熱處理節能技術與生產應用

哈爾濱匯隆汽車箱橋有限公司（黑龍江 150088）金榮植

熱處理行業是能源消耗的大戶，其用電量占機械工業用電量的1/4～1/3。因此，熱處理的節能潛力巨大。開發和使用高效、節能熱處理技術，可以獲得顯著的節能效果，節能措施主要有：對碳素結構鋼和低合金結構鋼盡量采用不均勻淬火方式，取消加熱保持時間；對合金含量高的材料，可以通過實際測定，修正在各類加熱設備中的加熱計算系數，最大限度地縮短加熱時間；在材料允許的加熱溫度范圍內，盡量用低溫處理代替高溫處理；對化學熱處理應選擇合適的方式，同時采用催滲方法；合理編制生產工序，盡可能利用鑄、鍛（軋）余熱進行材料的熱處理；合理選擇能源，達到節能目的；減少熱量損失；利用燃燒廢熱節能；選擇節能熱處理設備；使用節能材料（包括節能工藝材料和節能鋼材等）；進行節能管理等。

一、節能熱處理工藝與方法

通過熱處理工藝優化，達到節能的目的，是現代熱處理節能最有效手段之一。在滿足技術要求，且不添置設備的情況下，充分挖掘熱處理時的節能潛力，同時大大縮短生產時間，提高生產能力，又獲得較大經濟效益。

熱處理工藝優化就是在保證獲得所需性能的前提下，通過改變加熱溫度、保溫時間及冷卻方式等工藝參數，達到節能、縮短生產周期和獲得最大經濟效益的方法。

1.縮短加熱時間的工藝與方法

熱處理是大量耗能的加工過程，縮短熱處理加熱時間是節能的有效方法之一。碳鋼和低合金鋼施行零保溫加熱，亞共析鋼加熱到F+A兩相區的不完全淬火都是可行的。

（1）零保溫淬火工藝 零保溫時間，即取消或縮短結構鋼的加熱保持時間。對于碳素鋼和低合金鋼的單件加熱升溫，當爐子溫度到達工藝指定溫度即工件表面到達工藝溫度時，工件即已透燒，而無需再額外增加透燒時間，這就是所說的“零”保溫淬火。

對碳鋼和低碳合金鋼，如果產品形狀比較簡單，尺寸相對較小零件，完全可以采用零保溫淬火，以達到高效節能的目的，既可以保證產品質量，以免過熱過燒、氧化脫碳，又可以大大避免耗時、耗能的現象。

應用實例1：45鋼錐齒輪零保溫淬火工藝

錐齒輪，外形尺寸為φ32.93mm×20mm，內孔直徑10mm，材料為45鋼，要求調質硬度220～250HBW，齒部高頻淬火硬度40～46HRC。

1）原加工工藝路線。鍛坯→正火→粗車→調質→機加工→高頻淬火→磨削內孔，由于加工工序繁多，成本高。對此，取消正火和調質工序，直接進行淬火，不僅保證了產品質量，而且降低了生產成本。

2）零保溫淬火工藝及效果。（840±10）℃箱式爐加熱，保溫2min，水淬油冷；（320±10）℃保溫1h回火。經檢查齒部硬度41～44HRC，經磁粉探傷檢查，未發現淬火裂紋，這是由于齒輪在（840±10）℃加熱時，齒表面快速升溫，齒心部還處于相變點以下，這時淬火避開了45鋼淬火裂紋的危險尺寸，且變形小。其次，水淬油冷淬火方式，減小了淬火應力，減少了淬火開裂傾向。零保溫淬火時，齒表面保溫時間幾乎是零，因而晶粒細小。用此工藝處理的3000余件齒輪，未發現一件裂紋，經抽查，硬度全部合格。

應用實例2：零保溫正火工藝

內燃機中28種精鑄零件要進行正火或調質處理。這些精鑄零件具有以下特點：批量大，每年處理零件二百多萬件；重量輕，單件重量0.021～1.33kg；材質均為ZG310-570；圖樣只有硬度要求。

1）原正火工藝。原正火是按傳統的加熱公式τ＝KαD計算加熱時間，式中，K＝2.0，α＝1.4～1.8，故加熱時間長、耗電量大。精鑄熱處理工件每噸耗電量為1052kW·h。

