看看美國的熱處理發展藍圖

武漢老虎

美國金屬學會熱處理學會于2004年陸續公布了“熱處理技術發展路線圖－2004修訂稿”。我會榮譽理事長樊東黎先生在《金屬熱處理》（北京）和《熱處理》（上海）兩刊上發表了“美國熱處理技術發展線路圖概況”和“美國熱處理技術發展路線圖在行動”兩篇文章，并在全國學會和協會有關會議上介紹了路線圖主要內容。
我們認為，這是國際熱處理界的一件大事，應該引起我們的重視。像美國這一個世界頭號工業大國，從政治、群眾團體、直到民間企業都如此看重熱處理，花了數年時間才形成了這樣一個目標明確、眼光遠大、技術先進、內容全面、措施落實、全面行動的長遠規劃，實在難得。這個路線圖有很多值得吸取和借鑒的東西，很有必要在行業內進行認真研究討論。因此，學會秘書處2007年3月召開了一次關于路線圖的研討會，會后又組織和整理了部分書面材料在《金屬熱處理》、《中國熱處理技術通訊》和學會網站上設專欄刊登。這一活動在熱處理行業產生了廣泛的影響，對于結合我國的“十一、五”規劃，找出差距，彌補不足和缺陷，加速我國熱處理生產技術的進步，盡快趕上國際先進水平，具有積極的作用。

一、產生背景

美國能源部工業技術局（DOE-OIT）于上世紀90年代提出了一個被稱作“未來的工業”計劃，其目的是提高美國基礎制造業的全球競爭力，同時降低能源消耗和廢棄物排放。該計劃主要包括三個方面的內容：（一）“Vision Statement”—提出未來工業的技術需求和遠景藍圖；（二）“Technology Roadmap”—制定為實現遠景藍圖的技術路線圖，確定必須的研發項目；（三）“Implementation”—確保實現目標和實施研發計劃的措施。
最初列入能源部的計劃主要是鋼鐵、有色金屬、化工等工業，這些工業消耗了制造業約80%的能源，并產生了約90%的工業廢棄物。當認識到熱處理是金屬生產中一個重要的集成部分，只要有金屬，就會有熱處理。同時熱處理生產也要使用大量的能源，并在生產中產生明顯可觀的廢棄物質，后來將熱處理工業也列入未來工業發展計劃。美國能源部和熱處理學會（HTS）簽訂了一個參加未來工業計劃的“合作伙伴”（Allied Partner）協議。
1996年2月美國能源部、熱處理學會和金屬熱處理協會（Metal Treating Institute）召集了20名熱處理全能（captive）和專業（commercial）加工企業、制造和銷售企業領導人討論提出了美國熱處理2020年遠景目標。
1997年2月有17名專家組成的熱處理學會研發委員會討論提出了熱處理技術發展路線圖（Heat Treating Technology Roadmap）初稿，并按照設備與硬件、工藝和材料、能源和環境三個領域提出了幾十項研發項目．1999年美國熱處理學會發布了“1999研發計劃”，對1997年提出的技術發展路線圖進行了補充和細化。1999年9月在沃切斯特工業大學（Worcester Polytechnic Institute,簡稱WPI）的金屬加工學院（Metal Processing Institute）成立了“熱處理高新技術中心”（Center for Heat Treating Excellence, 簡稱CHTE ）。隨后又在依利諾伊工業大學成立了“熱加工技術中心”（Thermal Processing Technology Center，簡稱TPTC）。兩個中心的任務是承擔和組織全行業企業參與研發、實現路線圖的2020目標、完成所提出的研發項目。
2002年7月熱處理學會的研發委員會在依利諾依工業大學（Illinois Institute of Technology）對路線圖進行了討論、修改和補充。
( O$ A+ S; `  A9 Z( [2004年1月～8月陸續公布了“熱處理學會的2004熱處理路線圖修訂稿”（Heat Treating Technology Roadmap-2004 HTS Revision）。
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二、美國熱處理工業現狀

