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國(guó)外熱處理技術(shù)現(xiàn)狀及熱處理
1.熱處理技術(shù)現(xiàn)狀
（1）推廣應(yīng)用高壓氣冷淬火
國(guó)外的熱處理廠家非常重視熱處理過(guò)程中的冷卻。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)和工藝要求，可進(jìn)行慢速冷卻、油淬冷卻、一次性氣淬冷卻等?？焖贇夥昭h(huán)冷卻采用向冷卻室噴射高壓氣體，由計(jì)算機(jī)控制流速和流量的變化，以達(dá)到在特定時(shí)間內(nèi)冷卻速度，從而實(shí)現(xiàn)熱處理過(guò)程中所要求的冷卻曲線，確保零件的熱處理質(zhì)量。以前采用氣淬方式冷卻的淬火氣體有氮?dú)?、氦氣等，現(xiàn)在用空氣強(qiáng)烈噴射，使工件在極快速度下冷卻，淬火后表面僅有極薄的氧化色膜，呈灰白色，零件色彩依然美觀，而節(jié)約大量氮?dú)夂投栊詺怏w，使熱處理成本進(jìn)一步下降。
真空低壓滲碳與高壓氣淬相結(jié)合是當(dāng)今一種先進(jìn)的滲碳淬火工藝，它具有滲碳速度快、碳化物組織優(yōu)良、淬火開(kāi)裂和變形小、節(jié)約能源和滲碳劑原料、滲碳零件表面質(zhì)量好、并有利于環(huán)保等特點(diǎn)。
（2）熱處理設(shè)備采用油冷
風(fēng)機(jī)冷卻、熱交換器冷卻、淬火油槽冷卻等所有需冷卻的裝置，全部采用油封式自冷，全面取代水冷循環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)熱處理爐不用任何冷卻水。例如，熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)冷卻：將原水冷套進(jìn)出水管改用油管引出，接近風(fēng)機(jī)處放一個(gè)直徑為102mm的小油箱，油冷卻系統(tǒng)全封閉，當(dāng)風(fēng)機(jī)軸承有熱量增加時(shí)，被加熱的油比重小，自然向上浮起，引起油自然循環(huán)。在小油箱存油量和自然散熱的情況下，熱油被冷卻后又加入循環(huán)，達(dá)到在不耗油又不需要?jiǎng)恿Φ臈l件下完全取代水冷。淬火油槽板式換熱器中的水換成冷卻油，冷卻油受到熱油的熱交換而被升溫，油比重的變化引起冷卻油的自身循環(huán)，在爐頂?shù)挠拖渫饧由仙崞?，配合風(fēng)扇的作用，達(dá)到全油冷的效果，節(jié)約大量的冷卻水。
（3）滲氮爐上采用氫探頭
德國(guó)的Ipsen公司已應(yīng)用氫探頭和相應(yīng)的技術(shù)測(cè)控滲氮爐內(nèi)的氮?jiǎng)?，以?duì)滲氮的爐氣氛進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)滲氮爐的現(xiàn)代化。
（4）燃?xì)廨椛涔?/span>
目前，歐洲的熱處理設(shè)備已大部分采用燃?xì)廨椛涔?，使用天然氣加熱。燃?xì)饧訜峒夹g(shù)和裝備在歐洲已十分成熟，天然氣燒嘴已有標(biāo)準(zhǔn)系列，由專業(yè)燒嘴廠制造供應(yīng)，并將燃?xì)廨椛涔艿膬?nèi)管由不銹鋼換成陶瓷，延長(zhǎng)使用壽命并提高功率。天然氣加熱提高能源利用率，降低生產(chǎn)成本。
2.熱處理變形與預(yù)防方法
熱處理變形有兩種類型：一是尺寸的變化，二是零件幾何形狀的變化。熱處理技術(shù)不同，零件尺寸和幾何形狀的變形及防變形方法亦不相同。
熱處理加熱奧氏體化過(guò)程中，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，溫度越高，則溶入奧氏體的碳越多，馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的膨脹越大。冷卻時(shí)，馬氏體膨脹最大，上貝氏體次之，下貝氏體和屈氏體的體積變化很小。低溫回火時(shí)，馬氏體發(fā)生收縮，收縮量與過(guò)飽和的碳含量成正比。在室溫-200℃加熱時(shí)，部分殘余奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體，出現(xiàn)膨脹。但該膨脹因200℃附近馬氏體發(fā)生分解，因此表現(xiàn)上變化不大。
