国内金属表面处理及热处理加工行业现状分析

一、 行业 的发展状况

热处理技术作为机械制造业中十分重要的基础工艺技术之一，在整个工业领域中，应用十分广泛。在充分发挥材料潜能，节约能源，进行清洁生产和人类社会可持续发展上，热处理技术的拓展是绝不能忽视的。世界上工业发达国家都投入很多资金来发展这门技术。自1996年以来，美国、日本的欧洲的许多发达国家都先后制定21世纪热处理技术发展 规划 和目标。美国热处理工业2020年远景把目前和将来国外热处理先进技术与装备水平的目标和主要标志阐述得十分明确。

1、国外先进热处理技术发展战略目标：国外热处理技术发展的战略目标是可持续发展，产品质量提高，节约能源，精确生产，提高生产效率，国内的发展必应以此作为着眼点。这五个方面之间实际上是互相关联和制约的。

可持续发展中首先涉及环境，热处理是与环境和能源密不可分。热处理加工过程中应用的生产物料和剩余物料很多可能都是致污染源。热处理工作者要合理选用避免形成有害剩余物料的技术，对不得已产生的有害物质须应用先进的无害化处理方法使有害剩余物料达到国家或国际上规定的安全排放标准，并 研究 开发再生和重复使用的方法。国外对之 研究 很多，当然投资相当大。

热处理的能源消耗在机械制造企业中约占20～30％。上世纪90年代中期有调查我国每年用于热处理的电能约86亿度（约占总发电量的1％），全国热处理营业额约50亿人民币。1996年美国热处理用电总量为51亿度，比我国低40.7％，而全国热处理营业额为150亿美元，按当时汇率合计为1245亿人民币，是我国的24.9倍。由此可见，我国热处理的能耗远远落后于发达国家。因而，我国热处理设备和现行热处理工艺的改进、完善和开发十分必要，节约能源的前景很大的。另外，我国机械工厂的热处理用电费用约占产品生产成本的40％，这当然严重影响产品成本的降低。注意，电是二次能源，发电效率一般为30～40%，热处理生产热效率如达80％，则用电的综合热效率只有24％～32％。对利用一次能源天然气的热处理炉，加上烟道热能利用，可使综合热效率达60％～65％。为此，在解决控制炉温技术前提下，应用天然气使耗能下降，降低成本和提高生产效率十分有利。日本在这方面应用较好。

热处理产品质量的提高和精确生产过程，要涉及热处理设备的质量、可靠性和控制技术的提高以及热处理产品的质量重现性和产品性能的提高。热处理设备的高指标要求的实现是热处理产品性能、变形等质量分散度趋于零的重要前提。国外热处理设备对热处理全过程进行工艺参数的全面控制，并正在向自动化，集成化，柔性化和智能化的方向发展。在我国对上世纪60年代就应用的可控气氛热处理，还仅在部分大型企业和少数专业厂使用。全国范围看，可控气氛炉和真空炉总共尚不到热处理设备的5％，一些劳动强度大、污染严重和能耗大的设备仍占不少数量。许多热处理企业还主要靠手工操作，尚未进行碳势的控制或只是初步的控制，淬火介质也只是采用水和油(主要是机械油)两种。在这种条件下，要提高产品质量和进行精确生产仅只是空话，这要求企业领导层予以充分考虑。

以上项目的实现和保证，自然就能实现生产成本的降低和劳动生产率的提高。

国外工业发达国家正是这样去 规划 和努力的，我国也应该向这些目标奋进。美国热处理工业2020年的远景可以归纳描述如下：运用最新的CAD（计算机辅助设计）程序和热处理数据库，计算机模拟的仿真技术和精确控制技术实现对热处理进行高度柔性化和智能化的全面控制及系统管理。热处理工业的目标为：具有一流的热处理质量，质量分散率为零；工艺周期缩短50％；热处理工件畸变为零；热处理能源利用率提高到80％；热处理对环境影响减少到零；热处理成本降低75％；取得高的生产率和利润回报率；工作环境清洁，舒适和安全。其它还涉及：热处理工人受到良好训练，掌握先进技术和操作技能。政府为企业进一步减轻负担，刺激热处理企业发展和技术进步，并鼓励投资和银行贷款。产、官、学、研和会（学会、协会）合作加快推进先进的热处理技术。

2、国外先进热处理技术主要标志：针对上述国外先进热处理发展战略目标，具体的发展主要标志可概括为８个“少无” ：少无污染，少无畸变，少无分散，少无浪费，少无氧化，少无脱碳，少无废品和少无人工。这儿以下述四个方面对目前国外先进热处理水平予以论说。

