■ 邹 磊，侯 奎，孙清汝，王锡樵

热处理是改变机械构件的性能，提高使用寿命的重要手段之一，为此受到人们的重视并被广泛地使用。特别是近几十年来拥有热处理专业厂及企业内部的热处理分厂或车间（工段、小组）多具有一定的规模和水平，有的企业达到了国外先进水平，但是目前还是有相当数量的热处理企业存在着规模小、技术水平低、能耗大、三废处理不达标，严重地影响了热处理构件的质量，并影响了企业的发展及人们的生活质量。为此我们应该全面推动绿色制造和互联网＋数字化热处理车间，建立绿色工厂，达到绿色热处理的技术要求及标准。绿色热处理是一种综合考虑对环境的负面影响最低和资源使用效率最高的现代化制造模式，在整个生产过程中使企业的经济效益和社会效益的可持续发展达到最优化和最稳定。

1. 热处理厂房的要求

（1）专业热处理工厂 专业热处理工厂是国家大力推荐的项目，它可以替代一些分散、能耗大、规模小、技术装备及工艺落后的热处理小作坊。热处理专业厂的建立可以提高构件的热处理质量和产量、提高劳动生产率、降低能耗、减少环境污染、提高人们的生活质量等优势。目前还应该继续做大做强，使之达到国外先进热处理企业的水平，国外工业发达国家其热处理专业化工厂达到了80%以上，而我国则少于30%。专业热处理工厂的选址和布局应该在当地整体工业区布局的下风向，厂房是带有气楼的独立建筑，对于北方地区的气楼需要加装能调节通风角度大小的玻璃窗，南方地区也可以做成下沉式气窗，效果也是很好的。一般工厂的厂房高度≥9m、跨距≥15m，若有喷砂、抛丸等有粉尘产生的工序，它们的位置必须在该热处理厂房内的下风向，并有单独的消声防尘的隔离间。厂房排水沟内的污物和生产过程中的废油，要经油水分离器处理后分别进入废油回收桶及进入热处理的专用废水处理池中进行无害化处理合格后才能排放，厂房内的油烟等有毒废气经油烟分离器（装置）集中净化处理后才能对空排放，厂房内的供水应将生活用水和工业用水区分开。为节约用水，工业用水要有专门的循环储水池，水的冷却采用风冷装置，水温采用计算机自动控制。电缆的布置应该在地面上方一定高度并有明显标志的电器组装盒内，不建议放在电缆沟内挂放。涂有标志的各种可控气氛管路、上下水管等可以在排水沟内的支架上排放，排水沟上面的专用盖板需要有一定的厚度和强度的钢板组成。厂房内应透气、能自然采光且明亮，室内的光照度应该≥300lx、检测区≥500lx，厂房内需要配有应急照明。厂房内的环境温度对于中小型企业要求在14～16℃、大型企业在12～14℃、辅助房在10～20℃，这对一般企业来说有一定的难度，仅局部区域能够达到要求，但工业发达国家的热处理工厂都装有中央空调来保证达到此要求。办公室、金相室、硬度检测室、热工仪表室的温度在15～16℃，这个国内企业基本能够达到要求。厂房内应配有更衣室和淋浴房，厂房内外均要留有消防通道，消防器材设施的摆放要求标志明显、取用方便。

对于天然气、丙烷、甲醇、液氨、液氮、各类渗剂和淬火冷却介质等化工原料需要具有通风良好并有消防设施的隔离间。热处理设备配置的控制柜（仪表及计算机等）根据需要而建立专用控制间。设备需要安装水、电、各种气体消耗等计量仪表，并记录消耗情况，便于成本核算。

厂房（车间）内的设备和有关装置的平面布置应根据产品的技术要求、工艺流程，以及设备的有效利用率等做到合理摆放，避免或减少往返次数，降低物流成本。生产过程中的待热处理件、热处理完工件及不合格品或待处理件要有明显的标志和隔离区域摆放，杜绝混乱现象，做好安全文明生产管理，企业的管理水平要达到互联网＋数字化生产的现代化管理的目标。

（2）大中型企业的热处理厂房 大中型企业都有自己的热处理分厂，根据生产流程，工序间若有感应加热的热处理工艺可以放在机械加工的生产线上，只要做好抽风吸烟、排污等环保措施即可。其热处理分厂的位置应该在全厂平面布置的下风向，不建议热处理分厂放在有楼层的厂房内，避免废气、废油、污水等影响机械加工产品的质量，其他技术要求同专业热处理工厂基本一样，不再赘述。

