熱處理技術(shù)發(fā)展和熱處理行業(yè)市場(chǎng)的分析
1.概述
在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)中凡涉及機(jī)械制造的任何領(lǐng)域中，熱處理是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)工藝之一。它是金屬材料在嚴(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。具體的要求往往在下述方面：⑴軟化材料，改善成型性能，提高機(jī)加工效率和生產(chǎn)效率；⑵提高材料的強(qiáng)度和韌度，增加零部件的壽命；⑶在保證材料心部性能的同時(shí)提高工件的表面強(qiáng)度、硬度、耐磨性、疲勞性和耐蝕性等；⑷研制新型材料和針對(duì)已出現(xiàn)的特種材料通過熱處理方法獲得特殊的物理、化學(xué)性能以滿足醫(yī)療、宇航、生物、光學(xué)、電子等領(lǐng)域中高要求的應(yīng)用；⑸改進(jìn)傳統(tǒng)材料的生產(chǎn)和處理，細(xì)化材料的組織，大大提高強(qiáng)度和韌度，充分發(fā)揮材料潛能，滿足愈來愈高的工業(yè)需要；⑹應(yīng)用物理和化學(xué)沉積方法使材料表面的性能發(fā)生質(zhì)的飛躍，滿足高速高精度加工的需要和高耐磨、耐蝕環(huán)境下的使用要求；⑺應(yīng)用納米技術(shù)、復(fù)合材料技術(shù)制造出特種性能的材料。
金屬制品和工件經(jīng)熱處理使其達(dá)到所要求的組織、性能和服役壽命，應(yīng)按精確生產(chǎn)方式來完成，即使其在精確可靠運(yùn)行的清潔設(shè)備中，按科學(xué)先進(jìn)的工藝方法，在嚴(yán)格的管理下去完成處理全過程，獲得分散度為零的高質(zhì)量水平。嚴(yán)格的管理包括工藝執(zhí)行管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、能源管理、環(huán)保管理和人力資源管理等。這些管理項(xiàng)目在質(zhì)量保證體系和環(huán)保體系的認(rèn)證中規(guī)定十分明確。對(duì)一個(gè)投資企業(yè)，應(yīng)十分重視ISO9000，QS9000和ISO14000等的認(rèn)證。達(dá)到這些認(rèn)證，才能找到和確定企業(yè)和汽車、宇航航空、機(jī)械、化工、冶金、紡織、工模具等方面領(lǐng)域的固定客戶，并爭(zhēng)取維持長(zhǎng)期合作關(guān)系。
跨入21世紀(jì)，人類對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，我國(guó)已把環(huán)保作為一項(xiàng)基本國(guó)策，并開始推進(jìn)清潔生產(chǎn)，要求施行綠色熱處理，生產(chǎn)清潔產(chǎn)品。施行綠色熱處理，最根本的是為了人類的可持續(xù)發(fā)展。世界環(huán)境和發(fā)展委員會(huì)在《我們共同的未來》報(bào)告中闡明“可持續(xù)發(fā)展”為“既滿足當(dāng)代人的需要，又不致?lián)p害子孫后代滿足其需要的能力的發(fā)展”。易于理解的是要我們做到自然資源的合理開發(fā)利用，同時(shí)做好自然資源的保護(hù)和環(huán)境的保護(hù)。對(duì)一個(gè)企業(yè)而言，要處理好發(fā)展與效益、發(fā)展與創(chuàng)新的關(guān)系，也要處理好發(fā)展與資源、發(fā)展與環(huán)境的關(guān)系。優(yōu)秀的企業(yè)家，要處理好這些關(guān)系，也一定要善于處理好這些關(guān)系。在處理中求得生存，求得效益，求得發(fā)展。
2 . 國(guó)內(nèi)外熱處理先進(jìn)技術(shù)與裝備
2.1.國(guó)外熱處理先進(jìn)技術(shù)與裝備的水平
熱處理技術(shù)作為機(jī)械制造業(yè)中十分重要的基礎(chǔ)工藝技術(shù)之一，在整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中，應(yīng)用十分廣泛。在充分發(fā)揮材料潛能，節(jié)約能源，進(jìn)行清潔生產(chǎn)和人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展上，熱處理技術(shù)的拓展是絕不能忽視的。世界上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都投入很多資金來發(fā)展這門技術(shù)。自1996年以來，美國(guó)、日本的歐洲的許多發(fā)達(dá)國(guó)家都先后制定21世紀(jì)熱處理技術(shù)發(fā)展規(guī)劃和目標(biāo)。美國(guó)熱處理工業(yè)2020年遠(yuǎn)景把目前和將來國(guó)外熱處理先進(jìn)技術(shù)與裝備水平的目標(biāo)和主要標(biāo)志闡述得十分明確。
2.1.1 國(guó)外先進(jìn)熱處理技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)
國(guó)外熱處理技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)是可持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量提高，節(jié)約能源，精確生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，國(guó)內(nèi)的發(fā)展必應(yīng)以此作為著眼點(diǎn)。這五個(gè)方面之間實(shí)際上是互相關(guān)聯(lián)和制約的。
可持續(xù)發(fā)展中首先涉及環(huán)境，熱處理是與環(huán)境和能源密不可分。熱處理加工過程中應(yīng)用的生產(chǎn)物料和剩余物料很多可能都是致污染源。熱處理工作者要合理選用避免形成有害剩余物料的技術(shù)，對(duì)不得已產(chǎn)生的有害物質(zhì)須應(yīng)用先進(jìn)的無害化處理方法使有害剩余物料達(dá)到國(guó)家或國(guó)際上規(guī)定的安全排放標(biāo)準(zhǔn)，并研究開發(fā)再生和重復(fù)使用的方法。國(guó)外對(duì)之研究很多，當(dāng)然投資相當(dāng)大。
熱處理的能源消耗在機(jī)械制造企業(yè)中約占20～30％。上世紀(jì)90年代中期有調(diào)查我國(guó)每年用于熱處理的電能約86億度（約占總發(fā)電量的1％），全國(guó)熱處理營(yíng)業(yè)額約50億人民幣。1996年美國(guó)熱處理用電總量為51億度，比我國(guó)低40.7％，而全國(guó)熱處理營(yíng)業(yè)額為150億美元，按當(dāng)時(shí)匯率合計(jì)為1245億人民幣，是我國(guó)的24.9倍。由此可見，我國(guó)熱處理的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。因而，我國(guó)熱處理設(shè)備和現(xiàn)行熱處理工藝的改進(jìn)、完善和開發(fā)十分必要，節(jié)約能源的前景很大的。另外，我國(guó)機(jī)械工廠的熱處理用電費(fèi)用約占產(chǎn)品生產(chǎn)成本的40％，這當(dāng)然嚴(yán)重影響產(chǎn)品成本的降低。注意，電是二次能源，發(fā)電效率一般為30～40%，熱處理生產(chǎn)熱效率如達(dá)80％，則用電的綜合熱效率只有24％～32％。對(duì)利用一次能源天然氣的熱處理爐，加上煙道熱能利用，可使綜合熱效率達(dá)60％～65％。為此，在解決控制爐溫技術(shù)前提下，應(yīng)用天然氣使耗能下降，降低成本和提高生產(chǎn)效率十分有利。日本在這方面應(yīng)用較好。
熱處理產(chǎn)品質(zhì)量的提高和精確生產(chǎn)過程，要涉及熱處理設(shè)備的質(zhì)量、可靠性和控制技術(shù)的提高以及熱處理產(chǎn)品的質(zhì)量重現(xiàn)性和產(chǎn)品性能的提高。熱處理設(shè)備的高指標(biāo)要求的實(shí)現(xiàn)是熱處理產(chǎn)品性能、變形等質(zhì)量分散度趨于零的重要前提。國(guó)外熱處理設(shè)備對(duì)熱處理全過程進(jìn)行工藝參數(shù)的全面控制，并正在向自動(dòng)化，集成化，柔性化和智能化的方向發(fā)展。在我國(guó)對(duì)上世紀(jì)60年代就應(yīng)用的可控氣氛熱處理，還僅在部分大型企業(yè)和少數(shù)專業(yè)廠使用。全國(guó)范圍看，可控氣氛爐和真空爐總共尚不到熱處理設(shè)備的5％，一些勞動(dòng)強(qiáng)度大、污染嚴(yán)重和能耗大的設(shè)備仍占不少數(shù)量。許多熱處理企業(yè)還主要靠手工操作，尚未進(jìn)行碳勢(shì)的控制或只是初步的控制，淬火介質(zhì)也只是采用水和油（主要是機(jī)械油）兩種。在這種條件下，要提高產(chǎn)品質(zhì)量和進(jìn)行精確生產(chǎn)僅只是空話，這要求企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層予以充分考慮。
以上項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)和保證，自然就能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的降低和勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。
