热处理专业与行业发展思考

热处理专业与行业发展思考,2,节能环保热处理,1、引言2、节能环保热处理技术3、节能装备4、节能材料5、节能环保管理6、热处理专业发展遐（瞎）想,3,1、引言,建设资源节约型、环境友好型社会摆在工业化、现代化发展战略的突出位置。热处理作为机械行业的耗能大户，其节能减排工作意义重大。我国传统的老三炉（箱式炉、 井式炉和盐浴炉）在现有服役设备的比重非常大，总数超过十万台，能耗高、环境污染、产品质量低下等问题非常突出。,4,1、引言,我国每年钢材年实际热处理生产量超过1亿吨。5 000吨年淬火油因蒸发或局部燃烧造成碳氢化合物、CO及烟尘；9 000吨年的废淬火油因排放不当而污染水质；盐浴炉生成盐蒸气7 000吨年以上；有害废渣约10 000吨年；燃煤炉窑排放SO2 约115万吨年，灰分约815万吨年；喷砂处理中产生的SiO 等有害粉尘10 000吨年,5,6,1、引言,美国热处理2020年设想目标：能源消耗减少80 ，工艺周期缩短50 ，工艺成本降低75 ，热处理实现零畸变和最低的质量分散度，加热炉使用寿命提高到原来的10倍，加热炉价格降低50 ，实现生产零污染 。-启示是：热处理制造领域的节能降耗有巨大潜力；热处理制造成本的降低依然存在很大的空间；热处理炉用材料以及各种耐热元件和构件的寿命在现有基础上有望大幅度提高；最大限度地减小产品热处理质量分散度，实现真正意义的绿色制造是热处理界应该始终追求的目标。,7,1、引言,高品质高效率低能耗清净环保智能化。,富有生命力的热处理技术,8,2、节能环保热处理技术,2.1降低加热温度一般亚共析碳钢的淬火加热温度在Ac3以上3050，共析及过共析碳钢淬火加热温度为Ac1以上3050。但近年来的研究证实，亚共析钢在略低于Ac3的两相区内加热淬火（即亚温淬火）可提高钢的强韧性，降低脆性转变温度，并可消除回火脆性。淬火的加热温度可降低40。对高碳钢采用低温快速短时加热淬火，可减少奥氏体碳含量，有利于获得良好强韧配合的板条马氏体，不仅可提高其韧度，而且还缩短了加热时间。,9,2、节能环保热处理技术,2.1降低加热温度对于某些传动齿轮，以碳氮共渗代替渗碳，耐磨性提高4060，疲劳强度提高5080，共渗时间相当，但共渗温度（850）较渗碳温度（920）低70，同时还可减小热处理变形。用低中温回火代替高温回火：中碳或中碳合金结构钢用中、低温回火代替高温回火，可获得更高的多冲抗力。W6Mo5Cr4V2钢制8mm钻头，在淬火后进行3501h5601h二次回火，较5601h三次回火的钻头切削寿命提高40。,10,2、节能环保热处理技术,2.2 缩短加热时间一般要对加热保温时间公式KD中的加热系数进行修正。传统值推荐为1.01.8min/mm，这显然是保守的。如果能将值减小，则可大大缩短加热时间。加热时间应根据钢种工件尺寸、装炉量等情况通过实验确定。高温化学热处理：就是在设备使用温度允许及所渗钢种奥氏体晶粒不长大条件狭，提高化学热处理温度，从而大大加速渗碳的速度。把渗碳温度从930提高到1000，可使渗碳速度提高2倍以上。,11,2、节能环保热处理技术,2.2 缩短加热时间真空化学热处理：是在负压的气相介质中进行。由于在真空状态下工件表面净化，以及采用较高的温度，因而大大提高了渗速。如真空渗碳可提高生产率12倍；在133.3（10-110-2）Pa下渗铝、铬，渗速可提高10倍以上。 取消回火或减少回火次数：取消渗碳钢的回火，如20Cr钢装载机用双面渗碳活塞销取消回火的疲劳极限较回火的可提高16；取消低碳马氏体钢的回火，将推土机销轴套简化为20钢淬火态（低碳马氏体）使用，硬度稳定在45HRC左右，产品强度和耐磨性显著提高，质量稳定；高速钢减少回火次数，如W18Cr4V钢机用锯条采用一次回火（5601h）代替传统的5601h三次回火，使用寿命提高40。,12,2、节能环保热处理技术,2.2 缩短加热时间合理减少渗层深度：化学热处理周期长，耗电大，如能减少渗层深度以缩短时间是节能的重要手段。用应力测定求出必要的硬化层深度，表明目前的硬化层过深，只需传统硬化层深度的70就足够。研究表明，碳氮共渗比渗碳可减少层深3040。同时若在实际生产中将渗层深度控制在其技术要求的下限，也可节能 20，同时还缩短了时间，减小了变形。离子化学热处理：它是一种在低于一个大气压的含有欲渗元素的气相介质中，利用工件（阴极）和阳极之间产生辉光放电同时渗入欲渗元素的化学热处理工艺。