在常規(guī)熱處理中，零件形狀變化的主要原因是熱處理加熱和淬火時(shí)發(fā)生的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。加熱速度過(guò)快、相對(duì)于加熱爐而言零件太大、零件各部分的溫度不同，都會(huì)導(dǎo)致熱變形。保溫時(shí)，加工的殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生釋放而產(chǎn)生變形，零件的自重也會(huì)導(dǎo)致變形。冷卻時(shí)，由于零件不同部位的冷卻速度不同，會(huì)形成熱應(yīng)力而使零件變形。即使冷卻速度相同，冷卻總是表面快，心部慢。因此，先相變的表面使未相變的心部發(fā)生塑性變形。如果材料中存在合金成分的偏析，或者表面脫碳，則相變應(yīng)力更不均勻，更易導(dǎo)致零件變形。另外，如果零件厚薄不均，也會(huì)造成冷卻速度不同。
在鍛件的熱處理中，減少變形的零件擺放方式，一是盡可能垂直吊掛，二是垂直放在爐底部，三是用兩點(diǎn)水平支撐，支點(diǎn)位置處于全長(zhǎng)的三分之一與四分之一之間，四是平放于耐熱鋼工裝上。
在零件的冷卻過(guò)程中，淬火介質(zhì)的種類、冷卻性能、淬硬性等與變形有關(guān)。冷卻性能的變化可通過(guò)改變介質(zhì)的黏度、溫度、液面壓力、使用添加劑、攪拌等進(jìn)行調(diào)節(jié)。淬火油的黏度越高，溫度越高，橢圓形變形越小。在靜止?fàn)顟B(tài)下，變形較小。
以下幾種方式可有效降低變形：①鹽浴淬火；②高溫油淬火；③QSQ 法；④減壓淬火；⑤一槽三段淬火。鹽浴淬火和高溫油淬火相似，都是在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度處淬火，使馬氏體相變的均勻性增加。QSQ 是雙液淬火。減壓淬火是通過(guò)降低淬火介質(zhì)的液面壓，從而延長(zhǎng)蒸汽膜階段，高溫區(qū)的冷卻速度下降，使零件各部分的冷卻速度均勻。一槽三段淬火結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，首先將零件從淬火溫度油冷至略高于Ms點(diǎn)的溫度，隨后出爐，在氣氛中保持，使零件整體溫度均勻，然后再油冷，使馬氏體相變均勻進(jìn)行，變形的不規(guī)則性得到極大的改善。
3.歐洲先進(jìn)熱處理設(shè)備的特點(diǎn)
（1）全自動(dòng)控制的熱處理生產(chǎn)線
為了使工件在生產(chǎn)線上自如地完成整個(gè)所要求的熱處理工藝過(guò)程，被特定設(shè)計(jì)的連續(xù)爐相互連接溝通。爐膛內(nèi)可多方位貫通，并可使工件料筐90℃角轉(zhuǎn)入下道加熱區(qū)或過(guò)渡保溫箱，經(jīng)傳送抵達(dá)下一工序或進(jìn)入冷卻室冷卻。這種爐體結(jié)構(gòu)和傳送裝置都具有相當(dāng)高的水平。以可控氣氛箱式爐為例，為滿足滲碳、碳氮共滲、氮碳共滲、淬火或光亮淬火、等溫淬火等熱處理工藝的實(shí)施，料盤(pán)和料架上的工件以冷鏈驅(qū)動(dòng)的方式自動(dòng)送入、通過(guò)和送出爐膛，在各自的爐子中完成所要求的工藝。箱式爐與相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量、控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)連用，形成各個(gè)獨(dú)立的模塊單元，易于相互連接，構(gòu)成完善、靈活、組合式自動(dòng)熱處理系統(tǒng)。
（2）高壓氣淬密封箱式爐和多室貫通式密封箱式爐
