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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 |
美国金属学会热处理学会于2004年陆续公布了“热处理技术发展路线图－2004修订稿”。我会荣誉理事长樊东黎先生在《金属热处理》（北京）和《热处理》（上海）两刊上发表了“美国热处理技术发展线路图概况”和“美国热处理技术发展路线图在行动”两篇文章，并在全国学会和协会有关会议上介绍了路线图主要内容。
我们认为，这是国际热处理界的一件大事，应该引起我们的重视。像美国这一个世界头号工业大国，从政治、群众团体、直到民间企业都如此看重热处理，花了数年时间才形成了这样一个目标明确、眼光远大、技术先进、内容全面、措施落实、全面行动的长远规划，实在难得。这个路线图有很多值得吸取和借鉴的东西，很有必要在行业内进行认真研究讨论。因此，学会秘书处2007年3月召开了一次关于路线图的研讨会，会后又组织和整理了部分书面材料在《金属热处理》、《中国热处理技术通讯》和学会网站上设专栏刊登。这一活动在热处理行业产生了广泛的影响，对于结合我国的“十一、五”规划，找出差距，弥补不足和缺陷，加速我国热处理生产技术的进步，尽快赶上国际先进水平，具有积极的作用。
一、产生背景
美国能源部工业技术局（DOE-OIT）于上世纪90年代提出了一个被称作“未来的工业”计划，其目的是提高美国基础制造业的全球竞争力，同时降低能源消耗和废弃物排放。该计划主要包括三个方面的内容：（一）“Vision Statement”—提出未来工业的技术需求和远景蓝图；（二）“Technology Roadmap”—制定为实现远景蓝图的技术路线图，确定必须的研发项目；（三）“Implementation”—确保实现目标和实施研发计划的措施。
最初列入能源部的计划主要是钢铁、有色金属、化工等工业，这些工业消耗了制造业约80%的能源，并产生了约90%的工业废弃物。当认识到热处理是金属生产中一个重要的集成部分，只要有金属，就会有热处理。同时热处理生产也要使用大量的能源，并在生产中产生明显可观的废弃物质，后来将热处理工业也列入未来工业发展计划。美国能源部和热处理学会（HTS）签订了一个参加未来工业计划的“合作伙伴”（Allied Partner）协议。
1996年2月美国能源部、热处理学会和金属热处理协会（Metal Treating Institute）召集了20名热处理全能（captive）和专业（commercial）加工企业、制造和销售企业领导人讨论提出了美国热处理2020年远景目标。
1997年2月有17名专家组成的热处理学会研发委员会讨论提出了热处理技术发展路线图（Heat Treating Technology Roadmap）初稿，并按照设备与硬件、工艺和材料、能源和环境三个领域提出了几十项研发项目．1999年美国热处理学会发布了“1999研发计划”，对1997年提出的技术发展路线图进行了补充和细化。1999年9月在沃切斯特工业大学（Worcester Polytechnic Institute,简称WPI）的金属加工学院（Metal Processing Institute）成立了“热处理高新技术中心”（Center for Heat Treating Excellence, 简称CHTE ）。随后又在依利诺伊工业大学成立了“热加工技术中心”（Thermal Processing Technology Center，简称TPTC）。两个中心的任务是承担和组织全行业企业参与研发、实现路线图的2020目标、完成所提出的研发项目。
2002年7月热处理学会的研发委员会在依利诺依工业大学（Illinois Institute of Technology）对路线图进行了讨论、修改和补充。
2004年1月～8月陆续公布了“热处理学会的2004热处理路线图修订稿”（Heat Treating Technology Roadmap-2004 HTS Revision）。
二、美国热处理工业现状
