谈谈美国“热处理技术发展路线图”

戚正风

(大连交通大学,116028）

  什么是路线图（Roadmap），用我们通俗话来讲，就是发展规划。为了方便读者，除了将Roadmap改译为发展规划外，还将以下几个名词改译成我们的习惯用语：Excellence—先进；Best practices—最佳实践；Real time—实时；immediate need—急需；captive —全能的、或主机厂内部的热处理厂点，Commercial —是指热处理专业化公司（厂） 。
2004年美国热处理学会在美国能源部支持下制定和公布了美国“热处理学会2004热处理发展规划”。在这个发展规划中设想的2020年的发展目标是：能源消耗减少80%，工艺周期缩短50%，生产成本降低75%，热处理件实现零畸变和最低的质量分散度，加热炉使用寿命增加9倍，加热炉价格降低50%，生产实现零污染。除提出总的发展目标外还提出了70个需要解决的研究项目，同时在高等学校成立了“热处理先进技术中心”及“热加工技术中心”等研究机构来组织和协调这方面的研究工作[1，2]。
    我国热处理界非常重视美国的发展规划，首先 热处理学会荣誉理事长樊东黎教授著文介绍了美国的热处理发展规划[1,3]，之后热处理学会于2007年4月在重庆召开的热处理学会常务理事会上对此规划进行了讨论，并将讨论意见陆续在《金属热处理》及《中国热处理技术通讯》上发表[2，4-7]。对我国热处理现状以及今后的发展提出了许多非常宝贵的意见。
下面借鉴美国热处理技术发展规划，谈谈对我国热处理今后发展的个人看法。

1 我国热处理现状

热处理是机械制造业中的一道工序，但这道工序非常重要，因为机械制造产品的质量主要决定于热处理。
我国的热处理行业是随着机械制造业的发展而发展起来的。1949年以前，由于连年战乱，除了少数军工企业外，基本上没有机械制造业，当然也就不存在热处理行业。 1949年以后，随着工业建设的发展，首先在苏联援建的大型机械制造工厂中出现了现代化的热处理车间，其中最有代表性的就是长春一汽和洛阳拖拉机厂的热处理车间。与此同时，哈尔滨工业大学于1950年率先在苏联专家的帮助下设置了金属材料及热处理专业，专门培养热处理技术人才，紧接着上海交通大学与北京钢铁学院也设置了热处理专业。此后，各工科院校也都纷纷设置热处理专业，文革以前全国有100多所工科院校设有热处理专业，按每校每年招收一个班30名学生计算，一年至少可以培养出3000名热处理专业人才。但是在那个年代，热处理始终没有得到应有的重视，根本原因在于重数量，轻质量的错误思想作祟。不重质量，热处理也就没有了用武之地。最典型的一个例子就是在破除迷信、解放思想的疯狂年代居然有人提出不用热处理，也能造发动机的荒唐思想。发动机是造出来了，但是一发动，几分钟就完了。
     改革开放以来，随着机械制造业的蓬勃发展，热处理行业也得到了迅猛发展，大厂的热处理车间得到了更新改造，小型热处理专业厂如雨后春笋遍地开花，还出现了设备先进、资金雄厚、管理严格的外资专业热处理厂，使得我国热处理水平有了很大提高。但是令人遗憾的是我国热处理行业还存在许多问题，严重制约了我国机械制造产品质量的提高。虽然引进了先进设备，但也往往只能生产出中档产品而且质量非常不稳定。其次还出现了热处理技术人员奇缺，热处理能耗居高不下，热处理质量徘徊不前等现象。究其原因不外乎以下一些：
1)重数量、轻质量的错误思想至今阴魂不散；致使热处理至今没有得到应有的重视；
2) 钢料市场混乱、质量欠佳且极不稳定，导致热处理质量难以控制；
3)采取牺牲质量来降低成本以提高竞争能力的恶性竞争导致质量滑坡；
4)许多小热处理专业厂的设备十分落后，致使热处理质量差、排污、能耗居高不下；
5)重材料、轻热处理，导致全国100多个金属材料热处理专业中的绝大部分均改以材料为主，大大减少了热处理的毕业生人数；
6)重金融、重管理，轻生产，导致生产一线的技术人员大量流失，据初步了解，一流大学热处理专业毕业生大部分去了国外，二流大学热处理专业也只有20%的毕业生在从事热处理技术工作，其他的都改了行，结果导致热处理技术人才奇缺；
7)热处理技术乏人开发，工厂缺乏开发新技术的意识，高校及研究机构大都转向新材料的研究，开发热处理新技术的经费无从落实，热处理新技术方面的研究课题很难得到国家资助。
    从上述情况来看，改革开放以来我国热处理行业与国外发达国家之间的差距不是缩小而是加大了。现在美国又公布了新的发展规划，在规划中所提出的指标真如许多专家所说：“出乎我们的意料”。如果我们不弄清差距，找出产生差距的真正原因，急起直追，我们与先进国家之间的差距还将继续扩大。

