金属材料热处理节能技术研究进展

摘要：节能是目前热处理技术发展的重要主题。从工艺、材料、设备等方面介绍热处理节能技术的研究现状，展望热处理节能技术的发展方向。

文献标识码：A

文章编号：1673-1816(2015)03-0081-08

收稿日期：2015-04-18

作者简介：张存来（1956-），男，副教授，研究方向材料加工工艺研究。

1 引言

热处理是机械制造工业中的重要基础技术 [1]，是保证金属材料内在质量，提高产品使用性能和可靠性的关键工序，同时也是制造业中能耗大、污染严重的环节。据统计，我国每年钢材热处理的总质量约为钢材总产量30 %，年实际热处理生产量超过1亿吨。全国热处理加热设备（以75kW为一标准台）约15万台，装机容量1100万kW。假设热处理加热设备的平均利用率为30 %，15万台设备的每年消耗电总量为99亿kW·h [2]。也有数据指出，热处理行业能耗高达230亿度，约占机械制造业总耗电量的25 %，热处理能耗费用在热处理工序成本中所占比例达30 %～40 % [3]。

面对能源和环境问题的压力，美国在2004提出了热处理路线图，指出2020年热处理发展目标中要求能源消耗减少80 %，工艺周期缩短50 %，工艺成本降低75 % [4]。它给人们的启示是：热处理制造领域的节能降耗有巨大潜力 [5]。我国机械行业热处理单位能耗一般在800 kW·h /t以上，而工业发达国家一般都在400 kW·h /t以下 [6]，有很大差距。我国国家质量监督检验检疫总局于2002年发布了《热处理节能技术导则》。规定了在热处理生产中为避免能源浪费、确保能源的合理使用应采取的主要节能途径和措施 [7]。我国热处理行业在“十二五”期间提出的节能目标是总体节能20 %，单位平均电耗达到500 kW·h /t以下 [8]。

热处理节能技术包括采用节能的热处理工艺、开发加速热处理过程或省去热处理工序的材料以及热处理设备的节能改造等。目前已经开展了热处理工艺、材料、设备等方面的节能技术研究，取得了很好的效果。

2 采用节能的热处理工艺

热处理是通过对金属材料的加热、保温、冷却过程进行合理控制而提高材料性能的一种技术方法。其中加热和保温阶段是主要的耗能过程，近些年来，热处理工作者打破传统的思维方式，在缩短加热、保温时间，利用余热等方面进行工艺优化，取得了很好的节能效果。

2.1 缩短热处理加热时间、降低加热温度

（1）零保温淬火

“零保温”淬火，是将工件加热到淬火温度后不进行保温，而立即进行冷却处理的热处理工艺。与常规热处理工艺相比，零保温工艺省去了奥氏体组织均匀化所需要的保温过程，降低能耗20 %～30 %，提高了劳动生产率。李安铭等采用“零保温”淬火处理25 MnV钢，将淬火温度提高到930℃，加热到淬火温度立即冷却后，得到细小的板条马氏体组织，具有较高的强度、硬度 [9]。冯旭东等对65Mn钢“零保温”淬火后的显微组织和性能进行了研究，发现由于“零保温”淬火工艺加热时间短，奥氏体晶粒来不及长大，故晶粒细小，性能优于常规的保温淬火 [10]。

（2）不均匀奥氏体加热淬火

通常淬火加热时，需要将钢加热到奥氏体状态充分保温，使碳化物溶解、奥氏体达到均匀化，这往往需要较长时间，但奥氏体未达到均匀化即施行淬火并不影响其淬火、回火后的性能，在某情况下甚至性能更好 [11]。王学前等采用不均匀奥氏体加热淬火工艺，使GCr15钢淬火后既细化了奥氏体晶粒又细化了马氏体，同时还获得了低碳板条马氏体及呈薄膜状或集聚态的残余奥氏体包围在碳化物周围的组织，使GCr 15钢的韧性得到提高 [12]。

