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我国智能热处理装备技术的发展
发布者: 发布时间:2015-2-7 9:02:08

江苏鑫磊

我国智能热处理装备技术的发展

》》》1热处理装备的行业需求
    热处理是指金属材料在严格控制的加热和冷却条件下进行处理, 通过改变材料内部的显微组织来达到人们所要求的使用性能或服役寿命。热处理是机械制造的重要工艺,是保证和提高机器零件质量与使用寿命,充分发挥材料潜力的关键工序。热处理技术及装备被广泛应用于航空航天、军工、汽车、工程机械、轨道交通等行业。智能高效、节能环保是热处理行业的基本发展趋势。
智能热处理装备研究的总体目标,以智能热处理装备关键共性技术的工程化与产业化为宗旨, 以热处理设备的 智能化、信息化、高效、节能减排为目标,主要从智能可控气氛热处理设备、智能真空热处理设备、智能感应热处理设备、智能等离子表面改性设备、智能大型工业加热炉等5个方向进行工程化研究开发,重点解决智能热处理装备领域创新能力和技术支撑问题,实现我国热处理由低端技术到高端技术的转变。

》》》2、 我国智能热处理装备简介
2.1 热处理装备技术现状
   热处理装备按加热方式可分为电阻加热炉、感应加热炉、离子体、电子束、激光束加热炉、燃气加热炉、燃油加热炉和燃煤加热炉等。目前我国以电加热热处理装备为主体,约占总量的90%。其他加热方式、燃气、燃油和燃煤等,不足10% 。按炉内介质分为空气介质炉、盐浴炉 、保护气氛炉、 流态粒子炉、 可控气氛炉、 真空气氛炉和等离子炉等 。近60年来,我国热处理装备从空气介质炉和盐浴炉向保护气氛炉和流态粒子炉再向可控气氛、 真空气氛炉和等离子炉等方向不断发展。目前,我国热处理技术与国外热处理技术差距很大。美国等发达国家对热处理工艺过程的控制已向着自动化、智能化和柔性化发展。而由于历史的原因我国的许多企业大而全、小而全、热处理的社会化 产业化及规模生产尚未形成 。因而生产效率低下、 比美国差26倍、 设备利用率和负荷率不到30%、 而能耗却比美国高出40%以上。
2.2 我国热处理装备技术发展趋势
   我国热处理装备行业在“ 十一五”期间取得了长足的进步, 得益于机械制造业的迅猛发展,热处理装备更新速度加快 。由于国外产业转移,大型国有企业和大量民营企业的技术改造,华东和华南沿海城市轻工、电气产品模具的大量需求, 航空 、汽车等制造业零件加工协作的推动,兴起了以真空热处理设备和密封多用炉生产线为主的设备更新浪潮。 在汽车、轨道交通、造船等行业的发动机、变速箱零件、基础零部件的热处理中,也出现了以推杆炉、辊棒炉、网带炉、密封多用炉、感应淬火机床、等离子设备等为主的热处理设备更新。设备市场一片繁荣,骨干企业设备更新率达到70%以上。为加快提高我国的热处理技术,需要全面分析我国热处理技术现阶段水平 ,针对现有技术的不足, 提出新的改进方案。力争在热处理新技术、 新材料和新设备等方面取得重要提升。
2.2.1 采用新的加热源
    热处理加热源形式多种多样。当今人们对高能率热源更为关注,高能率热处理相比其他方法在减小加工零部件形变 ,获取优良组织性能以及特殊零部件表面状态等方面具有无可比拟的优越性,不但能够显著提高热处理部件表面的耐磨特性和耐腐蚀特性, 更能够延长其服役时间。 因此,高能率热处理在最近几年发展迅速, 成为改变金属材料表面特性的主要技术。国外大型企业已逐渐采用激光热处理和离子注入表面改性等技术,但由于高能率热处理设备费用昂贵 ,我国应用尚少, 但其极具发展前景,今后将会是重要的热处理工艺。
2.2.2 采用新的加热方式
   通常进行热处理时要实现少无氧化加热,目的是降低金属氧化损耗,保证工件表面质量,在实际热处理工艺中实现少无氧化加热,主要采用真空和可控气氛技术,在表面加热领域,感应加热具有很多优势, 比如加热迅速,工件变形小, 生产率高,工件表面氧化脱碳少, 节能和易实现机械化等 ,故其广泛应用在工件的表面加热淬火中。
2.2.3 采用新型淬火介质和新的淬火方法
    淬火介质在淬火工艺过程中起着十分重要的作用,直接影响着工件淬火质量。应用合理的淬火介质,能够显著减小工件的变形 ,提高淬火工件表面精度。在实际热处理生产过程中。通常采用水、油、盐类等作为淬火介质。 今后,要全面改进原有淬火介质性能并积极研究经济、安全、无污染的新型淬火介质。
2.2.4 多参数热处理和复合热处理工艺
   传统热处理通常以温度和时间作为热处理的参数,为单一的热处理,效果十分单一化。因此,必须发展多参数热处理和复合热处理工艺。多参数热处理工艺形式主要为真空热处理、化学热处理和形变热处理。复合热处理能够将两种或多种热处理工艺复合,或者将热处理与其他加工工艺复合,从而得到各个工艺的综合效果,工件性能更加优良,并能节约能源、降低成本、提高生产效率。
2.2.5 热处理生产的自动化和专业化
   为了实现热处理生产的自动化,当今热处理生产正逐步引入计算机,其能够保证热处理工艺的稳定性和得到优质的产品质量,从而使热处理装备朝着高效低成本、柔性化和智能化方向发展。国外现代企业很多都在热处理中采用计算机。 国内研制生产的热处理设备也越来越多地引入了微机控制,极大地提高了设备的自动化水平和生产效率。在热处理工艺过程的实时控制、计算机辅助设计、计算机模拟和数学模型的开发应用等方面也取得了一定的成绩。

