金屬材料熱處理節(jié)能技術研究進展

摘要：節(jié)能是目前熱處理技術發(fā)展的重要主題。從工藝、材料、設備等方面介紹熱處理節(jié)能技術的研究現(xiàn)狀，展望熱處理節(jié)能技術的發(fā)展方向。

文獻標識碼：A

文章編號：1673-1816(2015)03-0081-08

收稿日期：2015-04-18

作者簡介：張存來（1956-），男，副教授，研究方向材料加工工藝研究。

1 引言

熱處理是機械制造工業(yè)中的重要基礎技術 [1]，是保證金屬材料內在質量，提高產品使用性能和可靠性的關鍵工序，同時也是制造業(yè)中能耗大、污染嚴重的環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計，我國每年鋼材熱處理的總質量約為鋼材總產量30 %，年實際熱處理生產量超過1億噸。全國熱處理加熱設備（以75kW為一標準臺）約15萬臺，裝機容量1100萬kW。假設熱處理加熱設備的平均利用率為30 %，15萬臺設備的每年消耗電總量為99億kW·h [2]。也有數(shù)據(jù)指出，熱處理行業(yè)能耗高達230億度，約占機械制造業(yè)總耗電量的25 %，熱處理能耗費用在熱處理工序成本中所占比例達30 %～40 % [3]。

面對能源和環(huán)境問題的壓力，美國在2004提出了熱處理路線圖，指出2020年熱處理發(fā)展目標中要求能源消耗減少80 %，工藝周期縮短50 %，工藝成本降低75 % [4]。它給人們的啟示是：熱處理制造領域的節(jié)能降耗有巨大潛力 [5]。我國機械行業(yè)熱處理單位能耗一般在800 kW·h /t以上，而工業(yè)發(fā)達國家一般都在400 kW·h /t以下 [6]，有很大差距。我國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局于2002年發(fā)布了《熱處理節(jié)能技術導則》。規(guī)定了在熱處理生產中為避免能源浪費、確保能源的合理使用應采取的主要節(jié)能途徑和措施 [7]。我國熱處理行業(yè)在“十二五”期間提出的節(jié)能目標是總體節(jié)能20 %，單位平均電耗達到500 kW·h /t以下 [8]。

熱處理節(jié)能技術包括采用節(jié)能的熱處理工藝、開發(fā)加速熱處理過程或省去熱處理工序的材料以及熱處理設備的節(jié)能改造等。目前已經開展了熱處理工藝、材料、設備等方面的節(jié)能技術研究，取得了很好的效果。

2 采用節(jié)能的熱處理工藝

熱處理是通過對金屬材料的加熱、保溫、冷卻過程進行合理控制而提高材料性能的一種技術方法。其中加熱和保溫階段是主要的耗能過程，近些年來，熱處理工作者打破傳統(tǒng)的思維方式，在縮短加熱、保溫時間，利用余熱等方面進行工藝優(yōu)化，取得了很好的節(jié)能效果。

2.1 縮短熱處理加熱時間、降低加熱溫度

（1）零保溫淬火

“零保溫”淬火，是將工件加熱到淬火溫度后不進行保溫，而立即進行冷卻處理的熱處理工藝。與常規(guī)熱處理工藝相比，零保溫工藝省去了奧氏體組織均勻化所需要的保溫過程，降低能耗20 %～30 %，提高了勞動生產率。李安銘等采用“零保溫”淬火處理25 MnV鋼，將淬火溫度提高到930℃，加熱到淬火溫度立即冷卻后，得到細小的板條馬氏體組織，具有較高的強度、硬度 [9]。馮旭東等對65Mn鋼“零保溫”淬火后的顯微組織和性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)由于“零保溫”淬火工藝加熱時間短，奧氏體晶粒來不及長大，故晶粒細小，性能優(yōu)于常規(guī)的保溫淬火 [10]。

（2）不均勻奧氏體加熱淬火

通常淬火加熱時，需要將鋼加熱到奧氏體狀態(tài)充分保溫，使碳化物溶解、奧氏體達到均勻化，這往往需要較長時間，但奧氏體未達到均勻化即施行淬火并不影響其淬火、回火后的性能，在某情況下甚至性能更好 [11]。王學前等采用不均勻奧氏體加熱淬火工藝，使GCr15鋼淬火后既細化了奧氏體晶粒又細化了馬氏體，同時還獲得了低碳板條馬氏體及呈薄膜狀或集聚態(tài)的殘余奧氏體包圍在碳化物周圍的組織，使GCr 15鋼的韌性得到提高 [12]。

