熱處理工藝的現狀

1.金屬熱處理技術的現狀及存在的問題
熱處理技術是機械制造技術的主要組成部分,是強化金屬材料、發揮其潛力的重要工藝措施,是保證和提高機械產品質量和壽命的關鍵因素。通過適當的熱處理,能最大限度地發揮材料潛力,保證產品所要求的力學性能、工藝性能。目前我國機械工業的熱處理廠、點共約10 500個,職工總數近15萬人,加熱設備約11萬臺,年熱處理鋼件700噸,鑄件熱處理300噸,年產值50億元,年耗電85億千瓦時,熱處理生產技術水平和產品質量有了較大提高,為我國機械工業的發展提供了有力的支持。但和國外先進熱處理技術相比,我國熱處理技術仍存在不小差距。
2.熱處理設備能耗大,能源利用率低
熱處理是通過加熱、保溫、冷卻來改變零件的內部組織,從而達到改變其使用性能之目的。熱處理用電量約占機械制造業總用電量的25%~30%,是制造業中的耗能大戶。全國熱處理的平均單位電耗雖已由1978年的約1 600 kW•h/t下降到1 000 kW•h/t,主要工業城市及大中型企業約為500~800 kW•h/t,但和工業發達國家的水平相比,還存在著相當大的差距。歐美國家熱處理平均單位電耗為300~450kW•h/t,而日本各種熱處理工藝平均單位電能消耗僅為323 kW•h/t。我國的熱處理消耗與日本、歐美的能耗指標相比,要多2~3倍。
造成這種狀況的原因主要有:1)設備負荷率低。目前普遍存在大馬拉小車的現象,在裝不滿爐的條件下生產,由此造成的電能浪費估計在40%以上;2)設備的有效利用率低。由于生產組織不當,加熱設備不能連續工作,大量的時間和電能消耗在爐子升溫上;3)加熱設備的熱損失大。爐襯蓄熱量大,絕熱效果差,散熱嚴重;4)加熱過程中的無效消耗多。各種加熱爐的夾具、料盤設計不符合節能要求,尺寸過大,致使約10%~20%的電能被浪費;5)工藝選擇不當,加熱和保持時間的計算過于保守;6)操作人員節能意識差,尤其是交接班的情況下人為浪費能源的現象嚴重;7)在管理上只注重完成生產任務,忽視了節能工作,企業內部缺乏熱處理能源利用管理條例和有效的節能措施。
3.污染環境嚴重
熱處理生產屬于高溫作業,對環境的污染主要包括生產中產生和排放的廢氣、廢水、粉塵、廢渣、噪聲和電磁輻射等。全國有近2萬臺鹽浴爐,年消耗NaCl、BaCl2等中性鹽8×104t以上、活性鹽9000 t。每年揮發出的蒸氣中,中性鹽近6500 t,活性鹽700t,活性鹽成分中含劇毒、腐蝕性氣體;生產中大量使用的氣體滲碳、氣體滲氮及其它化學熱處理每年向空氣中排放千萬立方米數量級的CO2、殘氨等廢氣。全國年消耗淬火、回火油25000 t,其中1/3轉變為CmHm、碳黑和煙塵;酸洗、發藍中硫酸、鹽酸、苛性堿的揮發物;工件表面油脂的燃燒,沒有清洗或清洗不良的工件,裝爐后表面油脂的蒸發和燃燒形成大量的煙氣,使工作場地和工廠周圍環境嚴重污染;另外,目前采用的燃燒脫脂法,如處理不當,也會造成燃燒產物的大量外泄。全國的機械制造廠中估計現有5000余臺噴砂設備,每年約產生1萬余噸的SiO2和Al2O3粉塵,除部分粉塵被收集和沉淀外,有很大一部分散落在工作場地或成為飄塵散布到大氣中;
流態化粒子爐的石墨粉塵或氧化鋁粉塵、固體滲碳劑的炭粉塵和煤燃燒粉塵都會造成粉塵污染。在每年25000 t淬火油用量中約有1/3老化油要排除。這些油中含Fe、Cr等自工件表面脫落的氧化物,工件自鹽中帶出的BaCl2、SO2-4、NO-、Cl-等有害和劇毒物質;含鹽、尤其是含劇毒氰鹽的水和水基淬火介質、發黑(發藍)或磷化的廢液以及含油脂和鹽的清洗廢液的直接排放;不經處理的鹽渣和廢鹽隨意放置或埋藏,都會造成水質污染。另外,噴砂機、噴丸機工作也會產生較大的噪聲,會對周圍環境和操作工人產生很大危害。
4.少無氧化熱處理設備普及程度低,資源浪費嚴重
熱處理中金屬零件在空氣中加熱時必然會發生嚴重氧化和脫碳。一般估計,在空氣中加熱的氧化燒損為金屬本身重量的3%,加上一些產品需以切削加工方法除去表面脫碳層,氧化脫碳的損耗會達到3%~5%的程度。自“六•五”以來,我國熱處理行業一直將開發和推廣少無氧化、少無脫碳熱處理技術作為工作的重點。經過多年的努力,到“九•五”末期,在汽車、機械基礎件、航空、兵器等一些行業,少無氧化加熱的比重已達70%以上,其中可控氣氛熱處理普及程度達50%,真空熱處理達10%左右。但從總體情況看,我國熱處理行業少無氧化加熱的比重平均只有30%,和工業發達國家的80%~90%以上相去甚遠,每年由于熱處理氧化燒損和脫碳浪費的優質鋼材達百萬噸以上。氧化、脫碳會破壞金屬制品的表面質量,對于熱處理后直接使用的零件必然會嚴重降低其使用壽命。鋼絲和鋼帶的冷拔、冷軋需要預先施行酸浸,以除去表面的氧化皮,除惡化工作條件外還會造成嚴重的環境污染。脫碳會明顯降低彈簧、齒輪、軸類零件的疲勞壽命,增加刃具、模具和摩擦零件的磨損,使其提前失效。而鋼的生產一般要經過采礦、選礦、煉鐵、煉鋼、澆注、軋制等工序,鋼材在熱處理中的氧化燒損和脫碳造成資源、能源、人力等方面的巨大浪費。
合金元素對熱處理的影響
大力發展多參數熱處理和復合熱處理工藝

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