热处理节能技术与生产应用

2014-11-25哈尔滨汇隆汽车箱桥有限公司黑龙江150088金荣植

金属加工(热加工) 2014年2期

哈尔滨汇隆汽车箱桥有限公司（黑龙江 150088）金荣植

热处理行业是能源消耗的大户，其用电量占机械工业用电量的1/4～1/3。因此，热处理的节能潜力巨大。开发和使用高效、节能热处理技术，可以获得显著的节能效果，节能措施主要有：对碳素结构钢和低合金结构钢尽量采用不均匀淬火方式，取消加热保持时间；对合金含量高的材料，可以通过实际测定，修正在各类加热设备中的加热计算系数，最大限度地缩短加热时间；在材料允许的加热温度范围内，尽量用低温处理代替高温处理；对化学热处理应选择合适的方式，同时采用催渗方法；合理编制生产工序，尽可能利用铸、锻（轧）余热进行材料的热处理；合理选择能源，达到节能目的；减少热量损失；利用燃烧废热节能；选择节能热处理设备；使用节能材料（包括节能工艺材料和节能钢材等）；进行节能管理等。

一、节能热处理工艺与方法

通过热处理工艺优化，达到节能的目的，是现代热处理节能最有效手段之一。在满足技术要求，且不添置设备的情况下，充分挖掘热处理时的节能潜力，同时大大缩短生产时间，提高生产能力，又获得较大经济效益。

热处理工艺优化就是在保证获得所需性能的前提下，通过改变加热温度、保温时间及冷却方式等工艺参数，达到节能、缩短生产周期和获得最大经济效益的方法。

1.缩短加热时间的工艺与方法

热处理是大量耗能的加工过程，缩短热处理加热时间是节能的有效方法之一。碳钢和低合金钢施行零保温加热，亚共析钢加热到F+A两相区的不完全淬火都是可行的。

（1）零保温淬火工艺零保温时间，即取消或缩短结构钢的加热保持时间。对于碳素钢和低合金钢的单件加热升温，当炉子温度到达工艺指定温度即工件表面到达工艺温度时，工件即已透烧，而无需再额外增加透烧时间，这就是所说的“零”保温淬火。

对碳钢和低碳合金钢，如果产品形状比较简单，尺寸相对较小零件，完全可以采用零保温淬火，以达到高效节能的目的，既可以保证产品质量，以免过热过烧、氧化脱碳，又可以大大避免耗时、耗能的现象。

应用实例1：45钢锥齿轮零保温淬火工艺

锥齿轮，外形尺寸为φ32.93mm×20mm，内孔直径10mm，材料为45钢，要求调质硬度220～250HBW，齿部高频淬火硬度40～46HRC。

1）原加工工艺路线。锻坯→正火→粗车→调质→机加工→高频淬火→磨削内孔，由于加工工序繁多，成本高。对此，取消正火和调质工序，直接进行淬火，不仅保证了产品质量，而且降低了生产成本。

2）零保温淬火工艺及效果。（840±10）℃箱式炉加热，保温2min，水淬油冷；（320±10）℃保温1h回火。经检查齿部硬度41～44HRC，经磁粉探伤检查，未发现淬火裂纹，这是由于齿轮在（840±10）℃加热时，齿表面快速升温，齿心部还处于相变点以下，这时淬火避开了45钢淬火裂纹的危险尺寸，且变形小。其次，水淬油冷淬火方式，减小了淬火应力，减少了淬火开裂倾向。零保温淬火时，齿表面保温时间几乎是零，因而晶粒细小。用此工艺处理的3000余件齿轮，未发现一件裂纹，经抽查，硬度全部合格。

应用实例2：零保温正火工艺

内燃机中28种精铸零件要进行正火或调质处理。这些精铸零件具有以下特点：批量大，每年处理零件二百多万件；重量轻，单件重量0.021～1.33kg；材质均为ZG310-570；图样只有硬度要求。

1）原正火工艺。原正火是按传统的加热公式τ＝KαD计算加热时间，式中，K＝2.0，α＝1.4～1.8，故加热时间长、耗电量大。精铸热处理工件每吨耗电量为1052kW·h。

