产品质量的高要求既是压力,也是动力。它可以带动热处理的技术改造和设备更新,从而使机器零件的质量和寿命产生大的改观。热处理企业的设备更新给设备制造业带来了商机,但国产热处理设备由于工艺水平低、可靠性差,在对外开放形势下也面临激烈竞争,使许多国内热处理设备制造厂濒临倒闭。提高热处理设备的质量和可靠性也是当务之急。与此同时,设备配套件、泵、阀、电器元件、仪器、筑炉材料等的质量和可靠性如果不能很快有大的改善,热处理设备的水平就不可能有大的突破,必定在竞争中继续吃败仗。提高产品质量必须在实行企业科学管理的基础上,加强产品质量管理、认真开展企业的ISO9000系列标准的认证、在生产过程中认真执行热处理各项工艺标准和热处理件的组织性能质量标准,才能使产品质量迅速上一个新台阶。

2.3 能源的有效利用

在机器制造工艺过程中,热处理是耗能大户。其电能消耗一般为机械制造企业的20%～30%。据20世纪90年代调查,全国每年用于热处理的电能约86亿度(kW·h),占总发电量的1%左右。美国1996年热处理用电总量为59亿度,仅为我国用电的68%。我国机械工厂的热处理用电费用占生产成本约40%。可见合理选择热处理能源,有效和节约使用能源也是热处理生产技术发展和改造的重要出发点之一。电是二次能源,热电厂发一度电约需9196kJ的热能,发电的效率在30%～40%。如果热处理加热炉的热效率能达到80%,则按一次能源的利用率计算,综合热效率只有24%～32%。而利用天然气的燃烧炉,再加上利用烟道气的燃烧空气预热,综合热效率达到60%～65%是很容易做到的。因此在有条件使用天然气的地域,用燃烧炉代替部分电阻炉,从能源利用上是很有利的。

先进的加热设备除能体现先进工艺外,节约能源是很重要的指标。热处理炉应有最小的散热损失,最小的炉衬蓄热,废热要充分利用,燃烧炉应有高效的燃烧器或辐射管,还要有合理的燃烧制度。合理选择工艺具有极大的节能潜力,而且可在极小的投入条件下获得明显效果。缩短加热时间,降低加热温度,用表面热处理代替整体热处理、简化工艺过程、合理选择工件材料等都是好的节能措施,关键在于生产岗位上的技术人员的节能意识的强弱。生产的合理组织,能源的严格管理也是节能的根本措施之一。提高热处理设备负荷,保持连续生产对于节能是非常重要的。从这层意义上,专业化生产是非常有利的方式。

2.4 精确的生产过程

近代的物理冶金理论几乎可以洞悉金属在热处理过程中的组织、性能、化学成分,甚至原子状态的瞬息变化,从而可以利用精确灵敏的传感控制系统对热处理产品质量进行精确的在线控制,从而达到100%的合格率。在设备上精确保证生产条件,如炉温均匀度、加热和冷却速度以及工件材料化学成分和淬透性带的范围等就可以实现在不同炉次、同一炉次不同部位产品质量的同一性和再现性,使产品的组织性能、畸变等质量的分散度达到趋于零的程度,真正实现精密生产。

2.5 高效的生产技术

提高劳动生产率、降低生产成本,获得最大的经济效益永远是热处理生产和所有企业追求的目标。实现高生产效率的重要前提是单一品种的批量化生产。在大批量、规模化生产条件下,采用生产过程自动化、质量的在线信息化、工艺参数和质量效果的模拟和自适应控制可最大限度地提高生产效率,实现无人作业,由此也可以完全消除人为因素,保证产品质量低分散度。缩短生产周期的热处理工艺既能节约能源,也能提高生产效率。提高设备的可靠性、减少故障率,可以减少维修次数、减少辅助时间。在多品种小批量生产方式下采用柔性设备和多用设备生产线也可提高生产效率。当然在专营热处理加工企业,生产计划的优化管理、合理的生产组织,使设备保持满负荷运转都是保证高生产效率的有效措施。

3 先进热处理技术的发展方向

如前所述,由于受到制造业的高度重视,近代热处理技术发展迅速。其主要发展方向可以概括为8个方面,作者称做为8个少无(LessorNon),即少无污染、少无畸变、少无(质量)分散、少无浪费(能源)、少无氧化、少无脱碳、少无废品、少无人工。

3.1 少无污染

热处理生产排出的废气、废水、废渣、粉尘、噪声和电磁辐射等,如不注意会使作业场地和周围环境受到污染。先进的热处理技术首先应该是对环境没有污染的技术。其中包括清洁工艺、清洁设备、清洁材料等。可控气氛、真空、有良好的屏蔽的感应热处理是广泛应用的典型清洁工艺。等离子热处理、低压渗碳、高压气淬、激光电子束强化、喷雾淬火、真空清洗等也都属于少污染技术。与这些工艺相对应的真空炉、气氛炉、离子渗氮炉、低NOx、SOx燃烧加热炉、流态炉属无污染设备。聚合物淬火剂、无氟氯烃溶剂、Al2O3和SiO2等流态床粒子、氮和各种惰性气体属于清洁材料。

大量用氰盐的液体渗碳、碳氮共渗和氮碳共渗应禁止使用。气体渗碳和用渗碳气体加氨的气体碳氮共渗和氮碳共渗后排出的废气经点燃可无害排放。离子渗硼时不可使用剧毒品乙硼烷(B2H6)。盐浴中慎用黄血盐和赤血盐,因其分解后会产生氰根。含碳酸盐的盐浴切勿放入尿素或缩二脲,否则会反应先生成氰酸盐,后分解为氰盐。含S、Li的氰盐浴可使氰化物保持在0.1%～0.5%的低水平,法国HEF的Sul2surf、我国的LT硫氮共渗法都属此类。在氰盐浴中添加有机聚合物melon也可将氰盐含量降低到2%～3%,其余大部分是无毒的氰酸盐。QPQ处理盐浴属于此类。

清洗水中的氰含量已经稀释可无害排放。氯化钡盐渣和含氯化钡过量废水对人体有害,须经无害化处理达标后才允许排放。氯化钡是高速钢刃具淬火加热目前无法代替的介质,但必须保证钡盐和含氯化钡废水的无害化排放。

热处理用的淬火油目前尚无法完全代替。淬火时形成的油烟对作业场地和环境都有影响。目前在我国的企业都是直接抽风向室外排放,造成对大气的污染也是亟待解决的问题。
美国2020年热处理目标首先要实现零污染。

3.2 少无畸变

金属制件在热处理时的形状和尺寸变化是不可避免的,过大和不均匀的畸变会增加加工余量或使之报废。汽车变速箱齿轮热处理后一般不施行加工,畸变会使其失去互换性或增大间隙,增加车辆噪声。所以尽量减小畸变是许多热处理工作者终生努力的目标。

工件畸变主要发生在冷却阶段,尤其是在淬火冷却过程会形成最大程度的畸变。均匀的冷却、减小工件表面和心部的温差是减小畸变的主要措施,因此冷却介质和冷却方式的选择至关重要。近代淬火介质品种繁多,淬冷方式也是多种多样,可按冷速要求和畸变技术条件进行选择。循环搅动比静止的冷却能力大1～3倍。变向循环可提高冷却的均匀程度,等温和分级淬火可减少工件表面和心部温差,使相变接近同步,降低热应力和组织应力,至今仍是国际名牌汽车齿轮渗碳后淬火减小畸变的主要措施。