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热处理技术发展和热处理行业市场的分析

2009/3/1      

1.概述

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。具体的要求往往在下述方面:⑴软化材料,改善成型性能,提高机加工效率和生产效率;⑵提高材料的强度和韧度,增加零部件的寿命;⑶在保证材料心部性能的同时提高工件的表面强度、硬度、耐磨性、疲劳性和耐蚀性等;⑷研制新型材料和针对已出现的特种材料通过热处理方法获得特殊的物理、化学性能以满足医疗、宇航、生物、光学、电子等领域中高要求的应用;⑸改进传统材料的生产和处理,细化材料的组织,大大提高强度和韧度,充分发挥材料潜能,满足愈来愈高的工业需要;⑹应用物理和化学沉积方法使材料表面的性能发生质的飞跃,满足高速高精度加工的需要和高耐磨、耐蚀环境下的使用要求;⑺应用纳米技术、复合材料技术制造出特种性能的材料。

金属制品和工件经热处理使其达到所要求的组织、性能和服役寿命,应按精确生产方式来完成,即使其在精确可靠运行的清洁设备中,按科学先进的工艺方法,在严格的管理下去完成处理全过程,获得分散度为零的高质量水平。严格的管理包括工艺执行管理、设备管理、质量管理、能源管理、环保管理和人力资源管理等。这些管理项目在质量保证体系和环保体系的认证中规定十分明确。对一个投资企业,应十分重视ISO9000,QS9000和ISO14000等的认证。达到这些认证,才能找到和确定企业和汽车、宇航航空、机械、化工、冶金、纺织、工模具等方面领域的固定客户,并争取维持长期合作关系。

跨入21世纪,人类对环境保护的要求越来越高,我国已把环保作为一项基本国策,并开始推进清洁生产,要求施行绿色热处理,生产清洁产品。施行绿色热处理,最根本的是为了人类的可持续发展。世界环境和发展委员会在《我们共同的未来》报告中阐明“可持续发展”为“既满足当代人的需要,又不致损害子孙后代满足其需要的能力的发展”。易于理解的是要我们做到自然资源的合理开发利用,同时做好自然资源的保护和环境的保护。对一个企业而言,要处理好发展与效益、发展与创新的关系,也要处理好发展与资源、发展与环境的关系。优秀的企业家,要处理好这些关系,也一定要善于处理好这些关系。在处理中求得生存,求得效益,求得发展。

2 . 国内外热处理先进技术与装备

2.1.国外热处理先进技术与装备的水平

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。

2.1.1 国外先进热处理技术发展战略目标

国外热处理技术发展的战略目标是可持续发展,产品质量提高,节约能源,精确生产,提高生产效率,国内的发展必应以此作为着眼点。这五个方面之间实际上是互相关联和制约的。

可持续发展中首先涉及环境,热处理是与环境和能源密不可分。热处理加工过程中应用的生产物料和剩余物料很多可能都是致污染源。热处理工作者要合理选用避免形成有害剩余物料的技术,对不得已产生的有害物质须应用先进的无害化处理方法使有害剩余物料达到国家或国际上规定的安全排放标准,并研究开发再生和重复使用的方法。国外对之研究很多,当然投资相当大。

热处理的能源消耗在机械制造企业中约占20~30%。上世纪90年代中期有调查我国每年用于热处理的电能约86亿度(约占总发电量的1%),全国热处理营业额约50亿人民币。1996年美国热处理用电总量为51亿度,比我国低40.7%,而全国热处理营业额为150亿美元,按当时汇率合计为1245亿人民币,是我国的24.9倍。由此可见,我国热处理的能耗远远落后于发达国家。因而,我国热处理设备和现行热处理工艺的改进、完善和开发十分必要,节约能源的前景很大的。另外,我国机械工厂的热处理用电费用约占产品生产成本的40%,这当然严重影响产品成本的降低。注意,电是二次能源,发电效率一般为30~40%,热处理生产热效率如达80%,则用电的综合热效率只有24%~32%。对利用一次能源天然气的热处理炉,加上烟道热能利用,可使综合热效率达60%~65%。为此,在解决控制炉温技术前提下,应用天然气使耗能下降,降低成本和提高生产效率十分有利。日本在这方面应用较好。

热处理产品质量的提高和精确生产过程,要涉及热处理设备的质量、可靠性和控制技术的提高以及热处理产品的质量重现性和产品性能的提高。热处理设备的高指标要求的实现是热处理产品性能、变形等质量分散度趋于零的重要前提。国外热处理设备对热处理全过程进行工艺参数的全面控制,并正在向自动化,集成化,柔性化和智能化的方向发展。在我国对上世纪60年代就应用的可控气氛热处理,还仅在部分大型企业和少数专业厂使用。全国范围看,可控气氛炉和真空炉总共尚不到热处理设备的5%,一些劳动强度大、污染严重和能耗大的设备仍占不少数量。许多热处理企业还主要靠手工操作,尚未进行碳势的控制或只是初步的控制,淬火介质也只是采用水和油(主要是机械油)两种。在这种条件下,要提高产品质量和进行精确生产仅只是空话,这要求企业领导层予以充分考虑。

以上项目的实现和保证,自然就能实现生产成本的降低和劳动生产率的提高。

国外工业发达国家正是这样去规划和努力的,我国也应该向这些目标奋进。美国热处理工业2020年的远景可以归纳描述如下:运用最新的CAD(计算机辅助设计)程序和热处理数据库,计算机模拟的仿真技术和精确控制技术实现对热处理进行高度柔性化和智能化的全面控制及系统管理。热处理工业的目标为:具有一流的热处理质量,质量分散率为零;工艺周期缩短50%;热处理工件畸变为零;热处理能源利用率提高到80%;热处理对环境影响减少到零;热处理成本降低75%;取得高的生产率和利润回报率;工作环境清洁,舒适和安全。其它还涉及:热处理工人受到良好训练,掌握先进技术和操作技能。政府为企业进一步减轻负担,刺激热处理企业发展和技术进步,并鼓励投资和银行贷款。产、官、学、研和会(学会、协会)合作加快推进先进的热处理技术。