 2 如何提高我国热处理行业的水平，缩小与国外的差距

    要提高我国热处理行业水平，缩小与国外的差距，首先需要解决以下三个主要问题：

2.1提高热处理行业在机械制造业中地位问题。
    这个问题绝不是热处理行业自己能够解决的。在计划经济年代没有解决，在计划经济阴魂不散，市场经济发育不全的今天就更难解决，只有当人们真正意识到没有质量就没有数量的时候，只有当整个社会都在追求高质量的时候，只有当优胜劣汰真正成为社会的一个基本准则的时候，公平的竞争真正建立起来的时候，热处理才有可能真正受到重视。当然这并不意味着我们坐等这一天的到来，我们应该主动宣传热处理在保证质量中的重要性，至少在热处理行业内部应该认识到自己所从事的热处理事业的重要地位。

2.2人才流失问题
    在市场经济体制内，人才流动很正常。问题在于一个不完整的市场经济体制往往缺乏自我调整功能，结果造成某些行业只出不进，导致人才流失。这个问题不是学会和协会能够解决的，因为学会和协会无权决定热处理工作者的工资待遇和社会地位，无权改变高校培养方向。学会和协会能做的就是多办学习班，帮助仍能坚持在热处理岗位上的技术人员和工人提高业务水平以及提供技术咨询。

2.3开发热处理新技术问题
    这是一个最最关键的问题。这里存在两个问题: 一是目前无人关心热处理新技术的开发，原因是急功近利，急于求成的思想在作怪。搞生产的奉行的是拿来主义，用现成的，能对付当前生产就行，能拿就拿，拿不来就偷，搞研究的关心的是发表论文好拿学位和提职称。形成这个问题的根源是知识产权得不到有效保障，成果带来的经济利益分配不合理；二是开发热处理新技术的经费得不到落实，原因是工厂忙于应付生产，缺乏创新意识，不愿投资搞新技术开发，申请国家项目，又由于对热处理不够重视，因此很难获得批准。 经费得不到落实，任何工作都无法进行，更使得人们对开发热处理新技术缺乏兴趣。
    为了解决这个问题，我们不能等待和依靠政府，可否由学会和协会牵头自己组织行动起来，采用商业模式来解决这个问题，原则是谁掏钱，谁得利；谁出力，谁得利，消灭任何形式的剥削和腐败。

 具体做法是由学会和协会联合组织一个委员会，设法筹集一笔启动资金，可以申请国家拨款，也可以请企业投资。然后由委员会组织力量对我国热处理现状进行一次全面调查，分专题召开专家会议进行讨论，确定哪些成熟技术可以在国内推广，哪些问题需要组织力量进行研究，列出清单，在《金属热处理》杂志上公布。清单中所列项目可以采取不同方式解决，原则依然是成果有偿使用，谁掏钱，谁得利；谁出力，谁得利。具体办法可以是：
1)现有成果可由委员会作中介有偿转让，这里需要解决的是成果归属及利益分配问题。
2)承担项目单位自筹经费，取得成果后由委员会收购。可以是高价一次性收购，也可以是低价收购，从以后的转让收入中分成。
3)向委员会申报项目，批准后由委员会拨给必须的经费，取得经济效益后按谁掏钱，谁得利；谁出力，谁得利的原则分配。
委员会可以发展为公司或研究所，任何高等学校和有条件的企业单位均可以申请为分公司和分所。通过这种方式逐步把我们的研究体系建立起来。

