金屬材料熱處理的節(jié)能工藝探究

朱玉鎖，孫路陽(yáng)

（黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022）

金屬制造業(yè)是我國(guó)傳統(tǒng)工業(yè)制造領(lǐng)域非常重要的組成部分。而金屬材料的熱處理過(guò)程是金屬制造過(guò)程的重中之重。但是，傳統(tǒng)的金屬材料熱處理過(guò)程卻存在著能源耗費(fèi)巨大與環(huán)境污染嚴(yán)重等方面的問(wèn)題。近年來(lái)，隨著社會(huì)與企業(yè)對(duì)環(huán)境保護(hù)觀念的不斷提升，對(duì)金屬熱處理過(guò)程中如何進(jìn)行節(jié)能處理漸漸成為了金屬冶煉行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。通常情況來(lái)說(shuō)，金屬熱處理過(guò)程中會(huì)耗費(fèi)大量的能量，而且可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染問(wèn)題?！稛崽幚硇袠I(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中指出，金屬及相關(guān)行業(yè)的總體節(jié)能目標(biāo)是百分之十。因此，本文對(duì)金屬熱處理過(guò)程中的節(jié)能工藝的探究十分具有應(yīng)用價(jià)值。

1 金屬熱處理節(jié)能工藝現(xiàn)狀

金屬材料的熱處理技術(shù)隨著我國(guó)金屬制造業(yè)的飛速發(fā)展也有了快速進(jìn)步，同時(shí)在過(guò)程中的需要耗費(fèi)的能量也隨之不斷提高，為了減少耗能與環(huán)境污染，在熱處理過(guò)程中必須要采取合適的節(jié)能技術(shù)。但是由于現(xiàn)在中小金屬制造業(yè)生產(chǎn)設(shè)備較為簡(jiǎn)陋，導(dǎo)致效率較低，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）在金屬熱處理過(guò)程中，首要面對(duì)的問(wèn)題就是能量耗損較高，相對(duì)應(yīng)的就需要處理技術(shù)與節(jié)能工藝能夠減少能量耗損?，F(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)相關(guān)處理設(shè)備比較陳舊，且在過(guò)程中使用的生產(chǎn)工藝也較為原始，這些不足造成了節(jié)能效率難以大幅度提高。與此同時(shí)，陳舊的設(shè)備由于廠家并沒(méi)有充足的資金來(lái)進(jìn)行革新?lián)Q代，很多難以避免損壞等問(wèn)題，在這個(gè)過(guò)程中又會(huì)造成環(huán)境的污染。因此，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)在熱處理方面的節(jié)能效率與能量耗損相較技術(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在不小差距，比之美國(guó)、德國(guó)都要高出幾倍。由于處理設(shè)備和節(jié)能工藝的不成熟，金屬材料成品的質(zhì)量也難以得到保證，很大一部分日后要進(jìn)行返修，這在一定程度上也降低了達(dá)標(biāo)率，同時(shí)返修時(shí)也會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力成本，在這些過(guò)程中會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)。

（2）金屬企業(yè)在熱處理過(guò)程中的節(jié)能技術(shù)在近幾年來(lái)才被國(guó)家和企業(yè)所重視，大部分企業(yè)所沿用的還是之前傳統(tǒng)陳舊的熱處理與節(jié)能工藝，而傳統(tǒng)的工藝在生產(chǎn)過(guò)程中能量耗損較高，且理念相對(duì)比較落后，所以會(huì)導(dǎo)致大量的能源被白白浪費(fèi)。在節(jié)能工藝的更新?lián)Q代方面，我國(guó)由于體量過(guò)于龐大，難以達(dá)到統(tǒng)一步調(diào)。因此生產(chǎn)工藝方面明顯處于落后狀態(tài)。很多中小型金屬制造企業(yè)在熱處理節(jié)能技術(shù)方面缺乏新型技術(shù)與工藝支持，所生產(chǎn)的產(chǎn)品自然也就不能達(dá)到國(guó)家的要求。這些問(wèn)題同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致在海外市場(chǎng)與用戶(hù)上受到限制，不利于金屬制造企業(yè)的貨物出口與海外貿(mào)易。

