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    歐洲熱處理技術考察報告
    2008年8月21日
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        內容提要:1、德國材料科學研究所; 2、SCHMETZ 真空爐公司; 3、易普森公司; 4、愛協林(AICHELIN)公司; 5 MAGNA STEYR POWERTRAIN公司; 6 TAV公司; 7 結束語     全國熱處理學會代表團一行16人于2003年9月23日~10月6日赴歐洲進行熱處理技術考察。在歐期間,代表團先后考察了德國的材料科學研究所(IWT)、SCHMETS公司及其用戶HARTHR公司、IPSEN公司,奧地利的AICHELIN公司及其用戶MAGNA STEYA公司的熱處理車間、意大利的TAV公司;考察期間,代表團還和歐洲熱處理同行就材料熱處理技術的開發與發展前景、熱處理設備制造新技術、生產管理等方面進行了技術交流。

    1 德國材料科學研究所(Institute for Materials Science, IWT)

        材料科學研究所是一所從事金屬加工領域基礎和應用研究的研究所,是德國目前唯一的一所綜合性金屬加工技術方面的研究機構,其前身是德國硬化技術研究所,1989年改為現名。全所共有150人,其中科研人員70人,其他技術人員50人。

        材料科學研究所下設材料科學(Materials Science)、加工工程(Process Engineering)、制造技術(Manufacturing Technologies) 三個部。材料科學部的主任由研究所所長P.Mayr教授兼任,P.Mayr教授是國際材料熱處理與表面工程領域的知名學者,曾任1996-97年度IFHTSE的主席。材料科學部的研究領域主要包括下列技術:

     熱處理(Heat Treatment)
     表面技術(Surface Technology)
     機械性能(Mechanical Properties)
     物理分析(Physical Analysis)
     金相分析方法(Metallographic Analytical Methods)


        負責熱處理部門的F Hoffmann教授、Th Lubben博士、在IWT工作的我國學者Jianfei Wei和Jian Dong博士接待了代表團,并陪同代表團參觀了材料熱處理實驗室。實驗室中有可進行各種工藝試驗的熱處理爐、冷卻試驗裝置、應力應變模擬、性能測試、顯微分析等試驗設備,試驗手段完備,設備先進。

        F Hoffmann教授還向代表團介紹了IWT在材料熱處理方面所開展的研究內容,主要包括:

     離子注入表面細化(Surface refining by ion implantation(20keV))
     高壓氣淬(High-pressure gas quenching)
     滲氮及氮碳共滲(Nitriding and nitrocarburizing)
     氣體滲碳、低壓滲碳及等離子滲碳 (Gas atmosphere, low pressure carburizing, plasma assisted processes)
     高壓噴射液體和氣體淬火(Quenching in fluids and gases (high pressure and nozzle field quenching))
     加壓淬火(Press hardening with fluid and gaseous media)
     熱處理及表面處理用傳感器開發(Development of sensors for heat treatment and coating processes)
     等離子輔助化學氣相沉積(Plasma-assisted chemical vapor deposition (PACVD) methods)
     物理氣相沉積(Physical vapor deposition (PVD) methods)
     硬質表面涂層測試方法的開發(Development and validation of test methods for hard surface coating)


     硬度測試檢驗標準的開發(Development of calibration standards for testing hardness)
    從該研究所提供的2002年年度報告上看,近期開展的和熱處理有關的研究課題有:


     畸變工程(Distortion Engineering)
     心部強度對真空滲碳高壓氣淬齒輪承載能力的影響
     高溫滲碳對疲勞抗力的影響
     CVD涂層和感應表面淬火處理后鋼的耐磨性和涂層組織
     高強度鋁合金的熱處理
     鋁合金件等離子滲氮的工業應用研究
     PVD涂層對滲碳齒輪承載能力的影響
     滲氮件服役極限的預測
     激光硬化工藝的優化
     等離子氮碳共滲
     計算機輔助熱處理工藝過程模擬
     評價淬火系統的淬火效果的標準方法的開發
     復雜試樣的加熱淬火
     低壓滲碳防滲方法及防滲涂料的開發


    2 SCHMETZ 真空爐公司(SCHMETZ GmbH Vacuum Furnace)

        SCHMETZ公司是德國金屬科技控股公司(Metall Technologie Holding GmbH)下屬的三個工業爐公司之一,專門從事真空工業爐的開發、設計和制造,其產品主要應用于真空淬火、回火、退火、釬焊、高溫燒結等工藝,溫度范圍從200~1600℃。

