我國智能熱處理裝備技術(shù)發(fā)展探討

劉慧超，馬海寬，李培力，隋 健，寇永樂，高尚輝，段麗華

（中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

1 熱處理裝備的行業(yè)需求

熱處理是指金屬材料在嚴(yán)格控制的加熱和冷卻條件下進(jìn)行處理，通過改變材料內(nèi)部的顯微組織來達(dá)到人們所要求的使用性能或服役壽命。熱處理是機(jī)械制造的重要工藝，是保證和提高機(jī)器零件質(zhì)量與使用壽命、充分發(fā)揮材料潛力的關(guān)鍵工序。熱處理技術(shù)及裝備被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工、汽車、工程機(jī)械、軌道交通等行業(yè)?！爸悄芨咝А⒐?jié)能環(huán)?！笔菬崽幚硇袠I(yè)的基本發(fā)展趨勢。

智能熱處理裝備研究的總體目標(biāo)以智能熱處理裝備關(guān)鍵共性技術(shù)的工程化與產(chǎn)業(yè)化為宗旨，以熱處理設(shè)備的“智能化、信息化、高效、節(jié)能減排”為目標(biāo)，主要從“智能可控氣氛熱處理設(shè)備”、“智能真空熱處理設(shè)備”、“智能感應(yīng)熱處理設(shè)備”、“智能等離子表面改性設(shè)備”、“智能大型工業(yè)加熱爐”等5個(gè)方向進(jìn)行工程化研究開發(fā)［1］，重點(diǎn)解決智能熱處理裝備領(lǐng)域創(chuàng)新能力和技術(shù)支撐問題，實(shí)現(xiàn)我國熱處理由低端技術(shù)到高端技術(shù)的轉(zhuǎn)變。

2 我國智能熱處理裝備簡介

2.1 熱處理裝備技術(shù)現(xiàn)狀

熱處理裝備按加熱方式可分為電阻加熱爐、感應(yīng)加熱爐、離子體／電子束／激光束加熱爐、燃?xì)饧訜釥t、燃油加熱爐和燃煤加熱爐等。目前我國以電加熱熱處理裝備為主體（約占總量的90%），其他加熱方式（燃?xì)狻⑷加秃腿济旱龋┎蛔?0%。按爐內(nèi)介質(zhì)分為空氣介質(zhì)爐、鹽浴爐、保護(hù)氣氛爐、流態(tài)粒子爐、可控氣氛爐、真空氣氛爐和等離子爐等。近60年來，我國熱處理裝備從空氣介質(zhì)爐和鹽浴爐向保護(hù)氣氛爐和流態(tài)粒子爐再向可控氣氛／真空氣氛爐和等離子爐等方向不斷發(fā)展。

目前，我國熱處理技術(shù)與國外熱處理技術(shù)差距很大［2］，美國等發(fā)達(dá)國家對熱處理工藝過程的控制已向著自動化、智能化和柔性化發(fā)展，而由于歷史的原因，我國的許多企業(yè)大而全、小而全，熱處理的社會化、產(chǎn)業(yè)化及規(guī)模生產(chǎn)尚未形成，因而，生產(chǎn)效率低下，比美國差26倍，設(shè)備利用率和負(fù)荷率不到30%，而能耗卻比美國高出40%以上。

2.2 我國熱處理裝備技術(shù)發(fā)展趨勢

我國熱處理裝備行業(yè)在“十一五”期間取得了長足的進(jìn)步，得益于機(jī)械制造業(yè)的迅猛發(fā)展，熱處理裝備更新速度加快。由于國外產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，大型國有企業(yè)和大量民營企業(yè)的技術(shù)改造，華東和華南沿海城市輕工、電氣產(chǎn)品模具的大量需求，航空、汽車等制造業(yè)零件加工協(xié)作的推動，興起了以真空熱處理設(shè)備和密封多用爐生產(chǎn)線為主的設(shè)備更新浪潮［3］。在汽車、軌道交通、造船等行業(yè)的發(fā)動機(jī)、變速箱零件、基礎(chǔ)零部件的熱處理中，也出現(xiàn)了以推桿爐、輥棒爐、網(wǎng)帶爐、密封多用爐、感應(yīng)淬火機(jī)床、等離子設(shè)備等為主的熱處理設(shè)備更新，設(shè)備市場一片繁榮，骨干企業(yè)設(shè)備更新率達(dá)到70%以上。

