■金荣植
热处理生产过程离不开工艺材料的消耗，如清洗剂、渗剂、防渗涂料、淬火冷却介质、喷丸用丸粒等，为避免和减少污染的产生，首先应采用清洁的热处理工艺材料，如环保清洗剂、聚合物淬火冷却介质、生态淬火冷却介质、高压气体（如N2、H2、He、Ar）等，在达到环境友好的同时获得优良的产品质量。
清洗可以提高热处理生产效率和热处理质量，与热处理有关的环保清洗属于清洁热处理范畴。在工件热处理前后，应根据工件表面污物的类型优先选择环保清洗剂。
1. 使用无氯代烃清洗溶剂
（1）常用的碱液清洗剂（质量分数为5%的Na2CO3溶液）无毒，用过的清洗液含油，不可直接排放，应把油分离回收再用。由润湿剂和醇类物质配制的专用清洗剂能与水无限互溶，渗透性和去污能力很强，可以使黏附在金属工件表面的油脂脱落。此清洗剂不含亚硝酸盐与磷酸盐，无毒，但用后需除油。
JB/T 4323.1《水基金属清洗剂》对金属清洗剂的技术要求：产品（清洗剂）应对人体无害，无强烈刺激气味；产品使用浓度大不大5%（质量分数）。
表1为某公司生产的多种热处理用清洗剂。
表1 热处理用清洗剂
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（2）清洁度要求高的零件需经过溶剂清洗，即用溶剂使黏附在工件表面的油脂溶解后脱离。以前常用三氯乙烯或三氯乙烷等溶剂蒸气除去工件表面油脂。由于含氟氯烃溶剂（如三氯乙烯、二氯甲烷、四氯乙烯、三氯乙烷）对大气环境产生二次污染，可采用有机溶剂（如戊烷）清洗、碳氢溶剂真空清洗等代替含氟氯烃溶剂清洗。
2. 用超临界液体CO2代替氟氯烃清洗工件
美国GCG Technologies Inc公司开发了一种Def l ex Process清洗技术，用超临界液体CO2代替氟氯烃（CFCs）清除多种材料上的污染物和油污，清洁环保。
该方法是将液态CO2在30℃和7550kPa压力下通入盛有零件的容器中，载满污物的溶液从容器中泵出并立即膨胀成气体，气体经压缩冷凝后可重复使用，沉积下来的切削油等污染物可收集回收利用。超临界态的高能溶液既不是液体，也不是气体，既具有液态性质，也具有气体的扩散性。超临界CO2表现出溶解选择性，根据压力、温度及混合效果可以覆盖三氯乙烷溶剂等的溶解范围。
针对污染物的选择溶解是超临界CO2的主要优点之一。使用超临界CO2清洗工件无需干燥工序，工件也不会产生锈蚀，清洗速度比真空清洗快数十倍。
表2 聚合物淬火冷却介质分类及使用特点
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1. 聚合物淬火冷却介质及其应用
聚合物淬火冷却介质是以聚合物、添加剂和缓蚀剂作为溶质的水溶液。聚乙烯醇（PVA）、聚烷撑二醇（PA G）、聚丙烯酸盐（PSA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和聚乙烯恶唑啉（PEOX）等聚合物溶液无毒，改变溶液浓度可调整其冷却能力，使其冷速变化在水油之间，以适应不同钢种的淬火冷却。在某些场合代替油淬火，可避免油烟污染。
表2为聚合物淬火冷却介质分类及使用特点。目前市场上销售的部分聚合物淬火冷却介质及其主要性能见表3。
环保效果：国内某公司委托上海市预防医学研究所对淬火中的UCON E（质量分数15%）淬火槽挥发气的测定结果表明，甲醇与醋酸乙酯均未检出，甲醛均值0.022mg/m3（标准限值0.0015～0.04mg/m3），氧化氮均值0.049mg/m3（标准限值0.035～0.06mg/m3），工作场所的有害物质均低于有关的标准限值。
2. 生态淬火冷却介质
美国好富顿公司研究采用植物油代替矿物油，一是认为植物油是可再生资源；二是植物油对环境无害，并预见未来理想液态淬火冷却介质是生态淬火冷却介质，其是以植物油为基加入添加剂（如提高抗氧化能力的添加剂）的天然淬火油。例如好富顿公司开发的植物油基生态淬火油Bio Quench 700。
