节能减排重在热处理工艺创新

安徽宿州模具热处理研究中心（234000）赵昌胜

热处理行业是消耗能源的大户，其用电量约占机械行业的30%，在热处理行业中要开展节能是热处理工作者面对的一项十分重要的课题。谈及热处理节能，人们往往重视先进设备的应用，其实先进设备应用往往要结合具体情况，大部分情况下，先进设备往往是能源的最大浪费。笔者认为热处理工艺的创新、产品质量的提高、使用寿命的延长才是真正的节约能源。

一、设备更新要注重节能效益

可控气氛密封箱式多用炉生产线是先进的热处理设备，对提高产品质量，减轻工人劳动强度，改善工作环境有较大益处。笔者曾和温州最大的一家民营热处理厂的领导谈及此事，该厂有职工50多人，年产值600万元以上，按道理讲买一套多用炉是可以的，但该厂领导认为：工厂原有设备已经完全能满足生产需要，花400多万元买一套多用炉就会造成很多设备闲置，再加上高昂的费用，是工厂无法承受的，工厂的效益也会大大减少。

而在安徽某国营企业，热处理年产值不足30万元，工人只有2名，在已有高频、中频电炉各1台，1台气体渗碳炉，两台箱式电炉，已可完全能满足生产需要的情况下，为提高产品质量又花400多万元购进一套多用炉生产线，其银行贷款利息差不多和热处理产值差不多，而产品大多为调质件、渗碳件，多用炉基本闲置或大材小用。而多用炉用电量惊人，每月用电量翻一番。

一种设备两种态度，我赞成前者。设备更新既要考虑产品质量，更要考虑节约能源和经济效益。

二、真空热处理电炉的优劣

近三十年来，随科学技术的发展，真空热处理技术如雨后春笋迅速发展。真空热处理，顾名思义，就是在真空中进行热处理，真空热处理可确保零件无氧、无脱碳且表面保持光亮的金属本色、变形量小等特点。它是提高产品质量的一条重要途径。

但是真空热处理不是万能的，它的应用有一定的局限性，以锻模为例，其工作部位和燕尾部位具有不同的硬度要求，在真空炉中加热无法实现。对于大小工件都放在真空炉中进行统一加热保温和统一进行淬火冷却，这两个统一时间是违反零件加热保温时间系数和淬火冷却时间的系数，是不符合热处理科学的，真空淬火炉越大、大小工件装炉越多，产品质量越差。

在真空热炉中进行热处理，其加热主要靠辐射，而低温时辐射较慢，故平均加热速度比有对流的电炉慢，加热时间相应延长，一般认为真空加热保温时间是盐浴炉加热的3～5倍，是空气加热炉的2～3倍，以此可以看出，真空炉在节能方面是所有电炉中最差的。大量的生产实践表明：真空热处理周期最长、生产率低、成本高、设备投资大、能耗大。再之大部分模具和工件在淬火前都留有加工余量，真空热处理后的一些优点（无氧化脱碳、表面光亮）一磨了之。所以，笔者认为少数要求较高零件及热处理后不再加工零件可采用真空热处理，一般要求不高或热处理后仍需精加工的零件，仍采用普通电炉进行加热淬火，这也是一项节能措施。

三、热处理工艺创新是节能创优增效之本

在机械零件早期断裂失效的许多原因中，材料和热处理要占70%，目前国内热处理企业技术水平不高，大多仍采用传统马氏体淬火工艺，以零件硬度恒量产品质量的高低，零件韧性不足，表面硬度不足，导致产品使用寿命低。所以，提高产品质量，延长零件使用寿命，只有在创新工艺上下功夫，这也是一种最好的节能增效措施。

1.采用复合热处理

模具的复合热处理也被称为模具的表面强化热处理，把模具的淬火和表面强化结合起来，是提高模具表面耐磨性的有效措施，气体氮碳共渗可使模具使用寿命提高2～5倍，笔者在多篇文章中介超过，现在仅举一例。当然，渗硼、渗矾和碳化钛等热处理后的零件耐磨性更高。

实例：3Cr2W8V钢热挤压模的氮碳共渗工艺。

3Cr2W8V钢热挤压模在工作时承受反复的加热和冷却，同时还要承受不同程度的机械应力，因此，要求模具具有较高的表面硬度、耐磨性、冷热疲劳性和较高的红硬性。常规淬火、回火后，模具表面硬度48～52HRC，模具使用寿命为5000件左右，其主要失效形式为型腔内周角出现裂纹，模具型腔工作面磨损而无法再使用。后来我们对该类模具进行表面强化处理，即模具淬火、回火后再进行氮碳共渗。其热处理工艺为：淬火温度1150℃油淬，回火温度为600℃，回火后的金相组织为回火马氏体，其硬度为48～52HRC。

