熱處理專業(yè)與行業(yè)發(fā)展思考

1、熱處理專業(yè)與行業(yè)發(fā)展思考,2,節(jié)能環(huán)保熱處理,1、引言2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù)3、節(jié)能裝備4、節(jié)能材料5、節(jié)能環(huán)保管理6、熱處理專業(yè)發(fā)展遐（瞎）想,3,1、引言,建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會擺在工業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的突出位置。熱處理作為機(jī)械行業(yè)的耗能大戶，其節(jié)能減排工作意義重大。我國傳統(tǒng)的老三爐（箱式爐、 井式爐和鹽浴爐）在現(xiàn)有服役設(shè)備的比重非常大，總數(shù)超過十萬臺，能耗高、環(huán)境污染、產(chǎn)品質(zhì)量低下等問題非常突出。,4,1、引

2、言,我國每年鋼材年實(shí)際熱處理生產(chǎn)量超過1億噸。5 000噸／年淬火油因蒸發(fā)或局部燃燒造成碳?xì)浠衔?、CO及煙塵；9 000噸／年的廢淬火油因排放不當(dāng)而污染水質(zhì)；鹽浴爐生成鹽蒸氣7 000噸／年以上；有害廢渣約10 000噸／年；燃煤爐窯排放SO2 約115萬噸／年，灰分約815萬噸／年；噴砂處理中產(chǎn)生的SiO 等有害粉塵10 000噸／年,5,,,6,1、引言,美國熱處理2020年設(shè)想目標(biāo)：能源消耗減少80％ ，工藝周期縮短

3、50％ ，工藝成本降低75％ ，熱處理實(shí)現(xiàn)零畸變和最低的質(zhì)量分散度，加熱爐使用壽命提高到原來的10倍，加熱爐價(jià)格降低50％ ，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)零污染 。--啟示是：熱處理制造領(lǐng)域的節(jié)能降耗有巨大潛力；熱處理制造成本的降低依然存在很大的空間；熱處理爐用材料以及各種耐熱元件和構(gòu)件的壽命在現(xiàn)有基礎(chǔ)上有望大幅度提高；最大限度地減小產(chǎn)品熱處理質(zhì)量分散度，實(shí)現(xiàn)真正意義的綠色制造是熱處理界應(yīng)該始終追求的目標(biāo)。,7,1、引言,高品質(zhì)高效率低能耗清凈環(huán)保

4、智能化。,富有生命力的熱處理技術(shù),8,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),2.1 降低加熱溫度一般亞共析碳鋼的淬火加熱溫度在Ac3以上30～50℃，共析及過共析碳鋼淬火加熱溫度為Ac1以上30～50℃。但近年來的研究證實(shí)，亞共析鋼在略低于Ac3的α＋γ兩相區(qū)內(nèi)加熱淬火（即亞溫淬火）可提高鋼的強(qiáng)韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，并可消除回火脆性。淬火的加熱溫度可降低40℃。對高碳鋼采用低溫快速短時(shí)加熱淬火，可減少奧氏體碳含量，有利于獲得良好強(qiáng)韌

5、配合的板條馬氏體，不僅可提高其韌度，而且還縮短了加熱時(shí)間。,9,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),2.1 降低加熱溫度 對于某些傳動齒輪，以碳氮共滲代替滲碳，耐磨性提高40％～60％，疲勞強(qiáng)度提高50％～80％，共滲時(shí)間相當(dāng)，但共滲溫度（850℃）較滲碳溫度（920℃）低70℃，同時(shí)還可減小熱處理變形。用低中溫回火代替高溫回火：中碳或中碳合金結(jié)構(gòu)鋼用中、低溫回火代替高溫回火，可獲得更高的多沖抗力。W6Mo5Cr4V2鋼制Φ

6、8mm鉆頭，在淬火后進(jìn)行350℃×1h＋560℃×1h二次回火，較560℃×1h三次回火的鉆頭切削壽命提高40。,10,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),2.2 縮短加熱時(shí)間一般要對加熱保溫時(shí)間公式τ＝α·K·D中的加熱系數(shù)α進(jìn)行修正。傳統(tǒng)α值推薦為1.0～1.8min/mm，這顯然是保守的。如果能將α值減小，則可大大縮短加熱時(shí)間。加熱時(shí)間應(yīng)根據(jù)鋼種工件尺寸、裝爐量等情況通過實(shí)驗(yàn)確定。高溫化學(xué)

