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我國熱處理技術現狀及未來趨勢展望

發布時間: 2019-06-20 15:57:24

作者:湘潭華宇電爐

  熱處理是機械工業的一項重要基礎技術,通常像軸、軸承、齒輪、連桿等重要的機械零件和工模具都是要經過熱處理的,而且,只要選材合適,熱處理得當,就能使機械零件和工模具的使用壽命成倍、甚至十幾倍的提高,實現“搞好熱處理,零件一頂幾”的目標,收到事半功倍的效果。
  
  熱處理對于充分發揮金屬材料的性能潛力,提高產品的內在質量,節約材料,減少能耗,延長產品的使用壽命,提高經濟效益都具有十分重要的意義。
  
  建國以來,我國的熱處理技術有了很大的發展,現有熱處理生產廠點一萬余家,職工15萬人,專業科技人員約1000余人,熱處理加熱設備11萬臺,年生產能力660萬噸鋼件,年產值約50億元,全員勞動生產率約3萬元/人*年。目前我國在熱處理的基礎理論研究和某些熱處理新工藝、新技術研究方面,與工業發達國家的差距不大,但在熱處理生產工藝水平和熱處理設備方面卻存在著較大的差距,還沒有完全扭轉熱處理生產工藝和熱處理設備落后、工件氧化脫碳嚴重、產品質量差、生產效率低、能耗大、成本高、污染嚴重的局面。為促進我國熱處理技術的發展,我們應全面了解熱處理技術的現狀和水平,掌握其發展趨勢,大力發展先進的熱處理新技術、新工藝、新材料、新設備,用高新技術改造傳統的熱處理技術,實現“優質、高效、節能、降耗、無污染、低成本、專業化生產”,力爭到2000年時達到工業發達國家八十年代中期的水平。
  
  1 大力發展多參數熱處理和復合熱處理工藝
  
  傳統的熱處理,就主要控制的參數而言,多為常壓下的溫度時間兩個參數的熱處理;就工藝方式而言,多為單一的熱處理。這樣熱處理的效果也只能是單一化。為此,要大力發展多參數熱處理和復合熱處理工藝 〔1〕 。
  
  1.1 多參數熱處理
  
  (1) 真空熱處理:這是一種附加壓力的多參數熱處理。它具有無氧化、無脫碳、工件表面光亮、變形小、無污染、節能、自動化程度高、適用范圍廣等優點,是近年來發展最快的熱處理新技術之一,特別是在進行材料表面改性方面獲得了很大的進展,許多新近開發的先進熱處理技術,如真空高壓氣淬、真空化學熱處理等,也需在真空下方能實施。采用真空熱處理技術可使結構材料、工模具的質量和使用壽命得到大幅度的提高,尤其適合于一些精密零件的熱處理。在工業發達國家,真空熱處理的比例已達到20%左右,而我國目前約有真空熱處理爐1200臺,占熱處理爐總數的1%左右,與國外的差距很大。預計今后隨著熱處理行業的技術進步和對熱處理工件質量要求的越來越高,真空熱處理將會有較大的發展。
  
  (2) 化學熱處理:這是一種附加成分的多參數熱處理。普通化學熱處理,如滲碳、碳氮共滲、碳氮硼共滲等,分別屬于附加單成分、雙成分和三成分的多參數熱處理。近年來,又發展了許多利用新技術的新型化學熱處理,如真空化學熱處理,流態床化學熱處理、離子滲金屬、離子注入、激光表面合金化等,均可提高工件的耐磨損及耐腐蝕等使用性能。稀土在化學熱處理中的應用(即與稀土共滲),能顯著提高滲速,縮短處理周期,并可提高滲層的耐磨性和耐腐蝕性,這是我國的一大特色。此外,固溶化學熱處理也是一個值得注意的動向,內蒙農機研究所黃建洪等人開發了含氮馬氏體化處理(N*M處理)工藝,這是第一個以獲得固溶N的含氮馬氏體為目的的滲氮工藝,已成功地應用于剪毛機刀片生產 。
  
