热处理设备、技术的今天和明天

太仓大萝卜

作为砂狮三合一热处理技术的发明者，美国CEC公司一直走在铸造技术的最前沿。砂狮三合一热处理工艺结合热除模、除芯、热处理和砂回收工序于一体，该工艺节省劳力、能源和环保费用，目前已成为世界铸件处理的标准。
    铝铸件生产的现在和将来

    众所周知，降低汽车的总重量能减少燃料的消耗、降低CO2的排放量，同时能提高燃油的 经济效益。因此，汽车制造业需要使用更多的轻金属材料来减少燃油消耗和废气排放，很多铁铸件包括缸体、缸盖、制动器、制动盘和悬架系统等都将被铝铸件所替代。
  
    据有关部门统计，在2001年生产的新车型中，铝铸件平均占汽车所有铝部件总重量的80％，平均约为118kg。其后几年，这一数字在迅速提升，预计在将来8～10年内将提升更快，同时使用铝制发动机和铝制缸盖的小型汽车的比例将很快达到95％。

    传统铝铸件的生产方法不仅成本昂贵，而且消耗能源巨大。这些铸件的工艺流程由几个独立的步骤组成，每一步都与前面的步骤无关。美国能源部和美国材料协会在一次工业前瞻会议上宣称：“生产操作中热处理工艺步骤的结合能达到节省能源的效果”。

    铸件后续生产热处理工艺的结合  

    传统的铸造工艺包括消失模、永久模或精密砂模-组合砂型。传统的铸件后处理工序主要包括快速冷却、去冒口、机械去砂模/砂芯和人工清洁，紧接着加热铸件，再然后进行热处理。

    而这些独立的设备需要更多管理操作，其中运输会对铸件造成损害，额外的设备和操作需要额外的人力、生产空间和能源。

    现在有一种新专利技术，它适用于使用有机粘结剂的半永久模和精密砂模铸造。当铸件凝固后立刻进入热处理炉，不需要上面提到的分步操作。这个技术叫做砂狮三合一热处理工艺，见图2。它将铸造的去芯和去砂、热砂回收、铸件热处理这三步工艺在一个自动化的炉子里同时进行。

    当芯砂和型砂处于高温富氧的炉内环境时，砂中粘结剂的巨大能量就能释放出来。当粘结剂燃烧掉后，芯砂和型砂就变得松散，此时安装于顶部的高速风扇吹过铸件，将砂粒吹至炉底。高速风扇产生的快速气流吹过不规则形状的铸件时会产生压力差。这个压力差在铸件的里外形成湍流，从而带走松动的砂子。

    高速风扇产生的气流使炉内空气分布均匀，而且使温度的控制非常平稳。铸件在热处理结束后就完全没有砂子。这些干净的、完全回收的砂子可以自动排出，再次成为模子与型芯的材料，而不需要额外处理。

    在传统的热处理工艺中，铸件凝固冷却后还需要再加热到热处理温度；而在砂狮技术中，则是铸件直接进入热处理炉，保留了浇注结束后的余热，并将这些余热用于热处理炉内的三步工艺。图3所示为用于汽车铸件的砂狮系统，图4为砂狮三合一热处理的前后工艺。

    在结束T4或T6的整个热处理过程后，铸件冷却到环境温度，直接被运输到下一个工序，如去浇道、冒口、机加工。将铸造工艺和这种热处理工艺相结合，就意味着这个炉子能用来回收砂子（经过处理的砂子）和回收不合格的芯型。从浇注、凝固和芯型车间收集的气体可用作炉内燃气，在这里，有害的气体可以燃烧干净。
  
    综上所述，几个主要铝铸件工艺的结合可以大大降低生产成本。上述工艺是无污染、有效的铸件生产工艺。对使用砂狮三合一热处理工艺的铸造企业的调查结果表明：这个工艺可平均降低30％以上的生产成本。
  
    新兴流化床工艺  

    CEC公司的一个类似新兴流化床技术，它可同时实现热处理、去热模以及芯砂、热砂的回收利用，适用于半永久模或精密砂模。工作时，铸件浸入到有流动热砂的流化床中。与前面讨论的工艺一样，铸件也是在富氧的高温环境下处理的。当铸件刚刚凝固时，立刻进行这个工艺流程，这样就节省了能源和时间。
  
    这项技术有前面描述的砂狮三合一技术所有能源和环保方面的优点，它为某些铸件提供了包括热处理在内的非常有效的后处理操作。

    新的淬火技术

    淬火处理和时效处理利用传统的技术，空气淬冷作为三合一热处理技术的补充。CEC公司有很多处理汽车铸件的设备都利用空气淬冷，尤其是对于缸体和缸盖。铝制缸体常常使用铸铁缸盖，因此为了适应铸铁和铝不同的冷却特性，缓慢的空气淬冷是首选工艺。铸件周围空气流动的均匀性很重要，因为变化的热传递速率会形成相应的温度梯度，从而形成应力和变形。
  
    与水冷相比较，空冷有很多好处。传统水冷会产生应力，而如果应力足够高，铸件会产生变形。在淬火工业中，铸件表面易形成压应力，而铸件内部由于较慢的冷却速度易形成拉应力。对于大型的铸件，如铝制缸体，常常会由于明显的温度不均匀而导致更高的淬火应力。通过缓慢的冷却铸件，温度在整个铸件的分布将比较均匀。
  
    空气淬冷的效果取决于淬火气流、淬火气流温度、铸件构造和铸件的排列。铸件的布氏硬度在HB 95～105或更高。典型的淬火速率为32.22℃/min，目标温度为240.56℃。为了达到必要的气流分布，淬火炉膛都经过特殊设计来达到高速气体流动时的均匀性。
  
    CEC公司同时发展了另一种可行的铝铸件处理工艺——气雾淬火。综合我们所知的各种空气淬冷，将水与空气结合成雾状的方式已经在应用。这个工艺不仅比空冷速度快，而且减少了对空气处理设备的要求。