熱處理質量控制與鋼鐵加熱保護實踐

時間：2013-08-23 22:45:01 來源：中國熱處理技術網作者：郭建寅

摘要：金屬熱處理的目的是通過工藝實施改善加工件性能，并最終使機器和制造的裝備以優良的技術性能服役運行。工藝過程是在科學配置工藝裝備，合理選用工藝材料并在嚴格的技術管理和生產監管下方能達到節能、環保、優質、高效的目標。

關鍵詞：少無氧化熱處理工藝；鋼鐵加熱保護；熱處理質量控制

今年中國熱處理學會成立50周年，50年正好半個世紀，“世紀之半，值得紀念”。我與熱處理結緣也50年，這段經歷和機遇對鋼鐵保護加熱，提高加工品質，實現熱處理質量控制，關注多年，有一些實踐體會，供同行參考。

1 機遇與條件

50年前我有幸在航空系統的企業工作，這是中國最早自主建設的工廠，當年國家經濟條件是用“一窮二白”來形容。提倡“技術革命，技術革新”一切要自己動手創造。

新建的熱處理車間除了一臺高溫和幾臺中溫箱式爐，最好的少無氧化設備是鹽浴電阻爐和一臺小高頻，回火爐旁設計有一臺小滲碳爐位置。直到我離開未見安裝到位。

車間集結了一批有志年輕人，提出要在“七十年代要達到全國領先水平”。結合產品需要自行研制氨氣保護加熱爐，真空加熱淬火裝置和真空回火裝置。廠內制氧站生產的氧氣是標定產品用，而氮氣則排空，把氮氣引到熱處理來用？經試驗攻關多方面原因試驗不理想，達不到預期效果。探索更好的少無氧化的信念由此萌生。

提高鹽浴爐加熱質量，嚴格操作規程，加熱時間用秒錶卡，脫氧劑配方調配、脫氧、撈渣嚴格控制，不斷更新當年能購到的脫氧劑、木炭、氯化銨、亞鐵******、亞鐵******等，浴鹽成分變化很難掌控，對于脫碳敏感的材料還是沒有好辦法。

防控工件表面氧化，脫碳的最好方法是采用裝箱保護加熱CrMn鋼的鉆套、CrWMn鋼的拉伸模經綁扎后裝入小罐（用鋼管封底焊制）再用廢滲碳劑保護、封口后入爐加熱。對于稍大的工裝、模具就得特殊焊制保護加熱用箱，車間儲藏室儲存大批成系列經焊制或鑄造的方形、圓形并配有上蓋的箱、罐。和各種木炭、鐵屑等備用填充保護劑。

記憶深刻當年GCr15的冷軋輥，外型尺寸不過Φ200× 500mm，但加上工藝予制軋輥頸帽裝入外型400× 400× 800mm的一個特殊加熱保護箱，為防止軋輥表面增碳，選用鑄鐵屑做保護劑，勉強在RX-45-9箱式電阻爐內完成加熱，出入爐把幾個壯小伙累壞了。因考慮要緩慢升溫加熱，保溫用三天（約70小時）真是費力不討好的典型實例。（參見軋輥裝箱示意圖）

當年熱處理人有采取保加熱的意識，但收效怎樣？最常用的方法例如：

1.1箱式電阻爐在置入加熱工件后再置入爐底板同寬裝有木炭的鐵盒，目的是保護加熱工件，防止和減輕氧化與脫碳，“師傅做，徒弟學”，效果怎樣？沒有對比。

1.2更見甚者，某軸承廠熱處理在到溫箱式爐內置入多盤滾珠，之后關爐門前潑了一杓機油，一團煙火，目的是消耗爐內空氣中的氧氣以達到少無氧化效果。試想：燃燒的煙氣從爐門上的縫隙溢出，新的冷態空氣由下隙吸入爐內！防氧化、脫碳適得其反。

天時、地利、將關注保護加熱掀起了“群眾“運動。四年摸索找到一種技術措施，經過試制和試驗逐漸效果穩定。在工模具熱處理工段開始第一階段試驗也獲得良好效果這時是1967年。