2）新工藝。通過多次試驗和反復生產驗證，K值確定為1.4～1.8，最后制訂了箱式爐中多層散裝堆料加熱時間計算公式：τ＝K（10+0.6D+0.2G）。式中，K為加熱時的修正系數；D為工件的有效厚度（mm）；G為工件裝爐總重量（kg）。

3）節能效果。5種零件新、原工藝方案的經濟效益對比如表1所示。28種內燃機零件熱處理平均每噸耗電量從1020.59kW·h下降到451.13kW·h，達到了節電54.83%的效果，工時節約56.13%，年節的電費18萬多元，年節約工時近9000h。因此，經濟效益巨大。

（2）減小加熱時間計算系數的方法 熱處理工藝選擇不當，加熱和保溫時間的計算過于保守，將會造成能源浪費。大連圣潔公司通過十幾年的研究、試驗，總結了用于熱處理加熱時保溫時間的簡單計算法則——369法則。實際生產表明，該法則的實施有助于節約能源、降低生產成本、提高產品質量和生產效率。

表1 新、原工藝各類技術經濟指標對比

1）各種金屬材料在空氣爐中加熱淬火保溫的369法則

①碳素鋼和低合金鋼（45、T7、T8等）。傳統的碳素鋼淬火加熱時間的計算公式：τ＝KαD。式中，τ為加熱時間（min），K為反映裝爐狀況的修正系數，通常在1.0～1.3范圍內選取；α為加熱系數，一般在0.7～0.8min/mm；D為工件有效厚度（mm）。

按369法則，對于碳素鋼和低合金鋼，保溫時間僅需傳統保溫時間的30%即可。

應用實例1：采用箱式爐加熱φ60mm的45鋼工件，其淬火保溫時間共需60min×30%＝18min。實際上，在爐溫儀表指示的溫度到溫后，按工件每3mm有效厚度透燒時間為1min即足夠。

②合金結構鋼（40Cr、40MnB、35CrMo等）。按369法則，合金結構鋼加熱的保溫時間可以是原來傳統保溫時間的60%。

應用實例2：用傳統的公式計算的40Cr保溫時間如果為100min，按369法則，新的保溫時間為：100min×60%＝60min。

③高合金工具鋼（9SiCr、CrWMn、Cr12MoV、W6、W8等）。按369法則的保溫時間是原來傳統保溫時間的90%。

④特殊性能鋼（不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等）。這些鋼種的369法則可按照合金工具鋼的公式計算，即以傳統公式計算的加熱保溫時間×90%作為保溫時間。

⑤預熱淬火。對于大型工件（有效直徑≥1m）調質處理的預熱保溫時間的369法則為：T1＝3D；T2＝6D；T3＝9D。式中，T1為第一次預熱時間（h），T2為第二次預熱時間（h），T3為最終保溫時間（h），D為工件的有效厚度（m）。

實際生產證明，對于在空氣爐中加熱的中小零件（有效尺寸≤500mm），預熱和加熱時的保溫時間也可以按369法則計算。

2）真空加熱保溫時的369法則。傳統的真空爐加熱保溫時間的計算公式如下：T1＝30+（1.5～2）D；T2＝30+（1.0～1.5）D；T3＝20+（0.25～0.5）D。式中，T1為第一次預熱時間（min），T2為第二次預熱時間（min），T3為最終保溫時間（min），D為工件的有效厚度（mm）。

按369法則1，裝爐量在100～200kg，工件有效尺寸在100mm左右時，按下式計算：T真1＝T真2＝T真3＝0.4G+D。式中，G為裝爐工件凈重量（kg），其他符號意義與上述相同。

按369法則2，工件尺寸基本相同，擺放整齊，并留有一定空隙（擺放空隙＜D）時，按下式計算：

G≤300kg：T真1＝T真2＝T真3＝30+D；G＝301～600kg：T真1＝T真2＝T真3＝（30～60）+D；G≥901kg：T真1＝T真2＝T真3＝90+D。式中，G為裝爐總重量（kg），包括工件、料筐、料架及料盤的所有重量；D為工件有效直徑（mm）。

