金属热处理.docx

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金属热处理

题目：

热处理工艺的现状与发展方向

专业：

09冶金工程

班级：

（2）

学号：

09455622

姓名：

日期：

2012年5月30日

热处理工艺的现状与发展方向

09冶金

（2）

摘 要：

热处理技术是机械制造技术的主要组成部分，是强化金属材料、发挥其潜力的重要工艺措施，是保证和提高机械产品质量和寿命的关键因素。

通过适当的热处理，能最大限度地发挥材料潜力，保证产品所要求的力学性能、工艺性能。

热处理是通过加热、保温、冷却来改变零件的内部组织，从而达到改变其使用性能之目的。

关键词：

热处理，新工艺，精准加工，环保

引言   热处理是机械工业的一项重要基础技术，通常像轴、轴承、齿轮、连杆等重要的机械零件和工模具都是要经过热处理的，而且，只要选材合适，热处理得当，就能使机械零件和工模具的使用寿命成倍、甚至十几倍的提高，实现“搞好热处理，零件一顶几”的目标，收到事半功倍的效果。

热处理对于充分发挥金属材料的性能潜力，提高产品的内在质量，节约材料，减少能耗，延长产品的使用寿命，提高经济效益都具有十分重要的意义。

1、热处理工艺的现状  

1.1金属热处理技术的现状及存在的问题

热处理技术是机械制造技术的主要组成部分，是强化金属材料、发挥其潜力的重要工艺措施，是保证和提高机械产品质量和寿命的关键因素。

通过适当的热处理，能最大限度地发挥材料潜力，保证产品所要求的力学性能、工艺性能。

目前我国机械工业的热处理厂、点共约10500个，职工总数近15万人，加热设备约11万台，年热处理钢件700吨，铸件热处理300吨，年产值50亿元，年耗电85亿千瓦时，热处理生产技术水平和产品质量有了较大提高，为我国机械工业的发展提供了有力的支持。

但和国外先进热处理技术相比，我国热处理技术仍存在不小差距。

1.2热处理设备能耗大，能源利用率低

热处理是通过加热、保温、冷却来改变零件的内部组织，从而达到改变其使用性能之目的。

热处理用电量约占机械制造业总用电量的25%~30%，是制造业中的耗能大户。

全国热处理的平均单位电耗虽已由1978年的约1600kW·h/t下降到1000kW·h/t，主要工业城市及大中型企业约为500~800kW·h/t，但和工业发达国家的水平相比，还存在着相当大的差距。

欧美国家热处理平均单位电耗为300~450kW·h/t，而日本各种热处理工艺平均单位电能消耗仅为323kW·h/t。

我国的热处理消耗与日本、欧美的能耗指标相比，要多2~3倍。

造成这种状况的原因主要有:

1）设备负荷率低。

目前普遍存在大马拉小车的现象，在装不满炉的条件下生产，由此造成的电能浪费估计在40%以上；2）设备的有效利用率低。

由于生产组织不当，加热设备不能连续工作，大量的时间和电能消耗在炉子升温上；3）加热设备的热损失大。

炉衬蓄热量大，绝热效果差，散热严重；4）加热过程中的无效消耗多。

各种加热炉的夹具、料盘设计不符合节能要求，尺寸过大，致使约10%~20%的电能被浪费；5）工艺选择不当，加热和保持时间的计算过于保守；6）操作人员节能意识差，尤其是交接班的情况下人为浪费能源的现象严重；7）在管理上只注重完成生产任务，忽视了节能工作，企业内部缺乏热处理能源利用管理条例和有效的节能措施。

1.3污染环境严重

热处理生产属于高温作业，对环境的污染主要包括生产中产生和排放的废气、废水、粉尘、废渣、噪声和电磁辐射等。

全国有近2万台盐浴炉，年消耗NaCl、BaCl2等中性盐8×104t以上、活性盐9000t。

每年挥发出的蒸气中，中性盐近6500t，活性盐700t，活性盐成分中含剧毒、腐蚀性气体；生产中大量使用的气体渗碳、气体渗氮及其它化学热处理每年向空气中排放千万立方米数量级的CO2、残氨等废气。