國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正是這樣去規(guī)劃和努力的，我國(guó)也應(yīng)該向這些目標(biāo)奮進(jìn)。美國(guó)熱處理工業(yè)2020年的遠(yuǎn)景可以歸納描述如下：運(yùn)用最新的CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）程序和熱處理數(shù)據(jù)庫，計(jì)算機(jī)模擬的仿真技術(shù)和精確控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)熱處理進(jìn)行高度柔性化和智能化的全面控制及系統(tǒng)管理。熱處理工業(yè)的目標(biāo)為：具有一流的熱處理質(zhì)量，質(zhì)量分散率為零；工藝周期縮短50％；熱處理工件畸變?yōu)榱�；熱處理能源利用率提高�?0％；熱處理對(duì)環(huán)境影響減少到零；熱處理成本降低75％；取得高的生產(chǎn)率和利潤(rùn)回報(bào)率；工作環(huán)境清潔，舒適和安全。其它還涉及：熱處理工人受到良好訓(xùn)練，掌握先進(jìn)技術(shù)和操作技能。政府為企業(yè)進(jìn)一步減輕負(fù)擔(dān)，刺激熱處理企業(yè)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，并鼓勵(lì)投資和銀行貸款。產(chǎn)、官、學(xué)、研和會(huì)（學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)）合作加快推進(jìn)先進(jìn)的熱處理技術(shù)。
2.1.2 國(guó)外先進(jìn)熱處理技術(shù)主要標(biāo)志
針對(duì)上述國(guó)外先進(jìn)熱處理發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，具體的發(fā)展主要標(biāo)志可概括為８?jìng)�(gè)“少無” ：少無污染，少無畸變，少無分散，少無浪費(fèi)，少無氧化，少無脫碳，少無廢品和少無人工。這兒以下述四個(gè)方面對(duì)目前國(guó)外先進(jìn)熱處理水平予以論說。
2.1.2.1 清潔生產(chǎn)和零污染：熱處理生產(chǎn)有些會(huì)形起環(huán)境污染，主要是指生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、廢水，廢渣，噪聲和電磁輻射等。先進(jìn)的熱處理技術(shù)應(yīng)采用清潔設(shè)備，對(duì)清潔材料進(jìn)行清潔工藝的生產(chǎn)。
真空設(shè)備，可控氣氛設(shè)備，離子滲設(shè)備，低NOx、SOx燃料燃燒設(shè)備，流態(tài)床設(shè)備等屬無污染清潔設(shè)備；N2和各種惰性氣體，聚合物淬火劑，無氟氯烴清洗溶劑，Al2O3和SiO2等流態(tài)床粒子（具備除塵條件）等材料屬清潔材料；真空處理，可控氣氛處理（盡可能減少CO2排放），屏蔽良好的感應(yīng)熱處理工藝屬清潔工藝；這樣，真空熱處理，低壓滲碳，等離子熱處理，高壓氣淬，真空清洗，三束（離子束、激光束、電子束）熱處理，噴霧噴水淬火等顯然可屬少無污染的清潔熱處理技術(shù)。
對(duì)氣體滲碳和用滲碳?xì)夥占影钡臍怏w碳氮共滲和氮碳共滲后排出的廢氣應(yīng)經(jīng)點(diǎn)燃后才可無害排放；離子滲硼中不可使用劇毒的B2H6（乙硼烷）；對(duì)鹽浴中不可使用受熱要分解產(chǎn)生氰根的黃血鹽和赤血鹽；對(duì)含碳酸鹽的鹽浴不可使用尿素或縮二脲，因?yàn)樗鼤?huì)反應(yīng)生成氰酸鹽，后分解為氰鹽。對(duì)含S和Li的氰酸鹽—碳酸鹽鹽浴可使氰化物保持在0.1～0.8%的低水平，處理零件的滲氮后性能良好，且處理周期縮短，這工藝在美、歐和日本應(yīng)用相當(dāng)多，法國(guó)HEF公司的SURSULF工藝及處理后進(jìn)入氧化鹽浴屬于這種技術(shù)，（我國(guó)的LT硫氮碳共滲法也是）。在氰酸鹽浴中添加有機(jī)聚合物melon也可將氰鹽含量降到2%～3%，其余大部分是無毒的氰酸鹽，法國(guó)HEF公司的德國(guó)Durferrit子公司（原屬Degussa公司）的Tufftride / Melonite / Tenifer / QPQ處理鹽浴屬于此類技術(shù)，（我國(guó)成都工具研究所的QPQ復(fù)合鹽浴處理也是）。清洗水中的氰含量已經(jīng)稀釋可無害排放。盡管如此，法、德和日本對(duì)這些工藝的無公害處理十分嚴(yán)格，并研究廢鹽的再生。對(duì)高速鋼刃具淬火仍采用的BaCl2鹽浴和含BaCl2廢水須經(jīng)無害化處理達(dá)標(biāo)后才允許排放，德國(guó)已采用專門技術(shù)和裝置來解決。
對(duì)有些應(yīng)采用的非清潔工藝和非清潔材料，在整個(gè)處理過程中要進(jìn)行全封閉，并在密閉系統(tǒng)中進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)無公害排放。處理的渣物要研究予以再生或作特殊處理。
2.1.2.2 精確生產(chǎn)和零畸變：熱處理過程中的加熱和冷卻會(huì)使金屬工件在處理后發(fā)生形狀和尺寸的改變，增加加工余量的用再加工方法予以消除，變形超差則會(huì)引起報(bào)廢，使已投入的材料和資源損失。工件變形也會(huì)影響互換性和減小運(yùn)行的精密性，造成效率減低，能耗增大和噪聲等弊病。為此，熱處理零畸變十分重要，這要依靠熱處理過程的精確生產(chǎn)來保證。精確生產(chǎn)要靠控制精度高和可靠運(yùn)行的熱處理設(shè)備（溫度、壓力、時(shí)間等工藝參數(shù)的精確控制和重現(xiàn)控制），材料的成分組織（含量偏差，雜質(zhì)含量和偏析，原始組織一致）及相應(yīng)的材料熱物理性能和工藝性能偏差小來予以保證，從而使同一爐批處理件的質(zhì)量（組織、硬度、變形、表面狀態(tài)、滲層深度、滲層濃度分布等）差異縮�。ɑ蛟诩夹g(shù)要求控制范圍內(nèi)）和使不同爐批處理產(chǎn)品質(zhì)量重現(xiàn)性提高。
工件發(fā)生變形主要發(fā)生在冷卻階段，淬火過程中工件均勻冷卻，減小工件表面和心部的溫差對(duì)減小畸變至關(guān)重要，所以應(yīng)合理選擇冷卻介質(zhì)和冷卻方式。采用聚合物淬火介質(zhì)、采用循環(huán)和攪動(dòng)方式及速度控制冷卻，合理選用淬火油溫度，控制淬火油面壓力（以達(dá)減小工件淬火變形），進(jìn)行鹽浴分級(jí)或等溫冷卻，施行氣體冷卻，噴水噴霧冷卻，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬的冷卻場(chǎng)技術(shù)，施壓淬火，利用回火余熱在自動(dòng)矯直機(jī)上矯直等技術(shù)的采用，為減小畸變創(chuàng)造條件。
國(guó)際上名牌汽車齒輪滲碳后淬火減小變形的主要措施是實(shí)現(xiàn)等溫和分級(jí)淬火，減小齒輪心表的溫差和發(fā)生相變的不同時(shí)性，來降低熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的差異。也有報(bào)導(dǎo)汽車齒輪在低壓滲碳后施行變向高壓（2MPa）氣淬，可使同步環(huán)齒輪畸變落在非常狹小的范圍內(nèi)。
應(yīng)指出，嚴(yán)格的管理，科學(xué)先進(jìn)的工藝方法，可靠的設(shè)備，精確的傳感器，能實(shí)現(xiàn)精密控制的成套工程系統(tǒng)（包括儀器儀表、伐、泵，執(zhí)行動(dòng)作元器件，計(jì)算機(jī)，程序設(shè)計(jì)和實(shí)施等）是確保精確生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)無廢次品生產(chǎn)和質(zhì)量分散度為零的生產(chǎn)的保證。
2.1.2.3 少無氧化和少無脫碳：一般金屬在空氣中加熱會(huì)發(fā)生氧化和脫碳，這會(huì)造成金屬的大量耗損，也破壞工件的表面狀態(tài)和加工精度。表面發(fā)生脫碳的鋼鐵工件在熱處理后的性能會(huì)有所下降：硬度降低，耐磨性下降，表面產(chǎn)生張應(yīng)力，降低抗疲勞性，耐蝕性變差等。這就有必要再行加工去除氧化脫碳層，或進(jìn)行“復(fù)碳”處理，這必然增加生產(chǎn)成本，浪費(fèi)材料，增加能耗和降低成品率。
屬于少無氧化的熱處理技術(shù)主要包括應(yīng)用氣氛、真空、感應(yīng)、流態(tài)床、鹽浴、激光束、電子束、離子束、涂層、包裝（packing）和還原性火焰下的燃燒爐加熱技術(shù)。應(yīng)用氣氛包括惰性（主要是Ar）和中性氣氛（N2氣中）以及可控氣氛（控制H2/H2O，CO/CO2的比值至一定程度）。對(duì)前兩者的氣體應(yīng)進(jìn)行干燥，使露點(diǎn)下降至-60℃以下。對(duì)后者的氣氛要在使用溫度下具有還原性，它對(duì)防止脫碳而言，還要控制氣氛碳勢(shì)。應(yīng)用氣氛在近30年來，有應(yīng)用氮基氣氛的，它可應(yīng)用碳分子篩的變壓吸咐空氣來制氮和應(yīng)用薄膜分離制氮。對(duì)滲碳，由純氮和甲醇裂解氣體混合的合成氣氛可以替代應(yīng)用天然氣或丙烷制備吸熱型氣氛。通常生產(chǎn)中可應(yīng)用99.8%的普氮中滴入甲醇，靠甲醇裂解氣中的H2和CO來去除普N2中的殘留氧。這樣方法是簡(jiǎn)單的，但在美國(guó)由于甲醇漲價(jià)，使成本增加很多。實(shí)際上在天然氣供應(yīng)保證下，使用天然氣制備放熱或吸熱型氣氛更為可行。
應(yīng)用真空，將爐子抽到0.1Pa的真空度，可實(shí)現(xiàn)大多數(shù)金屬的無氧化加熱，但由于真空中的加熱是輻射加熱，加熱速度較慢。往往再通入約0.8×105Pa的惰性氣體或氣氛，增加一定的對(duì)流來提高加熱速率，這在真空熱處理爐中已漸漸推廣使用。當(dāng)前真空熱處理設(shè)備有單室、雙室、三室、多室、油淬、氣淬、油氣淬兩用、高壓氣淬、低壓滲碳高壓氣淬、多室低壓氣淬和高壓氣淬結(jié)合的半連續(xù)生產(chǎn)線以及低壓滲碳、高壓氣淬和回火的柔性生產(chǎn)線等。
感應(yīng)加熱由于加熱速度迅速，這時(shí)工件氧化不嚴(yán)重，也可屬少無氧化加熱方式，在一點(diǎn)不允許發(fā)生氧化場(chǎng)合可在感應(yīng)加熱同時(shí)通入氣氛加以保護(hù)，日本電子工業(yè)（株）已提供類似的技術(shù)。目前已有應(yīng)用感應(yīng)加熱進(jìn)行滲碳化學(xué)熱處理報(bào)導(dǎo)。應(yīng)用流態(tài)床（必要條件下通保護(hù)氣）和正常脫氧的鹽浴爐中可實(shí)現(xiàn)無氧化加熱。在缺乏氣氛爐的現(xiàn)場(chǎng)可使用防氧化涂料和應(yīng)用不銹鋼箔包裝后在空氣爐中的加熱，但注意，這幾種加熱方式會(huì)使加熱工件表面出現(xiàn)少量的脫碳。