2. 绿色热处理工艺

绿色热处理工艺就是要从工艺方法上着手，在确保热处理工件质量的前提下，利用最环保的、最节能和最精密的工艺方法，来取代陈旧落后的工艺过程，用新技术、新材料、新工艺和新设备，来替代不适应现代技术要求的、陈旧的、能耗大的、落后的热处理工艺或设备（如有毒有害的盐浴处理、铅浴热处理、重质耐火材料、电子管式高频、机式中频等处理），用清洁环保的轻质耐火材料、可控气氛热处理、真空热处理、晶体管高中频、超音频热处理等少无氧化热处理工艺来实现，利用铸造、锻造、轧制余热淬火替代机械构件的预备热处理，在构件的表面完整性的设计和制造上杜绝应力集中等缺陷的出现，这些“四新技术”的利用率应该达到80%以上，为工件热处理的高品质和优美的环境做出新的贡献。

（1）可控气氛热处理 对于需要整体淬火的一般热处理工件，采用可控气氛热处理可以做到工件表面不脱碳、不氧化且光亮的目的，如：许多中小型轴承零件、紧固件、五金工具、纺机零件、汽车零件、液压件等专件产品的热处理，采用可控气氛的使用率都比较高。在众多类型的可控气氛种类中，目前应用较多的气氛是氮气、甲醇、丙烷、氨气为原料的可控气氛。根据钢种规格、材料的化学成分及技术要求可以对热处理工件进行保护淬火、渗碳、碳氮共渗等处理，一般保护气氛淬火的脱碳层≤0.075mm，如五金工具、紧固件类型的保护气氛淬火仅用甲醇就可以满足，但是很多企业为确保淬火件的质量还是增加了富化气的通入。高碳钢类型的钢种如高碳铬轴承钢的淬火使用面就比较大。可控气氛的产生是很简单的，如用氮甲醇气氛为例，一般采用直生式制气，丙烷可以直接通入炉内，氨气经干燥除水后（含水率≤0.01%）也可以直接通入炉内，仅甲醇裂解有高温、低温制气之分，单一甲醇裂解气氛只能进行一般中碳钢件的保护淬火，若要进行高碳钢、高碳合金钢、高碳铬轴承钢等的淬火，因其碳势较低只能作为载体气，它只能做到表面不氧化，但不能保证不脱碳，为此需要加入丙烷（或天然气）作为富化气进行保证。甲醇裂解气对于需要渗碳的齿轮钢等来说也只能作为稀释气体，仍然需要丙烷（或天然气）做富化气对齿轮钢进行渗碳或碳氮共渗处理，炉内的碳势控制用氧探头比较好，碳势的测量可以用定碳片称重法或C230碳势测定仪测量，碳势控制精度Cp≤0.05%，氮势用氨分解率测定仪测定，氮势控制精度≤0.1Kn。如冲压滚针轴承的热处理新技术应用过程中，将低碳钢做的冲压外圈、冲压保持架及高碳铬轴承钢的滚针组装在一起的整套冲压轴承的薄层渗碳（碳氮共渗），就是采用上述可控气氛来保证产品质量的。影响可控气氛热处理工件质量的因素一般包括原料气氛的纯度、设备的可靠性和密封性、淬火冷却介质的稳定性、工艺编制的先进性、操作者的技术熟练水平等。

图1 锭杆热处理技术要求

（2）感应加热处理 感应加热是一项多快好省的先进热处理工艺，使用的频率一般分别是高频(40～300kHz)、超音频（20～40kHz）、中频(1～20kHz)、工频（50Hz），具有在保证加热温度均匀的前提下，它们的升温速度快且均匀、感应加热时钢件的奥氏体晶粒极细，通过相应的介质淬火后钢件的金相组织细密，淬火畸变小，表面硬度、耐磨性、机械强度和抗疲劳性能比普通淬火要高出许多，表面氧化皮极少，操作简单，占地面积小，作业环境无污染等优点。有些产品（如汽车曲轴等）根据生产流程可以安排在机械加工生产的流水线上生产，这样既节省了物流成本，又提高生产效率。但是感应加热工艺也受到钢件的化学成分、外形及尺寸等因素的影响，也有一定的局限性，目前应用感应加热处理较多的一般在汽车、拖拉机、摩托车等零部件（轴类、齿轮、凸轮及曲轴等）的表面或局部淬火，以及机床零件（齿轮、轴类及滚柱丝杆）、五金工具、液压气动元件及纺机零件等的表面淬火。如利用工频（50Hz）和高频(250kHz)相结合可以对大型冷轧辊进行双频连续淬火，用中频对矿山机械上的双曲线轧辊的表面淬火，利用超音频（20～40kHz）可以对精密齿轮、纺机锭杆等进行超音频淬火。其中纺机锭杆的技术要求很高，这种用高碳铬轴承钢（GCr15）制作的纺机细纱机上用的锭杆如图1所示，它要求整体淬硬，特别是上下端锭尖的硬度和金相组织要达到技术要求难度极大，锭杆淬火后的畸变≤0.15mm，目前的做法一种是盐浴淬火，它的淬火畸变很大且污染环境；另一种是在没有可控气氛下加热的回转式电阻炉内加热及用夹持淬火来达到淬火畸变≤0.15mm的要求，但是机械故障较多，维护保养要求较高；采用感应加热是国内外热处理的先进工艺，但是以前的做法是在400kHz的高频中将锭杆推到感应圈内进行通过式穿透加热淬火及回火，此方法淬火畸变太大（0.5～1.6mm），为此必须用计算机控制的专用校直机或人工气泵校直，此法成本较高，效率低且校直工作量很大。