全国年消耗淬火、回火油25000t，其中1/3转变为CmHm、碳黑和烟尘；酸洗、发蓝中硫酸、盐酸、苛性碱的挥发物；工件表面油脂的燃烧，没有清洗或清洗不良的工件，装炉后表面油脂的蒸发和燃烧形成大量的烟气，使工作场地和工厂周围环境严重污染；另外，目前采用的燃烧脱脂法，如处理不当，也会造成燃烧产物的大量外泄。

全国的机械制造厂中估计现有5000余台喷砂设备，每年约产生1万余吨的SiO2和Al2O3粉尘，除部分粉尘被收集和沉淀外，有很大一部分散落在工作场地或成为飘尘散布到大气中；

流态化粒子炉的石墨粉尘或氧化铝粉尘、固体渗碳剂的炭粉尘和煤燃烧粉尘都会造成粉尘污染。

在每年25000t淬火油用量中约有1/3老化油要排除。

这些油中含Fe、Cr等自工件表面脱落的氧化物，工件自盐中带出的BaCl2、SO2-4、NO-、Cl-等有害和剧毒物质；含盐、尤其是含剧毒氰盐的水和水基淬火介质、发黑（发蓝）或磷化的废液以及含油脂和盐的清洗废液的直接排放；不经处理的盐渣和废盐随意放置或埋藏，都会造成水质污染。

另外，喷砂机、喷丸机工作也会产生较大的噪声，会对周围环境和操作工人产生很大危害。

1.4少无氧化热处理设备普及程度低，资源浪费严重

热处理中金属零件在空气中加热时必然会发生严重氧化和脱碳。

一般估计，在空气中加热的氧化烧损为金属本身重量的3%，加上一些产品需以切削加工方法除去表面脱碳层，氧化脱碳的损耗会达到3%~5%的程度。

自“六·五”以来，我国热处理行业一直将开发和推广少无氧化、少无脱碳热处理技术作为工作的重点。

经过多年的努力，到“九·五”末期，在汽车、机械基础件、航空、兵器等一些行业，少无氧化加热的比重已达70%以上，其中可控气氛热处理普及程度达50%，真空热处理达10%左右。

但从总体情况看，我国热处理行业少无氧化加热的比重平均只有30%，和工业发达国家的80%~90%以上相去甚远，每年由于热处理氧化烧损和脱碳浪费的优质钢材达百万吨以上。

氧化、脱碳会破坏金属制品的表面质量，对于热处理后直接使用的零件必然会严重降低其使用寿命。

钢丝和钢带的冷拔、冷轧需要预先施行酸浸，以除去表面的氧化皮，除恶化工作条件外还会造成严重的环境污染。

脱碳会明显降低弹簧、齿轮、轴类零件的疲劳寿命，增加刃具、模具和摩擦零件的磨损，使其提前失效。

而钢的生产一般要经过采矿、选矿、炼铁、炼钢、浇注、轧制等工序，钢材在热处理中的氧化烧损和脱碳造成资源、能源、人力等方面的巨大浪费。

2热处理工艺的发展方向

2.1大力发展多参数热处理和复合热处理工艺

传统的热处理，就主要控制的参数而言，多为常压下的温度时间两个参数的热处理；就工艺方式而言，多为单一的热处理。

这样热处理的效果也只能是单一化。

为此，要大力发展多参数热处理和复合热处理工艺。

2.1.1多参数热处理

（1）.真空热处理

这是一种附加压力的多参数热处理。

它具有无氧化、无脱碳、工件表面光亮、变形小、无污染、节能、自动化程度高、适用范围广等优点，是近年来发展最快的热处理新技术之一，特别是在进行材料表面改性方面获得了很大的进展，许多新近开发的先进热处理技术，如真空高压气淬、真空化学热处理等，也需在真空下方能实施。