        該公司標準型的臥式和立式真空爐的尺寸系列表1和表2所示。

    表1 標準型臥式真空爐尺寸系列

    型號 裝料尺寸(寬*長*高)/mm 裝載量/kg
    01 300×300×300 50
    02 300×450×300 80
    11 400×600×400 200
    12 600×600×400 300
    21 600×900×600 600
    22 600×900×900 600
    31 800×1200×800 800
    32 900×1200×700 800
    41 1000×1500×1000 1000
    42 1200×1500×1000 2000
    44 1200×2000×1200 2500


    表2 標準型立式真空爐尺寸系列

    型號 裝料尺寸(直徑*高)/mm 裝載量/kg
    11 900×900 800
    22 1200×1200 1500
    33 1500×1500 2500
    44 1800×1800 3500
    55 2100×2100 4500
    66 2400×2400 5500
    77 2700×2700 6500
    88 3000×3000 8000

        該公司在標準型的真空爐上開發了下列專有技術:

     

    • SYSTEM *FUTUR*——輔助對流加熱(convective heating-up)系統

    • SYSTEM *2R*——方向可逆的雙向冷卻系統

    • SYSTEM *2×2R*——方向可逆的垂直或水平雙向冷卻系統

    • SYSTEM *TMS*——計算機工藝管理系統(Thermprocess-Management-System)

    • SYSTEM *2PLUS*——冷室冷卻系統
      SYSTEM *COO PLUS*——在同一臺真空爐內可完成加熱淬火、冷處理(-185℃)、回火三種工藝


     

        該公司的技術人員特別向我們介紹了SYSTEM *2PLUS* 和新開發SYSTEM *COO PLUS* 兩種系統。圖1(略)是帶有SYSTEM *2PLUS*系統的真空加熱氣淬爐的示意圖。和標準型的真空爐相比,該系統具有節約能源、減少對爐內構件的熱沖擊等優點,尤其是冷卻速度可以提高一倍。由于具備了這些優點,一方面,在滿足工件相同淬火效果的前提下,氣淬時的壓力降低,氣體消耗顯著下降;另一方面,在采用相同壓力的高壓氣淬時,工件的淬硬深度可以提高一倍。圖2(略)是SYSTEM *COO PLUS*真空熱處理系統的示意圖和工藝曲線紀錄圖。由于在同一臺爐內可完成加熱淬火、深冷處理、回火工藝,在操作方面具有以下方面的優點:

     

    • 系統的自動化程度高,避免了工藝之間工件的轉移

    • 不需要額外的冷處理設備

    • 工藝全過程中不接觸外部空氣,表面不腐蝕

    • 系統的安全性高

     

        圖3是冷作合金工具鋼X155CrVMo12-1真空加熱高壓氣淬并經不同溫度的冷處理后表面和心部淬火態和回火態組織中殘留奧氏體含量。隨冷處理溫度降低,鋼中的殘留奧氏體含量下降。為了防止冷處理時工件溫度突降導致開裂,系統中對冷處理時的溫度下降速度進行了合理的控制。SCHMETS公司的市場部經理Hubert Schulte先生還陪同代表團參觀了公司的用戶HARTHR公司,該公司有三臺SCHMETS公司的高壓氣淬爐、兩臺氣體滲氮爐、兩臺等離子滲氮爐以及其他的熱處理和表面處理設備,設備的工藝過程以及工件的物流系統全部采用計算機管理,是一家具有現代管理水平的專業熱處理廠。

    3 易普森(Ipsen International GmbH)公司


     

        IPSEN公司是國際上知名的工業爐制造公司,總部設在德國Kleve,在歐洲、美洲、亞洲多個國家設有制造廠,在我國上海也設有制造廠,在北京設有辦事處。公司技術總裁B.Edenhofer先生是德國材料熱處理學會(AWT Association for Heat Treatment and Material Science)的現任主席,2002年被選為國際熱處理與表面工程聯合會(IFHTSE)執委,曾多次到我國作技術報告,是國際熱處理界知名的專家。
    IPSEN公司的業務主要包括下列技術領域:



     可控氣氛爐(Atmosphere Furnace)
     可控氣氛裝置(Atmosphere Installations)
     真空爐(Vacuum Furnace)
     真空裝置(Vacuum Installations)
     涂層裝置(Coating Installations)
     工藝技術(Process Technology)
     測量技術(Measuring Technology)
     控制技術(Control-Technology)
     自動化技術(Automation Technology)
     檢控技術(Supervisory Technology)


        IPSEN的主要產品有密封箱式多用爐、推桿式連續滲碳爐、高壓氣淬爐、真空滲碳裝置、真空釬焊爐、各類傳感器及控制裝置等,其中Supercab超級滲碳技術、AvaC低壓滲碳技術、Carb-o-Prof碳勢控制系統、HydroNit氫探頭等項技術在我國熱處理行業具有較高的知名度。近幾年,IPSEN公司開發了多項新的熱處理工藝與裝備技術。