（3）我國(guó)服務(wù)產(chǎn)業(yè)的興起，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造行業(yè)造成了極大沖擊。而金屬制造業(yè)在機(jī)械制造行業(yè)扮演了重要的角色，自然首當(dāng)其沖地受到影響。具體表現(xiàn)在相關(guān)的行業(yè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員大量缺失。企業(yè)對(duì)于此類(lèi)技術(shù)人員重視程度普遍不高，當(dāng)前高等教育院校相關(guān)的專(zhuān)業(yè)課程也開(kāi)設(shè)較少，這導(dǎo)致了金屬熱處理技術(shù)方面，沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的技術(shù)研究人員，因此無(wú)法及時(shí)更新節(jié)能技術(shù)與節(jié)能理念。因此無(wú)法針對(duì)企業(yè)熱處理過(guò)程中存在的節(jié)能問(wèn)題給出自己的建議，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝滯后發(fā)展，能源耗損與環(huán)境污染問(wèn)題持續(xù)存在。

2 金屬熱處理新型節(jié)能工藝

上文已經(jīng)針對(duì)現(xiàn)在金屬熱處理企業(yè)中節(jié)能工藝現(xiàn)狀和不足進(jìn)行了分析，而隨著節(jié)能工藝近年來(lái)漸漸受到國(guó)家與企業(yè)的重視，新型的節(jié)能工藝也逐漸產(chǎn)生并得以應(yīng)用。出于對(duì)環(huán)境保護(hù)與節(jié)能的考慮，下面，我們針對(duì)一些新型節(jié)能工藝進(jìn)行分析與探究，從而歸納金屬制造產(chǎn)業(yè)接下來(lái)應(yīng)該做的工作。常見(jiàn)的新型節(jié)能工藝有以下幾種。

2.1 化學(xué)熱處理技術(shù)

該技術(shù)也稱(chēng)化學(xué)熱處理薄層注入技術(shù)，這種技術(shù)打破了之前人們認(rèn)為化學(xué)處理過(guò)程對(duì)表面的注入元素越深入，其質(zhì)量也就越高的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。根據(jù)研究結(jié)果表明，金屬表層所注入的元素非但不會(huì)提高其成型器件的質(zhì)量，反而會(huì)降低其韌性與強(qiáng)度。同時(shí)成型產(chǎn)品的質(zhì)量與新能也會(huì)大大降低[4]。同時(shí)傳統(tǒng)的注入方式過(guò)程一直需要高溫加熱，能源耗損會(huì)變得更大，成本也會(huì)更高。所以，誕生了化學(xué)熱處理薄層注入技術(shù)，該技術(shù)的引入可以大大減少傳統(tǒng)化學(xué)熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的各種問(wèn)題。并且煤炭煤油等用于熱處理注入過(guò)程的燃燒能源用量也會(huì)隨著這種技術(shù)的引入得以減少。化學(xué)熱處理薄層注入技術(shù)不僅減少了熱處理過(guò)程中能源的損耗，且減少了排放在空氣中的污染氣體，對(duì)環(huán)境保護(hù)方面也是一項(xiàng)重大節(jié)能技術(shù)改革。

2.2 激光處理技術(shù)