近年来原上海良纺纺机专件有限公司通过多次试验，在100kW、20kHz的IGBT超音频电源中和轴向感应器对锭杆进行一次感应穿透加热淬火取得成功，并结合五工位夹持淬火机床（见图2），组成感应加热淬火矫直生产自动线，使锭杆的淬火畸变≤0.15mm的变形量合格率达到≥90%。超差部分的变形量≤0.3mm，用锤子轻敲校正，锭杆的淬火硬度和金相组织全部达到了技术要求。它是利用感应穿透加热结合夹持淬火矫直为一体的相变超塑变的形变热处理原理对锭杆进行淬火，这对于其他长细比相差很大的小型细长杆件的热处理具有借鉴作用。对于各种专件批量生产的工件经感应淬火后可以进行自回火或专门感应回火处理，得到的显微组织弥散度高，回火后的耐磨性和冲击韧度比普通回火高。

目前，感应加热国内基本都已使用新型固态晶体管电源，它们是：①静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor），它适合于高频感应加热、调幅∕调频及超声波发生器，SIT电源已很成熟，一般功率在300kW，频率在200～300kHz左右，耗散功率仅3kW。②场效应晶体管MOSFET（Metal_Oxide_Semiconductor Field Effect Transistor），这是一种电压型高频多数载流子器件，它应用在工业和商业上较多。③绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，它是将MOSFET和GTR组合在一起的新一代感应加热电源，比晶闸管电源更省电（≥10%），调节性能好等优点，因它具备绿色、节能、环保、安全的特点已经得到普遍的应用。现在生产的电源设备对于环境没有影响，没有辐射现象。淬火机床已经进入采用智能化计算机控制阶段，现在的淬火机床采用变频调速电动机、步进电动机或伺服电动机，通过滚珠丝杠传动，使移动速度均匀精确，控制精度高，采用PLC或NC对工件的淬火温度进行监控，保证了质量，提高了效率，感应器采用快速接头装卸，效率提高很多倍。感应器的设计采用计算机模拟感应加热来确定感应器的结构，从而提高工件感应加热的质量。大功率感应脉冲加热（能量密度（8～9）×103～104W/cm2，电源频率450～500kHz）可以获得高硬度、高耐磨性、良好的韧性和疲劳强度及微变形等优点，如45钢硬度≥900HV0.5，GCr15钢≥1000HV0.5。

图2 五工位夹持淬火机器

（3）真空热处理 真空热处理是工件在10-1～10-5Pa的真空中进行加热到所需要的温度，然后在不同介质中以不同的冷却速度进行冷却的热处理方法称真空热处理，具有工件表面清洁光亮、表面不脱碳不氧化、操作环境清洁、能量消耗较低及环保安全等优点，现已经取代了许多盐浴及常规等热处理工艺。根据工件的技术要求，可以做低、高、超高（＞10-4Pa）真空度的处理。真空温度方面：温度＜700℃为低温度炉；700～1000℃为中温炉；＞1000℃为高温炉。真空热处理受到钢件的化学成分，几何形状及技术要求的限制，一般适合做一些高级精密机件的热处理，如航空航天零件，计算机零件，液压零件，纺机零件，高精密度的微型轴承和不锈钢轴承，医疗器械，高合金钢及高速钢刀具、工具、模具的真空热处理。特别是冷作模具钢经真空淬火后的耐磨性和强度提高了很多倍，某些高合金钢车刀或钻头经真空镀膜后的切削性能、耐磨性及热硬韧性得到显著的改善，使用寿命同样提高了许多倍。真空热处理还具备脱气作用，可以将钢中的有害气体氢气排出，从而提高了钢的纯净度，所以经真空淬火的工件比普通热处理的耐磨性、强韧性和力学性能等都提高好许多倍。但是真空度也不能太高，否则会产生脱铬现象，影响工件的质量。真空热处理的操作都已应用计算机控制，应用范围如真空退火、真空淬火、真空回火、真空渗碳、真空镀膜、真空钎焊及真空烧结等，它们是一种无氧化脱碳并能提高力学性能的绿色热处理工艺，近几十年来的发展速度很快。

