关于美国“热处理技术发展路线图”的讨论

热处理技术路线图研讨会报告

1997年2月6-7日，俄亥俄州康科德市

主办：美国能源部工业技术司，橡树岭国家实验室，美国金属学会热处理学会，金属处理协会
协办：Energetics公司
撰写：美国金属学会热处理学会，1997年4月于俄亥俄州材料园
翻译：中国机械工程学会热处理学会，2008年10月于北京

编者按：本文是美国热处理学会1997年“未来的热处理工业”技术发展规划项目“热处理技术路线图”研讨会报告。报告列出了明确的目标，探讨了存在的问题，汇集了具体的研发项目建议，并分析了研发项目的优先等级、风险和回报。值得国内热处理界借鉴和探讨。限于译者水平，译文难免有不妥之处，请批评指正。

1 概要

热处理界的精英在打算制定一个实现热处理现代化的规划时，采用了美国能源部工业技术司“未来的工业”规划项目的组织模式。该项目旨在提高美国基础制造业的国际竞争力，同时降低能耗和废物排放。项目分三个阶段。第一阶段，由工业界精英在一份称为工业界“远景规划”的文件中确定长期的技术需求，并从他们的角度描述理想的未来。第二阶段，由工业界的代表开会讨论为实现“远景”必须启动的针对性研究与开发项目，将所有建议汇集形成称为“技术路线图”的文件。第三阶段是“实施”，此阶段要筛选项目、落实资助、启动工作。虽然热处理界的项目并非来自美国能源部工业技术司，也未得到其资助，但项目工作还是得到其首肯。

1996年2月，20位热处理界的精英为项目第一阶段聚会芝加哥。会议由美国金属学会热处理学会、金属处理协会、美国能源部工业技术司和橡树岭国家实验室邀请召集。研讨最终形成的文件——《热处理工业远景2020》已由美国金属学会出版。该文件描述了从现在到2020年热处理工业结构将发生的变化，以及热处理工艺为应对降低能耗、成本和环境影响的要求所需的改进。

本报告是关于第二阶段“技术路线图”进展的总结。在1997年2月举行的会议上，26位热处理界的代表根据《远景2020》、热处理学会的调研报告以及他们自己的经验提出了许多研发项目建议。意在明确那些实施后有助于热处理行业更接近2020年远景的关键研发项目。

代表分为“设备与硬件材料”、“工艺与材料”和“能源与环境”三个组，从各方面对所提出的研发项目建议进行评估。首先按优先等级将项目分为头等、高等和中等三个等级。然后再按回报风险比分等，最高风险系指最不可能成功，回报系指经济、产品质量或环境方面的好处。每个项目最后按年限分为三种：短期是指3年内可完成；中期指需3~10年完成；长期指需10年以上才能完成。

尽管与会代表来自主机厂的热处理分厂或车间、专业热处理厂和设备制造厂等各个方面，但是观点明显受到与会者经验的局限。因此，诚邀热处理各界人士提出意见和建议，也欢迎来稿。

表1.1列出了所考虑的主要技术领域。表1.2列出了各组提出的至少得到一票“头等优先”评价的项目建议。

表1.1 热处理工业的主要技术需求

表1.2 全部三个分组提出的头等优先研发项目

2 全体会议

2.1 背景

“未来的工业”是美国能源部工业技术司组织的规划项目，旨在提高美国基础制造业的国际竞争力，同时降低能耗和废物排放。项目分三个阶段。第一阶段，由工业界代表起草一份“远景规划”文件，确定长期的技术需求，并从他们的角度描述理想的未来。第二阶段，由类似的代表组提出“技术路线图”，列出为实现“远景”必须启动的针对性研究与开发项目。第三阶段是“实施”，此阶段要筛选项目、落实资助、启动工作。1996年2月，20位热处理界的精英为项目第一阶段聚会芝加哥。会议由美国金属学会热处理学会、金属处理协会、美国能源部工业技术司和橡树岭国家实验室邀请召集。

那时，能源部已经确定了七个行业参与美国“未来的工业”规划项目，这七个行业总计能耗占整个制造业能耗的约80%，产生约90%的工业废物。这七个行业包括林业、化工、石油、金属铸造、钢铁、铝业和玻璃。