為加快提高我國的熱處理技術(shù)，需要全面分析我國熱處理技術(shù)現(xiàn)階段水平，針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出新的改進(jìn)方案，力爭在熱處理新技術(shù)、新材料和新設(shè)備等方面取得重要提升。

2.2.1 采用新的加熱源

熱處理加熱源形式多種多樣，當(dāng)今人們對高能率熱源更為關(guān)注。高能率熱處理相比其他方法在減小加工零部件形變、獲取優(yōu)良組織性能以及特殊零部件表面狀態(tài)等方面具有無可比擬的優(yōu)越性，不但能夠顯著提高熱處理部件表面的耐磨特性和耐腐蝕特性，更能夠延長其服役時(shí)間。因此，高能率熱處理在最近幾年發(fā)展迅速，成為改變金屬材料表面特性的主要技術(shù)。國外大型企業(yè)已逐漸采用激光熱處理和離子注入表面改性等技術(shù)，但由于高能率熱處理設(shè)備費(fèi)用昂貴，我國應(yīng)用尚少，但其極具發(fā)展前景，今后將會是重要的熱處理工藝。

2.2.2 采用新的加熱方式

通常進(jìn)行熱處理時(shí)要實(shí)現(xiàn)少無氧化加熱，目的是降低金屬氧化損耗、保證工件表面質(zhì)量。在實(shí)際熱處理工藝中實(shí)現(xiàn)少無氧化加熱主要采用真空和可控氣氛技術(shù)。在表面加熱領(lǐng)域，感應(yīng)加熱具有很多優(yōu)勢，比如加熱迅速、工件變形小、生產(chǎn)率高、工件表面氧化脫碳少、節(jié)能和易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化等，故其廣泛應(yīng)用在工件的表面加熱淬火中。

2.2.3 采用新型淬火介質(zhì)和新的淬火方法

淬火介質(zhì)在淬火工藝過程中起著十分重要的作用，直接影響著工件淬火質(zhì)量。應(yīng)用合理的淬火介質(zhì)能夠顯著減小工件的變形，提高淬火工件表面精度。在實(shí)際熱處理生產(chǎn)過程中，通常采用水、油、鹽類等作為淬火介質(zhì)［4］。今后，要全面改進(jìn)原有淬火介質(zhì)性能，并積極研究經(jīng)濟(jì)、安全、無污染的新型淬火介質(zhì)。

2.2.4 多參數(shù)熱處理和復(fù)合熱處理工藝

傳統(tǒng)熱處理通常以溫度和時(shí)間作為熱處理的參數(shù)，為單一的熱處理，效果十分單一化，因此，必須發(fā)展多參數(shù)熱處理和復(fù)合熱處理工藝。多參數(shù)熱處理工藝形式主要為真空熱處理、化學(xué)熱處理和形變熱處理。復(fù)合熱處理能夠?qū)煞N或多種熱處理工藝復(fù)合，或者將熱處理與其他加工工藝復(fù)合，從而得到各個(gè)工藝的綜合效果，工件性能更加優(yōu)良，并能節(jié)約能源、降低成本、提高生產(chǎn)效率［5］。

2.2.5 熱處理生產(chǎn)的自動化和專業(yè)化

為了實(shí)現(xiàn)熱處理生產(chǎn)的自動化，當(dāng)今熱處理生產(chǎn)正逐步引入計(jì)算機(jī)，其能夠保證熱處理工藝的穩(wěn)定性和得到優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量，從而使熱處理裝備朝著高效、低成本、柔性化和智能化方向發(fā)展。國外現(xiàn)代企業(yè)很多都在熱處理中采用計(jì)算機(jī)，國內(nèi)研制生產(chǎn)的熱處理設(shè)備也越來越多地引入了微機(jī)控制，極大地提高了設(shè)備的自動化水平和生產(chǎn)效率。在熱處理工藝過程的實(shí)時(shí)控制、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)學(xué)模型的開發(fā)應(yīng)用等方面，也取得了一定的成績。