2）新工艺。通过多次试验和反复生产验证，K值确定为1.4～1.8，最后制订了箱式炉中多层散装堆料加热时间计算公式：τ＝K（10+0.6D+0.2G）。式中，K为加热时的修正系数；D为工件的有效厚度（mm）；G为工件装炉总重量（kg）。

3）节能效果。5种零件新、原工艺方案的经济效益对比如表1所示。28种内燃机零件热处理平均每吨耗电量从1020.59kW·h下降到451.13kW·h，达到了节电54.83%的效果，工时节约56.13%，年节的电费18万多元，年节约工时近9000h。因此，经济效益巨大。

（2）减小加热时间计算系数的方法热处理工艺选择不当，加热和保温时间的计算过于保守，将会造成能源浪费。大连圣洁公司通过十几年的研究、试验，总结了用于热处理加热时保温时间的简单计算法则——369法则。实际生产表明，该法则的实施有助于节约能源、降低生产成本、提高产品质量和生产效率。

表1 新、原工艺各类技术经济指标对比

1）各种金属材料在空气炉中加热淬火保温的369法则

①碳素钢和低合金钢（45、T7、T8等）。传统的碳素钢淬火加热时间的计算公式：τ＝KαD。式中，τ为加热时间（min），K为反映装炉状况的修正系数，通常在1.0～1.3范围内选取；α为加热系数，一般在0.7～0.8min/mm；D为工件有效厚度（mm）。

按369法则，对于碳素钢和低合金钢，保温时间仅需传统保温时间的30%即可。

应用实例1：采用箱式炉加热φ60mm的45钢工件，其淬火保温时间共需60min×30%＝18min。实际上，在炉温仪表指示的温度到温后，按工件每3mm有效厚度透烧时间为1min即足够。

②合金结构钢（40Cr、40MnB、35CrMo等）。按369法则，合金结构钢加热的保温时间可以是原来传统保温时间的60%。

应用实例2：用传统的公式计算的40Cr保温时间如果为100min，按369法则，新的保温时间为：100min×60%＝60min。

③高合金工具钢（9SiCr、CrWMn、Cr12MoV、W6、W8等）。按369法则的保温时间是原来传统保温时间的90%。

④特殊性能钢（不锈钢、耐热钢、耐磨钢等）。这些钢种的369法则可按照合金工具钢的公式计算，即以传统公式计算的加热保温时间×90%作为保温时间。

⑤预热淬火。对于大型工件（有效直径≥1m）调质处理的预热保温时间的369法则为：T1＝3D；T2＝6D；T3＝9D。式中，T1为第一次预热时间（h），T2为第二次预热时间（h），T3为最终保温时间（h），D为工件的有效厚度（m）。

实际生产证明，对于在空气炉中加热的中小零件（有效尺寸≤500mm），预热和加热时的保温时间也可以按369法则计算。

2）真空加热保温时的369法则。传统的真空炉加热保温时间的计算公式如下：T1＝30+（1.5～2）D；T2＝30+（1.0～1.5）D；T3＝20+（0.25～0.5）D。式中，T1为第一次预热时间（min），T2为第二次预热时间（min），T3为最终保温时间（min），D为工件的有效厚度（mm）。

按369法则1，装炉量在100～200kg，工件有效尺寸在100mm左右时，按下式计算：T真1＝T真2＝T真3＝0.4G+D。式中，G为装炉工件净重量（kg），其他符号意义与上述相同。

按369法则2，工件尺寸基本相同，摆放整齐，并留有一定空隙（摆放空隙＜D）时，按下式计算：

G≤300kg：T真1＝T真2＝T真3＝30+D；G＝301～600kg：T真1＝T真2＝T真3＝（30～60）+D；G≥901kg：T真1＝T真2＝T真3＝90+D。式中，G为装炉总重量（kg），包括工件、料筐、料架及料盘的所有重量；D为工件有效直径（mm）。

