摘要：節(jié)能是目前熱處理技術(shù)發(fā)展的重要主題。從工藝、材料、設(shè)備等方面介紹熱處理節(jié)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀，展望熱處理節(jié)能技術(shù)的發(fā)展方向。

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1816(2015)03-0081-08

收稿日期：2015-04-18

作者簡(jiǎn)介：張存來(lái)（1956-），男，副教授，研究方向材料加工工藝研究。

1 引言

熱處理是機(jī)械制造工業(yè)中的重要基礎(chǔ)技術(shù) [1]，是保證金屬材料內(nèi)在質(zhì)量，提高產(chǎn)品使用性能和可靠性的關(guān)鍵工序，同時(shí)也是制造業(yè)中能耗大、污染嚴(yán)重的環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年鋼材熱處理的總質(zhì)量約為鋼材總產(chǎn)量30 %，年實(shí)際熱處理生產(chǎn)量超過(guò)1億噸。全國(guó)熱處理加熱設(shè)備（以75kW為一標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)）約15萬(wàn)臺(tái)，裝機(jī)容量1100萬(wàn)kW。假設(shè)熱處理加熱設(shè)備的平均利用率為30 %，15萬(wàn)臺(tái)設(shè)備的每年消耗電總量為99億kW·h [2]。也有數(shù)據(jù)指出，熱處理行業(yè)能耗高達(dá)230億度，約占機(jī)械制造業(yè)總耗電量的25 %，熱處理能耗費(fèi)用在熱處理工序成本中所占比例達(dá)30 %～40 % [3]。

面對(duì)能源和環(huán)境問題的壓力，美國(guó)在2004提出了熱處理路線圖，指出2020年熱處理發(fā)展目標(biāo)中要求能源消耗減少80 %，工藝周期縮短50 %，工藝成本降低75 % [4]。它給人們的啟示是：熱處理制造領(lǐng)域的節(jié)能降耗有巨大潛力 [5]。我國(guó)機(jī)械行業(yè)熱處理單位能耗一般在800 kW·h /t以上，而工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一般都在400 kW·h /t以下 [6]，有很大差距。我國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2002年發(fā)布了《熱處理節(jié)能技術(shù)導(dǎo)則》。規(guī)定了在熱處理生產(chǎn)中為避免能源浪費(fèi)、確保能源的合理使用應(yīng)采取的主要節(jié)能途徑和措施 [7]。我國(guó)熱處理行業(yè)在“十二五”期間提出的節(jié)能目標(biāo)是總體節(jié)能20 %，單位平均電耗達(dá)到500 kW·h /t以下 [8]。

熱處理節(jié)能技術(shù)包括采用節(jié)能的熱處理工藝、開發(fā)加速熱處理過(guò)程或省去熱處理工序的材料以及熱處理設(shè)備的節(jié)能改造等。目前已經(jīng)開展了熱處理工藝、材料、設(shè)備等方面的節(jié)能技術(shù)研究，取得了很好的效果。

2 采用節(jié)能的熱處理工藝

熱處理是通過(guò)對(duì)金屬材料的加熱、保溫、冷卻過(guò)程進(jìn)行合理控制而提高材料性能的一種技術(shù)方法。其中加熱和保溫階段是主要的耗能過(guò)程，近些年來(lái)，熱處理工作者打破傳統(tǒng)的思維方式，在縮短加熱、保溫時(shí)間，利用余熱等方面進(jìn)行工藝優(yōu)化，取得了很好的節(jié)能效果。

2.1 縮短熱處理加熱時(shí)間、降低加熱溫度

（1）零保溫淬火

“零保溫”淬火，是將工件加熱到淬火溫度后不進(jìn)行保溫，而立即進(jìn)行冷卻處理的熱處理工藝。與常規(guī)熱處理工藝相比，零保溫工藝省去了奧氏體組織均勻化所需要的保溫過(guò)程，降低能耗20 %～30 %，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。李安銘等采用“零保溫”淬火處理25 MnV鋼，將淬火溫度提高到930℃，加熱到淬火溫度立即冷卻后，得到細(xì)小的板條馬氏體組織，具有較高的強(qiáng)度、硬度 [9]。馮旭東等對(duì)65Mn鋼“零保溫”淬火后的顯微組織和性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)由于“零保溫”淬火工藝加熱時(shí)間短，奧氏體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大，故晶粒細(xì)小，性能優(yōu)于常規(guī)的保溫淬火 [10]。

