欧洲热处理技术考察报告

内容提要：

1、德国材料科学研究所;

2、SCHMETZ 真空炉公司;

3、易普森公司;

4、爱协林（AICHELIN）公司;

5 MAGNA STEYR POWERTRAIN公司;

6 TAV公司;

7 结束语

全国热处理学会代表团一行16人于2003年9月23日~10月6日赴欧洲进行热处理技术考察。在欧期间，代表团先后考察了德国的材料科学研究所（IWT）、SCHMETS公司及其用户HARTHR公司、IPSEN公司，奥地利的AICHELIN公司及其用户MAGNA STEYA公司的热处理车间、意大利的TAV公司；考察期间，代表团还和欧洲热处理同行就材料热处理技术的开发与发展前景、热处理设备制造新技术、生产管理等方面进行了技术交流。

1、德国材料科学研究所（Institute for Materials Science, IWT）

材料科学研究所是一所从事金属加工领域基础和应用研究的研究所，是德国目前唯一的一所综合性金属加工技术方面的研究机构，其前身是德国硬化技术研究所，1989年改为现名。全所共有150人，其中科研人员70人，其他技术人员50人。
材料科学研究所下设材料科学（Materials Science）、加工工程(Process Engineering)、制造技术(Manufacturing Technologies) 三个部。材料科学部的主任由研究所所长P.Mayr教授兼任，P.Mayr教授是国际材料热处理与表面工程领域的知名学者，曾任1996-97年度IFHTSE的主席。材料科学部的研究领域主要包括下列技术：
热处理（Heat Treatment）
表面技术（Surface Technology）
机械性能（Mechanical Properties）
物理分析（Physical Analysis）
金相分析方法（Metallographic Analytical Methods）
负责热处理部门的F Hoffmann教授、Th Lubben博士、在IWT工作的我国学者Jianfei Wei和Jian Dong博士接待了代表团，并陪同代表团参观了材料热处理实验室。实验室中有可进行各种工艺试验的热处理炉、冷却试验装置、应力应变模拟、性能测试、显微分析等试验设备，试验手段完备，设备先进。
F Hoffmann教授还向代表团介绍了IWT在材料热处理方面所开展的研究内容，主要包括：
离子注入表面细化（Surface refining by ion implantation(20keV)）
高压气淬（High-pressure gas quenching）
 渗氮及氮碳共渗（Nitriding and nitrocarburizing）
气体渗碳、低压渗碳及等离子渗碳 (Gas atmosphere, low pressure carburizing, plasma assisted processes)
高压喷射液体和气体淬火（Quenching in fluids and gases (high pressure and nozzle field quenching)）
加压淬火（Press hardening with fluid and gaseous media）
热处理及表面处理用传感器开发（Development of sensors for heat treatment and coating processes）
 等离子辅助化学气相沉积（Plasma-assisted chemical vapor deposition (PACVD) methods）
 物理气相沉积（Physical vapor deposition (PVD) methods）
硬质表面涂层测试方法的开发（Development and validation of test methods for hard surface coating）
 硬度测试检验标准的开发（Development of calibration standards for testing hardness）
从该研究所提供的2002年年度报告上看，近期开展的和热处理有关的研究课题有：
畸变工程（Distortion Engineering）
心部强度对真空渗碳高压气淬齿轮承载能力的影响
高温渗碳对疲劳抗力的影响
 CVD涂层和感应表面淬火处理后钢的耐磨性和涂层组织
高强度铝合金的热处理
铝合金件等离子渗氮的工业应用研究
 PVD涂层对渗碳齿轮承载能力的影响
渗氮件服役极限的预测
激光硬化工艺的优化
等离子氮碳共渗
 计算机辅助热处理工艺过程模拟
评价淬火系统的淬火效果的标准方法的开发
复杂试样的加热淬火
 低压渗碳防渗方法及防渗涂料的开发

