第22卷 第2期 兵器材料科学与工程 Vol.22 No.2 1999年 3月 ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND EN GIN EERIN G Mar. 1999 我国热处理的现状及发展方向 李茂山 赵宝荣 吴光英张克俭(兵器工业第五二研究所) (江苏光英炉业有限公司) (北京华立精细化工公司)摘 要 从多参数热处理和复合热处理工艺、加热源和加热方式、淬火介质和淬火方法、热处理设备、新材料与热处理工艺相结合、节能和环境保护、热处理生产的自动化和专业化等七个方面,较为全面地论述了我国热处理技术的现状及发展方向。
关键词 金属 热加工工艺 热处理 材料工程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。
建国以来,我国的热处理技术有了很大的发展,现有热处理生产厂点一万余家,职工15万人,专业科技人员约1000余人,热处理加热设备11万台,年生产能力660万吨钢件,年产值约50亿元,全员劳动生产率约3万元/人・年。
目前我国在热处理的基础理论研究和某些热处理新工艺、新技术研究方面,与工业发达国家的差距不大,但在热处理生产工艺水平和热处理设备方面却存在着较大的差距,还没有完全扭转热处理生产工艺和热处理设备落后、工件氧化脱碳严重、产品质量差、生产效率低、能耗大、成本高、污染严重的局面。
为促进我国热处理技术的发展,我们应全面了解热处理技术的现状和水平,掌握其发展趋势,大力发展先进的热处理新技术、新工艺、新材料、新设备,用高新技术改造传统的热处理技术,实现“优质、高效、节能、降耗、无污染、低成本、专业化生产”,力争到2000年时达到工业发达国家八十年代中期的水平。
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[1]。
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1997年9月15日收到稿件,1998年9月3日收到修改稿李茂山 高级工程师 包头市四号信箱 014034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[2]。
(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。
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 采用新的加热源和新的加热方式 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、94第2期 李茂山等:我国热处理的现状及发展方向 05 兵器材料科学与工程 第22卷等离子体电弧等。
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 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。
3 采用新的淬火介质和改进淬火方法 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(PA G 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。
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。
4 研制开发各种新型热处理设备热处理设备是实现热处理工艺的基础和保证,直接关系到热处理技术水平的高低和工件质量的好坏。
我国热处理设备的生产已有40年历史,现已具备一定的规模和能力。
最初是仿苏四、五十年代的在空气中加热的电阻炉,并以箱式炉和井式炉为主。
