热处理技术发展和热处理行业市场的分析

1 热处理技术发展和热处理行业市场的分析 1 概述概述 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 软化材料 改善成型性能 提高机加工效率和生产效率 提高材料的强度和韧度 增加零部件的寿命 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 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 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 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 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国内外热处理先进技术与装备 2 2 1 国外热处理先进技术与装备的水平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 3 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 4 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 5 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 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 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 6 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 7 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 22 2 2 热处理设备现状和差距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 8 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 32 2 3 有关实例有关实例 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 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 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 9 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 2 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 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 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 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 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 10 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 32 3 目前主要热处理先进技术与装备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 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 低压渗碳 可控 渗氮 表面改性等新技术不断涌现 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 节能热处理和绿色热处理技术获得发展 热处理产品质量 精确生产愈益严格 重视可持续发展 环保和治理 计算机应用和控制技术进步 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 12 3 1 保护气氛和控制气氛热处理方面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 12 3 1 1 设备和控制特点设备和控制特点 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 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 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 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 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 设备可靠 机械动作 电器元件 仪表 传感器 配套件正确可靠 筑炉材料和工艺材料质量好 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 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 11 2 3 1 22 3 1 2 直生式渗碳技术直生式渗碳技术 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 炉子调控时间短 碳势变化迅速灵敏 渗碳均匀性好 气氛生成的成本低 碳传递速率高 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 12 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 32 3 1 3 真空乙炔渗碳技术真空乙炔渗碳技术 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 3 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 碳的传递速率高 处理周期缩短 不产生积碳 和焦油 减少炉子维护 实现均匀渗碳和高品质渗碳 炉子可以密装工件 提高 生产率 克服工件内氧化弊病 可控气氛炉中难以克服 气淬工件清洁光亮 改善工作环境和污染 2 3 1 42 3 1 4 可控高一氧化碳气体渗碳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 3 m 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 13 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 18 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 电力消耗低 CO 浓度调整简单 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 增加对流加热至 1200 温度均匀性在 10 内 氮气压 力设定在 0 01 0 3MPa 并能控制在 10mbar 范围内 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 SOLNIT A 1 4435 1 4571 1 4301 和 1 4539 等奥氏体不锈钢经 14 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 SOLNIT 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 15 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 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 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 装有抽风装置 改善工作环境和减小测量温度的误差 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 随机回火处理 在一台淬火机上淬火 随后用较低功率