高壓氣淬密封箱式后室為密封箱式爐結(jié)構(gòu)，前室進(jìn)行高壓氣淬。工件在后室保護(hù)氣氛中無(wú)氧化加熱或在滲碳?xì)夥罩袧B碳，在前室進(jìn)行無(wú)氧化光亮淬火。后室爐襯為氧化鋁和保溫陶瓷纖維，發(fā)熱元件為臥式并聯(lián)電熱輻射管，頂置爐內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)，保護(hù)氣氛可采用甲醇或氮?dú)?；前室中部為工件氣淬室，下部為進(jìn)氣管道，上部為冷卻回風(fēng)熱交換器。前室外側(cè)安裝變頻調(diào)速大功率風(fēng)機(jī)，通過(guò)氮?dú)饣蚝獾目焖傺h(huán)使工件冷卻淬火，淬火冷卻速度可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度控制。經(jīng)高壓氣淬后的工件無(wú)氧化、表面呈銀灰色，變形小，避免了油淬后所需的清潔等工序。
多室貫通式密封箱式爐由德國(guó)的Ipsen 公司制造。在前室完成預(yù)熱和滲碳后，工件送入后室淬火，然后直接從后面出爐，減少加熱室的空閑時(shí)間，提高工作效率，降低能源消耗。
（3）高壓氣淬推桿爐生產(chǎn)線
在推桿爐出口端，密封連接高壓氣淬室。工件運(yùn)行到氣淬室時(shí)，可采用高壓氦氣或氮?dú)獯慊?。為了降低成本，也可采用空氣高壓氣淬，由于淬火時(shí)間極短，工件不會(huì)出現(xiàn)氧化皮，僅表面呈現(xiàn)淺黑色。
（4）安裝有外加熱和風(fēng)冷的離子滲氮爐
爐體井式鐘罩結(jié)構(gòu)，WDS爐襯保溫，不銹鋼真空罐罩式單層，外壁安裝三區(qū)三層密閉式發(fā)熱元件，使?fàn)t溫上中下均勻一致。爐體分上中下安裝3臺(tái)側(cè)風(fēng)機(jī)，三區(qū)獨(dú)立熱風(fēng)循環(huán)送風(fēng)，工作時(shí)擋回風(fēng)道封閉，熱風(fēng)只能在爐內(nèi)加熱層內(nèi)循環(huán)，達(dá)到爐溫均勻目的。工藝完成停爐時(shí)，回風(fēng)道開(kāi)啟，冷風(fēng)在上中下三區(qū)同時(shí)送入加熱室?jiàn)A層，使?fàn)t體快速冷卻，很短時(shí)間即可出爐。爐底座為連體式雙座，液壓升降立柱在二個(gè)底座之間可左右旋轉(zhuǎn)，將爐體提升后旋向另一個(gè)已裝好料的底座，這樣一爐雙座，可提高生產(chǎn)效率。
國(guó)外熱處理技術(shù)現(xiàn)狀及熱處理
1.熱處理技術(shù)現(xiàn)狀
（1）推廣應(yīng)用高壓氣冷淬火
國(guó)外的熱處理廠家非常重視熱處理過(guò)程中的冷卻。根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)和工藝要求，可進(jìn)行慢速冷卻、油淬冷卻、一次性氣淬冷卻等?？焖贇夥昭h(huán)冷卻采用向冷卻室噴射高壓氣體，由計(jì)算機(jī)控制流速和流量的變化，以達(dá)到在特定時(shí)間內(nèi)冷卻速度，從而實(shí)現(xiàn)熱處理過(guò)程中所要求的冷卻曲線，確保零件的熱處理質(zhì)量。以前采用氣淬方式冷卻的淬火氣體有氮?dú)狻⒑獾?，現(xiàn)在用空氣強(qiáng)烈噴射，使工件在極快速度下冷卻，淬火后表面僅有極薄的氧化色膜，呈灰白色，零件色彩依然美觀，而節(jié)約大量氮?dú)夂投栊詺怏w，使熱處理成本進(jìn)一步下降。
真空低壓滲碳與高壓氣淬相結(jié)合是當(dāng)今一種先進(jìn)的滲碳淬火工藝，它具有滲碳速度快、碳化物組織優(yōu)良、淬火開(kāi)裂和變形小、節(jié)約能源和滲碳劑原料、滲碳零件表面質(zhì)量好、并有利于環(huán)保等特點(diǎn)。
（2）熱處理設(shè)備采用油冷