2.2 縮短化學熱處理過程

（1）薄層滲入技術

傳統(tǒng)觀點認為，滲層性能與其厚度成正比，實際上，過深的滲層不但降低制件的韌性且不利于性能的提高，還浪費能源，增加成本，同時由于加熱時間的增長而使污染上升 [13]，因此確定合理的滲層深度，對提高產品質量和節(jié)能減排有重要的意義。如在自行車鋼球生產中，采用薄層滲碳后，不但使生產效率提高42%，節(jié)電30 %，也使甲醇和煤油的消耗下降52%，壽命提高2倍，取得節(jié)能環(huán)保雙重效果 [14]。

（2）低壓真空滲碳

滲碳溫度對滲碳速度起著決定性的作用，適當提高滲碳溫度，可以顯著縮短工藝時間。低壓真空滲碳由于有可能提高滲碳溫度和可靠的控制技術，在解決深層滲碳問題方面，顯示出極大的優(yōu)越性。將低壓真空滲碳技術應用于大尺寸工件的深層及超深層滲碳，工藝時間縮短達50%，對能源的節(jié)約和生產率的提高具有重大的意義 [15]。

（3）稀土催滲技術

與其它催滲技術最重要的差別在于稀土原子具有特殊的電子結構，決定了它具有很高的化學活性，可以與碳、氮原子共同滲入到被滲基體內。稀土原子在化學熱處理中能起到活化催滲作用, 顯著提高滲速，滲碳速度可提高20 %～30 %，滲氮速度提高達40 %～50 % [16]，有顯著的節(jié)能效果。同時，稀土元素被滲入鋼件表層, 有效地改善了滲層組織和性能 [17]。

（4）BH催滲技術

BH催滲技術是我國學者獨立自主開發(fā)成功的一項具有國際領先水平的新技術。該技術的核心是通過在滲碳氣氛中添加微量的催滲劑，促進滲碳介質充分分解，并在分解過程中產生部分正四價碳離子。正四價碳離子（半徑0.15 nm）的體積只有碳原子（半徑0.77 nm）體積的1/135，因而活性高，在奧氏體中擴散阻力小、擴散速度快 [18]。

BH技術的主要特點有以下幾個方面：在工藝溫度降低40℃以上條件下（≥810℃）可保持工件在原工藝溫度下的滲速不減。在同樣工藝溫度下比常規(guī)滲碳或碳氮共滲滲速快20 %以上，可顯著減少工件在高溫階段的保持時間，節(jié)約電能，提高生產效率，減少變形。某廠采用BH技術對汽車半軸齒輪進行滲碳處理，生產效率提高了20 %，每爐次節(jié)電90kW·h [19]，取得顯著的節(jié)能效果。

2.3 利用其他工藝過程余熱熱處理

零件的鍛造、鑄造溫度一般高于普通熱處理的加熱溫度，往往需要降到室溫之后，重新加熱進行熱處理。如汽車齒輪鍛造的終鍛溫度一般在900℃以上，此時工件仍處于奧氏體狀態(tài)，如迅速將其均勻冷卻到A r1以下進行正火或淬火等處理，可以大大節(jié)約能源。

（1）鍛造余熱熱處理

陳希原對42CrMo鋼平衡軸鍛件采用鍛造余熱淬火，省去了常規(guī)熱處理的重新高溫長時間加熱，節(jié)省大量的能源，節(jié)省設備和人力 [20]。劉云旭等利用鍛（軋）余熱等溫正火代替普通等溫正火或普通正火，每噸鍛件可節(jié)電400kW·h [21]。肖結良對2Cr13不銹鋼擠出模鍛后直接淬火，再經高溫回火，發(fā)現(xiàn)完全可以代替原有的鍛后調質工藝。以一臺180 kW 的臺車爐為例，每爐次能節(jié)電1100 kW·h，處理時間從15 h縮短為7 h [22]，顯著降低能耗，提高工作效率。

（2）鑄件余熱熱處理

傳統(tǒng)的耐磨鑄鋼熱處理是將鑄件加熱到高溫，保溫一定時間后淬入油中或水中，然后進行低溫回火。張茂勛提出了利用鑄造過程的余熱淬火，然后直接進行回火的工藝來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱處理工藝 [23]。他將這一熱處理工藝用于低合金耐磨鑄鋼件的處理，獲得了與常規(guī)熱處理相近的力學性能和耐磨性。同時節(jié)約了大量能源、勞動力，縮短了生產周期。

何亮等開展了鑄造319鋁合金鑄件余熱熱處理的研究。該工藝將鑄件在砂型中完全凝固或冷卻到一定溫度時與砂型砂芯一起或落砂后放入高溫處理爐內進行固溶處理。相同的固溶處理條件下，采用余熱熱處理工藝的試棒的抗拉強度有所提高，達到相同抗拉強度所需的固溶處理時間可縮短為傳統(tǒng)熱處理工藝的1/3～1/2 [24]。