在实际生产过程中，对于变形要求严格的工模具，第一次预热时间应取上限值，第二次预热取中限值，最终热处理取下限值。

对于普通合金结构钢工件或变形要求不太严格的工件，第一次预热的时间可以取下限值，而在最终加热时取上限值。

对于一次仅装一件的大型工件，第一次与第二次预热时间可以取下限，最终加热时，则根据实际要求取中限或上限值。

3）密封箱式多用炉的369法则。工件在密封箱式炉中加热的热效率比真空炉高，故其369法则的参数可以按真空炉369法则中的下限选取，即：G＝301～600kg：T真1＝T真2＝T真3＝30+D；G＝601～900kg：T真1＝T真2＝T真3＝60+D；G≥901kg：T真1＝T真2＝T真3＝90+D。式中，G、D符号意义同369法则2。

（3）高温渗碳工艺工件渗碳淬火量大、面广、耗能大，是热处理行业提高节能效果突破口之一。对部分要求深层渗碳工件采用高温渗碳工艺，如1010℃以上高温渗碳，可比在930℃常规渗碳工艺时间缩短30%～50%，因此显著降低能源消耗和生产成本。

应用实例：高温可控气氛渗碳工艺

齿轮轴，材料为20CrMnTi钢，渗碳层深度要求为4mm，要求渗碳、淬火与回火。

1）传统渗碳工艺。渗碳、淬火原采用井式气体渗碳炉，按照传统渗碳工艺（见图1）生产时，总工艺时间为73h，该工艺特点是生产周期长、成本高。

图1 20CrMnTi钢的传统渗碳工艺曲线

2）高温渗碳工艺与节能效果。现渗碳采用QS6110-H型高温可控气氛多用炉，齿轮轴高温渗碳工艺如图2所示，渗碳总工艺时间为16h。同传统工艺相比，渗碳时间缩短57h，节能60%以上，提高设备生产能力2倍以上。

图2 20CrMnTi钢的高温渗碳工艺曲线

（4）化学催渗技术化学热处理是一种周期长、效率低、耗能大的工艺。热处理工作者通过试验发现，某些化学物质（如稀土化合物、氯化物等）对渗碳、碳氮共渗、渗氮等化学热处理具有催渗作用，通过催渗，可缩短热处理时间，提高生产效率，降低生产成本，是一条十分有效的节能途径。

1）氧化腐蚀催渗技术。该工艺主要有表面预氧化法和化学腐蚀法。化学腐蚀法是在渗氮、渗碳时通过在渗剂或气氛中添加强腐蚀性物质，如氯化物、氟化物以及碘化物等来实现催渗。

应用实例：用工业纯NH4Cl作催渗剂。将NH4Cl粉末溶于工业酒精（一般按每立方米炉内容积加入130～150g的NH4Cl计算）。图3为在RQ3-75-9型井式渗碳炉内进行的催渗气体氮碳共渗工艺。

图3 催渗气体氮碳共渗工艺曲线

节能效果：①NH4Cl催渗氮碳共渗与气体渗氮后渗层深度与硬度对比如表2所示。②同普通渗氮工艺相比，NH4Cl催渗氮碳共渗可节省时间50%以上，即相应节省了电能，该工艺操作简便，安全可靠。

2）稀土催渗技术。在化学热处理中，在渗剂中添加一定的稀土元素，利用稀土元素的催化作用实现催渗过程，可显著缩短化学热处理周期。如在渗碳温度不变情况下，可以提高渗碳速度15%～25%，提高生产效率20%左右，节能20%左右。

表2 催渗氮碳共渗与气体渗氮结果对比

应用实例1：连续式渗碳炉稀土快速渗碳工艺我公司生产的CA-457型“解放”牌重载汽车后桥从动弧齿锥齿轮，外形尺寸为φ457mm×62mm，材料为20CrMnTiH3钢，技术要求：渗碳淬硬层深度1.70～2.10mm，表面与心部硬度分别为58～63HRC和35～40HRC，碳化物1～5级，马氏体及残留奥氏体1～5级。

齿轮渗碳淬火及回火采用双排连续式渗碳自动生产线，每盘装6件齿轮，其工艺路线为：450～500℃预处理→880～900℃预热（1区）→920～925℃预渗碳（2区）→925～930℃渗碳（3区）→890～910℃扩散（4区）→840～850℃预冷（5区）→870℃保温室压床淬火→60～70℃清洗→180℃×6h回火→喷丸清理→交检。

