熱處理節(jié)能技術(shù)與生產(chǎn)應(yīng)用

哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司（黑龍江 150088）金榮植

熱處理行業(yè)是能源消耗的大戶，其用電量占機(jī)械工業(yè)用電量的1/4～1/3。因此，熱處理的節(jié)能潛力巨大。開發(fā)和使用高效、節(jié)能熱處理技術(shù)，可以獲得顯著的節(jié)能效果，節(jié)能措施主要有：對碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼盡量采用不均勻淬火方式，取消加熱保持時(shí)間；對合金含量高的材料，可以通過實(shí)際測定，修正在各類加熱設(shè)備中的加熱計(jì)算系數(shù)，最大限度地縮短加熱時(shí)間；在材料允許的加熱溫度范圍內(nèi)，盡量用低溫處理代替高溫處理；對化學(xué)熱處理應(yīng)選擇合適的方式，同時(shí)采用催滲方法；合理編制生產(chǎn)工序，盡可能利用鑄、鍛（軋）余熱進(jìn)行材料的熱處理；合理選擇能源，達(dá)到節(jié)能目的；減少熱量損失；利用燃燒廢熱節(jié)能；選擇節(jié)能熱處理設(shè)備；使用節(jié)能材料（包括節(jié)能工藝材料和節(jié)能鋼材等）；進(jìn)行節(jié)能管理等。

一、節(jié)能熱處理工藝與方法

通過熱處理工藝優(yōu)化，達(dá)到節(jié)能的目的，是現(xiàn)代熱處理節(jié)能最有效手段之一。在滿足技術(shù)要求，且不添置設(shè)備的情況下，充分挖掘熱處理時(shí)的節(jié)能潛力，同時(shí)大大縮短生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)能力，又獲得較大經(jīng)濟(jì)效益。

熱處理工藝優(yōu)化就是在保證獲得所需性能的前提下，通過改變加熱溫度、保溫時(shí)間及冷卻方式等工藝參數(shù)，達(dá)到節(jié)能、縮短生產(chǎn)周期和獲得最大經(jīng)濟(jì)效益的方法。

1.縮短加熱時(shí)間的工藝與方法

熱處理是大量耗能的加工過程，縮短熱處理加熱時(shí)間是節(jié)能的有效方法之一。碳鋼和低合金鋼施行零保溫加熱，亞共析鋼加熱到F+A兩相區(qū)的不完全淬火都是可行的。

（1）零保溫淬火工藝 零保溫時(shí)間，即取消或縮短結(jié)構(gòu)鋼的加熱保持時(shí)間。對于碳素鋼和低合金鋼的單件加熱升溫，當(dāng)爐子溫度到達(dá)工藝指定溫度即工件表面到達(dá)工藝溫度時(shí)，工件即已透燒，而無需再額外增加透燒時(shí)間，這就是所說的“零”保溫淬火。

對碳鋼和低碳合金鋼，如果產(chǎn)品形狀比較簡單，尺寸相對較小零件，完全可以采用零保溫淬火，以達(dá)到高效節(jié)能的目的，既可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，以免過熱過燒、氧化脫碳，又可以大大避免耗時(shí)、耗能的現(xiàn)象。

應(yīng)用實(shí)例1：45鋼錐齒輪零保溫淬火工藝

錐齒輪，外形尺寸為φ32.93mm×20mm，內(nèi)孔直徑10mm，材料為45鋼，要求調(diào)質(zhì)硬度220～250HBW，齒部高頻淬火硬度40～46HRC。

1）原加工工藝路線。鍛坯→正火→粗車→調(diào)質(zhì)→機(jī)加工→高頻淬火→磨削內(nèi)孔，由于加工工序繁多，成本高。對此，取消正火和調(diào)質(zhì)工序，直接進(jìn)行淬火，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，而且降低了生產(chǎn)成本。

2）零保溫淬火工藝及效果。（840±10）℃箱式爐加熱，保溫2min，水淬油冷；（320±10）℃保溫1h回火。經(jīng)檢查齒部硬度41～44HRC，經(jīng)磁粉探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋，這是由于齒輪在（840±10）℃加熱時(shí)，齒表面快速升溫，齒心部還處于相變點(diǎn)以下，這時(shí)淬火避開了45鋼淬火裂紋的危險(xiǎn)尺寸，且變形小。其次，水淬油冷淬火方式，減小了淬火應(yīng)力，減少了淬火開裂傾向。零保溫淬火時(shí)，齒表面保溫時(shí)間幾乎是零，因而晶粒細(xì)小。用此工藝處理的3000余件齒輪，未發(fā)現(xiàn)一件裂紋，經(jīng)抽查，硬度全部合格。

應(yīng)用實(shí)例2：零保溫正火工藝

內(nèi)燃機(jī)中28種精鑄零件要進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理。這些精鑄零件具有以下特點(diǎn)：批量大，每年處理零件二百多萬件；重量輕，單件重量0.021～1.33kg；材質(zhì)均為ZG310-570；圖樣只有硬度要求。

1）原正火工藝。原正火是按傳統(tǒng)的加熱公式τ＝KαD計(jì)算加熱時(shí)間，式中，K＝2.0，α＝1.4～1.8，故加熱時(shí)間長、耗電量大。精鑄熱處理工件每噸耗電量為1052kW·h。