7、熱處理：就是在設(shè)備使用溫度允許及所滲鋼種奧氏體晶粒不長大條件狹，提高化學(xué)熱處理溫度，從而大大加速滲碳的速度。把滲碳溫度從930℃提高到1000℃，可使?jié)B碳速度提高2倍以上。,11,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),2.2 縮短加熱時(shí)間真空化學(xué)熱處理：是在負(fù)壓的氣相介質(zhì)中進(jìn)行。由于在真空狀態(tài)下工件表面凈化，以及采用較高的溫度，因而大大提高了滲速。如真空滲碳可提高生產(chǎn)率1～2倍；在133.3×（10-1～10-2）Pa下滲鋁、鉻，滲速可提

8、高10倍以上。 取消回火或減少回火次數(shù)：取消滲碳鋼的回火，如20Cr鋼裝載機(jī)用雙面滲碳活塞銷取消回火的疲勞極限較回火的可提高16％；取消低碳馬氏體鋼的回火，將推土機(jī)銷軸套簡化為20鋼淬火態(tài)（低碳馬氏體）使用，硬度穩(wěn)定在45HRC左右，產(chǎn)品強(qiáng)度和耐磨性顯著提高，質(zhì)量穩(wěn)定；高速鋼減少回火次數(shù)，如W18Cr4V鋼機(jī)用鋸條采用一次回火（560℃×1h）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的560℃×1h三次回火，使用壽命提高40％。,12,2、節(jié)能環(huán)

9、保熱處理技術(shù),2.2 縮短加熱時(shí)間合理減少滲層深度：化學(xué)熱處理周期長，耗電大，如能減少滲層深度以縮短時(shí)間是節(jié)能的重要手段。用應(yīng)力測定求出必要的硬化層深度，表明目前的硬化層過深，只需傳統(tǒng)硬化層深度的70％就足夠。研究表明，碳氮共滲比滲碳可減少層深30％～40％。同時(shí)若在實(shí)際生產(chǎn)中將滲層深度控制在其技術(shù)要求的下限，也可節(jié)能 20％，同時(shí)還縮短了時(shí)間，減小了變形。離子化學(xué)熱處理：它是一種在低于一個(gè)大氣壓的含有欲滲元素的氣相介質(zhì)中，利用工件

10、（陰極）和陽極之間產(chǎn)生輝光放電同時(shí)滲入欲滲元素的化學(xué)熱處理工藝。如離子滲氮、離子滲碳、離子滲硫等，具有滲速快、質(zhì)量好、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。,13,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),2.3 真空熱處理（1）不氧化、不脫碳、不增碳對工件內(nèi)部和表面有良好的保護(hù)作用：（2）提高整體機(jī)械性能、脫氣和促進(jìn)金屬表面的凈化作用： （3）工件變形?。?）真空爐采用碳?xì)肿鳛楸馗魺岵牧希湫顭岱浅Ｉ?，熱效率?可實(shí)現(xiàn)快速升溫和降溫；沒有易燃易爆性氣體，工作環(huán)境好，操

11、作安全，沒有污染和公害。,14,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),,湖南頂立科技有限公司雙室真空油淬氣冷爐和單室氣淬爐,15,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),2.4 感應(yīng)熱處理感應(yīng)穿透加熱高溫回火可在連續(xù)作業(yè)的生產(chǎn)線上完成調(diào)質(zhì)工藝。它適用于中碳鋼或低合金鋼的鍛件進(jìn)行熱處理，具有生產(chǎn)效率高、畸變小、少無氧化脫碳、生產(chǎn)過程易于實(shí)現(xiàn)自動化。采用感應(yīng)自行回火：采用感應(yīng)自行回火代替爐中回火，由于是利用感應(yīng)加熱將熱量傳到淬火層以外，淬火冷卻時(shí)未全部帶走殘留下來的