原渗碳工艺与稀土快速渗碳工艺参数对比见表3。通过表3可以看出，采用稀土渗碳工艺后，推料周期由原工艺38min缩短至30min，每一盘齿轮在炉内加热时间减少6h，提高渗碳速度20%，即提高热处理生产效率20%。

表3 原渗碳工艺与稀土快速渗碳工艺参数对比

节能效果：表4为项目实施前后单位物料及用电消耗情况。按同比产品产量2000t/年计算，每年可降低能耗65万kW·h，同时减少渗碳剂的消耗。因此，该工艺节能、降耗效果显著。

应用实例2：球墨铸铁稀土催渗氮碳共渗

球墨铸铁由于含碳量高，氮碳共渗时间长，生产效率低，成本高，渗层深度不均，表面硬度低，变形超差。加入稀土元素催渗，提高了产品质量和生产效率。

表4 项目实施前后单位物料及用电消耗情况

气体低温氮碳共渗在RN-60-6A型井式气体渗氮炉中进行，S195型柴油机球墨铸铁曲轴每炉114根，（560±10）℃×2h，通入氨气滴注乙醇，稀土加入量为15g，出炉空冷。

应用效果：经检验，加入15g稀土后，氮碳共渗层深度0.10mm，表面硬度450HV，炉次合格率100%。当共渗层深度要求在0.12mm时，常规氮碳共渗需4.5h，而加入15g稀土后仅需2h。

3）BH催渗技术。BH催渗剂中含有一种新的化学物质，它可以改变渗剂的分解过程，促使渗剂充分分解，加快扩散速度。采用温度不变、提高渗碳速度的催渗工艺，可以提高效率25%，一台多用炉每年可增加产值80多万元。

应用实例：齿轮BH催渗工艺

二汽东风精工齿轮厂将BH催渗剂按1200的体积比例分别添加到煤油和甲醇中，在RQ3-105-9型井式渗碳炉中，对材料为20CrMo钢半轴齿轮进行渗碳，不同渗碳工艺如图4和图5所示。

节能效果。50炉次试验结果见表5。由表5可知，采用BH催渗技术后生产效率提高了20%，每炉节电90kW·h，产品质量提高，且工艺稳定。

图4 原渗碳工艺

图5 BH催渗工艺

（5）快速回火技术采用快速回火装置回火及淬火钢的高温快速回火，可以达到显著节能效果。

1）采用快速回火装置回火。德国材料技术研究所提出一种非等温快速回火的方法，在190℃回火10min可代替160℃回火2h。通过在加热气氛和工件之间采用高速对流、涌流等方式，设计更高效的热转换器促进加热，可以显著减少回火时间，同时还能大大改善整个工件加热温度的均匀性。快速回火采用高精度加热炉，不仅要求回火炉温度均匀，而且传热也均匀。通过使用涡轮可以实现快速传热。在Pyro系统（Pyro回火软件集成了回火计算软件和Pyrograph热交换软件）中工件加热速度和温度均匀性得到了优化。

表5 采用不同渗碳工艺后50炉次对比检验结果

快速回火装置应用：采用快速回火工艺能够显著提高热处理效率和工件性能，而且还可以节约地面空间。图6为汽车连接件用快速回火装置，工件回火周期为6～8min。图7为轿车及叉车后轴用快速回火装置，工件回火周期为20min。

2）淬火钢的高温快速回火工艺。淬火钢的高温快速回火是，淬火后的钢件在Ac1点以上温度，根据工件的厚度代入经验公式计算出所需回火时间，几十秒或几百秒的回火，可以达到按传统工艺在低温、中温和高温回火几小时的效果，节能显著。

图6 汽车CV连接件用快速回火装置

图7 轿车及叉车后轴用快速回火装置

回火温度的选定：其选用的原则是，短时间的高温回火与长时间的低温回火达到相同的组织结构和力学性能。依据生产上对钢件性能的需要在Ac1以上某一温度，准确控制一定的回火时间，使其得到马氏体、托氏体和索氏体的组织，从而获得高的耐磨性、高的弹性极限和优良的综合力学性能。