在實際生產過程中，對于變形要求嚴格的工模具，第一次預熱時間應取上限值，第二次預熱取中限值，最終熱處理取下限值。

對于普通合金結構鋼工件或變形要求不太嚴格的工件，第一次預熱的時間可以取下限值，而在最終加熱時取上限值。

對于一次僅裝一件的大型工件，第一次與第二次預熱時間可以取下限，最終加熱時，則根據實際要求取中限或上限值。

3）密封箱式多用爐的369法則。工件在密封箱式爐中加熱的熱效率比真空爐高，故其369法則的參數可以按真空爐369法則中的下限選取，即：G＝301～600kg：T真1＝T真2＝T真3＝30+D；G＝601～900kg：T真1＝T真2＝T真3＝60+D；G≥901kg：T真1＝T真2＝T真3＝90+D。式中，G、D符號意義同369法則2。

（3）高溫滲碳工藝 工件滲碳淬火量大、面廣、耗能大，是熱處理行業提高節能效果突破口之一。對部分要求深層滲碳工件采用高溫滲碳工藝，如1010℃以上高溫滲碳，可比在930℃常規滲碳工藝時間縮短30%～50%，因此顯著降低能源消耗和生產成本。

應用實例：高溫可控氣氛滲碳工藝

齒輪軸，材料為20CrMnTi鋼，滲碳層深度要求為4mm，要求滲碳、淬火與回火。

1）傳統滲碳工藝。滲碳、淬火原采用井式氣體滲碳爐，按照傳統滲碳工藝（見圖1）生產時，總工藝時間為73h，該工藝特點是生產周期長、成本高。

圖1 20CrMnTi鋼的傳統滲碳工藝曲線

2）高溫滲碳工藝與節能效果。現滲碳采用QS6110-H型高溫可控氣氛多用爐，齒輪軸高溫滲碳工藝如圖2所示，滲碳總工藝時間為16h。同傳統工藝相比，滲碳時間縮短57h，節能60%以上，提高設備生產能力2倍以上。

圖2 20CrMnTi鋼的高溫滲碳工藝曲線

（4）化學催滲技術 化學熱處理是一種周期長、效率低、耗能大的工藝。熱處理工作者通過試驗發現，某些化學物質（如稀土化合物、氯化物等）對滲碳、碳氮共滲、滲氮等化學熱處理具有催滲作用，通過催滲，可縮短熱處理時間，提高生產效率，降低生產成本，是一條十分有效的節能途徑。

1）氧化腐蝕催滲技術。該工藝主要有表面預氧化法和化學腐蝕法。化學腐蝕法是在滲氮、滲碳時通過在滲劑或氣氛中添加強腐蝕性物質，如氯化物、氟化物以及碘化物等來實現催滲。

應用實例：用工業純NH4Cl作催滲劑。將NH4Cl粉末溶于工業酒精（一般按每立方米爐內容積加入130～150g的NH4Cl計算）。圖3為在RQ3-75-9型井式滲碳爐內進行的催滲氣體氮碳共滲工藝。

圖3 催滲氣體氮碳共滲工藝曲線

節能效果：①NH4Cl催滲氮碳共滲與氣體滲氮后滲層深度與硬度對比如表2所示。②同普通滲氮工藝相比，NH4Cl催滲氮碳共滲可節省時間50%以上，即相應節省了電能，該工藝操作簡便，安全可靠。

2）稀土催滲技術。在化學熱處理中，在滲劑中添加一定的稀土元素，利用稀土元素的催化作用實現催滲過程，可顯著縮短化學熱處理周期。如在滲碳溫度不變情況下，可以提高滲碳速度15%～25%，提高生產效率20%左右，節能20%左右。

表2 催滲氮碳共滲與氣體滲氮結果對比

應用實例1：連續式滲碳爐稀土快速滲碳工藝 我公司生產的CA-457型“解放”牌重載汽車后橋從動弧齒錐齒輪，外形尺寸為φ457mm×62mm，材料為20CrMnTiH3鋼，技術要求：滲碳淬硬層深度1.70～2.10mm，表面與心部硬度分別為58～63HRC和35～40HRC，碳化物1～5級，馬氏體及殘留奧氏體1～5級。

齒輪滲碳淬火及回火采用雙排連續式滲碳自動生產線，每盤裝6件齒輪，其工藝路線為：450～500℃預處理→880～900℃預熱（1區）→920～925℃預滲碳（2區）→925～930℃滲碳（3區）→890～910℃擴散（4區）→840～850℃預冷（5區）→870℃保溫室壓床淬火→60～70℃清洗→180℃×6h回火→噴丸清理→交檢。

原滲碳工藝與稀土快速滲碳工藝參數對比見表3。通過表3可以看出，采用稀土滲碳工藝后，推料周期由原工藝38min縮短至30min，每一盤齒輪在爐內加熱時間減少6h，提高滲碳速度20%，即提高熱處理生產效率20%。