（2）不均勻奧氏體加熱淬火

通常淬火加熱時(shí)，需要將鋼加熱到奧氏體狀態(tài)充分保溫，使碳化物溶解、奧氏體達(dá)到均勻化，這往往需要較長(zhǎng)時(shí)間，但奧氏體未達(dá)到均勻化即施行淬火并不影響其淬火、回火后的性能，在某情況下甚至性能更好 [11]。王學(xué)前等采用不均勻奧氏體加熱淬火工藝，使GCr15鋼淬火后既細(xì)化了奧氏體晶粒又細(xì)化了馬氏體，同時(shí)還獲得了低碳板條馬氏體及呈薄膜狀或集聚態(tài)的殘余奧氏體包圍在碳化物周圍的組織，使GCr 15鋼的韌性得到提高 [12]。

2.2 縮短化學(xué)熱處理過(guò)程

（1）薄層滲入技術(shù)

傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，滲層性能與其厚度成正比，實(shí)際上，過(guò)深的滲層不但降低制件的韌性且不利于性能的提高，還浪費(fèi)能源，增加成本，同時(shí)由于加熱時(shí)間的增長(zhǎng)而使污染上升 [13]，因此確定合理的滲層深度，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能減排有重要的意義。如在自行車鋼球生產(chǎn)中，采用薄層滲碳后，不但使生產(chǎn)效率提高42%，節(jié)電30 %，也使甲醇和煤油的消耗下降52%，壽命提高2倍，取得節(jié)能環(huán)保雙重效果 [14]。

（2）低壓真空滲碳

滲碳溫度對(duì)滲碳速度起著決定性的作用，適當(dāng)提高滲碳溫度，可以顯著縮短工藝時(shí)間。低壓真空滲碳由于有可能提高滲碳溫度和可靠的控制技術(shù)，在解決深層滲碳問題方面，顯示出極大的優(yōu)越性。將低壓真空滲碳技術(shù)應(yīng)用于大尺寸工件的深層及超深層滲碳，工藝時(shí)間縮短達(dá)50%，對(duì)能源的節(jié)約和生產(chǎn)率的提高具有重大的意義 [15]。

（3）稀土催滲技術(shù)

與其它催滲技術(shù)最重要的差別在于稀土原子具有特殊的電子結(jié)構(gòu)，決定了它具有很高的化學(xué)活性，可以與碳、氮原子共同滲入到被滲基體內(nèi)。稀土原子在化學(xué)熱處理中能起到活化催滲作用, 顯著提高滲速，滲碳速度可提高20 %～30 %，滲氮速度提高達(dá)40 %～50 % [16]，有顯著的節(jié)能效果。同時(shí)，稀土元素被滲入鋼件表層, 有效地改善了滲層組織和性能 [17]。

（4）BH催滲技術(shù)

BH催滲技術(shù)是我國(guó)學(xué)者獨(dú)立自主開發(fā)成功的一項(xiàng)具有國(guó)際領(lǐng)先水平的新技術(shù)。該技術(shù)的核心是通過(guò)在滲碳?xì)夥罩刑砑游⒘康拇邼B劑，促進(jìn)滲碳介質(zhì)充分分解，并在分解過(guò)程中產(chǎn)生部分正四價(jià)碳離子。正四價(jià)碳離子（半徑0.15 nm）的體積只有碳原子（半徑0.77 nm）體積的1/135，因而活性高，在奧氏體中擴(kuò)散阻力小、擴(kuò)散速度快 [18]。

BH技術(shù)的主要特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：在工藝溫度降低40℃以上條件下（≥810℃）可保持工件在原工藝溫度下的滲速不減。在同樣工藝溫度下比常規(guī)滲碳或碳氮共滲滲速快20 %以上，可顯著減少工件在高溫階段的保持時(shí)間，節(jié)約電能，提高生產(chǎn)效率，減少變形。某廠采用BH技術(shù)對(duì)汽車半軸齒輪進(jìn)行滲碳處理，生產(chǎn)效率提高了20 %，每爐次節(jié)電90kW·h [19]，取得顯著的節(jié)能效果。

2.3 利用其他工藝過(guò)程余熱熱處理

零件的鍛造、鑄造溫度一般高于普通熱處理的加熱溫度，往往需要降到室溫之后，重新加熱進(jìn)行熱處理。如汽車齒輪鍛造的終鍛溫度一般在900℃以上，此時(shí)工件仍處于奧氏體狀態(tài)，如迅速將其均勻冷卻到A r1以下進(jìn)行正火或淬火等處理，可以大大節(jié)約能源。