    3.1 mult-i-cell®模塊化真空滲碳系統
        mult-i-cell®是由多個設備模塊組成的一個熱處理集成系統,或者說是一個熱處理中心,組成系統的各設備模塊主要有:
     VHT模塊——真空爐,高溫模塊。典型的例子是在真空滲碳時采用IPSEN的AvaC工藝,在碳氮共滲時可采用AvaC-N工藝。
     VacMobil模塊——加熱的真空輸送模塊,其功能是負責工件在各工藝模塊之間的輸送。
     QGP模塊——高壓氣淬模塊,最大的氣淬壓力根據工藝要求可達到10~20bar。
     VDR模塊——回火,也可用于工件的預處理。
     高壓氣儲罐和中央泵站。


        圖4(略)是mult-i-cell®系統兩種主要的布置方式,圖5(略)是mult-i-cell®系統的現場情況。


    mult-i-cell®系統的優勢:


    • 模塊化

    • 柔性化

    • 集成性(工藝和設備)

    • 可擴展性

    • 維修方便

     

    3.2 DAC-帶快冷系統的可控氣氛回火爐
        DAC爐的工作溫度范圍為150~750℃,可應用于回火、退火、氣體滲氮、氣體氮碳共滲、預氧化等工藝。圖6
    (略)
    是DAC爐示意圖,在加熱室底部和輥道之間安裝耐熱循環風扇,保證了爐內氣氛的循環和良好的熱傳遞;加熱系統采用輻射管(電或燃氣)安裝在爐子后部,在加熱系統和爐室之間設置隔熱板以防止加熱系統直接向工件輻射;快速冷卻系統安裝在爐子頂部,冷卻時將熱交換器放入爐室內。


    3.3 ICTE系統
        ICTE是一個集成化的商業和技術專家系統(Integrated Commercial and Technology Expert-Systems),是繼Carb-o-、Vacu-Prof®、AutoMag® 系統之后的第四代軟件系統。通過ICTE系統可以了解一個熱處理中心所有的設備狀況、工藝執行情況、熱處理質量情況以及所有和熱處理生產有關的數據信息。


    ICTE系統由ICTECom、ICTETech、ICTEAutoMag三個基本模塊組成。
    ICTECom——和商業有關信息系統,如生產次序、數據分析和管理、發票等;
    ICTETech——用于單臺設備的技術管理系統,如生產安排、設備生產能力的優化、工藝優化、工藝程序的編輯及安排、工件的位置、質量控制等; 
    ICTEAutoMag——用于自動生產線的技術管理系統,如自動生產線流程的監控、工件的裝卸等。
    圖7
    (略)是ICTE用于多個車間管理時的中央系統示意圖。



    4 愛協林(AICHELIN)公司


     

        AICHELIN公司是國際上知名的工業爐制造公司,總部設在奧地利,在德國、美國、中東以及歐洲其他國家和地區也設有制造廠,在我國北京1993年成立了北京愛協林工業爐工程公司,并在上海設立了辦事處。愛協林公司的主要產品有推桿式連續爐、密封箱式多用爐、輥底式爐、轉底式爐、傳動帶式爐、井式爐等各種工業爐,并生產氣氛發生器、燃燒器、清洗機等配套設備以及感應加熱裝置。其產品廣泛應用于汽車、傳動軸、標準件、軸承、航空等工業領域。


        愛協林公司對中國熱處理學會代表團的來訪非常重視,北京公司的總經理孫一凡先生在代表團到訪的前一天專程從北京趕到奧地利,和負責銷售的副總裁Klaus Bleier 先生一起接待代表團,介紹了公司產品的生產和銷售情況以及公司近幾年所開發的一些專有技術,并陪同代表團參觀了生產現場、備料庫、試驗室以及公司的用戶MAGNA STEYA公司的熱處理車間。


        該公司非常重視技術開發,近幾年新開發了以下專有技術:
     帶冷室的高壓氣淬技術(最高的氣淬壓力可以達到40bar)
     FLEXICLEAN® 清洗技術
     低畸變噴注淬火系統(Spring flooding system®)
     NOXMAT氣體燃燒器技術
     低壓滲碳工藝技術
     FOCOS計算機工藝管理及控制系統
     CARBOMAT碳勢控制系統


        公司還特別介紹了為MAGNA STEYA公司新開發的將高壓氣淬系統應用于推桿式可控氣氛連續滲碳生產線,該生產線已于2003年6月投入生產使用,用于傳動軸的滲碳生產。生產線的主要技術參數如下:
     生產能力:400kg/h(滲層深度CHD為1.4mm550HV)
     裝料量:凈重135 kg,毛重175 kg
     熱處理工藝:400℃預熱——925℃滲碳——860℃擴散——20bar N2高壓氣淬——170~190℃回火