2.1.2 国外先进热处理技术主要标志

针对上述国外先进热处理发展战略目标,具体的发展主要标志可概括为8个“少无” :少无污染,少无畸变,少无分散,少无浪费,少无氧化,少无脱碳,少无废品和少无人工。这儿以下述四个方面对目前国外先进热处理水平予以论说。

2.1.2.1 清洁生产和零污染:热处理生产有些会形起环境污染,主要是指生产过程中产生的废气、废水,废渣,噪声和电磁辐射等。先进的热处理技术应采用清洁设备,对清洁材料进行清洁工艺的生产。

真空设备,可控气氛设备,离子渗设备,低NOx、SOx燃料燃烧设备,流态床设备等属无污染清洁设备;N2和各种惰性气体,聚合物淬火剂,无氟氯烃清洗溶剂,Al2O3和SiO2等流态床粒子(具备除尘条件)等材料属清洁材料;真空处理,可控气氛处理(尽可能减少CO2排放),屏蔽良好的感应热处理工艺属清洁工艺;这样,真空热处理,低压渗碳,等离子热处理,高压气淬,真空清洗,三束(离子束、激光束、电子束)热处理,喷雾喷水淬火等显然可属少无污染的清洁热处理技术。

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。

关于国内工艺辅助材料、职工素质、管理、人才资源方面差距不在此累赘。

2.2.3 有关实例:有关实例,我选了美国一家,英国一家,日本一家和韩国二家,国内选了长春第一汽车厂。

⑴美国通用GM的DELPHI Saginaw Steering Systems热处理车间,是底特律GM公司的第5分厂热处理车间。主要产品是轿车的传动器和转向器零部件,如半轴、十字轴、转向节、球头销等,年产250万套。其生产设备是美国Holcroft工业炉公司的四排大型连续式气体渗碳自动线10条,其中6条用天然气加热,4条用辐射管加热。车间与冷加工车间连在一起,整个车间只有8人操作。

⑵英国Bodycote金属技术集团是世界性的专业金属服务公司,分金属热处理、热等静压、金属涂层和材料测试服务中心四部门。在英国Birimngham有该地分部和Aldrige分部从事热处理服务工作。Birimngham分部是于1991年建立的较现代化专业厂。有Ipsen公司92年制造的全计算机控制的7台多用炉的连续生产线,每台多用炉的装炉量为1000kg,由一台计算机进行自动控制,日夜连续处理,除装卸零件外全部自动控制。该集团意识到世界一流设备对服务的重要性,不惜投资400万英镑。该分部已获得ISO9002和英国BS 5750-2认可。它取得欧洲、日本和美国宇航工业、通讯、汽车、精密工程等生产许可证。其员工31人,人均年产值达7.3万英镑(合100万元/人年)。其渗碳件的收费为0.5~0.8英镑/kg(合7~11元/kg)。该分部还有3台流动粒子炉,购自德国Schwing公司,炉温可达700~1100℃,可进行碳氮共渗和淬火处理,自动化程度较高。

Aldrige分部是一个较老的厂点,厂房和设备比较陈旧,其工作环境和制造水平与我们国内相差不多。设备是几台老式网带炉和气氛炉,仍在生产。此外有4台离子渗氮炉(Φ2 m)用于处理齿轮。还有一台离子镀膜机和一台化学气相沉积TiN设备,用于处理冷冲模具和刀具等。后几种是现代化程度较高的设备。

⑶日本东伸热处理株式会社,位于大阪府八尾市的本社工场,成立于1943年,进行气氛炉渗碳,无氧化淬火,真空和高频感应热处理。前者是用周期炉和连续炉进行汽车零件热处理及其它机械零件热处理。真空热处理主要用于轴承零件。该工场实现了柔性生产体制。生产线由6台多用炉,5台回火炉,油冷槽1台、水冷槽1台,清洗槽1台,脱脂槽1台,备料台1套,料盘滚道1套,料盘旋转台1个,无人运料小车一个,2列18位4层的主体框架1套构成。本社工场于1997年7月通过ISO9002认证。

⑷韩国现代汽车蔚山厂,以生产轿车和轻型车为主的汽车厂。其中传动器车间生产轴和齿轮,热处理仅作为一道工序布置在加工线上,零件在冷加工线上已放在热处理夹具上。热处理有9条单排连续渗碳自动线。其中一条由美国HOLCROFT公司制造外,其余8条均由东宇热处理工业株式会社制造。这8套设备比较精致,是典型的小巧玲珑日本式。采用的渗碳气氛为丙烷加RX气,最高渗碳温度为900℃,在850℃淬火区通入NH3,以使工件表面形成碳氮共渗组织来提高力学性能,然后淬入140℃硝盐浴,以最大限度地减小变形,使齿轮表面精度提高,寿命提高和减小噪音,该硝盐处理是现代厂的特色。9条自动线上只有2人在设备进出口走动,进行设备的检查和填写工艺记录卡的管理。

⑸东宇热处理工业株式会社彦阳工厂,是一全能热处理生产厂,员工50人,人均创年劳务收入为150万元,是很可观的。工厂按工艺划分成3部分,第一部分为渗碳区,有12台密封箱式多用炉,整盘整盘的汽车和建筑机械零部件先在1台双工位真空清洗机上清洗干净(代替脱脂处理),后进入多用炉内进行渗碳,过程由计算机控制,所有数据打印出来,由操作者认可并填入检点卡。12台箱式炉由1人操作。第二部分为真空渗碳、渗氮、沉积TiN和渗金属(钒)。设备为真空渗碳炉、罩式渗碳炉和渗金属井式炉,产品是工模具和要求高的零部件。工件处理后进行严格的检测金相、硬度、层深和变形等。第三部分是热处理前后的辅助工序区,如装夹具、热处理后的喷丸、校直及装料箱的清洗等。

⑹长春第一汽车厂底盘热处理车间,在消化吸收引进美国Holcroft公司双排连续渗碳淬火线的基础上自营制造了多条生产线,满足变速箱齿轮、后桥齿轮大批量和高质量的生产,使产品达到德国高尔夫轿车热处理要求的标准,其中渗层均匀度为±0.15㎜,齿轮表面的碳浓度波动±0.05%C,表面硬度均匀性为±2HRC,并且通过工艺调整,采用热油淬压床淬,使齿轮齿套的变形控制在合格的范围。齿轮在渗前施行密封炉中燃烧脱脂和预氧化处理,保证了渗碳层的均匀,也改善了表面出现反常组织的问题。设备的运行环境清洁,节能达到引进炉的356kwh/t能耗的水平。