2）新工藝。通過多次試驗(yàn)和反復(fù)生產(chǎn)驗(yàn)證，K值確定為1.4～1.8，最后制訂了箱式爐中多層散裝堆料加熱時(shí)間計(jì)算公式：τ＝K（10+0.6D+0.2G）。式中，K為加熱時(shí)的修正系數(shù)；D為工件的有效厚度（mm）；G為工件裝爐總重量（kg）。

3）節(jié)能效果。5種零件新、原工藝方案的經(jīng)濟(jì)效益對比如表1所示。28種內(nèi)燃機(jī)零件熱處理平均每噸耗電量從1020.59kW·h下降到451.13kW·h，達(dá)到了節(jié)電54.83%的效果，工時(shí)節(jié)約56.13%，年節(jié)的電費(fèi)18萬多元，年節(jié)約工時(shí)近9000h。因此，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

（2）減小加熱時(shí)間計(jì)算系數(shù)的方法 熱處理工藝選擇不當(dāng)，加熱和保溫時(shí)間的計(jì)算過于保守，將會(huì)造成能源浪費(fèi)。大連圣潔公司通過十幾年的研究、試驗(yàn)，總結(jié)了用于熱處理加熱時(shí)保溫時(shí)間的簡單計(jì)算法則——369法則。實(shí)際生產(chǎn)表明，該法則的實(shí)施有助于節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

表1 新、原工藝各類技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

1）各種金屬材料在空氣爐中加熱淬火保溫的369法則

①碳素鋼和低合金鋼（45、T7、T8等）。傳統(tǒng)的碳素鋼淬火加熱時(shí)間的計(jì)算公式：τ＝KαD。式中，τ為加熱時(shí)間（min），K為反映裝爐狀況的修正系數(shù)，通常在1.0～1.3范圍內(nèi)選??；α為加熱系數(shù)，一般在0.7～0.8min/mm；D為工件有效厚度（mm）。

按369法則，對于碳素鋼和低合金鋼，保溫時(shí)間僅需傳統(tǒng)保溫時(shí)間的30%即可。

應(yīng)用實(shí)例1：采用箱式爐加熱φ60mm的45鋼工件，其淬火保溫時(shí)間共需60min×30%＝18min。實(shí)際上，在爐溫儀表指示的溫度到溫后，按工件每3mm有效厚度透燒時(shí)間為1min即足夠。

②合金結(jié)構(gòu)鋼（40Cr、40MnB、35CrMo等）。按369法則，合金結(jié)構(gòu)鋼加熱的保溫時(shí)間可以是原來傳統(tǒng)保溫時(shí)間的60%。

應(yīng)用實(shí)例2：用傳統(tǒng)的公式計(jì)算的40Cr保溫時(shí)間如果為100min，按369法則，新的保溫時(shí)間為：100min×60%＝60min。

③高合金工具鋼（9SiCr、CrWMn、Cr12MoV、W6、W8等）。按369法則的保溫時(shí)間是原來傳統(tǒng)保溫時(shí)間的90%。

④特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等）。這些鋼種的369法則可按照合金工具鋼的公式計(jì)算，即以傳統(tǒng)公式計(jì)算的加熱保溫時(shí)間×90%作為保溫時(shí)間。

⑤預(yù)熱淬火。對于大型工件（有效直徑≥1m）調(diào)質(zhì)處理的預(yù)熱保溫時(shí)間的369法則為：T1＝3D；T2＝6D；T3＝9D。式中，T1為第一次預(yù)熱時(shí)間（h），T2為第二次預(yù)熱時(shí)間（h），T3為最終保溫時(shí)間（h），D為工件的有效厚度（m）。

實(shí)際生產(chǎn)證明，對于在空氣爐中加熱的中小零件（有效尺寸≤500mm），預(yù)熱和加熱時(shí)的保溫時(shí)間也可以按369法則計(jì)算。

2）真空加熱保溫時(shí)的369法則。傳統(tǒng)的真空爐加熱保溫時(shí)間的計(jì)算公式如下：T1＝30+（1.5～2）D；T2＝30+（1.0～1.5）D；T3＝20+（0.25～0.5）D。式中，T1為第一次預(yù)熱時(shí)間（min），T2為第二次預(yù)熱時(shí)間（min），T3為最終保溫時(shí)間（min），D為工件的有效厚度（mm）。

按369法則1，裝爐量在100～200kg，工件有效尺寸在100mm左右時(shí)，按下式計(jì)算：T真1＝T真2＝T真3＝0.4G+D。式中，G為裝爐工件凈重量（kg），其他符號(hào)意義與上述相同。

按369法則2，工件尺寸基本相同，擺放整齊，并留有一定空隙（擺放空隙＜D）時(shí)，按下式計(jì)算：

G≤300kg：T真1＝T真2＝T真3＝30+D；G＝301～600kg：T真1＝T真2＝T真3＝（30～60）+D；G≥901kg：T真1＝T真2＝T真3＝90+D。式中，G為裝爐總重量（kg），包括工件、料筐、料架及料盤的所有重量；D為工件有效直徑（mm）。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對于變形要求嚴(yán)格的工模具，第一次預(yù)熱時(shí)間應(yīng)取上限值，第二次預(yù)熱取中限值，最終熱處理取下限值。