激光處理技術(shù)指的是在金屬熱處理過(guò)程中，使用極高能量的激光對(duì)金屬表層進(jìn)行持續(xù)照射，以此處理金屬表面的技術(shù)。此技術(shù)主要針對(duì)金屬的硬化、塑形與合金化過(guò)程進(jìn)行。因?yàn)榧す獗旧淼哪芰勘容^強(qiáng)，可以容易地穿透金屬?gòu)亩鴮?duì)表面實(shí)現(xiàn)熱處理。這樣可以使待處理的金屬表面溫度急劇升高，當(dāng)溫度升高至相變點(diǎn)之上，將激光源移開(kāi)，這樣金屬表面與內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)溫差，熱傳導(dǎo)作用使內(nèi)部快速自冷淬火。從而得到相較傳統(tǒng)方式更為出色的金屬硬化層。這樣做出的產(chǎn)品可以更抗壓、更耐磨，表面紋理也更為細(xì)密。而且，一臺(tái)高能激光產(chǎn)生器可以產(chǎn)生多束長(zhǎng)距激光，可以同時(shí)讓多個(gè)工作臺(tái)同時(shí)得到照射而同時(shí)使用，結(jié)合軟件控制可以自動(dòng)處理[2]。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化。同時(shí)也較傳統(tǒng)方式節(jié)省能源消耗。

2.3 真空熱處理技術(shù)

真空熱處理技術(shù)是利用無(wú)氧介質(zhì)制造出真空環(huán)境，在真空環(huán)境下對(duì)金屬實(shí)現(xiàn)熱處理。這樣在處理過(guò)程中金屬不會(huì)出現(xiàn)明顯的氧化，從而減少防氧化過(guò)程中需要付出的成本，同時(shí)金屬的生產(chǎn)周期也會(huì)相應(yīng)縮短，這樣可以大大減少金屬熱處理過(guò)程中的能量耗損和對(duì)環(huán)境的污染。而且經(jīng)過(guò)真空熱處理之后的成品性能也會(huì)大大增強(qiáng)[3]。不過(guò)，由于我國(guó)金屬制造產(chǎn)業(yè)體量過(guò)大且技術(shù)較為落后，這種真空熱處理技術(shù)還處于發(fā)展階段，僅可以在部分金屬材料進(jìn)行熱處理時(shí)應(yīng)用這種方法。而且由于真空熱處理方法對(duì)真空的要求較高，現(xiàn)在一般的企業(yè)只能在10Pa之內(nèi)。當(dāng)真空的程度逐漸增高時(shí)，在熱處理過(guò)程中對(duì)金屬成型材料的性能的提升就越大。真空熱處理方式可以讓材料在熱處理過(guò)程中發(fā)生的形變程度大大減小。且能量耗損與環(huán)境污染氣體的排放也會(huì)相應(yīng)減少。當(dāng)采用真空熱處理技術(shù)進(jìn)行金屬熱處理時(shí)，當(dāng)設(shè)備空載時(shí)就可以終止工作，讓金屬材料在升溫的過(guò)程變得更短。從而熱處理技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)變得更加廣泛。

2.4 熱處理CAD技術(shù)

熱處理CAD技術(shù)使用計(jì)算機(jī)軟件編程來(lái)控制設(shè)備對(duì)金屬材料進(jìn)行熱處理，熱處理CAD技術(shù)目前在企業(yè)中應(yīng)用的較為廣泛。因?yàn)橛捎谟?jì)算機(jī)仿真與建?？梢允固幚砣藛T更好地了解金屬熱處理中需要消耗的能源與設(shè)備損耗進(jìn)行預(yù)評(píng)估，從而避免那些由于操作或者工藝應(yīng)用不當(dāng)而白白浪費(fèi)的能源[3]。并且，技術(shù)人員也可以在得到CAD結(jié)果后進(jìn)行分析與改進(jìn)，之后將改進(jìn)方法投入實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用。這樣可以有效避免在熱處理過(guò)程中可能出現(xiàn)的能源耗損與浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約與環(huán)境保護(hù)。