我在这儿既列举国外的先进技术水平、设备情况,也列入我国先进企业的情况是想让投资企业家从中获得裨益。

2.3.目前主要热处理先进技术与装备

近25年来,热处理先进新技术大量涌现。主要的表现为:⑴以保护气氛和控制气氛的少无氧化和少无脱碳方面的热处理技术愈益普及和日趋完善;⑵低压渗碳,可控渗氮,表面改性等新技术不断涌现;⑶真空热处理和高压气淬应用日益扩大,清洁生产发展大大改善环境;⑷节能热处理和绿色热处理技术获得发展;⑸热处理产品质量、精确生产愈益严格;⑹重视可持续发展,环保和治理;⑺计算机应用和控制技术进步;⑻热处理作业的自动化水平不断提高。以下按工艺方法或类别叙述。

2.3.1 保护气氛和控制气氛热处理方面:可控气氛热处理是热处理生产技术先进的主要标志之一。下述2.3.1.1 说明先进设备情况和主要控制特点,2.3.1.2 ~2.3.1.5表示先进工艺情况。

2.3.1.1 设备和控制特点:⑴目前,热处理加热设备大多采用电能,操作和维护方便,但从能源利用率上看,应用一次热源的燃料炉,采用先进燃烧技术和充分利用余热,综合热效率可达80%,日本这方面应用较好。

⑵减少炉子热损失和炉衬蓄热,充分利用余热,保证炉子密封性。

⑶采用预抽真空密封多用炉、可取消火帘,节约燃料,缩短炉内排气时间,碳势恢复快,提高生产效率。⑷炉温均匀和气氛均匀性高,决定产品质量好。一般要求渗层均匀性≯0.1㎜,表面碳浓度0.05 %C,硬度均匀性<1.5 HRC,这样要求有效加热区的炉温均匀在5℃范围和使炉气充分循环均匀。⑸采用氧探头和可编程控制器(PLC)碳控仪,可使碳势控制精度在0.05%C范围。氧探头的炭黑污染和气氛渗透会使其批示发生误差,德国Ipsen公司的Supercarb直生式气氛控制系统中增加氧探头定期清理措施,并采用一种补偿电极和特殊合金电极来克服这一弊病。⑹设备可靠,机械动作、电器元件、仪表、传感器、配套件正确可靠。⑺筑炉材料和工艺材料质量好。⑻具备故障自诊断系统,计算机屏幕显示,普遍采用触模式自诊断系统。⑼有的在采用氧探头控制气氛时应用两个传感器,借助第二个探头或红外CO2分析仪监控。

2.3.1.2 直生式渗碳技术:将碳氢化合物和空气直接通入炉膛制取碳势可控气氛,目前是一条解决气源问题的重要途径。

以前的吸热型和放热型气氛在炉外有发生炉装置,而各种直生式气氛是将燃料气直接注入炉中经反应后生成所需要的主要组分CO和H2及CH4,虽然这些重要组分达不到热力学平衡,但是可加以控制。即使气氛中有高的CH4量,碳的传输仍受CO反应所控制,这种非平衡气氛中稳定的碳活度仍可用人们熟知的平衡气氛方程确定:ac=K(t)Pco/Po20.5

这儿CO含量不是常量,随渗碳温度和时间而改变,因而要附加红外气氛分析装置测定CO值,将氧探头、CO分析值和温度传感器值输入计算机,按上式为基础进行数学处理,就能控制直生式非平衡气氛中的碳势。注意正确测定氧势中,为了改变原来CH4含量<1%的条件要求,因为CH4会高至2%~10%以上,这时氧探头应采用特殊合金电极并附加补偿电解质。

经过检测的一组气氛包括燃气和一种氧化气体一起直接注入加热炉中产生直生式气氛。采用的燃料气有:天然气、丙烷、丙酮、异丙醇,另外,乙醇、丁烷、柴油和煤油等液体介质也可使用。另一组份可以是空气,也可使用CO2和H2O。气氛的碳势通过注入的空气量来控制,减小空气流量则提高碳势。这种炉子可用气体加热,还要有强烈的循环。

由实际测定的CO含量和CH4含量可知,随炉温降低,碳氢化合物与空气/CO2反应减小,会导致未反应的CH4较多存留下来,从而可以得出:在低于850℃渗碳时,采用天然气和空气的直生式气氛不适用;丙烷+空气,丙酮+空气和异丙醇+空气,可以在低于800℃下使用。

直生式气氛的工业炉可用于各类工件的渗碳、碳氮共渗和淬火处理。上世纪90年代初引入英国,经不断改进和应用,1998年大约已有300台(套)的气体渗碳炉投入运行。

直生式气氛应用主要优点:⑴炉子调控时间短;⑵碳势变化迅速灵敏;⑶渗碳均匀性好;⑷气氛生成的成本低;⑸碳传递速率高;⑹生产效率提高。

但应用于连续炉上因为炉温应限为800℃,这种场合炉中的CO含量会很低,但可以另外注入CH3OH,使之分解维持CO含量,当然由CO含量来控制注入量。

直生式渗碳设备分周期式密封箱式炉和直生式连续渗碳生产线,前者有单室和双室炉,后者有传送带式、料盘式、网带炉式或震底炉式,也有与清洗、淬火、回火组成柔性生产线的。

2.3.1.3 真空乙炔渗碳技术:真空渗碳在工业上使用近25年了,原来以丙烷为渗碳剂,但受限制很大。当温度高于600℃,丙烷易分解成碳、氢及甲烷,会使零件表面产生炭黑和使炉子内腔及泵管产生焦油,增加了炉子的维护困难。