如离子渗氮、离子渗碳、离子渗硫等，具有渗速快、质量好、节能等优点。,13,2、节能环保热处理技术,2.3 真空热处理（1）不氧化、不脱碳、不增碳对工件内部和表面有良好的保护作用：（2）提高整体机械性能、脱气和促进金属表面的净化作用： （3）工件变形小（4）真空炉采用碳毡作为保温隔热材料，其蓄热非常少，热效率高,可实现快速升温和降温；没有易燃易爆性气体，工作环境好，操作安全，没有污染和公害。,14,2、节能环保热处理技术,湖南顶立科技有限公司双室真空油淬气冷炉和单室气淬炉,15,2、节能环保热处理技术,2.4 感应热处理感应穿透加热高温回火可在连续作业的生产线上完成调质工艺。它适用于中碳钢或低合金钢的锻件进行热处理，具有生产效率高、畸变小、少无氧化脱碳、生产过程易于实现自动化。采用感应自行回火：采用感应自行回火代替炉中回火，由于是利用感应加热将热量传到淬火层以外，淬火冷却时未全部带走残留下来的热量而实现短时间回火，因而具有高效节能，并在许多情况下（如对高碳钢及高碳高合金钢）可避免淬火开裂，同时一经确定各工艺参数可大批量生产等优点，经济效益显著。,16,2、节能环保热处理技术,2.5 高能束热处理：激光束、电子束、离子束表面技术与表面改性技术(表面淬火、重熔、涂层)是利用高能束对工件的表面快速加热作用实现工件表面热处理，不产生烟尘等污染，属清洁热处理技术。,17,2、节能环保热处理技术,2.6 局部加热代替整体加热对一些局部又技术要求的零件（如耐磨的齿轴径、轧辊辊径等），可采用浴炉加热、感应加热、脉冲加热、火焰加热等局部加热方式代替如箱式炉等的整体加热，可以实现各零件摩擦咬合部位之间的适当配合，提高零件使用寿命，又因为是局部加热，所以能显著减小淬火变形，降低能耗。,18,2、节能环保热处理技术,2.7 修复热处理对失效、故障零件采用热处理方法和技术使之修复再生的技术。修复热处理技术发展很快，有资料介绍，美国修复技术产业的年产值已达500亿美元。我国某坦克发动机采用修复热处理等技术使废旧零件起死回生，其服役寿命延长了40 。自上世纪80年代以来，再制造修复热处理技术已扩展到民用产品上，其发展将促使我国形成制造技术中的一个新兴产业。,19,2、节能环保热处理技术,2.8 余热利用锻后余热淬火是常用的热处理工艺之一，不仅可获得较高的综合机械性能，还可以简化工艺，节省能源。开发连续热处理炉低温余热利用关键材料，形成高效热交换成套装置批量生产能力，热处理炉排放较高温度（300左右）废气，降低到150以下，将余热转换为生产热水、过热水和低压蒸汽，低压蒸汽应用于制冷和除湿。低温余热高效利用技术在钢铁企业形成应用示范。,20,3、节能装备,合理选择能源；合理选择炉型，连续式炉比周期式炉好，圆型炉膛比方型炉膛好；消化吸收国外先进的设计理念，自主创新，优化炉体结构设计，减少热损失，提高热效率；尽可能采用蓄热少、绝热性好的轻质耐火材料炉衬，如用耐火纤维对炉衬进行节能设计；采用密封炉体结构，防止漏气和吸入空气；充分利用余热和废热；燃烧过程的优化，合理选择和控制燃烧系数；采用红外辐射涂料涂层，用于轻质砖和纤维的复合炉衬可节能50左右，用于燃烧炉可节能10 一30，升温时间减少20 一4o；减少热处理工卡具所造成的热量损失等。,21,3、节能装备,3.1 合理选择能源我国的机械制造业的热处理炉主要用电。电炉加热虽然也能达到高的热效率(70 80)，但考虑到30 一40的热力发电效率，热处理电加热的综合效率只有20 30。用天然气、液化石油气、重油和轻油的燃烧炉，采取空气充分预热措施及高效热交换器就可以直接把炉子的加热效率维持到60 70以上。在各种燃料中，用天然气加热还有环境温室效应最低的优越性,22,3、节能装备,23,3、节能装备,3.2 合理选择炉型在相同功率条件下，连续炉比周期炉效率高25以上，在生产批量合适前提下，应尽可能选用连续炉。密封渗碳淬火炉可实现渗碳后直接淬火的节能工艺，故用密封箱式炉比用井式炉渗碳优越。各种炉型按热效率(由高到低)排序为：振底炉、网带炉、井式炉、输送带炉、箱式炉和盐浴炉。,24,3、节能装备,3.3 减少热损失(1)减少炉壁散热和蓄热选用轻质耐火绝热材料。密封多用炉轻质耐火砖改陶瓷纤维块可节电13 ，升温时问减少30，洗炉时问缩短75。输送带式炉重质砖改陶瓷纤维块，节约燃料50，空炉升温时问缩短90。