金屬熱處理在熱能動(dòng)力工程中的應(yīng)用

褚鐵成

[摘 要]金屬材料加工一直是工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的重點(diǎn)，金屬材料進(jìn)行熱處理，是金屬材料在加工的過程當(dāng)中最“困難”的環(huán)節(jié)之一，其困難過程并不在本身的處理工藝上，而是在如何做到節(jié)能減排上，現(xiàn)有的金屬材料熱處理工藝不但高耗損、低產(chǎn)出、能源利用率低；金屬熱處理設(shè)備陳舊、工藝技術(shù)落后；產(chǎn)品達(dá)標(biāo)率低，需要多次處理，而且還存在著缺乏專業(yè)熱處理人才，缺乏專業(yè)技術(shù)指導(dǎo)的現(xiàn)狀，所以正是針對(duì)這一點(diǎn)，筆者通過分析現(xiàn)有的金屬熱處理工藝問題，從而淺析一下節(jié)能新技術(shù)的開發(fā)。

[關(guān)鍵詞]金屬熱處理；熱能動(dòng)力工程；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TG15 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）17-0042-01

1、金屬熱處理的實(shí)在意義

金屬熱處理是將金屬工件放在一定的介質(zhì)中加熱到適宜的溫度，并在此溫度中保持一定時(shí)間后，又以不同速度冷卻的一種工藝。金屬熱處理是材料生產(chǎn)中的最重要的工藝之一，與其他加工工藝相比，熱處理一般不改變工件的形狀和整體化學(xué)成分，而是通過改變工件的內(nèi)部的顯微組織，或改變工件的表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能。其特點(diǎn)是改善工件的內(nèi)在質(zhì)量，而這一般不是肉眼所能觀察到的。金屬熱處理中的“四把火”指退火、正火、淬火（固溶）和回火（時(shí)效）。

退火是指將工件加熱到適當(dāng)溫度，根據(jù)材料的和工件的尺寸采用不同的保溫時(shí)間，然后進(jìn)行緩慢冷卻，其目的主要是降低材料的硬度，提高塑性，以利于后續(xù)加工，減少殘余應(yīng)力，提高組織和成分的均勻化。退火根據(jù)目的不同分為再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火球化退火、完全退火等。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細(xì)，常用于改善材料的切削性能，有時(shí)也用于對(duì)一些要求不高的零件的最終熱處理。淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其他無機(jī)鹽、有機(jī)水溶液淬冷介質(zhì)中快速冷卻。淬火后材料為不平衡組織，通常很硬很脆，需要在高于室溫的某一溫度進(jìn)行長時(shí)間的保溫，再進(jìn)行冷 卻，這種工藝叫回火（時(shí)效）。

2、我國金屬材料熱處理的生存現(xiàn)狀和問題

近年來機(jī)械制造業(yè)在我國國民生產(chǎn)總值的分量也越來越重。熱處理行業(yè)也在其發(fā)展的大環(huán)境下迅猛發(fā)展，在全國各地呈現(xiàn)了遍地開花各式各樣的熱處理廠。根據(jù)有關(guān)部門的不太完全統(tǒng)計(jì)，目前在我國各式各樣金屬熱處理廠有16000多家，工廠工人有400000多。對(duì)于金屬熱處理的高能耗在我國總能耗中約占25%，在我國工業(yè)總能耗中卻以占到60%。然而，在一些西方發(fā)達(dá)國家中，在相同的能源損耗下卻能產(chǎn)出是我國產(chǎn)品的6倍數(shù)量。雖然我國總量多，但是再利用率上卻很低，造成這種差距是小作坊式的管理模式。還有就是在科學(xué)技術(shù)人才的使用中，沒有把科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為先進(jìn)的生產(chǎn)力。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國金屬材料熱處理行業(yè)中設(shè)備利用率才到30%多，在其基數(shù)越大，在金屬材料熱處理過程中，浪費(fèi)數(shù)量也是很驚人。因此，沒有先進(jìn)的熱處理生產(chǎn)技術(shù)作為生產(chǎn)動(dòng)力，金屬材料熱處理行業(yè)很難長足發(fā)展。所以，我國在金屬材料熱處理上還有很長一段路要走。

3、我國金屬材料熱處理節(jié)能新技術(shù)和應(yīng)用

我國熱處理能源利用的現(xiàn)實(shí)情況是能量耗費(fèi)巨大，效率不高且能源浪費(fèi)和污染極為嚴(yán)重。造成能量耗費(fèi)高的主因是機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)效率較低、機(jī)械設(shè)備裝爐量不滿、機(jī)械設(shè)備低利用效率、供加熱的機(jī)械設(shè)備相對(duì)落后，無功效消耗的能源多等。當(dāng)前我國的熱處理節(jié)能新技術(shù)及應(yīng)用主要要通過革新工藝、改進(jìn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

3.1、化學(xué)熱處理的薄層滲入技術(shù)?；瘜W(xué)熱處理的薄層滲入技術(shù)打破人們認(rèn)為的，各類化學(xué)元素滲入金屬表層的深度和性能成正比的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。實(shí)踐和理論分析，滲層過深不但降低零件韌性且不利于增強(qiáng)產(chǎn)品的綜合性能，無端增加成本和污染。為此中國的機(jī)械業(yè)和制造業(yè)使用化學(xué)薄層滲入的相關(guān)工藝技術(shù)，降低滲碳層三成，節(jié)約電能也達(dá)到三成多。