鋼件在空氣或含CO2和H2O的氧化性氣氛中加熱會(huì)發(fā)生脫碳的弊病，發(fā)生脫碳比發(fā)生氧化更為嚴(yán)重，要求也更嚴(yán)格。對(duì)加熱淬火而言，應(yīng)用CO-CO2、N2-CO-CO2-H2-H2O混合氣氛，爐氣的碳勢(shì)須與工件表面含碳量一致，對(duì)中高碳鋼的加熱，必須對(duì)爐氣實(shí)行碳勢(shì)控制。對(duì)應(yīng)用真空加熱中，真空度達(dá)到不氧化時(shí)，也就不會(huì)發(fā)生脫碳。國(guó)外先進(jìn)的熱處理技術(shù)中對(duì)脫碳是控制相當(dāng)嚴(yán)格的。
2 .1.2.4 開發(fā)節(jié)約能源的設(shè)備和工藝：開發(fā)節(jié)約能源的設(shè)備和工藝是十分有效的節(jié)能措施。近年來，連續(xù)式爐取代周期式爐，節(jié)能潛力很大。燃燒爐上采用高效換熱器來預(yù)熱空氣，合理控制燃燒系數(shù)（α）在1.1～1.3范圍，推廣具有蜂窩式周期蓄熱器裝置，橫向燃燒的燒嘴和輻射管，都達(dá)到很好節(jié)能效果。從爐子設(shè)計(jì)上看，爐子散熱量大小與爐子外表面積有很大關(guān)系，這樣，爐子圓形截面可比矩形截面的表面積小14%，外壁爐殼溫度降低10℃，使通過爐壁的散熱減少20%。為此，目前日本的密封多用爐和推桿式連續(xù)式爐都改為圓形截面。有報(bào)導(dǎo)，日本同和礦業(yè)（原日本東京熱處理）將20年前的滲碳、淬火、清洗和回火推桿式生產(chǎn)線進(jìn)行節(jié)能改造，將前清洗改為燃燒脫脂，脫脂廢氣熱量用作回火爐的部分熱源，將滲碳爐排出的氣氛用作脫脂爐和堿液清洗槽及淬火油的加熱，這樣的廢熱綜合利用使燃料費(fèi)用減少40%，同時(shí)改善了環(huán)境。在我國(guó)，設(shè)備的節(jié)能潛力更為巨大，千萬應(yīng)引起我國(guó)熱處理工作者和設(shè)備制造商的重視。能源的節(jié)約帶來的是財(cái)富。
開發(fā)節(jié)能的熱處理工藝也是很有效的節(jié)能措施。實(shí)施高溫滲碳可大大縮短工藝周期，日本早就進(jìn)行這項(xiàng)工作，把滲碳溫度從930℃提高至1050℃將減短工藝周期40%。但在一般電阻爐中實(shí)施受到發(fā)熱體和耐熱材料的限制難以兌現(xiàn)，而在真空爐中進(jìn)行低壓滲碳，在1050℃進(jìn)行滲碳是輕而易舉的事�，F(xiàn)在乙炔低壓滲碳已成熟應(yīng)用于生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了真空滲碳技術(shù)的革命性突破，通入低壓氨氣也可實(shí)現(xiàn)乙炔低壓碳氮共滲，不論從質(zhì)量、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)來看，乙炔低壓真空滲碳是能整合進(jìn)入生產(chǎn)線的符合未來要求的表面改性技術(shù)（下文還有論述）。
以氮碳共滲、硫氮碳共滲和氧氮共滲代替滲碳和碳氮共滲可把工藝溫度從850～930℃降到550～580℃，代替一般氣體滲氮可把工藝時(shí)間從30～70h減少到1.5～3h。另外鋼件鍛后熱處理，應(yīng)用非調(diào)質(zhì)鋼取代昂貴耗能的淬火＋高溫回火工藝都可達(dá)節(jié)能目的。
有報(bào)導(dǎo)，我國(guó)每噸鋼材的耗電在500～1000kWh，比美、歐和日本高2～3倍，從上面分析，開發(fā)節(jié)約能源的設(shè)備和工藝潛力很大，前景樂觀，但一定要付諸努力。
2.2.我國(guó)熱處理工業(yè)目前狀況和與國(guó)外存在的差距
2.2.1 目前狀況：我國(guó)熱處理工業(yè)的基本情況與美國(guó)（1996年）和日本（1998年）的比較列于表１。我國(guó)的情況１常見于一般雜志上刊登的，實(shí)際上是我國(guó)上世紀(jì)90年代中期的情況；我國(guó)的情況２取自金屬熱處理2005年，是中國(guó)熱處理行業(yè)協(xié)會(huì)樊東黎教授根據(jù)2003年約20余個(gè)工業(yè)城市調(diào)查基礎(chǔ)上的推算估計(jì)值，估算似乎相當(dāng)樂觀。
現(xiàn)在全國(guó)全能企業(yè)熱處理廠、分廠、車間、股份制、民營(yíng)熱處理企業(yè)約15,000家，其中全民制企業(yè)約12,000家，占80%，個(gè)體民營(yíng)和股份制企業(yè)約3000家。熱處理員工（按每家25人計(jì)算）總數(shù)約37萬人，其中技術(shù)人員和管理人員約3萬和3.3萬，占8%和9%左右。全國(guó)熱處理加熱設(shè)備約15萬臺(tái)（一標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)以75KW計(jì)算），裝機(jī)容量為11×106kW。計(jì)算的全國(guó)加熱設(shè)備年生產(chǎn)能力近45×106t。計(jì)算的消耗電總量為9.9×109kWh。折算的全國(guó)熱處理年?duì)I業(yè)額約310億元。由此計(jì)算的我國(guó)年勞動(dòng)生產(chǎn)率為8.7萬元／人年，超出我國(guó)第九個(gè)五年計(jì)劃后期的6萬元／人年水平，但仍為美國(guó)1996年水平的1/10。以能源利用計(jì)算，全國(guó)熱處理平均單位電耗約730kWh/t（全國(guó)年實(shí)際熱處理生產(chǎn)量以13.5×106t算），指望2005年大中城市平均電耗達(dá)500 kWh/t的“十五”目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)。
國(guó)內(nèi)對(duì)專營(yíng)熱處理的民營(yíng)股份企業(yè)的計(jì)算：企業(yè)數(shù)約3000家，保守地設(shè)每企業(yè)年平均營(yíng)業(yè)額為200萬元，則全年數(shù)為60億元，占全國(guó)熱處理總營(yíng)業(yè)額的20%，此比例大于美國(guó)的10%（1996年），小于日本的30%。又設(shè)每企業(yè)員工數(shù)為10～12人，則全員勞動(dòng)生產(chǎn)率為20萬元／人年 ～ 16.7萬元／人年，為美國(guó)（1996年）的1/4～1/5。估計(jì)上海地區(qū)的數(shù)字會(huì)更高。這為投資和收益的推算僅提供參考。
上海的情況按2000年有關(guān)文章介紹：全市共有加熱爐6500余臺(tái)，裝機(jī)容量36萬kW。全年用電量為3億kWh，年熱處理工件重量約60萬噸，按此計(jì)算電耗數(shù)為500kWh/t，名列全國(guó)前茅，已達(dá)我國(guó)“十五”目標(biāo)。估計(jì)近兩年又會(huì)有下降。但這數(shù)字與1997年《國(guó)外金屬熱處理》雜志上報(bào)導(dǎo)的引進(jìn)Holcroft公司設(shè)備的先進(jìn)能耗（356kWh/t）比尚有一定差距。當(dāng)然應(yīng)指出，我估算的是平均值，先進(jìn)設(shè)備的值是單臺(tái)數(shù)據(jù)。這兒僅作說明方便而已，影響能耗的因素是多方面的。有報(bào)導(dǎo)歐洲國(guó)家的能耗為400度/t，日本為300度/t（年數(shù)不詳）。
2.2.2 熱處理設(shè)備現(xiàn)狀和差距
我國(guó)的熱處理爐以電爐為主（占90%以上），但存在能耗高、熱效率低和性能差的弊病。很多生產(chǎn)廠目前使用的熱處理設(shè)備還是上世紀(jì)六七十年代制造的，未完全擺脫五十年代仿蘇產(chǎn)品的狀態(tài)。熱處理設(shè)備70%在空氣中進(jìn)行加熱，可控氣氛加熱和真空加熱只占5%左右。
按1985年全國(guó)熱處理電阻爐數(shù)量及構(gòu)成表，一般箱式爐、鹽浴爐和井式爐（包括井式滲碳爐）占的比例分別為35.56%，21.31%和21.30%。另外，按上海市熱處理行業(yè)最近的設(shè)備統(tǒng)計(jì)，一般箱式爐、鹽浴爐和井式爐占的比例分別為40%，5.55%和29.11%。相比較可見，在我國(guó)的主要熱處理設(shè)備中，20多年來，一般箱式爐和井式爐比重相差不大，（鹽浴爐由于近年來BaCl2的禁用而大比例縮減）。設(shè)備的陳舊可見一斑。此外，上海真空爐、可控氣氛爐的比例提高至3.67%和8 %，合計(jì)為11.67%（高于全國(guó)水平），雖比1985年的1.68%提高了近10倍，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)適應(yīng)不了熱處理工業(yè)中四種工藝的要求比例：滲碳／碳氮共滲占20%；中性氣氛中淬火占20%；在真空中淬火占15%；退火／去應(yīng)力占10%，其它如感應(yīng)熱處理、滲氮、釬焊、鹽浴熱處理和有色合金熱處理約占35%（美國(guó)）。
金屬在氧化介質(zhì)中加熱會(huì)造成嚴(yán)重的氧化損耗，在汽車制造上燒損量達(dá)7.5%，即每臺(tái)裝重汽車損失優(yōu)質(zhì)鋼材40～50kg，每臺(tái)轎車為25～30kg，如冷軋鋼帶的中間退火采用無氧化加熱，可節(jié)約20%材料。少無氧化加熱已日不容緩，雖然國(guó)內(nèi)汽車、拖拉機(jī)、軸承、彈簧、緊固件行業(yè)和重點(diǎn)骨干企業(yè)少無氧化熱處理比重已達(dá)80%左右，但一般水平還保持在30%左右。同時(shí)，國(guó)內(nèi)的設(shè)備還停留在手工操作上，勞動(dòng)強(qiáng)度大。
少無氧化熱處理技術(shù)的普及在世界上是上世紀(jì)80年代到90年代熱處理水平的主要標(biāo)志。先進(jìn)工業(yè)國(guó)家無氧化熱處理比重已達(dá)80%以上。據(jù)報(bào)導(dǎo)，歐洲工業(yè)國(guó)在1980年經(jīng)真空熱處理零件比重為3%，1985年增至18%，2000年增到23%，可控氣氛熱處理比重也由19%增至29%，在氧化氣氛中熱處理件由57%減至7%，美國(guó)石油機(jī)械制造業(yè)在1985年少無氧化熱處理就達(dá)60%以上。在這點(diǎn)上講，我國(guó)的水平還處很低水平。
