清洁热处理工艺的应用与意义

清洁生产是指用该工艺生产时，所产生的剩余物料（气、固、液体废料）不污染环境或形成的有害物在规定的可直接排放限度以下。按照先预防后治理原则，在热处理生产中应优先选用清洁工艺，在迫不得已必须采用会产生较多有害剩余物质的技术时，随后必须用科学、彻底、有效的无害化处理方法使之完全无害或降到规定的排放极限以下。

3.3.1 钢在空气炉中加热和水中淬火

最早的钢件热处理都在空气炉中加热和水中淬火，虽然有表面氧化和脱碳的缺陷，但对工作场地和周围环境不会造成危害。现在的铸件和锻坯很多仍在空气炉中加热，仍用水淬火，故此方式虽然落后，但绝对无有害排放，也绝对不会污染环境。

3.3.2 气体保护热处理

为避免钢件加热时的氧化脱碳，可往炉中通入惰性、中性或还原性保护气体以及成分、氧势、碳势、氮势可控的混合气体（见表6-37）。这些气体可完全无害排放，也可收集重复利用，还可将排放物经燃烧后无害排放。

表6-37 常用保护气体成分、废气的利用和排放

3.3.3 真空热处理

真空热处理属绝对清洁的生产技术。在各种类型的真空炉中可以施行真空退火、真空奥氏体化加热油中淬火或高压气体淬火、真空回火、真空渗碳油中淬火或高压气淬等多种工艺。由于经真空热处理的零件表面质量好、力学性能好，许多重要的机器零件、工模具，特别是飞机、航天器零件都要进行真空热处理，其应用广泛。

1.真空退火 真空退火过去大都在内部抽真空，外壁在被加热的热壁式炉中进行。由于设备简单，真空退火的应用已有近百年历史。

真空退火主要用于钛、锆等金属，特别是钛在一般介质中加热很容易和其他元素形成化合物，且由于氢的溶入和化合极易变脆，和氮反应也会有不利影响。在真空中加热可避免这些缺陷。但在加热完成后的冷却要用氩、氦等惰性气体保护和加速。

制造电磁铁心的2.5%硅钢在真空中退火可使阻碍晶粒长大的物质从边界和表面析出，低碳和粗晶粒硅钢的磁导率高。

钢丝拔制时的中间退火在真空中进行时，表面润滑剂易挥发，在下一道拔制中可得到比气氛保护更光亮的表面，而且仅在130Pa的真空度下就可达到要求，使用机械式真空泵即可。

各种特殊材料的退火温度和推荐真空度见表6-38。

表6-38 各种特殊材料的退火温度和推荐真空度

2.真空加热油中淬火 20世纪60年代，国际上开发出了用石墨棒或碳纤维织物作为电阻发热体，用碳纤维毡作为隔热炉衬，双层炉壁外壳间通水冷却的冷壁式真空热处理炉。同时，市场上也推出了饱和蒸气压很低、在高真空下加热也不挥发的真空淬火油。这就促成了合金结构钢件可在真空中加热、油中淬硬的光亮热处理新技术。

3.真空加热高压气体中淬火 由于高速钢、高碳冷作模具钢和渗碳钢件在真空中加热油中淬火出现表面质量恶化（局部融化）现象，随后又研发出了气冷淬火技术。因为气体的冷却烈度很低，钢件淬火不硬，为提高其冷却能力，把N₂、H₂气体的压力提高到600～1000kPa，低碳合金结构钢渗碳后在1000kPaH₂和2000kPa He中冷却，在批量生产时可达到油淬效果。

不用油的高压气淬技术避免了油的蒸发，消除了发生爆炸的隐患，还能取消中间清洗工序，表现出节能减排效果，还由于冷却均匀，减少了工件畸变。(www.xing528.com)

4.低压渗碳 钢件在低压（真空）下施行气体渗碳或离子渗碳可加快渗速。由于气氛中无氧、渗层无内氧化和非马氏体组织，质量有保证。低压渗碳结合高压气淬，无污染、无排放、工件畸变小，有助于减少汽车噪声。此技术在高级汽车的齿轮生产中有逐步推广的倾向。在一般低压气体渗碳设备上很容易实现离子渗碳，以进一步加快渗速、节约能源。

低压渗碳一般使用丙烷，不用甲烷，因为甲烷在低压环境下难裂解。20世纪90年代，开发出了乙炔（C₂H₂）渗碳技术，其优点是渗透性强，易进入工件盲孔，使内孔渗碳。汽车发动机喷油嘴用乙炔施行低压渗碳，无需塞入碳棒，简化了工艺，节约了材料。