表3 原滲碳工藝與稀土快速滲碳工藝參數對比

節能效果：表4為項目實施前后單位物料及用電消耗情況。按同比產品產量2000t/年計算，每年可降低能耗65萬kW·h，同時減少滲碳劑的消耗。因此，該工藝節能、降耗效果顯著。

應用實例2：球墨鑄鐵稀土催滲氮碳共滲

球墨鑄鐵由于含碳量高，氮碳共滲時間長，生產效率低，成本高，滲層深度不均，表面硬度低，變形超差。加入稀土元素催滲，提高了產品質量和生產效率。

表4 項目實施前后單位物料及用電消耗情況

氣體低溫氮碳共滲在RN-60-6A型井式氣體滲氮爐中進行，S195型柴油機球墨鑄鐵曲軸每爐114根，（560±10）℃×2h，通入氨氣滴注乙醇，稀土加入量為15g，出爐空冷。

應用效果：經檢驗，加入15g稀土后，氮碳共滲層深度0.10mm，表面硬度450HV，爐次合格率100%。當共滲層深度要求在0.12mm時，常規氮碳共滲需4.5h，而加入15g稀土后僅需2h。

3）BH催滲技術。BH催滲劑中含有一種新的化學物質，它可以改變滲劑的分解過程，促使滲劑充分分解，加快擴散速度。采用溫度不變、提高滲碳速度的催滲工藝，可以提高效率25%，一臺多用爐每年可增加產值80多萬元。

應用實例：齒輪BH催滲工藝

二汽東風精工齒輪廠將BH催滲劑按1200的體積比例分別添加到煤油和甲醇中，在RQ3-105-9型井式滲碳爐中，對材料為20CrMo鋼半軸齒輪進行滲碳，不同滲碳工藝如圖4和圖5所示。

節能效果。50爐次試驗結果見表5。由表5可知，采用BH催滲技術后生產效率提高了20%，每爐節電90kW·h，產品質量提高，且工藝穩定。

圖4 原滲碳工藝

圖5 BH催滲工藝

（5）快速回火技術 采用快速回火裝置回火及淬火鋼的高溫快速回火，可以達到顯著節能效果。

1）采用快速回火裝置回火。德國材料技術研究所提出一種非等溫快速回火的方法，在190℃回火10min可代替160℃回火2h。通過在加熱氣氛和工件之間采用高速對流、涌流等方式，設計更高效的熱轉換器促進加熱，可以顯著減少回火時間，同時還能大大改善整個工件加熱溫度的均勻性。快速回火采用高精度加熱爐，不僅要求回火爐溫度均勻，而且傳熱也均勻。通過使用渦輪可以實現快速傳熱。在Pyro系統（Pyro回火軟件集成了回火計算軟件和Pyrograph熱交換軟件）中工件加熱速度和溫度均勻性得到了優化。

表5 采用不同滲碳工藝后50爐次對比檢驗結果

快速回火裝置應用：采用快速回火工藝能夠顯著提高熱處理效率和工件性能，而且還可以節約地面空間。圖6為汽車連接件用快速回火裝置，工件回火周期為6～8min。圖7為轎車及叉車后軸用快速回火裝置，工件回火周期為20min。

2）淬火鋼的高溫快速回火工藝。淬火鋼的高溫快速回火是，淬火后的鋼件在Ac1點以上溫度，根據工件的厚度代入經驗公式計算出所需回火時間，幾十秒或幾百秒的回火，可以達到按傳統工藝在低溫、中溫和高溫回火幾小時的效果，節能顯著。

圖6 汽車CV連接件用快速回火裝置

圖7 轎車及叉車后軸用快速回火裝置

回火溫度的選定：其選用的原則是，短時間的高溫回火與長時間的低溫回火達到相同的組織結構和力學性能。依據生產上對鋼件性能的需要在Ac1以上某一溫度，準確控制一定的回火時間，使其得到馬氏體、托氏體和索氏體的組織，從而獲得高的耐磨性、高的彈性極限和優良的綜合力學性能。

回火時間的確定：可用如下經驗公式計算：T＝Ks＋AsD。式中，T為回火時間（s）；Ks為回火時間基數（s），As為回火時間系數（s/mm），D為工件有效厚度（mm）。