美国热处理工业年产值达150亿美元，约80%的热处理件为钢铁制品，包括钢厂生产的钢棒和钢管、铸件、锻件、焊接件、机加工件、轧制件、冲压件、拉拔件或挤压件等。
热处理工业雇员140000人，其中90%在主机厂的热处理厂，10%在专业热处理厂。
热处理专业厂约有700个，1995年的工业产值达15亿美元，年收益回报25%，专业热处理厂的产量逐年增加。
在专业热处理厂采用的各种工艺中，渗碳/碳氮共渗工艺约占热处理总量的20%、中性气氛中淬火约占20%、真空淬火约占15%、退火/应力恢复约占10%、其它工艺（感应热处理、渗氮、盐浴热处理、有色金属热处理等）约占35%。
热处理消耗大量能源，每年约消耗500万亿BTU，约占热处理总成本的20%。热处理使用有害的化学物和气体，必须遵守严格的环保和安全规定。
淬火介质产生的废气、废液是热处理主要的污染源，水、油、气体、聚合物水溶液淬火介质的使用约占90%。
三、2020年美国热处理技术发展远景目标、工业蓝图
1、远景目标
2、远景蓝图
到2020年，热处理工业仍会面临像当前一样的许多技术挑战。材料和工艺将会被更深入的认识和理解，工艺过程和热处理质量将得到更严格的控制，所有的热处理工艺将是环境友好的。计算机控制和机器人将使白领职员和蓝领工人都能在清洁、安全、舒适的环境中工作。工人在空调装卸车上进行装炉和出炉，技术员在靠近热处理炉的一个空调环境中通过计算机进行工艺控制，工程师运用强大的材料和工艺数据库以及终端计算机辅助设计制订工艺。所有热处理工作者都为从事这一行业而感到骄傲，因为他们都认识到热处理是车辆、电子产品、机器等制造工业的关键工序。为了操作和维护各种先进的设备，工人将得到良好的培训和具备极高的技能。
四、热处理工业面临的挑战
热处理工业面临的挑战来自技术、政府、客户、收益、结构、人力等方面。
在技术方面，最急迫的研究包括开发更高效率的热处理炉、更长使用寿命的炉用材料、更精密的工艺控制、以及改进的淬火介质。目前热处理炉的能量消耗只有不到一半用于加热工件，其余的用于加热炉体、炉内气氛、料盘和其他炉内构件。尽管在热回收方面做了很大的努力，仍需要寻求更进一步的方法，减少热排放。重视材料原始组织对热处理质量（形状和力学性能）影响的研究，建立用于材料设计和精密工艺模拟的数据库，达到无畸变、质量稳定、性能可预测的热处理效果。取得这些目标需要产学研通力合作。
在人力资源方面，工业发展必须激发劳动者学习的动力，通过培训使其成为高技能的雇员。在此方面，热处理企业应和学会、协会、大学以及培训工程技术人员的学院合作。热处理应成为对有志的工程师具有挑战的技术领域。
在收益方面，必须提高热处理工业收益，以吸引投资，使得有更多的研发基金投入，继而推动技术进步。
在客户关系方面，必须在客户产品的设计阶段就建立起合作关系，成为产品设计的合作伙伴，帮助客户优选材料和工艺。
在国际竞争方面，北美的热处理将面临其他第三世界国家低成本的竞争。另外，当铸件、锻件等零件转移到其他国家生产时，相应的热处理也会随之转移。
五、技术路线图
美国热处理学会的研发委员会成立了三个工作组：工艺和材料、设备和硬件材料、能源与环保，分别就达到2020年热处理工业远景目标提出了各自工作领域应开展的研究项目和计划。并从回报（分高、中、低三等）、风险（分高、中、低三等）、完成期限和紧迫程度进行综合评估，确定应优先开展的研究项目。
回报：分高、中、低三等
风险：分高、中、低三等
完成期限：近期：0~3年，中期：3~10年，长期：10年以上
紧迫程度：顶级、高级、中级
1、工艺和材料部分
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工艺和材料研究项目 |
回报 | 风险 | 完成时间 | 紧迫性 |
| 1.研发改进感应器设计工具以减少反复试验和修正 | 高 | 低 | 短 | 顶级 |
| 2.研发在高于1010℃抗晶粒长大的渗碳钢 | 高 | 低 | 短 | 高 |
| 3.高于1010℃高温渗碳的可行性，包括气氛和真空渗碳以缩短工艺周期（总结） | 高 | 低 | 短 | 高 |
| 4.快速渗氮工艺的开发 | 高 | 低 | 中 | 高 |