2 實驗與應用

2.1實驗基本可分成二個階段

第一階段：實驗經過兩年，各種鋼鐵材料，熱處理常規的淬火、正火、退火工藝。各種類型的毛坯件，工藝模具幾乎都能適用。

適用鋼材品種：

碳素結構鋼：A3、15#、35#、45#等鋼。

合金結構鋼：35CrMo、38CrMoAl、40Cr、42CrMo等。

碳素工具鋼：T7、T8、T10、T12類鋼。

合金工具鋼：60Si2Mn、65Mn、GCr15、5CrNiMo、CrWMn、9CrSi等

還適用滲碳鋼二次加熱和Cr12Mo、H13等。

試驗方法：

由于當年是在熱表處理車間：熱處理、表面處理、油漆等工藝在一個管理單元為試驗和試用提供便利條件，車間配有壓縮空氣管線，由噴漆調來噴槍，按加熱工件工藝要求“到溫入爐”關爐門后在爐門窺視孔處噴入保護劑，數分鐘工件表面成膜，達到保護加熱效果，中間敞開幾次爐門對加熱工件無礙，只要保護膜不損壞不會再產生氧化與脫碳。淬火工件出爐入介質之前輕拂表面（吹、掃）膜即脫離。帶膜進入介質對介質也不構成損壞。淬火工件可獲得最佳硬度值。

保護劑注入加熱爐多少，用壓縮空氣將保護劑注入爐內形成氣霧態，每當爐門縫隙有氣霧溢出即可達到效果。在采用噴射或潑入方法時關閉爐門未見煙霧溢出，可打開爐門二次加注保護劑，當見有煙霧淡淡溢出即可。后經不斷摸索找出規律。每立方米空間約100-200ml。（45KW爐均50ml,75KW爐均100ml）。

試驗典型實例：

試驗設備：RX-45-9箱式電阻爐

試驗產品：

2.1.1：熱作模具（熱鍛膜）5CrNiMo鋼

外形尺寸：Φ240×360mm

2.1.2：模套（冷沖載模）45#鋼

外形尺寸：外方：400×400mm 內方：180mm 厚120mm

2.1.3：銷子：40cr

外形尺寸：Φ20×150mm

實驗工藝：淬火工藝溫度設定840℃±10℃

實驗過程：當到溫后，將熱作模置入爐后部，將模套置于爐中部，將銷子置入爐前部，關閉爐門后將保護劑噴入，當淡淡輕煙溢出即完成保護，數分鐘從窺視孔可見工件成膜。

分三次打開爐門取出工件淬火：保溫40分鐘將銷子取出裝入吊欄油淬。保溫2小時再次開門鉤出模套：水淬油冷。關上爐門再次加熱保溫到4小時將熱作模拉出裝入料框油淬。

采用鋼鐵加熱保護劑一次在加熱爐中加熱三種不同工件，不同形狀、不同材質、不同加熱時間，可選用同一工藝溫度。一次完成保護劑注入，工件成膜后分三次打開爐門取出相對應保溫時間的工件，均可獲得良好工藝質量保障。

在試驗兩年后因工作調動支援“農機上馬”后輾轉調回北京熱處理研究所。直至1991年才在科研項目中實用。中間擱置20余年。

91年鋼鐵加熱保護劑在北京職工技協熱處理專業委員會內試用，2000年開始推廣陸續被熱處理同行認知。2003年經山西津津化工公司經營已形成用戶群。產生較好效益，現將實用典型實例分列于后以供參考。試驗的第二階段是北京熱處理研究所完成的，

2.2.1：1991年一個技術項目因保護加熱未達標，促使用20年前的辦法，一試成功。

2.2.2：在當時鹽浴加熱和真空加熱不能滿足小型65Mn鋼彈簧片淬火后技術要求時，在試驗電爐加熱用鋼鐵加熱保護劑獲得成功。

2.2.3：對比性試驗

試驗零件：經滲碳的齒輪截齒后齒樣

試驗設備：SRX-4-9箱式電阻爐

試驗工藝材料：鋼鐵加熱保護劑

鋼鐵加熱保護劑，市場購買到各種防氧化劑（CH-1型和軸承行業的硼砂、硼酸酒精），相關涂料廠制造的防氧化涂料，電子部工藝研究所MG900保護膜。

試驗工藝溫度：800℃±10℃

工藝時間：保溫60min

試驗結果：【1】【2】【3】

工藝措施	效果
無保護加熱	脫碳0.15mm
各種防氧化劑保護加熱	表面0.1mm有貧碳現象淬火后硬度HRC62-64
鋼鐵加熱保護劑	無貧碳層，硬度HRC65

鋼鐵加熱保護劑因以氣霧形成防氧化、防脫碳效果固稱：鋼鐵加熱保護劑，QW-F1即示意：Q氣W霧-F1防護

試驗成功后借當年在職工技協工作之便將QW-F1送與熱處理專業委員試用。有的在井式電阻爐保護Φ280×2600mm瓦棱輥成功，立即用于生產中。也有的放置幾年，1995年下廠調研時才指導應用彈簧定形效果不錯即時用于生產。