12、熱量而實(shí)現(xiàn)短時(shí)間回火，因而具有高效節(jié)能，并在許多情況下（如對高碳鋼及高碳高合金鋼）可避免淬火開裂，同時(shí)一經(jīng)確定各工藝參數(shù)可大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。,16,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),2.5 高能束熱處理：激光束、電子束、離子束表面技術(shù)與表面改性技術(shù)(表面淬火、重熔、涂層)是利用高能束對工件的表面快速加熱作用實(shí)現(xiàn)工件表面熱處理，不產(chǎn)生煙塵等污染，屬清潔熱處理技術(shù)。,17,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),2.6 局部加熱代替整體加熱

13、0;對一些局部又技術(shù)要求的零件（如耐磨的齒軸徑、軋輥輥徑等），可采用浴爐加熱、感應(yīng)加熱、脈沖加熱、火焰加熱等局部加熱方式代替如箱式爐等的整體加熱，可以實(shí)現(xiàn)各零件摩擦咬合部位之間的適當(dāng)配合，提高零件使用壽命，又因?yàn)槭蔷植考訜?，所以能顯著減小淬火變形，降低能耗。,18,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),2.7 修復(fù)熱處理對失效、故障零件采用熱處理方法和技術(shù)使之修復(fù)再生的技術(shù)。修復(fù)熱處理技術(shù)發(fā)展很快，有資料介紹，美國修復(fù)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值已達(dá)500億

14、美元。我國某坦克發(fā)動機(jī)采用修復(fù)熱處理等技術(shù)使廢舊零件起死回生，其服役壽命延長了40％ 。自上世紀(jì)80年代以來，再制造修復(fù)熱處理技術(shù)已擴(kuò)展到民用產(chǎn)品上，其發(fā)展將促使我國形成制造技術(shù)中的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。,19,2、節(jié)能環(huán)保熱處理技術(shù),2.8 余熱利用鍛后余熱淬火是常用的熱處理工藝之一，不僅可獲得較高的綜合機(jī)械性能，還可以簡化工藝，節(jié)省能源。開發(fā)連續(xù)熱處理爐低溫余熱利用關(guān)鍵材料，形成高效熱交換成套裝置批量生產(chǎn)能力，熱處理爐排放較高溫度（

15、300℃左右）廢氣，降低到150℃以下，將余熱轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)熱水、過熱水和低壓蒸汽，低壓蒸汽應(yīng)用于制冷和除濕。低溫余熱高效利用技術(shù)在鋼鐵企業(yè)形成應(yīng)用示范。,20,3、節(jié)能裝備,合理選擇能源；合理選擇爐型，連續(xù)式爐比周期式爐好，圓型爐膛比方型爐膛好；消化吸收國外先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，自主創(chuàng)新，優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少熱損失，提高熱效率；盡可能采用蓄熱少、絕熱性好的輕質(zhì)耐火材料爐襯，如用耐火纖維對爐襯進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)；采用密封爐體結(jié)構(gòu)，防止漏氣和吸入空氣；

16、充分利用余熱和廢熱；燃燒過程的優(yōu)化，合理選擇和控制燃燒系數(shù)；采用紅外輻射涂料涂層，用于輕質(zhì)磚和纖維的復(fù)合爐襯可節(jié)能50％左右，用于燃燒爐可節(jié)能10％ 一30％，升溫時(shí)間減少20％ 一4o％；減少熱處理工卡具所造成的熱量損失等。,21,3、節(jié)能裝備,3.1 合理選擇能源我國的機(jī)械制造業(yè)的熱處理爐主要用電。電爐加熱雖然也能達(dá)到高的熱效率(70％ ～80％)，但考慮到30％ 一40％的熱力發(fā)電效率，熱處理電加熱的綜合效率只有20％ ～30％

17、。用天然氣、液化石油氣、重油和輕油的燃燒爐，采取空氣充分預(yù)熱措施及高效熱交換器就可以直接把爐子的加熱效率維持到60％ ～70％以上。在各種燃料中，用天然氣加熱還有環(huán)境溫室效應(yīng)最低的優(yōu)越性,22,3、節(jié)能裝備,,23,3、節(jié)能裝備,3.2 合理選擇爐型在相同功率條件下，連續(xù)爐比周期爐效率高25％以上，在生產(chǎn)批量合適前提下，應(yīng)盡可能選用連續(xù)爐。密封滲碳淬火爐可實(shí)現(xiàn)滲碳后直接淬火的節(jié)能工藝，故用密封箱式爐比用井式爐滲碳優(yōu)越。各種爐型按