2.2 缩短化学热处理过程

（1）薄层渗入技术

传统观点认为，渗层性能与其厚度成正比，实际上，过深的渗层不但降低制件的韧性且不利于性能的提高，还浪费能源，增加成本，同时由于加热时间的增长而使污染上升 [13]，因此确定合理的渗层深度，对提高产品质量和节能减排有重要的意义。如在自行车钢球生产中，采用薄层渗碳后，不但使生产效率提高42%，节电30 %，也使甲醇和煤油的消耗下降52%，寿命提高2倍，取得节能环保双重效果 [14]。

（2）低压真空渗碳

渗碳温度对渗碳速度起着决定性的作用，适当提高渗碳温度，可以显著缩短工艺时间。低压真空渗碳由于有可能提高渗碳温度和可靠的控制技术，在解决深层渗碳问题方面，显示出极大的优越性。将低压真空渗碳技术应用于大尺寸工件的深层及超深层渗碳，工艺时间缩短达50%，对能源的节约和生产率的提高具有重大的意义 [15]。

（3）稀土催渗技术

与其它催渗技术最重要的差别在于稀土原子具有特殊的电子结构，决定了它具有很高的化学活性，可以与碳、氮原子共同渗入到被渗基体内。稀土原子在化学热处理中能起到活化催渗作用, 显著提高渗速，渗碳速度可提高20 %～30 %，渗氮速度提高达40 %～50 % [16]，有显著的节能效果。同时，稀土元素被渗入钢件表层, 有效地改善了渗层组织和性能 [17]。

（4）BH催渗技术

BH催渗技术是我国学者独立自主开发成功的一项具有国际领先水平的新技术。该技术的核心是通过在渗碳气氛中添加微量的催渗剂，促进渗碳介质充分分解，并在分解过程中产生部分正四价碳离子。正四价碳离子（半径0.15 nm）的体积只有碳原子（半径0.77 nm）体积的1/135，因而活性高，在奥氏体中扩散阻力小、扩散速度快 [18]。

BH技术的主要特点有以下几个方面：在工艺温度降低40℃以上条件下（≥810℃）可保持工件在原工艺温度下的渗速不减。在同样工艺温度下比常规渗碳或碳氮共渗渗速快20 %以上，可显著减少工件在高温阶段的保持时间，节约电能，提高生产效率，减少变形。某厂采用BH技术对汽车半轴齿轮进行渗碳处理，生产效率提高了20 %，每炉次节电90kW·h [19]，取得显著的节能效果。

2.3 利用其他工艺过程余热热处理

零件的锻造、铸造温度一般高于普通热处理的加热温度，往往需要降到室温之后，重新加热进行热处理。如汽车齿轮锻造的终锻温度一般在900℃以上，此时工件仍处于奥氏体状态，如迅速将其均匀冷却到A r1以下进行正火或淬火等处理，可以大大节约能源。

（1）锻造余热热处理

陈希原对42CrMo钢平衡轴锻件采用锻造余热淬火，省去了常规热处理的重新高温长时间加热，节省大量的能源，节省设备和人力 [20]。刘云旭等利用锻（轧）余热等温正火代替普通等温正火或普通正火，每吨锻件可节电400kW·h [21]。肖结良对2Cr13不锈钢挤出模锻后直接淬火，再经高温回火，发现完全可以代替原有的锻后调质工艺。以一台180 kW 的台车炉为例，每炉次能节电1100 kW·h，处理时间从15 h缩短为7 h [22]，显著降低能耗，提高工作效率。

（2）铸件余热热处理

传统的耐磨铸钢热处理是将铸件加热到高温，保温一定时间后淬入油中或水中，然后进行低温回火。张茂勋提出了利用铸造过程的余热淬火，然后直接进行回火的工艺来代替传统的热处理工艺 [23]。他将这一热处理工艺用于低合金耐磨铸钢件的处理，获得了与常规热处理相近的力学性能和耐磨性。同时节约了大量能源、劳动力，缩短了生产周期。

何亮等开展了铸造319铝合金铸件余热热处理的研究。该工艺将铸件在砂型中完全凝固或冷却到一定温度时与砂型砂芯一起或落砂后放入高温处理炉内进行固溶处理。相同的固溶处理条件下，采用余热热处理工艺的试棒的抗拉强度有所提高，达到相同抗拉强度所需的固溶处理时间可缩短为传统热处理工艺的1/3～1/2 [24]。