2000年職工技協正式推廣，承德、大連、北京、天津、滄州等地區的部分企業陸續選用。2003年，山西津津化工公司經營銷售在全國形成用戶群。擴展在長三角、珠三角、東北沈陽和西部地區使用，使用者均創造良好經濟效益。

3 應用實例（典型產品）

3.1正火工藝

(工藝曲線圖）

2002年，鐵道部車輛廠接到一批10萬件交叉桿訂單要在兩個月內完成：車間設備有四臺RT-320-9臺車式電阻爐。工件材料：QCZ105-71A-01和Q345D組成。單件重＞50Kg。技術要求：熱處理后屈服強度σs≥345MPa，抗拉強度σb≥550MPa，-20℃沖擊功≮18J，桿體與定位座環焊縫正火處理晶粒度≮6.5級，桿體脫碳層深度≯0.2mm。

參考工藝曲線：

加熱溫度：900℃±10℃

加熱保溫時間：20min

出爐強制風冷：室溫

工件在爐內停留時間總計約2h

正式生產前該廠總工讓技術中心選擇全國知名企業防氧化保護劑試驗生產，經對照檢驗合格后正式生產。采用QW-F1鋼鐵加熱保護劑防護（侵漬+入爐后拋投250ml）防護效果令人滿意。每爐可上兩個架工裝，每架可裝交叉桿100件，空氣介質的臺車電阻爐順利完成加工任務。

3.2 載重汽車車軸

廣東民營大型工程機械制造有限公司，生產重型載重汽車軸：車間有多臺井式電阻加熱爐及回火爐。

車軸材料：20Mn2

加熱設備：RJ-240-9井式電阻爐

加熱室尺寸：Φ1200×3600mm

加熱工件為無縫鋼管Φ外127×Φ內90mm，軸長2300～3000mm,工件入爐后注入爐內QW-F1鋼鐵加熱保護劑1～3升，工件可良好成膜實現防護加熱滿足工件技術要求，為此該廠專門擬定“鋼鐵加熱防氧化劑操作指導書”。工藝溫度：860℃±10℃到溫后保溫1h,每爐吊裝4件，出爐后水冷。質控達標。

3.3冶金軋輥

國有改制機械裝備大型企業，生產大型軋輥和軋機：小型輥的材料GCr15,外形尺寸Φ400×400mm。單件重約500Kg。使用設備RT-350-9臺車式電阻爐，一次可裝入兩件輥。200℃入爐拋入200ml鋼鐵加熱保護劑，均溫4h后升溫650℃保溫4小時，經均溫后升溫820℃保溫4h，出爐油淬，硬度測量比不加保護劑可使硬度高出HRC2～3。適用4寸，6寸，8寸，10寸軋輥。效果均達標。

大型軋輥，材質9Cr2Mo,軋輥工作面Φ700×1450mm總長度約3M，低于350℃入爐預熱8h。升溫650℃×8h。在大型工頻裝置上加熱880～900℃淬火，效果均可滿足技術要求。質控達標。

3.4長軸熱處理

江蘇民營大型專業熱處理廠，有多種多用爐真空加熱爐、感應加熱裝置、氣體氮化、離子氮化、氣體滲碳等專用熱處理設備，設備總量超過百臺。傳統空氣介質加熱爐幾十臺是主力裝備，大型臺車900Kw，深井爐160 Kw、250 Kw，直徑Φ900×長9000 mmΦ加工42CrMo鋼,Φ400～Φ500 mm，長8000 mm吊裝加熱。據介紹使用QW-F1鋼鐵加熱保護劑（一次隨工件入爐投入1.25L）可達到工件不氧化，不脫碳，還不產生變形。但使用不當（將工件表面浮油通過加熱升溫去除，但因工件溫度升高，當投入鋼鐵加熱保護劑氣霧化后已不能沉積在工件表面，無法完成熱化學反應成膜）所以工件出爐淬火不僅氧化還脫碳，而且產生變形，這一現象是值得思考。

3.5連桿熱處理

原農機企業承接國外配套40Cr連桿，在熱處理后不能達到標準。脫碳層≯0.3mm，該工藝是熱模鍛件。鍛造后，經兩道熱處理工序，正火+調質。因為鍛造件已產生0.3mm脫碳層，正火后就＞0.4mm，若再經調質加熱，表面脫碳就累加＞0.5mm。多年解決不了的問題用鋼鐵加熱保護劑采用拋投方式在RX-100-9和RT-150-9電阻爐內順利完成工藝并滿足外企標準。該廠有一次因跑溫一爐連桿脫碳層在0.8～1.5mm左右經用QW-F1鋼鐵加熱保護劑防護重新正火后，又挽救50%報廢件減少了損失，這種現象也值得分析和思考。

