我国的热处理炉以电炉为主(占90%以上),但存在能耗高、热效率低和性能差的弊病。很多生产厂目前使用的热处理设备还是上世纪六七十年代制造的,未完全摆脱五十年代仿苏产品的状态。热处理设备70%在空气中进行加热,可控气氛加热和真空加热只占5%左右。  
  按1985年全国热处理电阻炉数量及构成表,一般箱式炉、盐浴炉和井式炉(包括井式渗碳炉)占的比例分别为35.56%,21.31%和21.30%。另外,按上海市热处理行业最近的设备统计,一般箱式炉、盐浴炉和井式炉占的比例分别为40%,5.55%和29.11%。相比较可见,在我国的主要热处理设备中,20多年来,一般箱式炉和井式炉比重相差不大,(盐浴炉由于近年来BaCl2的禁用而大比例缩减)。设备的陈旧可见一斑。此外,上海真空炉、可控气氛炉的比例提高至3.67%和8 %,合计为11.67%(高于全国水平),虽比1985年的1.68%提高了近10倍,但还远远适应不了热处理工业中四种工艺的要求比例:渗碳/碳氮共渗占20%;中性气氛中淬火占20%;在真空中淬火占15%;退火/去应力占10%,其它如感应热处理、渗氮、钎焊、盐浴热处理和有色合金热处理约占35%(美国)。  
  金属在氧化介质中加热会造成严重的氧化损耗,在汽车制造上烧损量达7.5%,即每台装重汽车损失优质钢材40~50kg,每台轿车为25~30kg,如冷轧钢带的中间退火采用无氧化加热,可节约20%材料。少无氧化加热已日不容缓,虽然国内汽车、拖拉机、轴承、弹簧、紧固件行业和重点骨干企业少无氧化热处理比重已达80%左右,但一般水平还保持在30%左右。同时,国内的设备还停留在手工操作上,劳动强度大。
  少无氧化热处理技术的普及在世界上是上世纪80年代到90年代热处理水平的主要标志。先进工业国家无氧化热处理比重已达80%以上。据报导,欧洲工业国在1980年经真空热处理零件比重为3%,1985年增至18%,2000年增到23%,可控气氛热处理比重也由19%增至29%,在氧化气氛中热处理件由57%减至7%,美国石油机械制造业在1985年少无氧化热处理就达60%以上。在这点上讲,我国的水平还处很低水平。  
  有人估计,我国在2010年基本完成“少无氧化”热处理为中心的技术改造的话,那么到2010年我国总体热处理生产水平会达到目前欧美国家的水平,同时有望使部门骨干企业达到当时的国际先进水平。国内更多的股份制企业和民营企业对先进热处理设备的需求会更为突出。随工模具发展和航空工业的持续技术改造,对高压气淬真空炉需求每年会达300台以上,到2010年80%真空热处理炉的需求是1000kPa以上的双室高压气淬炉。低压渗碳和2000kPa高压气淬生产线会在汽车行业得到一定的推广,使用低压渗碳后在1000kPa~2000kPa的惰性气体中气淬来代替油淬是重要发展趋势。但国内设备制造厂恐怕还难以适应这种要求。  
  设备的解决同时,还要密切注意加工市场。我国现在热处理加工能力存在过剩,一般设备平均利用率只有30%。对新建热处理企业尤其要注意,不建立固定客户网是不行的。美国2020年远景中讲到:与客户十年的合作是典型的,要从最初的产品设计阶段的热处理都包含在内,才收到缩短加工周期和降低用户及热处理厂生产成本的效果。