2.4 采用热处理新工艺

（1）强烈淬火技术

强烈淬火工艺是乌克兰学者Кобско院士1992年发明的一种新型热处理工艺。特点是冷速极快，而不必担心钢件的过度畸变和开裂。其核心是快速冷却过程中，在钢件的表面形成高的压应力，如冷速大于30℃/s，表面的压应力可达 1200MPa，可显著缩短渗碳时间，甚至取消喷丸工艺 [25]。该技术具有重大的节能效果。傅宇东等的研究表明：20CrMnTi钢经强烈淬火后的组织主要为板条马氏体，抗拉强度最高达1521MPa，比传统的渗碳淬火处理提高约38%，冲击韧度最高达1392.66kJ/m 2，较渗碳淬火有较大提高 [26]。强烈淬火还能使渗碳时的扩散时间缩短50%或更多 [27]。

（2）磨削加热淬火

磨削加热淬火1996年由Brinksmeier等人提出 [28]，它是主动利用磨削热对工件表面进行热处理，将磨削加工与表面强化合为一体，代替感应加热表面淬火。通常利用粗磨产生的切削热作为热源进行表面淬火，再利用精磨得到高的精度和表面质量。磨削加热淬火可获得与感应加热表面淬火相似的表面硬化层，表面硬度达到HRC53左右 [29]。该技术可利用磨削产生的余热，并易于在生产线上实现热处理。

（3）振动时效处理技术

利用不同频率产生的多谐波共振原理来消除金属制件的残余应力，代替传统的热处理去应力工艺，可大大节约电能。与热处理技术相比采用振动时效处理技术可节能40%，金属韧性可提高35% [14]。

3 加速热处理过程或省去热处理工序的材料

3.1 非调质钢

采用棒材和线材作原料的构件，多数加工后需要进行调质热处理。调制处理通过淬火加高温回火来完成，是高能耗的热处理过程。非调质钢具有节省能源、减少淬火变形开裂，工业简单等优点，在汽车工业中得到广泛应用 [30]。

微合金非调质是指在钢中加入微量的钒、钛、镍等元素，经过锻造或轧制冷却后在铁素体和珠光体中析出碳化物或碳氮化合物，这样在达到高强度和保证韧性的同时又省去了调质处理，减少了热处理工序和设备，避免热处理变形和淬火裂纹造成废品，降低了能耗和成本 [31]。

3.2 快速渗碳钢

除了开发缩短化学热处理过程的渗碳工艺之外，从材料本身的成分设计出发也开展了相关的研究。

通过调整渗碳钢中影响碳原子扩散的元素的含量，达到缩短渗碳时间，节约能源的效果，可以达到较采用常规渗碳钢缩短20%～40%的渗碳时间。如日本通过在渗碳钢SCr420中添加Ni开发出了快速渗碳钢ES1 [32]。

提高渗碳温度可以明显缩短渗碳时间，但在高温下材料的晶粒急剧长大而导致工件性能恶化，因此需要通过成分的设计来阻止高温下晶粒的长大。国内外开发了20MoCr5、17CrNiMo6、20MnCr5等高温渗碳钢，可使渗碳温度提高到1000℃，缩短渗碳周期50%以上 [33]。

3.3 快速渗氮钢

渗氮工艺往往需要很长的时间，提高渗氮温度可以缩短渗氮工艺的时间，但同时会显著降低渗碳层的硬度。因此研制了添加Ti的快速渗碳钢，保证在650℃以上渗氮时获得高的表面硬度。如日本研制的N6 型快速渗氮钢，与普通渗氮钢SACM1相比，经650℃处理获得0.5 mm深渗氮层的工艺时间从48 h减少到6 h [33]。

近来又开发出多种快速渗氮新钢种，如25CrMoV、30Cr3NiVNbAl和25CrNiNoVZrAl，比一般合金钢渗氮速度提高10 % [34]。

3.4 免退火冷镦钢

汽车标准件常采用冷镦成型。免退火冷镦钢通过调整化学成分，控轧、控冷，细化晶粒，降低轧制态的硬度，提高其塑性变形能力，减少变形抗力 [35]。由于采用免退火冷镦钢，省略了冷拔前的退火工艺，达到节能、降低生产成本的目标。