回火时间的确定：可用如下经验公式计算：T＝Ks＋AsD。式中，T为回火时间（s）；Ks为回火时间基数（s），As为回火时间系数（s/mm），D为工件有效厚度（mm）。

例如，45钢用高温快速回火时，温度为860℃，选用Ks＝30s，As＝0.3s/mm，D＝10mm，则T＝30＋0.3×10＝33（s），即高温回火时间为33s，回火后硬度为52HRC。若用传统工艺时，回火温度为200℃，回火后硬度为52HRC。

应用实例：对40Cr、45及T10钢件采用高温箱式电阻炉加热回火，当炉温达到指定的温度后，根据所需力学性能（即硬度）按表6所给数据来确定保温时间。

按照表6所给的数据和工件厚度，计算出回火时间，回火后就可以得出在不同时间回火后的力学性能，经与传统回火工艺所得力学性能对比，具有相近的力学性能。

高温快速回火法不产生回火脆性，省时、节电，但对高合金钢和大件回火暂不适用。

表6 高温快速回火法和传统工艺回火法与时间对照

应用效果：对经纬纺织机上所用的Roll，以及一些传动的轴类零件的回火采用高温快速回火工艺，效果非常好，不仅达到了产品质量要求，而且节约了能源。

（6）用短时加热淬火代替渗碳淬火的方法

应用实例：20钢轴承滚柱低碳马氏体强化代替渗碳工艺

轴承滚柱原采用20钢渗碳淬火回火处理工艺，耗电大。现改为20钢920～940℃加热淬火，加热时间按35～40s/mm计算，淬入w（NaCl）=6%～10%水溶液，180℃×2h回火。硬度44～46HRC，工时缩短40%，成本降低20%。

2.以局部加热代替整体加热方法

应用实例：60Ti钢中频淬火取代20MnVB钢渗碳制造十字轴

十字轴是汽车万向节的重要零件，一直采用低碳合金钢渗碳淬火工艺，其使用寿命在3km左右。改用低淬透性钢中频淬火工艺，不但节省材料费用和工艺费用，成本降低约50%，而且可提高零件使用寿命。

1）60Ti钢十字轴中频淬火工艺：频率为2500Hz，功率为18～25kW，变压比12∶2，电压350～450V，电流160～165A，加热时间5.5min，用20℃自来水喷冷淬火，水压0.3～0.4MPa，回火采用160～200℃自回火工艺。

表7 不同材料及工艺十字轴的性能及成本比较

2）十字轴中频淬火后的性能及成本如表7所示。

3.简化或取消热处理工序的方法

（1）渗碳淬火件及感应淬火件取消回火一些渗碳淬火件及感应淬火件（如结构简单的光杆轴等）取消回火直接使用，既可充分利用较高的残余压应力，获得较高的疲劳强度，又可以节省能源，简化工艺，节约工时、工装及设备维修费用。

应用实例1：拖拉机齿轮渗碳、淬火后取消回火

我公司生产的东方红-75型拖拉机第二轴齿轮（见图8，简称第二轴），材料为20CrMnTi钢，重量16.3kg。热处理技术要求：齿面和心部硬度分别为56～63HRC和＞25HRC，渗碳层深度1.3～1.8mm，马氏体及残留奥氏体1～5级，碳化物1～5级，心部铁素体1～5级，T面圆跳动≤0.12mm，其余≤0.15mm。

图8 第二轴齿轮简图

1）第二轴齿轮加工工艺路线。正火→机加工→清洗→渗碳→淬火→清洗→回火→喷丸清理→锪中心孔→校直→机械加工（第二轴轴径磨削→主、从动齿轮配对→包装）。

2）原热处理工艺。第二轴齿轮渗碳采用RQ3-9-9型井式气体渗碳炉，淬火采用RYD-100-8A型插入式电极盐浴炉，回火常用RJ2-75-6型井式回火炉。第二轴齿轮渗碳、淬火及回火热处理工艺见图9。