2、SCHMETZ 真空炉公司（SCHMETZ GmbH Vacuum Furnace）

SCHMETZ公司是德国金属科技控股公司（Metall Technologie Holding GmbH）下属的三个工业炉公司之一，专门从事真空工业炉的开发、设计和制造，其产品主要应用于真空淬火、回火、退火、钎焊、高温烧结等工艺，温度范围从200~1600℃。
该公司标准型的卧式和立式真空炉的尺寸系列表1和表2所示。
表1 标准型卧式真空炉尺寸系列                表2 标准型立式真空炉尺寸系列
型号        装料尺寸（宽*长*高）/mm        装载量/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
                型号        装料尺寸（直径*高）/mm        装载量/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
该公司在标准型的真空炉上开发了下列专有技术：
•        SYSTEM *FUTUR*——辅助对流加热（convective heating-up）系统
•        SYSTEM *2R*——方向可逆的双向冷却系统
•        SYSTEM *2×2R*——方向可逆的垂直或水平双向冷却系统
•        SYSTEM *TMS*——计算机工艺管理系统（Thermprocess-Management-System）
•        SYSTEM *2PLUS*——冷室冷却系统
SYSTEM *COO PLUS*——在同一台真空炉内可完成加热淬火、冷处理（-185℃）、回火三种工艺
该公司的技术人员特别向我们介绍了SYSTEM *2PLUS* 和新开发SYSTEM *COO PLUS* 两种系统。图1（略）是带有SYSTEM *2PLUS*系统的真空加热气淬炉的示意图。和标准型的真空炉相比，该系统具有节约能源、减少对炉内构件的热冲击等优点，尤其是冷却速度可以提高一倍。由于具备了这些优点，一方面，在满足工件相同淬火效果的前提下，气淬时的压力降低，气体消耗显著下降；另一方面，在采用相同压力的高压气淬时，工件的淬硬深度可以提高一倍。图2（略）是SYSTEM *COO PLUS*真空热处理系统的示意图和工艺曲线纪录图。由于在同一台炉内可完成加热淬火、深冷处理、回火工艺，在操作方面具有以下方面的优点：
•        系统的自动化程度高，避免了工艺之间工件的转移
•        不需要额外的冷处理设备
•        工艺全过程中不接触外部空气，表面不腐蚀
•        系统的安全性高
图3是冷作合金工具钢X155CrVMo12-1真空加热高压气淬并经不同温度的冷处理后表面和心部淬火态和回火态组织中残留奥氏体含量。随冷处理温度降低，钢中的残留奥氏体含量下降。为了防止冷处理时工件温度突降导致开裂，系统中对冷处理时的温度下降速度进行了合理的控制。SCHMETS公司的市场部经理Hubert Schulte先生还陪同代表团参观了公司的用户HARTHR公司，该公司有三台SCHMETS公司的高压气淬炉、两台气体渗氮炉、两台等离子渗氮炉以及其他的热处理和表面处理设备，设备的工艺过程以及工件的物流系统全部采用计算机管理，是一家具有现代管理水平的专业热处理厂。

3、易普森（Ipsen International GmbH）公司

IPSEN公司是国际上知名的工业炉制造公司，总部设在德国Kleve，在欧洲、美洲、亚洲多个国家设有制造厂，在我国上海也设有制造厂，在北京设有办事处。公司技术总裁B.Edenhofer先生是德国材料热处理学会（AWT Association for Heat Treatment and Material Science）的现任主席，2002年被选为国际热处理与表面工程联合会（IFHTSE）执委，曾多次到我国作技术报告，是国际热处理界知名的专家。
IPSEN公司的业务主要包括下列技术领域：
 可控气氛炉（Atmosphere Furnace）
可控气氛装置(Atmosphere Installations)
真空炉(Vacuum Furnace)
真空装置(Vacuum Installations)
涂层装置(Coating Installations)
 工艺技术(Process Technology)
测量技术(Measuring Technology)
 控制技术(Control-Technology)
自动化技术(Automation Technology)
检控技术(Supervisory Technology)
IPSEN的主要产品有密封箱式多用炉、推杆式连续渗碳炉、高压气淬炉、真空渗碳装置、真空钎焊炉、各类传感器及控制装置等，其中Supercab超级渗碳技术、AvaC低压渗碳技术、Carb-o-Prof碳势控制系统、HydroNit氢探头等项技术在我国热处理行业具有较高的知名度。近几年，IPSEN公司开发了多项新的热处理工艺与装备技术。

