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热处理学会 |
关于美国“热处理技术发展路线图”的讨论 |
东华大学 机械学院教授，上海 200051
摘要：根据美国热处理技术发展路线图所提出的2020年美国热处理生产技术发展目标以及为实现目标而具体提出的值得重视的16个研发项目和70余个重点研发项目，结合我国纺织机械工业“十一五”发展指导意见和纺机器材热处理技术发展现状，提出了我国纺机器材热处理要坚持走可持续发展道路，要高度重视产品质量稳定性以及纺机关键零部件先进热处理制造技术的自主创新的观点。
关键词：热处理；技术发展；路线图；纺织机械
全国热处理学会荣誉理事长樊东黎先生在《金属热处理》2006年第1期上撰文介绍了“美国热处理技术发展路线图概况”（以下简称“路线图”）[1]，引起热处理学界的高度重视和强烈的反响[2～4]。在公布的"2004年热处理技术路线图HTS修订稿"中，提出了2020年美国热处理生产技术发展的设想目标是：能耗降低80%，工艺周期缩短50%，生产成本降低75%，热处理畸变为0，热处理件质量分散度为0，热处理炉寿命提高到原来的10倍，热处理炉价格降低50%，热处理生产对环境的影响是0。为具体实现路线图目标，同时还提出了16项值得重视的研发项目和70余项重点研发项目；在组织落实方面，先后成立了"热处理高新技术中心"和"热加工技术中心"；并鼓励和组织全行业参与研发[5]。
中国纺织工程学会纺机器材专业委员会于2007年11月1日在昆明市召开了“第九届纺机器材热处理技术交流会”，会上作者结合我国纺机器材热处理行业的现状，就美国热处理技术发展路线图概况及其对我国纺机器材热处理技术发展的启示等内容进行了交流，现将交流内容发表如下。
1 我国纺织机械工业“十一五”发展指导性意见确定的发展目标
根据中国纺织机械器材工业协会2006年制定的《纺织机械工业“十一五”发展指导性意见》，我国纺织机械工业“十一五”发展目标是：到2010年，为国内纺织企业提供的主要技术装备中达到同期世界先进水平的产品占三分之一以上，其中化纤、棉纺和非织造布设备达到50%以上，源于自主开发的产品占50％以上；纺织机械产品的出口额占同期产值的30％以上；在提高纺织机械产品水平和产品出口的同时，树品牌，创名牌，实现100种名牌产品；到2010年，按照先进制造业信息化、智能化、科学化、绿色化和全球化标准，使我国的纺织机械工业能进入世界先进行业之列。
为实现上述目标，也同时提出了纺织机械工业“十一五”发展的关键技术，与热处理制造技术相关的主要有以下两项。
（1）纺织机械数字化、绿色化制造系统 制造工艺创新的基础是先进制造技术。重点解决技术开发、信息化、关键底层设备、先进工艺和绿色工艺技术应用。推广计算机辅助设计、虚拟设计等先进技术。
（2）纺织机械的可靠性研究与提升 国产纺织机械产品与国外先进水平相比，在可靠性方面的差距尤为明显。有的国产纺织机械产品虽然技术性能比较先进，但可靠性不高，不能为用户所接受。在产品设计方面，要开展FMEA、FTA及有限元分析，进行冗余设计、健壮设计等可靠性设计。在制造方面，要加强数字化先进制造技术，开展并行工程，加强可靠性管理。而纺织机械的可靠性除了设计、零件加工精度等因素外，可靠性很大程度上受到材料、热处理工艺、热处理质量的影响。
据统计，从2004起至2006年，共有80多项纺织机械科技项目列入中国纺织工业协会科技指导性计划。内容涵盖化纤机械 、纺纱机械 、织造机械、针织机械、印染机械、非织造布机械等的开发研制。就目前情况而言，大多企业比较重视纺织机械的功能设计和技术性能的先进性，一般对热处理这一环节不太重视，纺机关键零部件的热处理产品质量的稳定性要差于国外同类产品。对应上述纺织机械的关键零部件和专用基础件的材料、热处理技术的开发研究，还处于相对落后的状态。
2 “路线图”给我国纺机器材热处理技术发展的启示
2.1 纺机器材热处理要坚持走可持续发展道路
对照“路线图”提出的“热处理生产对环境的影响是0”这一目标，可以发现我们还存在着较大的差距。目前，国家已经把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置；这就要求国内纺织机械和器材制造企业要坚持走可持续发展道路，科学合理地利用能源，最大限度地减少排放。在纺机器材热处理技术领域同样也面临着节能减排两大任务。
(1) 减排——降低和避免热处理生产的污染 纺机器材热处理生产的污染源主要有废气、废水、粉尘、噪声、电磁辐射，其来源主要包括以下几个方面：①废气：燃烧加热（SOx、NOx、CO、CO2）、淬火冷却、盐浴加热处理、化学热处理；②废水：盐浴加热淬火液（含氰、BaCl2、亚硝盐的水），含油清洗、漂洗液；③粉尘：喷砂、喷丸、固体渗剂；④噪声：各种机械设备如鼓风机、压缩机、炉气循环设备等发出的噪声；⑤电磁辐射：中、高频感应热处理设备。
