先进热处理技术的发展和展望

先进热处理技术的发展和展望

1 历史的回顾

自俄国冶金学家D.K.切尔诺夫1868年发现钢在加热和冷却过程中有组织转变,F1奥斯蒙德用热分析法确定了钢的相变临界点温度以及合金状态图的建立以来,热处理从工匠手艺发展为科学技术只有百余年历史。在这段历史中,无论是作为热处理基础的物理冶金理论还是实用生产技术都取得了辉煌成就。最值得称道的理论贡献是:①E.C.贝茵、P.梅拉和威列尔在20世纪20～30年代对钢和杜拉铝相变机制的系统研究成果。②P.德拜、G.V.沃尔富、W.G.布赖格等从20世纪20年代开始的用X射线射法对金属合金和其中相的晶体结构的一系列研究结果。③G.V.库久莫夫和萨克斯对低碳马氏体相变的晶体变化的共格特征进行了精确测定,确立了著名的马氏体相变的晶体K-S关系。④金属晶体位错结构缺陷的发现及其对强度影响规律的结论使物理冶金理论向更微观和更量化的深度发展,解释了金属材料热处理强韧化效果的机理,并启发了一系列热处理新技术的开发,特别是各种类型的形变热处理新工艺。⑤柯俊、阿隆松分别提出了贝氏体转变的无扩散—切变和扩散—台阶机制的两个针锋相对观点,徐祖耀、康沫狂、俞德刚等人在贝氏体相变理论研究和开发贝氏体钢方面有突出贡献。

在实用生产技术发展上值得回顾的有:①1890年英国首次公布了制备不可燃气氛发生炉的专利,该气氛用于金属的光亮热处理,德国的A.富利1921年申请了在井式炉中通氨渗氮的专利。

②P.P.阿诺索夫在1837年就倡导用气体渗碳法,而经过100年后(1935年)前苏联的利哈乔夫汽车厂才有了第一台用煤油裂解气的罐式连续渗碳炉;直到20世纪50年代才逐步取代了固体渗碳和用氰盐的液体渗碳。③前苏联的G.V.沃罗格金在20世纪40年代逐步把感应加热技术应用到炼钢、锻造加热和表面淬火热处理等领域。④20世纪40年代末出现了用LiCl露点仪的碳势可控渗碳。⑤离子渗氮于20世纪30年代在德国就有了专利,而KlÊckner公司是在20世纪50年代末才开发出商品设备,并推向工业应用。⑥20世纪60年代初瑞士的H.魏斯发明了在井式炉中的CARBOMAAG滴注可控渗碳法。⑦20世纪60年代中期,用吸热式气(载气)、甲烷或丙烷(作富化气)并用CO2红外仪测控炉气碳势的可控渗碳在汽车工业中得到推广。与此同时第一代的冷壁式真空加热油中淬火炉和真空渗碳炉问世。⑧20世纪50年代开发,60年代推广的被称作Tenifer或Tufftride商品名称的盐浴氮碳共渗,使渗氮周期由数十小时缩短到1h～2h,可明显提高传动件的抗疲劳、耐磨性和抗咬合能力;由于处理温度低(<580℃),工件畸变小,其缺点是所用氰盐剧毒、废盐废水需妥善处理。⑨为避免使用剧毒的氰盐,20世纪60年代后期开发出了NH3 吸热式气(Nikotrier)和NH3 CO2(Nitroc)在570℃的井式或箱式炉中施行的气体氮碳共渗法,随后在汽车曲轴、低载齿轮等零件上获得广泛应用。⑩20世纪50年代高分子聚合物溶液开始用做淬火剂。最早使用的此类聚合物是聚乙烯醇(PVA),以0.1%～0.3%的浓度用做感应加热件的喷冷淬火,其冷却能力介于水油之间,不易燃、无污染。

20世纪60年代美国联碳公司推出UCON(PAG)系列合成淬火剂,可代替油用于铁和非铁合金的淬火及固溶处理的冷却。随后又有一系列其它类别的合成淬火剂商品问世。⑾高、中、工频以及超音频和超高频、超高频脉冲感应加热表面热处理工艺广泛应用。各种静态固体电路高频、大功率电源相继问世,全自动程控多工位淬火机床和自动装卸料机械手或机器人获得工业应用。•⑿20世纪80年代氧探头逐步代替红外仪用于炉气碳势控制的传感器和计算机仿真自适应控制、无损检测技术、机器人装卸结合,使大批量生产的汽车零件的渗碳、淬火、清洗、回火、质检全过程实现自动化和无人作业。•⒀20世纪90年代,欧洲IpsenInternational、ALD和ECM 等公司相继推出低压渗碳、低压离子渗碳和高压气淬的周期炉和半连续生产线,为提高效率、改善质量、减少畸变和保护环境作出了贡献,为汽车工业热处理未来提供了前景。

