1 熱處理行業(yè)現狀

    據中國熱處理行業(yè)協(xié)會在制訂國家熱處理行業(yè)“十一五”規(guī)劃時的調查，2003年我國的熱處理概括起來有以下幾方面的基本情況：

    （1） 企業(yè)總數

    全國全能企業(yè)熱處理廠、分廠、車間、股份制、民營熱處理企業(yè)約15000家。 其中全民所有制企業(yè)約占80%，有12000家；個體民營和股份制企業(yè)占20%，約3000家。由于內地許多地區(qū)在進行國營中小企業(yè)改制，華東、華南沿海城市民營企業(yè)仍在不斷涌現，也有不少外資企業(yè)準備在沿海城市設熱處理加工廠，“十五”后期民營與股份制企業(yè)總數仍會繼續(xù)上升。

    （2） 熱處理員工總數

    按全國熱處理廠點15000家，每家平均員工25人計，全國員工總數約37萬人。其中，企業(yè)技術人員比例平均 為8%，約37萬人；管理人員約9%，約3.3萬人。

    （3） 熱處理加熱設備總數

    按企業(yè)數占全國企業(yè)總數的5%計，反算得出的全國熱處理加熱設備（以75kW為一標準臺）約15萬臺，裝機容量11×106kW。

    （4） 熱處理生產能力

    設每臺設備平均生產率為100kw/h，全國平均1.5班工作制，15萬臺加熱設備的年生產能力近45×106t。

    （5） 熱處理能源消耗

    設熱處理加熱設備的平均利用率為30%，全國平均1.5班工作制，15萬臺設備的每年實際熱處理生產量為13.5×106t，消耗電總量為9.9×109kW.h。

    （6） 熱處理年營業(yè)額

    在調查中，熱處理加工的平均價格為2.30元/kg。按全年實際產量13.5×106t計，全國熱處理年營業(yè)額約310億元。若以平均利潤率10%計年創(chuàng)利潤總計30億元。熱處理行業(yè)增值稅率平均達12.5%，每年向國家納稅約39億元。

    2 科研、開發(fā)和新技術應用成果

    （1） 物理冶金基礎研究的進展

    結合新工程材料的研究和發(fā)揮已有材料的潛力，上海交通大學開發(fā)了金屬相變理論和強韌化機理的研究，對馬氏體、貝氏體的組織形態(tài)、精細結構、預相變機制，形狀記憶合金與超塑合金中相變機制都進行了深入研究。控制滲碳、滲氮和熱過程溫度、應力場的計算機模擬也是上海交通大學上世紀八十年代以來工作的突出方面。

    西安交通大學為根據機器零件服役條件及失效形式正確評價選擇材料，長期開展關于材料宏觀性能、微觀組織及其相互關系的研究。周惠久教授提出了小能量多次沖擊理論用以修正一些材料評價和選用的準則。結合低碳馬氏體在生產中的應泛應用，取得顯著成效。

    哈爾濱工業(yè)大學多年來在雷延權教授領導下堅持了金屬形變強化的理論和實踐的研究，對一定溫度和形變度下的金屬再結晶規(guī)律，形變熱處理后不同組織和性能之間叛亂紗有許多重要結論，并在此基礎上引導和開發(fā)了一系列變化學熱處理方法。形變熱處理應用的典型例子是汽輪機葉片和柴油機連桿的鍛后余熱淬火，既可節(jié)約電能，又能提高性能。哈爾濱工業(yè)大學還在金屬基復合材料、雙相鋼、銅基和鐵基形狀記憶合金和陶瓷韌化以及金屬和合金的離子鍍和離子注入等方面取得了突出成就。

    北京科技大學在低合金高強鋼、微合金鋼的理論和實踐，控制軋制，非晶態(tài)材料稀土元素在鋼中作用以及金剛石薄膜沉積等方面開展了系統(tǒng)研究，所得在果在冶金行業(yè)獲得實際應用。

    特別應指出的是柯俊教授早期提出的貝氏體無擴散切變機制、和阿隆松的擴散一臺階機制在國際上成為分庭抗禮的針鋒相對觀點。徐祖耀、康沫狂、俞德剛等人在貝氏體相變理論和開發(fā)貝氏體鋼以及貝氏體等溫處理方面都有突出貢獻。