美國熱處理工業年產值達150億美元，約80%的熱處理件為鋼鐵制品，包括鋼廠生產的鋼棒和鋼管、鑄件、鍛件、焊接件、機加工件、軋制件、沖壓件、拉拔件或擠壓件等。
熱處理工業雇員140000人，其中90%在主機廠的熱處理廠，10%在專業熱處理廠。
2 W0 q- u8 M2 b* `熱處理專業廠約有700個，1995年的工業產值達15億美元，年收益回報25%，專業熱處理廠的產量逐年增加。
, R, T7 w2 c" \1 R- X在專業熱處理廠采用的各種工藝中，滲碳/碳氮共滲工藝約占熱處理總量的20%、中性氣氛中淬火約占20%、真空淬火約占15%、退火/應力恢復約占10%、其它工藝（感應熱處理、滲氮、鹽浴熱處理、有色金屬熱處理等）約占35%。
熱處理消耗大量能源，每年約消耗500萬億BTU，約占熱處理總成本的20%。熱處理使用有害的化學物和氣體，必須遵守嚴格的環保和安全規定。
* ]. e9 K* R4 |* M6 f淬火介質產生的廢氣、廢液是熱處理主要的污染源，水、油、氣體、聚合物水溶液淬火介質的使用約占90%。

三、2020年美國熱處理技術發展遠景目標、工業藍圖

1、遠景目標

• 減少能源消耗80%
• 縮短工藝周期50%
• 降低生產成本75%
• 實現熱處理件零畸變
• 實現熱處理件質量零分散度（相對于標準）
• 提高熱處理爐壽命10倍
• 降低熱處理爐價格50%
• 實現熱處理生產零排放
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2、遠景藍圖
$ B2 Q  Y0 d1 o: l到2020年，熱處理工業仍會面臨像當前一樣的許多技術挑戰。材料和工藝將會被更深入的認識和理解，工藝過程和熱處理質量將得到更嚴格的控制，所有的熱處理工藝將是環境友好的。計算機控制和機器人將使白領職員和藍領工人都能在清潔、安全、舒適的環境中工作。工人在空調裝卸車上進行裝爐和出爐，技術員在靠近熱處理爐的一個空調環境中通過計算機進行工藝控制，工程師運用強大的材料和工藝數據庫以及終端計算機輔助設計制訂工藝。所有熱處理工作者都為從事這一行業而感到驕傲，因為他們都認識到熱處理是車輛、電子產品、機器等制造工業的關鍵工序。為了操作和維護各種先進的設備，工人將得到良好的培訓和具備極高的技能。

四、熱處理工業面臨的挑戰

熱處理工業面臨的挑戰來自技術、政府、客戶、收益、結構、人力等方面。
' p, l) G7 O9 f; k4 s8 `在技術方面，最急迫的研究包括開發更高效率的熱處理爐、更長使用壽命的爐用材料、更精密的工藝控制、以及改進的淬火介質。目前熱處理爐的能量消耗只有不到一半用于加熱工件，其余的用于加熱爐體、爐內氣氛、料盤和其他爐內構件。盡管在熱回收方面做了很大的努力，仍需要尋求更進一步的方法，減少熱排放。重視材料原始組織對熱處理質量（形狀和力學性能）影響的研究，建立用于材料設計和精密工藝模擬的數據庫，達到無畸變、質量穩定、性能可預測的熱處理效果。取得這些目標需要產學研通力合作。
( I' C5 i# z+ `* @" t# s在人力資源方面，工業發展必須激發勞動者學習的動力，通過培訓使其成為高技能的雇員。在此方面，熱處理企業應和學會、協會、大學以及培訓工程技術人員的學院合作。熱處理應成為對有志的工程師具有挑戰的技術領域。
在收益方面，必須提高熱處理工業收益，以吸引投資，使得有更多的研發基金投入，繼而推動技術進步。
. F$ e# ^0 g* \9 E- v2 c7 t在客戶關系方面，必須在客戶產品的設計階段就建立起合作關系，成為產品設計的合作伙伴，幫助客戶優選材料和工藝。
% ~' G9 ?0 P  X在國際競爭方面，北美的熱處理將面臨其他第三世界國家低成本的競爭。另外，當鑄件、鍛件等零件轉移到其他國家生產時，相應的熱處理也會隨之轉移。
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五、技術路線圖