對于普通合金結(jié)構(gòu)鋼工件或變形要求不太嚴(yán)格的工件，第一次預(yù)熱的時(shí)間可以取下限值，而在最終加熱時(shí)取上限值。

對于一次僅裝一件的大型工件，第一次與第二次預(yù)熱時(shí)間可以取下限，最終加熱時(shí)，則根據(jù)實(shí)際要求取中限或上限值。

3）密封箱式多用爐的369法則。工件在密封箱式爐中加熱的熱效率比真空爐高，故其369法則的參數(shù)可以按真空爐369法則中的下限選取，即：G＝301～600kg：T真1＝T真2＝T真3＝30+D；G＝601～900kg：T真1＝T真2＝T真3＝60+D；G≥901kg：T真1＝T真2＝T真3＝90+D。式中，G、D符號(hào)意義同369法則2。

（3）高溫滲碳工藝 工件滲碳淬火量大、面廣、耗能大，是熱處理行業(yè)提高節(jié)能效果突破口之一。對部分要求深層滲碳工件采用高溫滲碳工藝，如1010℃以上高溫滲碳，可比在930℃常規(guī)滲碳工藝時(shí)間縮短30%～50%，因此顯著降低能源消耗和生產(chǎn)成本。

應(yīng)用實(shí)例：高溫可控氣氛滲碳工藝

齒輪軸，材料為20CrMnTi鋼，滲碳層深度要求為4mm，要求滲碳、淬火與回火。

1）傳統(tǒng)滲碳工藝。滲碳、淬火原采用井式氣體滲碳爐，按照傳統(tǒng)滲碳工藝（見圖1）生產(chǎn)時(shí)，總工藝時(shí)間為73h，該工藝特點(diǎn)是生產(chǎn)周期長、成本高。

圖1 20CrMnTi鋼的傳統(tǒng)滲碳工藝曲線

2）高溫滲碳工藝與節(jié)能效果?，F(xiàn)滲碳采用QS6110-H型高溫可控氣氛多用爐，齒輪軸高溫滲碳工藝如圖2所示，滲碳總工藝時(shí)間為16h。同傳統(tǒng)工藝相比，滲碳時(shí)間縮短57h，節(jié)能60%以上，提高設(shè)備生產(chǎn)能力2倍以上。

圖2 20CrMnTi鋼的高溫滲碳工藝曲線

（4）化學(xué)催滲技術(shù) 化學(xué)熱處理是一種周期長、效率低、耗能大的工藝。熱處理工作者通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，某些化學(xué)物質(zhì)（如稀土化合物、氯化物等）對滲碳、碳氮共滲、滲氮等化學(xué)熱處理具有催滲作用，通過催滲，可縮短熱處理時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，是一條十分有效的節(jié)能途徑。

1）氧化腐蝕催滲技術(shù)。該工藝主要有表面預(yù)氧化法和化學(xué)腐蝕法?；瘜W(xué)腐蝕法是在滲氮、滲碳時(shí)通過在滲劑或氣氛中添加強(qiáng)腐蝕性物質(zhì)，如氯化物、氟化物以及碘化物等來實(shí)現(xiàn)催滲。

應(yīng)用實(shí)例：用工業(yè)純NH4Cl作催滲劑。將NH4Cl粉末溶于工業(yè)酒精（一般按每立方米爐內(nèi)容積加入130～150g的NH4Cl計(jì)算）。圖3為在RQ3-75-9型井式滲碳爐內(nèi)進(jìn)行的催滲氣體氮碳共滲工藝。

圖3 催滲氣體氮碳共滲工藝曲線

節(jié)能效果：①NH4Cl催滲氮碳共滲與氣體滲氮后滲層深度與硬度對比如表2所示。②同普通滲氮工藝相比，NH4Cl催滲氮碳共滲可節(jié)省時(shí)間50%以上，即相應(yīng)節(jié)省了電能，該工藝操作簡便，安全可靠。

2）稀土催滲技術(shù)。在化學(xué)熱處理中，在滲劑中添加一定的稀土元素，利用稀土元素的催化作用實(shí)現(xiàn)催滲過程，可顯著縮短化學(xué)熱處理周期。如在滲碳溫度不變情況下，可以提高滲碳速度15%～25%，提高生產(chǎn)效率20%左右，節(jié)能20%左右。

表2 催滲氮碳共滲與氣體滲氮結(jié)果對比

應(yīng)用實(shí)例1：連續(xù)式滲碳爐稀土快速滲碳工藝 我公司生產(chǎn)的CA-457型“解放”牌重載汽車后橋從動(dòng)弧齒錐齒輪，外形尺寸為φ457mm×62mm，材料為20CrMnTiH3鋼，技術(shù)要求：滲碳淬硬層深度1.70～2.10mm，表面與心部硬度分別為58～63HRC和35～40HRC，碳化物1～5級(jí)，馬氏體及殘留奧氏體1～5級(jí)。

齒輪滲碳淬火及回火采用雙排連續(xù)式滲碳自動(dòng)生產(chǎn)線，每盤裝6件齒輪，其工藝路線為：450～500℃預(yù)處理→880～900℃預(yù)熱（1區(qū)）→920～925℃預(yù)滲碳（2區(qū)）→925～930℃滲碳（3區(qū)）→890～910℃擴(kuò)散（4區(qū)）→840～850℃預(yù)冷（5區(qū)）→870℃保溫室壓床淬火→60～70℃清洗→180℃×6h回火→噴丸清理→交檢。