有人估計(jì)，我國(guó)在2010年基本完成“少無氧化”熱處理為中心的技術(shù)改造的話，那么到2010年我國(guó)總體熱處理生產(chǎn)水平會(huì)達(dá)到目前歐美國(guó)家的水平，同時(shí)有望使部門骨干企業(yè)達(dá)到當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平。國(guó)內(nèi)更多的股份制企業(yè)和民營(yíng)企業(yè)對(duì)先進(jìn)熱處理設(shè)備的需求會(huì)更為突出。隨工模具發(fā)展和航空工業(yè)的持續(xù)技術(shù)改造，對(duì)高壓氣淬真空爐需求每年會(huì)達(dá)300臺(tái)以上，到2010年80%真空熱處理爐的需求是1000kPa以上的雙室高壓氣淬爐。低壓滲碳和2000kPa高壓氣淬生產(chǎn)線會(huì)在汽車行業(yè)得到一定的推廣，使用低壓滲碳后在1000kPa～2000kPa的惰性氣體中氣淬來代替油淬是重要發(fā)展趨勢(shì)。但國(guó)內(nèi)設(shè)備制造廠恐怕還難以適應(yīng)這種要求。
設(shè)備的解決同時(shí)，還要密切注意加工市場(chǎng)。我國(guó)現(xiàn)在熱處理加工能力存在過剩，一般設(shè)備平均利用率只有30%。對(duì)新建熱處理企業(yè)尤其要注意，不建立固定客戶網(wǎng)是不行的。美國(guó)2020年遠(yuǎn)景中講到：與客戶十年的合作是典型的，要從最初的產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的熱處理都包含在內(nèi)，才收到縮短加工周期和降低用戶及熱處理廠生產(chǎn)成本的效果。
關(guān)于國(guó)內(nèi)工藝輔助材料、職工素質(zhì)、管理、人才資源方面差距不在此累贅。
2.2.3 有關(guān)實(shí)例：有關(guān)實(shí)例，我選了美國(guó)一家，英國(guó)一家，日本一家和韓國(guó)二家，國(guó)內(nèi)選了長(zhǎng)春第一汽車廠。
⑴美國(guó)通用GM的DELPHI Saginaw Steering Systems熱處理車間，是底特律GM公司的第5分廠熱處理車間。主要產(chǎn)品是轎車的傳動(dòng)器和轉(zhuǎn)向器零部件，如半軸、十字軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、球頭銷等，年產(chǎn)250萬套。其生產(chǎn)設(shè)備是美國(guó)Holcroft工業(yè)爐公司的四排大型連續(xù)式氣體滲碳自動(dòng)線10條，其中6條用天然氣加熱，4條用輻射管加熱。車間與冷加工車間連在一起，整個(gè)車間只有8人操作。
⑵英國(guó)Bodycote金屬技術(shù)集團(tuán)是世界性的專業(yè)金屬服務(wù)公司，分金屬熱處理、熱等靜壓、金屬涂層和材料測(cè)試服務(wù)中心四部門。在英國(guó)Birimngham有該地分部和Aldrige分部從事熱處理服務(wù)工作。Birimngham分部是于1991年建立的較現(xiàn)代化專業(yè)廠。有Ipsen公司92年制造的全計(jì)算機(jī)控制的7臺(tái)多用爐的連續(xù)生產(chǎn)線，每臺(tái)多用爐的裝爐量為1000kg，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，日夜連續(xù)處理，除裝卸零件外全部自動(dòng)控制。該集團(tuán)意識(shí)到世界一流設(shè)備對(duì)服務(wù)的重要性，不惜投資400萬英鎊。該分部已獲得ISO9002和英國(guó)BS 5750-2認(rèn)可。它取得歐洲、日本和美國(guó)宇航工業(yè)、通訊、汽車、精密工程等生產(chǎn)許可證。其員工31人，人均年產(chǎn)值達(dá)7.3萬英鎊（合100萬元／人年）。其滲碳件的收費(fèi)為0.5～0.8英鎊／kg（合7～11元／kg）。該分部還有3臺(tái)流動(dòng)粒子爐，購自德國(guó)Schwing公司，爐溫可達(dá)700～1100℃，可進(jìn)行碳氮共滲和淬火處理，自動(dòng)化程度較高。
Aldrige分部是一個(gè)較老的廠點(diǎn)，廠房和設(shè)備比較陳舊，其工作環(huán)境和制造水平與我們國(guó)內(nèi)相差不多。設(shè)備是幾臺(tái)老式網(wǎng)帶爐和氣氛爐，仍在生產(chǎn)。此外有4臺(tái)離子滲氮爐（Φ2 m）用于處理齒輪。還有一臺(tái)離子鍍膜機(jī)和一臺(tái)化學(xué)氣相沉積TiN設(shè)備，用于處理冷沖模具和刀具等。后幾種是現(xiàn)代化程度較高的設(shè)備。
⑶日本東伸熱處理株式會(huì)社，位于大阪府八尾市的本社工場(chǎng)，成立于1943年，進(jìn)行氣氛爐滲碳，無氧化淬火，真空和高頻感應(yīng)熱處理。前者是用周期爐和連續(xù)爐進(jìn)行汽車零件熱處理及其它機(jī)械零件熱處理。真空熱處理主要用于軸承零件。該工場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了柔性生產(chǎn)體制。生產(chǎn)線由6臺(tái)多用爐，5臺(tái)回火爐，油冷槽1臺(tái)、水冷槽1臺(tái)，清洗槽1臺(tái)，脫脂槽1臺(tái)，備料臺(tái)1套，料盤滾道1套，料盤旋轉(zhuǎn)臺(tái)1個(gè)，無人運(yùn)料小車一個(gè)，2列18位4層的主體框架1套構(gòu)成。本社工場(chǎng)于1997年7月通過ISO9002認(rèn)證。
⑷韓國(guó)現(xiàn)代汽車蔚山廠，以生產(chǎn)轎車和輕型車為主的汽車廠。其中傳動(dòng)器車間生產(chǎn)軸和齒輪，熱處理僅作為一道工序布置在加工線上，零件在冷加工線上已放在熱處理夾具上。熱處理有9條單排連續(xù)滲碳自動(dòng)線。其中一條由美國(guó)HOLCROFT公司制造外，其余8條均由東宇熱處理工業(yè)株式會(huì)社制造。這8套設(shè)備比較精致，是典型的小巧玲瓏日本式。采用的滲碳?xì)夥諡楸榧覴X氣，最高滲碳溫度為900℃，在850℃淬火區(qū)通入NH3,以使工件表面形成碳氮共滲組織來提高力學(xué)性能，然后淬入140℃硝鹽浴，以最大限度地減小變形，使齒輪表面精度提高，壽命提高和減小噪音，該硝鹽處理是現(xiàn)代廠的特色。9條自動(dòng)線上只有2人在設(shè)備進(jìn)出口走動(dòng)，進(jìn)行設(shè)備的檢查和填寫工藝記錄卡的管理。
⑸東宇熱處理工業(yè)株式會(huì)社彥陽工廠，是一全能熱處理生產(chǎn)廠，員工50人，人均創(chuàng)年勞務(wù)收入為150萬元，是很可觀的。工廠按工藝劃分成3部分，第一部分為滲碳區(qū)，有12臺(tái)密封箱式多用爐，整盤整盤的汽車和建筑機(jī)械零部件先在1臺(tái)雙工位真空清洗機(jī)上清洗干凈（代替脫脂處理），后進(jìn)入多用爐內(nèi)進(jìn)行滲碳，過程由計(jì)算機(jī)控制，所有數(shù)據(jù)打印出來，由操作者認(rèn)可并填入檢點(diǎn)卡。12臺(tái)箱式爐由1人操作。第二部分為真空滲碳、滲氮、沉積TiN和滲金屬（釩）。設(shè)備為真空滲碳爐、罩式滲碳爐和滲金屬井式爐，產(chǎn)品是工模具和要求高的零部件。工件處理后進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)金相、硬度、層深和變形等。第三部分是熱處理前后的輔助工序區(qū)，如裝夾具、熱處理后的噴丸、校直及裝料箱的清洗等。
⑹長(zhǎng)春第一汽車廠底盤熱處理車間，在消化吸收引進(jìn)美國(guó)Holcroft公司雙排連續(xù)滲碳淬火線的基礎(chǔ)上自營(yíng)制造了多條生產(chǎn)線，滿足變速箱齒輪、后橋齒輪大批量和高質(zhì)量的生產(chǎn)，使產(chǎn)品達(dá)到德國(guó)高爾夫轎車熱處理要求的標(biāo)準(zhǔn)，其中滲層均勻度為±0.15㎜，齒輪表面的碳濃度波動(dòng)±0.05％C，表面硬度均勻性為±2HRC，并且通過工藝調(diào)整，采用熱油淬壓床淬，使齒輪齒套的變形控制在合格的范圍。齒輪在滲前施行密封爐中燃燒脫脂和預(yù)氧化處理，保證了滲碳層的均勻，也改善了表面出現(xiàn)反常組織的問題。設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境清潔，節(jié)能達(dá)到引進(jìn)爐的356kwh/t能耗的水平。
我在這兒既列舉國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)水平、設(shè)備情況，也列入我國(guó)先進(jìn)企業(yè)的情況是想讓投資企業(yè)家從中獲得裨益。
2.3.目前主要熱處理先進(jìn)技術(shù)與裝備
近25年來，熱處理先進(jìn)新技術(shù)大量涌現(xiàn)。主要的表現(xiàn)為：⑴以保護(hù)氣氛和控制氣氛的少無氧化和少無脫碳方面的熱處理技術(shù)愈益普及和日趨完善；⑵低壓滲碳，可控滲氮，表面改性等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)；⑶真空熱處理和高壓氣淬應(yīng)用日益擴(kuò)大，清潔生產(chǎn)發(fā)展大大改善環(huán)境；⑷節(jié)能熱處理和綠色熱處理技術(shù)獲得發(fā)展；⑸熱處理產(chǎn)品質(zhì)量、精確生產(chǎn)愈益嚴(yán)格；⑹重視可持續(xù)發(fā)展，環(huán)保和治理；⑺計(jì)算機(jī)應(yīng)用和控制技術(shù)進(jìn)步；⑻熱處理作業(yè)的自動(dòng)化水平不斷提高。以下按工藝方法或類別敘述。
2.3.1 保護(hù)氣氛和控制氣氛熱處理方面：可控氣氛熱處理是熱處理生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)的主要標(biāo)志之一。下述2.3.1.1 說明先進(jìn)設(shè)備情況和主要控制特點(diǎn)，2.3.1.2 ～2.3.1.5表示先進(jìn)工藝情況。
2.3.1.1 設(shè)備和控制特點(diǎn)：⑴目前，熱處理加熱設(shè)備大多采用電能，操作和維護(hù)方便，但從能源利用率上看，應(yīng)用一次熱源的燃料爐，采用先進(jìn)燃燒技術(shù)和充分利用余熱，綜合熱效率可達(dá)80％，日本這方面應(yīng)用較好。
⑵減少爐子熱損失和爐襯蓄熱，充分利用余熱，保證爐子密封性。