美國熱處理學會的研發委員會成立了三個工作組：工藝和材料、設備和硬件材料、能源與環保，分別就達到2020年熱處理工業遠景目標提出了各自工作領域應開展的研究項目和計劃。并從回報（分高、中、低三等）、風險（分高、中、低三等）、完成期限和緊迫程度進行綜合評估，確定應優先開展的研究項目。
; e7 @5 f) t9 Q回報：分高、中、低三等
風險：分高、中、低三等
完成期限：近期：0~3年，中期：3~10年，長期：10年以上
! H  w9 ]  J2 A緊迫程度：頂級、高級、中級
; `& s& U* y0 G$ I, ]! X* \# S/ ?1、工藝和材料部分
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工藝和材料研究項目	回報	風險	完成時間	緊迫性
1.研發改進感應器設計工具以減少反復試驗和修正	高	低	短	頂級
2.研發在高于1010℃抗晶粒長大的滲碳鋼	高	低	短	高
3.高于1010℃高溫滲碳的可行性，包括氣氛和真空滲碳以縮短工藝周期（總結）	高	低	短	高
4.快速滲氮工藝的開發	高	低	中	高
5.快速加熱相變動力學的確定	高	中	短	高
6.滲碳、限制淬透性鋼、強烈淬火工藝和材料的研發	高	中	中	中
7.高效表面淬火方法的開發	高	高	長	中
8.提高對感應、磁場、加熱爐回火/時效過程的理解以降低分散度和縮短時間	高	低	短	中
9.高效表面改性工藝的開發	低	高	長	中
10.稀土元素對熱處理過程中的顯微組織演變的影響	中	低	長	中
11.深冷處理材料的開發和應用范圍的探討	低	中	短	低
12.鐵、非鐵合金、復合材料和聚合物熱處理工藝開發	低	高	中	低
材料應用基礎：軟件和模型數據
13.材料選擇包括材料性能數據庫軟件的開發，用戶輸入要求的性能，輸出的是候選材料及其熱處理后的性能	低	中	中	低
14.開發和失效特征關聯的材料性能	低	中	中	低
15.開發材料連續加熱和冷卻相變數據庫，包括鋼在軋制過程的變量、化學成分變化和顯微組織不均勻性對相變動力學的影響	高	低	短	頂級
工藝模型 用戶輸入使用特點的判斷（磨損、載荷力、腐蝕），輸出的是材料/顯微組織特征（注：此模型可用來反向證實時效分析結果）
模型的開發
16.開發從室溫到熱處理溫度的熱性能和力學性能的數據庫	高	低	長	頂級
17.開發熱處理工藝和最終性能的數據庫	高	低	短	頂級
18.開發加熱和冷卻相變的體積應變模型	高	中	中	高
19.集成相變模型使之成為軟件工具	高	低	短	高
20.開發形成數據庫的低成本方法	高	中	長	高
21.開發在生產設備中測定各種介質和零件傳熱特性的探頭	高	中	中	高
22.制定試驗和獲取相變數據模型的工業標準（包括在爐中或其他介質中的加熱、在油、水、聚合物、鹽、空氣、其空中的淬火以及噴射冷卻）	高	低	中	高
23.開發材料和氣氛相互作用的熱力學模型	高	高	中	高
24.實施過程控制系統的鏈接模型開發	高	高	長	高
25.開發滲碳、滲氮、高溫滲碳爐氣——材料相互反應熱力學模型	高	低	短	中
26.預測冷速、殘余應力和零件性能的熱力學模型	高	低	短	中
27.解釋能更有效均勻傳熱流體力學計算機模型的進一步開發	中	中	中	中

2、設備和硬件材料部分
（1）工藝控制

• 開發改進預測工具，例如工藝設計、預見狀態、熱物理和力學性能預測計算機模型。
• 開發適時過程控制技術，安裝在爐中和淬火槽中測量氣流、淬火烈度、碳、氮勢的靈巧傳感器。
• 開發在工件上適時直接測量表面含碳量的方法。
• 開發工藝參數無人監控的生產方法。
• 快速、無損、經濟、實施測量滲碳層深度的方法。
• 用多種傳感器和技術按AMS規范（Aerospace Material Specification）鑒別爐子的更優化系統。
• 更好的設備故障診斷、預防、維護方法，如燒嘴裂紋預測、防止爐內氣氛惡化。
• 建立標準/預見設備易變可行性的研究，例如不可能有兩臺完全一樣的爐子。
• 預測爐子幾何尺寸、風扇速度、裝爐量和裝爐形狀的模型。
  

（2）材料

• 改進氧探頭的抗碳黑能力——開發能用于700℃以下的氧探頭。
• 新的功能材料（如絕熱材料）和結構材料（如在高溫下工作的結構材料）。
• 爐用經濟耐熱構件材料。
• 提高爐子的耐熱構件合金性能，包括抗滲碳合金夾具、料盤的廉價涂層。
  