采用先进的热处理工艺可有效减少和避免热处理生产对环境产生污染。常用的少无污染热处理工艺有：①保护气氛热处理加热：在H2、N2、He、Ar气氛中加热，排出的气体无毒，对环境不产生污染；②气体渗碳、碳氮共渗，气体氮碳共渗：排放的气体经点燃后可无害排放；③真空热处理+高压气体淬火：无需清洗，属于清洁的热处理；④感应热处理：电磁屏蔽，喷水或聚合物溶液冷却；⑤激光电子束热处理：不使用液态冷却剂；⑥等离子表面沉积：无污染物排放。
（2）节能——有效利用能源 在现阶段，我国的热处理能源消耗约为700 kWh/t，而发达国家为300～450 kWh/t[6]，尚存在较大差距。在纺织机械生产企业或纺织器材生产企业，热处理一直是企业能源消耗的主要大户。因此，建设科学合理的能源利用规范，提高能源利用效率，是当前主要的任务之一。为此，提出以下建议：①合理选择能源，电能加热的热效率低，综合热效率只有24%～32%，而利用天然气的燃烧炉，综合热效率可达60%～65%[7]；②采用节能新工艺，如磨削加热淬火；采用零件局部热处理取代整体热处理；③以碳氮、氧氮共渗、硫氮共渗代替渗碳、渗氮；④慎用设备昂贵，能耗高的热处理设备和工艺；⑤利用铸、锻、轧工序后余热的热处理；⑥合理选择炉型 ，能源利用率排序：（高→低）振底式炉→井式炉→箱型炉→输送带式炉；⑦对加热炉要求减少热损失，提高热效率；⑧采用热处理节能、降耗管理软件，如Effective Fuel System(Super System Company ,Cincinati Ohio)，可降低维持高炉温的天然气量，保持完全跟踪变化的能力，提高质量的重现性。
在纺织机械和纺织器材生产企业也有合理采用热处理工艺达到节能的成功实例，如罗拉、锭杆由原来整体淬火+回火的工艺改为现在的高频感应淬火+高频感应回火，与原热处理工艺相比，效率大大提高，节约了能源。
2.2 重视产品质量稳定性
产品质量稳定性在很大程度上与热处理质量的分散度有关。从热处理角度而言，热处理产品质量的分散度大，则可以表现为：热处理组织的不稳定，力学性能波动大，零件畸变无规律等。其原因主要与原材料质量，热处理设备，热处理工艺和工艺参数，企业管理水平等因数有关。
根据“纺织工业科技进步发展纲要”提供的数据，可以看到我国主要纺机产品与国际先进水平存在着差距。例如，喷气织机：与国外同类机器比，可靠性较差（最大工作转速：国内700 r/min，国外800 r/min ）；纬编大圆机：可靠性与稳定性与国外产品比有差距；精梳机组：在加工精度、表面质量和材质上与国际产品相比差距较大。其中，有很大一部分原因与纺机器材关键零部件的热处理质量稳定性有关。
以两个实例来说明我国纺机器材关键零部件的质量稳定性还有许多工作要做。第一个例子是织针的热处理淬火质量。织针是针织机械中的关键零部件，通常在可控气氛热处理炉（网带炉）中的加热至淬火温度，在热处理淬火、回火后常遇到的问题有：有时织针淬火、回火后比较脆，有时又会遇到硬度不足的问题。分析其原因可以发现，大多数企业所用的淬火加热网带炉没有对碳势进行检测和控制，有的企业虽然对碳势进行控制，但也只对某一截面上的碳势进行检测和控制，因而无法准确控制炉内各区段的碳势，导致织针淬火回火后的硬度分散度较大。建议改进炉膛结构，合理布置炉气搅拌风扇、渗剂入口和氧探头位置，增加炉气纵向流动的阻力，以使炉气合理流动；在炉内实现分区碳势控制，准确可控炉内碳势；应用计算机智能控制系统，对各区温度、碳势和网带速度进行闭环控制[8]，实现织针在网带炉中加热时表面含碳量的精确控制。第二个例子是金属针布的淬火加热温度控制。金属针布是梳棉机上的关键零部件，目前国内金属针布生产企业大多采用火焰加热淬火，主要采用人工调节燃气流量来控制淬火加热温度。作者对某一型号的金属针布火焰淬火加热进行了计算机模拟[9]，结果表明：当燃气气流量为0.32 m3/h、氧气气流量为0.16 m3/h时，金属针布齿尖加热温度为934 ℃，基部温度为639 ℃；当燃气气流量为0.42 m3/h、氧气气流量为0.20 m3/h时，金属针布齿尖加热温度为1014 ℃，基部温度为753 ℃；实验结果表明：淬火后两者齿尖的硬度差达70 HV以上。说明加强对金属针布淬火加热温度的闭环控制刻不容缓。
2.3 应高度重视纺机关键零部件先进热处理制造技术的自主创新
当前我国纺机器材行业的主要问题在于高技术含量产品生产能力不足，产品附加值较低，因而造成经济效益不高，产品开发投入不足。据03年统计数据，在100个重点骨干企业中，科技研发投入占销售额1％的企业只有42％[10]，大多数企业无力加大技改力度，有的企业根本就没有什么投入，产品、工艺及设备多年来一成不变。许多技术含量高的纺机器材只能依赖进口，如自动络筒机、喷气织机、圆机等，这些设备的进口量大幅度超过国产品的销售量达5～8倍；又如清梳联高产梳棉机上使用的高技术含量金属针布全靠进口，且需求量逐年上升。