后来开发了乙炔真空渗碳,或称低压渗碳。乙炔分解能获得非常高的碳势:C2H2=2C+H2,对密集装载和细长盲孔零件,都能得到均匀渗碳层。乙炔分解出两个游离碳原子参与渗碳,比其它碳氢气氛的渗碳能力更强。乙炔分解的碳原子在非常低的压力(10~1000Pa或0.1~10mbar)条件下能实现均匀渗碳,即只需要少量原料气,很大程度减少碳黑形成。对碳浓度分布曲线面积积分可得出1000℃10mbar条件下渗碳10min的碳通量,对C2H2可达150g/㎡?h,而对CH4、C3H8和C2H4分别为2 g/㎡?h、120 g/㎡?h和130 g/㎡?h。应用三种工艺方法在相同渗碳条件下的渗层深度比较列于下表2,利用乙炔进行低压渗碳的优越性十分明显。而且渗碳的均匀性明显比丙烷的提高。对Ф3×90㎜深的盲孔、乙炔、丙烷低压渗碳孔中渗入深度分别为90㎜和27㎜,测定硬度和有效硬化层深度的两种结果近似。

表2相同渗碳条件下三种工艺方法的渗层深度比较

乙炔真空渗碳的主要优点:⑴碳的传递速率高;⑵处理周期缩短;⑶不产生积碳和焦油,减少炉子维护;⑷实现均匀渗碳和高品质渗碳;⑸炉子可以密装工件,提高生产率;⑹克服工件内氧化弊病(可控气氛炉中难以克服);⑺气淬工件清洁光亮;⑻改善工作环境和污染。

2.3.1.4 可控高一氧化碳气体渗碳:这种方法自1999年在日本有较好的开发和发展。它可使渗碳时间缩短10~40%,在一定条件下与真空渗碳相当,已愈来愈引起人们的重视,国内尚未见报导。

对含CO和H2为主要的渗碳气氛中,碳的传递最主要应用CO的吸附和氧的脱附反应作说明,因为反应过程中涉及到氧,会产生钢中含有的氧化物形成元素(Si、Cr和Mn等)的氧化问题,因而造成钢的内氧化弊病(上面已提到,只有在真空渗碳下才可避免,一般认为内氧化深度<3μm,对工件性能的影响不大)。

高一氧化碳(CO)气体渗碳是在大气压下进行的,随CO量提高,高的碳势CP下,碳的转移速度显着提高,渗碳时间缩短,这种方法有称URX法的(吸热式气氛简称RX法)。对这种方法,渗碳反应式为:2CO=[C]+CO2

当反应达平衡时,上反应式平衡常数即 式中ac为碳在奥氏体中活度,fc为活度系数,[%C]为达平衡时钢件表面中的碳浓度,Pco2 和Pco是炉气中CO2和CO的分压。

人们可以容易理解CO浓度提高(即Pco增大),CO与钢件表面的接触频率增加,CO在钢件表面吸附增加,有利于渗碳进行,钢件表面含碳量增加愈快,但实际操作中,也要防止碳黑的析出。在950℃对SCr420H(相当于我国20CrH钢)Ф18×50㎜试样应用URX(CP1.35)和RX(CP1.00)的有效渗碳深度结果示于下表3中。相应URX和RX的炉气成分为:CO 47.00%,CO2 0.40%,H2 51.20%和CH41.30%;CO 23.40%,CO2 0.14%,H2 33.80%,CH4 0.32%和其余为N2 。表3说明有效渗层在0.5~0.9㎜时,渗碳时间可缩短40%左右。一般应指出:钢材含碳量降低,缩短率增加,渗层深度增加时,缩短率降低。

高CO气体渗碳设备:在一般的连续式或周期式炉前面增加高CO发生炉,这种高CO气氛一般只通入连续炉上的渗碳炉段,其它炉段仍应用吸热式气氛。关于RX气氛,关于高CO气体发生炉的原理可以另作说明。相应设备特点:⑴电力消耗低;⑵CO浓度调整简单;⑶气氛成分稳定。日本中外炉技术研究所的试验炉对用户试验结果按要求可以提供。

2.3.1.5 不锈钢的固溶渗氮:

将不锈钢在1050~1150℃的真空炉中通入压力为PN2的纯氮进行渗氮处理,可以获得2.5㎜深的渗氮层,也具优良的抗蚀性能,Ipsen公司将之称为固溶渗氮处理,标记为SOLNIT。有SOLNIT-M和SOLNIT-A两种,前者指对低碳马氏体不锈钢渗氮,并以大于临界冷速的冷却获得高硬度马氏体表面层(约含0.5%N);后者指对奥氏体或两相不锈钢渗氮,获得高强度奥氏体表面层(约含0.9%N)。不锈钢渗氮一般可应用离子渗氮和盐浴渗氮(Sursulf或Tenifer)约在500~600℃进行,但因为氮化物析出,易引起Cr的贫化,致使其耐蚀性下降。

固溶渗氦的原理要考虑钢渗氮表面的平衡,氮的扩散和脆性氮化物的沉淀,这篇论文已翻译刊于《机械工人(热加工)》2005上。

固溶渗氮处理的工艺参数:温度1050~1150℃,时间可至24h,氮气分压PN2=0.01~0.3MPa(0.1~3bar)。处理后渗氮层深度可至2.5mm。固溶渗氮后的冷却:采用液体淬火剂或高压气淬。注意,因为渗氮温度较高,会促使心部和渗层晶粒长大。一般对马氏体而言,第二相沉淀能起阻止晶粒长大作用;对奥氏体渗氮层在渗氮后靠冷加工(如喷丸处理)方法细化。

工业应用的固溶渗氮真空炉可以是标准的IpsenVTTCK或VVTK真空炉,经一定改装符合下述要求:⑴增加对流加热至1200℃;⑵温度均匀性在±10℃内;⑶氮气压力设定在0.01~0.3MPa,并能控制在±10mbar范围内;⑷气淬压力可选定至1MPa(10bar)氮气,有时可能要求1MPa氦气。对VTTCK-924型真空炉,工作室尺寸为1150㎜×850㎜×650(高)㎜,装载工件重量为1000㎏,气淬压力为1MPa(10bar)氮气。

应用实例:⑴SOLNIT-A,1.4435,1.4571,1.4301和1.4539等奥氏体不锈钢经处理后获得0.3~2.5㎜厚的、韧的高氮奥氏体表层,具有高的抗蚀能力和抗疲劳能力,心部仍然保持固溶处理的强度,硬度增加50~120HV。这种性能组合使工件在腐蚀性环境下具有高的疲劳强度。⑵SOLNIT-M,1.4021,1.4104,1.4024等马氏体不锈钢经处理后获得韧的心部和硬的表面渗层的组织,保持和提高原材料的抗腐蚀性能,工件可以有0.3~2.5㎜厚渗层,硬度达58~60HRC,还具高的疲劳强度。