例如，45鋼用高溫快速回火時，溫度為860℃，選用Ks＝30s，As＝0.3s/mm，D＝10mm，則T＝30＋0.3×10＝33（s），即高溫回火時間為33s，回火后硬度為52HRC。若用傳統工藝時，回火溫度為200℃，回火后硬度為52HRC。

應用實例：對40Cr、45及T10鋼件采用高溫箱式電阻爐加熱回火，當爐溫達到指定的溫度后，根據所需力學性能（即硬度）按表6所給數據來確定保溫時間。

按照表6所給的數據和工件厚度，計算出回火時間，回火后就可以得出在不同時間回火后的力學性能，經與傳統回火工藝所得力學性能對比，具有相近的力學性能。

高溫快速回火法不產生回火脆性，省時、節電，但對高合金鋼和大件回火暫不適用。

表6 高溫快速回火法和傳統工藝回火法與時間對照

應用效果：對經緯紡織機上所用的Roll，以及一些傳動的軸類零件的回火采用高溫快速回火工藝，效果非常好，不僅達到了產品質量要求，而且節約了能源。

（6）用短時加熱淬火代替滲碳淬火的方法

應用實例：20鋼軸承滾柱低碳馬氏體強化代替滲碳工藝

軸承滾柱原采用20鋼滲碳淬火回火處理工藝，耗電大。現改為20鋼920～940℃加熱淬火，加熱時間按35～40s/mm計算，淬入w（NaCl）=6%～10%水溶液，180℃×2h回火。硬度44～46HRC，工時縮短40%，成本降低20%。

2.以局部加熱代替整體加熱方法

應用實例：60Ti鋼中頻淬火取代20MnVB鋼滲碳制造十字軸

十字軸是汽車萬向節的重要零件，一直采用低碳合金鋼滲碳淬火工藝，其使用壽命在3km左右。改用低淬透性鋼中頻淬火工藝，不但節省材料費用和工藝費用，成本降低約50%，而且可提高零件使用壽命。

1）60Ti鋼十字軸中頻淬火工藝：頻率為2500Hz，功率為18～25kW，變壓比12∶2，電壓350～450V，電流160～165A，加熱時間5.5min，用20℃自來水噴冷淬火，水壓0.3～0.4MPa，回火采用160～200℃自回火工藝。

表7 不同材料及工藝十字軸的性能及成本比較

2）十字軸中頻淬火后的性能及成本如表7所示。

3.簡化或取消熱處理工序的方法

（1）滲碳淬火件及感應淬火件取消回火 一些滲碳淬火件及感應淬火件（如結構簡單的光桿軸等）取消回火直接使用，既可充分利用較高的殘余壓應力，獲得較高的疲勞強度，又可以節省能源，簡化工藝，節約工時、工裝及設備維修費用。

應用實例1：拖拉機齒輪滲碳、淬火后取消回火

我公司生產的東方紅-75型拖拉機第二軸齒輪（見圖8，簡稱第二軸），材料為20CrMnTi鋼，重量16.3kg。熱處理技術要求：齒面和心部硬度分別為56～63HRC和＞25HRC，滲碳層深度1.3～1.8mm，馬氏體及殘留奧氏體1～5級，碳化物1～5級，心部鐵素體1～5級，T面圓跳動≤0.12mm，其余≤0.15mm。

圖8 第二軸齒輪簡圖

1）第二軸齒輪加工工藝路線。正火→機加工→清洗→滲碳→淬火→清洗→回火→噴丸清理→锪中心孔→校直→機械加工（第二軸軸徑磨削→主、從動齒輪配對→包裝）。

2）原熱處理工藝。第二軸齒輪滲碳采用RQ3-9-9型井式氣體滲碳爐，淬火采用RYD-100-8A型插入式電極鹽浴爐，回火常用RJ2-75-6型井式回火爐。第二軸齒輪滲碳、淬火及回火熱處理工藝見圖9。