（1）鍛造余熱熱處理

陳希原對(duì)42CrMo鋼平衡軸鍛件采用鍛造余熱淬火，省去了常規(guī)熱處理的重新高溫長(zhǎng)時(shí)間加熱，節(jié)省大量的能源，節(jié)省設(shè)備和人力 [20]。劉云旭等利用鍛（軋）余熱等溫正火代替普通等溫正火或普通正火，每噸鍛件可節(jié)電400kW·h [21]。肖結(jié)良對(duì)2Cr13不銹鋼擠出模鍛后直接淬火，再經(jīng)高溫回火，發(fā)現(xiàn)完全可以代替原有的鍛后調(diào)質(zhì)工藝。以一臺(tái)180 kW 的臺(tái)車爐為例，每爐次能節(jié)電1100 kW·h，處理時(shí)間從15 h縮短為7 h [22]，顯著降低能耗，提高工作效率。

（2）鑄件余熱熱處理

傳統(tǒng)的耐磨鑄鋼熱處理是將鑄件加熱到高溫，保溫一定時(shí)間后淬入油中或水中，然后進(jìn)行低溫回火。張茂勛提出了利用鑄造過(guò)程的余熱淬火，然后直接進(jìn)行回火的工藝來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱處理工藝 [23]。他將這一熱處理工藝用于低合金耐磨鑄鋼件的處理，獲得了與常規(guī)熱處理相近的力學(xué)性能和耐磨性。同時(shí)節(jié)約了大量能源、勞動(dòng)力，縮短了生產(chǎn)周期。

何亮等開展了鑄造319鋁合金鑄件余熱熱處理的研究。該工藝將鑄件在砂型中完全凝固或冷卻到一定溫度時(shí)與砂型砂芯一起或落砂后放入高溫處理爐內(nèi)進(jìn)行固溶處理。相同的固溶處理?xiàng)l件下，采用余熱熱處理工藝的試棒的抗拉強(qiáng)度有所提高，達(dá)到相同抗拉強(qiáng)度所需的固溶處理時(shí)間可縮短為傳統(tǒng)熱處理工藝的1/3～1/2 [24]。

2.4 采用熱處理新工藝

（1）強(qiáng)烈淬火技術(shù)

強(qiáng)烈淬火工藝是烏克蘭學(xué)者Кобско院士1992年發(fā)明的一種新型熱處理工藝。特點(diǎn)是冷速極快，而不必?fù)?dān)心鋼件的過(guò)度畸變和開裂。其核心是快速冷卻過(guò)程中，在鋼件的表面形成高的壓應(yīng)力，如冷速大于30℃/s，表面的壓應(yīng)力可達(dá) 1200MPa，可顯著縮短滲碳時(shí)間，甚至取消噴丸工藝 [25]。該技術(shù)具有重大的節(jié)能效果。傅宇東等的研究表明：20CrMnTi鋼經(jīng)強(qiáng)烈淬火后的組織主要為板條馬氏體，抗拉強(qiáng)度最高達(dá)1521MPa，比傳統(tǒng)的滲碳淬火處理提高約38%，沖擊韌度最高達(dá)1392.66kJ/m 2，較滲碳淬火有較大提高 [26]。強(qiáng)烈淬火還能使?jié)B碳時(shí)的擴(kuò)散時(shí)間縮短50%或更多 [27]。

（2）磨削加熱淬火

磨削加熱淬火1996年由Brinksmeier等人提出 [28]，它是主動(dòng)利用磨削熱對(duì)工件表面進(jìn)行熱處理，將磨削加工與表面強(qiáng)化合為一體，代替感應(yīng)加熱表面淬火。通常利用粗磨產(chǎn)生的切削熱作為熱源進(jìn)行表面淬火，再利用精磨得到高的精度和表面質(zhì)量。磨削加熱淬火可獲得與感應(yīng)加熱表面淬火相似的表面硬化層，表面硬度達(dá)到HRC53左右 [29]。該技術(shù)可利用磨削產(chǎn)生的余熱，并易于在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)熱處理。

（3）振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)

利用不同頻率產(chǎn)生的多諧波共振原理來(lái)消除金屬制件的殘余應(yīng)力，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱處理去應(yīng)力工藝，可大大節(jié)約電能。與熱處理技術(shù)相比采用振動(dòng)時(shí)效處理技術(shù)可節(jié)能40%，金屬韌性可提高35% [14]。