2.3.2 感应加热处理方面:

近25年来,感应加热的工业应用日益广泛,除感应熔炼、感应焊接和一些场合的特殊应用外,着重有感应热处理和透热(包括半固态成形中料坯加热),感应热处理中主要有淬火、回火、去应力处理、退火、正火、球化和烧结等,最新报道还应包括液体介质感应渗碳的化学热处理(美国专刊)。这儿主要论述感应加热淬火处理,加热电源和淬火设备方面的国外先进水平。

我国在工业上应用感应加热,起步于上世纪五十年代,50年代末,我国自制电子管式高频电源和机械式中频发电机。60年代后研制出了晶闸管中频电源(SCR可控硅),目前国外在中频150~10kHz范围内SCR中频电源已完全取代中频发电机组和电磁倍频器。自改革开放以来,工业发达国家的现代感应加热技术引进,使我国感应热处理技术获得很大发展。

关于感应加热电源:目前西班牙GH集团的IGBT(绝缘栅双极晶体管)发生器最大输出功率为500kW,工作频率为5~50kHz。日本高周波热炼株式会社生产的IGBT发生器,100~600kW的功率有1~25kHz和50kHz两档;800kW,1000kW和1200kW功率的仅有(1~25)kHz一档。国内生产厂的产品低于这一水平。EFD公司更具强的实力,作为世界上最大的感应加热设备供应商之一,已将IGBT应低于150kHz的限制冲破,首次将频率提高到350kHz,该公司现已在上海建厂。

对100kHz以上高频段,以模快化、大容量化的MOSFET功率器件(MOS场效应晶体管)为主。西班牙GH集团的产品输出功率25~50kW有10个规格,输出频率分50~100kHz,100~200kHz和200~300kHz。高频电源另一个功率器件为SIT(静电感应晶体管),主要以日本产品为主,上世纪80年代末已达功率100kW,频率200kHz和400kW功率400 kHz频率的水平,国内水平低于该值相当多。解决刀片、锯条等特殊工艺要求的超高频电源27.12MHz,主要依赖进口,国内的电子管超高频电源功率为8~100kW。

关于感应淬火设备:通用感应淬火机床,适应工件品种繁多,功能完善,应用范围广,一般有立式和卧式两种,以立式更为常见。

淬火设备的传动型式有液压和全机械式,不过液压式有淘汰趋势,后者采用变频调速电动机、步进电机或伺服电机通过滚珠丝杠传动、T型丝杠或直线移动导轨等,移动速度均匀、精确,易实现变速移动。现在重复定位精度可达0.03或0.025㎜,主轴定位达到±0.01°。控制采用PLC与NG控制方式(数控)。另外按运动件名称分工件移动和感应器移动两种方式,国内常是工件移动方式,而国外机床除工件长度较短外基本全是变压器移动的,这应成为国内通用淬火机床的发展方向。

专用淬火机床应根据具体淬火工件而改变,我们可按投资企业决定热处理零件具体给予阐述和帮助选择。进口设备先进、可靠、稳定,耐久安全和美观,但价格相当昂贵。

国外淬火设备重要的是解决了高效、自动化、重现性好的工艺要求,正在向成套、紧凑、在线、数控、柔性、自动发展。设备还逐步解决下述几方面的问题:⑴能量控制器,用于监控工件加热温度,重现性达到±1%。按Toggo公司发展的感应器监控仪(coil monitor),直接测量感应器上的输入能量kW-S,取代原来监控设备振荡部件的能量的方法。又如进口的曲轴淬火机床上安置有脉动加热或能量分配器,在曲轴淬连杆颈时,在其上死点与下死点处理时分配给予不同能量来达到温度均匀目的。⑵附带测量及显示仪表增加智能控制:如对滚珠丝杆感应淬火时能自动测量丝杆伸长量,如伸长量超差能自动降低加热功率以减少伸长量,并打印记录有关数据;如对曲轴淬火机上装上曲轴弯曲变形计控制淬火变形;指计式流量计直接显示淬火液流量来控制淬冷速度,还可用水的电导值监控软水的质量。⑶装有抽风装置,改善工作环境和减小测量温度的误差。⑷多轴化装置,如Welductoin公司推出2轴、4轴淬火机,可同时处理多根0.508m(20 in)长以内,重9.08㎏以下的工件,提高生产效率。⑸随机回火处理。在一台淬火机上淬火,随后用较低功率进行回火处理,两种工序在一台淬火机上完成,也节约了装卸和运输,提高生产效率,及时完成淬火回火,也保证质量。⑹一机多工位或一个电源带多台机床的淬火设备出现。⑺加工零件族的淬火机和柔性淬火机床出现,能自动编多种淬火工件的程序,自动识别淬火工件,转换工件只需2~5min,按储存工艺选定参数进行生产,提高工效。

关于感应器设计与制造:国外淬火设备提供时负责提供感应器,这种专用感应器采用计算机模拟技术确定有效圈的主要结构。对导磁体,据测试可节能13~37%,不仅可用于内孔、平面加热,也可用于外圈工件加热。美国Fluxtrol Inc.有可加工导磁体的感应器,称强力感应器(Power Inductor)。另外感应器的调换因为采用快换夹头,使切换夹头和水电接通可在(3~15)s内一次完成,这在国内已有生产。

关于感应热处理工艺的最新进展( 《机械工人(热加工)》 ) :⑴齿轮的同时双频感应加热技术(SDF):对齿轮的感应加热淬火,人们一直在追求“轮廓状淬硬层”,旨在求得齿侧面的高耐磨性和齿根部位承受残余压应力下的高疲劳抗力。虽然人们已了解了双频齿轮淬火工艺,(很多地方还作为先进工艺在介绍),通过转换两组线圈获得两种频率的电压,选用中频3~10kHz加热齿根,再用高频100~250kHz加热齿面,之间要快速切换,待齿面达到淬火温度时,切断高频电源,降低齿轮旋转速度,淬火水套中喷射淬火水,使齿面、齿顶和齿根迅速冷却,获得沿齿形的淬火层,国外也有这种工艺的机床供给,但工艺复杂,控制须严格执行。