3.1 mult-i-cell®模块化真空渗碳系统

mult-i-cell®是由多个设备模块组成的一个热处理集成系统，或者说是一个热处理中心，组成系统的各设备模块主要有：
 VHT模块——真空炉，高温模块。典型的例子是在真空渗碳时采用IPSEN的AvaC工艺，在碳氮共渗时可采用AvaC-N工艺。
 VacMobil模块——加热的真空输送模块，其功能是负责工件在各工艺模块之间的输送。
 QGP模块——高压气淬模块，Zui大的气淬压力根据工艺要求可达到10~20bar。
VDR模块——回火，也可用于工件的预处理。
 高压气储罐和中央泵站。
图4（略）是mult-i-cell®系统两种主要的布置方式，图5（略）是mult-i-cell®系统的现场情况。
mult-i-cell®系统的优势：
•        模块化
•        柔性化
•        集成性（工艺和设备）
•        可扩展性
•        维修方便

3.2 DAC-带快冷系统的可控气氛回火炉

DAC炉的工作温度范围为150~750℃，可应用于回火、退火、气体渗氮、气体氮碳共渗、预氧化等工艺。图6（略）是DAC炉示意图，在加热室底部和辊道之间安装耐热循环风扇，保证了炉内气氛的循环和良好的热传递；加热系统采用辐射管（电或燃气）安装在炉子后部，在加热系统和炉室之间设置隔热板以防止加热系统直接向工件辐射；快速冷却系统安装在炉子顶部，冷却时将热交换器放入炉室内。

3.3 ICTE系统

ICTE是一个集成化的商业和技术专家系统（Integrated Commercial and Technology Expert-Systems），是继Carb-o-、Vacu-Prof®、AutoMag® 系统之后的第四代软件系统。通过ICTE系统可以了解一个热处理中心所有的设备状况、工艺执行情况、热处理质量情况以及所有和热处理生产有关的数据信息。ICTE系统由ICTECom、ICTETech、ICTEAutoMag三个基本模块组成。
ICTECom——和商业有关信息系统，如生产次序、数据分析和管理、发票等；
ICTETech——用于单台设备的技术管理系统，如生产安排、设备生产能力的优化、工艺优化、工艺程序的编辑及安排、工件的位置、质量控制等；
ICTEAutoMag——用于自动生产线的技术管理系统，如自动生产线流程的监控、工件的装卸等。
图7（略）是ICTE用于多个车间管理时的中央系统示意图。

4、爱协林（AICHELIN）公司

AICHELIN公司是国际上知名的工业炉制造公司，总部设在奥地利，在德国、美国、中东以及欧洲其他国家和地区也设有制造厂，在我国北京1993年成立了北京爱协林工业炉工程公司，并在上海设立了办事处。爱协林公司的主要产品有推杆式连续炉、密封箱式多用炉、辊底式炉、转底式炉、传动带式炉、井式炉等各种工业炉，并生产气氛发生器、燃烧器、清洗机等配套设备以及感应加热装置。其产品广泛应用于汽车、传动轴、标准件、轴承、航空等工业领域。
爱协林公司对中国热处理学会代表团的来访非常重视，北京公司的总经理孙一凡先生在代表团到访的前一天专程从北京赶到奥地利，和负责销售的副总裁Klaus Bleier 先生一起接待代表团，介绍了公司产品的生产和销售情况以及公司近几年所开发的一些专有技术，并陪同代表团参观了生产现场、备料库、试验室以及公司的用户MAGNA STEYA公司的热处理车间。
该公司非常重视技术开发，近几年新开发了以下专有技术：
 带冷室的高压气淬技术（Zui高的气淬压力可以达到40bar）
FLEXICLEAN® 清洗技术
低畸变喷注淬火系统（Spring flooding system®）
NOXMAT气体燃烧器技术
低压渗碳工艺技术
FOCOS计算机工艺管理及控制系统
 CARBOMAT碳势控制系统
公司还特别介绍了为MAGNA STEYA公司新开发的将高压气淬系统应用于推杆式可控气氛连续渗碳生产线，该生产线已于2003年6月投入生产使用，用于传动轴的渗碳生产。生产线的主要技术参数如下：
 生产能力：400kg/h（渗层深度CHD为1.4mm550HV）
装料量：净重135 kg，毛重175 kg
 热处理工艺：400℃预热——925℃渗碳——860℃扩散——20bar N2高压气淬——170~190℃回火
图8（略）是该生产线的现场布置情况和所处理的工件，图9（略）是生产线构成和布置示意图，图10（略）是生产线上高压气淬部分。高压气淬部分和加热炉之间采用了两道密封（热密封和真空密封）。
该生产线是应用新技术改造传统热处理装备的一个成功范例，它综合了连续式可控气氛渗碳生产线和高压气淬的优点，具有：
 生产能力大
避免了油淬时的油气污染，实现了清洁生产
省去了后清洗
生产成本降低20%
 减小工件淬火畸变