图9 第二轴渗碳、淬火及回火热处理工艺

第二轴齿轮原工艺采用渗碳后空冷，再进行二次加热淬火，最后进行180℃×3h低温回火。

3）新的热处理工艺。第二轴齿轮渗碳后空冷和二次加热淬火的工艺不变，取消180℃×3h的低温回火工序。

4）新的加工工艺路线。正火→机加工→清洗→渗碳→淬火→清洗→喷丸清理→锪中心孔→校直→机械加工（第二轴轴径磨削→主、从动齿轮配对→包装）。

5）节能效果。每炉装120件（40件/筐×3筐/炉）第二轴。一般工业用电价格按0.85元/kW·h计算。年产按45000件计算，年可节电10万元以上。

应用实例2：汽车变速器齿轮轴中频淬火后取消回火

北京齿轮总厂通过对212型汽车变速器中间齿轮轴（下称48轴，φ19.05mm×218mm）和倒挡齿轮轴（下称94轴，φ19.05mm×76mm），表面经中频淬火后取消回火工序后的效果如下。

1）不同工艺条件下试样表面硬度比较，试样中频淬火后，硬度值在58～60.5HRC，而淬火回火试样硬度值55.5～57.0HRC，回火后硬度值下降了2～5HRC。

2）选50件48轴，中频淬火后不经回火直接磨削产品，经无损检测，未发现表面裂纹，存放半年后未发现表面裂纹。取消回火工艺的实际应用情况表明，48轴中频（8000Hz）淬火后不经回火，经校直的零件，尺寸变形稳定性良好，也从未发现因淬火应力导致产生裂纹的现象。

3）选取48轴各30件中频淬火后回火（160℃×2h）与不回火，校直后均存放半年，表面径向圆跳动基本上不发生变化，一般绝对值仅为0.01～0.02mm，变形量处于稳定状态中。

4）减少了淬火区长度，使上述两种产品的淬火加热时间平均减少了10%～15%。综合以上因素，取消回火工序，每年所带来的直接经济效益在2.6万元以上。

（2）用振动时效代替热振动时效方法铸铁件及焊接件采用振动时效消除残余应力比炉内加热法节能效果十分明显，且方便易行，可显著提高加工效率。通常情况下，振动时效与热时效相比，生产费用可节省75%左右，能源消耗仅为热时效的1/30，生产周期仅为热时效的1/50～1/40。

通过对机床座及其他铸铁件进行振动时效和热时效处理对比试验，振动时效能够消除残余应力40%～60%，热时效能够消除残余应力50%～70%，振动时效所消耗能源仅为热时效的5%左右。

应用实例：兰州石油化工机器总厂生产的Z01.1.18机床座，材料为HT200，单件重量900kg，最大与最小壁厚分别为50mm和20mm。

1）振动时效工艺参数。根据工件的材质、重量、几何形状的不同，合理选择激振力的档次等。振动工艺参数见表8。

表8 振动时效工艺参数

2）应力测试。找出残余应力较大部位进行应力测试，测试数据见表9。

表9 残余应力测试结果

从表9可以看出，热时效与振动时效分别能够消除机床座残余应力的57%和45%，结果比较理想。对机床座其他部位也进行测试，结果与预期吻合。

3）节能效果。热时效与振动时效耗能与成本比较见表10。

表10 热时效与振动时效耗能与成本比较

从表10可以看出，振动时效比热时效节能96.8%，成本降低98%，因此采用振动时效方法经济效益十分显著。

4.余热热处理方法

充分利用铸、锻（轧）工序的余热进行热处理，节省重新奥氏体化时所需的高额热量，对大批量生产的标准件、汽车零件、工具等，节能效果是十分巨大的。

常用锻造余热热处理有余热等温退火、余热正火、余热淬火及余热调质等，为了保证锻造余热热处理质量，需要严格控制锻件的始锻和终锻温度及终冷过程控制。在生产中采用锻造余热热处理能够使毛坯热处理能耗降低50%～70%。

（1）锻造余热淬火

应用实例：42CrMo钢重载汽车平衡轴锻造余热淬火

斯太尔重型汽车用平衡轴，材料为42CrMo钢，要求调质处理后：硬度27～34HRC，表面与心部的金相组织分别为1～2级和1～5级，距离表面15mm处抗拉强度为900～1050MPa。