        圖8(略)是該生產線的現場布置情況和所處理的工件,圖9(略)是生產線構成和布置示意圖,圖10(略)是生產線上高壓氣淬部分。高壓氣淬部分和加熱爐之間采用了兩道密封(熱密封和真空密封)。
    該生產線是應用新技術改造傳統熱處理裝備的一個成功范例,它綜合了連續式可控氣氛滲碳生產線和高壓氣淬的優點,具有:
     生產能力大
     避免了油淬時的油氣污染,實現了清潔生產
     省去了后清洗
     生產成本降低20%
     減小工件淬火畸變

    5 MAGNA STEYR POWERTRAIN公司



     

        MAGNA STEYR POWERTRAIN公司位于奧地利Graz市附近,是一家傳動系統的專業制造企業,其產品主要為奔馳、寶馬等著名的汽車公司配套。公司有專門的熱處理車間,配備有三臺密封箱式多用爐生產線、一臺轉底式爐可控氣氛生產線(配備淬火壓床)、三條推桿式可控氣氛連續滲碳線,這些設備全部是由愛協林公司提供的,此外還有幾臺EFD公司制造的感應加熱淬火機床。代表團感受較深的有以下幾個方面:(1)熱處理車間全部采用了少無氧化加熱;(2)自動化程度非常高,基本實現了熱處理生產的全面自動化;(3)非常重視熱處理的清潔生產,車間環境良好,尤其是在2003年6月投產的配備高壓氣淬的推桿式連續滲碳線區域,設備如新,地面清潔;(4)非常重視熱處理的精密生產,采用淬火壓床和高壓氣淬技術,顯著減小了零件的熱處理畸變。所有這些都非常值得我國的熱處理企業學習和借鑒。

    6 TAV公司



     

        TAV公司位于意大利米蘭附近,是一家專業的真空爐制造廠,其產品可應用于真空淬火、回火、退火、固溶處理、均勻化處理以及燒結和釬焊等工藝。圖11(略)是該公司生產的大型立式真空爐,圖12(略)是臺車式的真空爐,可應用于大型零件的熱處理和釬焊等工藝。該公司還和有關的大學和研究機構建立了合作關系,公司的銷售主管Pietro Tonini先生介紹了公司近期在釬焊技術方面所開展的一些工作,目前已經開發了用于鋼與鋼、鋼與有色合金、有色合金與有色合金、金屬與陶瓷的焊料及釬焊技術。遺憾的是由于公司正準備ISO9000系列的復審,謝絕了代表團參觀其生產現場。

    7 結束語



     

        通過對上述研究機構、設備制造和熱處理生產企業的考察,一方面對歐洲的熱處理技術的發展情況有了一個概括性的、初步的了解,另一方面感受和學習了歐洲熱處理界在科研開發、設備的設計和制造、生產及管理等方面先進的技術和經驗,受益匪淺。幾點不太成熟的體會匯報如下:


    (1) 真空熱處理技術發展較快,真空熱處理的市場份額增長趨勢明顯,尤其是在真空高壓氣淬、低壓滲碳、等離子滲碳等方面開發了許多新的設備、工藝及控制技術;
    (2) 減小零件的熱處理畸變不僅可以避免或減少后續矯直和機加工,對提高零件的熱處理質量和使用性能也有較大好處。歐洲熱處理界對此非常重視,在科學研究、設備開發和制造、熱處理工藝設計等方面作了大量的工作,如工件在淬火過程的應力應變模擬研究、采用壓淬工藝、采用高壓氣淬代替油淬、開發低畸變淬火技術等。
    (3) 將高壓氣淬技術應用于可控氣氛熱處理生產線替代油淬是一項新的技術,有利于實現熱處理清潔生產和減小零件的畸變,我國的熱處理設備制造企業和生產企業對此項新技術應給于一定的關注。
    (4) 歐洲的熱處理裝備自動化程度非常高,熱處理生產企業大都實現了全面的自動化生產,相比之下,我國在此方面差距較大。
    (5) 歐洲熱處理設備制造企業對設備的可靠性非常重視,除了保證設備的使用壽命外,還要保證設備有可靠的使用性能,某些先進的設備上都配備有故障檢查系統以及關鍵檢測系統的備用系統,以確保零件的熱處理質量和零廢品。
    (6) 歐洲熱處理企業非常重視技術開發,大多企業都擁有自己的專利技術和專利產品,這是企業在市場競爭中取得發展的根基,值得我國熱處理企業學習和借鑒。


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