| 5.快速加热相变动力学的确定 | 高 | 中 | 短 | 高 |
| 6.渗碳、限制淬透性钢、强烈淬火工艺和材料的研发 | 高 | 中 | 中 | 中 |
| 7.高效表面淬火方法的开发 | 高 | 高 | 长 | 中 |
| 8.提高对感应、磁场、加热炉回火/时效过程的理解以降低分散度和缩短时间 | 高 | 低 | 短 | 中 |
| 9.高效表面改性工艺的开发 | 低 | 高 | 长 | 中 |
| 10.稀土元素对热处理过程中的显微组织演变的影响 | 中 | 低 | 长 | 中 |
| 11.深冷处理材料的开发和应用范围的探讨 | 低 | 中 | 短 | 低 |
| 12.铁、非铁合金、复合材料和聚合物热处理工艺开发 | 低 | 高 | 中 | 低 |
| 材料应用基础：软件和模型数据 | ||||
| 13.材料选择包括材料性能数据库软件的开发，用户输入要求的性能，输出的是候选材料及其热处理后的性能 | 低 | 中 | 中 | 低 |
| 14.开发和失效特征关联的材料性能 | 低 | 中 | 中 | 低 |
| 15.开发材料连续加热和冷却相变数据库，包括钢在轧制过程的变量、化学成分变化和显微组织不均匀性对相变动力学的影响 | 高 | 低 | 短 | 顶级 |
| 工艺模型 用户输入使用特点的判断（磨损、载荷力、腐蚀），输出的是材料/显微组织特征（注：此模型可用来反向证实时效分析结果） | ||||
| 模型的开发 | ||||
| 16.开发从室温到热处理温度的热性能和力学性能的数据库 | 高 | 低 | 长 | 顶级 |
| 17.开发热处理工艺和最终性能的数据库 | 高 | 低 | 短 | 顶级 |
| 18.开发加热和冷却相变的体积应变模型 | 高 | 中 | 中 | 高 |
| 19.集成相变模型使之成为软件工具 | 高 | 低 | 短 | 高 |
| 20.开发形成数据库的低成本方法 | 高 | 中 | 长 | 高 |
| 21.开发在生产设备中测定各种介质和零件传热特性的探头 | 高 | 中 | 中 | 高 |
| 22.制定试验和获取相变数据模型的工业标准（包括在炉中或其他介质中的加热、在油、水、聚合物、盐、空气、其空中的淬火以及喷射冷却） | 高 | 低 | 中 | 高 |
| 23.开发材料和气氛相互作用的热力学模型 | 高 | 高 | 中 | 高 |
| 24.实施过程控制系统的链接模型开发 | 高 | 高 | 长 | 高 |
| 25.开发渗碳、渗氮、高温渗碳炉气——材料相互反应热力学模型 | 高 | 低 | 短 | 中 |
| 26.预测冷速、残余应力和零件性能的热力学模型 | 高 | 低 | 短 | 中 |
| 27.解释能更有效均匀传热流体力学计算机模型的进一步开发 | 中 | 中 | 中 | 中 |
2、设备和硬件材料部分
（1）工艺控制
（2）材料
（3）硬件
3、能源与环境部分
（1）能源
（2）环境
4、公益事业部分
5、值得重视的研发项目
（1）利用地下水循环的感应加热淬火 <500kW的感应淬火利用地下水闭路循环冷却，使用时用深井泵抽取地下水，后经净化处理再返回地下。目前密执安州Alger市Roll Rite公司的一台150kW的Ajax Tocco感应淬火系统已采用此法，每日的费用仅以美分计。
（2）强烈淬火工艺 乌克兰科学院柯巴斯科院士开发的钢件用水或盐水剧烈冷却淬火是表面形成残余压应力并减少畸变的方法，已在美国获准以Intensi Quench服务商标注册了IQ Technologies Inc公司。由于以水代油，减少了油品消耗并显著降低生产成本，受到美国能源部的重视和支持。
（3）1010℃以上温度的高温渗碳 真空渗碳技术的成熟和低压渗碳技术的开发为实现高温渗碳制造了条件。由于能显著缩短渗碳周期和节约能源，此项目已列入路线图研发计划的“工艺和材料技术”分组计划。WPI的CHTE推动了工业企业和高效的合作、制造商和生产用户的协同开发。
