用调节喷雾参数对工件温度场变化施行模拟控制的控制冷却技术为减小简单形状工件的热处理畸变带来了希望。大型轴承套圈渗碳后在涌泉式油槽中施行热油的变向循环,工件左右移动的淬火方式可以代替在压床上的压力淬火。汽车齿轮低压渗碳后施行变向高压(2MPa)气淬,可使同步环齿轮畸变控制到非常狭窄的范围。复杂形状易畸变工件可在压床上施压淬火或淬火后利用回火余热在自动矫直机上矫直。

材料化学成分的均匀性和稳定性以及淬透性的保证可使工件淬火畸变保持稳定的规律,以便于规定确切的加工余量,采取可靠的少无畸变措施。

美国2020年热处理目标中提出,届时工件热处理要达到零畸变。

3.3 少无(质量)分散

由于材料化学成分、加热炉有效加热区温度的不一致,加热和冷却条件的差别和人为操作因素的影响会使同一炉次热处理件质量(硬度、组织、畸变、表面状态、渗层深度、渗入元素的表面浓度和沿渗层的浓度梯度)造成明显差异,或不同炉次产品质量的不可重复性。采用科学的管理和先进技术可以使这种差异降到最低程度。美国金属学会(ASM)和能源部于1997年组织的“热处理技术方针讨论会(HeatTreatingTechnologyRoadmapWorkshop)”的报告中提出,2020年的目标要使热处理工件的质量分散度降低到零。为逐步实现这个目标,设备的可靠性、工艺的先进性和稳定性、加热炉温度的均匀性,炉气的均匀循环,制件材料成分的合格与稳定、自动化生产和质量的在线控制可消除人为因素影响都是非常重要的课题。为此,加热炉在设计过程中采用炉内温度场,炉气循环路线,淬火剂的流动状况,工件和淬火剂的热交换,工件冷却过程中的温度场、应力场变化等的计算机模拟就显得十分重要了。在生产中的质量管理措施上采用统计过程控制。(StatisticalProcessControl)可以把质量分散度逐步缩小至很狭小范围内。

科学的生产管理,ISO9000系列标准认证,原材料的进厂检验、热处理前后工序的配合与衔接,各项工艺标准和通用质量标准的贯彻也都和产品质量的分散度有密切关系。可见影响质量分散度的因素很多,必须从技术和管理上作为一种系统工程通过长期、细致和踏实的工作,才能在这方面逐步取得好的效果。

3.4 少无浪费(能源)

节能也是先进热处理技术主要特点之一。节能的热处理工艺是最有效的节能措施。把渗碳温度从930℃提高到1050℃可减少40%的工艺周期,在一般电阻炉中这种温度的提高受到发热体和耐热材料的限制很难实现,而在真空炉中低压渗碳在1050℃施行是轻而易举的事。以氮碳共渗、硫氮碳共渗和氧氮共渗代替渗碳和碳氮共渗可把工艺温度从850℃～930℃降到550℃～580℃,代替一般气体渗氮可把渗氮时间从30h～70h减少到1.5h～3h。利用锻后余热施行锻坯的调质淬火,可节约重新加热所需的热能,而且还能获得改善组织和性能的形变热处理功效。钢件热处理加热时间过于保守的计算必须改变。碳钢和低合金钢施行零保温加热和不均匀奥氏体淬火和加热到F A两相区的不完全淬火都是可行的。

加热设备的节能潜力很大,连续式加热炉比周期式炉节能。4种炉型能源利用率的排序(从大到小)是:振底式炉、井式炉、箱形炉和输送带式炉。燃烧炉必须采用高效换热器预热空气,并合理控制燃烧系数(α)在111～113范围内。推广具有蜂窝式蓄热周期横向燃烧的烧嘴和辐射管都是很好的设备节能措施。

