国外热处理技术现状及设备

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1.热处理技术现状
  
　　（1）推广应用高压气冷淬火

  国外的热处理厂家非常重视热处理过程中的冷却。根据产品的技术和工艺要求，可进行慢速冷却、油淬冷却、一次性气淬冷却等。快速气氛循环冷却采用向冷却室喷射高压气体，由计算机控制流速和流量的变化，以达到在特定时间内冷却速度，从而实现热处理过程中所要求的冷却曲线，确保零件的热处理质量。以前采用气淬方式冷却的淬火气体有氮气、氦气等，现在用空气强烈喷射，使工件在极快速度下冷却，淬火后表面仅有极薄的氧化色膜，呈灰白色，零件色彩依然美观，而节约大量氮气和惰性气体，使热处理成本进一步下降。

  真空低压渗碳与高压气淬相结合是当今一种先进的渗碳淬火工艺，它具有渗碳速度快、碳化物组织优良、淬火开裂和变形小、节约能源和渗碳剂原料、渗碳零件表面质量好、并有利于环保等特点。

  （2）热处理设备采用油冷

  风机冷却、热交换器冷却、淬火油槽冷却等所有需冷却的装置，全部采用油封式自冷，全面取代水冷循环系统，整个热处理炉不用任何冷却水。例如，热风循环风机冷却：将原水冷套进出水管改用油管引出，接近风机处放一个直径为102mm的小油箱，油冷却系统全封闭，当风机轴承有热量增加时，被加热的油比重小，自然向上浮起，引起油自然循环。在小油箱存油量和自然散热的情况下，热油被冷却后又加入循环，达到在不耗油又不需要动力的条件下完全取代水冷。淬火油槽板式换热器中的水换成冷却油，冷却油受到热油的热交换而被升温，油比重的变化引起冷却油的自身循环，在炉顶的油箱外加上散热片，配合风扇的作用，达到全油冷的效果，节约大量的冷却水。

  （3）渗氮炉上采用氢探头

  德国的Ipsen公司已应用氢探头和相应的技术测控渗氮炉内的氮势，以对渗氮的炉气氛进行调节和控制，实现渗氮炉的现代化。

  （4）燃气辐射管

  目前，欧洲的热处理设备已大部分采用燃气辐射管，使用天然气加热。燃气加热技术和装备在欧洲已十分成熟，天然气烧嘴已有标准系列，由专业烧嘴厂制造供应，并将燃气辐射管的内管由不锈钢换成陶瓷，延长使用寿命并提高功率。天然气加热提高能源利用率，降低生产成本。

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  2.热处理变形与预防方法

  热处理变形有两种类型：一是尺寸的变化，二是零件几何形状的变化。热处理技术不同，零件尺寸和几何形状的变形及防变形方法亦不相同。

  热处理加热奥氏体化过程中，保温时间越长，温度越高，则溶入奥氏体的碳越多，马氏体转变时产生的膨胀越大。冷却时，马氏体膨胀最大，上贝氏体次之，下贝氏体和屈氏体的体积变化很小。低温回火时，马氏体发生收缩，收缩量与过饱和的碳含量成正比。在室温-200℃加热时，部分残余奥氏体会转变成马氏体，出现膨胀。但该膨胀因200℃附近马氏体发生分解，因此表现上变化不大。

  在常规热处理中，零件形状变化的主要原因是热处理加热和淬火时发生的热应力和相变应力。加热速度过快、相对于加热炉而言零件太大、零件各部分的温度不同，都会导致热变形。保温时，加工的残余应力会发生释放而产生变形，零件的自重也会导致变形。冷却时，由于零件不同部位的冷却速度不同，会形成热应力而使零件变形。即使冷却速度相同，冷却总是表面快，心部慢。因此，先相变的表面使未相变的心部发生塑性变形。如果材料中存在合金成分的偏析，或者表面脱碳，则相变应力更不均匀，更易导致零件变形。另外，如果零件厚薄不均，也会造成冷却速度不同。