  (3) 形變熱處理:這是一種附加應力的多參數熱處理。采用壓力加工和熱處理相結合的工藝,把形變強化和相變強化結合起來,使材料達到成型與復合強化的雙重目的。形變熱處理能提高材料的綜合力學性能,并可以簡化工序,利用余熱,節約能源及材料消耗,經濟效益顯著。形變熱處理的應用廣泛,從結構鋼、軸承鋼到高速鋼都適用。目前工業上應用最多的是鍛造余熱淬火和控制軋制。美國采用控制軋制來生產高硬度裝甲鋼板,可提高抗彈性能。我國兵器工業系統開展了火炮、炮彈零件熱模鍛余熱淬火、炮管旋轉精鍛形變熱處理、槍彈鋼芯斜軋余熱淬火等試驗研究,取得了很好的效果。
  
  1.2 復合熱處理
  
  復合熱處理是將兩種或兩種以上的熱處理工藝復合,或將熱處理與其它加工工藝復合,這樣就能得到參與組合的幾種工藝的綜合效果,使工件獲得優良的性能,并節約能源,降低成本,提高生產效率。如滲氮與高頻淬火的復合、淬火與滲硫的復合、滲硼與粉末冶金燒結工藝的復合等。前述的鍛造余熱淬火和控制軋制也屬于復合熱處理,它們分別是鍛造與熱處理的復合、軋制與熱處理的復合。還有一些新的復合表面處理技術,如激光加熱與化學氣相沉積(CVD)、離子注入與物理氣相沉積(PVD)、物理化學氣相沉積(PCVD)等,均具有顯著的表面改性效果,在國內外的應用也日益增多。
  
  需要指出的是,復合熱處理并不是幾種單一熱處理工藝的簡單疊加,而是要根據工件使用性能的要求和每一種熱處理工藝的特點將它們有機地組合在一起,以達到取長補短、相得益彰的目的。例如,由于各種熱處理工藝的處理溫度不同,就需要考慮參加組合的熱處理工藝的先后順序,避免后道工序對前道工序的抵消作用。
  
  2 采用新的加熱源和新的加熱方式
  
  2.1 新的加熱源
  
  在新的加熱源中,以高能率熱源最為引人注目。高能率熱源主要有激光束、電子束、等離子體電弧等。高能率熱處理就是利用高能率熱源定向地對工件表面施加非常高的能量密度(10 3 ~10 8 w/cm 2 ),從而獲得很快的加熱速度(甚至能達到10 11 ℃/s),這樣在極短的時間內(1~10 -7 S),將工件欲處理區的表層加熱到相變溫度以上或熔融狀態,使之發生物理和化學變化,然后依靠工件自身冷卻實現表面硬化或凝固,達到表面改性的目的。高能率熱處理在減小工件變形、獲得特殊組織性能和表面狀態方面具有很大的優越性,可以提高工件表面的耐磨性、耐蝕性,延長其使用壽命。高能率熱處理近年來發展很快,是金屬材料表面改性技術最活躍的領域之一,其中激光熱處理和離子注入表面改性技術在國外已進入生產階段。我國一汽、二汽、西安內燃機配件廠等單位,都已建立了汽車發動機缸套的激光表面淬火生產線,但由于高能率熱處理的設備費用昂貴等原因,目前我國尚未大量應用,但其發展前景廣闊,今后將會成為很有前途的熱處理工藝。
  
  2.2 新的加熱方式
  
  在熱處理時實現少無氧化加熱,是減少金屬氧化損耗、保證工件表面質量的必備條件,而采用真空和可控氣氛則是實現少無氧化加熱的主要途徑。
  
  在表面加熱方面,感應加熱具有加熱速度快、工件表面氧化脫碳少、變形小、節能、公害小、生產率高、易實現機械化和自動化等優點,是一種經濟節能的表面加熱手段,主要用于工件的表面加熱淬火。高能率加熱具有加熱速度快、表面質量好、變形小、能耗低、無污染等優點,也是一種極為有效的表面加熱方式。在整體加熱方面,有真空加熱、高壓加熱、流態床加熱等方式。流態床加熱雖然能量密度不高,但加熱快且均勻、工件變形小、表面光潔、處理后不需清洗、工藝轉換容易、能提高產品質量、節能、公害小、成本低、并可以與化學熱處理相結合,是一種很好的加熱方式,特別適宜于多品種、小批量和周期性生產,可用來取代傳統的鹽浴熱處理,其發展前景令人矚目。
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