尽量避免炉壁开孑L，如30mm30mm矩型孑L，设孑L内负压为10Pa，则每小时侵入的冷空气达10m3，势必降低炉温，增加燃料消耗。盐浴炉不盖盖，维持炉温会增加46的电能。减少炉子外表面积可减少炉子散热，圆柱形炉表面积比矩形炉约小14。(2)减轻料盘夹具重量加热料盘、夹具消耗的热占18 29。采用高级合金减轻料盘，夹具重量有节电20的记录。减轻料盘、夹具，可多装工件提高效率。真空炉用钼棒代替耐热钢可减少23重量，使加热时间缩短25。用网带代替链板节能效果显著。,25,3、节能装备,3.4 废热利用(1)预热空气利用烟道气废热预热燃烧用空气，节能效果显著：把空气预热到400C可节约16 20燃料，预热到600节能25 30燃料。(2)高效热交换器预热空气的热交换器有反向流、平行流和横流三类：高效横流热交换器可将空气预热到800 IO00C的高温。(3)新型热回收燃烧器：用蜂窝状陶瓷块能吸(回)收和储存烟道气热量，回收效率大大提高。,26,4、节能材料,4.1 非调质钢与调质钢比较，非调质钢的主要优点： 锻件无须调质处理，是典型的资源节约型结构材料。不存在因淬火产生的变形、开裂等工序质量问题，省去了后续校直、探伤等工序。 在零件的横截面上可得到均匀一致的组织和性能，而调质钢由于受材料淬透性的影响，零件的表面和心部往往存在较大的组织和硬度差异。国内非调质钢主要用于发动机曲轴、连杆、前轴、转向节等零件。非调质钢的应用，可以使生产此类零件的热处理能耗降低70 80 。从节能、环保的角度讲，微合金化非调质钢的应用将是汽车用结构钢的发展方向之一。目前制约非调质钢进一步推广应用的主要障碍是材料价格,27,4、节能材料,4.2 免退火钢免退火冷镦钢通过化学成分的调整，控轧、控冷，细化晶粒并使珠光体变态，降低轧制态的硬度，提高其塑性变形能力，减小变形抗力 。免退火冷镦钢的应用，省略了冷拔前的退火工艺，降低了生产成本。目前，免退火冷镦钢可用于生产88级汽车紧固件类零件。随着冶金技术的发，免退火冷镦钢有可能应用于更高强度的紧同件生产中。,28,4、节能材料,4.3 细晶粒结构钢为克服钢件在1000以上高温渗碳时的晶粒过分长大，并可实施渗碳降温的直接淬火，要求开发更多的本质细晶粒的渗碳结构钢。在钢中添加Ti、V、zr和Nb等细化晶粒元素，可满足此要求。4.4 奥贝球墨铸铁(ADI)经贝氏体等温淬火后组织是贝氏体+残留奥氏体，强度高，强韧性好，堪与中碳钢的性能匹敌，且生产过程简单，制造成本低，节能节材效果明显。生产奥贝球铁件的关键技术是大批量生产的等温淬火工艺和连续式生产线。国内外已在许多汽车零件(齿轮、凸轮轴和曲轴)上推广应用。,29,4、节能材料,4.5 贝氏体钢：高强度、高韧度节能型低碳贝氏体钢系列：包括12Mn2VB低碳粒状贝氏体钢、低碳仿晶界型铁素体粒状贝氏体复相钢(如B7I钢、B5钢、JB460钢等)、低碳Cr-M 一SiMo系贝氏体钢和无碳化物贝氏体马氏体复相钢贝氏体钢可将热加工成型与热处理合并成一个工序不仅节能、简化工序(省去淬火工序)提高生产效率，而且避免了淬火处理引起的畸变、开裂和氧化脱碳缺陷及后续处理工序，可谓一举多得用于高强度抽油杆、汽车前桥、高强度耐磨钢板、重型钎杆(三峡电站船闸施工)等重要零部件,30,5、节能环保管理,生产管理科学化(1)认真贯彻有关热处理能源利用的国家及行业标准。(2)加速热处理生产的规模化：规模出效益，要彻底解决材料成形加工企业的污染、能耗问题，就应该转换厂家各自解决的观念，变为区域内集中处理。铸造、热处理、电镀行业都有同类性质问题。建议在有条件地区建立铸造、热处理、电镀工业园区，通过合理规划、合理选址，将厂点(特殊产品的配套加工除外)集中在工业园区生产，集中管理、集中治污，从根本上解决不达标排放、偷排等现象。(3)合理安排和组织生产。根据锻件的类型、批量和时间要求安排热处理设备的合理使用，尽量减少连续生产设备的停机时间 品种多、批量小的企业(模具企业等) 应利用社会资源，锻件热处理可委托专业热处理厂加工。,31,6、热处理专业与行业发展,定义：热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺。,时间,温度,加热,保温,冷却,淬火,回火,32,6、热处理专业与行业发展,学科专业发展热处理材料科学与工程：结构成分、性能、加工、应用材料改性与控制工程：材料成形过程和