風(fēng)機(jī)冷卻、熱交換器冷卻、淬火油槽冷卻等所有需冷卻的裝置，全部采用油封式自冷，全面取代水冷循環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)熱處理爐不用任何冷卻水。例如，熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)冷卻：將原水冷套進(jìn)出水管改用油管引出，接近風(fēng)機(jī)處放一個(gè)直徑為102mm的小油箱，油冷卻系統(tǒng)全封閉，當(dāng)風(fēng)機(jī)軸承有熱量增加時(shí)，被加熱的油比重小，自然向上浮起，引起油自然循環(huán)。在小油箱存油量和自然散熱的情況下，熱油被冷卻后又加入循環(huán)，達(dá)到在不耗油又不需要?jiǎng)恿Φ臈l件下完全取代水冷。淬火油槽板式換熱器中的水換成冷卻油，冷卻油受到熱油的熱交換而被升溫，油比重的變化引起冷卻油的自身循環(huán)，在爐頂?shù)挠拖渫饧由仙崞?，配合風(fēng)扇的作用，達(dá)到全油冷的效果，節(jié)約大量的冷卻水。
（3）滲氮爐上采用氫探頭
德國(guó)的Ipsen公司已應(yīng)用氫探頭和相應(yīng)的技術(shù)測(cè)控滲氮爐內(nèi)的氮?jiǎng)?，以?duì)滲氮的爐氣氛進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)滲氮爐的現(xiàn)代化。
（4）燃?xì)廨椛涔?/span>
目前，歐洲的熱處理設(shè)備已大部分采用燃?xì)廨椛涔?，使用天然氣加熱。燃?xì)饧訜峒夹g(shù)和裝備在歐洲已十分成熟，天然氣燒嘴已有標(biāo)準(zhǔn)系列，由專業(yè)燒嘴廠制造供應(yīng)，并將燃?xì)廨椛涔艿膬?nèi)管由不銹鋼換成陶瓷，延長(zhǎng)使用壽命并提高功率。天然氣加熱提高能源利用率，降低生產(chǎn)成本。
2.熱處理變形與預(yù)防方法
熱處理變形有兩種類型：一是尺寸的變化，二是零件幾何形狀的變化。熱處理技術(shù)不同，零件尺寸和幾何形狀的變形及防變形方法亦不相同。
熱處理加熱奧氏體化過(guò)程中，保溫時(shí)間越長(zhǎng)，溫度越高，則溶入奧氏體的碳越多，馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的膨脹越大。冷卻時(shí)，馬氏體膨脹最大，上貝氏體次之，下貝氏體和屈氏體的體積變化很小。低溫回火時(shí)，馬氏體發(fā)生收縮，收縮量與過(guò)飽和的碳含量成正比。在室溫-200℃加熱時(shí)，部分殘余奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體，出現(xiàn)膨脹。但該膨脹因200℃附近馬氏體發(fā)生分解，因此表現(xiàn)上變化不大。
在常規(guī)熱處理中，零件形狀變化的主要原因是熱處理加熱和淬火時(shí)發(fā)生的熱應(yīng)力和相變應(yīng)力。加熱速度過(guò)快、相對(duì)于加熱爐而言零件太大、零件各部分的溫度不同，都會(huì)導(dǎo)致熱變形。保溫時(shí)，加工的殘余應(yīng)力會(huì)發(fā)生釋放而產(chǎn)生變形，零件的自重也會(huì)導(dǎo)致變形。冷卻時(shí)，由于零件不同部位的冷卻速度不同，會(huì)形成熱應(yīng)力而使零件變形。即使冷卻速度相同，冷卻總是表面快，心部慢。因此，先相變的表面使未相變的心部發(fā)生塑性變形。如果材料中存在合金成分的偏析，或者表面脫碳，則相變應(yīng)力更不均勻，更易導(dǎo)致零件變形。另外，如果零件厚薄不均，也會(huì)造成冷卻速度不同。
在鍛件的熱處理中，減少變形的零件擺放方式，一是盡可能垂直吊掛，二是垂直放在爐底部，三是用兩點(diǎn)水平支撐，支點(diǎn)位置處于全長(zhǎng)的三分之一與四分之一之間，四是平放于耐熱鋼工裝上。
在零件的冷卻過(guò)程中，淬火介質(zhì)的種類、冷卻性能、淬硬性等與變形有關(guān)。冷卻性能的變化可通過(guò)改變介質(zhì)的黏度、溫度、液面壓力、使用添加劑、攪拌等進(jìn)行調(diào)節(jié)。淬火油的黏度越高，溫度越高，橢圓形變形越小。在靜止?fàn)顟B(tài)下，變形較小。
以下幾種方式可有效降低變形：①鹽浴淬火；②高溫油淬火；③QSQ 法；④減壓淬火；⑤一槽三段淬火。鹽浴淬火和高溫油淬火相似，都是在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度處淬火，使馬氏體相變的均勻性增加。QSQ 是雙液淬火。減壓淬火是通過(guò)降低淬火介質(zhì)的液面壓，從而延長(zhǎng)蒸汽膜階段，高溫區(qū)的冷卻速度下降，使零件各部分的冷卻速度均勻。一槽三段淬火結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，首先將零件從淬火溫度油冷至略高于Ms點(diǎn)的溫度，隨后出爐，在氣氛中保持，使零件整體溫度均勻，然后再油冷，使馬氏體相變均勻進(jìn)行，變形的不規(guī)則性得到極大的改善。