⑶采用預(yù)抽真空密封多用爐、可取消火簾，節(jié)約燃料，縮短爐內(nèi)排氣時(shí)間，碳勢(shì)恢復(fù)快，提高生產(chǎn)效率。⑷爐溫均勻和氣氛均勻性高，決定產(chǎn)品質(zhì)量好。一般要求滲層均勻性≯0.1㎜，表面碳濃度0.05 %C，硬度均勻性＜1.5 HRC，這樣要求有效加熱區(qū)的爐溫均勻在5℃范圍和使?fàn)t氣充分循環(huán)均勻。⑸采用氧探頭和可編程控制器（PLC）碳控儀，可使碳勢(shì)控制精度在0.05%C范圍。氧探頭的炭黑污染和氣氛滲透會(huì)使其批示發(fā)生誤差，德國(guó)Ipsen公司的Supercarb直生式氣氛控制系統(tǒng)中增加氧探頭定期清理措施，并采用一種補(bǔ)償電極和特殊合金電極來克服這一弊病。⑹設(shè)備可靠，機(jī)械動(dòng)作、電器元件、儀表、傳感器、配套件正確可靠。⑺筑爐材料和工藝材料質(zhì)量好。⑻具備故障自診斷系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)屏幕顯示，普遍采用觸模式自診斷系統(tǒng)。⑼有的在采用氧探頭控制氣氛時(shí)應(yīng)用兩個(gè)傳感器，借助第二個(gè)探頭或紅外CO2分析儀監(jiān)控。
2.3.1.2 直生式滲碳技術(shù)：將碳?xì)浠衔锖涂諝庵苯油ㄈ霠t膛制取碳勢(shì)可控氣氛，目前是一條解決氣源問題的重要途徑。
以前的吸熱型和放熱型氣氛在爐外有發(fā)生爐裝置，而各種直生式氣氛是將燃料氣直接注入爐中經(jīng)反應(yīng)后生成所需要的主要組分CO和H2及CH4，雖然這些重要組分達(dá)不到熱力學(xué)平衡，但是可加以控制。即使氣氛中有高的CH4量，碳的傳輸仍受CO反應(yīng)所控制，這種非平衡氣氛中穩(wěn)定的碳活度仍可用人們熟知的平衡氣氛方程確定：ac＝K（t）Pco/Po20.5
這兒CO含量不是常量，隨滲碳溫度和時(shí)間而改變，因而要附加紅外氣氛分析裝置測(cè)定CO值，將氧探頭、CO分析值和溫度傳感器值輸入計(jì)算機(jī)，按上式為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，就能控制直生式非平衡氣氛中的碳勢(shì)。注意正確測(cè)定氧勢(shì)中，為了改變?cè)瓉鞢H4含量＜1％的條件要求，因?yàn)镃H4會(huì)高至2％～10%以上，這時(shí)氧探頭應(yīng)采用特殊合金電極并附加補(bǔ)償電解質(zhì)。
經(jīng)過檢測(cè)的一組氣氛包括燃?xì)夂鸵环N氧化氣體一起直接注入加熱爐中產(chǎn)生直生式氣氛。采用的燃料氣有：天然氣、丙烷、丙酮、異丙醇，另外，乙醇、丁烷、柴油和煤油等液體介質(zhì)也可使用。另一組份可以是空氣，也可使用CO2和H2O。氣氛的碳勢(shì)通過注入的空氣量來控制，減小空氣流量則提高碳勢(shì)。這種爐子可用氣體加熱，還要有強(qiáng)烈的循環(huán)。
由實(shí)際測(cè)定的CO含量和CH4含量可知，隨爐溫降低，碳?xì)浠衔锱c空氣／CO2反應(yīng)減小，會(huì)導(dǎo)致未反應(yīng)的CH4較多存留下來，從而可以得出：在低于850℃滲碳時(shí)，采用天然氣和空氣的直生式氣氛不適用；丙烷＋空氣，丙酮＋空氣和異丙醇＋空氣，可以在低于800℃下使用。
直生式氣氛的工業(yè)爐可用于各類工件的滲碳、碳氮共滲和淬火處理。上世紀(jì)90年代初引入英國(guó)，經(jīng)不斷改進(jìn)和應(yīng)用，1998年大約已有300臺(tái)（套）的氣體滲碳爐投入運(yùn)行。
直生式氣氛應(yīng)用主要優(yōu)點(diǎn)：⑴爐子調(diào)控時(shí)間短；⑵碳勢(shì)變化迅速靈敏；⑶滲碳均勻性好；⑷氣氛生成的成本低；⑸碳傳遞速率高；⑹生產(chǎn)效率提高。
但應(yīng)用于連續(xù)爐上因?yàn)闋t溫應(yīng)限為800℃，這種場(chǎng)合爐中的CO含量會(huì)很低，但可以另外注入CH3OH，使之分解維持CO含量，當(dāng)然由CO含量來控制注入量。
直生式滲碳設(shè)備分周期式密封箱式爐和直生式連續(xù)滲碳生產(chǎn)線，前者有單室和雙室爐，后者有傳送帶式、料盤式、網(wǎng)帶爐式或震底爐式，也有與清洗、淬火、回火組成柔性生產(chǎn)線的。
2.3.1.3 真空乙炔滲碳技術(shù)：真空滲碳在工業(yè)上使用近25年了，原來以丙烷為滲碳劑，但受限制很大。當(dāng)溫度高于600℃，丙烷易分解成碳、氫及甲烷，會(huì)使零件表面產(chǎn)生炭黑和使?fàn)t子內(nèi)腔及泵管產(chǎn)生焦油，增加了爐子的維護(hù)困難。
后來開發(fā)了乙炔真空滲碳，或稱低壓滲碳。乙炔分解能獲得非常高的碳勢(shì)：C2H2＝2C＋H2,對(duì)密集裝載和細(xì)長(zhǎng)盲孔零件，都能得到均勻滲碳層。乙炔分解出兩個(gè)游離碳原子參與滲碳，比其它碳?xì)錃夥盏臐B碳能力更強(qiáng)。乙炔分解的碳原子在非常低的壓力（10～1000Pa或0.1～10mbar）條件下能實(shí)現(xiàn)均勻滲碳，即只需要少量原料氣，很大程度減少碳黑形成。對(duì)碳濃度分布曲線面積積分可得出1000℃10mbar條件下滲碳10min的碳通量，對(duì)C2H2可達(dá)150g/㎡？h，而對(duì)CH4、C3H8和C2H4分別為2 g/㎡？h、120 g/㎡？h和130 g/㎡？h。應(yīng)用三種工藝方法在相同滲碳條件下的滲層深度比較列于下表2，利用乙炔進(jìn)行低壓滲碳的優(yōu)越性十分明顯。而且滲碳的均勻性明顯比丙烷的提高。對(duì)Ф3×90㎜深的盲孔、乙炔、丙烷低壓滲碳孔中滲入深度分別為90㎜和27㎜，測(cè)定硬度和有效硬化層深度的兩種結(jié)果近似。
表2相同滲碳條件下三種工藝方法的滲層深度比較
乙炔真空滲碳的主要優(yōu)點(diǎn)：⑴碳的傳遞速率高；⑵處理周期縮短；⑶不產(chǎn)生積碳和焦油，減少爐子維護(hù)；⑷實(shí)現(xiàn)均勻滲碳和高品質(zhì)滲碳；⑸爐子可以密裝工件，提高生產(chǎn)率；⑹克服工件內(nèi)氧化弊�。ǹ煽貧夥諣t中難以克服）；⑺氣淬工件清潔光亮；⑻改善工作環(huán)境和污染。
2.3.1.4 可控高一氧化碳?xì)怏w滲碳：這種方法自1999年在日本有較好的開發(fā)和發(fā)展。它可使?jié)B碳時(shí)間縮短10～40%，在一定條件下與真空滲碳相當(dāng)，已愈來愈引起人們的重視，國(guó)內(nèi)尚未見報(bào)導(dǎo)。
對(duì)含CO和H2為主要的滲碳?xì)夥罩�，碳的傳遞最主要應(yīng)用CO的吸附和氧的脫附反應(yīng)作說明，因?yàn)榉磻?yīng)過程中涉及到氧，會(huì)產(chǎn)生鋼中含有的氧化物形成元素（Si、Cr和Mn等）的氧化問題，因而造成鋼的內(nèi)氧化弊�。ㄉ厦嬉烟岬�，只有在真空滲碳下才可避免，一般認(rèn)為內(nèi)氧化深度＜3μm，對(duì)工件性能的影響不大）。
高一氧化碳（CO）氣體滲碳是在大氣壓下進(jìn)行的，隨CO量提高，高的碳勢(shì)CP下，碳的轉(zhuǎn)移速度顯著提高，滲碳時(shí)間縮短，這種方法有稱URX法的（吸熱式氣氛簡(jiǎn)稱RX法）。對(duì)這種方法，滲碳反應(yīng)式為：2CO＝［C］＋CO2
當(dāng)反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)，上反應(yīng)式平衡常數(shù)即 式中ac為碳在奧氏體中活度，fc為活度系數(shù)，[%C]為達(dá)平衡時(shí)鋼件表面中的碳濃度，Pco2 和Pco是爐氣中CO2和CO的分壓。
人們可以容易理解CO濃度提高（即Pco增大），CO與鋼件表面的接觸頻率增加，CO在鋼件表面吸附增加，有利于滲碳進(jìn)行，鋼件表面含碳量增加愈快，但實(shí)際操作中，也要防止碳黑的析出。在950℃對(duì)SCr420H（相當(dāng)于我國(guó)20CrH鋼）Ф18×50㎜試樣應(yīng)用URX（CP1.35）和RX（CP1.00）的有效滲碳深度結(jié)果示于下表3中。相應(yīng)URX和RX的爐氣成分為：CO 47.00%，CO2 0.40%，H2 51.20%和CH41.30%；CO 23.40%，CO2 0.14%，H2 33.80%，CH4 0.32%和其余為N2 。表3說明有效滲層在0.5～0.9㎜時(shí)，滲碳時(shí)間可縮短40%左右。一般應(yīng)指出：鋼材含碳量降低，縮短率增加，滲層深度增加時(shí)，縮短率降低。
高CO氣體滲碳設(shè)備：在一般的連續(xù)式或周期式爐前面增加高CO發(fā)生爐，這種高CO氣氛一般只通入連續(xù)爐上的滲碳爐段，其它爐段仍應(yīng)用吸熱式氣氛。關(guān)于RX氣氛，關(guān)于高CO氣體發(fā)生爐的原理可以另作說明。相應(yīng)設(shè)備特點(diǎn)：⑴電力消耗低；⑵CO濃度調(diào)整簡(jiǎn)單；⑶氣氛成分穩(wěn)定。日本中外爐技術(shù)研究所的試驗(yàn)爐對(duì)用戶試驗(yàn)結(jié)果按要求可以提供。
2.3.1.5 不銹鋼的固溶滲氮：
將不銹鋼在1050～1150℃的真空爐中通入壓力為PN2的純氮進(jìn)行滲氮處理，可以獲得2.5㎜深的滲氮層，也具優(yōu)良的抗蝕性能，Ipsen公司將之稱為固溶滲氮處理，標(biāo)記為SOLNIT。有SOLNIT－M和SOLNIT－A兩種，前者指對(duì)低碳馬氏體不銹鋼滲氮，并以大于臨界冷速的冷卻獲得高硬度馬氏體表面層（約含0.5%N）；后者指對(duì)奧氏體或兩相不銹鋼滲氮，獲得高強(qiáng)度奧氏體表面層（約含0.9%N）。不銹鋼滲氮一般可應(yīng)用離子滲氮和鹽浴滲氮（Sursulf或Tenifer）約在500～600℃進(jìn)行，但因?yàn)榈镂龀觯滓餋r的貧化，致使其耐蝕性下降。
固溶滲氦的原理要考慮鋼滲氮表面的平衡，氮的擴(kuò)散和脆性氮化物的沉淀，這篇論文已翻譯刊于《機(jī)械工人（熱加工）》2005上。
固溶滲氮處理的工藝參數(shù)：溫度1050～1150℃，時(shí)間可至24h，氮?dú)夥謮篜N2＝0.01～0.3MPa（0.1～3bar）。處理后滲氮層深度可至2.5mm。固溶滲氮后的冷卻：采用液體淬火劑或高壓氣淬。注意，因?yàn)闈B氮溫度較高，會(huì)促使心部和滲層晶粒長(zhǎng)大。一般對(duì)馬氏體而言，第二相沉淀能起阻止晶粒長(zhǎng)大作用；對(duì)奧氏體滲氮層在滲氮后靠冷加工（如噴丸處理）方法細(xì)化。
工業(yè)應(yīng)用的固溶滲氮真空爐可以是標(biāo)準(zhǔn)的IpsenVTTCK或VVTK真空爐，經(jīng)一定改裝符合下述要求：⑴增加對(duì)流加熱至1200℃；⑵溫度均勻性在±10℃內(nèi)；⑶氮?dú)鈮毫υO(shè)定在0.01～0.3MPa，并能控制在±10mbar范圍內(nèi)；⑷氣淬壓力可選定至1MPa（10bar）氮?dú)�，有時(shí)可能要求1MPa氦氣。對(duì)VTTCK－924型真空爐，工作室尺寸為1150㎜×850㎜×650（高）㎜，裝載工件重量為1000㎏，氣淬壓力為1MPa（10bar）氮?dú)狻?