1）清洁生产和零污染：热处理生产有些会形起环境污染，主要是指生产过程中产生的废气、废水，废渣，噪声和电磁辐射等。先进的热处理技术应采用清洁设备，对清洁材料进行清洁工艺的生产。

真空设备，可控气氛设备，离子渗设备，低NOx、SOx燃料燃烧设备，流态床设备等属无污染清洁设备；N2和各种惰性气体，聚合物淬火剂，无氟氯烃清洗溶剂，Al2O3和SiO2等流态床粒子（具备除尘条件）等材料属清洁材料；真空处理，可控气氛处理(尽可能减少CO2排放)，屏蔽良好的感应热处理工艺属清洁工艺；这样，真空热处理，低压渗碳，等离子热处理，高压气淬，真空清洗，三束（离子束、激光束、电子束）热处理，喷雾喷水淬火等显然可属少无污染的清洁热处理技术。

对气体渗碳和用渗碳气氛加氨的气体碳氮共渗和氮碳共渗后排出的废气应经点燃后才可无害排放；离子渗硼中不可使用剧毒的B2H6(乙硼烷)；对盐浴中不可使用受热要分解产生氰根的黄血盐和赤血盐；对含碳酸盐的盐浴不可使用尿素或缩二脲，因为它会反应生成氰酸盐，后分解为氰盐。对含S和Li的氰酸盐—碳酸盐盐浴可使氰化物保持在0.1～0.8％的低水平，处理零件的渗氮后性能良好，且处理周期缩短，这工艺在美、欧和日本应用相当多，法国HEF公司的SURSULF工艺及处理后进入氧化盐浴属于这种技术,（我国的LT硫氮碳共渗法也是）。在氰酸盐浴中添加有机聚合物melon也可将氰盐含量降到２％～３％，其余大部分是无毒的氰酸盐，法国HEF公司的德国Durferrit子公司（原属Degussa公司）的Tufftride / Melonite / Tenifer / QPQ处理盐浴属于此类技术，（我国成都工具 研究 所的QPQ复合盐浴处理也是）。清洗水中的氰含量已经稀释可无害排放。尽管如此，法、德和日本对这些工艺的无公害处理十分严格，并 研究 废盐的再生。对高速钢刃具淬火仍采用的BaCl2盐浴和含BaCl2废水须经无害化处理达标后才允许排放，德国已采用专门技术和装置来解决。

对有些应采用的非清洁工艺和非清洁材料，在整个处理过程中要进行全封闭，并在密闭系统中进行处理，实现无公害排放。处理的渣物要 研究 予以再生或作特殊处理。

2）精确生产和零畸变：热处理过程中的加热和冷却会使金属工件在处理后发生形状和尺寸的改变，增加加工余量的用再加工方法予以消除，变形超差则会引起报废，使已投入的材料和资源损失。工件变形也会影响互换性和减小运行的精密性，造成效率减低，能耗增大和噪声等弊病。为此，热处理零畸变十分重要，这要依靠热处理过程的精确生产来保证。精确生产要靠控制精度高和可靠运行的热处理设备（温度、压力、时间等工艺参数的精确控制和重现控制），材料的成分组织（含量偏差，杂质含量和偏析，原始组织一致）及相应的材料热物理性能和工艺性能偏差小来予以保证，从而使同一炉批处理件的质量（组织、硬度、变形、表面状态、渗层深度、渗层浓度分布等）差异缩小（或在技术要求控制范围内）和使不同炉批处理产品质量重现性提高。

工件发生变形主要发生在冷却阶段，淬火过程中工件均匀冷却，减小工件表面和心部的温差对减小畸变至关重要，所以应合理选择冷却介质和冷却方式。采用聚合物淬火介质、采用循环和搅动方式及速度控制冷却，合理选用淬火油温度，控制淬火油面压力（以达减小工件淬火变形），进行盐浴分级或等温冷却，施行气体冷却，喷水喷雾冷却，应用计算机模拟的冷却场技术，施压淬火，利用回火余热在自动矫直机上矫直等技术的采用，为减小畸变创造条件。

国际上名牌汽车齿轮渗碳后淬火减小变形的主要措施是实现等温和分级淬火，减小齿轮心表的温差和发生相变的不同时性，来降低热应力和组织应力的差异。也有报导汽车齿轮在低压渗碳后施行变向高压（2MPa）气淬，可使同步环齿轮畸变落在非常狭小的范围内。