    （2） 熱處理生產技術的進步

    ——滲碳技術的進步

    滲碳是汽車拖拉機工業(yè)應用最廣的工藝方法之一。50年代實現了從固體滲碳到井工爐中滴入液體滲劑的氣體滲碳的過渡，改善了產品質量，提高了工效。60年代初研制成功LiCl露點儀以后，首先在井式滲碳爐上實現了滴入甲醇和丙酮的可控滲碳。在掌握了吸熱式氣氛制備方法和研制成功密封滲碳爐以后，用露點儀實現了密封滲碳爐的碳勢控制。60年代末期研制成功紅外線二氧化碳分析儀。為了提高碳勢控制精度，在70年代推廣了紅外儀，主要用于井式爐的滴注式滲碳。目前用滴甲醇和煤油方式的可控滲碳已達到相當普及的程度。尤其是在70年代末、80年代初大量引進滴注式密封滲碳爐和多種微處理機可編程序控制器碳勢控制儀問世以后，在密封多用爐上也廣泛應用起來了。

    由于往爐中滴入甲醇和煤油，爐氣中的一氧化碳成分不穩(wěn)定，甲烷含量也達到1%～2%程度，只用二氧化碳紅外儀的單因素控制是很達到±0.05%的控制精度。為此，便研究開發(fā)出了二氧化碳、一氧化碳和甲烷的多因素碳勢控制的儀器和方法。

    因為制備吸熱式氣的原料——天然氣和液化石油氣供應緊張，而大量使用甲醇，生產成本高，迫使工業(yè)生產尋找別的出路。碳分子篩變壓吸附制氮（PSA法）技術的出現為解決這個難題創(chuàng)造了條件。80年代初期，研制成功國產碳分子篩制的同。隨后用氮基氣氛、甲醇和乙酸乙酯（或煤油）的合成氛滲碳法便應運而生。與此同時，引進了氣氛微量氧（氧勢）測量、控制技術和儀器。目前應用氮基合成氣氛和氧探頭的爐氣控制技術的滲碳、用微處理機控制碳勢和滲層深度的方法已在生產中得到廣泛應用。個別工廠還引進了Supercarb直生式滲碳法的設備和工藝。目前在汽車、摩托車、工程機械、軸承、齒輪、緊固件行業(yè)的可控滲碳、碳氮共滲、氮碳共滲技術已達相當普及程度。

    上世紀80年代以來，本土設備制造企業(yè)已能成系列生產密封多用爐、推桿連續(xù)爐滲碳、淬火、清洗、回火生產線和網帶爐生產線。應運而生的尚有與之相配套的碳勢和工藝過程自動控制系統(tǒng)的商品生產供應。1990年代以來，國際知名設備制造企業(yè)相繼在國內建立合資，獨資生產廠，為熱處理企業(yè)提供了可靠性高，價格可以接受的先進設備。為此，也刺激，提高了本土設備制造廠的制造水平，為近十年大量涌現的民營，股份制專營熱處理加工企業(yè)和國營大廠的熱處理技術改造和設備更新創(chuàng)造了好的條件。

    —— 真空熱處理技術的普及

    1970年代開始研制油、氣淬火冷卻的冷壁式真空熱處理爐，1980年代成系列地批量生產。目前本土制造企業(yè)已能成系列地提供真空加熱、油氣淬火爐、低壓滲碳爐、1MPa(10bar)高壓氣淬爐、真空燒結爐、和釬焊爐。真空淬火、高壓氣淬爐的最高溫度可達1350℃，真空燒結爐最高可達1800℃。各種爐種和爐型的產量在200臺以上。近幾年航空工業(yè)和模具工業(yè)的發(fā)展對真空熱處理爐、真空釬焊爐，特別是真空加熱高壓氣淬爐有大量需求，推動了真空設備制造業(yè)的興旺。低壓滲碳和高壓氣淬技術的結合，為車輛齒輪的延壽、減畸（變）和降噪提出了新的途徑，而體現此先進技術的半連續(xù)式生產線的開發(fā)為大批量生產的汽車齒輪熱處理的技術改造提供了可能。在新世紀之初、國內已有數家汽車、柴油機齒輪制造廠引進了此類設備和生產線。