3.2、超硬的工具零件涂層技術(shù)。這個(gè)化學(xué)技術(shù)通過離子對(duì)加工的金屬工件做轟擊，提高工件的的應(yīng)用期限。高新設(shè)備對(duì)熱處理采用全程電腦監(jiān)控，縮短了時(shí)間，提高了質(zhì)量，有利于優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能生產(chǎn)。

3.3、處理振動(dòng)時(shí)效的技術(shù)。振動(dòng)時(shí)效的處理工藝是為了消除金屬制件的殘余內(nèi)應(yīng)力，使金屬工件的尺寸不容易變化，防止金屬工件受熱變形。傳統(tǒng)工藝多是加熱時(shí)效，主要是通過熱處理爐的長時(shí)間的低溫加工，費(fèi)用大且時(shí)間長，很大程度加大了電能耗費(fèi)。而使用振動(dòng)時(shí)效的工藝的機(jī)械能節(jié)省電量。二者相比，節(jié)約能量四成的同時(shí)金屬韌性五成

3.4、熱處理的CAD技術(shù)。熱處理的CAD技術(shù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)的模擬技術(shù)，模擬生產(chǎn)環(huán)境研究、設(shè)計(jì)熱處理的工藝。在開發(fā)智能熱處理噴淋控制，噴霧冷卻，正確選擇淬火劑和淬火的方法等方面，熱處理智能的CAD技術(shù)可以減少能耗，節(jié)約電能，是高新技術(shù)在熱處理中應(yīng)用的重要表現(xiàn)。

3.5、熱處理真空技術(shù)。真空的熱處理技術(shù)有一個(gè)特別明顯的優(yōu)點(diǎn)就是使用了無氧處理的中介媒質(zhì)，所以在真空滲碳的零件不會(huì)有內(nèi)氧化的現(xiàn)象發(fā)生。由于真空的熱處理工藝設(shè)備可以提高滲碳的溫度，進(jìn)而使生產(chǎn)周期有效縮短。熱處理工藝可有效降低所用氣體排放量和消耗量，真空熱處理工藝不用安裝點(diǎn)燃器、火簾和用于的排氣裝置，不工作時(shí)可以停止運(yùn)轉(zhuǎn)，明顯縮短降溫時(shí)間和加熱時(shí)間，充分發(fā)揮了設(shè)備的效率。

現(xiàn)在國外這門技術(shù)是朝著以下方向有序地發(fā)展：在真空以后，把惰性氣體反向充進(jìn)爐內(nèi)，科學(xué)之處是，爐膛的攪拌風(fēng)扇會(huì)自然產(chǎn)生風(fēng)后對(duì)流傳熱，這樣的傳熱方式使加熱更平衡；設(shè)計(jì)氣流活動(dòng)時(shí)事先采用計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際情況，使熱處理的氣淬均勻分布；推廣真空氣淬技術(shù)，強(qiáng)加壓使氣體的交換能力更強(qiáng)、更高，有效提升冷淬室、噴嘴的冷卻速度；研究使用更新型真空氣淬爐和高壓氣淬技術(shù)，推進(jìn)負(fù)壓滲碳和等離子滲碳的技術(shù)更新。

3.6、熱處理的激光工藝。使用高功率的激光束照射金屬零件的表面，使金屬的表面發(fā)生改性的合金變硬，這些改性處理在使用其他的方法無法達(dá)到金屬零件表面變化。

激光超強(qiáng)的穿透能力使加熱金屬到熔點(diǎn)溫度時(shí)，待到金屬面發(fā)生奧氏體化后要立刻自冷淬火，激光淬火的金屬部位能夠得到最大的壓應(yīng)力，這樣經(jīng)過激光處理過的金屬面的疲勞性能可迅速提升。激光熱處理工藝使金屬零件表面處理的受熱和變冷都在很短的時(shí)間內(nèi)完成，，因此金屬零件面的成分、耐磨硬度都達(dá)到了最佳組合；激光淬火可以控制淬火的范圍，可以采用選擇性淬火和多光斑尺寸處理一些局部硬化；由于激光的遠(yuǎn)距離傳送性能，可以多個(gè)工作臺(tái)共同使用一臺(tái)激光器，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)激光的熱處理工藝的自動(dòng)化管理。

結(jié)束語

金屬材料熱處理節(jié)能的開發(fā)應(yīng)用是近年來才被提上日程的，通過上文闡述我們一共總結(jié)出了化學(xué)熱處理技術(shù)、工具零件超硬涂層技術(shù)、激光熱處理技術(shù)、振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)等多項(xiàng)新型的節(jié)能技術(shù)，但是在此筆者還需強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，那就是在進(jìn)行熱處理節(jié)能技術(shù)開發(fā)的同時(shí)，也應(yīng)當(dāng)考慮一下對(duì)于機(jī)械制造生產(chǎn)設(shè)備的利用，如此才能保障從生產(chǎn)到工藝全方面節(jié)能的效果。

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