原滲碳工藝與稀土快速滲碳工藝參數(shù)對比見表3。通過表3可以看出，采用稀土滲碳工藝后，推料周期由原工藝38min縮短至30min，每一盤齒輪在爐內(nèi)加熱時(shí)間減少6h，提高滲碳速度20%，即提高熱處理生產(chǎn)效率20%。

表3 原滲碳工藝與稀土快速滲碳工藝參數(shù)對比

節(jié)能效果：表4為項(xiàng)目實(shí)施前后單位物料及用電消耗情況。按同比產(chǎn)品產(chǎn)量2000t/年計(jì)算，每年可降低能耗65萬kW·h，同時(shí)減少滲碳劑的消耗。因此，該工藝節(jié)能、降耗效果顯著。

應(yīng)用實(shí)例2：球墨鑄鐵稀土催滲氮碳共滲

球墨鑄鐵由于含碳量高，氮碳共滲時(shí)間長，生產(chǎn)效率低，成本高，滲層深度不均，表面硬度低，變形超差。加入稀土元素催滲，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

表4 項(xiàng)目實(shí)施前后單位物料及用電消耗情況

氣體低溫氮碳共滲在RN-60-6A型井式氣體滲氮爐中進(jìn)行，S195型柴油機(jī)球墨鑄鐵曲軸每爐114根，（560±10）℃×2h，通入氨氣滴注乙醇，稀土加入量為15g，出爐空冷。

應(yīng)用效果：經(jīng)檢驗(yàn)，加入15g稀土后，氮碳共滲層深度0.10mm，表面硬度450HV，爐次合格率100%。當(dāng)共滲層深度要求在0.12mm時(shí)，常規(guī)氮碳共滲需4.5h，而加入15g稀土后僅需2h。

3）BH催滲技術(shù)。BH催滲劑中含有一種新的化學(xué)物質(zhì)，它可以改變滲劑的分解過程，促使?jié)B劑充分分解，加快擴(kuò)散速度。采用溫度不變、提高滲碳速度的催滲工藝，可以提高效率25%，一臺(tái)多用爐每年可增加產(chǎn)值80多萬元。

應(yīng)用實(shí)例：齒輪BH催滲工藝

二汽東風(fēng)精工齒輪廠將BH催滲劑按1200的體積比例分別添加到煤油和甲醇中，在RQ3-105-9型井式滲碳爐中，對材料為20CrMo鋼半軸齒輪進(jìn)行滲碳，不同滲碳工藝如圖4和圖5所示。

節(jié)能效果。50爐次試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5可知，采用BH催滲技術(shù)后生產(chǎn)效率提高了20%，每爐節(jié)電90kW·h，產(chǎn)品質(zhì)量提高，且工藝穩(wěn)定。

圖4 原滲碳工藝

圖5 BH催滲工藝

（5）快速回火技術(shù) 采用快速回火裝置回火及淬火鋼的高溫快速回火，可以達(dá)到顯著節(jié)能效果。

1）采用快速回火裝置回火。德國材料技術(shù)研究所提出一種非等溫快速回火的方法，在190℃回火10min可代替160℃回火2h。通過在加熱氣氛和工件之間采用高速對流、涌流等方式，設(shè)計(jì)更高效的熱轉(zhuǎn)換器促進(jìn)加熱，可以顯著減少回火時(shí)間，同時(shí)還能大大改善整個(gè)工件加熱溫度的均勻性。快速回火采用高精度加熱爐，不僅要求回火爐溫度均勻，而且傳熱也均勻。通過使用渦輪可以實(shí)現(xiàn)快速傳熱。在Pyro系統(tǒng)（Pyro回火軟件集成了回火計(jì)算軟件和Pyrograph熱交換軟件）中工件加熱速度和溫度均勻性得到了優(yōu)化。

表5 采用不同滲碳工藝后50爐次對比檢驗(yàn)結(jié)果

快速回火裝置應(yīng)用：采用快速回火工藝能夠顯著提高熱處理效率和工件性能，而且還可以節(jié)約地面空間。圖6為汽車連接件用快速回火裝置，工件回火周期為6～8min。圖7為轎車及叉車后軸用快速回火裝置，工件回火周期為20min。

2）淬火鋼的高溫快速回火工藝。淬火鋼的高溫快速回火是，淬火后的鋼件在Ac1點(diǎn)以上溫度，根據(jù)工件的厚度代入經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出所需回火時(shí)間，幾十秒或幾百秒的回火，可以達(dá)到按傳統(tǒng)工藝在低溫、中溫和高溫回火幾小時(shí)的效果，節(jié)能顯著。

圖6 汽車CV連接件用快速回火裝置

圖7 轎車及叉車后軸用快速回火裝置

回火溫度的選定：其選用的原則是，短時(shí)間的高溫回火與長時(shí)間的低溫回火達(dá)到相同的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。依據(jù)生產(chǎn)上對鋼件性能的需要在Ac1以上某一溫度，準(zhǔn)確控制一定的回火時(shí)間，使其得到馬氏體、托氏體和索氏體的組織，從而獲得高的耐磨性、高的彈性極限和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

回火時(shí)間的確定：可用如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：T＝Ks＋AsD。式中，T為回火時(shí)間（s）；Ks為回火時(shí)間基數(shù)（s），As為回火時(shí)間系數(shù)（s/mm），D為工件有效厚度（mm）。