采用真空热处理技术可使结构材料、工模具的质量和使用寿命得到大幅度的提高，尤其适合于一些精密零件的热处理。

在工业发达国家，真空热处理的比例已达到20%左右，而我国目前约有真空热处理炉1200台，占热处理炉总数的1%左右，与国外的差距很大。

预计今后随着热处理行业的技术进步和对热处理工件质量要求的越来越高，真空热处理将会有较大的发展。

（2）.化学热处理

这是一种附加成分的多参数热处理。

普通化学热处理，如渗碳、碳氮共渗、碳氮硼共渗等，分别属于附加单成分、双成分和三成分的多参数热处理。

近年来，又发展了许多利用新技术的新型化学热处理，如真空化学热处理，流态床化学热处理、离子渗金属、离子注入、激光表面合金化等，均可提高工件的耐磨损及耐腐蚀等使用性能。

稀土在化学热处理中的应用（即与稀土共渗），能显著提高渗速，缩短处理周期，并可提高渗层的耐磨性和耐腐蚀性，这是我国的一大特色。

此外，固溶化学热处理也是一个值得注意的动向，内蒙农机研究所黄建洪等人开发了含氮马氏体化处理（N*M处理）工艺，这是第一个以获得固溶N的含氮马氏体为目的的渗氮工艺，已成功地应用于剪毛机刀片生产。

（3）.形变热处理

这是一种附加应力的多参数热处理。

采用压力加工和热处理相结合的工艺，把形变强化和相变强化结合起来，使材料达到成型与复合强化的双重目的。

形变热处理能提高材料的综合力学性能，并可以简化工序，利用余热，节约能源及材料消耗，经济效益显著。

形变热处理的应用广泛，从结构钢、轴承钢到高速钢都适用。

目前工业上应用最多的是锻造余热淬火和控制轧制。

美国采用控制轧制来生产高硬度装甲钢板，可提高抗弹性能。

我国兵器工业系统开展了火炮、炮弹零件热模锻余热淬火、炮管旋转精锻形变热处理、枪弹钢芯斜轧余热淬火等试验研究，取得了很好的效果。

2.1.2复合热处理

　　复合热处理是将两种或两种以上的热处理工艺复合，或将热处理与其它加工工艺复合，这样就能得到参与组合的几种工艺的综合效果，使工件获得优良的性能，并节约能源，降低成本，提高生产效率。

如渗氮与高频淬火的复合、淬火与渗硫的复合、渗硼与粉末冶金烧结工艺的复合等。

前述的锻造余热淬火和控制轧制也属于复合热处理，它们分别是锻造与热处理的复合、轧制与热处理的复合。

还有一些新的复合表面处理技术，如激光加热与化学气相沉积（CVD）、离子注入与物理气相沉积（PVD）、物理化学气相沉积（PCVD）等，均具有显著的表面改性效果，在国内外的应用也日益增多。

　　需要指出的是，复合热处理并不是几种单一热处理工艺的简单叠加，而是要根据工件使用性能的要求和每一种热处理工艺的特点将它们有机地组合在一起，以达到取长补短、相得益彰的目的。

例如，由于各种热处理工艺的处理温度不同，就需要考虑参加组合的热处理工艺的先后顺序，避免后道工序对前道工序的抵消作用。

2.2采用新的加热源和新的加热方式

2.2.1新的加热源

　　在新的加热源中，以高能率热源最为引人注目。

高能率热源主要有激光束、电子束、等离子体电弧等。

高能率热处理就是利用高能率热源定向地对工件表面施加非常高的能量密度（103～108w/cm2），从而获得很快的加热速度（甚至能达到1011℃/s），这样在极短的时间内（1～10-7S），将工件欲处理区的表层加热到相变温度以上或熔融状态，使之发生物理和化学变化，然后依靠工件自身冷却实现表面硬化或凝固，达到表面改性的目的。