近年来,美国Electroheat Technologies LLC公司和德国eldec Schwerk Induction GmbH等提出用双频同时感应加热淬火才真正为齿轮的轮廓淬火付诸现实,并首次提出这种感应加热方法能进行加速的奥氏体化来实现“自身淬火”,从而具有激光淬火的优点。在日本也有这种装置发售。

SDF技术是在一个感应圈上同时供给中频MF和高频HF能量,组成的两种频率的振幅能独自控制,即能同时能调整MF和HF的输出份额比,以优选于齿根和齿顶部位的表面淬硬来符合工件技术要求。为了达到齿轮的真正轮廓淬硬,且不影响心部的组织和性能,加热时间应小于0.5s,同时对齿根和齿侧面处理的功率比约为2:1。有报道对Ф70㎜汽车齿轮,功率要求约为400kW MF和200 kW的HF,加热时间0.5s,这样其最大产量可达3600只/h。显然,在达到一定表面淬硬深度下,加热时间越短,越有利于减小变形。应用SDF技术的另一个优点还在于能增加处理部件的表面残余压应力,对提高疲劳强度有利。

⑵液体介质感应渗碳LINCARB是一种简单、花费不高和无公害的工艺方法。被处理工件和加热感应器一起浸于含碳液体活性介质中,工件表面受感应高频电流加热,迅速加热工件表面至材料熔点以下的某一温度,这时液体活性介质在工件表面直接分解产生大量原子态高活性碳,被工件表面吸收并扩散至工件的一定深度位置,完成渗碳过程,它还适用于除钢件外的Ti合金和一些超合金。在一定处理条件下,可使钢件表面层含碳量达2%~6.67%的高耐磨莱氏体层。所以,这是一种能在秒和分的时间内完成化学热处理全过程的高效率方法,获得表面渗层组织和性能比常规化学热处理有拓展。

2.3.3 真空热处理方面:真空热处理技术具有无氧化,不脱碳,有脱脂、脱气作用,处理工件表面质量好、变形量小、综合性能好、使用寿命长,无公害无污染,自动化程度高,节约能源等许多突出的优点,在我国近20年来得到迅速发展。但它也有缺点,工件中一些合金元素如Mn、Cr在真空中的蒸发会较大,所以在生产中采用充入惰性气体或氮气来加以保护。另外,其设备投资较大,应该在生产任务饱满下,使能较短时间内收回。

自进入90年代,出现了许多新技术,如高压气淬和超高压气淬,真空清洗技术,高温超高压真空热处理技术,具有双对流循环系统的真空高压气淬炉,燃气真空炉,流态化真空炉,热壁式真空渗碳炉,连续式真空炉等。按发展看,未来的金属加工会更大地依赖于真空技术。据估计,在20世纪末,工业发达国家真空热处理炉占热处理设备的23%。

有人对各种液体在不同压力下的各种气体淬火介质的导热能力进行了定量比较,由比较可看出,随气体压力提高,导热能力提高。常用的冷却气体的导热能力有很大差别,N2、H2、He和Ar4种气体中以H2的冷却能力最强,其次是He、N2,Ar最差,其中N2最便宜,所以应用最广。2MPa以上的气淬炉,应用He居多,但因为He的价格贵,应考虑回收。

双室高压气淬在冷却效果上比单室炉的更为优越,工件在奥氏体化加热后移至冷室炉膛进行气淬冷却,可使需冷却的物料质量减少50%,冷室炉膛可以缩小从而可加大气体流速,即增加了冷却速度。

世界上生产真空炉的厂家很多,美国、日本、英国、法国等都有产品在国内投入使用。德国Schmetz公司不断改进研制的双室高压气淬真空炉,在设计上分开安置加热室和冷却室,提高了热效率,节能节时和减少污染,还具下列特点:⑴冷却和加热都采用双鼓风机(风扇)结构;⑵具有可自动控制的2R换气翼板;⑶具有密封隔热的热闸伐结构;⑷有自动控制的工件传送小车机构,运动于炉内加热室和冷却室中。该公司的双室高压气淬真空炉设计较好,解决了高压气淬热处理中的高压强气流循环冷却,加热室热流循环均热和加热冷却室的真空密封及隔热,产品的性能和功能优良,可以讲是近代优化设计的真空热处理炉的典范之一。

热壁式真空渗碳炉是根据实际生产需求专门设计开发的一种真空渗碳炉,解决了传统的冷壁式真空渗碳炉的许多问题。其特点如下:⑴热壁式结构,真空室炉壳不用水冷结构,隔热层内抽真空,减少水冷却带走的热量损失,使炉温分布及均匀性改善,加热元件能量消耗约减少60%;⑵封闭式辐射管加热元件,加热元件不与炉内碳氢分解气体直接接触;⑶陶瓷纤维隔热材料制成隔热层,可使用氧化气体(空气)进入炉中吹走沉积在炉壁表面上的炭黑;⑷自动烧炭黑系统、在炉温至850℃后将空气通入炉中烧掉炭黑,成功免除定期清洁炉室的工作。它不仅用于真空渗碳,还可进行各类渗碳工艺处理,如吸热式气氛渗碳、甲醇渗碳和氮基气氛渗碳等。

燃气真空炉设备和技术的研制、开发和推广符合节约能源的技术政策和工业上的需求。比电加热的真空炉具有以下特点:⑴高的热效率,较高的生产效率;⑵较低的运行成本;⑶减少一定的维护保养,德国Ipson International公司介绍过几种燃气真空炉的设计结构和近年研制的新模式。

高压气淬真空炉智能控制十分重要,要求能实现处理工件改变加热方式,改变冷却模式与冷却速度,使工件获得优良的性能,并能减小变形,从而提高生产效率和质量水平,减少分散度,同时又能节约能源,节约气源,逐步实现柔性化。近年来高压气淬真空炉工艺参数控制融合CAD技术、数据库及专家系统已日趋成熟。