近20年来,热处理新技术的大量涌现,为机器制造业的发展、机械产品质量的提高、热处理企业的技术改造积累了大量的技术储备,为热处理生产技术的进步提供了广阔前景。

2 热处理的总体发展战略

纵观国内外热处理技术的发展,其总体战略的出发点大致可归纳成5个方面。首先是可持续发展战略(endurabledevelopment),其次是产品质量的持续提高(enhancementofproductsquality),第三是节约能源(energysaving),第四是实现精确生产(exactproduction),最后是提高生产效率(effcientprocesstechnologies),低生产成本。5个方面的英文字头都是E,故称之谓5E战略。

2.1 可持续发展战略

1992年联合国在里约热内卢召开的人类环境与发展大会提出了“以公平原则,通过全球伙伴关系促进全球可持续发展”的全球21世纪行动纲领。朱总理在2002年9月的世界可持续发展首脑会上把这个问题提到“人类与自然协调和谐,环境与发展相互促进”的高度。这就使可持续发展成为世界任何国家在自己的各种经济建设活动中都必须遵循的首要原则。在可持续发展的内涵中,首先是环境,其次是资源的有效利用和再生。热处理是和环境、资源密切相关的加工过程,其生产物料和剩余物料都可能是导致污染的根源。避免污染的原则应是预防第一,治理第二。因此热处理先进技术发展首要考虑是清洁和安全的生产技术,安全选用和使用生产物料,避免形成有害剩余物料的技术。对于不得已产生的有害物质也必须有先进的无害化处理方法,使其达到国家规定的安全排放标准。

热处理用的燃料、电力、水、油等资源的有效利用、节约使用和再生后重复使用的潜力巨大。热处理加热设备的能源必须因地、因时制宜地合理选择,加热设备的热效率有很大的提高余地,燃料产物的废热必须充分利用,大量的冷却用水必须循环使用,自工件表面清理下来的油脂应分类回收,失效的淬火油应收集精炼重复使用或作为它用。总之,资源的有效利用和再生是热处理行业可持续发展战略的很重要的组成部分。现在人们对这个问题重要性的认识还远没有达到对环境的认识程度。当前国家领导人和许多有识之士都充分认识到这个问题的解决是不能光靠说教,已经到了必须立法和制订法规的时刻了。可喜的是我国的环境保护法已经出台,国际标准化委员会也对企业提出了ISO14000的环保要求,我国的一些企业已经通过了ISO14000的认证。

2.2 产品质量的不断提高

我国加入WTO后,经济与国际接轨,为企业提供了动力,增加了压力,既制造了机会,也带来了严峻的挑战。中外合资企业的建立,外国独资企业的涌入使国内制造业的产品面临激烈的市场竞争,这种竞争表现在产品质量、价格和售后服务上,但核心在产品质量。

产品质量的高要求既是压力,也是动力。它可以带动热处理的技术改造和设备更新,从而使机器零件的质量和寿命产生大的改观。热处理企业的设备更新给设备制造业带来了商机,但国产热处理设备由于工艺水平低、可靠性差,在对外开放形势下也面临激烈竞争,使许多国内热处理设备制造厂濒临倒闭。提高热处理设备的质量和可靠性也是当务之急。与此同时,设备配套件、泵、阀、电器元件、仪器、筑炉材料等的质量和可靠性如果不能很快有大的改善,热处理设备的水平就不可能有大的突破,必定在竞争中继续吃败仗。提高产品质量必须在实行企业科学管理的基础上,加强产品质量管理、认真开展企业的ISO9000系列标准的认证、在生产过程中认真执行热处理各项工艺标准和热处理件的组织性能质量标准,才能使产品质量迅速上一个新台阶。

2.3 能源的有效利用

在机器制造工艺过程中,热处理是耗能大户。其电能消耗一般为机械制造企业的20%～30%。据20世纪90年代调查,全国每年用于热处理的电能约86亿度(kW·h),占总发电量的1%左右。美国1996年热处理用电总量为59亿度,仅为我国用电的68%。我国机械工厂的热处理用电费用占生产成本约40%。可见合理选择热处理能源,有效和节约使用能源也是热处理生产技术发展和改造的重要出发点之一。电是二次能源,热电厂发一度电约需9196kJ的热能,发电的效率在30%～40%。如果热处理加热炉的热效率能达到80%,则按一次能源的利用率计算,综合热效率只有24%～32%。而利用天然气的燃烧炉,再加上利用烟道气的燃烧空气预热,综合热效率达到60%～65%是很容易做到的。因此在有条件使用天然气的地域,用燃烧炉代替部分电阻炉,从能源