圖9 第二軸滲碳、淬火及回火熱處理工藝

第二軸齒輪原工藝采用滲碳后空冷，再進行二次加熱淬火，最后進行180℃×3h低溫回火。

3）新的熱處理工藝。第二軸齒輪滲碳后空冷和二次加熱淬火的工藝不變，取消180℃×3h的低溫回火工序。

4）新的加工工藝路線。正火→機加工→清洗→滲碳→淬火→清洗→噴丸清理→锪中心孔→校直→機械加工（第二軸軸徑磨削→主、從動齒輪配對→包裝）。

5）節能效果。每爐裝120件（40件/筐×3筐/爐）第二軸。一般工業用電價格按0.85元/kW·h計算。年產按45000件計算，年可節電10萬元以上。

應用實例2：汽車變速器齒輪軸中頻淬火后取消回火

北京齒輪總廠通過對212型汽車變速器中間齒輪軸（下稱48軸，φ19.05mm×218mm）和倒擋齒輪軸（下稱94軸，φ19.05mm×76mm），表面經中頻淬火后取消回火工序后的效果如下。

1）不同工藝條件下試樣表面硬度比較，試樣中頻淬火后，硬度值在58～60.5HRC，而淬火回火試樣硬度值55.5～57.0HRC，回火后硬度值下降了2～5HRC。

2）選50件48軸，中頻淬火后不經回火直接磨削產品，經無損檢測，未發現表面裂紋，存放半年后未發現表面裂紋。取消回火工藝的實際應用情況表明，48軸中頻（8000Hz）淬火后不經回火，經校直的零件，尺寸變形穩定性良好，也從未發現因淬火應力導致產生裂紋的現象。

3）選取48軸各30件中頻淬火后回火（160℃×2h）與不回火，校直后均存放半年，表面徑向圓跳動基本上不發生變化，一般絕對值僅為0.01～0.02mm，變形量處于穩定狀態中。

4）減少了淬火區長度，使上述兩種產品的淬火加熱時間平均減少了10%～15%。綜合以上因素，取消回火工序，每年所帶來的直接經濟效益在2.6萬元以上。

（2）用振動時效代替熱振動時效方法 鑄鐵件及焊接件采用振動時效消除殘余應力比爐內加熱法節能效果十分明顯，且方便易行，可顯著提高加工效率。通常情況下，振動時效與熱時效相比，生產費用可節省75%左右，能源消耗僅為熱時效的1/30，生產周期僅為熱時效的1/50～1/40。

通過對機床座及其他鑄鐵件進行振動時效和熱時效處理對比試驗，振動時效能夠消除殘余應力40%～60%，熱時效能夠消除殘余應力50%～70%，振動時效所消耗能源僅為熱時效的5%左右。

應用實例：蘭州石油化工機器總廠生產的Z01.1.18機床座，材料為HT200，單件重量900kg，最大與最小壁厚分別為50mm和20mm。

1）振動時效工藝參數。根據工件的材質、重量、幾何形狀的不同，合理選擇激振力的檔次等。振動工藝參數見表8。

表8 振動時效工藝參數

2）應力測試。找出殘余應力較大部位進行應力測試，測試數據見表9。

表9 殘余應力測試結果

從表9可以看出，熱時效與振動時效分別能夠消除機床座殘余應力的57%和45%，結果比較理想。對機床座其他部位也進行測試，結果與預期吻合。

3）節能效果。熱時效與振動時效耗能與成本比較見表10。

表10 熱時效與振動時效耗能與成本比較

從表10可以看出，振動時效比熱時效節能96.8%，成本降低98%，因此采用振動時效方法經濟效益十分顯著。

4.余熱熱處理方法

充分利用鑄、鍛（軋）工序的余熱進行熱處理，節省重新奧氏體化時所需的高額熱量，對大批量生產的標準件、汽車零件、工具等，節能效果是十分巨大的。

常用鍛造余熱熱處理有余熱等溫退火、余熱正火、余熱淬火及余熱調質等，為了保證鍛造余熱熱處理質量，需要嚴格控制鍛件的始鍛和終鍛溫度及終冷過程控制。在生產中采用鍛造余熱熱處理能夠使毛坯熱處理能耗降低50%～70%。

（1）鍛造余熱淬火

應用實例：42CrMo鋼重載汽車平衡軸鍛造余熱淬火

斯太爾重型汽車用平衡軸，材料為42CrMo鋼，要求調質處理后：硬度27～34HRC，表面與心部的金相組織分別為1～2級和1～5級，距離表面15mm處抗拉強度為900～1050MPa。

1）原工藝流程。下料→中頻加熱→滾鍛→成型→切邊→熱校正→調質→噴丸→無損檢測→噴漆。

原調質工藝為：（850±30）℃×2.5～3h加熱淬火，水冷至150～200℃提出液面；（600±10）℃×3.5～4h回火。平衡軸經原工藝處理后問題較多，且產量低，成本較高。