3.6 彈簧鋼制品（蝶形彈簧）

彈簧鋼是機械制造廣泛應用的品種，在加熱過程是極易氧化、脫碳。當表面出現脫碳組織會降低彈簧制品的疲勞強度，使用壽命因此而減短。據介紹彈簧表面脫碳0.1mm時，明顯影響疲勞性能，如果出現全脫碳層會降低50%壽命【5】。防護彈簧鋼加熱氧化和脫碳更是重要。

專業生產蝶形彈簧廠家，采用鋼材：60Si2Mn和51CrV4等鋼材，在退火工序使用QW-F1鋼鐵加熱保護劑防護加熱。工藝：860℃±10℃×16h后隨爐冷到450℃出爐空冷，總計時間80余小時，每爐加工量5噸，不采取防護脫碳層較深，經用QW-F1保護加熱降低脫碳層深度，可將原材料厚度減薄，即減少加工余量又節約原料，降低成本增加效益。

QW-F1鋼鐵加熱保護劑保護加熱效果對照表

材料	原工藝加熱	QW-F1保護加熱
60Si2Mn	2.5～3mm	≯2mm
51CrV	1.5～2mm	≯1.2mm

3.7 彈簧繞制

隨著鐵路建設發展，高速列車配置的彈簧性能要求逐步提高，疲勞試驗100萬次增致200萬次以保證運行速度300～330㏎/h，甚至要適應300～380㏎/h高速列車。參考德國和法國技術規范，北車集團在使用現有加熱裝備RT-10M臺車式電阻爐完成加熱，進行熱繞彈簧工藝適用不同材料，60Si2Mn和51CrV4彈簧鋼，在Φ20～Φ40 長度6～10M（米），采用QW-F1鋼鐵加熱保護劑保護加熱獲得良好效果，在51CrV4工藝溫度：1030℃±10℃×70min技術達標，實現熱處理質量控制。

3.8 壓力容器

壓力容器屬于安全系數要求嚴格的制造業特殊裝備，高壓氣瓶、天熱氣儲氣罐、民用液化氣罐等用途廣泛，生產制造廠家又不斷增加，許多民營熱處理加工企業依靠常規電阻加熱爐采用QW-F1鋼鐵加熱保護劑實現質量控制保證技術要求。壓力容器參數

其外形尺寸Φ220×800～2200mm，材質：34CrMo4，工藝要求870℃×2h(小時)水淬，回火溫度640℃×3h，技術要求：硬度HB218～300，抗拉強度≥735MPa,延伸率：≥20%，經熱處理的壓力容器入爐前在罐內注入20-50ml，可對工件內外表面實現無氧化和防脫碳，保障表面質量，還省略了加工后表面清整工序，天津、河北地區用戶已使用多年，效果良好。

3.9 汽車鋼鋼圈模具

汽車鋼圈加工形成模具為GCr15，在將經焊制鋼圈成型是由一對Φ400×200mm模具相對擠壓制成，模具表面承受鏘鏟力很易磨損、劃傷。過去用箱式電阻爐加熱，采用防氧化涂料保護加熱，每公斤僅可涂刷模具兩件，每件模具需涂兩遍，涂層厚度不夠保護效果差，涂刷不僅氣味有害還繁瑣，油淬時不僅淬火硬度難保證，加熱后涂層不易剝除，水淬則因涂料會溶入介質對介質成分改變，也使前后淬火效果不一，淬火質量無法控制。

采用QW-F1鋼鐵加熱保護劑后，省去繁瑣的加熱前準備工作，作業環境，勞動條件改善，產品質量有效保障，RX-45-9箱式電阻爐一次2～4件僅耗鋼鐵加熱保護劑50ml。省時、省力、省錢還優質、高效。

3.10 配有保護劑裝置的電阻爐

為適應鄉鎮企業能有效生產出合格熱處理加工制品，針對經濟實力弱，基礎設施條件欠缺，技術和管理能力有限，生產操作人員在缺少技術教育和培訓的條件下人員頂崗操作。QW-F1鋼鐵加熱保護劑可采用噴、潑、浸、灑、滴注、涂刷等方法來保障民營小企業實現熱處理工藝優質完成。確保產品質控達標。也可按用戶要求為對應的箱式、井式、臺車式電阻爐，配備QW-F1鋼鐵加熱保護劑便攜式注入裝置。專門配備QW-F1鋼鐵加熱保護劑的新型電阻爐也已面世，該電阻爐較傳統電阻爐方面除爐溫均勻性性及智能化控制方面提升外，特別配備了QW-F1鋼鐵加熱保護劑注入裝置可實現一鍵操作。