    由于模具對表面質量和畸變的高要求，真空高壓氣淬已幾乎成為模具熱處理不可替代的技術。目前在華南和華東沿海，稍具規(guī)模的民營熱處理加工企業(yè)都擁有至少一臺0.4MPa（最多的有6臺）的真空加熱高壓氣淬爐。在切削刀具行業(yè)，數控和加工中心的廣泛應用，強烈要求刀具具有高的質量和長的壽命、城市的環(huán)保也對熱處理提出更嚴格要求，真空加熱高壓氣淬也因此成為高速鋼刀具熱處理替代鹽浴加熱淬火的首選工藝。

    —— 感應加熱的廣泛應用

    感應加熱技術在汽車、拖拉機、發(fā)動機工業(yè)中得到廣泛應用。在汽車制造中有200多種，近50%重量的零件采用感應加熱淬火，例如曲軸、半軸、凸輪軸、剎車凸輪、轉向節(jié)、變速導塊槽口、氣門調整螺栓，進排氣閥端頭、球頭肖等。其中東風汽車公司半軸的橫向磁場加熱淬火是最具代表性的先進技術。利用橫向磁場的矩形感應器實現了半軸表面和圓角的一次加熱淬火，使生產效率提高數倍、半軸的抗彎扭疲勞強度提高10倍。具有故障報警、診斷功能、由計算機自動控制的半軸感應淬火自動生產線已多年穩(wěn)定投入生產。我國汽車工業(yè)的感應熱處理已達到國際先進水平。

    我國的感應電源制造企業(yè)自1990年代引進SIT（靜電感應晶體管）、1GBT（絕緣柵雙極晶體管）和MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）全固態(tài)晶體管電源以來，老式的電子管高頻電源和機式中頻發(fā)電機組已逐步被晶體管電源代替，本土企業(yè)生產的新式電源已能基本滿足用戶企業(yè)在功率和頻率上的要求。感應淬火機床朝柔性化、自動化、智能化方向發(fā)展具有識別零件，控制功率、自動調節(jié)工藝參數、故障顯示、報警、診斷的感應淬火裝置，在汽車工業(yè)生產中也逐步推廣應用。

    —— 化學熱處理的潛力得到發(fā)揮

    除滲碳、碳氮共滲以外的化學熱處理，尤其是鋼在鐵素體狀態(tài)下的化學熱處理，其特點是工件畸變小，對提高機器零件耐磨減摩性能，提高抗疲勞、抗腐蝕性能和抗咬合能力以及節(jié)能降耗有明顯效果。自上世紀60年代機械部機械科學研究院研制成功鹽浴氮碳其滲（軟氮化）和無毒原料氮碳共滲，并在生產上應用以來，又陸續(xù)開發(fā)出碳氮硼三元共滲、氨+吸熱型氣氛、氨+空氣、氨+二氧化碳的氣體氮碳共滲和氮氧共滲以及低氰鹽浴滲氮、拋光、氧化的QPQ技術和LT鹽浴氮碳共滲在汽車、摩托車、輕紡機，機床，工模具、緊固件、儀器儀表、兵器等行業(yè)獲得廣泛應用。由于效果好、成本低，工藝過程簡單、毒性很小，特別受到上列行業(yè)外資企業(yè)和外銷產品企業(yè)的青睞。

    氣體滲氮雖然工藝周期長，但因滲層硬度高，提高零件耐磨性效果好，且工件畸變小，在機床精密零件中廣泛應用。上海交通大學潘健生教授在1980年代即對控制滲氮技術開展了系統(tǒng)研究。通過對氨分解率（H2）的精確控制，可以獲得預想的鋼件滲層含氮量和理想的組織結構，在生產中得到推廣應用。山東工業(yè)大學（現為山東大學材料工程學院）和江蘇機械研究所（現為鑄鍛熱處理研究所）在1970年代研發(fā)出可得到脆性小的單相Fe2B層的固體滲硼法和粒狀滲硼劑商品。武漢材料保護研究所亦于同期開發(fā)出硼砂鹽浴滲金屬技術（類似日本的T.D法）。二者在提高冶金、礦山機器零件和模具壽命上充分發(fā)揮出了化學熱處理的潛力。