（3）硬件
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• 高效（>80%）燃熱器。
• 高流速換熱器，高轉速風扇，增加傳熱面積等提高爐料受熱條件的措施。
• 減少散熱的筑爐廉價絕熱材料。
• 節能、無內氧化滲碳氣氛。
• 鋁合金淬火設備的改進。
• 整批（盤）爐料的均勻淬火系統。
• 淬冷設備改良設計模型。
• 單件流動和機加工同步熱處理設備。
• 附加淬火機床上的能適時感知淬火開裂的傳感器。
• 廉價的殘余應力非破壞檢測方法。
• 更有效和更廉價的液態或非液態工作脫脂方法和設備。
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3、能源與環境部分
（1）能源
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• 開發回收低級熱的經濟方法，廢熱的收集和利用，例如工業熱和煙道熱。
• 高效熱傳導的加熱技術和設備，例如能提高傳熱速度的等離子加熱。
• 高溫熱回收技術。
• 進一步開發可提高熱效率的富氧燃燒技術，例如流體薄膜技術。
• 收集熱處理設備能源利用底線數據，用于確立未來節能標準數字。
• 回收加熱爐氣氛的方法。
• 積累熱、電與熱處理協調的先進技術。
• 開發高溫氣體循環系統，以改善加熱爐效率，例如沖擊加熱法。
• 局部加熱和表面淬火的節能新工藝。
• 熱處理設備設計的標準化，以實現其通用性和減低設計費用。
  

（2）環境
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• 減少CO、CO2和NOX的燃燒技術和后處理技術。
• 清洗液的消除、減少和回收利用，廢油和其他淬火介質的管理以及廢料的再生利用。
• 代替鹽和油淬火的廉價方法，例如用水和惰性氣體。
• 用于低、中合金鋼件的廉價氣冷淬火技術，例如節約用氫的淬火技術。
• 自非液流中提出副產燃料，例如燃燒排放的氣體。
• 可完全清除工件油跡的高效清洗技術。
  

4、公益事業部分

• 熱處理衛生安全規定，例如避免火災、人身傷害的安全管理、工廠內部空氣質量、人機工程、鋇鹽和胺鹽以及其他有害物質的安全限量管理。
• 有關冶金基礎、爐子安全的人員培訓，課程的設置，需要培訓的人員。
• 制定熱處理設備發射有害物底線，以避免今后對環境的污染。
• 設立熱處理設備的能源利用率底線以備將來制定節能標準限度。
  