然而，此后能源部也认识到热处理行业是钢铁材料和非铁材料制造业不可或缺的组成部分。热处理行业实际上也要消耗大量能源并产生大量工业废物。因此，虽然热处理界的项目并非来自美国能源部工业技术司，也未得到其资助，但工业技术司还是同意帮助提出“未来的热处理工业”规划项目。

远景规划研讨会形成了一份已由美国金属学会于1996年出版的《热处理工业远景2020》文件。这份文件已于1996年11月正式呈报给工业技术司常务助理秘书Denise Swink。该文件描述了从现在到2020年热处理工业结构将发生的变化，以及热处理工艺为应对降低能耗、成本和环境影响的要求所需的改进。

在研讨会期间，美国金属学会和金属处理协会就已决定利用热处理学会所属的研究与开发委员会和亟需技术委员会已做好的调研报告进行下一步“技术路线图”的起草工作。这些调研报告汇编成《热处理学会1996年度研发计划》出版。

1997年2月6-7日在俄亥俄州康科德市召开了技术路线图研讨会，回顾了前一阶段工作进展。18位代表来自热处理行业，另外8位代表来自其他组织机构。《远景2020》和《热处理学会1996年度研发计划》连同会议通知一起发给了每位与会代表。

会议主席Ron Wallis和美国金属学会副理事长Bill Scott规定了三个研讨领域： 设备与硬件材料、 工艺与材料、 能源与环境

与会代表也分三个组，每个组专门讨论一个领域，并起草研发项目列表。各组的研讨结果将在后续各节进行总结。

2.2 绩效指标

研讨会还有一个关键任务就是明确绩效指标，从《远景2020》中提取出来的绩效指标列于表2.1。

原来降低能耗指标的提法是“效率提高80%”，但研讨会能源组认为这一提法不如“能耗降低80%”的提法明确。因此，表2.1做了相应的修改。

表2.1 热处理行业绩效指标

3 设备与硬件材料

设备与硬件材料研讨组考察了与炉用材料、隔热、辐射管和其他热处理设备相关的技术问题和人员问题。

首先考虑了《热处理工业远景2020》中包含的主要绩效指标：

• 能耗降低80%
• 近零排放
• 可预测畸变
• 工艺时间缩短50%

然后讨论了达到这些目标存在的障碍，以及为突破障碍所需的研发项目建议。研讨组成员筛选出有限数目应给予头等、高等和中等优先等级的研发项目建议。最后将各种建议按完成的可能性大小列于图表中。高风险是指最不可能完成的，而低风险是指认为最可能成功的。高回报是指能显著提高利润率，低回报是指几乎不影响利润。一致认为成本是决定任一项目是否启动和完成的主要因素。

3.1 技术进步的障碍

设备与硬件材料技术进步的障碍分为四个方面：经济、信息沟通、技术和体制，见表3.1。尽管技术方面的障碍很重要，但其他方面的障碍也许更重要。事实上行业太零散本身就是一个巨大的障碍。每个公司又太小无力进行自主研发，因为公司小利润也少，所剩无几，谈不上什么研发项目。整个行业的利润率低，因此工资低，难以在现代化设备上有所投资。结果在大多数热处理厂里热处理工艺还仍旧是一种技艺而非科学，给人的印象还是那种原始脏乱差的形象。

在技术方面，缺少无污染的淬火介质和可靠的预测工具也是常被提及的。另一个重要障碍是有关加工材料的信息缺失。还有专用数据和改进的传感器。热处理工艺的确需要革新，但是先进技术却很贵。譬如，陶瓷管比超合金管效率高且更耐用，但价格却贵三至四倍。一般来说，热处理厂家并非对现有材料非常不满，非得要那些很先进但也很贵的东西不可。

表3.1 应用和开发新设备与硬件材料的障碍

3.2 研发需求

有可能克服技术障碍的研发项目分为五类：工艺控制、体制、环境、材料和硬件（设备）。各类项目建议按完成年限标以N（短期项目，0~3年），M（中期项目，3~10年）或L（长期项目，10年以上）。每个组员对项目建议按优先等级进行评判，t表示头等优先，h表示高等优先，m表示中等优先。由于每位评判者只允许对每一类中一定数目的项目建议进行优先等级评判，故不是所有项目建议都得到了优先等级排名。研发项目建议分类列于表3.2。