1）原工艺流程。下料→中频加热→滚锻→成型→切边→热校正→调质→喷丸→无损检测→喷漆。

原调质工艺为：（850±30）℃×2.5～3h加热淬火，水冷至150～200℃提出液面；（600±10）℃×3.5～4h回火。平衡轴经原工艺处理后问题较多，且产量低，成本较高。

2）新的工艺流程。下料→中频加热→滚锻→成型→切边→热校正→余热淬火→抽检硬度→回火→100%硬度检查→金相与力学性能检查→喷丸→100%无损检测→喷漆。

3）平衡轴锻造余热淬火工艺。锻坯在1100℃加热后，进行锻造处理，将锻造成形后至淬火冷却的转移时间控制在40s以内，用红外测温仪测量工件入淬火液（即质量分数为10%的PAG-Ⅰ型淬火冷却介质）淬火前的温度为800～820℃；控制淬火液温度在≤45℃，工件入淬火液后1min内采用大的搅拌烈度，然后缓慢搅拌，6～8min后将工件提出淬火液面入炉回火。平衡轴锻件锻造余热淬火工艺见图10。

图10 平衡轴锻件锻造余热淬火工艺

4）应用效果。平衡轴锻热淬火与常规热处理对比，不仅显著提高了产品的热处理质量和使用性能，生产效率提高了50%以上，而且每件成本降低15元，全年共节约70万元以上。

（2）锻造余热正火利用锻造余热，通过合理控制冷却速度等工艺参数，对锻件进行正火处理，可以获得显著的节能效果。

应用实例：对低碳合金钢，如15Cr、20Cr、20CrMnB，终锻后，以一定的速度冷却到500～600℃，立即加热到Ac3以上，进行正火处理，其工艺如图11所示。各种钢的锻造预热正火温度如表11所示。

表11 低碳合金钢锻造余热正火温度

（3）锻造余热调质工艺采用锻造余热调质工艺进行生产，不仅可以获得显著的节能效果，而且还可以提高产品的力学性能，减少工序环节，缩短生产周期，因而得到广泛应用。

应用实例：重庆歇马机械曲轴有限公司在摩托车发动机曲柄生产中采用锻造余热调质工艺，取得显著效果。将45和40Cr圆钢经中频感应加热锻造成形后进行余热恒温调质处理，其热处理工艺如图12所示，精锻后部件外形尺寸为φ115.7mm（大端外径）/φ22.3mm（小端外径）×148.5mm（长度）。

图12 曲柄锻造余热调质工艺

根据不同材料、零件的几何形状，采用新型自动化恒温设备，可对终锻后的工件立即进行短时850℃恒温处理，通过精确控制炉温，保证工件温度均匀，采用浓度约为10%（质量分数）的KR7280水溶性淬火冷却介质。为了与锻后余热调质工件的组织与性能进行对比，将精锻后的工件空冷至室温，然后用箱式炉加热奥氏体化后重复上述淬火、回火过程，即常规调质处理。

节能效果：①45和40Cr钢曲柄经锻造余热调质处理能够显著提高淬透性，组织和硬度分布均匀，力学性能优于常规调质后的工件。②常规调质工件平均耗电量为0.5kW·h/kg，而锻造余热调质工件平均耗电量只有0.3kW·h/kg，节能40%左右。

5.降低加热温度方法

钢在二相区（亚温）加热淬火。亚温淬火工艺的优点是在保证材料强度、硬度的同时，使塑性和韧性得到改善，而且淬火变形或开裂倾向明显减少，并可以显著降低能耗。

应用实例：锥齿轮外形尺寸φ32.93mm×20mm，内孔直径10mm，材料为45钢，要求调质硬度220～250HBW，齿部高频淬火硬度40～46HRC。

1）原加工工艺路线：锻坯→正火→粗车→调质→机加工→高频淬火→磨削内孔，加工工序繁多，耗能多，成本高。对此，取消正火、调质，直接进行亚温淬火，不仅保证了产品质量，而且降低了生产成本。