（4）Ni3Al金属间化合物－新型炉内抗渗碳耐热构件材料 Ni3Al已问世约20年，因为很脆，长期未获实际应用。Oak Ridge国家实验室由Chain T.Liu领导的团队发现添加微量硼可明显改善其塑性，可作为炉子料筐、夹具，Ni3Al材料成分为添加Cr、Zr、Mo、B的8%～11%Al,81%～88%Ni。此材料具有出色的强热性、抗蠕变、抗渗碳能力。Delphi-Saginaw Steering Systems公司通过和能源部的合作研究与开发协议已在料盘上进行了数年的成功试验。
（5）APM和APMT（更高强型APM合金）合金长寿命辐射管 瑞典Kanthal AB的Sadvik公司继Kanthal Al电热丝之后相继开发出APM和APMT合金。此种材料仍然是在A-1粉末材料基础上，通过热等静压（Hot Isostatic Pressing）和深拉延出来的。用APM合金制造的电热和燃气辐射管比普通耐热合金辐射管能经受双倍的热流，925℃能经受的热流可达9～10kJ/m²。
（6）炉用平面辐射板 气体技术所（Gas Technology Institute）开发的能砌入炉壁的平面辐射板（flat radiant panel），能增加辐射表面、降低表面温度、延长炉子使用寿命，提高炉温均匀性，减少炉衬、使炉子尺寸缩小50%，加快炉子升温和冷却速度，产生的NOx很少。
（7）反向循环单管封闭式辐射管（reverse annulus single-ended radiant tube） 北美制造公司（North American Mfg.Co.）和燃气研究所（GTI）共同开发。热辐射率高，用相同材料制造此种管能经受更高温度、提高燃烧效率10%，减少50%的NOx，使用寿命长。
（8）低NOx燃气强烈内循环（Forced Interval Recirculation）辐射管 GTI开发的U型辐射管延管长温度均匀。当炉温为1010℃，空气遇热温度从455℃提高到了480℃时，产生的NOx<0.008%（vol）。而一般预热空气辐射管所产生的NOX大0.02%～0.25%(vol)。
（9）直焰冲击燃烧技术（Direct Flame Impingement Technology） 使用多喷嘴平嵌入炉壁的高速燃烧器，喷射速度达到1马赫（～330m/s）,可在空气过剩系数α=1的条件下工作，提高能源利用率35%、减少70%的NOX，提高生产率25%、减少50%的氧化烧损、有年节约1～1.5亿美元的潜力。
（10）智能化感应淬火闭环控制系统（Closed-loop control technology） 利用神经网格系统控制原理，全面控制选材、相变、加热工艺、渗层。所提供的软件具有优化零件强度/重量比的功能，具有的主、被动电磁传感器能监控整个加热过程中的透热深度。
（11）预见钢件渗碳淬火时的残余应力状态的软件。
（12）延长机器零件寿命残余应力状态的DANTE软件。
（13）准确预见钢热处理相变定量数据的软件。
（14）工艺热能评价的鉴定软件（Process Heat Assessment and Survey Tool ,PHAST） 该软件为美国能源部计划项目，供用户按不同燃烧方式和热回收参数进行热能转换的工具，可比较炉子在工作状态下的性能，计算各种工作条件下的节能潜力。
（15）加热炉能源分析工具（Furnace Energy Analysis Tool） 可计算按小时、年度或每磅零件的燃料、电能消耗成本数据。
（16）能源有效利用分析软件。
六、组织实施措施
1.成立两个热处理技术研发中心，组织全行业的企业参与研发实现路线图目标和完成所提出研发项目。
2.鼓励和组织热处理企业参与研发实现路线图目标和完成提出的研发项目。
七、结束语
1、在我国工业结构性调整以及史无前例关注能源和环境的关键时刻，美国热处理技术路线图给了我们很大的启发，对制订我国热处理工业发展战略和规划具有很高的参考价值，值得我们学习和借鉴。
2、学习美国热处理学会的经验，分会新一届理事会2008年办公会议决定成立分会热处理技术发展战略研究工作委员会。其目的和任务是跟踪国外热处理技术发展情况，开展国内现状调研制定我国热处理工业发展战略，为企业与政府提供热处理发展战略的咨询。
3、由于知识面有限，以及语言等方面的能力不够，我们对路线图的理解还不够深入和准确甚至错误，还望各位领导和同事批评指正。