3.3.4 感应热处理

感应热处理是利用一定频率的交变电流的感应电流趋肤效应对钢件进行表面硬化处理。用中频、工频电流延长加热时间可实现中小零件的透热、锻件的锻前加热或工件的整体热处理（淬火和回火）加热。在大多数情况下，感应淬火用水或聚合物水溶液，故可实现无害排放。由于实施表面或局部快速加热，节能效果非常显著，而且电源都在屏蔽状态下不会散发电磁辐射。当前感应热处理应用相当普及，估计占所有热处理工艺的20%以上的比重。

近代感应热处理技术发展很快，用低淬透性钢或双频电流感应淬火可获得齿轮的沿齿廓淬硬层。晶体管电源的广泛采用，可完全消除噪声，避免高压电流和电磁辐射危害，且电热转换效率明显提高，节电效果显著。高自动化淬火机床和机械手（机器人）的应用可实现生产线上无人操作。

3.3.5 气体渗碳与碳氮共渗

由于表层耐磨、抗疲劳、心部韧性好、寿命长，钢件渗碳和碳氮共渗是汽车和矿山采掘机械零部件最常用的化学热处理工艺。因它的工作条件差，对环境影响大，过去常用的固体粉末法和盐浴法早已被清洁的气体法取代。气体法的废气中虽有有害成分，但在从炉中排出前都要通过燃烧，转化成无害成分后排放。表6-39所列为常用的气体渗碳和碳氮共渗工艺、气氛、废气有害成分、处理方式和应用范围。近代，在中小批量生产条件下，这两种工艺多在密封多用炉生产线上施行。小件大批量生产在网带式炉生产线上施行。大批量生产的汽车零件在推杆式炉连续生产线上进行。特大型零件在井式渗碳炉中进行。

表6-39 气体渗碳、碳氮共渗工艺、气氛、废气有害成分、处理方式及应用范围

3.3.6 气体渗氮和离子渗氮

钢件渗氮后表面硬度高、耐磨、抗疲劳性强。渗氮在600℃以下的铁素体状态下进行，工件畸变小，氮在α铁中的溶解度高，但扩散系数小，故渗氮过程很长。通常渗氮在井式炉中进行，渗氮介质是氨。含Cr、Al的专用渗氮钢渗氮效果好，硬度高达900～1000HV。渗氮排出的废气中含有未分解的残留氨，点燃排出后无害。要求耐磨的精密机床零件（如螺纹、主轴、蜗杆等）多用渗氮处理。

离子渗氮在设置有高压电场的真空容器中进行。钢件靠氨分解后的氮离子轰击钢件表面，经反应生成各种氮化物和扩散进入其表层形成渗氮层。由于离子轰击能净化金属表面，提高其活泼性，加速表面反应，离子渗氮比气体渗氮快，但表面硬度比气体渗氮稍低。离子渗氮在低压下进行，通入的氨气量小，废气中有害物质也少，一般由真空泵抽出，直接排入大气。

3.3.7 气体氮碳共渗

氮碳共渗也是在600℃以下钢的铁素体状态下进行。一般钢材氮碳共渗后硬度比渗氮低，渗速比渗氮快得多，渗氮件表面由Fe₂～3N+Fe₄N组成，扩散层为N在α-Te中的固溶体，经氮碳共渗的钢件的耐磨性、抗咬合性和抗疲劳性都有所提高，畸变也很小。当前一些低载荷的汽车零件都采用气体氮碳共渗。气体氮碳共渗可在井式炉或在密封多用炉中进行。共渗气氛使用含碳气氛和氨。从炉中排出的废气含CO、H₂、HCN等有害气体，一经从炉中排出即行点燃，有害气氛即转化为CO₂、H₂O和N₂等无害成分。

3.3.8 激光加热表面热处理

钢件的激光加热表面强化、改性、合金化也是一种高效、节能、清洁的表面热处理技术。利用功率为500～10000W的激光器可对金属制件施行表面相变硬化、非晶化、涂覆、合金化、熔化凝固、上釉等处理。将激光聚焦到φ2mm的光斑、以2mm/s以上的速度在工件表面扫描，即可获得0.3mm的淬硬层。如进一步提高能量和降低光斑移动速度，可使表面通过熔化凝固获得纳米化的表层组织，显著改善耐磨性。在制件表面用激光熔化涂敷硬质合金，可实现表面合金化。为提高光能吸收率，被加工表面需施行黑化处理，在工件表面施行碳素涂敷、氧化发黑、磷化或涂磷酸盐。汽车发动机气缸套、活塞环、凸轮轴、阀座、机床离合器、花键套、石油钻管、纺织机械零件等都采用激光强化法。

用二极管激光器可施行钢的超级硬化，而表面无 须涂黑。钢在加热过程中由珠光体转变为奥氏体的速度极快，最后形成很细小的奥氏体晶粒。在随后的自冷淬火后，马氏体组织的硬度达到59～65HRC。