18、熱效率(由高到低)排序?yàn)椋赫竦谞t、網(wǎng)帶爐、井式爐、輸送帶爐、箱式爐和鹽浴爐。,24,3、節(jié)能裝備,3.3 減少熱損失(1)減少爐壁散熱和蓄熱①選用輕質(zhì)耐火絕熱材料。②密封多用爐輕質(zhì)耐火磚改陶瓷纖維塊可節(jié)電13％ ，升溫時(shí)問減少30％，洗爐時(shí)問縮短75％。③輸送帶式爐重質(zhì)磚改陶瓷纖維塊，節(jié)約燃料50％，空爐升溫時(shí)問縮短90％。④盡量避免爐壁開孑L，如30mm×30mm矩型孑L，設(shè)孑L內(nèi)負(fù)壓為10Pa，則每小時(shí)侵入的冷空氣達(dá)1

19、0m3，勢必降低爐溫，增加燃料消耗。⑤鹽浴爐不蓋蓋，維持爐溫會增加46％的電能。⑥減少爐子外表面積可減少爐子散熱，圓柱形爐表面積比矩形爐約小14％。(2)減輕料盤夾具重量①加熱料盤、夾具消耗的熱占18％ ～29％。②采用高級合金減輕料盤，夾具重量有節(jié)電20％的記錄。③減輕料盤、夾具，可多裝工件提高效率。④真空爐用鉬棒代替耐熱鋼可減少2／3重量，使加熱時(shí)間縮短25％。⑤用網(wǎng)帶代替鏈板節(jié)能效果顯著。,25,3、節(jié)能裝備,3.4 廢熱利用

20、(1)預(yù)熱空氣利用煙道氣廢熱預(yù)熱燃燒用空氣，節(jié)能效果顯著：把空氣預(yù)熱到400~C可節(jié)約16％ 20％燃料，預(yù)熱到600℃節(jié)能25％ 30％燃料。(2)高效熱交換器預(yù)熱空氣的熱交換器有反向流、平行流和橫流三類：高效橫流熱交換器可將空氣預(yù)熱到800 IO00~C的高溫。(3)新型熱回收燃燒器：用蜂窩狀陶瓷塊能吸(回)收和儲存煙道氣熱量，回收效率大大提高。,26,4、節(jié)能材料,4.1 非調(diào)質(zhì)鋼與調(diào)質(zhì)鋼比較，非調(diào)質(zhì)鋼的主要優(yōu)點(diǎn)：① 鍛件

21、無須調(diào)質(zhì)處理，是典型的資源節(jié)約型結(jié)構(gòu)材料。②不存在因淬火產(chǎn)生的變形、開裂等工序質(zhì)量問題，省去了后續(xù)校直、探傷等工序。③ 在零件的橫截面上可得到均勻一致的組織和性能，而調(diào)質(zhì)鋼由于受材料淬透性的影響，零件的表面和心部往往存在較大的組織和硬度差異。國內(nèi)非調(diào)質(zhì)鋼主要用于發(fā)動機(jī)曲軸、連桿、前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)等零件。非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用，可以使生產(chǎn)此類零件的熱處理能耗降低70％ ～80％ 。從節(jié)能、環(huán)保的角度講，微合金化非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用將是汽車用結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展

22、方向之一。目前制約非調(diào)質(zhì)鋼進(jìn)一步推廣應(yīng)用的主要障礙是材料價(jià)格,27,4、節(jié)能材料,4.2 免退火鋼免退火冷鐓鋼通過化學(xué)成分的調(diào)整，控軋、控冷，細(xì)化晶粒并使珠光體變態(tài)，降低軋制態(tài)的硬度，提高其塑性變形能力，減小變形抗力 。免退火冷鐓鋼的應(yīng)用，省略了冷拔前的退火工藝，降低了生產(chǎn)成本。目前，免退火冷鐓鋼可用于生產(chǎn)8．8級汽車緊固件類零件。隨著冶金技術(shù)的發(fā)，免退火冷鐓鋼有可能應(yīng)用于更高強(qiáng)度的緊同件生產(chǎn)中。,28,4、節(jié)能材料,4.3 細(xì)晶粒結(jié)

