热处理技术发展与热处理行业市场分析报告Word文档下载推荐.docx

1、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公道开发利用，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2.1.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，在整个产业领域中，应用十分广泛。在充分发挥材料潜能，节约能源，进行清洁生

2、产和人类社会可持续发展上，热处理技术的拓展是尽不能忽视的。世界上产业发达国家都投进很多资金来发展这门技术。自1996年以来，美国、日本的欧洲的很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。美国热处理产业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热处理技术发展的战略目标是可持续发展，产品质量进步，节约能源，精确生产，进步生产效率，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

3、可能都是致污染源。热处理工作者要公道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2030。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

4、备和现行热处理工艺的改进、完善和开发十分必要，节约能源的远景很大的。另外，我国机械工厂的热处理用电用度约占产品生产本钱的40，这当然严重影响产品本钱的降低。留意，电是二次能源，发电效率一般为3040%，热处理生产热效率如达80，则用电的综合热效率只有2432。对利用一次能源自然气的热处理炉，加上烟道热能利用，可使综合热效率达6065。为此，在解决控制炉温技术条件下，应用自然气使耗能下降，降低本钱和进步生产效率十分有利。日本在这方面应用较好。热处理产品质量的进步和精确生产过程，要涉及热处理设备的质量、可靠性和控制技术的进步以及热处理产品的质量重现性和产品性能的进步。热处理设备的高指标要求的实现是

5、热处理产品性能、变形等质量分散度趋于零的重要条件。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目。很多热处理企业还主要靠手工操纵，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（主要是机械油）两种。在这种条件下，要进步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。以上工程的实现和保证，自然就能实现生产本钱的降低和劳动生产率

6、的进步。国外产业发达国家正是这样往规划和努力的，我国也应该向这些目标奋进。美国热处理产业2020年的远景可以回纳描述如下：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治理。热处理产业的目标为：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；热处理能源利用率进步到80；热处理对环境影响减少到零；热处理本钱降低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练习，把握先进技术和操纵技能。政府为企业进一步减轻负担，刺激热处理企业发展和技术

7、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：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

8、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，由于它会反应

9、天生氰酸盐，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0.10.8%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工艺及处理后进进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

10、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答应排放，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：热处理过程中的加热和冷却会使金属工件在处理后发生外形和尺寸的改变，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，使已投进的材料和资源损失。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

11、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进步。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，所以应公道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

12、及速度控制冷却，公道选用淬火油温度，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顺分级淬火，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，严格的治理，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

13、，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：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：硬度降低，耐磨性下降，表面产生张应力，降低抗疲惫性，耐蚀性变差等。这就有必要再行加工往除氧化脱碳层，或进行“复碳”处理，这必然增加生产本钱，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

14、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换应用自然气或丙烷制备吸热型气氛。通常生产中可应用99.8%的普氮中滴进甲醇，靠甲醇裂解气中的H2和CO来往除普N2中的残留氧。这样方法是简单的，但在美国由于甲醇涨价，使本钱增加很多。实际上在自然气供给保证下，使用自然气制

15、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。往往再通进约0.8105Pa的惰性气体或气氛，增加一定的对流来进步加热速率，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，在一点不答应发生氧化场合可在感应加热同时通进气氛加以保护，日本电子产业（株）已提供类似的技术。目前

16、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，但留意，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

17、.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，公道控制燃烧系数（）在1.11.3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，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

18、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用度减少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进步至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，通进低压

19、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进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850930降到550580，代替一般气体渗氮可把工艺时间从3070h减少到1.53h。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5001000kWh，比美、欧和日本高23倍，从上面分析，开发节约能源的设备和工艺潜力很大，远景乐观，但一定要付诸努力。2.2.我国热处理产业目前状况和与国外存在的差距2.2.1 目前状况：我国热处理产业

20、的基本情况与美国（1996年）和日本（1998年）的比较列于表。我国的情况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余个产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，其中技术职员和治理职员约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

21、11106kW。计算的全国加热设备年生产能力近45106t。计算的消耗电总量为9.9109kWh。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，全国热处理均匀单位电耗约730kWh/t（全国年实际热处理生产量以13.5106t算），指看2005年大中城市均匀电耗达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，守旧地设每企业年均匀营业额为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

22、的10%（1996年），小于日本的30%。又设每企业员工数为1012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1/41/5。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年有关文章先容：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，我估算的是均匀值，先进设

23、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）。2.2.2 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目及构成表，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

24、、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、可控气氛炉的比例进步至3.67%和8 %，合计为11.67%（高于全国水平），虽比1985年的1.68%进步了近10倍，但还远远适应不了热处理产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%；退火往应力占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

25、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4050kg，每台轿车为2530kg，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，固然国内汽车、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纵上，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要标志。先进产业国家无氧化热处理比重已达80%以上。据报导，欧洲产业国在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1

26、9%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，同时有看使部分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产业的持续技术改造，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

27、业得到一定的推广，使用低压渗碳后在1000kPa2000kPa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，还要密切留意加工市场。我国现在热处理加工能力存在过剩，一般设备均匀利用率只有30%。对新建热处理企业尤其要留意，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本钱的效果。关于国内工艺辅助材料、职工素质、治理、人才资源方面差距不在此累赘。2.2.3 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

28、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产业炉公司的四排大型连续式气体渗碳自动线10条，其中6条用自然气加热，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人操纵。英国Bodycote金属技术团体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分。在英国Birimngham有该地分部和Aldrige分部从事热处理服务工作。Birim

29、ngham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，昼夜连续处理，除装卸零件外全部自动控制。该团体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、日本和美国宇航产业、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100万元人年）。其渗碳件的收费为0.50.8英镑kg（合711元kg）。该分部还有3台活动粒子炉，购自德国Schwing公司，炉温可达7001100，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未几。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