  在锻件的热处理中，减少变形的零件摆放方式，一是尽可能垂直吊挂，二是垂直放在炉底部，三是用两点水平支撑，支点位置处于全长的三分之一与四分之一之间，四是平放于耐热钢工装上。

  在零件的冷却过程中，淬火介质的种类、冷却性能、淬硬性等与变形有关。冷却性能的变化可通过改变介质的黏度、温度、液面压力、使用添加剂、搅拌等进行调节。淬火油的黏度越高，温度越高，椭圆形变形越小。在静止状态下，变形较小。

  以下几种方式可有效降低变形：①盐浴淬火；②高温油淬火；③QSQ 法；④减压淬火；⑤一槽三段淬火。盐浴淬火和高温油淬火相似，都是在马氏体转变温度处淬火，使马氏体相变的均匀性增加。QSQ 是双液淬火。减压淬火是通过降低淬火介质的液面压，从而延长蒸汽膜阶段，高温区的冷却速度下降，使零件各部分的冷却速度均匀。一槽三段淬火结构简单，首先将零件从淬火温度油冷至略高于Ms点的温度，随后出炉，在气氛中保持，使零件整体温度均匀，然后再油冷，使马氏体相变均匀进行，变形的不规则性得到极大的改善。

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3.欧洲先进热处理设备的特点

  （1）全自动控制的热处理生产线

  为了使工件在生产线上自如地完成整个所要求的热处理工艺过程，被特定设计的连续炉相互连接沟通。炉膛内可多方位贯通，并可使工件料筐90℃角转入下道加热区或过渡保温箱，经传送抵达下一工序或进入冷却室冷却。这种炉体结构和传送装置都具有相当高的水平。以可控气氛箱式炉为例，为满足渗碳、碳氮共渗、氮碳共渗、淬火或光亮淬火、等温淬火等热处理工艺的实施，料盘和料架上的工件以冷链驱动的方式自动送入、通过和送出炉膛，在各自的炉子中完成所要求的工艺。箱式炉与相应的计算机辅助测量、控制与调节系统连用，形成各个独立的模块单元，易于相互连接，构成完善、灵活、组合式自动热处理系统。

  （2）高压气淬密封箱式炉和多室贯通式密封箱式炉

  高压气淬密封箱式后室为密封箱式炉结构，前室进行高压气淬。工件在后室保护气氛中无氧化加热或在渗碳气氛中渗碳，在前室进行无氧化光亮淬火。后室炉衬为氧化铝和保温陶瓷纤维，发热元件为卧式并联电热辐射管，顶置炉内热风循环风机，保护气氛可采用甲醇或氮气；前室中部为工件气淬室，下部为进气管道，上部为冷却回风热交换器。前室外侧安装变频调速大功率风机，通过氮气或氦气的快速循环使工件冷却淬火，淬火冷却速度可通过调节风机速度控制。经高压气淬后的工件无氧化、表面呈银灰色，变形小，避免了油淬后所需的清洁等工序。

  多室贯通式密封箱式炉由德国的Ipsen 公司制造。在前室完成预热和渗碳后，工件送入后室淬火，然后直接从后面出炉，减少加热室的空闲时间，提高工作效率，降低能源消耗。

（3）高压气淬推杆炉生产线

  在推杆炉出口端，密封连接高压气淬室。工件运行到气淬室时，可采用高压氦气或氮气淬火。为了降低成本，也可采用空气高压气淬，由于淬火时间极短，工件不会出现氧化皮，仅表面呈现浅黑色。

  （4）安装有外加热和风冷的离子渗氮炉

  炉体井式钟罩结构，WDS炉衬保温，不锈钢真空罐罩式单层，外壁安装三区三层密闭式发热元件，使炉温上中下均匀一致。炉体分上中下安装3台侧风机，三区独立热风循环送风，工作时挡回风道封闭，热风只能在炉内加热层内循环，达到炉温均匀目的。工艺完成停炉时，回风道开启，冷风在上中下三区同时送入加热室夹层，使炉体快速冷却，很短时间即可出炉。炉底座为连体式双座，液压升降立柱在二个底座之间可左右旋转，将炉体提升后旋向另一个已装好料的底座，这样一炉双座，可提高生产效率。