2.5 環(huán)保材料與設(shè)備的更新

目前，隨著對(duì)環(huán)境保護(hù)需求的不斷提高，可循環(huán)材料逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)方向的主流，這種材料可以實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用，且不容易造成環(huán)境污染。因此很多金屬生產(chǎn)企業(yè)也在逐漸嘗試可循環(huán)材料。同時(shí)，也在嘗試引進(jìn)新型設(shè)備，這為當(dāng)下工廠中設(shè)備普遍落后的大環(huán)境帶來(lái)了改觀。對(duì)環(huán)保材料的應(yīng)用以及對(duì)設(shè)備的更新應(yīng)該建立在腳踏實(shí)地的基礎(chǔ)上，在對(duì)節(jié)能工藝材料進(jìn)行開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的同時(shí)，也要保證在技術(shù)應(yīng)用與工作效率方面得到保證。因此，在金屬熱處理過(guò)程中，需要引入開(kāi)發(fā)的就是一些導(dǎo)熱性好，親和設(shè)備的輔助材料。目前市場(chǎng)與企業(yè)使用較高，較受青睞的是陶瓷纖維這些能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)久保溫的新型材料。這樣處理之后的廢料也可以較好地進(jìn)行處理與回收。這樣可以大大地提高金屬熱處理過(guò)程中的能源利用率與環(huán)境保護(hù)[1]。

2.6 振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)

振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)又稱(chēng)“振動(dòng)消除應(yīng)力法”指的是采用處于不同頻段下的控制系統(tǒng)控制激振器的轉(zhuǎn)數(shù)以此產(chǎn)生離心力，讓待處理的金屬材料器件發(fā)生諧振，讓需要處理的工件部位發(fā)生交變運(yùn)動(dòng)，這樣可以提高工件的穩(wěn)定性，在使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)變形等質(zhì)量問(wèn)題[4]。而傳統(tǒng)的時(shí)效處理方法通常是將金屬材料進(jìn)行低溫加熱以此來(lái)將其塑形。由于在低溫加熱過(guò)程中需要持續(xù)地對(duì)材料進(jìn)行加熱，所以在這個(gè)過(guò)程中會(huì)耗費(fèi)非常多的資源，且完成的成品內(nèi)部會(huì)有不易察覺(jué)的裂紋與壞點(diǎn)。采用振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行后續(xù)處理可以大大提高其使用壽命。在現(xiàn)在的國(guó)內(nèi)與國(guó)際市場(chǎng)上，我國(guó)企業(yè)有很多出口產(chǎn)品是采用振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)來(lái)進(jìn)行后續(xù)處理的，但是在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)振動(dòng)時(shí)效處理?xiàng)l件的企業(yè)還比較少，因此，相關(guān)企業(yè)應(yīng)大力推廣振動(dòng)時(shí)效處理設(shè)備與工藝的發(fā)展與普及，以此來(lái)提高熱處理過(guò)程中資源的利用率，實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展。

3 總結(jié)

綜上所述，金屬材料熱處理的節(jié)能工藝方面還存在較多的問(wèn)題，而金屬熱處理過(guò)程是工業(yè)生產(chǎn)與金屬加工領(lǐng)域重要的組成部分，我國(guó)金屬制造行業(yè)近年來(lái)規(guī)模已經(jīng)穩(wěn)步提高很多，金屬的熱處理過(guò)程節(jié)能技術(shù)的發(fā)展也變得較為迅速。目前，由于金屬制造業(yè)內(nèi)設(shè)備較為老舊簡(jiǎn)陋，制作工藝比較落后，資源耗損與環(huán)境保護(hù)問(wèn)題較為嚴(yán)重。隨著新型熱處理技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以得出結(jié)論：未來(lái)金屬制造加工產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)，應(yīng)該圍繞金屬材料熱處理加工過(guò)程中的生產(chǎn)效率、能源耗損等方面來(lái)展開(kāi)，并不斷應(yīng)用并發(fā)展新型金屬熱處理加工節(jié)能方式，這樣才能實(shí)現(xiàn)制造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。這樣才能為現(xiàn)在的金屬制造企業(yè)帶來(lái)新的機(jī)遇和發(fā)展生機(jī)。