2）亚温淬火工艺及效果：45钢锥齿轮经（780±10）℃盐浴加热，保温8min，水冷，（320±10）℃保温1h回火后，经检查齿部硬度42～45HRC，经磁粉检测，未发现淬火裂纹。

二、节能热处理设备技术

实现热处理设备节能措施主要有：提高设备能源利用率、合理选择能源、减少炉前热损失、充分利用废热等。同时，选择节能环保热处理设备。先进的热处理设备如多用炉、网带炉、离子渗氮炉、真空炉、密封箱式炉直生式渗碳系统等，这些设备在保证零件热处理质量的同时，通常具有良好的节能环保的效果。各种炉型按热效率（由高到低）排序为：振底炉、网带炉、井式炉、输送带炉、箱式炉和盐浴炉。

1.合理选择能源

热处理能源一般可分为电能和燃料两大类，用电或用燃料。用何种燃料取决于生产成本，能源供应条件，操作与控制的难易程度、可靠性，热处理工艺的特性和对生态环境的影响等综合因素。天然气是一次洁净的优质能源，热值高，无二次污染等特点，在通常技术条件下，其热效率可以达到50.5%，较煤、电热效率高出近1倍。热处理炉除直接燃烧可获得至少30%的热效率外，烟道气废热还可以用于较多的热处理用途，使绝对的热利用率可达到80%以上。天然气能源用于热处理生产已取得巨大的经济效益，节能显著，环保效果良好，是热处理设备节能要考虑的首要问题。

应用实例1：陕西法士特集团公司热处理厂，使用一次能源天然气加热，以爱协林5/2型多用炉为例，一台多用炉用电年节约14万元。

应用实例2：一汽集团公司热处理厂，将天然气广泛用于气体渗碳、碳氮共渗、光亮淬火、复碳处理等工艺的富化气或吸热性保护气。自2000年全面采用天然气代替丙烷气做原料气以来，汽车单车原料气成本大幅度降低。全部采用丙烷气做原料气时，单车原料气成本为38～40元/辆，而全部采用天然气做原料气时，单车原料气成本为12～15元/辆，仅2002年就节约热处理成本约350万元。

2.燃烧废热利用技术

（1）进行预热空气利用烟道气废热预热燃烧用空气，可用获得很大节能效果。把燃烧用空气预热到400℃可节约16%～20%燃料，预热到600℃可节能25%～30%燃料。把燃烧室空气过剩余数α控制到1.1～1.2，可节约10%～20%燃料。

应用：把烟道气收集起来用于回火和清洗液、淬火油的加热节省更多的燃料。自渗碳炉中排除的吸热式气氛或甲醇裂解气也具有显热和热值，也可用于淬火油、清洗液和回火炉的加热。排除的烟道气最后还可用来冬季取暖、烧热水等生活用途。因此，热处理废热的再生利用潜力很大。

（2）燃烧脱脂炉该炉用于密封渗碳炉或连续式渗碳生产线上工件的前脱脂和预热，用燃烧器通入气体燃料加热（见图13），炉温保持500～550℃。工件表面油脂挥发后也参与燃烧，燃烧用空气依靠烟道废热预热，既脱脂又预热工件，节能效果显著。工件表面的轻微氧化有助于减轻渗碳时钢件的内氧化，并提高渗层的均匀性和渗碳速度。

（3）热能多次综合利用的渗碳淬火生产线该生产线（见图14）是利用渗碳废气加少量丙烷作为燃烧脱脂炉热源。脱脂炉排除的气体用作回火炉热源。淬火油的多余热量用来加热清洗机的碱液和清水。

图13 燃烧脱脂炉

图14 热能多次综合利用的渗碳淬火生产线

应用实例：日本东京热处理株式会社（现改名为同和矿业）曾开发一种多次利用废热的连续式渗碳、淬火、清洗和回火生产线。渗碳前清洗改用燃烧脱脂。脱脂炉燃料是渗碳废气加少量丙烷气，排除的废气和油烟用在回火加热，回收近50%的热量。淬火油的热量用来加热清洗槽中的碱液和清水，可回收40%～60%热量。通过废热的多次利用，使整条生产线的燃料消耗降低40%。