2）新的工藝流程。下料→中頻加熱→滾鍛→成型→切邊→熱校正→余熱淬火→抽檢硬度→回火→100%硬度檢查→金相與力學性能檢查→噴丸→100%無損檢測→噴漆。

3）平衡軸鍛造余熱淬火工藝。鍛坯在1100℃加熱后，進行鍛造處理，將鍛造成形后至淬火冷卻的轉移時間控制在40s以內，用紅外測溫儀測量工件入淬火液（即質量分數為10%的PAG-Ⅰ型淬火冷卻介質）淬火前的溫度為800～820℃；控制淬火液溫度在≤45℃，工件入淬火液后1min內采用大的攪拌烈度，然后緩慢攪拌，6～8min后將工件提出淬火液面入爐回火。平衡軸鍛件鍛造余熱淬火工藝見圖10。

圖10 平衡軸鍛件鍛造余熱淬火工藝

4）應用效果。平衡軸鍛熱淬火與常規熱處理對比，不僅顯著提高了產品的熱處理質量和使用性能，生產效率提高了50%以上，而且每件成本降低15元，全年共節約70萬元以上。

（2）鍛造余熱正火 利用鍛造余熱，通過合理控制冷卻速度等工藝參數，對鍛件進行正火處理，可以獲得顯著的節能效果。

應用實例：對低碳合金鋼，如15Cr、20Cr、20CrMnB，終鍛后，以一定的速度冷卻到500～600℃，立即加熱到Ac3以上，進行正火處理，其工藝如圖11所示。各種鋼的鍛造預熱正火溫度如表11所示。

表11 低碳合金鋼鍛造余熱正火溫度

（3）鍛造余熱調質工藝 采用鍛造余熱調質工藝進行生產，不僅可以獲得顯著的節能效果，而且還可以提高產品的力學性能，減少工序環節，縮短生產周期，因而得到廣泛應用。

應用實例：重慶歇馬機械曲軸有限公司在摩托車發動機曲柄生產中采用鍛造余熱調質工藝，取得顯著效果。將45和40Cr圓鋼經中頻感應加熱鍛造成形后進行余熱恒溫調質處理，其熱處理工藝如圖12所示，精鍛后部件外形尺寸為φ115.7mm（大端外徑）/φ22.3mm（小端外徑）×148.5mm（長度）。

圖12 曲柄鍛造余熱調質工藝

根據不同材料、零件的幾何形狀，采用新型自動化恒溫設備，可對終鍛后的工件立即進行短時850℃恒溫處理，通過精確控制爐溫，保證工件溫度均勻，采用濃度約為10%（質量分數）的KR7280水溶性淬火冷卻介質。為了與鍛后余熱調質工件的組織與性能進行對比，將精鍛后的工件空冷至室溫，然后用箱式爐加熱奧氏體化后重復上述淬火、回火過程，即常規調質處理。

節能效果：①45和40Cr鋼曲柄經鍛造余熱調質處理能夠顯著提高淬透性，組織和硬度分布均勻，力學性能優于常規調質后的工件。②常規調質工件平均耗電量為0.5kW·h/kg，而鍛造余熱調質工件平均耗電量只有0.3kW·h/kg，節能40%左右。

5.降低加熱溫度方法

鋼在二相區（亞溫）加熱淬火。亞溫淬火工藝的優點是在保證材料強度、硬度的同時，使塑性和韌性得到改善，而且淬火變形或開裂傾向明顯減少，并可以顯著降低能耗。

應用實例：錐齒輪外形尺寸φ32.93mm×20mm，內孔直徑10mm，材料為45鋼，要求調質硬度220～250HBW，齒部高頻淬火硬度40～46HRC。

1）原加工工藝路線：鍛坯→正火→粗車→調質→機加工→高頻淬火→磨削內孔，加工工序繁多，耗能多，成本高。對此，取消正火、調質，直接進行亞溫淬火，不僅保證了產品質量，而且降低了生產成本。

2）亞溫淬火工藝及效果：45鋼錐齒輪經（780±10）℃鹽浴加熱，保溫8min，水冷，（320±10）℃保溫1h回火后，經檢查齒部硬度42～45HRC，經磁粉檢測，未發現淬火裂紋。