日本东京热处理(现为同和矿业)20年前的一条节能的渗碳、淬火、清洗回火推杆式生产线,把前清洗改为燃烧脱脂,脱脂废气热量可用做回火炉部分热源,渗碳炉排出的气氛可用做脱脂炉和碱液清洗槽以及淬火油的加热,各种废热综合利用的结果可节约40%的燃料费用。炉子散热量的大小和其外表面积有很大关系,圆形截面炉比矩形截面炉表面积小约14%,外壁温度降低10℃,使通过炉壁散热量减少20%。目前日本的密封多用炉和推杆连续式炉都改为圆形截面。
美国ASM提出的2020年热处理目标中热处理的能源利用率届时要普遍提高到80%。

3.5 少无氧化

绝大多数金属在空气中加热时的氧化会造成金属的大量损耗,也会破坏制件的表面状态和加工精度。少无氧化加热也是近代先进热处理技术发展的主要标志之一。

属于少无氧化热处理范畴的技术包括气氛、真空、感应、流态床、盐浴、激光、电子束、涂层、包装热处理和燃烧炉火焰的还原性调节。在惰性、中性气氛和多组元可控气氛中加热的气氛热处理仍是当前最广泛应用的无氧化加热方法。在惰性(Ar、He)和中性(N2)气体中实现完全的无氧化加热必须对气体施行干燥、把露点降到-60℃以下。在H2-H2O、CO-CO2、N2-H2-CO-CO2-H2O混合气氛中加热必须使H2/H2O、CO/CO2比值控制到一定程度,使气氛在给定温度下具有还原性才能实现无氧化。近30年来,由于燃料价格的上涨,用碳分子筛的变压吸附空分制氮和薄膜分离制氮法的开发,氮基气氛得到推广,由气体公司供应的液氮蒸发也得到广泛应用。由纯氮和甲醇裂解气体混合的合成气氛部分代替了用天然气或丙烷制备的吸热式气氛。往炉中通单一的气态氮,对其纯度要求很高(>99199%),而且必须在有不锈钢炉罐条件下才能实现钢的无氧化加热。通常生产中可用9918%的普氮再往炉中滴入一定量的甲醇,靠甲醇裂解后的H2和CO可除去氮气中的残留氧。近几年由于甲醇的大量使用,美国1995年的甲醇价格是1994年价格的215倍,使N2 甲醇气氛的制备成本比1994年增加100%,是用天然气制备吸热式气氛的215倍。因此在天然气供应充足的前提下,使用放热式和吸热式气氛是最经济的无氧化加热方式。

金属材料在热壁式真空炉中施行无氧化退火已有近百年历史。在有水冷夹层炉壳的冷壁式真空炉中进行无氧化退火、淬火、回火、钎焊、烧结等处理只有将近40年的历史。把炉子抽空到0.1Pa的真空度、即可实现大多数金属的无氧化加热。为了提高金属在炉中的加热速度,往往在抽真空后再往其中通入约0.8×105Pa的惰性或中性气体。从这一层意义上真空和气氛加热有一定的共同之处。近代发展最快的是各种真空热处理设备。当前真空热处理设备有单室、双室、三室、多室、油淬、气淬、油气淬两用、高压气淬、低压渗碳高压气淬炉、多室低压渗碳和高压气淬半连续式生产线。类似气体渗碳多用炉生产线的低压渗碳、高压气淬、回火的柔性生产线等。目前由于设备相对昂贵,一次投入过大,另外适于大批量生产的真空热处理设备尚待完善,目前还不能说真空热处理在很大程度上会取代气氛热处理。

感应热处理由于加热迅速氧化不严重,应属少无氧化技术范畴。一些不允许有任何氧化的工件甚至在感应加热时也必须施行气氛保护。目前日本电子工业(株)热处理已开发出类似技术。在流动粒子炉和正常脱氧的盐浴中加热也都可以实现少无氧化效果。在单件小批量生产条件或大型工件加热而又缺乏气氛炉设备时可使用涂料或不锈钢箔包装后在空气中加热。