3.歐洲先進(jìn)熱處理設(shè)備的特點(diǎn)
（1）全自動(dòng)控制的熱處理生產(chǎn)線
為了使工件在生產(chǎn)線上自如地完成整個(gè)所要求的熱處理工藝過(guò)程，被特定設(shè)計(jì)的連續(xù)爐相互連接溝通。爐膛內(nèi)可多方位貫通，并可使工件料筐90℃角轉(zhuǎn)入下道加熱區(qū)或過(guò)渡保溫箱，經(jīng)傳送抵達(dá)下一工序或進(jìn)入冷卻室冷卻。這種爐體結(jié)構(gòu)和傳送裝置都具有相當(dāng)高的水平。以可控氣氛箱式爐為例，為滿足滲碳、碳氮共滲、氮碳共滲、淬火或光亮淬火、等溫淬火等熱處理工藝的實(shí)施，料盤(pán)和料架上的工件以冷鏈驅(qū)動(dòng)的方式自動(dòng)送入、通過(guò)和送出爐膛，在各自的爐子中完成所要求的工藝。箱式爐與相應(yīng)的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量、控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)連用，形成各個(gè)獨(dú)立的模塊單元，易于相互連接，構(gòu)成完善、靈活、組合式自動(dòng)熱處理系統(tǒng)。
（2）高壓氣淬密封箱式爐和多室貫通式密封箱式爐
高壓氣淬密封箱式后室為密封箱式爐結(jié)構(gòu)，前室進(jìn)行高壓氣淬。工件在后室保護(hù)氣氛中無(wú)氧化加熱或在滲碳?xì)夥罩袧B碳，在前室進(jìn)行無(wú)氧化光亮淬火。后室爐襯為氧化鋁和保溫陶瓷纖維，發(fā)熱元件為臥式并聯(lián)電熱輻射管，頂置爐內(nèi)熱風(fēng)循環(huán)風(fēng)機(jī)，保護(hù)氣氛可采用甲醇或氮?dú)?；前室中部為工件氣淬室，下部為進(jìn)氣管道，上部為冷卻回風(fēng)熱交換器。前室外側(cè)安裝變頻調(diào)速大功率風(fēng)機(jī)，通過(guò)氮?dú)饣蚝獾目焖傺h(huán)使工件冷卻淬火，淬火冷卻速度可通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)速度控制。經(jīng)高壓氣淬后的工件無(wú)氧化、表面呈銀灰色，變形小，避免了油淬后所需的清潔等工序。
多室貫通式密封箱式爐由德國(guó)的Ipsen 公司制造。在前室完成預(yù)熱和滲碳后，工件送入后室淬火，然后直接從后面出爐，減少加熱室的空閑時(shí)間，提高工作效率，降低能源消耗。
（3）高壓氣淬推桿爐生產(chǎn)線
在推桿爐出口端，密封連接高壓氣淬室。工件運(yùn)行到氣淬室時(shí)，可采用高壓氦氣或氮?dú)獯慊?。為了降低成本，也可采用空氣高壓氣淬，由于淬火時(shí)間極短，工件不會(huì)出現(xiàn)氧化皮，僅表面呈現(xiàn)淺黑色。
（4）安裝有外加熱和風(fēng)冷的離子滲氮爐
爐體井式鐘罩結(jié)構(gòu)，WDS爐襯保溫，不銹鋼真空罐罩式單層，外壁安裝三區(qū)三層密閉式發(fā)熱元件，使?fàn)t溫上中下均勻一致。爐體分上中下安裝3臺(tái)側(cè)風(fēng)機(jī)，三區(qū)獨(dú)立熱風(fēng)循環(huán)送風(fēng)，工作時(shí)擋回風(fēng)道封閉，熱風(fēng)只能在爐內(nèi)加熱層內(nèi)循環(huán)，達(dá)到爐溫均勻目的。工藝完成停爐時(shí)，回風(fēng)道開(kāi)啟，冷風(fēng)在上中下三區(qū)同時(shí)送入加熱室?jiàn)A層，使?fàn)t體快速冷卻，很短時(shí)間即可出爐。爐底座為連體式雙座，液壓升降立柱在二個(gè)底座之間可左右旋轉(zhuǎn)，將爐體提升后旋向另一個(gè)已裝好料的底座，這樣一爐雙座，可提高生產(chǎn)效率。