    —— 離子熱處理的盛行

    早在1970年代初北京機床研究所就研成功國內第一臺10A離子滲氮試驗裝置。 此后，離子滲氮技術的研究在全國各地如雨后春筍船開展起來。對工藝參數、滲層組織和性能之間的關系進行了系統(tǒng)研究，探索了鋼中含碳量和合金元素以及原始組織、溫度、時間、壓力、氣體介質成分對滲層組織的影響。判明了形成γ、ε相，γ'+ε或ε+Fe3C復合相化合物層以及無化合物層的條件，測定了鋼件在多種服役條件下最適宜的組織形態(tài)。這些結論對離子滲氮的擴大應用打下了良好的基礎。到1980年末全國已有上千臺離子滲氮設備、數十家離子滲氮設備制造廠、興起了一場推廣離子滲氮技術的高潮。

    除離子滲氮外，許多科研單位、大專院校還開展了離子滲碳、碳氮共滲、離子軟氮化、硫氮和碳氮硫共滲、離子滲硼等技術的研究開發(fā)，但由于技術復雜、生產成本高、環(huán)保和安全衛(wèi)生等因素，未得到廣泛應用，生產應用最廣的還是離子滲氮。

    離子鍍滲技術的研究和應用也是我國熱處理技術進步的范例。太原工業(yè)大學，北京聯合大學和電子部第一研究所對離子鍍滲機理、工藝參數的優(yōu)選、鍍層質量和工藝的關系進行了深入研究，開發(fā)出了多層輝光離子滲金屬和多弧離子鍍技術，不僅可以在金屬制品表面獲得致密的TiN沉積層，得到W、Mo、Cr、Ni等單元素鍍滲層，而且還可以使W、Cr、Mo、V等元素按不同組合和比例同時滲入普通鋼材，使其表面得到相當厚的類似高速鋼成分的鍍滲層，從而代替昂貴的高速鋼。

    —— 激光和電子束熱處理

    激光熱處理的試驗研究起始于1979年。最初是在250W的小功率激光器上用小試樣驗證了鋼表面相變硬化的效果。目前二氧化碳激光器已能做到10kW的功率，激光器、導光聚焦系統(tǒng)和5坐標工作臺都能自行制造。

    開展了激光和電子表面相變硬化、熔化凝固、表面涂復和表面合金化的試驗研究。激光相變硬化在汽車發(fā)動機氣缸套、彈性聯軸節(jié)主簧片、紡織機錠桿、量具塊規(guī)、鑿巖機氣缸等機器零件上獲得應用。一汽、二汽、北京內燃機總廠、西安內燃機配件廠都已建立起缸套的激光硬化生產線。

    十幾年來，從國外引進的大功率二氧化碳激光器有十數臺之多。目前國產設備已基本取代進口。

    大功率激光器的研制和生產單位有華中理工大學、上海光機所、沈陽機電設計院、中科院北京自動化所等。承擔國家863科研項目、在激光熱處理應用上有貢獻的單位有沈陽金屬所、北京機床所、北京市機電研究院、原機械部北京機電所、長春機械研究所等。原機械部北京機電研究所和中科院自動化所合作研制了15KW的電子束熱處理裝置。

    —— 熱處理質量的嚴格控制

    產品質量愈來愈嚴格的控制是近代熱處理技術發(fā)展的主要特點之一。這是隨著金屬學規(guī)律愈來愈精確的研究，測試傳感技術和儀器制造的長足進步以及電子計算機普及應用的必然結果，我國在這方面取得的進步主要表現在以下方面。