严格的管理，科学先进的工艺方法，可靠的设备，精确的传感器，能实现精密控制的成套工程系统（包括仪器仪表、伐、泵，执行动作元器件，计算机，程序设计和实施等）是确保精确生产，实现无废次品生产和质量分散度为零的生产的保证。

3）少无氧化和少无脱碳：一般金属在空气中加热会发生氧化和脱碳，这会造成金属的大量耗损，也破坏工件的表面状态和加工精度。表面发生脱碳的钢铁工件在热处理后的性能会有所下降：硬度降低，耐磨性下降，表面产生张应力，降低抗疲劳性，耐蚀性变差等。这就有必要再行加工去除氧化脱碳层，或进行“复碳”处理，这必然增加生产成本，浪费材料，增加能耗和降低成品率。

属于少无氧化的热处理技术主要包括应用气氛、真空、感应、流态床、盐浴、激光束、电子束、离子束、涂层、包装(packing)和还原性火焰下的燃烧炉加热技术。应用气氛包括惰性（主要是Ar）和中性气氛（N2气中）以及可控气氛（控制H2/H2O，CO/CO2的比值至一定程度）。对前两者的气体应进行干燥，使露点下降至-60℃以下。对后者的气氛要在使用温度下具有还原性，它对防止脱碳而言，还要控制气氛碳势。应用气氛在近30年来，有应用氮基气氛的，它可应用碳分子筛的变压吸咐空气来制氮和应用薄膜分离制氮。对渗碳，由纯氮和甲醇裂解气体混合的合成气氛可以替代应用天然气或丙烷制备吸热型气氛。通常生产中可应用99.8％的普氮中滴入甲醇，靠甲醇裂解气中的H2和CO来去除普N2中的残留氧。这样方法是简单的，但在美国由于甲醇涨价，使成本增加很多。实际上在天然气供应保证下，使用天然气制备放热或吸热型气氛更为可行。

应用真空，将炉子抽到0.1Pa的真空度，可实现大多数金属的无氧化加热，但由于真空中的加热是辐射加热，加热速度较慢。往往再通入约0.8×105Pa的惰性气体或气氛，增加一定的对流来提高加热速率，这在真空热处理炉中已渐渐推广使用。当前真空热处理设备有单室、双室、三室、多室、油淬、气淬、油气淬两用、高压气淬、低压渗碳高压气淬、多室低压气淬和高压气淬结合的半连续生产线以及低压渗碳、高压气淬和回火的柔性生产线等。

感应加热由于加热速度迅速，这时工件氧化不严重，也可属少无氧化加热方式，在一点不允许发生氧化场合可在感应加热同时通入气氛加以保护，日本电子工业（株）已提供类似的技术。目前已有应用感应加热进行渗碳化学热处理报导。应用流态床（必要条件下通保护气）和正常脱氧的盐浴炉中可实现无氧化加热。在缺乏气氛炉的现场可使用防氧化涂料和应用不锈钢箔包装后在空气炉中的加热，但注意，这几种加热方式会使加热工件表面出现少量的脱碳。

钢件在空气或含CO2和H2O的氧化性气氛中加热会发生脱碳的弊病，发生脱碳比发生氧化更为严重，要求也更严格。对加热淬火而言，应用CO-CO2、N2-CO-CO2-H2-H2O混合气氛，炉气的碳势须与工件表面含碳量一致，对中高碳钢的加热，必须对炉气实行碳势控制。对应用真空加热中，真空度达到不氧化时，也就不会发生脱碳。国外先进的热处理技术中对脱碳是控制相当严格的。

4）开发节约能源的设备和工艺：开发节约能源的设备和工艺是十分有效的节能措施。近年来，连续式炉取代周期式炉，节能潜力很大。燃烧炉上采用高效换热器来预热空气，合理控制燃烧系数（α）在1.1～1.3范围，推广具有蜂窝式周期蓄热器装置，横向燃烧的烧嘴和辐射管，都达到很好节能效果。从炉子设计上看，炉子散热量大小与炉子外表面积有很大关系，这样，炉子圆形截面可比矩形截面的表面积小14％，外壁炉壳温度降低10℃，使通过炉壁的散热减少20％。为此，目前日本的密封多用炉和推杆式连续式炉都改为圆形截面。有报导，日本同和矿业（原日本东京热处理）将20年前的渗碳、淬火、清洗和回火推杆式生产线进行节能改造，将前清洗改为燃烧脱脂，脱脂废气热量用作回火炉的部分热源，将渗碳炉排出的气氛用作脱脂炉和碱液清洗槽及淬火油的加热，这样的废热综合利用使燃料费用减少40％，同时改善了环境。在我国，设备的节能潜力更为巨大，千万应引起我国热处理工作者和设备制造商的重视。能源的节约带来的是财富。