二、節能熱處理設備技術

實現熱處理設備節能措施主要有：提高設備能源利用率、合理選擇能源、減少爐前熱損失、充分利用廢熱等。同時，選擇節能環保熱處理設備。先進的熱處理設備如多用爐、網帶爐、離子滲氮爐、真空爐、密封箱式爐直生式滲碳系統等，這些設備在保證零件熱處理質量的同時，通常具有良好的節能環保的效果。各種爐型按熱效率（由高到低）排序為：振底爐、網帶爐、井式爐、輸送帶爐、箱式爐和鹽浴爐。

1.合理選擇能源

熱處理能源一般可分為電能和燃料兩大類，用電或用燃料。用何種燃料取決于生產成本，能源供應條件，操作與控制的難易程度、可靠性，熱處理工藝的特性和對生態環境的影響等綜合因素。天然氣是一次潔凈的優質能源，熱值高，無二次污染等特點，在通常技術條件下，其熱效率可以達到50.5%，較煤、電熱效率高出近1倍。熱處理爐除直接燃燒可獲得至少30%的熱效率外，煙道氣廢熱還可以用于較多的熱處理用途，使絕對的熱利用率可達到80%以上。天然氣能源用于熱處理生產已取得巨大的經濟效益，節能顯著，環保效果良好，是熱處理設備節能要考慮的首要問題。

應用實例1：陜西法士特集團公司熱處理廠，使用一次能源天然氣加熱，以愛協林5/2型多用爐為例，一臺多用爐用電年節約14萬元。

應用實例2：一汽集團公司熱處理廠，將天然氣廣泛用于氣體滲碳、碳氮共滲、光亮淬火、復碳處理等工藝的富化氣或吸熱性保護氣。自2000年全面采用天然氣代替丙烷氣做原料氣以來，汽車單車原料氣成本大幅度降低。全部采用丙烷氣做原料氣時，單車原料氣成本為38～40元/輛，而全部采用天然氣做原料氣時，單車原料氣成本為12～15元/輛，僅2002年就節約熱處理成本約350萬元。

2.燃燒廢熱利用技術

（1）進行預熱空氣 利用煙道氣廢熱預熱燃燒用空氣，可用獲得很大節能效果。把燃燒用空氣預熱到400℃可節約16%～20%燃料，預熱到600℃可節能25%～30%燃料。把燃燒室空氣過剩余數α控制到1.1～1.2，可節約10%～20%燃料。

應用：把煙道氣收集起來用于回火和清洗液、淬火油的加熱節省更多的燃料。自滲碳爐中排除的吸熱式氣氛或甲醇裂解氣也具有顯熱和熱值，也可用于淬火油、清洗液和回火爐的加熱。排除的煙道氣最后還可用來冬季取暖、燒熱水等生活用途。因此，熱處理廢熱的再生利用潛力很大。

（2）燃燒脫脂爐 該爐用于密封滲碳爐或連續式滲碳生產線上工件的前脫脂和預熱，用燃燒器通入氣體燃料加熱（見圖13），爐溫保持500～550℃。工件表面油脂揮發后也參與燃燒，燃燒用空氣依靠煙道廢熱預熱，既脫脂又預熱工件，節能效果顯著。工件表面的輕微氧化有助于減輕滲碳時鋼件的內氧化，并提高滲層的均勻性和滲碳速度。

（3）熱能多次綜合利用的滲碳淬火生產線 該生產線（見圖14）是利用滲碳廢氣加少量丙烷作為燃燒脫脂爐熱源。脫脂爐排除的氣體用作回火爐熱源。淬火油的多余熱量用來加熱清洗機的堿液和清水。

圖13 燃燒脫脂爐

圖14 熱能多次綜合利用的滲碳淬火生產線

應用實例：日本東京熱處理株式會社（現改名為同和礦業）曾開發一種多次利用廢熱的連續式滲碳、淬火、清洗和回火生產線。滲碳前清洗改用燃燒脫脂。脫脂爐燃料是滲碳廢氣加少量丙烷氣，排除的廢氣和油煙用在回火加熱，回收近50%的熱量。淬火油的熱量用來加熱清洗槽中的堿液和清水，可回收40%～60%熱量。通過廢熱的多次利用，使整條生產線的燃料消耗降低40%。

3.推薦節能熱處理設備

節能熱處理工藝的實施需要良好的熱處理設備作保障。對此，推薦使用節能熱處理設備，表12為2010年已列入《工業和信息化部節能機電設備（產品）推薦目錄》中的21項熱處理節能裝備。

表12 推薦節能熱處理設備