高能率热处理在减小工件变形、获得特殊组织性能和表面状态方面具有很大的优越性，可以提高工件表面的耐磨性、耐蚀性，延长其使用寿命。

高能率热处理近年来发展很快，是金属材料表面改性技术最活跃的领域之一，其中激光热处理和离子注入表面改性技术在国外已进入生产阶段。

我国一汽、二汽、西安内燃机配件厂等单位，都已建立了汽车发动机缸套的激光表面淬火生产线，但由于高能率热处理的设备费用昂贵等原因，目前我国尚未大量应用，但其发展前景广阔，今后将会成为很有前途的热处理工艺。

2.2.2新的加热方式

在热处理时实现少无氧化加热，是减少金属氧化损耗、保证工件表面质量的必备条件，而采用真空和可控气氛则是实现少无氧化加热的主要途径。

　　在表面加热方面，感应加热具有加热速度快、工件表面氧化脱碳少、变形小、节能、公害小、生产率高、易实现机械化和自动化等优点，是一种经济节能的表面加热手段，主要用于工件的表面加热淬火。

高能率加热具有加热速度快、表面质量好、变形小、能耗低、无污染等优点，也是一种极为有效的表面加热方式。

在整体加热方面，有真空加热、高压加热、流态床加热等方式。

流态床加热虽然能量密度不高，但加热快且均匀、工件变形小、表面光洁、处理后不需清洗、工艺转换容易、能提高产品质量、节能、公害小、成本低、并可以与化学热处理相结合，是一种很好的加热方式，特别适宜于多品种、小批量和周期性生产，可用来取代传统的盐浴热处理，其发展前景令人瞩目。

2.3采用新的淬火介质和改进淬火方法

2.3.1改进原有的淬火介质，采用新型淬火介质

淬火介质是实施淬火工艺过程的重要保证，对热处理后工件的质量影响很大。

正确选择和合理使用淬火介质，可以减小工件变形，防止开裂，保证达到所要求的组织和性能。

　　在热处理生产中，常用的淬火介质有水、油、盐类等，它们各有优缺点。

例如，水是应用最广泛、最经济和冷却能力很强的淬火介质，但它在低温区冷却速度极快，易使工件变形和开裂；当水温超过40℃以上时，其冷却速度急剧降低，又易使工件淬不透。

又如用油淬火，虽然对减小工件变形和开裂很有利，但对淬透性较差或尺寸较大的工件淬不硬，且油易老化，对周围环境的污染大，有发生火灾的危险。

为此，要对原有淬火介质的性能进行改进，并积极开发应用冷却速度介于水和油之间、并可根据需要调整冷却速度，同时又经济、安全、无污染的新型淬火介质。

无机物水溶液淬火剂和有机聚合物淬火剂是新型淬火介质的发展重点，特别是有机聚合物淬火剂的研究和应用尤为引人注目，其优点是无毒、无烟、无臭、无腐蚀、不燃烧、抗老化、使用安全可靠、且冷却性能好、冷却速度可调、适用范围广、工件淬硬均匀、可明显减少淬火变形和开裂倾向。

从提高工件质量、改善劳动条件、避免火灾和节能的角度考虑，有机聚合物淬火剂有逐步取代淬火油的趋势，是淬火介质的主要发展方向，尤其是对于水淬开裂、变形大，油淬不硬的工件，采用有机聚合物淬火剂更是成功的选择。

目前，世界上应用最多的是聚烷撑乙二醇（PAG类）淬火剂，它具有逆溶性，冷却速度在盐水和冷油之间，适用的淬火钢种范围广，使用寿命长。

还有聚丙烯酸盐（ACR类）淬火剂、聚氧化吡咯烷酮（PVP类）淬火剂和聚乙基恶唑啉（PEO类）淬火剂等，也获得一定程度的应用。

多年来，我国在淬火介质的研究和应用方面，做了大量的工作，取得了一定的成绩，基本上满足了热处理生产的需要，但与国外的先进水平相比差距很大，并落后于热处理其它技术领域的发展，是热处理行业中的一个薄弱环节，今后应当给予重视和加强。