應(yīng)用實(shí)例：⑴SOLNIT－A，1.4435，1.4571，1.4301和1.4539等奧氏體不銹鋼經(jīng)處理后獲得0.3～2.5㎜厚的、韌的高氮奧氏體表層，具有高的抗蝕能力和抗疲勞能力，心部仍然保持固溶處理的強(qiáng)度，硬度增加50～120HV。這種性能組合使工件在腐蝕性環(huán)境下具有高的疲勞強(qiáng)度。⑵SOLNIT－M，1.4021，1.4104，1.4024等馬氏體不銹鋼經(jīng)處理后獲得韌的心部和硬的表面滲層的組織，保持和提高原材料的抗腐蝕性能，工件可以有0.3～2.5㎜厚滲層，硬度達(dá)58～60HRC，還具高的疲勞強(qiáng)度。
2.3.2 感應(yīng)加熱處理方面：
近25年來，感應(yīng)加熱的工業(yè)應(yīng)用日益廣泛，除感應(yīng)熔煉、感應(yīng)焊接和一些場(chǎng)合的特殊應(yīng)用外，著重有感應(yīng)熱處理和透熱（包括半固態(tài)成形中料坯加熱），感應(yīng)熱處理中主要有淬火、回火、去應(yīng)力處理、退火、正火、球化和燒結(jié)等，最新報(bào)道還應(yīng)包括液體介質(zhì)感應(yīng)滲碳的化學(xué)熱處理（美國(guó)專刊）。這兒主要論述感應(yīng)加熱淬火處理，加熱電源和淬火設(shè)備方面的國(guó)外先進(jìn)水平。
我國(guó)在工業(yè)上應(yīng)用感應(yīng)加熱，起步于上世紀(jì)五十年代，50年代末，我國(guó)自制電子管式高頻電源和機(jī)械式中頻發(fā)電機(jī)。60年代后研制出了晶閘管中頻電源（SCR可控硅），目前國(guó)外在中頻150～10kHz范圍內(nèi)SCR中頻電源已完全取代中頻發(fā)電機(jī)組和電磁倍頻器。自改革開放以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的現(xiàn)代感應(yīng)加熱技術(shù)引進(jìn)，使我國(guó)感應(yīng)熱處理技術(shù)獲得很大發(fā)展。
關(guān)于感應(yīng)加熱電源：目前西班牙GH集團(tuán)的IGBT（絕緣柵雙極晶體管）發(fā)生器最大輸出功率為500kW，工作頻率為5～50kHz。日本高周波熱煉株式會(huì)社生產(chǎn)的IGBT發(fā)生器，100～600kW的功率有1～25kHz和50kHz兩檔；800kW，1000kW和1200kW功率的僅有（1～25）kHz一檔。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠的產(chǎn)品低于這一水平。EFD公司更具強(qiáng)的實(shí)力，作為世界上最大的感應(yīng)加熱設(shè)備供應(yīng)商之一，已將IGBT應(yīng)低于150kHz的限制沖破，首次將頻率提高到350kHz，該公司現(xiàn)已在上海建廠。
對(duì)100kHz以上高頻段，以�？旎⒋笕萘炕腗OSFET功率器件（MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管）為主。西班牙GH集團(tuán)的產(chǎn)品輸出功率25～50kW有10個(gè)規(guī)格，輸出頻率分50～100kHz，100～200kHz和200～300kHz。高頻電源另一個(gè)功率器件為SIT（靜電感應(yīng)晶體管），主要以日本產(chǎn)品為主，上世紀(jì)80年代末已達(dá)功率100kW，頻率200kHz和400kW功率400 kHz頻率的水平，國(guó)內(nèi)水平低于該值相當(dāng)多。解決刀片、鋸條等特殊工藝要求的超高頻電源27.12MHz，主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)的電子管超高頻電源功率為8～100kW。
關(guān)于感應(yīng)淬火設(shè)備：通用感應(yīng)淬火機(jī)床，適應(yīng)工件品種繁多，功能完善，應(yīng)用范圍廣，一般有立式和臥式兩種，以立式更為常見。
淬火設(shè)備的傳動(dòng)型式有液壓和全機(jī)械式，不過液壓式有淘汰趨勢(shì)，后者采用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)通過滾珠絲杠傳動(dòng)、T型絲杠或直線移動(dòng)導(dǎo)軌等，移動(dòng)速度均勻、精確，易實(shí)現(xiàn)變速移動(dòng)�，F(xiàn)在重復(fù)定位精度可達(dá)0.03或0.025㎜，主軸定位達(dá)到±0.01°�？刂撇捎肞LC與NG控制方式（數(shù)控）。另外按運(yùn)動(dòng)件名稱分工件移動(dòng)和感應(yīng)器移動(dòng)兩種方式，國(guó)內(nèi)常是工件移動(dòng)方式，而國(guó)外機(jī)床除工件長(zhǎng)度較短外基本全是變壓器移動(dòng)的，這應(yīng)成為國(guó)內(nèi)通用淬火機(jī)床的發(fā)展方向。
專用淬火機(jī)床應(yīng)根據(jù)具體淬火工件而改變，我們可按投資企業(yè)決定熱處理零件具體給予闡述和幫助選擇。進(jìn)口設(shè)備先進(jìn)、可靠、穩(wěn)定，耐久安全和美觀，但價(jià)格相當(dāng)昂貴。
國(guó)外淬火設(shè)備重要的是解決了高效、自動(dòng)化、重現(xiàn)性好的工藝要求，正在向成套、緊湊、在線、數(shù)控、柔性、自動(dòng)發(fā)展。設(shè)備還逐步解決下述幾方面的問題：⑴能量控制器，用于監(jiān)控工件加熱溫度，重現(xiàn)性達(dá)到±1%。按Toggo公司發(fā)展的感應(yīng)器監(jiān)控儀（coil monitor），直接測(cè)量感應(yīng)器上的輸入能量kW-S，取代原來監(jiān)控設(shè)備振蕩部件的能量的方法。又如進(jìn)口的曲軸淬火機(jī)床上安置有脈動(dòng)加熱或能量分配器，在曲軸淬連桿頸時(shí)，在其上死點(diǎn)與下死點(diǎn)處理時(shí)分配給予不同能量來達(dá)到溫度均勻目的。⑵附帶測(cè)量及顯示儀表增加智能控制：如對(duì)滾珠絲桿感應(yīng)淬火時(shí)能自動(dòng)測(cè)量絲桿伸長(zhǎng)量，如伸長(zhǎng)量超差能自動(dòng)降低加熱功率以減少伸長(zhǎng)量，并打印記錄有關(guān)數(shù)據(jù)；如對(duì)曲軸淬火機(jī)上裝上曲軸彎曲變形計(jì)控制淬火變形；指計(jì)式流量計(jì)直接顯示淬火液流量來控制淬冷速度，還可用水的電導(dǎo)值監(jiān)控軟水的質(zhì)量。⑶裝有抽風(fēng)裝置，改善工作環(huán)境和減小測(cè)量溫度的誤差。⑷多軸化裝置，如Welductoin公司推出2軸、4軸淬火機(jī)，可同時(shí)處理多根0.508m（20 in）長(zhǎng)以內(nèi)，重9.08㎏以下的工件，提高生產(chǎn)效率。⑸隨機(jī)回火處理。在一臺(tái)淬火機(jī)上淬火，隨后用較低功率進(jìn)行回火處理，兩種工序在一臺(tái)淬火機(jī)上完成，也節(jié)約了裝卸和運(yùn)輸，提高生產(chǎn)效率，及時(shí)完成淬火回火，也保證質(zhì)量。⑹一機(jī)多工位或一個(gè)電源帶多臺(tái)機(jī)床的淬火設(shè)備出現(xiàn)。⑺加工零件族的淬火機(jī)和柔性淬火機(jī)床出現(xiàn)，能自動(dòng)編多種淬火工件的程序，自動(dòng)識(shí)別淬火工件，轉(zhuǎn)換工件只需2～5min，按儲(chǔ)存工藝選定參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，提高工效。
關(guān)于感應(yīng)器設(shè)計(jì)與制造：國(guó)外淬火設(shè)備提供時(shí)負(fù)責(zé)提供感應(yīng)器，這種專用感應(yīng)器采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)確定有效圈的主要結(jié)構(gòu)。對(duì)導(dǎo)磁體，據(jù)測(cè)試可節(jié)能13～37%，不僅可用于內(nèi)孔、平面加熱，也可用于外圈工件加熱。美國(guó)Fluxtrol Inc.有可加工導(dǎo)磁體的感應(yīng)器，稱強(qiáng)力感應(yīng)器（Power Inductor）。另外感應(yīng)器的調(diào)換因?yàn)椴捎每鞊Q夾頭，使切換夾頭和水電接通可在（3～15）s內(nèi)一次完成，這在國(guó)內(nèi)已有生產(chǎn)。
關(guān)于感應(yīng)熱處理工藝的最新進(jìn)展（ 《機(jī)械工人（熱加工）》 ） ：⑴齒輪的同時(shí)雙頻感應(yīng)加熱技術(shù)（SDF）:對(duì)齒輪的感應(yīng)加熱淬火，人們一直在追求“輪廓狀淬硬層”，旨在求得齒側(cè)面的高耐磨性和齒根部位承受殘余壓應(yīng)力下的高疲勞抗力。雖然人們已了解了雙頻齒輪淬火工藝，（很多地方還作為先進(jìn)工藝在介紹），通過轉(zhuǎn)換兩組線圈獲得兩種頻率的電壓，選用中頻3～10kHz加熱齒根，再用高頻100～250kHz加熱齒面，之間要快速切換，待齒面達(dá)到淬火溫度時(shí)，切斷高頻電源，降低齒輪旋轉(zhuǎn)速度，淬火水套中噴射淬火水，使齒面、齒頂和齒根迅速冷卻，獲得沿齒形的淬火層，國(guó)外也有這種工藝的機(jī)床供給，但工藝復(fù)雜，控制須嚴(yán)格執(zhí)行。
近年來，美國(guó)Electroheat Technologies LLC公司和德國(guó)eldec Schwerk Induction GmbH等提出用雙頻同時(shí)感應(yīng)加熱淬火才真正為齒輪的輪廓淬火付諸現(xiàn)實(shí)，并首次提出這種感應(yīng)加熱方法能進(jìn)行加速的奧氏體化來實(shí)現(xiàn)“自身淬火”，從而具有激光淬火的優(yōu)點(diǎn)。在日本也有這種裝置發(fā)售。
SDF技術(shù)是在一個(gè)感應(yīng)圈上同時(shí)供給中頻MF和高頻HF能量，組成的兩種頻率的振幅能獨(dú)自控制，即能同時(shí)能調(diào)整MF和HF的輸出份額比，以優(yōu)選于齒根和齒頂部位的表面淬硬來符合工件技術(shù)要求。為了達(dá)到齒輪的真正輪廓淬硬，且不影響心部的組織和性能，加熱時(shí)間應(yīng)小于0.5s，同時(shí)對(duì)齒根和齒側(cè)面處理的功率比約為2：1。有報(bào)道對(duì)Ф70㎜汽車齒輪，功率要求約為400kW MF和200 kW的HF，加熱時(shí)間0.5s，這樣其最大產(chǎn)量可達(dá)3600只／h。顯然，在達(dá)到一定表面淬硬深度下，加熱時(shí)間越短，越有利于減小變形。應(yīng)用SDF技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)還在于能增加處理部件的表面殘余壓應(yīng)力，對(duì)提高疲勞強(qiáng)度有利。
