关于美国“热处理技术发展路线图”的讨论

热处理工业远景2020（概要） 

美国能源部工业技术司，美国金属学会热处理学会，金属处理协会

中国机械工程学会热处理学会（译）

编者按：本文是美国1996年“未来的热处理”技术发展规划项目“热处理工业远景”研讨会报告。报告简要介绍了该规划项目的要点，表述了热处理的基本特点和美国热处理的现状，展望2020年热处理的远景，列举了热处理行业面临的挑战。值得国内热处理界借鉴和探讨。美国《热处理技术路线图》就是针对此远景目标而制定的。 限于译者水平，译文难免有不妥之处，请批评指正。

到2020年时热处理厂家将用到什么样的先进技术？这些先进技术如何使热处理厂家既能满足客户需求又能保持竞争力和利润？

政策法规将怎样要求热处理厂家？

政府将会给予支持还是会成为障碍？

这是20位来自热处理分厂或车间、专业热处理厂、设备制造厂商和供货商的精英受美国金属学会热处理学会、金属处理协会和美国能源部工业技术司邀请于1996年2月27~28日在芝加哥聚会时所讨论的部分问题。

在第一次会议前，能源部已经确定7个工业行业使用80%的制造业能源并产生90%的工业废物。这7个行业为：

• 林业
• 钢铁业
• 化学工业
• 铝业
• 炼油
• 玻璃业
• 金属铸造业

并认识到“只要涉及金属，就与热处理有关。”能源部非常关注如何帮助热处理厂家做得更高效更好的问题。

“未来的工业”规划项目的目的不是提供科研资助，而是了解工业界的未来需求并充分利用美国国家实验室强大的科研能力。

本远景报告是芝加哥会议所达成共识的成果。为实现这一远景而制定发展战略的“技术路线图”将于1997年10月完成并开始实施。

“未来的热处理”规划项目

美国能源部工业技术司决定与美国金属学会热处理学会和金属处理协会一起共同起草热处理工业的远景和技术路线图，与其他行业的远景融合后形成一份能源部和热处理工业的实施计划，主要是明确热处理工业的关键技术需求。

• “未来的工业”规划项目的目的
•  使整个工业界明确所面临的主要挑战和机遇
•  提出战略远景以确定长期的市场和技术需求
•  把政府和企业的有限资源集中于优先的研究项目
•  提供一种调动国家力量适应技术需求的手段
•  加强人才资源和教育

热处理行业的作为

•  增强研发的杠杆作用
•  组织协调企业参与
•  充分利用现有的研究项目
•  降低技术上和财政上的风险
•  确立并保持全球的领先地位
•  集中有限资源

“未来的热处理”规划项目的计划

1. 远景研讨会 2/1996
2. 完成远景报告 9/1996
3. 技术路线图 5/1997
4. 实施 10/1997

1 热处理工艺

热处理是一种在严格控制下加热和冷却金属的工艺，以改善其性能、服役特性和寿命。热处理可用于各种不同目的。可软化金属以改善其加工性能；可硬化零件以提高其强度；可使相对较软的零件表面变硬以提高其耐磨性；可在零件表面上形成耐腐蚀层；还可韧化脆性产品。

汽车、飞机、飞船、计算机和各种重型设备都需要经过热处理的零件。锯、斧、切削工具、轴承、齿轮、轴、紧固件、凸轮轴和曲轴都要热处理。

虽然钢铁占所有热处理材料的大部分，但铝、铜、镁、镍和钛等非铁合金也都需要热处理。

热处理工艺有三个基本步骤：加热到特定温度；在该温度保持适当的时间；按规定的方法冷却。温度可高达1300℃，保温时间可短到几秒钟或长达60小时。有些材料是随炉缓慢冷却，而另一些材料必须快速冷却，或“淬火”。（某些深冷处理温度为零下84℃甚至更低。）淬火介质有水、盐水、油、聚合物溶液、熔盐、金属熔液和气体。每种介质各具特性适于一定用途。不过，90%的零件在水、油、气体或聚合物溶液中淬火。

2 今日的热处理

热处理通过赋予产品正常服役所需的特定性能每年使金属产品增加150亿美元的价值。

热处理与钢铁产品的制造密切相关：大约80%经热处理的零件是由钢铁制造的。包括轧钢厂生产的棒材和管材，以及经铸造、锻造、焊接、机加工、轧制、冲压、拉拔或挤压的零件。

热处理也是非铁合金产品制造的重要工序。例如，铝合金汽车铸造件要经热处理改善硬度和强度；黄铜和青铜件要经热处理提高强度防止开裂；钛合金件要经热处理改善高温强度。

热处理工业目前大约有14万雇员，其中90%在主机厂的热处理分厂或车间，10%在专业热处理厂。热处理分厂或车间附属于大厂，如轧钢厂或汽车零件厂。专业热处理厂是独立的公司，为许多不同客户提供服务。