    1) 工藝過程的自動化作業(yè) 采用順控器或微處理機按熱處理工藝的要求實現裝料、加熱、冷卻、清洗、回火，卸料等工序的自動化生產過程已在部分汽車、拖拉機、軸承、緊固件等大批量生產的企業(yè)投入使用。汽車工業(yè)的大型連續(xù)式滲碳、淬火、回火生產線和密封多用爐生產線大都采用微處理機控制的自動化作業(yè)。在真空熱處理設備上用順控器或微機的程序控制作業(yè)也有許多成功的經驗。

    2) 工藝參數的嚴格控制 對熱處理工藝參數，如時間、溫度、爐氣戒分和壓力、淬火介質的濃度、雜質和冷速(攪動程度)的嚴格控制可使工件保持穩(wěn)定的高質量，使工件的表面質量、表面和心部硬度、滲層的滲入元素濃度和梯度、滲層深度都能得到有效的控制。在我國，由于可控硅控溫和PID儀表的普及，一般熱處理電阻爐(800～1000℃)的控溫精度可達到±5℃，甚至±2℃。采用紅外線氣體分析儀和計算機可對爐氣中的CO2、CO、CH4爐氣壓為等因素控制甚至達到±0.02的精度。目前可控硅控溫技術已達相當普及程度，各種規(guī)格的控制器都可在市場上買到。一些高校，科研單位和企業(yè)開發(fā)的按工藝參數和質量關系的數字模型用計算機直接控制產品的嘗試已取得成功，部分成果已在生產上應用。

    3） 嚴格的質量管理 通過熱處理行業(yè)協(xié)會開展的質量管理信得過企業(yè)、規(guī)范企業(yè)評選活動和質理檢驗員的培訓，在本世紀初熱處理企業(yè)的生產管理和質量管理水平有了明顯提高。大部分企業(yè)都重視改善質量檢驗條件，除國營企業(yè)外，大部分民營企業(yè)都購置了金相顯微鏡，硬度計，磁粉探傷儀、少數企業(yè)還配備有看譜鏡，定量金相顯微鏡；通過評選的兩類企業(yè)和大部分被調查企業(yè)的技術工人都經過培訓和持證上崗，在生產中建立了熱處理工藝卡，流程卡，檢驗規(guī)程，質量檔案等各項管理制度、主動執(zhí)行熱處理質量管理標準和熱處理爐有效加熱區(qū)測定以及各類工藝標準。由于這些工藝條件的嚴格規(guī)定、工藝操作的規(guī)范化，職工素質的提高，使這些企業(yè)的熱處理件質量分散度逐步降低，產品一次合格率提高到98%以上，到2003年底通過ISO9000認證企業(yè)近1000家，占全行業(yè)企業(yè)總數的6%，占營業(yè)額500萬元以上企業(yè)總數的20%左右。

    —— 熱處理專業(yè)化生產蓬勃發(fā)展

    自國家實行市場經濟后，1995年以來熱處理專業(yè)化生產發(fā)展神速、主要表現在民營、股份制專營熱處理加工的企業(yè)迅猛增長。在2003年主要集中在沿海城市的這類企業(yè)總數至少在2000家以上。近幾年，華北、東北及內地民營熱處理企業(yè)亦有明顯增長趨勢。全國熱處理專業(yè)廠有可能達到3000家。保守地設每個企業(yè)平均年營業(yè)額200萬元，全國這類企業(yè)的年營業(yè)額可達60億元，約占全國熱處理總營業(yè)額的20%。此比例大于美國的10%，小于日本的30%。不可否認，這是上世紀80年代國家提倡專業(yè)化生產以來，在近幾年取得的最大成就，也是深化改革、推行社會主義市場經濟的必然產物。