例如，45鋼用高溫快速回火時(shí)，溫度為860℃，選用Ks＝30s，As＝0.3s/mm，D＝10mm，則T＝30＋0.3×10＝33（s），即高溫回火時(shí)間為33s，回火后硬度為52HRC。若用傳統(tǒng)工藝時(shí)，回火溫度為200℃，回火后硬度為52HRC。

應(yīng)用實(shí)例：對40Cr、45及T10鋼件采用高溫箱式電阻爐加熱回火，當(dāng)爐溫達(dá)到指定的溫度后，根據(jù)所需力學(xué)性能（即硬度）按表6所給數(shù)據(jù)來確定保溫時(shí)間。

按照表6所給的數(shù)據(jù)和工件厚度，計(jì)算出回火時(shí)間，回火后就可以得出在不同時(shí)間回火后的力學(xué)性能，經(jīng)與傳統(tǒng)回火工藝所得力學(xué)性能對比，具有相近的力學(xué)性能。

高溫快速回火法不產(chǎn)生回火脆性，省時(shí)、節(jié)電，但對高合金鋼和大件回火暫不適用。

表6 高溫快速回火法和傳統(tǒng)工藝回火法與時(shí)間對照

應(yīng)用效果：對經(jīng)緯紡織機(jī)上所用的Roll，以及一些傳動(dòng)的軸類零件的回火采用高溫快速回火工藝，效果非常好，不僅達(dá)到了產(chǎn)品質(zhì)量要求，而且節(jié)約了能源。

（6）用短時(shí)加熱淬火代替滲碳淬火的方法

應(yīng)用實(shí)例：20鋼軸承滾柱低碳馬氏體強(qiáng)化代替滲碳工藝

軸承滾柱原采用20鋼滲碳淬火回火處理工藝，耗電大?，F(xiàn)改為20鋼920～940℃加熱淬火，加熱時(shí)間按35～40s/mm計(jì)算，淬入w（NaCl）=6%～10%水溶液，180℃×2h回火。硬度44～46HRC，工時(shí)縮短40%，成本降低20%。

2.以局部加熱代替整體加熱方法

應(yīng)用實(shí)例：60Ti鋼中頻淬火取代20MnVB鋼滲碳制造十字軸

十字軸是汽車萬向節(jié)的重要零件，一直采用低碳合金鋼滲碳淬火工藝，其使用壽命在3km左右。改用低淬透性鋼中頻淬火工藝，不但節(jié)省材料費(fèi)用和工藝費(fèi)用，成本降低約50%，而且可提高零件使用壽命。

1）60Ti鋼十字軸中頻淬火工藝：頻率為2500Hz，功率為18～25kW，變壓比12∶2，電壓350～450V，電流160～165A，加熱時(shí)間5.5min，用20℃自來水噴冷淬火，水壓0.3～0.4MPa，回火采用160～200℃自回火工藝。

表7 不同材料及工藝十字軸的性能及成本比較

2）十字軸中頻淬火后的性能及成本如表7所示。

3.簡化或取消熱處理工序的方法

（1）滲碳淬火件及感應(yīng)淬火件取消回火 一些滲碳淬火件及感應(yīng)淬火件（如結(jié)構(gòu)簡單的光桿軸等）取消回火直接使用，既可充分利用較高的殘余壓應(yīng)力，獲得較高的疲勞強(qiáng)度，又可以節(jié)省能源，簡化工藝，節(jié)約工時(shí)、工裝及設(shè)備維修費(fèi)用。

應(yīng)用實(shí)例1：拖拉機(jī)齒輪滲碳、淬火后取消回火

我公司生產(chǎn)的東方紅-75型拖拉機(jī)第二軸齒輪（見圖8，簡稱第二軸），材料為20CrMnTi鋼，重量16.3kg。熱處理技術(shù)要求：齒面和心部硬度分別為56～63HRC和＞25HRC，滲碳層深度1.3～1.8mm，馬氏體及殘留奧氏體1～5級(jí)，碳化物1～5級(jí)，心部鐵素體1～5級(jí)，T面圓跳動(dòng)≤0.12mm，其余≤0.15mm。

圖8 第二軸齒輪簡圖

1）第二軸齒輪加工工藝路線。正火→機(jī)加工→清洗→滲碳→淬火→清洗→回火→噴丸清理→锪中心孔→校直→機(jī)械加工（第二軸軸徑磨削→主、從動(dòng)齒輪配對→包裝）。

2）原熱處理工藝。第二軸齒輪滲碳采用RQ3-9-9型井式氣體滲碳爐，淬火采用RYD-100-8A型插入式電極鹽浴爐，回火常用RJ2-75-6型井式回火爐。第二軸齒輪滲碳、淬火及回火熱處理工藝見圖9。

圖9 第二軸滲碳、淬火及回火熱處理工藝

第二軸齒輪原工藝采用滲碳后空冷，再進(jìn)行二次加熱淬火，最后進(jìn)行180℃×3h低溫回火。

3）新的熱處理工藝。第二軸齒輪滲碳后空冷和二次加熱淬火的工藝不變，取消180℃×3h的低溫回火工序。

4）新的加工工藝路線。正火→機(jī)加工→清洗→滲碳→淬火→清洗→噴丸清理→锪中心孔→校直→機(jī)械加工（第二軸軸徑磨削→主、從動(dòng)齒輪配對→包裝）。