3. 我国急需解决的热处理技术问题

在美国的发展规划中提出：“能源消耗减少80%”， 这确实是一个惊人的指标。目前美国的热处理能耗是400kW•h/t，如减少80%，就得降至80 kW•h/t，这令人很难想象。要降低热处理能耗，无非就是降低热损耗和采取节能工艺。热处理时消耗的能量有二部分，一部分是加热炉炉墙散失的热量以及工装夹具带走的热量，这部分可以设法尽量减少；第二部分是加热工件所消耗的热量，这部分必不可少，通过采用表面淬火等节能工艺可以使之减少，但大部分工件仍需采用整体热处理。粗略计算整体热处理所需热量约为200 kW•h/t （将20Cr2Ni4WA从0℃加热到900℃所需热量） 由此可见，如排除能耗转嫁等因素外，热处理能耗要降到80 kW•h/t恐难实现，除非主要采用非整体热处理。
    对美国指标的怀疑绝不意味着对我们惊人的浪费可以漠然视之。我们目前热处理能耗较美国高一倍，即800 kW•h/t。我国热处理能耗如此高的原因有以下一些：
1)空炉时间长
由于生产管理落后，许多热处理炉依然停留在早上开炉、下午干活、下班停炉状态，大大增加了炉子散失的热能；
2).设备落后
在“小车不倒只管推”的错误思想影响下，到目前为止许多应该淘汰的能耗大的加热炉外壁温度在70℃左右的加热炉依然在使用，特别是一些小热处理厂，这些厂依靠其管理成本低及不正当竞争手段依然能大量存在；
3).热处理工艺落后
由于思想保守，设备落后，许多节能工艺很难推广。以热锻模为例，国外钢厂将锻造与热处理合并在一起，供应已淬、回火的标准模块，用户只需将模块加工成模具后按需要进行一次回火即可使用。但在国内未见大量推广；
4）.产品质量低下

这是一个被长期忽略的重要因素。众所周知，目前我国制造业的要害是质量低下，特别是质量不稳定。不难理解，同样一个产品，如果美国产品的使用寿命是我们的2倍，我们生产2个产品才相当于美国生产一个产品，这就意味着我们的实际能耗又翻了一翻。我们热处理能耗比美国高一倍，而GDP能耗是美国的4.3倍、日本的11.5倍原因恐即在此。
对我们来说节能是个大难题，但必须解决。

3.2.热处理件实现零畸变和最低的质量分散度
    零畸变应该是指热处理时产生的畸变不超过允许范围。由于比容变化而引起的零件尺寸的变化以及由热处理应力引起的形状的变化都是无法避免的，热处理工作者能做到的就是设法将其控制在允许的范围之内。
    美国提出的实现最低的质量分散度这个指标对于我们来说特别重要。前面已经提到我国机械制造业的致命要害是质量低下且极不稳定，消耗了大量资源，制造了大量废品。
    造成质量低下以及质量不稳定的原因有：
1)重数量，轻质量，认为有了数量就有质量；
2)缺乏保证质量的生产环境，在原材料等外界因素的质量得不到保证的情况下任何一个生产厂均难以保证产品的质量；
3)恶性竞争，用牺牲质量、降低成本的办法来提高竞争能力。
    没有质量就没有数量，产品质量问题不