开发节能的热处理工艺也是很有效的节能措施。实施高温渗碳可大大缩短工艺周期，日本早就进行这项工作，把渗碳温度从930℃提高至1050℃将减短工艺周期40％。但在一般电阻炉中实施受到发热体和耐热材料的限制难以兑现，而在真空炉中进行低压渗碳，在1050℃进行渗碳是轻而易举的事。现在乙炔低压渗碳已成熟应用于生产，实现了真空渗碳技术的革命性突破，通入低压氨气也可实现乙炔低压碳氮共渗，不论从质量、环保和经济来看，乙炔低压真空渗碳是能整合进入生产线的符合未来要求的表面改性技术。

以氮碳共渗、硫氮碳共渗和氧氮共渗代替渗碳和碳氮共渗可把工艺温度从850～930℃降到550～580℃，代替一般气体渗氮可把工艺时间从30～70h减少到1.5～3h。另外钢件锻后热处理，应用非调质钢取代昂贵耗能的淬火＋高温回火工艺都可达节能目的。

我国每吨钢材的耗电在500～1000kWh，比美、欧和日本高２～３倍，从上面 分析 ，开发节约能源的设备和工艺潜力很大，前景乐观，但一定要付诸努力。

二、当前 行业 发展特点

1、金属热处理加工工艺过程连续

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。

加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。

金属加热时，工件暴露在空气中，常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低)，这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热，也可用涂料或包装方法进行保护加热。

加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，选择和控制加热温度，是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异，但一般都是加热到相变温度以上，以获得高温组织。另外转变需要一定的时间，因此当金属工件表面达到要求的加热温度时，还须在此温度保持一定时间，使内外温度一致，使显微组织转变完全，这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时，加热速度极快，一般就没有保温时间，而化学热处理的保温时间往往较长。

冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤，冷却方法因工艺不同而不同，主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢，正火的冷却速度较快，淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求，例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。

2、欧洲先进热处理设备—安装有外加热和风冷的离子渗氮炉

炉体井式钟罩结构，WDS炉衬保温，不锈钢真空罐罩式单层，外壁安装三区三层密闭式发热元件，使炉温上中下均匀一致。炉体分上中下安装3台侧风机，三区独立热风循环送风，工作时挡回风道封闭，热风只能在炉内加热层内循环，达到炉温均匀目的。工艺完成停炉时，回风道开启，冷风在上中下三区同时送入加热室夹层，使炉体快速冷却，很短时间即可出炉。炉底座为连体式双座，液压升降立柱在二个底座之间可左右旋转，将炉体提升后旋向另一个已装好料的底座，这样一炉双座，可提高生产效率。

三、全球市场环境 分析

1、2006：全球经济强劲增长

尽管受到油价高涨和利率上扬的影响，2006年上半年，全球经济依然保持强劲增长，且增幅超出预期。

主要发达国家内需旺盛、投资活跃，为经济增长增添活力。美国第一季度增长创两年多最快的纪录；欧元区经济复苏步伐加快，第二季度经济增长在发达国家中居于领先，超过美国；日本经济走出通缩，步入新的景气周期。

新兴市场和发展中国家继续取得高增长。上半年中国经济增长达到10.9%；第一季度印度经济增长9.3%，在世界20大经济体中增长率仅次于中国。由于石油产品价格猛涨，俄罗斯和巴西的经济形势继续转好。

由于石油价格持续高位徘徊；全球范围内的通胀压力进一步加大，利率对经济的抑制作用开始显现；金融市场走势反复；美国房地产降温引致国内消费支出减缓和美国经济整体放缓；全球不平衡问题依然存在，不排除无序的方式调整；多哈谈判停止引致的保护主义抬头和贸易摩擦的增多，预计下半年，世界经济增长步伐将放缓。

但从全年看，2006年世界经济仍将保持较快的增长步伐，出现全球性经济衰退的可能性不大。大多数国际机构对2006年世界经济发展最新估计也都保持乐观。国际清算银行预计2006年全球经济增长率为4.4%；联合国贸发组织预计增幅为3.6%；国际货币基金组织最新《世界经济展望》将全球经济增长的预期从4月份的4.9%调高至5.1%。