4 感觸與認知

同熱處理結緣50年有機會在不同系統的熱處理企業工作，在職工技協活動中又見到各類型國企與民企，在調研和技術服務過程中見過不同熱處理裝備和加工工藝，增長見識與知識。

僅從鋼鐵加熱保護和控制熱處理工藝質量角度觀察，國內現有少無氧化加熱工藝裝備還不能保障生產需要，國內重型機器制造業重達幾頓到幾十噸的構件是在空氣介質電阻爐或燃料爐中加熱。氧化、脫碳嚴重，無法實現質量控制。真空、保護氣氛、可控氣氛加熱設備還無法滿足大型和大批量生產的需要。

大型鍛造工件在燃氣爐中加熱過程中氧化皮可剝落（失重），對于脫碳層只能靠工藝予留加工余量再通過切削加工去除。金屬材料表面層組織往往是最細的，性能也最優良，尤如人的皮膚應珍惜愛護。采用熱處理工藝改善機械性能，物理性能和化學性能提高裝備整體服役條件和工作壽命是表面工程技術的使命。這與表面防護技術是相互關聯的。當工藝裝備不能滿足熱加工技術需求時，采用工藝材料實現熱處理工藝保護加熱無疑是一種拾遺補缺明智的選擇，。

工藝材料用于熱處理加熱防護在上世紀七、八十年代在中國有一次熱潮。那時在1974年航空工業黎明機械廠、西安油漆廠、中科院硅酸鹽所、電子工業部工藝研究所、武漢材保所和軸承制造企業先后開發研制一批實用防護加熱產品并推向市場如：202涂料、金屬熱處理保護涂料、高溫抗氧化1306涂料、MG900保護膜及SAM-1防氧化脫碳涂料等等。這些產品可以起到隔離空氣防止氧化脫碳，但對高溫狀態金屬，鋼鐵表面與涂層物質的擴散效應無法平衡或控制。不同鋼材表面會因工藝加熱溫度高低和加熱時間的長短形成表面產生不同程度貧碳現象，使機械性能產生缺失，施工工藝和清理比較繁瑣，因而影響大面積推廣使用。今后如能集結資源，整合團隊，定向攻關會有新的發展來適應市場需求。

武漢材料保護研究所李祥和老工程師曾有一篇“國內熱處理工藝材料概況”有意引導相關企業形成集團，研發新興工藝材料適應市場。

在服務調研時也遇到過企業詢問有無類似“QW-F1鋼鐵加熱保護劑”產品的性能防護銅材加熱氧化，目的解決銅氧化的清理與環境污染。

據了解制造業發達的國家不僅注重工藝裝備對新工藝材料也有專門機構研究開發新產品以提供制造業適應其工藝的發展需要。國內早在二十年前已編制一套“機械制造工藝材料手冊”但熱處理業內還習慣稱防護涂料等為輔料，業內很少有工藝材料專業研討和技術交流活動，遠不如工藝裝備和工藝技術在業內得到重視，這樣狀態也影響工藝材料的研發和技術進步。

人生能有幾個50年？有效、有價值的50年僅一個而矣，中國熱處理再有500個50年等待從事熱處理人去努力奮斗。二千多年以前沒有現代化的熱處理裝備，但已有名劍“干將、莫邪”的傳說，還有存世的“中山靖王寶劍”都標志著中國鋼鐵熱處理的高水平。

期盼熱處理工作者有人在熱處理工藝材料上創新，推動熱處理更好發展。

2013年7月于北京

作者：郭建寅（北京職工技協熱處理專業委員會）

附參考資料：

【1】少無氧化熱處理與工藝材料北京市熱處理技術協會 2000年10月

【2】一種實現少無氧化熱處理的工藝材料機械工人（熱加工） 2003年第9期59頁

【3】實現少無氧化熱處理的工藝材料《熱處理》 2004年第19卷第1期

【4】選用熱處理工藝材料實現少無氧化加熱的實現 2010年8月華北熱處理技術交流會

【5】熱處理對高速列車用51CrV4彈簧鋼力學性能的影響《金屬熱處理》 2010年2月

【6】真空熱處理和熱處理用保護涂料譯文集國外航空編輯部 1978年

【7】南京浦鎮高鐵軌道車輛鍛壓有限公司產品簡介