真空热处理为了保持工件光亮和优良的表面质量,达到高精密零件的技术要求或后续处理的需要,处理工件前后应进行清洗、脱脂和烘干处理,近年来出现几种改进型的真空脱脂清洗技术。日本不二越公司采用溶剂油清洗剂来使工件清洗脱脂,然后对排出物蒸馏分离和再生回收,这种方式价格较低,适合中小企业应用,开发颇具前景。国内在真空清洗上已有相关产品出现。

目前国内可以提供真空油气淬炉、真空回火炉、真空加压气淬炉(2bar)、真空高压气淬炉(6bar、10bar)、真空烧结炉和真空钎焊炉等,年产量约500台左右,国内制造商在价格上和服务便捷上尚占有相当的优势。在90年代初期,国外已开发了(20~40)×105Pa的高压气淬炉,应用显然进一步扩大。据介绍,国外已开发压力达100×105Pa,工作温度达2200℃的高温高压真空炉提供于高温烧结、晶体生产、宝石制造和一些物理试验上应用。

2.3.4 激光热处理方面:激光热处理是以高能量密度的激光束来照射工件表面,使工件上需要硬化的部位的温度急剧上升形成奥氏体,随后依靠工件的自激淬冷获得极细小的马氏体显微组织的热处理工艺方法。激光热处理分激光相变硬化、激光熔融、激光表面合金化、激光表面熔覆和激光冲击硬化等,这儿主要介绍激光相变硬化。

激光相变硬化的主要特点:⑴极快的加热和冷却速度,工件表面的加热速度可达(104~106)℃/S,冷却速度可达(106~108)℃/S,所以激光热处理是一种快速加热和冷却的相变硬化方法,保证能获得十分细密的组织;⑵局部热处理方法,实现自缴淬冷,不需要冷却介质,处理的热影响区小,一般工件处理后变形较小;⑶工件经处理后硬度比常规淬火的高,耐磨性好,尤其对铸铁如工件表面发生熔融,可以获得极细密的莱氏体组织,耐磨性可提高3~4倍;⑷处理表面具有很高的残余压应力,改善零件的抗疲劳强度;⑸处理过程易于自动化和计算机控制;⑹可以在大气中处理,工艺操作简单。工业上常用的激光源是CO2连续气体激光器,激光波长为10.6um,现在这种激光器在国内已有生产。激光束模式为多模。进行激光相变硬化的主要工艺参数是激光输出功率P,激光束斑直径D和激光的扫描速度V。其它激光源还有准分子激光器和固体激光器,它们一般以脉冲形式工作,工艺参数中要增加脉宽和频率。

激光束斑按不同激光器有圆形、矩形和线形三种,激光束沿工件以一定方式扫描,有搭接、衔接和间隔三种。一般处理金属对激光的反射率很高,为了增加处理金属对激光束能量的吸收,材料一般都要进行表面黑化。黑化方法可以是磷化或应用含石墨粉料的黑色涂料和某些氧化物(如SiO2)的涂料涂刷。

45钢经激光处理后淬火层组织为细小马氏体的组织,过度区为马氏体+屈氏体组织,表面硬度达650~800HV。高碳钢激光淬火后硬化层为细针状马氏体+残余奥氏体;次表层为马氏体+残余碳化物+屈氏体组织,表面硬化层达(850~1150)HV。GCr15钢硬化层为隐晶马氏体+残余合金碳化物+残余奥氏体组织,过度区为马氏体+回火屈氏体+合金碳化物组织,表面硬度达900~1050HV。铸铁经激光热处理后,硬化层为马氏体+残余奥氏体+残留石墨(片状或球状,按原灰口铸铁或球墨铸铁而不同),硬化层为(700~900)HV,若表面发生熔融情况,则表面会获得莱氏体组织,在石墨周围的熔化区出现双壳层组织:毗邻石墨是片状马氏体+残余奥氏体,次外层是莱氏体共晶。

典型的激光热处理实例有很多,如齿轮、曲轴和气缸体等,一般对特定的零件要配有一定的工装夹具,才能大批量地应用。对少批量生产,个别协作零件应用于生产会存在一定问题。另外,激光器和加工机的投资成本比较大,一定程度上也限制了该技术的推广。

国外的激光器生产质量高,工作稳定,但一般用于激光切割、激光打孔更为适合。

2.3.5 表面改性与复合处理方面:广义上讲表面改性是改变钢铁材料表面性能的处理,分改变表面组织和改变表面化学成分的工艺方法,所以渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗金属等属后者,感应加热、火焰加热、激光相变硬化、接触电阻加热等属于前者。不过现在一般讲的表面改性则偏重于表面涂层技术,应用气相沉积技术的方法制取。

气相沉积是通过气相材料或使材料气化后沉积于处理工件表面形成薄膜,并使其获得特殊表面性能的一种技术。薄膜按用途分光学薄膜、微电子学薄膜、光电子学薄膜、集成光学薄膜和防护功能薄膜六大类。与机械零件密切相关的主要是高强度高硬度薄膜,简称硬质膜。

气相沉积按气相物质产生方式可分为物理气相沉积和化学气相沉积两类,表示成PVD和CVD。

物理气相沉积是在真空条件下应用物理方法将镀覆的固体材料转化为原子、分子或离子状态的气相物质再沉积于工件表面。沉积的气相物质按生成方式又可分为下述三种:⑴真空蒸镀,以热蒸发获得原子或分子沉积于工件上形成薄膜;⑵溅射成膜:以溅射获得原子或分子沉积于工件上形成薄膜;⑶离子镀膜:镀材以离子和高能量的原子或分子的形式沉积成膜。

化学气相沉积是将含有组成薄膜的一种或几种化合物气体导入反应室,使在基体上通过化学反应生成所需薄膜的物质沉积在工件上面的方法,分采用加热促进化学反应的普通常压CVD,低压CVD和采用等离子体促进化学反应的等离子体辅助CVD以及采用激光促进化学反应的激光CVD等。

蒸发镀膜基本过程为:对密闭的钟罩抽真空,达一定真空度后,通过蒸发源加热将蒸发料升至一定温度,使蒸发料气化后沉积于工件表面形成薄膜,这方法简称蒸镀。当蒸发室中设置多个独立控制的蒸发源分别对组成合金的单质材料进行蒸发,通过控制各蒸发源的温度和蒸发速率来得到需要成分比的合金薄膜。当采用反应蒸镀法,在蒸发单质金属等单质材料同时,充入O2、CH4或N2等气体,使两者反应形成化合物并沉积成化合物膜,如Al2O3,Cr2O3,SiO2,TiC,SiC,TiN,ZrN等。