表3.2 克服障碍改进设备与硬件材料所需的主要研发项目

对大多数项目来说两个主要忧虑是缺乏资助和缺乏认识。有几个组员强调要对用户进行设备设计和维护方面的培训，以及用户在拟定设备技术条件前首先与设备制造者进行协商的重要性。所考虑的其他问题包括：

 最重要问题之一是预测工具和模型的研究，包括含热物性和工艺条件的预测工具。

 需要更准确的淬火参数来模拟淬火介质的作用和改进淬火介质的化学性能。淬火系统应能设计成通过调整参数实现整炉工件均匀淬火。

 尽管已有间接测量碳的方法，还应寻找直接测量渗入工件碳含量的方法。应开发快速加热和冷却方法。现有的激光热处理技术仍很昂贵。应设计适于各种燃料和各种加热方式的炉子。例如，用微波加热非金属材料的炉子。

3.3 风险与回报分析

关于一个项目是高风险还是低风险的讨论主要集中在厂家是否愿意花费紧张的资源去做那些回报很少或根本没有回报的项目上。

某些组员指出700个专业热处理厂家中大概仅有20家具有足够的收入进行这样的投资。这些厂家中，也只有六、七家是幻想家愿意将相对充足的资金投入那些需要花费大量时间和资金的高风险项目。还有，即使花了钱，也开发出了大家都能用的新东西，没人能保证大多数热处理厂家就会采用。

被认为最值得尝试（低风险）的项目有：炉子维护人工智能、更结实耐用的设备、新的加热和冷却方式。被认为最不可能成功（高风险）的项目有：直接测量工件碳含量的方法、先进材料（如复合材料）的热处理工艺、无污染淬火介质。

建议成立国家杰出工程中心组织行业合作应对最紧迫的挑战。

建议与已确定将得到政府资助的钢铁、铝业和铸造行业进行合作。所有项目建议按风险与回报的大小排列于表3.3（略）。

4 工艺与材料

工艺与材料研讨组考察了与热处理工艺及材料有关的技术问题。组员来自主机厂的热处理分厂或车间、专业热处理厂、科研机构和设备制造厂，具备气体渗碳、感应热处理、盐浴热处理和热处理过程模拟方面的专业特长。

在列出技术障碍与研发需求时，工艺与材料研讨组参考了在“未来的工业”规划阶段确定并发表在《热处理工业远景2020》中的绩效指标。与本组有关的指标有：

• 能源效率提高80%
• 工艺时间缩短50%
• 生产成本降低75%
• 实现热处理工件零畸变和均匀性

4.1 技术进步的障碍

热处理工艺及材料方面的主要技术障碍列于表4.1。技术障碍分为四类：基础材料知识、材料应用知识、工艺/材料认识和设备。

表4.1 改进工艺和材料的主要技术障碍

与材料相关的主要障碍包括不同炉次甚至同炉次材料的不一致性（影响热处理结果），不了解不同材料对不同热处理工艺如何响应，缺乏适于特定工艺的专用材料，如适于高温渗碳的钢种。

在热处理工艺方面，突出的问题是缺乏集成的工艺模型以及建立模型所需的基础数据库。另一个更根本的问题是普遍存在对热处理工艺原理缺乏基本认识。关于这些问题的讨论凸现出工艺、材料和设备之间的不可分离性。

或许有些令人惊讶但也不难理解的是本研讨组特别强调了工艺与材料改进中与设备相关的障碍。这些障碍包括：缺乏炉子对比“专家系统”，缺乏工艺传感器/监视器，缺少先进的炉料传送系统，缺乏更耐用的炉用合金。

4.2 研发需求

研讨组接着确定了克服这些障碍所需的研究项目。项目建议列于表4.2，分为5类：工艺知识/控制、设备/延长服役寿命、材料/淬火知识、集成工艺模型（零件）和材料应用知识。

表4.2 克服障碍改进工艺与材料所需的主要研发项目

然后对研发项目完成时间进行了评估。分为：短期项目(N)，0 ~ 3年；中期项目(M)，3 ~ 10年；和长期项目(L)，10年以上。最后每位组员对限定个数的项目标以头等(t)，高等(h)或中等(m)的优先等级。

所确认的最重要的研发项目是开发集成工艺模型。如今热处理仍被视为一种基于经验的艺术。然而到2020年时热处理应该在一种科学的、可预测的状况下运作，那时工艺过程得到真正了解并能模拟。