（1）生态淬火冷却介质性能。图1为好富顿公司测试的植物油和矿物油的淬火冷却性能曲线。由图1可见，植物油的最大冷速向高温移动，几乎没有蒸汽膜阶段，最大冷速高、最低冷速小，故植物油冷却均匀，工件畸变小。
（2）应用效果。在密封多用炉中使用生态淬火冷却介质两年半内，被处理的钢材有油淬工具钢、合金渗碳钢和低中碳素钢，工件截面尺寸为0.4～100mm，油温60～105℃。据用户报告，处理后的工件硬度、力学性能、尺寸稳定性和表面状态都合格。对AISI 52100钢（相当于GCr15钢）轴承套圈在美国某一轴承厂的连续淬火炉中进行12个月的生产试验。与此同时，还对120℃的生态油和普通淬火油的冷却性能作了对比测试，其结果见图2。用植物油淬火后的零件硬度、尺寸稳定性、圆度和普通淬火油都没有区别，而锥形零件的圆度却比普通淬火油时小得多。植物油闪点高，热油淬火安全，且工件带出油的损失比普通淬火油少60%。
（3）环保效果。植物油容易降解，其降解率可达75%以上，欧洲有降解80%～100%的试验数据，而矿物油只能降解10%～40%。植物油的沸点和闪点都比矿物油高，油烟毒性很小，还可以再生，不易水解、抗氧化能力强、低温黏度低、黏度范围窄。目前植物油价格比矿物油虽贵，但使用寿命长，工件淬火质量好，对环境相对友好，在一定程度上可得到补充。
3. 淬火冷却介质的碳足迹
为了减少热处理油烟排放，开发环保减碳的新型替代产品，好富顿公司在淬火冷却介质开发及应用方面做了大量工作。表4为好富顿公司在对比淬火冷却介质（主要指聚合物水溶液）和淬火油在碳排放方面的监测数据。
图1 生态淬火油和普通中速淬火油在60℃的冷却性能比较
图2 生态淬火油和普通淬火油在120℃时的冷却性能比较
表3 部分聚合物淬火冷却介质及其主要性能
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工件在奥氏体化温度加热后施加0.5～2MPa高压气体淬火可达到静止油或高速循环油甚至水的淬火效果，目前可部分采用高压气体淬火代替油淬火。其最大优点是避免油淬产生的烟气污染，而且可免去常规碱液清洗工序和含油液体的排放问题。处理后的零件表面清洁度高，无需后续清洗和喷丸清理工序，无SO2、CO排放问题，因此属于清洁热处理技术。
气体淬火最大的特点是淬火无蒸汽膜阶段，工件整个淬火过程传热更为均匀，畸变规律性更强。
气淬一直用于高淬透性工件的淬火，近年来已将其应用领域扩展到普通油淬或水溶液淬火的钢种。
表4 好富顿公司淬火冷却介质的碳足迹
注：碳足迹指直接或间接支持人类活动所产生的温室气体总量，通常用产生的CO2吨数来表示。1cSt=10-6m2/s。
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1. 高压气淬用气体
工件在真空炉加热或低压渗碳（碳氮共渗）后，采用高压N2、He、H2进行气体淬火。通过循环使用N2、He、H2的气冷系统，从而大幅提高了冷却能力。高压气体淬火易于通过计算机程序控制气体流速、压力和流向，改变气体的冷却特性，使工件冷却均匀，马氏体转变区使用小风量，从而减小工件淬火畸变。
钢件渗碳后在气体中冷却比在液体中冷却的均匀，因此淬火畸变也小。批量的合金钢渗碳件在气体中冷却要达到油淬的冷速，必须使气体保持在1MPa以上压力，而且尚需具备良好的气体本身的热交换（冷却）和流动循环条件。各种气体的传热性能有很大差别，氢气（H2）的传热性最好，其次是氦气（He），再次是氮气（N2）。N2冷却性能虽差，但价格最低，因此目前多采用N2进行高压气淬。
国际上已经普及0.5～0.6MPa的高压气淬炉，φ60m m高速工具钢在工业装炉量下，用0.5～0.6MPa的高纯度N2冷却，可获得64～65HRC的硬度，热硬性良好。采用气体N2、H2回收技术可使成本大幅降低，促进了混合气淬技术的普及推广。
Ipsen公司开发的双室高压气淬炉，当真空双室炉气淬时，可用0.1～2MPa的N2或He。国产如WZDGQ-60型单室高压气淬炉（≤1.0MPa）。采用高纯度氮气99.999%（体积分数）进行气淬，可以用于有效厚度≤400mm工件的直接气淬和分段气冷淬火。