带有几十电子伏特动能以上的荷电粒子(一般为Ar离子)轰击固体材料时,材料表面的原子或分子获得足够的能量逸出到达气相中的现象称为溅射,将溅射的原子或分子收集起来沉积成膜的方法称为溅射镀膜。一个入射离子溅射出的原子或分子个数称为溅射产额,单位为原子个数/离子。对大多数金属,离子所具有的阈值能量在20~40ev范围。溅射原子的动能一般为1~10ev,高于热蒸发原子(约10-1ev动能)。轰击离子通常采用辉光放电获得。提高溅射薄膜质量和沉积速率的方法是采用磁控溅射法。它可简单地理解为在靶的后背装上一组永磁体,从而在靶的表面形成磁场,部分磁力线平行于靶面,使靶面发射的电子在受电场力直接飞离靶面过程中又受磁场的洛仑兹力作用返回靶面,不断与气体分子发生磁撞,将能量传递给气体分子并使之发生电离。这种结构使薄膜的沉积速率提高,也能减少膜层气体含量和降低基体材料温升。采用合金靶或复合靶会达到沉积特定成分合金溅射的目的。采用单质靶溅射和在放电气体中通入一定的活性气体可方便地获得化合物膜的沉积,也称为反应溅射法。如采用Ti靶进行溅射时,在工作气体中加入一定量反应气N2、CH4和O2就可分别得到TiN、TiC、TiO2化合物薄膜,而且控制反应气分压可以控制化合物的成分、晶体结构和生长方式。

离子镀膜简称离子镀,是在真空条件下利用气体放电使气化的物质部分离子化,当它们轰击基材表面的同时沉积并形成薄膜的一种工艺方法。离子镀兼具蒸镀的沉积速率高和溅射镀膜的沉积粒子能量高(实际上是比溅射粒子能量高得多)的优点,从而具有膜/基结合力强、绕涂性好和可镀材料广的特点。Moley等人研究成功空心阴极离子镀,1976年在日本投入实用化,并于1979年将定型设备投放市场和获得发展。我国的研究落后几年,约90年代我国仿制热丝电孤离子镀设备成功,用于高速钢刀具上镀TiN硬度膜。

近年来,国外PVD设备大量进入国内,占领了市场,相应的一些设备生产厂也在国内建厂承接涂膜加工。国内一些工具厂如上海工具厂、哈一工和一些模具厂(上海如上海造币厂)等自己购置进口设备用于生产涂层工具、模具。

化学气相沉积是通过气相物质的化学反应在基材表面上沉积固态薄膜的工艺方法,这些化学反应,有分解、化合、还原和置换反应等11种,反应多余物(气体)将从反应室排出。

CVD中提供的反应物在室温下可以是气态、液态或固态物质,通过加热使它们气化后导入反应室,对反应室还需对气体或基片供给能量,对基片一般是采用电阻加热、高频感应加热和红外线加热等方法。这样,CVD的主要设备包括反应气体的产生、净化、混合和导入装置,反应室和基片的加热装置及排气装置等。

CVD的化学反应温度一般在800~1000℃,由于沉积温度较高限制了基体材料的选用,选用基材的力学性能会有较大程度的减低,也会给膜层和膜/基的微结构及性能有不利影响。为了降低沉积温度在选择新的反应物和向反应提供激活能量上有新的发展。其中等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)较为人们所重视。应用等离子体可对基材加热,反应气体的放电激活成非常活泼的激化态分子、原子、离子或其团簇,降低反应的激活能,使原来在热力学上难以进行的化学反应变得易于实现,从而大大降低化学气相沉淀的温度,使实用化大大提高。国外的很多设备便兼具PVD和PECVD的形式进行工作。

复合热处理是一个很活跃的技术领域,世界上早在上世纪70-80年代就有人研究了。现在主要有表面热处理与化学热处理的复合处理,表面热处理与表面形变强化(喷丸)的复合,表面镀覆与表面热处理的复合。经过复合处理后,材料获得了兼有两种处理后的独特性能。国内学者应用喷丸使零件表面纳米化然后进行渗氮,可以将渗氮温度降低至约350℃,并获得很好的性能,这一工作得到国外同行的极大重视,这也是一种复合处理的特殊范例。

4.几点建议和结束语:

4.1 热处理工艺是在涉及机械制造的任何工业领域中的一项广泛应用的重要基础工艺之一。热处理工艺、技术和热处理装备的发展应得到充分重视。

4.2 国内的热处理装备和技术水平远远落后于国际先进水平。

4.3 先进热处理技术发展的战略目标是可持续发展,产品质量提高,节约能源,精确生产和提高生产效率。

4.4 在国外先进热处理技术主要标志中我们要特别认清:清洁生产和零污染,精确生产和零畸变,少无氧化和少无脱碳,开发节约能源的设备和工艺。

4.5 在保护气氛和控制气氛热处理方面,国外先进技术体现在直生式渗碳技术,真空乙炔渗碳技术,可控高CO气体渗碳技术和不锈钢固溶渗氮等,在这方面的设备和控制特点是保证设备具有高技术特点的相当重要关键。

4.6 感应加热处理方面,齿轮同时双频感应加热技术和液体介质感应渗碳是先进工艺的两项发展。国外感应加热淬火设备解决高效、自动化、工艺要求和处理质量重现性好是主要关键。

4.7 真空热处理方面技术和处理质量主要关键在于设备,智能控制十分重要,应注重高压气淬,改变冷却模式与冷却速度对生产效率、减小变形和高质量的保证作用。

4.8 国外激光热处理设备先进,但投资和应用受一定程度限制。

4.9 PVD,CVD技术和设备发展很迅速,国外投资国内已相当多,市场前景竞争剧烈。

4.10 热处理技术发展和投资应着眼于高效益,低能耗,高起点,高水平,低污染和高质量,以高技术,严管理去竞争中高端市场,去争取高创收和高回报。

 

 
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