3 智能熱處理重點(diǎn)發(fā)展技術(shù)

3.1 熱處理設(shè)備節(jié)能減排控制技術(shù)

熱處理設(shè)備節(jié)能減排控制技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）爐體構(gòu)造、工裝、夾具的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。即運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對爐體構(gòu)造、工裝、夾具進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得爐體構(gòu)造符合節(jié)能減排的要求，工裝、夾具的最優(yōu)化設(shè)計(jì)為熱處理設(shè)備的智能化控制創(chuàng)造了條件。

（2）節(jié)能電源及新型加熱元器件的研發(fā)。感應(yīng)加熱就是發(fā)展最好的一種加熱方法，其技術(shù)先進(jìn)性體現(xiàn)在：①高頻電源通常采用半導(dǎo)體功率器件構(gòu)成，理論上輸出功率越大，頻率越高，則技術(shù)就越領(lǐng)先；②感應(yīng)熔煉中頻爐電源功率越大，整流的脈波數(shù)越多，配置的爐體容量越大，技術(shù)越先進(jìn)；③真空感應(yīng)爐，通常噸位越大技術(shù)越先進(jìn)；④采用特種感應(yīng)加熱技術(shù)。

（3）新型節(jié)能爐用材料的研究與應(yīng)用。爐體密封，主要是指爐內(nèi)各部件和爐殼以及爐門等的密封，如果爐體密封不夠嚴(yán)格，容易造成跑火、漏火，導(dǎo)致能源浪費(fèi)嚴(yán)重，甚至損害設(shè)備，因此爐體密封十分關(guān)鍵，其直接決定著產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)過程的能耗，新型耐火纖維制品的出現(xiàn)，為解決爐體密封創(chuàng)造了條件，實(shí)現(xiàn)了軟密封。在爐圍內(nèi)壁涂高溫高輻射涂料，強(qiáng)化爐內(nèi)的輻射傳熱，有助于熱能的充分利用，其節(jié)能效果為3%～5%，是近期較先進(jìn)的節(jié)能方法［6］。

（4）電磁輻射控制設(shè)計(jì)。為了防止電磁輻射對周圍環(huán)境的有害影響以及對人體健康的影響，必須將電磁輻射的強(qiáng)度減小到允許的程度（最?。?qū)⒂泻τ绊懴拗圃谝欢ǖ目臻g范圍，屏蔽就是常用的有效技術(shù)。

3.2 冷卻控制技術(shù)

3.2.1 淬火冷卻工藝數(shù)值模擬

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法為淬火過程中相互作用的各場量的計(jì)算提供了強(qiáng)有力的工具。數(shù)值模擬雖然不能直接給出諸如相態(tài)分布、應(yīng)力分布與工藝參數(shù)的關(guān)系，但它能對介質(zhì)流場、工件內(nèi)溫度場、組織場、應(yīng)力應(yīng)變場進(jìn)行耦合計(jì)算，用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)直觀地給出任意時(shí)刻和任一點(diǎn)的溫度、組織和應(yīng)力應(yīng)變情況。計(jì)算機(jī)模擬的應(yīng)用將有望使熱處理擺脫依賴于經(jīng)驗(yàn)和操作者技能的落后狀況，向著能精確預(yù)測生產(chǎn)結(jié)果和實(shí)現(xiàn)可靠的質(zhì)量控制方向發(fā)展。

3.2.2 淬火變形控制技術(shù)

由于淬火變形影響因素非常復(fù)雜，導(dǎo)致變形控制十分棘手，而采用校直方法糾正變形或加大磨削加工余量，都會增加成本，因此淬火變形控制技術(shù)是提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長零部件使用壽命、提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。國內(nèi)外熱處理工作者在研究鋼件熱處理變形成因、規(guī)律及預(yù)防控制變形措施等方面取得了許多理論成果，也積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.2.3 強(qiáng)烈淬火技術(shù)