5）節(jié)能效果。每爐裝120件（40件/筐×3筐/爐）第二軸。一般工業(yè)用電價(jià)格按0.85元/kW·h計(jì)算。年產(chǎn)按45000件計(jì)算，年可節(jié)電10萬元以上。

應(yīng)用實(shí)例2：汽車變速器齒輪軸中頻淬火后取消回火

北京齒輪總廠通過對212型汽車變速器中間齒輪軸（下稱48軸，φ19.05mm×218mm）和倒擋齒輪軸（下稱94軸，φ19.05mm×76mm），表面經(jīng)中頻淬火后取消回火工序后的效果如下。

1）不同工藝條件下試樣表面硬度比較，試樣中頻淬火后，硬度值在58～60.5HRC，而淬火回火試樣硬度值55.5～57.0HRC，回火后硬度值下降了2～5HRC。

2）選50件48軸，中頻淬火后不經(jīng)回火直接磨削產(chǎn)品，經(jīng)無損檢測，未發(fā)現(xiàn)表面裂紋，存放半年后未發(fā)現(xiàn)表面裂紋。取消回火工藝的實(shí)際應(yīng)用情況表明，48軸中頻（8000Hz）淬火后不經(jīng)回火，經(jīng)校直的零件，尺寸變形穩(wěn)定性良好，也從未發(fā)現(xiàn)因淬火應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象。

3）選取48軸各30件中頻淬火后回火（160℃×2h）與不回火，校直后均存放半年，表面徑向圓跳動(dòng)基本上不發(fā)生變化，一般絕對值僅為0.01～0.02mm，變形量處于穩(wěn)定狀態(tài)中。

4）減少了淬火區(qū)長度，使上述兩種產(chǎn)品的淬火加熱時(shí)間平均減少了10%～15%。綜合以上因素，取消回火工序，每年所帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益在2.6萬元以上。

（2）用振動(dòng)時(shí)效代替熱振動(dòng)時(shí)效方法 鑄鐵件及焊接件采用振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力比爐內(nèi)加熱法節(jié)能效果十分明顯，且方便易行，可顯著提高加工效率。通常情況下，振動(dòng)時(shí)效與熱時(shí)效相比，生產(chǎn)費(fèi)用可節(jié)省75%左右，能源消耗僅為熱時(shí)效的1/30，生產(chǎn)周期僅為熱時(shí)效的1/50～1/40。

通過對機(jī)床座及其他鑄鐵件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效和熱時(shí)效處理對比試驗(yàn)，振動(dòng)時(shí)效能夠消除殘余應(yīng)力40%～60%，熱時(shí)效能夠消除殘余應(yīng)力50%～70%，振動(dòng)時(shí)效所消耗能源僅為熱時(shí)效的5%左右。

應(yīng)用實(shí)例：蘭州石油化工機(jī)器總廠生產(chǎn)的Z01.1.18機(jī)床座，材料為HT200，單件重量900kg，最大與最小壁厚分別為50mm和20mm。

1）振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)。根據(jù)工件的材質(zhì)、重量、幾何形狀的不同，合理選擇激振力的檔次等。振動(dòng)工藝參數(shù)見表8。

表8 振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)

2）應(yīng)力測試。找出殘余應(yīng)力較大部位進(jìn)行應(yīng)力測試，測試數(shù)據(jù)見表9。

表9 殘余應(yīng)力測試結(jié)果

從表9可以看出，熱時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效分別能夠消除機(jī)床座殘余應(yīng)力的57%和45%，結(jié)果比較理想。對機(jī)床座其他部位也進(jìn)行測試，結(jié)果與預(yù)期吻合。

3）節(jié)能效果。熱時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效耗能與成本比較見表10。

表10 熱時(shí)效與振動(dòng)時(shí)效耗能與成本比較

從表10可以看出，振動(dòng)時(shí)效比熱時(shí)效節(jié)能96.8%，成本降低98%，因此采用振動(dòng)時(shí)效方法經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

4.余熱熱處理方法

充分利用鑄、鍛（軋）工序的余熱進(jìn)行熱處理，節(jié)省重新奧氏體化時(shí)所需的高額熱量，對大批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件、汽車零件、工具等，節(jié)能效果是十分巨大的。

常用鍛造余熱熱處理有余熱等溫退火、余熱正火、余熱淬火及余熱調(diào)質(zhì)等，為了保證鍛造余熱熱處理質(zhì)量，需要嚴(yán)格控制鍛件的始鍛和終鍛溫度及終冷過程控制。在生產(chǎn)中采用鍛造余熱熱處理能夠使毛坯熱處理能耗降低50%～70%。

（1）鍛造余熱淬火

應(yīng)用實(shí)例：42CrMo鋼重載汽車平衡軸鍛造余熱淬火

斯太爾重型汽車用平衡軸，材料為42CrMo鋼，要求調(diào)質(zhì)處理后：硬度27～34HRC，表面與心部的金相組織分別為1～2級(jí)和1～5級(jí)，距離表面15mm處抗拉強(qiáng)度為900～1050MPa。

1）原工藝流程。下料→中頻加熱→滾鍛→成型→切邊→熱校正→調(diào)質(zhì)→噴丸→無損檢測→噴漆。

原調(diào)質(zhì)工藝為：（850±30）℃×2.5～3h加熱淬火，水冷至150～200℃提出液面；（600±10）℃×3.5～4h回火。平衡軸經(jīng)原工藝處理后問題較多，且產(chǎn)量低，成本較高。