（4）利用铸造、锻造、轧制等余热淬火 在铸造、锻造、轧制过程中，对于某些制品利用余热淬火工艺已经有几十年的历史，它可以提高有关产品的质量、节省能源、降低成本、提高劳动生产率，一直得到重视和应用。余热淬火实际就是形变热处理，是对金属材料进行形变强化和相变强化，即把压力加工和热处理相结合、使材料性能得到综合提高的方法。这种方法不但能获得一般加工方法达不到的高强度和高韧性的良好组织，而且还能大大简化金属材料或工件的生产工艺过程，如对于有些钢种的热轧钢板进行余热淬火来提高强度从而减薄了钢板厚度、减轻了钢板的重量，达到整机减重的目的。形变热处理可以分为低温形变热处、高温形变热处理、形变化学热处理。对于某些中小型工件的余热淬火，为了保证质量长期的稳定性，因操作过程或作业环境温度等因素的影响，使某些中小型工件的余热淬火时温度出现不一致的现象，导致批量淬火质量的不稳定，为此有些企业在锻造后面增加一道均热工艺，如固定火车道轨上的弹条就是在中频感应加热锻造成形后增加了一台中温输送带式电阻炉，使弹条的淬火温度能够均匀一致，然后逐渐落入淬火冷却介质（KR6480）槽内，并通过输送带逐渐提出液面，这样处理出来的弹条质量是均匀一致的，均热保温炉的温度设定在终锻温度，起到了均匀化作用，从而确保了弹条的质量，从成本上看不会增加许多电费，因为弹条的终锻温度还是比较高的，在保温阶段所需要的电耗还是比较少的。但是对于有些产品为防止锻造冷却时的晶粒长大，可以在精确控制终锻温度后，立即进入比雾冷快、比油冷慢的专用淬火冷却介质（KR9988）中进行余热淬火，这样可以得到理想的淬火组织，提高了钢件的综合力学性能，从而节约了大量的能耗。

3. 工艺材料

（1）盐浴炉用的工艺材料（高、中、低温用盐） 因某些产品的工艺暂时还需要用盐浴热处理，如高速钢做的长拉刀、铰刀、铣刀、麻花钻头等的淬火，它们在高温炉（1000～1350℃）中用氯化钡盐，低温炉（180～600℃）用的亚硝酸钠盐，在可控气氛炉中用的分级淬火中也用亚硝酸钠盐。为此对它们的残渣、废水都需要进行无害化处理合格后才能排放。对于中温盐浴（700～900℃）推荐使用氯化钾、氯化钠、碳酸钠的配方，不要再用氯化钡盐，因为钡盐的溶解和清洗都很困难，不能彻底清洗干净且有毒，用盐浴热处理过的产品到机械加工乃至成品后，在使用过程中凡是机加工没有进行到的部位如中心孔及沉割槽等部位因清洗不彻底就会生锈，所以中温盐浴炉尽量不要使用氯化钡盐。高中温盐浴的脱氧剂分别推荐使用TiO2和SiO2的混合物或高温脱氧剂对高温盐浴进行脱氧，用603渗碳剂或专用脱氧剂对中温盐进行脱氧。硝盐浴内不能有油污或碳粒子进入，否则会有发生爆炸的风险。对于需要防氧化和防渗碳（碳氮共渗、渗氮、渗金属等）的工件来说，需要用环保型的防氧化和防渗涂料来保护，其剥落性能要好，并对淬火冷却介质没有污染。

（2）可控气氛及真空热处理用的工艺材料 在众多类型的可控气氛中推荐使用氮甲醇型的可控气氛，它们的制气过程简易，节能效果明显。可控气氛用的材料是纯度为99.95%～99.999%的高纯氮、纯度为≥97%的甲醇、纯度为≥95%的丙烷。液氨的纯度要高，水分含量≤0.01%，除水后才能进入炉内进行碳氮共渗或渗氮。真空炉用氮气的纯度≥99.99%，这个纯度选用液氮制气是最稳定的，其操作也简单。

