縮短加熱時(shí)間來優(yōu)化熱處理工藝
發(fā)布時(shí)間：2018-02-02 11:27 來源：tommy 閱讀：
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φ10mm，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/t。
（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＝（1.4~1.8）×（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。經(jīng)新、老工藝方案的經(jīng)濟(jì)效益如表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/t，下降到451.13kW·h/t，達(dá)到了節(jié)電54.83%的效果，工時(shí)節(jié)約56.13%，年節(jié)電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。
（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)選取；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的保溫時(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，對于空氣爐加熱的中、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＝0.4×G+D。式中：G為裝爐工件凈重量（kg），其他符號意義與上述相同。
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。
（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見圖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。
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、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。
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。
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，馬氏體及殘余奧氏體1~5級。
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%。
節(jié)能效果：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。
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%，一臺多用爐每年可增加產(chǎn)值80多萬元。
應(yīng)用實(shí)例：BH催滲工藝
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。
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。
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?？焖倩鼗鸩捎酶呔燃訜釥t，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回火軟體集成了回火計(jì)算軟件和Pyrograph熱交換軟體）中工件加熱速度和溫度均勻性得到了優(yōu)化。
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。
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。
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。
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%。
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