3.3.加热炉使用寿命增加9倍，加热炉价格降低50%
     延长加热炉使用寿命的前提应该是必须保证加热炉的各项性能指标和经济指标。这与我国流行的“小车不倒只管推”绝对是两回事。
    目前我们的问题主要是如何强制淘汰能耗大、效率低，温度不均的旧设备，办法是由学会和协会联合制定一个符合我国当前国情的加热炉性能指标标准，经政府批准后强制执行。在解决这个问题之后才有可能要求加热炉生产厂生产出长寿命加热设备。延长加热炉使用寿命的关键是筑炉材料，这就需要提高国产筑炉材料的质量水平和开发新的高性能的筑炉材料。
    至于“加热炉价格降低50%”对于我国来讲应该不成问题，因为国内产品的价格远低于同类国外产品，只要我们产品质量上去了，即或将价格提高到国外同类产品价格的一半就能满足这一指标要求。

3.4.生产实现零污染
    这是一个大难题，因为我们欠账实在太多太多。30年的改革开放是用牺牲环境来换取高速发展。这种做法再也不能继续下去了，我们必须弄清热处理究竟造成了哪些污染并设法解决。要知道污染环境是对子孙后代的犯罪。

3.5.新工艺新技术的开发与应用
    为了实现发展规划，美国热处理学会开出了一张需要解决的70多个项目的清单。在这70多个项目中绝大多数对我们都很有启发，但其中也有少数缺乏推广意义，如感应淬火用地下水冷却等。这里将概括谈几个问题。
1)冷却介质
    尽管发展规划中提出的“利用地下水循环的感应加热淬火”有其局限性，无推广价值，但是冷却介质在热处理中的重要性绝不能忽视。在众多的冷却介质中，最好的应该是水。水的优点是冷却速度最快、价格最便宜、且不污染环境、能自动再生。水的主要缺点是沸点低，仅100℃，低于大多数需要淬火的钢料的Ms点，在水中淬火容易引起开裂。人们在水中添加了各种各样的添加剂，研制成了许多水基淬火介质，但都难以从根本上克服水的这一缺点。如果采用喷水（喷雾）淬火再配以计算机控制可以解决这一难题，因为控制水量及气量就可以轻易控制任何温度下的冷却速度，而用计算机控制做到这一点并不困难。目前大型轴类零件如大轧辊淬火等用的就是喷水淬火，但基本上还都是手控而不是自控。而一般工件除了对局部进行喷淬外还未见采用。应该开展喷水冷却工艺的研究，其中包括喷头的设计、喷水冷却速度的控制、喷淬设备的设计以及计算机控制系统的设计等。如果我们能对任何批量、任何尺寸的工件上的任何部位的冷却过程都能用自控喷水冷却这将是热处理的一次革命。
2).计算机在热处理中的应用
    在列出的70多个项目中“计算机在热处理中的应用”是美国热处理发展规划中的一个重要内容。
办公用计算机软件已经成熟且已普及，商用计算机软件也已比较成熟，专业用软件还有待开发。计算机在材料热处理领域的应用在我国已经有了一个良好的开端，但还有大量工作要做。计算机的优势是记忆力特强，计算速度特快，用计算机控制生产可以严格控制生产过程。但电脑终究不是人脑。计算用模型需要人设计，计算用数据需要人提供，计算机软件需要人编写。为了提供足够和可靠的数据，就需要做大量的乏味的基础工作。在目前的功利主义驱使下很少有人愿意做这样的工作。另外，要编写专业用软件，必须要有专业知识，没有专业知识是编写不出专业用软件的。这些问题都需要解决
3).生产高精、长寿设备
    热处理工艺需要设备来实现，热处理质量需要设备来保证。目前我国加热炉生产制造厂可说是遍地皆是，外资工厂也不在少数。但是所生产的加热炉的质量还相当落后，无论是炉温均匀性，还是隔热性都非常落后。笔者在工厂见到许多新加热炉外壁温度竟超过70℃。炉温均匀性更是难以保证。热处理协会应该督促行业协会制定标准，严格执行。
美国发展规划中提出的急需开发的项目涉及的面非常广泛、非常全面，也非常具体。这里只是在几个问题上提了点个人的不成熟的看法。建议学会组织专题组进行讨论，制定出适合我国国情的急需解决的项目清单。

参考文献：
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[2] 美国金属学会热处理学会等（中国热处理学会译），热处理工业远景2020（概要）[J].
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