（3）清洗剂（水剂、溶剂、碳氢类型） 热处理后的工件会沾有淬火冷却介质，必须用高效环保的清洗剂将其除去，清洗剂的种类分为水剂型、溶剂型及碳氢清洗剂三大类。水剂清洗剂的组分中不能含有磷和钠离子，它们按照一定配比的浓度对工件进行清洗，清洗能力强，泡沫低，具有一定的工序间的防锈能力。溶剂型和碳氢类清洗剂都是用原液在室温下使用的，它们具备去脂能力更强、无残留物、气味小等特点，但是不能超过常温（≤40℃），杜绝明火在操作处附近出现。

（4）防锈剂 （水基、溶基、油基型） 防锈剂是对热处理工件进行工序间或完工后的防锈，它们分别是按不同浓度配比的水基型和全部是溶液的溶基剂型和油基型三种类型，其防锈期可以从几天到几年不等。如某些紧固件在热处理生产线上进行发黑后进入含有防锈油的防锈槽内浸泡一定时间即可达到较长的防锈期。

4. 淬火冷却介质（水、水剂、油剂、盐浴）

根据工件的技术要求，可以选用多种淬火冷却介质。如利用计算机技术可以对一些大型工件进行水-空或介质-空的淬火，避免了水淬油冷的风险和污染环境。对于一些碳含量较低的紧固件（35K钢）淬火可以选用环保型的复合盐（KR7280）淬火；对于45钢、40Cr、42CrMo等中高强度紧固件的淬火可以用水溶性淬火冷却介质或淬火油来进行，水溶性淬火冷却介质以PAG型的使用得较多，如KR6180、KR6380、KR6480、KR6680等，它们分别可以对相关尺寸的中低碳合金钢、碳素钢、铝合金的固溶处理或进行整体感应淬火，并具有一定防锈性能。

PVP类介质（KR9988）又可以对板簧、工模具钢、马氏体不锈钢等进行整体淬火。水溶性淬火介质的使用达到了对环境友好的目的。为了解决中低合金钢、渗碳用钢、轴承钢、高合金钢等的淬火畸变需要几种比水剂淬冷烈度缓和一些的油基淬火冷却介质来替代，对于常规轴承套圈和齿轮渗碳淬火可以分别配置专用淬火油( KR468G、KR468C……)，对于要求强韧性高的轴承套圈则采用盐浴淬火冷却介质（KR1129，KR1139）来进行马氏体分级淬火，它们能显著地减小复杂形状零件的淬火畸变，淬火后工件易清洗，热氧化安定性好，使用寿命长且环保。对于高速钢等高合金钢材料做的工具、模具、刀具还可以用真空油进行淬火( KR348……)，真空淬火油具有馏程短、饱和蒸气压极低、抗氧化能力强、不易挥发、易抽真空、光亮性好、以及使用寿命长等优点。

5. 热处理设备及装置

最近几十年以来，通过设备制造业的努力，有相当数量的热处理设备已经达到了智能化水平，有些设备已经达到了国际的水平，但是还有一些设备处于一般水平，需要这些企业加快更新改造的力度，尽早实现热处理设备的现代化，并达到环保节能智能化等功能。

如先进热处理设备的机械传动构件的轻型化及机械制造精度的提高，电子元器件的稳定性和控温仪表的精密度得到保证，计算机控制的应用，炉内的耐热钢件的机加工精密度和材料的稳定性，加热元件的耐高温性能优育，炉膛采用轻质耐火砖和保温砖，炉壁采用环保节能型的高级硅酸铝耐火纤维保温材料，电热丝棒的引出口的内衬密封为专用硅酸铝件，炉壳的焊接采用全密封结构，焊接完工后要求做耐压试验，炉门的密封机构紧凑安全可靠，炉温采用双热电偶测量，空炉升温及单位产品的能耗达到或高于国家标准，测温仪表、控温仪表精密度的提高和计算机的应用，提高了设备的可靠性等。

为此制造出来的可控气氛连续炉（输送带式网带炉、铸链炉、推盘炉、辊底炉……），间歇式电阻炉（密封箱式多用炉、底装料立式多用炉、井式预抽真空炉、井式气体渗碳用、箱式炉、台车炉、钟罩炉……），各种类型真空式电阻炉及各种规格感应加热设备等可以满足热处理工件的技术要求，从而提高工件的力学性能。热处理的辅助设备（淬火油槽）采用风冷装置，节约了能源的消耗和确保淬火槽内不会有水进入等。

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