2）新的工藝流程。下料→中頻加熱→滾鍛→成型→切邊→熱校正→余熱淬火→抽檢硬度→回火→100%硬度檢查→金相與力學(xué)性能檢查→噴丸→100%無損檢測→噴漆。

3）平衡軸鍛造余熱淬火工藝。鍛坯在1100℃加熱后，進(jìn)行鍛造處理，將鍛造成形后至淬火冷卻的轉(zhuǎn)移時(shí)間控制在40s以內(nèi)，用紅外測溫儀測量工件入淬火液（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的PAG-Ⅰ型淬火冷卻介質(zhì)）淬火前的溫度為800～820℃；控制淬火液溫度在≤45℃，工件入淬火液后1min內(nèi)采用大的攪拌烈度，然后緩慢攪拌，6～8min后將工件提出淬火液面入爐回火。平衡軸鍛件鍛造余熱淬火工藝見圖10。

圖10 平衡軸鍛件鍛造余熱淬火工藝

4）應(yīng)用效果。平衡軸鍛熱淬火與常規(guī)熱處理對比，不僅顯著提高了產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量和使用性能，生產(chǎn)效率提高了50%以上，而且每件成本降低15元，全年共節(jié)約70萬元以上。

（2）鍛造余熱正火 利用鍛造余熱，通過合理控制冷卻速度等工藝參數(shù)，對鍛件進(jìn)行正火處理，可以獲得顯著的節(jié)能效果。

應(yīng)用實(shí)例：對低碳合金鋼，如15Cr、20Cr、20CrMnB，終鍛后，以一定的速度冷卻到500～600℃，立即加熱到Ac3以上，進(jìn)行正火處理，其工藝如圖11所示。各種鋼的鍛造預(yù)熱正火溫度如表11所示。

表11 低碳合金鋼鍛造余熱正火溫度

（3）鍛造余熱調(diào)質(zhì)工藝 采用鍛造余熱調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行生產(chǎn)，不僅可以獲得顯著的節(jié)能效果，而且還可以提高產(chǎn)品的力學(xué)性能，減少工序環(huán)節(jié)，縮短生產(chǎn)周期，因而得到廣泛應(yīng)用。

應(yīng)用實(shí)例：重慶歇馬機(jī)械曲軸有限公司在摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄生產(chǎn)中采用鍛造余熱調(diào)質(zhì)工藝，取得顯著效果。將45和40Cr圓鋼經(jīng)中頻感應(yīng)加熱鍛造成形后進(jìn)行余熱恒溫調(diào)質(zhì)處理，其熱處理工藝如圖12所示，精鍛后部件外形尺寸為φ115.7mm（大端外徑）/φ22.3mm（小端外徑）×148.5mm（長度）。

圖12 曲柄鍛造余熱調(diào)質(zhì)工藝

根據(jù)不同材料、零件的幾何形狀，采用新型自動(dòng)化恒溫設(shè)備，可對終鍛后的工件立即進(jìn)行短時(shí)850℃恒溫處理，通過精確控制爐溫，保證工件溫度均勻，采用濃度約為10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的KR7280水溶性淬火冷卻介質(zhì)。為了與鍛后余熱調(diào)質(zhì)工件的組織與性能進(jìn)行對比，將精鍛后的工件空冷至室溫，然后用箱式爐加熱奧氏體化后重復(fù)上述淬火、回火過程，即常規(guī)調(diào)質(zhì)處理。

節(jié)能效果：①45和40Cr鋼曲柄經(jīng)鍛造余熱調(diào)質(zhì)處理能夠顯著提高淬透性，組織和硬度分布均勻，力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)調(diào)質(zhì)后的工件。②常規(guī)調(diào)質(zhì)工件平均耗電量為0.5kW·h/kg，而鍛造余熱調(diào)質(zhì)工件平均耗電量只有0.3kW·h/kg，節(jié)能40%左右。

5.降低加熱溫度方法

鋼在二相區(qū)（亞溫）加熱淬火。亞溫淬火工藝的優(yōu)點(diǎn)是在保證材料強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，使塑性和韌性得到改善，而且淬火變形或開裂傾向明顯減少，并可以顯著降低能耗。

應(yīng)用實(shí)例：錐齒輪外形尺寸φ32.93mm×20mm，內(nèi)孔直徑10mm，材料為45鋼，要求調(diào)質(zhì)硬度220～250HBW，齒部高頻淬火硬度40～46HRC。

1）原加工工藝路線：鍛坯→正火→粗車→調(diào)質(zhì)→機(jī)加工→高頻淬火→磨削內(nèi)孔，加工工序繁多，耗能多，成本高。對此，取消正火、調(diào)質(zhì)，直接進(jìn)行亞溫淬火，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量，而且降低了生產(chǎn)成本。

2）亞溫淬火工藝及效果：45鋼錐齒輪經(jīng)（780±10）℃鹽浴加熱，保溫8min，水冷，（320±10）℃保溫1h回火后，經(jīng)檢查齒部硬度42～45HRC，經(jīng)磁粉檢測，未發(fā)現(xiàn)淬火裂紋。

二、節(jié)能熱處理設(shè)備技術(shù)