2.4 采用熱處理新工藝

（1）強烈淬火技術

強烈淬火工藝是烏克蘭學者Кобско院士1992年發(fā)明的一種新型熱處理工藝。特點是冷速極快，而不必擔心鋼件的過度畸變和開裂。其核心是快速冷卻過程中，在鋼件的表面形成高的壓應力，如冷速大于30℃/s，表面的壓應力可達 1200MPa，可顯著縮短滲碳時間，甚至取消噴丸工藝 [25]。該技術具有重大的節(jié)能效果。傅宇東等的研究表明：20CrMnTi鋼經強烈淬火后的組織主要為板條馬氏體，抗拉強度最高達1521MPa，比傳統(tǒng)的滲碳淬火處理提高約38%，沖擊韌度最高達1392.66kJ/m 2，較滲碳淬火有較大提高 [26]。強烈淬火還能使?jié)B碳時的擴散時間縮短50%或更多 [27]。

（2）磨削加熱淬火

磨削加熱淬火1996年由Brinksmeier等人提出 [28]，它是主動利用磨削熱對工件表面進行熱處理，將磨削加工與表面強化合為一體，代替感應加熱表面淬火。通常利用粗磨產生的切削熱作為熱源進行表面淬火，再利用精磨得到高的精度和表面質量。磨削加熱淬火可獲得與感應加熱表面淬火相似的表面硬化層，表面硬度達到HRC53左右 [29]。該技術可利用磨削產生的余熱，并易于在生產線上實現(xiàn)熱處理。

（3）振動時效處理技術

利用不同頻率產生的多諧波共振原理來消除金屬制件的殘余應力，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱處理去應力工藝，可大大節(jié)約電能。與熱處理技術相比采用振動時效處理技術可節(jié)能40%，金屬韌性可提高35% [14]。

3 加速熱處理過程或省去熱處理工序的材料

3.1 非調質鋼

采用棒材和線材作原料的構件，多數(shù)加工后需要進行調質熱處理。調制處理通過淬火加高溫回火來完成，是高能耗的熱處理過程。非調質鋼具有節(jié)省能源、減少淬火變形開裂，工業(yè)簡單等優(yōu)點，在汽車工業(yè)中得到廣泛應用 [30]。

微合金非調質是指在鋼中加入微量的釩、鈦、鎳等元素，經過鍛造或軋制冷卻后在鐵素體和珠光體中析出碳化物或碳氮化合物，這樣在達到高強度和保證韌性的同時又省去了調質處理，減少了熱處理工序和設備，避免熱處理變形和淬火裂紋造成廢品，降低了能耗和成本 [31]。

3.2 快速滲碳鋼

除了開發(fā)縮短化學熱處理過程的滲碳工藝之外，從材料本身的成分設計出發(fā)也開展了相關的研究。

通過調整滲碳鋼中影響碳原子擴散的元素的含量，達到縮短滲碳時間，節(jié)約能源的效果，可以達到較采用常規(guī)滲碳鋼縮短20%～40%的滲碳時間。如日本通過在滲碳鋼SCr420中添加Ni開發(fā)出了快速滲碳鋼ES1 [32]。

提高滲碳溫度可以明顯縮短滲碳時間，但在高溫下材料的晶粒急劇長大而導致工件性能惡化，因此需要通過成分的設計來阻止高溫下晶粒的長大。國內外開發(fā)了20MoCr5、17CrNiMo6、20MnCr5等高溫滲碳鋼，可使?jié)B碳溫度提高到1000℃，縮短滲碳周期50%以上 [33]。

3.3 快速滲氮鋼

滲氮工藝往往需要很長的時間，提高滲氮溫度可以縮短滲氮工藝的時間，但同時會顯著降低滲碳層的硬度。因此研制了添加Ti的快速滲碳鋼，保證在650℃以上滲氮時獲得高的表面硬度。如日本研制的N6 型快速滲氮鋼，與普通滲氮鋼SACM1相比，經650℃處理獲得0.5 mm深滲氮層的工藝時間從48 h減少到6 h [33]。

近來又開發(fā)出多種快速滲氮新鋼種，如25CrMoV、30Cr3NiVNbAl和25CrNiNoVZrAl，比一般合金鋼滲氮速度提高10 % [34]。

3.4 免退火冷鐓鋼

汽車標準件常采用冷鐓成型。免退火冷鐓鋼通過調整化學成分，控軋、控冷，細化晶粒，降低軋制態(tài)的硬度，提高其塑性變形能力，減少變形抗力 [35]。由于采用免退火冷鐓鋼，省略了冷拔前的退火工藝，達到節(jié)能、降低生產成本的目標。