3 加速熱處理過(guò)程或省去熱處理工序的材料

3.1 非調(diào)質(zhì)鋼

采用棒材和線材作原料的構(gòu)件，多數(shù)加工后需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。調(diào)制處理通過(guò)淬火加高溫回火來(lái)完成，是高能耗的熱處理過(guò)程。非調(diào)質(zhì)鋼具有節(jié)省能源、減少淬火變形開裂，工業(yè)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 [30]。

微合金非調(diào)質(zhì)是指在鋼中加入微量的釩、鈦、鎳等元素，經(jīng)過(guò)鍛造或軋制冷卻后在鐵素體和珠光體中析出碳化物或碳氮化合物，這樣在達(dá)到高強(qiáng)度和保證韌性的同時(shí)又省去了調(diào)質(zhì)處理，減少了熱處理工序和設(shè)備，避免熱處理變形和淬火裂紋造成廢品，降低了能耗和成本 [31]。

3.2 快速滲碳鋼

除了開發(fā)縮短化學(xué)熱處理過(guò)程的滲碳工藝之外，從材料本身的成分設(shè)計(jì)出發(fā)也開展了相關(guān)的研究。

通過(guò)調(diào)整滲碳鋼中影響碳原子擴(kuò)散的元素的含量，達(dá)到縮短滲碳時(shí)間，節(jié)約能源的效果，可以達(dá)到較采用常規(guī)滲碳鋼縮短20%～40%的滲碳時(shí)間。如日本通過(guò)在滲碳鋼SCr420中添加Ni開發(fā)出了快速滲碳鋼ES1 [32]。

提高滲碳溫度可以明顯縮短滲碳時(shí)間，但在高溫下材料的晶粒急劇長(zhǎng)大而導(dǎo)致工件性能惡化，因此需要通過(guò)成分的設(shè)計(jì)來(lái)阻止高溫下晶粒的長(zhǎng)大。國(guó)內(nèi)外開發(fā)了20MoCr5、17CrNiMo6、20MnCr5等高溫滲碳鋼，可使?jié)B碳溫度提高到1000℃，縮短滲碳周期50%以上 [33]。

3.3 快速滲氮鋼

滲氮工藝往往需要很長(zhǎng)的時(shí)間，提高滲氮溫度可以縮短滲氮工藝的時(shí)間，但同時(shí)會(huì)顯著降低滲碳層的硬度。因此研制了添加Ti的快速滲碳鋼，保證在650℃以上滲氮時(shí)獲得高的表面硬度。如日本研制的N6 型快速滲氮鋼，與普通滲氮鋼SACM1相比，經(jīng)650℃處理獲得0.5 mm深滲氮層的工藝時(shí)間從48 h減少到6 h [33]。

近來(lái)又開發(fā)出多種快速滲氮新鋼種，如25CrMoV、30Cr3NiVNbAl和25CrNiNoVZrAl，比一般合金鋼滲氮速度提高10 % [34]。

3.4 免退火冷鐓鋼

汽車標(biāo)準(zhǔn)件常采用冷鐓成型。免退火冷鐓鋼通過(guò)調(diào)整化學(xué)成分，控軋、控冷，細(xì)化晶粒，降低軋制態(tài)的硬度，提高其塑性變形能力，減少變形抗力 [35]。由于采用免退火冷鐓鋼，省略了冷拔前的退火工藝，達(dá)到節(jié)能、降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

4 熱處理設(shè)備節(jié)能

采用高效節(jié)能先進(jìn)的熱處理設(shè)備是實(shí)現(xiàn)熱處理節(jié)能目標(biāo)的重要步驟。對(duì)熱處理爐，可以采取的措施主要有：合理選擇能源；充分利用余熱；優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少熱損失，提高熱效率；盡可能采用蓄熱少、絕熱性好的輕質(zhì)耐火材料爐襯；采用密封爐體結(jié)構(gòu)等 [37]。

4.1 使用代替能源

熱處理的能源一般可分為電能和燃料兩大類。電加熱干凈，溫度易控制，輔助設(shè)施少，操作簡(jiǎn)便。用電阻爐加熱理論上可獲得70 %～80 %的熱利用率，但電是二次能源，考慮到發(fā)電的效率，電阻爐的綜合熱利用率不超過(guò)30 %。

（1）天然氣加熱技術(shù)