實(shí)現(xiàn)熱處理設(shè)備節(jié)能措施主要有：提高設(shè)備能源利用率、合理選擇能源、減少爐前熱損失、充分利用廢熱等。同時(shí)，選擇節(jié)能環(huán)保熱處理設(shè)備。先進(jìn)的熱處理設(shè)備如多用爐、網(wǎng)帶爐、離子滲氮爐、真空爐、密封箱式爐直生式滲碳系統(tǒng)等，這些設(shè)備在保證零件熱處理質(zhì)量的同時(shí)，通常具有良好的節(jié)能環(huán)保的效果。各種爐型按熱效率（由高到低）排序?yàn)椋赫竦谞t、網(wǎng)帶爐、井式爐、輸送帶爐、箱式爐和鹽浴爐。

1.合理選擇能源

熱處理能源一般可分為電能和燃料兩大類，用電或用燃料。用何種燃料取決于生產(chǎn)成本，能源供應(yīng)條件，操作與控制的難易程度、可靠性，熱處理工藝的特性和對生態(tài)環(huán)境的影響等綜合因素。天然氣是一次潔凈的優(yōu)質(zhì)能源，熱值高，無二次污染等特點(diǎn)，在通常技術(shù)條件下，其熱效率可以達(dá)到50.5%，較煤、電熱效率高出近1倍。熱處理爐除直接燃燒可獲得至少30%的熱效率外，煙道氣廢熱還可以用于較多的熱處理用途，使絕對的熱利用率可達(dá)到80%以上。天然氣能源用于熱處理生產(chǎn)已取得巨大的經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)能顯著，環(huán)保效果良好，是熱處理設(shè)備節(jié)能要考慮的首要問題。

應(yīng)用實(shí)例1：陜西法士特集團(tuán)公司熱處理廠，使用一次能源天然氣加熱，以愛協(xié)林5/2型多用爐為例，一臺(tái)多用爐用電年節(jié)約14萬元。

應(yīng)用實(shí)例2：一汽集團(tuán)公司熱處理廠，將天然氣廣泛用于氣體滲碳、碳氮共滲、光亮淬火、復(fù)碳處理等工藝的富化氣或吸熱性保護(hù)氣。自2000年全面采用天然氣代替丙烷氣做原料氣以來，汽車單車原料氣成本大幅度降低。全部采用丙烷氣做原料氣時(shí)，單車原料氣成本為38～40元/輛，而全部采用天然氣做原料氣時(shí)，單車原料氣成本為12～15元/輛，僅2002年就節(jié)約熱處理成本約350萬元。

2.燃燒廢熱利用技術(shù)

（1）進(jìn)行預(yù)熱空氣 利用煙道氣廢熱預(yù)熱燃燒用空氣，可用獲得很大節(jié)能效果。把燃燒用空氣預(yù)熱到400℃可節(jié)約16%～20%燃料，預(yù)熱到600℃可節(jié)能25%～30%燃料。把燃燒室空氣過剩余數(shù)α控制到1.1～1.2，可節(jié)約10%～20%燃料。

應(yīng)用：把煙道氣收集起來用于回火和清洗液、淬火油的加熱節(jié)省更多的燃料。自滲碳爐中排除的吸熱式氣氛或甲醇裂解氣也具有顯熱和熱值，也可用于淬火油、清洗液和回火爐的加熱。排除的煙道氣最后還可用來冬季取暖、燒熱水等生活用途。因此，熱處理廢熱的再生利用潛力很大。

（2）燃燒脫脂爐 該爐用于密封滲碳爐或連續(xù)式滲碳生產(chǎn)線上工件的前脫脂和預(yù)熱，用燃燒器通入氣體燃料加熱（見圖13），爐溫保持500～550℃。工件表面油脂揮發(fā)后也參與燃燒，燃燒用空氣依靠煙道廢熱預(yù)熱，既脫脂又預(yù)熱工件，節(jié)能效果顯著。工件表面的輕微氧化有助于減輕滲碳時(shí)鋼件的內(nèi)氧化，并提高滲層的均勻性和滲碳速度。

（3）熱能多次綜合利用的滲碳淬火生產(chǎn)線 該生產(chǎn)線（見圖14）是利用滲碳廢氣加少量丙烷作為燃燒脫脂爐熱源。脫脂爐排除的氣體用作回火爐熱源。淬火油的多余熱量用來加熱清洗機(jī)的堿液和清水。

圖13 燃燒脫脂爐

圖14 熱能多次綜合利用的滲碳淬火生產(chǎn)線

應(yīng)用實(shí)例：日本東京熱處理株式會(huì)社（現(xiàn)改名為同和礦業(yè)）曾開發(fā)一種多次利用廢熱的連續(xù)式滲碳、淬火、清洗和回火生產(chǎn)線。滲碳前清洗改用燃燒脫脂。脫脂爐燃料是滲碳廢氣加少量丙烷氣，排除的廢氣和油煙用在回火加熱，回收近50%的熱量。淬火油的熱量用來加熱清洗槽中的堿液和清水，可回收40%～60%熱量。通過廢熱的多次利用，使整條生產(chǎn)線的燃料消耗降低40%。

3.推薦節(jié)能熱處理設(shè)備

節(jié)能熱處理工藝的實(shí)施需要良好的熱處理設(shè)備作保障。對此，推薦使用節(jié)能熱處理設(shè)備，表12為2010年已列入《工業(yè)和信息化部節(jié)能機(jī)電設(shè)備（產(chǎn)品）推薦目錄》中的21項(xiàng)熱處理節(jié)能裝備。

表12 推薦節(jié)能熱處理設(shè)備