》》》3 智能热处理重点发展技术

3.1 热处理设备节能减排控制技术
   热处理设备节能减排控制技术主要包括以下几个方面
1 炉体构造。工装、夹具的最优化设计,即运用现代设计方法对炉体构造、工装、夹具进行最优化设计,使得炉体构造符合节能减排的要求。工装、夹具的最优化设计为热处理设备的智能化控制创造了条件。
2 节能电源及新型加热元器件的研发。感应加热就是发展最好的一种加热方法,其技术先进性体现在高频电源通常采用半导体功率器件构成。 理论上输出功率越大,频率越高, 则技术就越领先 。感应熔炼中频炉,电源功率越大, 整流的脉波数越多, 配置的炉体容量越大 ,技术越先进。真空感应炉通常吨位越大,技术越先进, 采用特种感应加热技术。
3 新型节能炉用材料的研究与应用。 炉体密封,主要是指炉内各部件和炉壳以及炉门等的密封。如果炉体密封不够严格, 容易造成跑火、 漏火、导致能源浪费严重, 甚至损害设备。 因此炉体密封十分关键 ,其直接决定着产品的品质和生产过程的能耗 ,新型耐火纤维制品的出现 ,为解决炉体密封创造了条件, 实现了软密封,在炉围内壁涂高温高辐射涂料 ,强化炉内的辐射传热 ,有助于热能的充分利用, 其节能效果为3% ~5%, 是近期较先进的节能方法。
4 磁辐射控制设计。为了防止电磁辐射对周围环境的有害影响以及对人体健康的影响, 必须将电磁辐射的强度减小到允许的程度最小,或将有害影响限制在一定的空间范围,屏蔽就是常用的有效技术。
3.2 冷却控制技术

3.2.1 淬火冷却工艺数值模拟
    随着计算机技术的发展,数值模拟方法为淬火过程中相互作用的各场量的计算提供了强有力的工具,数值模拟虽然不能直接给出诸如相态分布,应力分布与工艺参数的关系 ,但它能对介质流场 、工件内温度场 、组织场、 应力应变场进行耦合计算。 用计算机图形技术直观地给出任意时刻和任一点的温度, 组织和应力应变情况。计算机模拟的应用将有望使热处理摆脱依赖于经验和操作者技能的落后状况 ,向着能精确预测生产结果和实现可靠的质量控制方向发展。
3.2.2 淬火变形控制技术
    由于淬火变形影响因素非常复杂, 导致变形控制十分棘手。 而采用校直方法纠正变形或加大磨削加工余量, 都会增加成本。 因此淬火变形控制技术是提高产品质量,延长零部件使用寿命, 提高经济效益的重要手段。 国内外热处理工作者在研究钢件热处理变形成因、 规律及预防控制变形措施等方面取得了许多理论成果, 也积累了一定的实践经验。
3.3.3 强烈淬火技术
    强烈淬火是在金属固态相变点以上加热保温 ,通过极快速冷却方法对零件表面进行淬火。常规淬火冷却到淬火剂温度时,钢件表层形成拉应力或低应力状态,而强烈淬火则在工件心部尚处于热态时便停止冷却, 使其表层形成压应力, 消除淬火开裂现象 ,减小淬火变形 ,降低疲劳裂纹萌生和扩展,以及应力腐蚀开裂的可能性,延长构件的使用寿命, 取代或减少材料热处理过程中的渗碳 、喷丸、 喷砂过程。

》》》4 我国智能热处理装备的研究布局
     在无氧化热处理技术的发展趋势中, 首推可控气氛热处理。 在目前少品种、 大批量生产中, 尤其是碳素钢和一般合金结构钢件的光亮淬火 、退火、渗碳淬火、碳氮共渗淬火、 气体氮碳共渗中仍以可控气氛为主要手段。 所以可控气氛热处理仍是智能先进热处理技术的主要组成部分。 其优点是防止工件氧化脱碳, 进行渗碳等化学热处理,对已脱碳的工件可使表面复碳,可进行穿透渗碳,便于实现机械化 。自动化真空热处理是在真空技术和热处理技术基础上发展起来的新型热处理技术 ,其整个过程全部和部分在真空状态下进行, 热处理质量大大提高。与常规热处理相比,其能够实现无氧化、无脱碳、无渗碳,使工件表面更加光亮。感应加热热处理设备,是利用电磁感应产生涡流电发热现象, 对工件表面加热进行热处理。 由于其生产效率高、能耗低、污染较少、安全性较好,以及容易实现自动化生产等优点,常用于表面淬火、 也可用于局部退火或回火。 随着我国制造业的发展,对高效、自动化、高重现性的感应淬火工艺装备的需求大增, 感应淬火机床正向成套化、紧凑化、在线化、柔性化、数控与自动化方向发展。智能等离子体技术是对材料表面进行处理的技术,涉及众多学科领域,需要在以下几方面重点提高深入进行等离子体表面改性机理研究,解决传统温度场测定精度差的问题。 从理论上对等离子表面处理工艺参数、材料性能以及表面状况等进行分析研究,优化现有的工艺参数,研发新型成熟可靠的工艺设备,分析材料在远离平衡状态下微观组织结构的变化,进一步发展等离子表面处理质量的在线监控技术。

》》》5 总结
    随着科技的不断进步,对热处理装备的要求越来越高,智能热处理装备在我国工业中将占据重要地位。因此,加快发展智能热处理装备,对促进我国科技进步,提升产品质量有着重要作用。

 
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