5、值得重視的研發項目
（1）利用地下水循環的感應加熱淬火 <500kW的感應淬火利用地下水閉路循環冷卻，使用時用深井泵抽取地下水，后經凈化處理再返回地下。目前密執安州Alger市Roll Rite公司的一臺150kW的Ajax Tocco感應淬火系統已采用此法，每日的費用僅以美分計。
$ V: G( I+ H" e（2）強烈淬火工藝 烏克蘭科學院柯巴斯科院士開發的鋼件用水或鹽水劇烈冷卻淬火是表面形成殘余壓應力并減少畸變的方法，已在美國獲準以Intensi Quench服務商標注冊了IQ Technologies Inc公司。由于以水代油，減少了油品消耗并顯著降低生產成本，受到美國能源部的重視和支持。
3 }+ H/ f& d! q, R+ B（3）1010℃以上溫度的高溫滲碳 真空滲碳技術的成熟和低壓滲碳技術的開發為實現高溫滲碳制造了條件。由于能顯著縮短滲碳周期和節約能源，此項目已列入路線圖研發計劃的“工藝和材料技術”分組計劃。WPI的CHTE推動了工業企業和高效的合作、制造商和生產用戶的協同開發。
（4）Ni3Al金屬間化合物－新型爐內抗滲碳耐熱構件材料 Ni3Al已問世約20年，因為很脆，長期未獲實際應用。Oak Ridge國家實驗室由Chain T.Liu領導的團隊發現添加微量硼可明顯改善其塑性，可作為爐子料筐、夾具，Ni3Al材料成分為添加Cr、Zr、Mo、B的8%～11%Al,81%～88%Ni。此材料具有出色的強熱性、抗蠕變、抗滲碳能力。Delphi-Saginaw Steering Systems公司通過和能源部的合作研究與開發協議已在料盤上進行了數年的成功試驗。
（5）APM和APMT（更高強型APM合金）合金長壽命輻射管 瑞典Kanthal AB的Sadvik公司繼Kanthal Al電熱絲之后相繼開發出APM和APMT合金。此種材料仍然是在A-1粉末材料基礎上，通過熱等靜壓（Hot Isostatic Pressing）和深拉延出來的。用APM合金制造的電熱和燃氣輻射管比普通耐熱合金輻射管能經受雙倍的熱流，925℃能經受的熱流可達9～10kJ/m&sup2;。
（6）爐用平面輻射板 氣體技術所（Gas Technology Institute）開發的能砌入爐壁的平面輻射板（flat radiant panel），能增加輻射表面、降低表面溫度、延長爐子使用壽命，提高爐溫均勻性，減少爐襯、使爐子尺寸縮小50%，加快爐子升溫和冷卻速度，產生的NOx很少。
（7）反向循環單管封閉式輻射管（reverse annulus single-ended radiant tube） 北美制造公司（North American Mfg.Co.）和燃氣研究所（GTI）共同開發。熱輻射率高，用相同材料制造此種管能經受更高溫度、提高燃燒效率10%，減少50%的NOx，使用壽命長。
. l0 @) Z) e; j/ ~（8）低NOx燃氣強烈內循環（Forced Interval Recirculation）輻射管 GTI開發的U型輻射管延管長溫度均勻。當爐溫為1010℃，空氣遇熱溫度從455℃提高到了480℃時，產生的NOx<0.008%（vol）。而一般預熱空氣輻射管所產生的NOX大0.02%～0.25%(vol)。
（9）直焰沖擊燃燒技術（Direct Flame Impingement Technology） 使用多噴嘴平嵌入爐壁的高速燃燒器，噴射速度達到1馬赫（～330m/s）,可在空氣過剩系數α=1的條件下工作，提高能源利用率35%、減少70%的NOX，提高生產率25%、減少50%的氧化燒損、有年節約1～1.5億美元的潛力。
（10）智能化感應淬火閉環控制系統（Closed-loop control technology） 利用神經網格系統控制原理，全面控制選材、相變、加熱工藝、滲層。所提供的軟件具有優化零件強度/重量比的功能，具有的主、被動電磁傳感器能監控整個加熱過程中的透熱深度。
) h6 h5 U$ x6 ~& J（11）預見鋼件滲碳淬火時的殘余應力狀態的軟件。
/ H4 s$ k/ K; ?8 p9 L（12）延長機器零件壽命殘余應力狀態的DANTE軟件。
1 k' ]& G0 f9 R; k; |- H（13）準確預見鋼熱處理相變定量數據的軟件。
（14）工藝熱能評價的鑒定軟件（Process Heat Assessment and Survey Tool ,PHAST） 該軟件為美國能源部計劃項目，供用戶按不同燃燒方式和熱回收參數進行熱能轉換的工具，可比較爐子在工作狀態下的性能，計算各種工作條件下的節能潛力。
9 A4 {0 n) u/ d2 b; X# T4 ?. s（15）加熱爐能源分析工具（Furnace Energy Analysis Tool） 可計算按小時、年度或每磅零件的燃料、電能消耗成本數據。
, G: g7 @1 c, T3 a" W, Q+ u1 k; o; G（16）能源有效利用分析軟件。

六、組織實施措施

1.成立兩個熱處理技術研發中心，組織全行業的企業參與研發實現路線圖目標和完成所提出研發項目。
2.鼓勵和組織熱處理企業參與研發實現路線圖目標和完成提出的研發項目。
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七、結束語

1、在我國工業結構性調整以及史無前例關注能源和環境的關鍵時刻，美國熱處理技術路線圖給了我們很大的啟發，對制訂我國熱處理工業發展戰略和規劃具有很高的參考價值，值得我們學習和借鑒。
2、學習美國熱處理學會的經驗，分會新一屆理事會2008年辦公會議決定成立分會熱處理技術發展戰略研究工作委員會。其目的和任務是跟蹤國外熱處理技術發展情況，開展國內現狀調研制定我國熱處理工業發展戰略，為企業與政府提供熱處理發展戰略的咨詢。
7 Y" Z. B) C2 p& }3、由于知識面有限，以及語言等方面的能力不夠，我們對路線圖的理解還不夠深入和準確甚至錯誤，還望各位領導和同事批評指正。

anthony1989

這個藍圖好詳細，而且這難度……

武漢老虎

此文系轉載《版權是中國機械工程學會》

起航2012

哎呀，好詳細。。。經濟性很強。。。很明確。。。

成形極限

我們國家學會是學會，協會是協會，二者似乎各自陶醉在各自的天地里。這等事情估計可能有那么幾個人在想，但是難以讓大家一起想，并為之努力。

小樓聽雨hn

看看老米的發展藍圖，再看看天朝正在載歌載舞，驚天動地的“J(和諧)B兩會”，我``擦```！

武漢老虎

好貼別沉了，自頂一下

zht_udb

好貼，頂一個，為從事熱處理事業的人指明了努力方向。

xiaoshxin

熱處理這個東西真的很欠缺，中國企業很多人搞設計的都說不清熱處理

鈑金準專家

國內熱處理相當大一部分還停留在作坊經驗的階段，差距將進一步拉大