热处理技术进展(三)

樊东黎(中国热处理行业协会，北京　100101)

摘  要：随着机械产品市场的激烈竞争，热处理生产技术发展神速。美国2020年热处理技术发展路线图的制定和实施更加速了这个进程。作者从工艺、设备、材料、传感器、模型和软件工具等5个方面论述了热处理新技术发展近况，以引起国内热处理工作者的注意，促进我国热处理行业“十一·五”规划的实现，加速我国热处理生产技术的进步。

关键词：热处理；新技术；进展

3　新材料

3.1　生态淬火剂

    当前常用淬火剂是水、盐水、熔盐、冷热矿物油和聚合物溶液。HoughtonDurferrite公司预见到明天的理想液态淬火剂是生态淬火剂(Bio2Quenchant)。所谓生态淬火剂就是以植物油为基加入添加剂的天然淬火油。图16为Houghton公司测试的植物油和矿物油的淬火冷却性能曲线。由图16可见，植物油的最大冷速向高温移动，几乎没有蒸气膜阶段，最大冷速高、最低冷速小。故植物油冷却均匀，工件畸变小是必然结果。用提高抗氧化能力的套药(添加剂)可以把植物油的工作温度提高到较高程度而不影响其最大冷速，而低温冷速也很小，几近没有变化(见图17)。在专营热处理加工厂的密封多用炉中使用生态淬火剂两年半，被处理的钢材有油淬工具钢、合金渗碳钢和低、中碳素钢，工件截面尺寸为014～100mm，油温60～105℃。据用户报告，处理后的工件硬度、力学性能、尺寸稳定性和表面状态都合格。用52100钢(相当于GCr15钢)轴承套圈在美国某一轴承厂的连续淬火炉中进行了一组试验，持续进行了12个月的生产。与此同时，还对120℃的生态油和普通淬火油的冷却性能作了对比测试，其结果见图18。用植物油淬过火的零件硬度、尺寸稳定性、椭圆度和普通淬火油都没有区别，而锥形零件的椭圆度却比普通淬火油的小得多。植物油闪点高，热油淬火安全，且油的工件带出损失比普通淬火油少60%。在另外几家热处理厂进行了6个月以上的生产试验，在一台密封淬火炉中于70℃冷油和230℃的热油中淬火，也取得了成功的结果。

图16　生态淬火油和普通中速淬火油在60℃的冷却性能比较

图17　油槽温度(60～175℃)对生态淬火油冷却性能的影响

图18　生态淬火油和普通淬火油120℃时的冷却性能比较

据介绍，使用植物油淬火的优点还有很多。首先植物油容易生物降解，降解率可达75%以上，欧洲有降解80%～100%的试验数据，而矿物油只能降解10%～40%。植物油的沸点和闪点都比矿物油高，油烟毒性很小，还是可再生能源，能源源不断地得到供应，不易水解、抗氧化能力强、低温粘度低、粘度范围窄。目前植物油价格比矿油虽贵一倍，但使用寿命长，工件淬火质量好，对环境相对友好，在一定程度上可得到补偿。

3.2　Ni₃Al金属间化合物

Ni₃Al金属间化合物是一种新型炉内抗渗碳耐热构件材料，问世已有20多年，因为其脆性大未得到实际应用。美国能源部OakRidge国家实验室由ChainT.Liu领导的课题组发现在Ni₃Al化合物中添加微量硼可明显改善其塑性，该材料的主要化学成分(质量分数，%)为8～11Al、81～88Ni，并添加了Cr、Zr、Mo和B，改进后的材料具有出色的热强性、抗蠕变、抗渗碳能力。Delphi-SaginawSteeringSystems公司通过和能源部的研发协议在11台推杆式渗碳炉中把耐热钢料盘、料筐、夹具都改成用Ni3Al材料，随后还打算用来制造辐射管和风扇。初步试验结果表明，Ni3Al构件寿命比耐热钢高一倍以上。预计加热炉内的所有耐热合金铸件都可用Ni3Al代替。采用Ni3Al构件还可以减少炉子维修次数、缩短工艺周期、提高热处理工件寿命、提高渗碳温度、节能效果显著。

3.3　APM和APMT合金

瑞典KanthalA.B.的Sadvik公司继KanthalAl电热丝之后相继开发出APM和APMT合金。此种材料是用A21粉末通过热等静压、烧结和深拉延出来的。用AT1合金制造的电热和燃气辐射管比一般耐热合金能经受双倍的热流，在925℃能经受的热流达9～10kJ/m²。用KanthalAPMFe2Cr2Al合金制造的辐射管在1150℃使用1000h后，表面状态良好，表面形成的Al2O3具有保护作用;而Ni₂Cr合金管在1150℃使用1000h后，表面损坏严重。KanthalAPM合金可延长寿命4倍。表3为KanthalA.B.公司提供的KanthalAPM合金管尺寸。表4为电热材料在各种气氛中允许的最高温度。各种合金在不同温度下的渗碳速度示于图19。

图19　各种合金渗碳速率和温度的关系

　　(1)KanthalSUPERER高温发热体　SUPERER综合了MoSi2的优异高温性能和Al2O3的氧化稳定优越性，可用于多种气氛加热炉。Mo(SiAl)2复合发热体可用于氧化性、惰性、吸热式气氛和还原性气氛，特别适用于干燥氢和氮-氢气氛中的烧结过程。例如铁淦氧体在氢保护条件下的烧结和其它陶瓷材料的烧结。

(2)KanthalGLOBARSDA发热体　GLOBARSDA新型碳化硅发热体可延长熔铝反射炉寿命，抵抗铝和杂质的化学腐蚀，使炉子寿命延长25%～100%。主要通过3条途径改善SiC发热体性能和延长寿命；首先发热体热段采用能促使再结晶减少表面氧化的材料，其次使用复合硅石A釉以减少整体表面的氧化，并使用碱金属以提高其氧化物熔点。该元件对水蒸气和碱的侵蚀有较高的抗力。 

3.4　用超临界液体CO2清洗工件

美国GCGTechnologiesInc公司开发了一种DeflexProcess清洗技术，用超临界液体CO2代替氟氯烃(CFCs)清除电子和光电产品上的油脂、塑料、聚合材料上的污染物、多孔金属表面污物、机加工零件和冲压件表面油污。其方法是将液态CO2在30℃和7550kPa压力下通入盛有零件的容器，满载污物的溶液从容器中泵出并立即膨胀成气体，气体经压缩冷凝后可重复使用，沉积下来的切削油等污染物可收集回收利用。超临界态的高能溶液既不是液体，也不是气体，既具有液态性质，也具有气体的扩散性。超临界CO₂表现出溶解选择性(SolventSelectivity)，根据压力、温度和混合效应可覆盖从FreonⅡ到11111三氯乙烷溶剂的溶解范围。针对污染物的选择溶解是超临界CO₂的主要优点之一。使用超临界CO₂清洗工件无需干燥工序，工件也不会产生锈蚀，清洗速度比真空清洗快数十倍。