热处理技术发展和热处理行业市场的分析

热处理技术发展和热处理行业市场的分析热处理技术发展和热处理行业市场的分析作者：朱祖昌1.概述在整个国民经济中凡涉及机械制造的任何领域中，热处理是一项广泛应用的一项重要的基础工艺之一。它是金属材料在严格控制的加热和冷却条件下进行处理，通过改变材料内部的显微组织来达到人们所要求的使用性能或服役寿命。具体的要求往往在下述方面：⑴软化材料，改善成型性能，进步机加工效率和生产效率；⑵进步材料的强度和韧度，增加零部件的寿命；⑶在保证材料心部性能的同时进步工件的表面强度、硬度、耐磨性、疲惫性和耐蚀性等；⑷研制新型材料和针对已出现的特种材料通过热处理方法获得特殊的物理、化学性能以满足医疗、宇航、生物、光学、电子等领域中高要求的应用；⑸改进传统材料的生产和处理，细化材料的组织，大大进步强度和韧度，充分发挥材料潜能，满足愈来愈高的产业需要；⑹应用物理和化学沉积方法使材料表面的性能发生质的奔腾，满足高速高精度加工的需要和高耐磨、耐蚀环境下的使用要求；⑺应用纳米技术、复合材料技术制造出特种性能的材料。金属制品和工件经热处理使其达到所要求的组织、性能和服役寿命，应按精确生产方式来完成，即使其在精确可靠运行的清洁设备中，按科学先进的工艺方法，在严格的治理下往完成处理全过程，获得分散度为零的高质量水平。严格的治理包括工艺执行治理、设备治理、质量治理、能源治理、环保治理和人力资源治理等。这些治理项目在质量保证体系和环保体系的认证中规定十分明确。对一个投资企业，应十分重视ISO9000，QS9000和ISO14000等的认证。达到这些认证，才能找到和确定企业和汽车、宇航航空、机械、化工、冶金、纺织、工模具等方面领域的固定客户，并争取维持长期合作关系。跨进21世纪，人类对环境保护的要求越来越高，我国已把环保作为一项基本国策，并开始推进清洁生产，要求施行绿色热处理，生产清洁产品。施行绿色热处理，最根本的是为了人类的可持续发展。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20～30％。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30～40%，热处理生产热效率如达80％，则用电的综合热效率只有24％～32％。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60％～65％。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。以上项目的实现和保证，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８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0.1～0.8%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，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