在大约700家专业热处理厂中，每个公司大约雇用30名员工，生产工人平均工资约每小时12美元。未来几年专业热处理厂的生产任务很可能会增长，因为制造厂纷纷关停自己的附属热处理厂或车间，通过外协解决其热处理任务。

3 未来的热处理远景

到2020年时，热处理业界以产品质量著称，产品质量按国际标准零波动，同时还能获得丰厚的利润。各种工艺达到零排放，能效提高80%。热处理成为制造业的核心组成部分，与客户、供应商、高校和政府形成长期合作关系。除金属材料外，还可处理复合材料、金属间化合物及所有其他先进材料。工作环境整洁、舒适、安全，工人训练有素、掌握先进技术。

• 建立了材料、热处理零件、安全生产和环境等方面的全球化标准体系。
• 附属热处理分厂或车间成为产品附加值的核心，以掌握先进技术、工人训练有素、运行成本低为特征。
  专业热处理厂以利润率高为特征，资产回报率一般达到25%。以雇用30人的小企业为主。
  较大的专业热处理厂除热处理加工外，还可提供包括机加工、表面镀层或其他后续加工等广泛的加工服务。一些热处理厂家与大型制造厂家（尤其是汽车和航空界）保持密切关系，全权负责客户生产线中热处理工序的运作。
  与客户保持通常十年的长期合作关系，以便热处理厂家参与到早期产品设计阶段。这使客户和热处理厂家都取得了缩短周期、降低成本的效果。
  附属和专业热处理厂都通过提高生产能力和采用高能效工艺提高了生产率、降低了能耗，并且改善了环境指标。
• 热处理工艺对环境的影响已降低到零。淬火介质无污染、非可燃。全封闭循环系统成为标准配置。化学物品、热量和气体的排放已降低到零。
• 政府作用进一步提高。政府制定了鼓励性税收政策促进专业热处理厂的成长壮大和现代化，进而达到吸引投资和鼓励银行贷款的效果。各级政府摈弃了各种繁文琐续。企业与政府间的合作项目促进了热处理的技术进步。与政府监管机构合作确定相互接受的、安全环保的劳动环境。法律改革消除了繁琐诉讼，减少了法律费用，使企业试用新技术时不再担心引起麻烦的法律纠纷。
• 热处理雇员的工作环境安全、舒适、整洁。实行弹性工作制度，所有工人均可在不同工作岗位间流动，以提高工作满足感。劳资双方能找到相互满意的解决问题办法。

4 热处理面临的挑战

为实现远景，热处理面临着技术、政府、利润率、客户、行业结构和人力资源等方面的挑战。

• 在技术方面，亟待研究开发更高效的炉子、更耐久的炉用材料、更精确的工艺控制和更好的淬火介质。
• 未来的人力资源是另一个主要挑战。热处理要吸引能学善做的人才，并把他们培养成在整洁安全工作岗位上训练有素的雇员。
• 要减少政府的条条框框，以促进北美的热处理繁荣发展。虽然有些是必要的，但是许多纯粹是耗时无效的繁文琐事。要以协作代替对抗，促进企业开发保证工作环境安全环保的技术。要进行法律改革，以使开发新产品时不再担心引起麻烦的法律纠纷。借此降低费用，使企业更具全球竞争力。
• 要提高利润率，以吸引资本来推动技术进步。这就使企业有能力与高校和国家实验室协作去资助进取性的研发项目。
• 要从产品设计阶段早期就建立起与客户的关系。这就意味着要客户接受热处理厂家作为整个设计过程中材料和工艺选择的参与者。
• 要重视2020年的行业结构问题。如今许多制造商都将制造过程的一部分外协出去。若这种趋势继续下去，情况很可能变成热处理仅是整条生产线中特殊的一段。这样的“热处理模块”可由独立的热处理厂家全权负责。

还很有可能出现的局面是由于收购、兼并或破产的结果仅剩少数专业热处理厂家生存下来。一些热处理厂家将纵向整合，增加机加工、镀层和其他后续加工。另一趋势是众多小热处理厂家将仅做很窄的业务，仅做非常特定的工艺。

5 结论

到2020年时，如今热处理所面临的许多技术挑战已经被克服。对材料和工艺有了更深刻的认识，对工艺过程的控制更加严格。所有工艺都是环保的。计算机控制和机器人使无论年薪雇员还是计时雇员都有整洁舒适的工作环境。为了使用和维护这些先进设备，热处理雇员都是制造业中技术能力最强的。

然而，热处理在培训和合作伙伴关系方面还面临着巨大挑战。青年人对热处理缺乏了解可能会导致后备人才资源的枯竭。热处理厂家想要在改善所有产品制造厂家的利润率方面有所作为的话，就要充分认识到与客户和供应商保持紧密合作关系的重要性。迎接这些挑战需要企业界、行业学会协会、政府和学术界的通力合作。