    —— 熱處理生產技術改造和設備更新如日中天

    大部分民營企業(yè)認識到高技術起點對保持企業(yè)強競爭能力的重要性。他們有足夠的資金和能力購置先進的熱處理設備，航空、兵器、船舶工業(yè)企業(yè)近幾年受惠于國家的國防現代化政策，進行了大規(guī)模的技術改造和設備更新。汽車工業(yè)的空前發(fā)展對先進熱處理技術和高精熱處理設備形成大量需求，航空工業(yè)企業(yè)和沿海民營以輕工產品模具為主要對象的企業(yè)近幾年增添了大量真空熱處理設備，尤其是高壓氣淬設備。汽車、兵器工業(yè)企業(yè)和以汽車、摩托車零件為主要對象的民營企業(yè)則以多用爐生產線為主要技術改造內容。個別汽車公司的熱處理部門還引進了低壓滲碳和高壓氣淬熱處理生產線。船舶工業(yè)企業(yè)則以高爐溫均勻性的碳勢精確控制的大型井式滲碳爐為技術改造目標。在這些企業(yè)中，由于生產技術改造的蓬勃開展，少無氧化熱處理的比重已達到90%以上?；旧蠈崿F了少無氧化、少無畸變、少無污染、少無廢品、少無人工、少無質量分散的先進的熱處理生產。

    —— 熱處理設備制造有了轉機

    “九五”期間，因國營企業(yè)資金拮據，尚未興起熱處理設備更新高潮，更由于外資企業(yè)的進入，國內熱處理設備市場競爭白熱化，使不少技術落后，經營不善企業(yè)瀕臨倒閉邊緣。“十五”以來，大量民營企業(yè)的涌現，使設備需求大增，即使是低水平的設備也暢銷無阻，救活了一批電爐制造企業(yè)。外資企業(yè)的進入和用戶的高技術起點也使不少設備制造廠勵精圖治，不斷提高自己的產品檔次，贏得了用戶。值得一提的是不少設備制造企業(yè)應用戶要求采用優(yōu)質配套件和儀表，其中不乏國際名牌產品使國產設備的可靠性有了明顯改善，為熱處理加工企業(yè)的技術改造和設備更新創(chuàng)造了好的條件。

    （3） 熱處理標準化的進展

    實行改革開放政策以前，熱處理標準的基礎是很薄弱的。1980年以前，在國標和冶標(YB)中只有12項鋼材的冶金質量標準，機標(JB)中只有8項熱處理標準，且大多數是產品質量檢驗標準。改革開放以來，特別是在提出等效采用國際標準方針后，包括熱處理標準在內的標準工作出現了新的局面。政府各部門的標準化機構都設專人負責熱處理標準化工作。在提出的熱處理標準體系表中羅列了制修訂94項國標、部標的計劃。在1981—1985期間共完成21項標準的制修訂任務。為了使標準化工作實行跨部門，跨地區(qū)的行業(yè)管理，以動員更廣泛力量盡快實現標準的現代化，國家標準局(現改為國家技術監(jiān)督質量檢驗檢疫局)在1985年決定建立各行業(yè)的全國性標準化技術委員會。1986年3月在國標局主持下成立了由30名委員和顧問組成的第一屆跨行業(yè)跨部門的熱處理標準化技術委員會。秘書處設在機械工業(yè)部北京機電研究所。1991年改選成立了第二屆委員會。1997年和2001年改選為第3、4屆委員會。委員會的主要任務是：向國家主管部門提出本行業(yè)標準化工作的方針政策性建議，制訂本行業(yè)標準體系表，提出長遠規(guī)劃和年度工作計劃，組織本行業(yè)標準項目的制修訂工作，審查本行業(yè)國標和行標草案，并在技術上把關，負責標準的宣傳貫徹、解釋、咨詢、提出標準成果的獎勵建議等。

    經過近20年的努力，已制修訂出76項國標和行標。其中絕大部分內容是熱處理通用技術標準和工藝標準，不包括產品質量標準，大多數是國標的熱處理通用技術標準在國內和國際貿易談判中對金屬材料經熱處理后的組織和性能有了一個能公認的品質優(yōu)劣的判據，產品的質量檢驗方法也有了一個共同的準繩。新制訂的熱處理工藝標準可用來嚴格控制生產條件(設備儀表精度，可靠性與維護、溫度、爐氣、加熱和冷卻介質等)，是實現熱處理生產全面質量管理的有效措施。

    近幾年由全國熱標委會組織開展的針對熱處理專為廠的達標驗收活動提高了企業(yè)貫徹熱處理標準的積極性，改善了企業(yè)的生產管理和質量管理、提高了企業(yè)的信譽、效益和核心競爭能力。