4 熱處理設備節(jié)能

采用高效節(jié)能先進的熱處理設備是實現(xiàn)熱處理節(jié)能目標的重要步驟。對熱處理爐，可以采取的措施主要有：合理選擇能源；充分利用余熱；優(yōu)化爐體結構設計，減少熱損失，提高熱效率；盡可能采用蓄熱少、絕熱性好的輕質耐火材料爐襯；采用密封爐體結構等 [37]。

4.1 使用代替能源

熱處理的能源一般可分為電能和燃料兩大類。電加熱干凈，溫度易控制，輔助設施少，操作簡便。用電阻爐加熱理論上可獲得70 %～80 %的熱利用率，但電是二次能源，考慮到發(fā)電的效率，電阻爐的綜合熱利用率不超過30 %。

（1）天然氣加熱技術

天然氣是一次能源，熱處理爐除直接燃燒可獲得至少30 %的熱效率外，煙道氣廢熱還可用來預熱燃料，用于空氣、回火爐加熱、清洗液和淬火油的加熱以及其他用途，使絕對的熱利用率可達到80 %以上。目前，先進工業(yè)國家的熱處理燃料爐占有相當比重。據(jù)調查，西歐國家熱處理用燃料爐的比重占20 %～30 %，美國占25.5 %，而日本燃料爐主要用重油、煤油、液化氣和城市煤氣，總共占61.4 % [37]。我國天然資源豐富，為熱處理行業(yè)創(chuàng)造非常便利的用氣條件。如在以天然氣為熱源的鋁合金熱處理生產線中，固溶熱處理爐排出的廢煙氣，作為時效爐的加熱源，減少廢氣及有害物質的排放量，充分利用余熱，降低能源消耗，改善生態(tài)環(huán)境，降低產品制造成本 [38]。

（2）油電、氣電復合加熱技術

采用油電復合加熱等溫球化退火爐，使軸承鋼球化退火時間縮短至8～9h，球化退火顯微組織達到均勻、細小、彌散、圓整分布的理想目標，先進的燃油技術使煙塵黑度系數(shù)符合環(huán)保要求 [39]。

（3）太陽能熱處理技術

高殿奎等發(fā)明了一種太陽能熱處理爐，并利用其對9SiCr冷沖壓凸模的刃口進行太陽能淬火，提高了刃口的耐磨性，使凸模的使用壽命提高了8倍，同時有很好的節(jié)能效果 [40]。

4.2 氮基氣氛熱處理

氮氣是一種中性氣體，根據(jù)不同的熱處理目的，在氮氣中加熱適量的添加劑就形成氮基氣氛。常用的添加劑由碳氫化合物、烴的含氧衍生物、含氮有機物以及H 2、NH 3、CO、空氣、H 2O等其他氣體。一般氮氣占爐內氣氛的40 %～97.8 % [41]。使用氮基氣氛有明顯的節(jié)能效果，如氮基氣氛氮碳共滲的滲速比吸熱式氣氛氮碳共滲的滲速快，而滲層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性相當。

4.3 Ni3Al金屬間化合物耐熱構件材料

添加Cr、Zr、Mo和B改進的Ni 3Al材料具有出色的熱強性、抗蠕變及抗?jié)B碳能力。Ni 3Al構件的壽命比耐熱鋼高一倍以上，可以減少爐子維修次數(shù)、縮短工藝周期、提高熱處理工件壽命、提高滲碳溫度，節(jié)能效果顯著 [42]。

5 展望

在能源和環(huán)境問題日益突出的形勢下，熱處理節(jié)能技術已經引起了世界范圍的廣泛關注，通過熱處理工作者的努力創(chuàng)新，熱處理節(jié)能技術在工藝、設備、材料、生產管理方面都取得了很大進步，但要達到“十二五”期間的熱處理節(jié)能目標，還需要注重以下幾個方面的努力：

（1）在理論方面應加強對傳統(tǒng)熱處理原理及工藝的再認識，加深對快速奧氏體化、“零保溫”淬火、強烈淬火、稀土催滲機制等的研究。

（2）強化材料熱處理數(shù)學模型、數(shù)據(jù)庫、專家系統(tǒng)的研究，利用計算機的強大功能對熱處理過程進行精確控制。

（3）加強廢熱、爐氣的回收再利用。燃料爐廢熱利用的潛力很大，合理利用余熱、廢熱能夠達到良好的節(jié)能效果。

（4）加強新型爐體材料的研究，如夾具、料盤等長壽命材料、新型陶瓷纖維絕熱材料，熱防護涂層材料等的研制。