4 热处理设备节能

采用高效节能先进的热处理设备是实现热处理节能目标的重要步骤。对热处理炉，可以采取的措施主要有：合理选择能源；充分利用余热；优化炉体结构设计，减少热损失，提高热效率；尽可能采用蓄热少、绝热性好的轻质耐火材料炉衬；采用密封炉体结构等 [37]。

4.1 使用代替能源

热处理的能源一般可分为电能和燃料两大类。电加热干净，温度易控制，辅助设施少，操作简便。用电阻炉加热理论上可获得70 %～80 %的热利用率，但电是二次能源，考虑到发电的效率，电阻炉的综合热利用率不超过30 %。

（1）天然气加热技术

天然气是一次能源，热处理炉除直接燃烧可获得至少30 %的热效率外，烟道气废热还可用来预热燃料，用于空气、回火炉加热、清洗液和淬火油的加热以及其他用途，使绝对的热利用率可达到80 %以上。目前，先进工业国家的热处理燃料炉占有相当比重。据调查，西欧国家热处理用燃料炉的比重占20 %～30 %，美国占25.5 %，而日本燃料炉主要用重油、煤油、液化气和城市煤气，总共占61.4 % [37]。我国天然资源丰富，为热处理行业创造非常便利的用气条件。如在以天然气为热源的铝合金热处理生产线中，固溶热处理炉排出的废烟气，作为时效炉的加热源，减少废气及有害物质的排放量，充分利用余热，降低能源消耗，改善生态环境，降低产品制造成本 [38]。

（2）油电、气电复合加热技术

采用油电复合加热等温球化退火炉，使轴承钢球化退火时间缩短至8～9h，球化退火显微组织达到均匀、细小、弥散、圆整分布的理想目标，先进的燃油技术使烟尘黑度系数符合环保要求 [39]。

（3）太阳能热处理技术

高殿奎等发明了一种太阳能热处理炉，并利用其对9SiCr冷冲压凸模的刃口进行太阳能淬火，提高了刃口的耐磨性，使凸模的使用寿命提高了8倍，同时有很好的节能效果 [40]。

4.2 氮基气氛热处理

氮气是一种中性气体，根据不同的热处理目的，在氮气中加热适量的添加剂就形成氮基气氛。常用的添加剂由碳氢化合物、烃的含氧衍生物、含氮有机物以及H 2、NH 3、CO、空气、H 2O等其他气体。一般氮气占炉内气氛的40 %～97.8 % [41]。使用氮基气氛有明显的节能效果，如氮基气氛氮碳共渗的渗速比吸热式气氛氮碳共渗的渗速快，而渗层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性相当。

4.3 Ni3Al金属间化合物耐热构件材料

添加Cr、Zr、Mo和B改进的Ni 3Al材料具有出色的热强性、抗蠕变及抗渗碳能力。Ni 3Al构件的寿命比耐热钢高一倍以上，可以减少炉子维修次数、缩短工艺周期、提高热处理工件寿命、提高渗碳温度，节能效果显著 [42]。

5 展望

在能源和环境问题日益突出的形势下，热处理节能技术已经引起了世界范围的广泛关注，通过热处理工作者的努力创新，热处理节能技术在工艺、设备、材料、生产管理方面都取得了很大进步，但要达到“十二五”期间的热处理节能目标，还需要注重以下几个方面的努力：

（1）在理论方面应加强对传统热处理原理及工艺的再认识，加深对快速奥氏体化、“零保温”淬火、强烈淬火、稀土催渗机制等的研究。

（2）强化材料热处理数学模型、数据库、专家系统的研究，利用计算机的强大功能对热处理过程进行精确控制。

（3）加强废热、炉气的回收再利用。燃料炉废热利用的潜力很大，合理利用余热、废热能够达到良好的节能效果。

（4）加强新型炉体材料的研究，如夹具、料盘等长寿命材料、新型陶瓷纤维绝热材料，热防护涂层材料等的研制。