⑵液體介質(zhì)感應(yīng)滲碳LINCARB是一種簡(jiǎn)單、花費(fèi)不高和無公害的工藝方法。被處理工件和加熱感應(yīng)器一起浸于含碳液體活性介質(zhì)中，工件表面受感應(yīng)高頻電流加熱，迅速加熱工件表面至材料熔點(diǎn)以下的某一溫度，這時(shí)液體活性介質(zhì)在工件表面直接分解產(chǎn)生大量原子態(tài)高活性碳，被工件表面吸收并擴(kuò)散至工件的一定深度位置，完成滲碳過程，它還適用于除鋼件外的Ti合金和一些超合金。在一定處理?xiàng)l件下，可使鋼件表面層含碳量達(dá)2%～6.67%的高耐磨萊氏體層。所以，這是一種能在秒和分的時(shí)間內(nèi)完成化學(xué)熱處理全過程的高效率方法，獲得表面滲層組織和性能比常規(guī)化學(xué)熱處理有拓展。
2.3.3 真空熱處理方面：真空熱處理技術(shù)具有無氧化，不脫碳，有脫脂、脫氣作用，處理工件表面質(zhì)量好、變形量小、綜合性能好、使用壽命長(zhǎng)，無公害無污染，自動(dòng)化程度高，節(jié)約能源等許多突出的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)近20年來得到迅速發(fā)展。但它也有缺點(diǎn)，工件中一些合金元素如Mn、Cr在真空中的蒸發(fā)會(huì)較大，所以在生產(chǎn)中采用充入惰性氣體或氮?dú)鈦砑右员Ｗo(hù)。另外，其設(shè)備投資較大，應(yīng)該在生產(chǎn)任務(wù)飽滿下，使能較短時(shí)間內(nèi)收回。
自進(jìn)入90年代，出現(xiàn)了許多新技術(shù)，如高壓氣淬和超高壓氣淬，真空清洗技術(shù)，高溫超高壓真空熱處理技術(shù)，具有雙對(duì)流循環(huán)系統(tǒng)的真空高壓氣淬爐，燃?xì)庹婵諣t，流態(tài)化真空爐，熱壁式真空滲碳爐，連續(xù)式真空爐等。按發(fā)展看，未來的金屬加工會(huì)更大地依賴于真空技術(shù)。據(jù)估計(jì)，在20世紀(jì)末，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家真空熱處理爐占熱處理設(shè)備的23%。
有人對(duì)各種液體在不同壓力下的各種氣體淬火介質(zhì)的導(dǎo)熱能力進(jìn)行了定量比較，由比較可看出，隨氣體壓力提高，導(dǎo)熱能力提高。常用的冷卻氣體的導(dǎo)熱能力有很大差別，N2、H2、He和Ar4種氣體中以H2的冷卻能力最強(qiáng)，其次是He、N2，Ar最差，其中N2最便宜，所以應(yīng)用最廣。2MPa以上的氣淬爐，應(yīng)用He居多，但因?yàn)镠e的價(jià)格貴，應(yīng)考慮回收。
雙室高壓氣淬在冷卻效果上比單室爐的更為優(yōu)越，工件在奧氏體化加熱后移至冷室爐膛進(jìn)行氣淬冷卻，可使需冷卻的物料質(zhì)量減少50%，冷室爐膛可以縮小從而可加大氣體流速，即增加了冷卻速度。
世界上生產(chǎn)真空爐的廠家很多，美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)等都有產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)投入使用。德國(guó)Schmetz公司不斷改進(jìn)研制的雙室高壓氣淬真空爐，在設(shè)計(jì)上分開安置加熱室和冷卻室，提高了熱效率，節(jié)能節(jié)時(shí)和減少污染，還具下列特點(diǎn)：⑴冷卻和加熱都采用雙鼓風(fēng)機(jī)（風(fēng)扇）結(jié)構(gòu)；⑵具有可自動(dòng)控制的2R換氣翼板；⑶具有密封隔熱的熱閘伐結(jié)構(gòu)；⑷有自動(dòng)控制的工件傳送小車機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)于爐內(nèi)加熱室和冷卻室中。該公司的雙室高壓氣淬真空爐設(shè)計(jì)較好，解決了高壓氣淬熱處理中的高壓強(qiáng)氣流循環(huán)冷卻，加熱室熱流循環(huán)均熱和加熱冷卻室的真空密封及隔熱，產(chǎn)品的性能和功能優(yōu)良，可以講是近代優(yōu)化設(shè)計(jì)的真空熱處理爐的典范之一。
熱壁式真空滲碳爐是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求專門設(shè)計(jì)開發(fā)的一種真空滲碳爐，解決了傳統(tǒng)的冷壁式真空滲碳爐的許多問題。其特點(diǎn)如下：⑴熱壁式結(jié)構(gòu)，真空室爐殼不用水冷結(jié)構(gòu)，隔熱層內(nèi)抽真空，減少水冷卻帶走的熱量損失，使?fàn)t溫分布及均勻性改善，加熱元件能量消耗約減少60%；⑵封閉式輻射管加熱元件，加熱元件不與爐內(nèi)碳?xì)浞纸鈿怏w直接接觸；⑶陶瓷纖維隔熱材料制成隔熱層，可使用氧化氣體（空氣）進(jìn)入爐中吹走沉積在爐壁表面上的炭黑；⑷自動(dòng)燒炭黑系統(tǒng)、在爐溫至850℃后將空氣通入爐中燒掉炭黑，成功免除定期清潔爐室的工作。它不僅用于真空滲碳，還可進(jìn)行各類滲碳工藝處理，如吸熱式氣氛滲碳、甲醇滲碳和氮基氣氛滲碳等。
燃?xì)庹婵諣t設(shè)備和技術(shù)的研制、開發(fā)和推廣符合節(jié)約能源的技術(shù)政策和工業(yè)上的需求。比電加熱的真空爐具有以下特點(diǎn)：⑴高的熱效率，較高的生產(chǎn)效率；⑵較低的運(yùn)行成本；⑶減少一定的維護(hù)保養(yǎng)，德國(guó)Ipson International公司介紹過幾種燃?xì)庹婵諣t的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和近年研制的新模式。
高壓氣淬真空爐智能控制十分重要，要求能實(shí)現(xiàn)處理工件改變加熱方式，改變冷卻模式與冷卻速度，使工件獲得優(yōu)良的性能，并能減小變形，從而提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量水平，減少分散度，同時(shí)又能節(jié)約能源，節(jié)約氣源，逐步實(shí)現(xiàn)柔性化。近年來高壓氣淬真空爐工藝參數(shù)控制融合CAD技術(shù)、數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)已日趨成熟。
真空熱處理為了保持工件光亮和優(yōu)良的表面質(zhì)量，達(dá)到高精密零件的技術(shù)要求或后續(xù)處理的需要，處理工件前后應(yīng)進(jìn)行清洗、脫脂和烘干處理，近年來出現(xiàn)幾種改進(jìn)型的真空脫脂清洗技術(shù)。日本不二越公司采用溶劑油清洗劑來使工件清洗脫脂，然后對(duì)排出物蒸餾分離和再生回收，這種方式價(jià)格較低，適合中小企業(yè)應(yīng)用，開發(fā)頗具前景。國(guó)內(nèi)在真空清洗上已有相關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。
目前國(guó)內(nèi)可以提供真空油氣淬爐、真空回火爐、真空加壓氣淬爐（2bar）、真空高壓氣淬爐（6bar、10bar）、真空燒結(jié)爐和真空釬焊爐等，年產(chǎn)量約500臺(tái)左右，國(guó)內(nèi)制造商在價(jià)格上和服務(wù)便捷上尚占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。在90年代初期，國(guó)外已開發(fā)了（20～40）×105Pa的高壓氣淬爐，應(yīng)用顯然進(jìn)一步擴(kuò)大。據(jù)介紹，國(guó)外已開發(fā)壓力達(dá)100×105Pa，工作溫度達(dá)2200℃的高溫高壓真空爐提供于高溫?zé)Y(jié)、晶體生產(chǎn)、寶石制造和一些物理試驗(yàn)上應(yīng)用。
2.3.4 激光熱處理方面：激光熱處理是以高能量密度的激光束來照射工件表面，使工件上需要硬化的部位的溫度急劇上升形成奧氏體，隨后依靠工件的自激淬冷獲得極細(xì)小的馬氏體顯微組織的熱處理工藝方法。激光熱處理分激光相變硬化、激光熔融、激光表面合金化、激光表面熔覆和激光沖擊硬化等，這兒主要介紹激光相變硬化。
激光相變硬化的主要特點(diǎn)：⑴極快的加熱和冷卻速度，工件表面的加熱速度可達(dá)（104～106）℃/S，冷卻速度可達(dá)（106～108）℃/S，所以激光熱處理是一種快速加熱和冷卻的相變硬化方法，保證能獲得十分細(xì)密的組織；⑵局部熱處理方法，實(shí)現(xiàn)自繳淬冷，不需要冷卻介質(zhì)，處理的熱影響區(qū)小，一般工件處理后變形較��；⑶工件經(jīng)處理后硬度比常規(guī)淬火的高，耐磨性好，尤其對(duì)鑄鐵如工件表面發(fā)生熔融，可以獲得極細(xì)密的萊氏體組織，耐磨性可提高3～4倍；⑷處理表面具有很高的殘余壓應(yīng)力，改善零件的抗疲勞強(qiáng)度；⑸處理過程易于自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)控制；⑹可以在大氣中處理，工藝操作簡(jiǎn)單。工業(yè)上常用的激光源是CO2連續(xù)氣體激光器，激光波長(zhǎng)為10.6um，現(xiàn)在這種激光器在國(guó)內(nèi)已有生產(chǎn)。激光束模式為多模。進(jìn)行激光相變硬化的主要工藝參數(shù)是激光輸出功率P，激光束斑直徑D和激光的掃描速度V。其它激光源還有準(zhǔn)分子激光器和固體激光器，它們一般以脈沖形式工作，工藝參數(shù)中要增加脈寬和頻率。
激光束斑按不同激光器有圓形、矩形和線形三種，激光束沿工件以一定方式掃描，有搭接、銜接和間隔三種。一般處理金屬對(duì)激光的反射率很高，為了增加處理金屬對(duì)激光束能量的吸收，材料一般都要進(jìn)行表面黑化。黑化方法可以是磷化或應(yīng)用含石墨粉料的黑色涂料和某些氧化物（如SiO2）的涂料涂刷。
45鋼經(jīng)激光處理后淬火層組織為細(xì)小馬氏體的組織，過度區(qū)為馬氏體＋屈氏體組織，表面硬度達(dá)650～800HV。高碳鋼激光淬火后硬化層為細(xì)針狀馬氏體＋殘余奧氏體；次表層為馬氏體＋殘余碳化物＋屈氏體組織，表面硬化層達(dá)（850～1150）HV。GCr15鋼硬化層為隱晶馬氏體＋殘余合金碳化物＋殘余奧氏體組織，過度區(qū)為馬氏體＋回火屈氏體＋合金碳化物組織，表面硬度達(dá)900～1050HV。鑄鐵經(jīng)激光熱處理后，硬化層為馬氏體＋殘余奧氏體＋殘留石墨（片狀或球狀，按原灰口鑄鐵或球墨鑄鐵而不同），硬化層為（700～900）HV，若表面發(fā)生熔融情況，則表面會(huì)獲得萊氏體組織，在石墨周圍的熔化區(qū)出現(xiàn)雙殼層組織：毗鄰石墨是片狀馬氏體＋殘余奧氏體，次外層是萊氏體共晶。
典型的激光熱處理實(shí)例有很多，如齒輪、曲軸和氣缸體等，一般對(duì)特定的零件要配有一定的工裝夾具，才能大批量地應(yīng)用。對(duì)少批量生產(chǎn)，個(gè)別協(xié)作零件應(yīng)用于生產(chǎn)會(huì)存在一定問題。另外，激光器和加工機(jī)的投資成本比較大，一定程度上也限制了該技術(shù)的推廣。
國(guó)外的激光器生產(chǎn)質(zhì)量高，工作穩(wěn)定，但一般用于激光切割、激光打孔更為適合。