这些工艺模型还可为开发基于知识的、面向热处理厂家和产品设计人员的软件程序提供基础。的确，为了提高性能同时又要降低成本、能耗和对环境的不利影响，设计人员应该对工艺和材料两方面的选择都有更深的认识。

10个研发项目得到了工艺与材料研讨组成员至少一票头等优先的投票。我们认为其中4个项目可近期（3~5年）完成：

• 基于知识的热处理数据库
• 改进的感应圈设计
• 改进的炉用合金
• 有助于减少工艺时间的改进钢种

3个项目有可能在5~10年内完成：

• 先进的工艺过程仪器仪表，包括随程(in-process)传感器
• 覆盖热处理工艺温度范围的热物性参数和力学性能数据库
• 热处理专用软件工具（实际属于中长期项目）

其余3个头等优先项目被认为是长期的（10年以上）：

• 轧钢工艺波动对材料相变动力学的影响
• 能使设计者更好选择材料和制定工艺的软件
• “彻底”了解显微组织对工件性能的影响

4.3 风险与回报分析

上述信息有助于确定研发的优先次序。另一个优先等级分析工具是回报/风险分析矩阵。

工艺与材料研讨组构建的回报/风险分析矩阵如表4.3所示（略）。应尽早开展已确认具有“最高回报最低风险”的研发项目。

5 能源与环境

能源与环境研讨组探讨了影响两个主要绩效指标的技术问题，这两个指标取自《热处理工业远景2020》：能耗降低80%，环境排放为零。本研讨组一开始就注意到原绩效指标中“效率”这个词并无确切含义，应更准确地理解为“从现在到2020年能耗降低80%”。这一提法已体现在前面第2部分所列表中。

5.1 技术进步的障碍

在最初的讨论中，本组认识到能源和环境问题以多种方式相互关联，而且还必须考虑到人类工程学问题和教育需求。大气排放控制、危险物品处置以及废水控制使封闭系统更受重视。

在淬火介质领域，油和各种盐浴可用可循环的聚合物淬火介质和可编程控制的水淬替代。替代燃烧加热方法值得重视因为不产生一氧化碳或者氮氧化物，而且气体-金属的热交换比液体-金属的要慢。在工艺改进方面建议用仅需一次加热的工艺淘汰多次重复加热的工艺。

如表5.1所示，确认的技术障碍分为环境、工艺、燃烧、设备、工艺模型、材料和商务7类。

表5.1 实现能源与环境目标的障碍

5.2 研发需求

克服障碍所需的研发项目分为降低成本、能源和环境3类，如表5.2所示。组员还对限定个数的项目标以头等(t)，高等(h)或中等(m)的优先等级。确认了低成本合金、加热工艺、工装和污染处理等方面的研发项目。对研发项目完成时间的评估分别表示为N（短期：0~3年）、M（中期：3~10年）和L（长期：10年以上）。研讨中非常明确地提出需要有相应的资助基金来源。

表5.2克服能源与环境方面障碍的主要研发项目

5.3 风险与回报分析

表5.3所示（略）为研讨组对研发项目的风险与回报分析。高风险项目包括那些被判定为最不可能成功、投资大或需很长时间完成的项目。

6 总结

在最后的全体会议上，各研讨组总结了研发项目建议。随后将这些项目建议合并为表6.1研发项目指南。

得到几个研讨组共同确认的一些明显普遍的需求包括：

1. 工艺周期短、所需设备和辅助材料价低的热处理工艺。还包括替代能源、更及时的设备维护和更有效的隔热。

2. 环境友好、换热效率更高的替代淬火介质。

3. 改进工艺传感器，包括碳含量、残余应力和清洁度传感器。以及充分利用这些传感器的先进控制系统。

4. 增强的计算机工艺模型，包含成分、畸变、组织和性能。

5. 更多的余热回收方法，尽可能避免重复加热，减少热损失。

6. 更有效地推广特定案例的解决方案。

并非所有项目建议就一切情况而论都是合适的。例如，提高渗碳温度以缩短钢中碳扩散时间的试验就失败了，因为基体钢的性能经高温后就变的不尽如人意。另外，还应考察和评估这些建议可能带来的改变之间的相互作用。

表6.1 热处理工业研发项目指南