2. 气体的分级淬火技术
法国ECM公司注册了分级气淬（Interrupted gas quenching）方法，分级温度可设置于180～200℃，通过等温停留使工件进行自回火，因而可以取消淬火后的一般回火工序，从而节省了能源。
法国ECM公司开发了一套气体淬火专用程序软件，即Quench AL冷却模拟软件。在气淬过程中，通过气体的压力和搅拌速率的变化可用来控制淬火强度。采用可变强度的分级淬火可以使已畸变零件的畸变程度控制到最小。在Ms点附近进行等温，减少零件表面与心部的温差，使得之后的马氏体转变产生更少的应力畸变。
针对不同装炉量、材料淬透性及产品要求，使用了最新的变频驱动技术，气体（如N2）注入压力0～2MPa，采用两个130kW的电动机，0～100%可调。借助这两个优势，可使得淬火冷却工艺和奥氏体等温转变图尽可能地接近，避开某些畸变极易产生的临界阶段。
ECM公司比较了气体分级淬火和强度不变的气体直接淬火之间的区别。对于传动齿轮，其齿向畸变的平均值从13μm减少到4μm。对于传动齿环，外径的畸变减小为原来的1/4。而且，在以上两种试验中，在炉内装料区的各个部位检测到的结果是高度一致的。即该工艺同时解决了畸变问题和畸变一致性问题。
在国内，上海汽车变速器公司等用于轿车变速器齿轮、齿轮轴等低压真空渗碳、高压气淬。
流态粒子炉可采用的粒子有石墨，Al2O3或SiO2颗粒，使用的气体可以是压缩空气、燃烧气体产物或含活性成分（N、C）的气体，热源可以是气体燃烧，也可以是电阻加热。
这种炉子升温快、传热系数高、节能效果显著，并可以实现少无氧化，加热均匀，没有废盐渣的排放污染问题，由于石墨粒子不停地流动，会有细小的粒子向炉外飞出，在排风口处增加布袋式除尘器，除尘效果可达99%。其属于清洁热处理设备与技术。
流态粒子炉能够实现无氧化加热，是一种简易且经济的保护气氛炉，当采用石墨粒子为介质，以空气为流化气源时，由于气化效应，在中温段（840～930℃）炉气以中性或还原性气氛为主，不需要再通其他保护气，即可实现无氧化、无脱碳加热。若采用Al2O3粒子，以工业氮气为流化气源，即可实现无氧化加热。
盐浴炉启动慢，散热大，能源利用率低，有些还有毒性。流态炉启动快、能耗与污染少、设备投资少，加热效率接近盐浴，因此流态炉是代替盐浴炉的重要途径之一。
流态粒子炉还可以代替硝盐炉进行等温淬火，避免“三废”污染。
用流态粒子炉取代盐浴炉应用：对滚珠丝杠螺母、轴承环、汽车高强度U形螺栓等标准紧固件、冶金轧辊等进行加热淬火，不仅提高了热处理质量，而且达到了节能环保的目的。
表5 热处理用高压水射流喷砂机规格及技术参数
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传统的干式喷砂加工时，因砂粒高速撞击金属表面，容易破碎而产生大量粉尘，污染环境。热处理用干砂喷砂机因效率高、效果好，使用量很大，但产生的粉尘（主要是SiO2粉尘）大，对工作现场及周围环境造成污染，影响公众健康。
对此，可以采用湿式喷砂机代替干式喷砂机，不但效率高、表面质量好，而且无粉尘产生，环保、节能。GB 15735《金属热处理生产过程安全、卫生要求》规定，喷丸设备应优先利用湿法喷砂设备。
湿式喷砂机，即液体喷砂机，一改传统的干式喷砂方法，它是将砂（磨料）置于水中制成磨液，用磨液泵和压缩空气，通过喷枪将磨液高速喷射到工件上，从而达到清理和光饰的目的。液体喷砂高效，磨料消耗少，能够提高工件表面粗糙度和强度，并从根本上改变了对环境的污染问题。
湿式喷砂设备选择参见表5。
作者简介：金荣植（1962—），男，高级工程师，哈尔滨汇隆汽车箱桥有限公司副总工程师，已在专业杂志上发表论文100余篇，其中有5篇被美国工程索引（Ei）收录，1篇获中国热处理行业协会优秀论文奖，已出版8部热处理著作，获省、市科技成果各一项，获4项发明专利和2项实用新型专利。
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