熱處理設備技術前景分析

     作為砂獅三合一熱處理技術的發明者，美國CEC公司一直走在鑄造技術的最前沿。砂獅三合一熱處理工藝結合熱除模、除芯、熱處理和砂回收工序于一體，該工藝節省勞力、能源和環保費用，目前已成為世界鑄件處理的標準。

     鋁鑄件生產的現在和將來 

     眾所周知，降低汽車的總重量能減少燃料的消耗、降低CO2的排放量，同時能提高燃油的 經濟效益。因此，汽車制造業需要使用更多的輕金屬材料來減少燃油消耗和廢氣排放，很多鐵鑄件包括缸體、缸蓋、制動器、制動盤和懸架系統等都將被鋁鑄件所替代。

     據有關部門統計，在2001年生產的新車型中，鋁鑄件平均占汽車所有鋁部件總重量的80％，平均約為118kg。其后幾年，這一數字在迅速提升，預計在將來8～10年內將提升更快，同時使用鋁制發動機和鋁制缸蓋的小型汽車的比例將很快達到95％。 

     傳統鋁鑄件的生產方法不僅成本昂貴，而且消耗能源巨大。這些鑄件的工藝流程由幾個獨立的步驟組成，每一步都與前面的步驟無關。美國能源部和美國材料協會在一次工業前瞻會議上宣稱：“生產操作中熱處理工藝步驟的結合能達到節省能源的效果”。 

     鑄件后續生產熱處理工藝的結合  

     傳統的鑄造工藝包括消失模、永久模或精密砂模-組合砂型。傳統的鑄件后處理工序主要包括快速冷卻、去冒口、機械去砂模/砂芯和人工清潔，緊接著加熱鑄件，再然后進行熱處理。 

     而這些獨立的設備需要更多管理操作，其中運輸會對鑄件造成損害，額外的設備和操作需要額外的人力、生產空間和能源。 

     現在有一種新專利技術，它適用于使用有機粘結劑的半永久模和精密砂模鑄造。當鑄件凝固后立刻進入熱處理爐，不需要上面提到的分步操作。這個技術叫做砂獅三合一熱處理工藝，見圖2。它將鑄造的去芯和去砂、熱砂回收、鑄件熱處理這三步工藝在一個自動化的爐子里同時進行。 

     當芯砂和型砂處于高溫富氧的爐內環境時，砂中粘結劑的巨大能量就能釋放出來。當粘結劑燃燒掉后，芯砂和型砂就變得松散，此時安裝于頂部的高速風扇吹過鑄件，將砂粒吹至爐底。高速風扇產生的快速氣流吹過不規則形狀的鑄件時會產生壓力差。這個壓力差在鑄件的里外形成湍流，從而帶走松動的砂子。 

     高速風扇產生的氣流使爐內空氣分布均勻，而且使溫度的控制非常平穩。鑄件在熱處理結束后就完全沒有砂子。這些干凈的、完全回收的砂子可以自動排出，再次成為模子與型芯的材料，而不需要額外處理。 

     在傳統的熱處理工藝中，鑄件凝固冷卻后還需要再加熱到熱處理溫度；而在砂獅技術中，則是鑄件直接進入熱處理爐，保留了澆注結束后的余熱，并將這些余熱用于熱處理爐內的三步工藝。圖3所示為用于汽車鑄件的砂獅系統，圖4為砂獅三合一熱處理的前后工藝。 

     在結束T4或T6的整個熱處理過程后，鑄件冷卻到環境溫度，直接被運輸到下一個工序，如去澆道、冒口、機加工。將鑄造工藝和這種熱處理工藝相結合，就意味著這個爐子能用來回收砂子（經過處理的砂子）和回收不合格的芯型。從澆注、凝固和芯型車間收集的氣體可用作爐內燃氣，在這里，有害的氣體可以燃燒干凈。

     綜上所述，幾個主要鋁鑄件工藝的結合可以大大降低生產成本。上述工藝是無污染、有效的鑄件生產工藝。對使用砂獅三合一熱處理工藝的鑄造企業的調查結果表明：這個工藝可平均降低30％以上的生產成本。

     新興流化床工藝 

     CEC公司的一個類似新興流化床技術，它可同時實現熱處理、去熱模以及芯砂、熱砂的回收利用，適用于半永久模或精密砂模。工作時，鑄件浸入到有流動熱砂的流化床中。與前面討論的工藝一樣，鑄件也是在富氧的高溫環境下處理的。當鑄件剛剛凝固時，立刻進行這個工藝流程，這樣就節省了能源和時間。

     這項技術有前面描述的砂獅三合一技術所有能源和環保方面的優點，它為某些鑄件提供了包括熱處理在內的非常有效的后處理操作。 

     新的淬火技術 

     淬火處理和時效處理利用傳統的技術，空氣淬冷作為三合一熱處理技術的補充。CEC公司有很多處理汽車鑄件的設備都利用空氣淬冷，尤其是對于缸體和缸蓋。鋁制缸體常常使用鑄鐵缸蓋，因此為了適應鑄鐵和鋁不同的冷卻特性，緩慢的空氣淬冷是首選工藝。鑄件周圍空氣流動的均勻性很重要，因為變化的熱傳遞速率會形成相應的溫度梯度，從而形成應力和變形。

     與水冷相比較，空冷有很多好處。傳統水冷會產生應力，而如果應力足夠高，鑄件會產生變形。在淬火工業中，鑄件表面易形成壓應力，而鑄件內部由于較慢的冷卻速度易形成拉應力。對于大型的鑄件，如鋁制缸體，常常會由于明顯的溫度不均勻而導致更高的淬火應力。通過緩慢的冷卻鑄件，溫度在整個鑄件的分布將比較均勻。

     空氣淬冷的效果取決于淬火氣流、淬火氣流溫度、鑄件構造和鑄件的排列。鑄件的布氏硬度在HB 95～105或更高。典型的淬火速率為32.22℃/min，目標溫度為240.56℃。為了達到必要的氣流分布，淬火爐膛都經過特殊設計來達到高速氣體流動時的均勻性。

     CEC公司同時發展了另一種可行的鋁鑄件處理工藝——氣霧淬火。綜合我們所知的各種空氣淬冷，將水與空氣結合成霧狀的方式已經在應用。這個工藝不僅比空冷速度快，而且減少了對空氣處理設備的要求。