23、構(gòu)鋼為克服鋼件在1000℃以上高溫滲碳時(shí)的晶粒過分長大，并可實(shí)施滲碳降溫的直接淬火，要求開發(fā)更多的本質(zhì)細(xì)晶粒的滲碳結(jié)構(gòu)鋼。在鋼中添加Ti、V、zr和Nb等細(xì)化晶粒元素，可滿足此要求。4.4 奧貝球墨鑄鐵(ADI)經(jīng)貝氏體等溫淬火后組織是貝氏體+殘留奧氏體，強(qiáng)度高，強(qiáng)韌性好，堪與中碳鋼的性能匹敵，且生產(chǎn)過程簡單，制造成本低，節(jié)能節(jié)材效果明顯。生產(chǎn)奧貝球鐵件的關(guān)鍵技術(shù)是大批量生產(chǎn)的等溫淬火工藝和連續(xù)式生產(chǎn)線。國內(nèi)外已在許多汽車零件(齒

24、輪、凸輪軸和曲軸)上推廣應(yīng)用。,29,4、節(jié)能材料,4.5 貝氏體鋼：高強(qiáng)度、高韌度節(jié)能型低碳貝氏體鋼系列：包括12Mn2VB低碳粒狀貝氏體鋼、低碳仿晶界型鐵素體／粒狀貝氏體復(fù)相鋼(如B7I鋼、B5鋼、JB460鋼等)、低碳Cr-M 一Si—Mo系貝氏體鋼和無碳化物貝氏體／馬氏體復(fù)相鋼貝氏體鋼可將熱加工成型與熱處理合并成一個(gè)工序不僅節(jié)能、簡化工序(省去淬火工序)提高生產(chǎn)效率，而且避免了淬火處理引起的畸變、開裂和氧化脫碳缺陷及后續(xù)處理

25、工序，可謂一舉多得用于高強(qiáng)度抽油桿、汽車前橋、高強(qiáng)度耐磨鋼板、重型釬桿(三峽電站船閘施工)等重要零部件,30,5、節(jié)能環(huán)保管理,生產(chǎn)管理科學(xué)化(1)認(rèn)真貫徹有關(guān)熱處理能源利用的國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。(2)加速熱處理生產(chǎn)的規(guī)?；阂?guī)模出效益，要徹底解決材料成形加工企業(yè)的污染、能耗問題，就應(yīng)該轉(zhuǎn)換廠家各自解決的觀念，變?yōu)閰^(qū)域內(nèi)集中處理。鑄造、熱處理、電鍍行業(yè)都有同類性質(zhì)問題。建議在有條件地區(qū)建立鑄造、熱處理、電鍍工業(yè)園區(qū)，通過合理規(guī)劃、合理

26、選址，將廠點(diǎn)(特殊產(chǎn)品的配套加工除外)集中在工業(yè)園區(qū)生產(chǎn)，集中管理、集中治污，從根本上解決不達(dá)標(biāo)排放、偷排等現(xiàn)象。(3)合理安排和組織生產(chǎn)。根據(jù)鍛件的類型、批量和時(shí)間要求安排熱處理設(shè)備的合理使用，盡量減少連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備的停機(jī)時(shí)間 品種多、批量小的企業(yè)(模具企業(yè)等) 應(yīng)利用社會資源，鍛件熱處理可委托專業(yè)熱處理廠加工。,31,6、熱處理專業(yè)與行業(yè)發(fā)展,定義：熱處理是將固態(tài)金屬或合金在一定介質(zhì)中加熱、保溫和冷卻，以改變材料整體或表面組織，從而

27、獲得所需性能的工藝。,,,,,,,,時(shí)間,溫度,加熱,保溫,冷卻,淬火,回火,,32,6、熱處理專業(yè)與行業(yè)發(fā)展,學(xué)科專業(yè)發(fā)展熱處理材料科學(xué)與工程：結(jié)構(gòu)成分、性能、加工、應(yīng)用材料改性與控制工程：材料成形過程和成形整體改性技術(shù)與裝備新理解能量輸入與導(dǎo)出控制組織提升性能,33,,能量輸入形式輻射加熱對流加熱耦合加熱感應(yīng)激光微波通電振動化學(xué)能：化學(xué)熱處理,34,,能量導(dǎo)出形式輻射對流傳導(dǎo)能量傳輸參量（成分