气体氮碳工艺即把淬火、回火后的模具清洗和修整，烘干后在井式渗氮炉中加热580℃，密封炉盖后通入氨气并滴入酒精，重新升到580℃保温4.5h后出炉油冷。处理效果，模具表面硬度为1060HV，化合物扩散层厚度0.20mm，模具使用寿命达1.8万～2.0万件，使用寿命提高3倍以上。

2.强韧化热处理技术

工件早期断裂失效多种原因中，往往是产品韧性不足引起。我们在某单位发现一批轴接头使用不长时间就产生断裂，检查其调质硬度完全符合技术要求。全相组织检查，发现有大块铁素体组织，造成轴接头韧性不足。热疲劳是金属在交变应力作用下往复塑性变形产生损伤的积累，使工件早期断裂。韧性是一门科技含量很高的学科，是国内外热处理科技工作者研究的一个重要课题。

传统的热处理工艺往往只重视产品的硬度和强度，对韧性认识不足，这是造成一些产品寿命不高的重要原因。下面简要介绍几种强韧化热处理技术。

（1）亚温淬火技术的应用 亚共析钢在Ac1～Ac3温度之间加热淬火称为亚温淬火，亚共析钢在临界区加热淬火，由于能得到极细的奥氏体晶粒，并使磷等有害杂质集中于少量游离分散的铁素体晶粒中。淬火后得到了少量游离铁素体+马氏体+弥散分布的细小残留奥氏体。亚温淬火能显著改善钢的韧性，因而在生产中逐渐得到应用。

例如：45钢离合器轴采用亚温淬火并低温回火后，可得到细隐晶回火马氏体+微量铁素体，较常规淬火强度略有增加，塑性提高3～4倍，韧性提高1倍，提高工件质量并减少轴的变形和开裂，延长了轴的使用寿命。

（2）等温淬火（含马氏体等温淬火和贝氏体等温淬火，本文主要介绍马氏体等温淬火）零件奥氏体化后淬入低于Ms点以下50～100℃的热浴中等温，待内外均温后取出空冷，以获得马氏体的淬火方法，称为马氏体等温淬火，高碳高合金钢模具多用此工艺方法。

例如：T10A钢模具常规淬火+回火，硬度为52.5～53HRC，aK值为16.27～19.01J/cm2等温淬火后：硬度为52～52.5HRC，aK值为54.17～60.96J/cm2。大大提高了钢的韧性，模具使用寿命提高了3倍。

（3）低碳马氏体淬火 适用低碳钢和低碳合金钢，其在强烈水淬后组织为低碳马氏体，具有板条状形态及位错型亚结构；在淬火或低温回火状态，强度高且塑性、韧性良好；缺口敏感性也较小，因此在石油、矿山、机械夹具等方面得到了广泛的应用，成为发挥钢材强韧化潜力，延长机械零件寿命的一个重要途径。

（4）复合淬火工艺 一些工模具钢和结构钢在加热奥氏体化后，先在Ms以下温度冷却，形成一定量马氏体，然后在下贝氏体温度等温度淬火，经过复合淬火处理的模具其变形远比马氏体淬火小得多，也比单纯下贝氏体等温淬火小，其韧性、耐磨性要比传统马氏体淬火优的多，其断裂韧度和冲击韧度要比马氏体淬火高80%和3倍以上，由于复合淬火法获得坚韧的M/B下复相，经复合淬火法的模具使用寿命要比马氏体淬火提高1～6倍。

工艺实例：高速钢加热后先淬入160℃热浴中，保持2～5min，使之产生少量马氏体，然后转入260～280℃热浴中，保持15～230min，工件变形较小，韧性有所提高。30多年实践证明，复合淬火法具有独特技术优势和广阔应用前景。另外，高碳高合金钢的固溶细化处理，快速加热循环淬火工艺，都可使其显微组织得到超细化，使强度和韧性同时提高。

对模具而言，有些人单一强调模具硬度越高，使用寿命越长，这种观点是错误的。在一些模具中适当降低其硬度要求（如Cr12钢，笔者认为硬度要求54～58HRC最好），只要韧性有所提高，模具的使用寿命就有所增加。

总之，工件的强韧化处理技术是广大热处理工作者几十年辛苦研究的丰硕之果，是创优产品必由之路，也是最好的节能减排。