2.3.5 表面改性與復(fù)合處理方面：廣義上講表面改性是改變鋼鐵材料表面性能的處理，分改變表面組織和改變表面化學(xué)成分的工藝方法，所以滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲硼、滲金屬等屬后者，感應(yīng)加熱、火焰加熱、激光相變硬化、接觸電阻加熱等屬于前者。不過現(xiàn)在一般講的表面改性則偏重于表面涂層技術(shù)，應(yīng)用氣相沉積技術(shù)的方法制取。
氣相沉積是通過氣相材料或使材料氣化后沉積于處理工件表面形成薄膜，并使其獲得特殊表面性能的一種技術(shù)。薄膜按用途分光學(xué)薄膜、微電子學(xué)薄膜、光電子學(xué)薄膜、集成光學(xué)薄膜和防護(hù)功能薄膜六大類。與機(jī)械零件密切相關(guān)的主要是高強(qiáng)度高硬度薄膜，簡(jiǎn)稱硬質(zhì)膜。
氣相沉積按氣相物質(zhì)產(chǎn)生方式可分為物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積兩類，表示成PVD和CVD。
物理氣相沉積是在真空條件下應(yīng)用物理方法將鍍覆的固體材料轉(zhuǎn)化為原子、分子或離子狀態(tài)的氣相物質(zhì)再沉積于工件表面。沉積的氣相物質(zhì)按生成方式又可分為下述三種：⑴真空蒸鍍，以熱蒸發(fā)獲得原子或分子沉積于工件上形成薄膜；⑵濺射成膜：以濺射獲得原子或分子沉積于工件上形成薄膜；⑶離子鍍膜：鍍材以離子和高能量的原子或分子的形式沉積成膜。
化學(xué)氣相沉積是將含有組成薄膜的一種或幾種化合物氣體導(dǎo)入反應(yīng)室，使在基體上通過化學(xué)反應(yīng)生成所需薄膜的物質(zhì)沉積在工件上面的方法，分采用加熱促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的普通常壓CVD，低壓CVD和采用等離子體促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的等離子體輔助CVD以及采用激光促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的激光CVD等。
蒸發(fā)鍍膜基本過程為：對(duì)密閉的鐘罩抽真空，達(dá)一定真空度后，通過蒸發(fā)源加熱將蒸發(fā)料升至一定溫度，使蒸發(fā)料氣化后沉積于工件表面形成薄膜，這方法簡(jiǎn)稱蒸鍍。當(dāng)蒸發(fā)室中設(shè)置多個(gè)獨(dú)立控制的蒸發(fā)源分別對(duì)組成合金的單質(zhì)材料進(jìn)行蒸發(fā)，通過控制各蒸發(fā)源的溫度和蒸發(fā)速率來得到需要成分比的合金薄膜。當(dāng)采用反應(yīng)蒸鍍法，在蒸發(fā)單質(zhì)金屬等單質(zhì)材料同時(shí)，充入O2、CH4或N2等氣體，使兩者反應(yīng)形成化合物并沉積成化合物膜，如Al2O3,Cr2O3，SiO2，TiC，SiC，TiN，ZrN等。
帶有幾十電子伏特動(dòng)能以上的荷電粒子（一般為Ar離子）轟擊固體材料時(shí)，材料表面的原子或分子獲得足夠的能量逸出到達(dá)氣相中的現(xiàn)象稱為濺射，將濺射的原子或分子收集起來沉積成膜的方法稱為濺射鍍膜。一個(gè)入射離子濺射出的原子或分子個(gè)數(shù)稱為濺射產(chǎn)額，單位為原子個(gè)數(shù)／離子。對(duì)大多數(shù)金屬，離子所具有的閾值能量在20～40ev范圍。濺射原子的動(dòng)能一般為1～10ev，高于熱蒸發(fā)原子（約10－1ev動(dòng)能）。轟擊離子通常采用輝光放電獲得。提高濺射薄膜質(zhì)量和沉積速率的方法是采用磁控濺射法。它可簡(jiǎn)單地理解為在靶的后背裝上一組永磁體，從而在靶的表面形成磁場(chǎng)，部分磁力線平行于靶面，使靶面發(fā)射的電子在受電場(chǎng)力直接飛離靶面過程中又受磁場(chǎng)的洛侖茲力作用返回靶面，不斷與氣體分子發(fā)生磁撞，將能量傳遞給氣體分子并使之發(fā)生電離。這種結(jié)構(gòu)使薄膜的沉積速率提高，也能減少膜層氣體含量和降低基體材料溫升。采用合金靶或復(fù)合靶會(huì)達(dá)到沉積特定成分合金濺射的目的。采用單質(zhì)靶濺射和在放電氣體中通入一定的活性氣體可方便地獲得化合物膜的沉積，也稱為反應(yīng)濺射法。如采用Ti靶進(jìn)行濺射時(shí)，在工作氣體中加入一定量反應(yīng)氣N2、CH4和O2就可分別得到TiN、TiC、TiO2化合物薄膜，而且控制反應(yīng)氣分壓可以控制化合物的成分、晶體結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)方式。
離子鍍膜簡(jiǎn)稱離子鍍，是在真空條件下利用氣體放電使氣化的物質(zhì)部分離子化，當(dāng)它們轟擊基材表面的同時(shí)沉積并形成薄膜的一種工藝方法。離子鍍兼具蒸鍍的沉積速率高和濺射鍍膜的沉積粒子能量高（實(shí)際上是比濺射粒子能量高得多）的優(yōu)點(diǎn)，從而具有膜／基結(jié)合力強(qiáng)、繞涂性好和可鍍材料廣的特點(diǎn)。Moley等人研究成功空心陰極離子鍍，1976年在日本投入實(shí)用化，并于1979年將定型設(shè)備投放市場(chǎng)和獲得發(fā)展。我國(guó)的研究落后幾年，約90年代我國(guó)仿制熱絲電孤離子鍍?cè)O(shè)備成功，用于高速鋼刀具上鍍TiN硬度膜。
近年來，國(guó)外PVD設(shè)備大量進(jìn)入國(guó)內(nèi)，占領(lǐng)了市場(chǎng)，相應(yīng)的一些設(shè)備生產(chǎn)廠也在國(guó)內(nèi)建廠承接涂膜加工。國(guó)內(nèi)一些工具廠如上海工具廠、哈一工和一些模具廠（上海如上海造幣廠）等自己購置進(jìn)口設(shè)備用于生產(chǎn)涂層工具、模具。
化學(xué)氣相沉積是通過氣相物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在基材表面上沉積固態(tài)薄膜的工藝方法，這些化學(xué)反應(yīng)，有分解、化合、還原和置換反應(yīng)等11種，反應(yīng)多余物（氣體）將從反應(yīng)室排出。
CVD中提供的反應(yīng)物在室溫下可以是氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)物質(zhì)，通過加熱使它們氣化后導(dǎo)入反應(yīng)室，對(duì)反應(yīng)室還需對(duì)氣體或基片供給能量，對(duì)基片一般是采用電阻加熱、高頻感應(yīng)加熱和紅外線加熱等方法。這樣，CVD的主要設(shè)備包括反應(yīng)氣體的產(chǎn)生、凈化、混合和導(dǎo)入裝置，反應(yīng)室和基片的加熱裝置及排氣裝置等。
CVD的化學(xué)反應(yīng)溫度一般在800～1000℃，由于沉積溫度較高限制了基體材料的選用，選用基材的力學(xué)性能會(huì)有較大程度的減低，也會(huì)給膜層和膜／基的微結(jié)構(gòu)及性能有不利影響。為了降低沉積溫度在選擇新的反應(yīng)物和向反應(yīng)提供激活能量上有新的發(fā)展。其中等離子體輔助化學(xué)氣相沉積（PECVD）較為人們所重視。應(yīng)用等離子體可對(duì)基材加熱，反應(yīng)氣體的放電激活成非�；顫姷募せ瘧B(tài)分子、原子、離子或其團(tuán)簇，降低反應(yīng)的激活能，使原來在熱力學(xué)上難以進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)變得易于實(shí)現(xiàn)，從而大大降低化學(xué)氣相沉淀的溫度，使實(shí)用化大大提高。國(guó)外的很多設(shè)備便兼具PVD和PECVD的形式進(jìn)行工作。
復(fù)合熱處理是一個(gè)很活躍的技術(shù)領(lǐng)域，世界上早在上世紀(jì)70－80年代就有人研究了�，F(xiàn)在主要有表面熱處理與化學(xué)熱處理的復(fù)合處理，表面熱處理與表面形變強(qiáng)化（噴丸）的復(fù)合，表面鍍覆與表面熱處理的復(fù)合。經(jīng)過復(fù)合處理后，材料獲得了兼有兩種處理后的獨(dú)特性能。國(guó)內(nèi)學(xué)者應(yīng)用噴丸使零件表面納米化然后進(jìn)行滲氮，可以將滲氮溫度降低至約350℃，并獲得很好的性能，這一工作得到國(guó)外同行的極大重視，這也是一種復(fù)合處理的特殊范例。
4.幾點(diǎn)建議和結(jié)束語：
4.1 熱處理工藝是在涉及機(jī)械制造的任何工業(yè)領(lǐng)域中的一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)工藝之一。熱處理工藝、技術(shù)和熱處理裝備的發(fā)展應(yīng)得到充分重視。
4.2 國(guó)內(nèi)的熱處理裝備和技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際先進(jìn)水平。
4.3 先進(jìn)熱處理技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)是可持續(xù)發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量提高，節(jié)約能源，精確生產(chǎn)和提高生產(chǎn)效率。
4.4 在國(guó)外先進(jìn)熱處理技術(shù)主要標(biāo)志中我們要特別認(rèn)清：清潔生產(chǎn)和零污染，精確生產(chǎn)和零畸變，少無氧化和少無脫碳，開發(fā)節(jié)約能源的設(shè)備和工藝。
4.5 在保護(hù)氣氛和控制氣氛熱處理方面，國(guó)外先進(jìn)技術(shù)體現(xiàn)在直生式滲碳技術(shù)，真空乙炔滲碳技術(shù)，可控高CO氣體滲碳技術(shù)和不銹鋼固溶滲氮等，在這方面的設(shè)備和控制特點(diǎn)是保證設(shè)備具有高技術(shù)特點(diǎn)的相當(dāng)重要關(guān)鍵。
4.6 感應(yīng)加熱處理方面，齒輪同時(shí)雙頻感應(yīng)加熱技術(shù)和液體介質(zhì)感應(yīng)滲碳是先進(jìn)工藝的兩項(xiàng)發(fā)展。國(guó)外感應(yīng)加熱淬火設(shè)備解決高效、自動(dòng)化、工藝要求和處理質(zhì)量重現(xiàn)性好是主要關(guān)鍵。
4.7 真空熱處理方面技術(shù)和處理質(zhì)量主要關(guān)鍵在于設(shè)備，智能控制十分重要，應(yīng)注重高壓氣淬，改變冷卻模式與冷卻速度對(duì)生產(chǎn)效率、減小變形和高質(zhì)量的保證作用。
4.8 國(guó)外激光熱處理設(shè)備先進(jìn)，但投資和應(yīng)用受一定程度限制。
4.9 PVD，CVD技術(shù)和設(shè)備發(fā)展很迅速，國(guó)外投資國(guó)內(nèi)已相當(dāng)多，市場(chǎng)前景競(jìng)爭(zhēng)劇烈。
4.10 熱處理技術(shù)發(fā)展和投資應(yīng)著眼于高效益，低能耗，高起點(diǎn)，高水平，低污染和高質(zhì)量，以高技術(shù)，嚴(yán)管理去競(jìng)爭(zhēng)中高端市場(chǎng)，去爭(zhēng)取高創(chuàng)收和高回報(bào)。