2.3.2改进老的淬火方法，采用新的淬火方法

为了使工件实现理想的冷却，获得最佳的淬火效果，除根据工件所用的材料、技术要求、服役条件等，来合理选用淬火介质外，还需不断改进现有的淬火方法，并采用新的淬火方法。

如采用高压气冷淬火法、强烈淬火法、流态床冷却淬火法、水空气混合剂冷却法、沸腾水淬火法、热油淬火法、深冷处理法等，均能改善淬火介质的冷却性能，使工件冷却均匀，获得很好的淬硬效果，有效地减少工件的变形和开裂。

2.4重视热处理节能和环境保护

2.4.1大幅度降低热处理的能耗

　　热处理是机械制造业中耗能最多的工艺之一，在工业发达国家，热处理生产成本的25%～40%是能源成本。

据统计，我国的热处理设备中，电炉约占90%，装机总容量约为600万Kw，热处理的年用电量近90亿Kw.h。

由于我国的热处理工艺和设备比较落后，能源利用率低，热处理能耗水平为500～1000Kw.h/t，比工业发达国家多2～3倍，因此节能的潜力很大。

热处理节能的途径主要有：

（1）在热处理工艺方面，改进老工艺，推广应用先进的节能新工艺；

（2）在热处理设备方面，改造或淘汰耗能高的落后设备，发展新型高效节能的新设备；（3）在生产组织管理方面，合理组织热处理的批量生产，力求集中和连续性生产，不断提高热处理的专业化生产水平。

而搞好热处理，努力提高热处理质量，延长工件的使用寿命，则是最大的节能。

开发和推广应用非调质钢，是80年代热处理节能技术的一项重大进展。

应用非调质钢，不仅能显著节能，而且减少了生产工序，节省了材料消耗，降低了成本，还可避免淬火时带来的变形和开裂，提高了工件的质量和使用寿命。

目前，非调质钢多用于取代调质碳素结构钢，今后的发展趋势是用非调质强韧钢来取代调质合金结构钢，进一步扩大非调质钢的应用范围。

2.4.2高度重视热处理生产的环境保护

　　热处理生产对环境造成的污染很大，包括排出的废气、废水、废液、废渣、粉尘、噪声、电磁辐射等，且随着生产的发展，其危害也日益严重。

研究和采用无污染、无公害的热处理技术，并对排放的有害物质进行有效控制和综合治理，是消除热处理污染的主要措施。

　　1989年联合国环境署决定在全世界推行清洁生产技术。

所谓清洁生产技术，就是通过对生产过程和产品的综合防治，减少废弃物产生，最大限度地保护自然环境和利用自然资源，即选取清洁的原料，采用清洁的工艺，实现清洁的生产过程，制造出清洁的产品。

日本东京金属技术研究所金武典夫博士通过分析引起全球性的温室效应、空气污染、酸雨等对环境造成的影响，提出了一种“节能-高效-环保型热处理”的综合体系，它包括了预处理、热处理、后处理、技术保证体系和环境管理体系，而其关键是将高新技术应用于热处理生产中。

我国已把环境保护作为一项基本国策，并从1992年开始推进清洁生产技术。

根据清洁生产技术的要求，我国现阶段热处理生产的主要控制目标应是少无污染、少无氧化和节能，并应把真空热处理和可控气氛热处理作为热处理行业“九五”期间重点推广应用的清洁生产技术。

参考文献

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机械工业出版社,2002,179

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机械工业出版社,2003,14

[3]　宋丹娜,白艳英,于秀玲.浅谈中国不锈钢产业的现状及可持续发展[J].四川有色金属,2009

（1）:

1-5。

[4]　王一德,徐芳泓.铁水为主要原料的不锈钢冶炼新工艺的开发