2、新电镀工艺

由于新的表面处理技术的应用和产品结构中黑色金属材料用量的减少，传统电镀技术的应用正在萎缩，从这个意义上说电镀工业是夕阳工业是不错的。但是我们也可以看到，从二十世纪五十年代开始的二战后的工业发展、特别是电子工业的发展，以及此后由于资源、能源、环境、军事、航天等多方面的需要的原因，使电镀技术在新工艺的开发上有了极大的发展和进步。

社会现实中的需要一直是技术开发的原动力，现代企业更是以市场的需求为开发产品的依据。因此，电镀新工艺的 研究 和开发也是以现实的需要为根据的，同时要考虑到科技进步的趋势或未来的潜在需求。在这些需求的刺激下，二十世纪产生了许多新工艺、新技术。

所谓新工艺，是相对老的、旧的、传统的工艺而言的。比如现在已经流行开来的碱性锌酸盐镀锌，在二十世纪七、八十年代是新工艺，现在已经不算新工艺。新工艺是指从工艺配方到操作条件、工艺流程等整个工艺都有所创新的不同于原有工艺的新的工艺体系。而对添加剂、光亮剂的改进，在老工艺中应用一个新的光亮剂，都只能说是一个新产品，不能说是一个新工艺。对电镀工艺来说，是以主盐和配位体为特征的体系。一个新的工艺，往往是采用了一种新的主盐，或者新的络合物。以镀铜为例，传统是氰化物镀铜，是以络合物为特征的。有了酸性光亮镀铜后，用的是硫酸铜和硫酸体系，加上光亮剂这种新产品，还要加上阴极移动装置，这就是酸性光亮镀铜新工艺。还有焦磷酸盐镀铜、ＨＥＤＰ镀铜等，相对氰化物镀铜就都是新工艺。如果开发出用硫酸铜作主盐的碱性高分散能力的镀铜，也是一种新工艺。

由于科技和工业的发展，对新工艺的需求也是动态的，因此即使是在传统工业领域，电镀工艺也有更新的机会。至于21世纪，被人们称为高信息化的世纪，也有人说是纳米世纪，绿色世纪，这些新的基础工业的产生和发展，给电镀技术的发展提供了广阔的空间。

3、环境保护

20世纪80年代初，由于发达国家经济萧条和能源危机，各国都急需协调发展、就业和环境三者之间的关系，并寻求解决的方法和途径。环境保护工作的重点是：制定经济增长、合理开发利用自然资源与环境保护相协调的长期政策。要在不断发展经济的同时，不断改善和提高环境质量，但环境问题仍然是对城市社会经济发展的一个重要制约因素。

1992年6月，联合国在里约热内卢召开了环境与发展大会，这标志着世界环境保护工作的新起点：探求环境与人类社会发展的协调方法，实现人类与环境的可持续发展。“和平、发展与保护环境是相互依存和不可分割的”。至此，环境保护工作已从单纯的污染问题扩展到人类生存发展、社会进步这个更广阔的范围，“环境与发展”成为世界环境保护工作的主题。

进入21世纪，环境保护更加迫切，相应的 行业 环境标准相继出台，可持续发展成为世界经济发展的主题，而金属表面处理及热处理加工 行业 对环境的污染较重，环境保护的加强对 行业 的发展有重要的影响。

四、 行业 的发展趋势

1、绿色金属热处理加工的趋势

绿色金属热处理是热处理加工 行业 本身的一个重要发展趋势。与其他零部件相比，轴承 行业 的热处理技术在国内发展还是比较领先的。相对其他零部件而言，轴承的热处理工艺是简单的，但是，由于轴承产品对质量的稳定性和一致性要求很高，因此，原材料和热处理的质量受到 行业 的充分重视，尤其反映在对原材料金相组织的要求、以及产品最终的金相组织要求方面。正是轴承产品的这一特殊要求，使得先进的热处理设备在轴承 行业 获得广泛的应用。同时也对轴承 行业 的绿色热处理打下了良好的基础。

2、设备达到国际水准的廉价国产工艺材料亦将是国内市场的急需

随着设备水平的提高和引进设备数量的增大，所需工艺材料，如优质淬火油、聚合物水基淬火剂、清洗剂、触煤、各种渗剂、加热用盐等的进口量也将不断增加，开发生产供应优质的、达到国际水准的廉价国产工艺材料亦将是国内市场的急需。

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