強(qiáng)烈淬火是在金屬固態(tài)相變點(diǎn)以上加熱保溫，通過極快速冷卻方法對零件表面進(jìn)行淬火。常規(guī)淬火冷卻到淬火劑溫度時(shí)，鋼件表層形成拉應(yīng)力或低應(yīng)力狀態(tài)，而強(qiáng)烈淬火則在工件心部尚處于熱態(tài)時(shí)便停止冷卻，使其表層形成壓應(yīng)力，消除淬火開裂現(xiàn)象，減小淬火變形，降低疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展以及應(yīng)力腐蝕開裂的可能性，延長構(gòu)件的使用壽命，取代或減少材料熱處理過程中的滲碳、噴丸、噴砂過程。

4 我國智能熱處理裝備的研究布局

在無氧化熱處理技術(shù)的發(fā)展趨勢中，首推可控氣氛熱處理。在目前少品種、大批量生產(chǎn)中，尤其是碳素鋼和一般合金結(jié)構(gòu)鋼件的光亮淬火、退火、滲碳淬火、碳氮共滲淬火、氣體氮碳共滲中仍以可控氣氛為主要手段，所以可控氣氛熱處理仍是智能先進(jìn)熱處理技術(shù)的主要組成部分。其優(yōu)點(diǎn)是防止工件氧化脫碳；進(jìn)行滲碳等化學(xué)熱處理；對已脫碳的工件，可使表面復(fù)碳；可進(jìn)行穿透滲碳；便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化。

真空熱處理是在真空技術(shù)和熱處理技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型熱處理技術(shù)，其整個(gè)過程全部和部分在真空狀態(tài)下進(jìn)行，熱處理質(zhì)量大大提高。與常規(guī)熱處理相比，其能夠?qū)崿F(xiàn)無氧化、無脫碳、無滲碳，使工件表面更加光亮。

感應(yīng)加熱熱處理設(shè)備，是利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生渦流電發(fā)熱現(xiàn)象，對工件表面加熱進(jìn)行熱處理。由于其生產(chǎn)效率高、能耗低、污染較少、安全性較好以及容易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，常用于表面淬火，也可用于局部退火或回火。隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，對高效、自動化、高重現(xiàn)性的感應(yīng)淬火工藝裝備的需求大增，感應(yīng)淬火機(jī)床正向成套化、緊湊化、在線化、柔性化、數(shù)控與自動化方向發(fā)展。

智能等離子體技術(shù)是對材料表面進(jìn)行處理的技術(shù)，涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域，需要在以下幾方面重點(diǎn)提高：①深入進(jìn)行等離子體表面改性機(jī)理研究，解決傳統(tǒng)溫度場測定精度差的問題；②從理論上對等離子表面處理工藝參數(shù)、材料性能以及表面狀況等進(jìn)行分析研究，優(yōu)化現(xiàn)有的工藝參數(shù)，研發(fā)新型成熟可靠的工藝設(shè)備；③分析材料在遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)下微觀組織結(jié)構(gòu)的變化［7］；④進(jìn)一步發(fā)展等離子表面處理質(zhì)量的在線監(jiān)控技術(shù)。

5 總結(jié)

隨著科技的不斷進(jìn)步，對熱處理裝備的要求越來越高，智能熱處理裝備在我國工業(yè)中將占據(jù)重要地位。因此，加快發(fā)展智能熱處理裝備，對促進(jìn)我國科技進(jìn)步、提升產(chǎn)品質(zhì)量有著重要作用。

［1］ 潘健生，顧劍鋒，王婧.我國熱處理發(fā)展戰(zhàn)略的探討［J］.金屬熱處理，2013（1）：35－39.

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［4］ 王廣生.航空熱處理發(fā)展的思考［J］.金屬加工，2012（9）：41－44.

［5］ 巨東英.日本金屬熱處理未來發(fā)展路線概述［J］.金屬熱處理，2012（1）：22－24.

［6］ 張先鳴.我國緊固件行業(yè)熱處理技術(shù)現(xiàn)狀及展望［J］.金屬制品，2011（9）：33－35.

［7］ 潘健生.對美國熱處理路線圖的意見與建議［J］.熱處理，2007（2）：13－16.