天然氣是一次能源，熱處理爐除直接燃燒可獲得至少30 %的熱效率外，煙道氣廢熱還可用來(lái)預(yù)熱燃料，用于空氣、回火爐加熱、清洗液和淬火油的加熱以及其他用途，使絕對(duì)的熱利用率可達(dá)到80 %以上。目前，先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的熱處理燃料爐占有相當(dāng)比重。據(jù)調(diào)查，西歐國(guó)家熱處理用燃料爐的比重占20 %～30 %，美國(guó)占25.5 %，而日本燃料爐主要用重油、煤油、液化氣和城市煤氣，總共占61.4 % [37]。我國(guó)天然資源豐富，為熱處理行業(yè)創(chuàng)造非常便利的用氣條件。如在以天然氣為熱源的鋁合金熱處理生產(chǎn)線中，固溶熱處理爐排出的廢煙氣，作為時(shí)效爐的加熱源，減少?gòu)U氣及有害物質(zhì)的排放量，充分利用余熱，降低能源消耗，改善生態(tài)環(huán)境，降低產(chǎn)品制造成本 [38]。

（2）油電、氣電復(fù)合加熱技術(shù)

采用油電復(fù)合加熱等溫球化退火爐，使軸承鋼球化退火時(shí)間縮短至8～9h，球化退火顯微組織達(dá)到均勻、細(xì)小、彌散、圓整分布的理想目標(biāo)，先進(jìn)的燃油技術(shù)使煙塵黑度系數(shù)符合環(huán)保要求 [39]。

（3）太陽(yáng)能熱處理技術(shù)

高殿奎等發(fā)明了一種太陽(yáng)能熱處理爐，并利用其對(duì)9SiCr冷沖壓凸模的刃口進(jìn)行太陽(yáng)能淬火，提高了刃口的耐磨性，使凸模的使用壽命提高了8倍，同時(shí)有很好的節(jié)能效果 [40]。

4.2 氮基氣氛熱處理

氮?dú)馐且环N中性氣體，根據(jù)不同的熱處理目的，在氮?dú)庵屑訜徇m量的添加劑就形成氮基氣氛。常用的添加劑由碳?xì)浠衔铩N的含氧衍生物、含氮有機(jī)物以及H 2、NH 3、CO、空氣、H 2O等其他氣體。一般氮?dú)庹紶t內(nèi)氣氛的40 %～97.8 % [41]。使用氮基氣氛有明顯的節(jié)能效果，如氮基氣氛氮碳共滲的滲速比吸熱式氣氛氮碳共滲的滲速快，而滲層的硬度、耐磨性、耐腐蝕性相當(dāng)。

4.3 Ni3Al金屬間化合物耐熱構(gòu)件材料

添加Cr、Zr、Mo和B改進(jìn)的Ni 3Al材料具有出色的熱強(qiáng)性、抗蠕變及抗?jié)B碳能力。Ni 3Al構(gòu)件的壽命比耐熱鋼高一倍以上，可以減少爐子維修次數(shù)、縮短工藝周期、提高熱處理工件壽命、提高滲碳溫度，節(jié)能效果顯著 [42]。

5 展望

在能源和環(huán)境問題日益突出的形勢(shì)下，熱處理節(jié)能技術(shù)已經(jīng)引起了世界范圍的廣泛關(guān)注，通過(guò)熱處理工作者的努力創(chuàng)新，熱處理節(jié)能技術(shù)在工藝、設(shè)備、材料、生產(chǎn)管理方面都取得了很大進(jìn)步，但要達(dá)到“十二五”期間的熱處理節(jié)能目標(biāo)，還需要注重以下幾個(gè)方面的努力：

（1）在理論方面應(yīng)加強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)熱處理原理及工藝的再認(rèn)識(shí)，加深對(duì)快速奧氏體化、“零保溫”淬火、強(qiáng)烈淬火、稀土催滲機(jī)制等的研究。

（2）強(qiáng)化材料熱處理數(shù)學(xué)模型、數(shù)據(jù)庫(kù)、專家系統(tǒng)的研究，利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能對(duì)熱處理過(guò)程進(jìn)行精確控制。

（3）加強(qiáng)廢熱、爐氣的回收再利用。燃料爐廢熱利用的潛力很大，合理利用余熱、廢熱能夠達(dá)到良好的節(jié)能效果。

（4）加強(qiáng)新型爐體材料的研究，如夾具、料盤等長(zhǎng)壽命材料、新型陶瓷纖維絕熱材料，熱防護(hù)涂層材料等的研制。