5 MAGNA STEYR POWERTRAIN公司

MAGNA STEYR POWERTRAIN公司位于奥地利Graz市附近，是一家传动系统的专业制造企业，其产品主要为奔驰、宝马等著名的汽车公司配套。公司有专门的热处理车间，配备有三台密封箱式多用炉生产线、一台转底式炉可控气氛生产线（配备淬火压床）、三条推杆式可控气氛连续渗碳线，这些设备全部是由爱协林公司提供的，此外还有几台EFD公司制造的感应加热淬火机床。代表团感受较深的有以下几个方面：（1）热处理车间全部采用了少无氧化加热；（2）自动化程度非常高，基本实现了热处理生产的全面自动化；（3）非常重视热处理的清洁生产，车间环境良好，尤其是在2003年6月投产的配备高压气淬的推杆式连续渗碳线区域，设备如新，地面清洁；（4）非常重视热处理的精密生产，采用淬火压床和高压气淬技术，显著减小了零件的热处理畸变。所有这些都非常值得我国的热处理企业学习和借鉴。

6 TAV公司

TAV公司位于意大利米兰附近，是一家专业的真空炉制造厂，其产品可应用于真空淬火、回火、退火、固溶处理、均匀化处理以及烧结和钎焊等工艺。图11（略）是该公司生产的大型立式真空炉，图12（略）是台车式的真空炉，可应用于大型零件的热处理和钎焊等工艺。该公司还和有关的大学和研究机构建立了合作关系，公司的销售主管Pietro Tonini先生介绍了公司近期在钎焊技术方面所开展的一些工作，目前已经开发了用于钢与钢、钢与有色合金、有色合金与有色合金、金属与陶瓷的焊料及钎焊技术。遗憾的是由于公司正准备ISO9000系列的复审，谢绝了代表团参观其生产现场。

7 结束语

通过对上述研究机构、设备制造和热处理生产企业的考察，一方面对欧洲的热处理技术的发展情况有了一个概括性的、初步的了解，另一方面感受和学习了欧洲热处理界在科研开发、设备的设计和制造、生产及管理等方面技术和经验，受益匪浅。几点不太成熟的体会汇报如下：
（1） 真空热处理技术发展较快，真空热处理的市场份额增长趋势明显，尤其是在真空高压气淬、低压渗碳、等离子渗碳等方面开发了许多新的设备、工艺及控制技术；
（2） 减小零件的热处理畸变不仅可以避免或减少后续矫直和机加工，对提高零件的热处理质量和使用性能也有较大好处。欧洲热处理界对此非常重视，在科学研究、设备开发和制造、热处理工艺设计等方面作了大量的工作，如工件在淬火过程的应力应变模拟研究、采用压淬工艺、采用高压气淬代替油淬、开发低畸变淬火技术等。
（3） 将高压气淬技术应用于可控气氛热处理生产线替代油淬是一项新的技术，有利于实现热处理清洁生产和减小零件的畸变，我国的热处理设备制造企业和生产企业对此项新技术应给于一定的关注。
（4） 欧洲的热处理装备自动化程度非常高，热处理生产企业大都实现了全面的自动化生产，相比之下，我国在此方面差距较大。
（5） 欧洲热处理设备制造企业对设备的可靠性非常重视，除了保证设备的使用寿命外，还要保证设备有可靠的使用性能，某些设备上都配备有故障检查系统以及关键检测系统的备用系统，以确保零件的热处理质量和零废品。
（6） 欧洲热处理企业非常重视技术开发，大多企业都拥有自己的专利技术和专利产品，这是企业在市场竞争中取得发展的根基，值得我国热处理企业学习和借鉴。