为进一步促进企业新产品研制和自主创新能力的建设，自2007年1月1日起，我国实行了针对国内纺机制造企业开发、生产自动络筒机、高速喷气织机而进口的部分关键零部件所缴纳的进口关税和进口环节增值税先征后退的政策。并规定了所退税款作为国家投资处理，转为国家资本金，主要用于企业新产品的研制生产以及自主创新能力的建设。国内纺机器材制造企业应抓住这一历史机遇，重视企业科技创新能力的提升和建设，尽快研制技术含量高的产品，满足市场需求。要将目前企业依靠产品的价格竞争形式向依靠产品高技术含量、高附加值的竞争转变。
重视纺机关键零部件先进热处理制造技术的自主创新，是企业自主创新能力的建设的重要组成部分。目前纺织机械的发展趋势正向着高速、高效、低消耗、长寿命方向发展，随着零部件转速的提高，如何提高纤维-金属、金属-金属摩擦副零件的耐磨性，已是纺织机械高速件面临的共性问题。这一问题得不到有效地解决，将会成为制约国产纺织机械向高技术含量、高附加值发展的一个瓶颈。为此，亟需加强对纺织机械中易损件的选材和热处理技术攻关，进一步提高其质量和可靠性，如①棉纺设备：梳理器材、摇架、钢领、钢丝圈、锭子、气流纺轴承、纺杯等；②自动络筒机：金属槽筒；③织造机械专用基础件和器材：节能型喷嘴、专用泵阀、高速离合器、制动器等；④针织机械：织针、三角、针筒（板）和输纱装置等。
3 几点建议
(1) 国内纺机器材制造企业应充分认识到材料、热处理这一环节的重要性，改变重冷轻热的传统习惯，因为无论在节能、减排还是在提高产品质量及稳定性方面，我们与国外还存在较大差距，还有许多潜力可挖。
(2) 加强科研投入。根据“纺织工业科技进步发展纲要”要求，企事业单位研发投入占销售收入的比例达到2％～10%，提高科技对产业增加值的贡献率。
(3) 纺机制造企业新产品的研制和生产要坚持走自主创新的道路，许多纺机关键零部件和器材都有其行业特点，要不断提升企业新产品的研制生产以及自主创新能力。大型纺机器材生产企业要建立新产品研发基地。
(4) 加强与高校研究所的产学研合作，结合高校的科研成果，共同做好科技成果转化的工作。
(5) 建议中国纺织工业协会将纺机关键零部件的研究项目列入科技指导性计划，支持和鼓励纺机关键零部件的先进热处理和表面处理新工艺的自主研究和开发。
参考文献：
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[10] 中国纺织机械器材工业协会. 纺织机械工业“十一五”发展指导性意见[R]. 北京：中国纺织机械器材工业协会, 2006: 4-5.
Gaining enlightenments for the development of heat treatment technology of Chinese textile machinery accessories from the U.S. heat treating technology roadmap-2004 HTS revision
(College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 200051, China)
Abstract: After studying the development target of U.S. heat treatment technology in 2020 put forward by ‘Heat Treating Technology Roadmap-2004 HTS Revision’ which is simply called the roadmap, its16 important development items and more than 70 major development items(initiatives) in the roadmap, the author gains several enlightenments combining with the Eleventh Five-year Plan of our country’s textile machinery industry and the current situation of heat treatment technology development of the textile machinery accessories, that is, our country’s heat treatment of textile machinery accessories should take the road of sustainable development, should pay great attention to the stabilization of the product quality and to the self-innovation on advanced heat treatment technology of the key textile machinery accessories.
Key words: heat treatment; technology development; roadmap; textile machinery