Ｉ＝＝科学技水 —Ｊ ｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 我国金属热处理的现状与发展趋势探讨 柯观振 （广＇Ｊｉ、Ｉ半导体材料研究所，广东广州５１００００） 摘要：讲述了我国金属热处理的现状及发展中存在的问题，提出了我国金属热处理技术发展重点和趋势，以“绿色化、精密化、 智能化、标准化”为行业的努力方向，包括绿色化热处理技术、发展高端热处理装备、研发关键材料及核心零部件热处理工艺、 发展信息化智能热处理技术和实施标准化战略。 关键词：金属材料；热处理；绿色化；智能化 中图分类号：ＴＧ１４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１１—５００４（２０１８）叭一００５６—２ 金属热处理是机械制造业的关键核心技术，是衡量一个国 家或地区制造业实力和国际竞争力的重要标志。它是机械零件 和工模具制造过程中的关键工序，对于发掘金属材料的潜能，提 高产品的质量，延长产品的寿命，提高经济效益都具有十分重要 的意义。《中国热处理与表层改性技术路线图》针对我国关键构 件可靠性差、寿命低和结构重的三大问题，制定了“精密一高效一 经济一清洁一产业”的发展目标，指出了我国热处理技术应朝“绿 色化、精密化、智能化、标准化”的方向发展…。 １ 我国金属热处理发展中存在的问题 １＿１ 热处理质量难以适应高端装备和关键零部件的要求 虽然我国装备制造业的机械加工水平提高很快，许多复杂 整机和高精度的零部件也都能制造，但热处理技术水平低始终 是个短板，与国外先进水平相比，我们的产品寿命和可靠性有 较大差距。例如：我国滚动轴承产量在全球占比很大（约六成）， 但时速２００公里以上的铁路轴承，转速２５００转／分以上的精密 机床轴承，大功率风力发电机主轴轴承等高端轴承还得依赖进 口；再如，我国汽车变速箱行业虽然近几十年来发展很快，但是 热处理水平跟不上致使齿轮承载能力低，与国外相比体积、质 量较大，且常有断齿等严重事故发生。在中低端领域，我国大量 仿制、代工国外早年开发的、热处理要求低的产品，然而这些产 品附加值低、使用寿命，环境资源代价沉重的却只换来微薄的利 润；在高端领域，由于热处理技术不高，国内难以生产出高品质 和耐用的商品，有的往往只是好看样机和展品。高端装备和关键 零部件对进口的依赖威胁着我国的经济安全和国家安全。 １．２热处理能耗大，环境污染严重 在热处理能耗方面，２０世纪七十年代末，欧洲和日本分别 已经达到４００ ｋＷ·ｈ／ｔ和３００ ｋＷ·ｈ／ｔ以下，同期我国的热处 收稿日期：２０１８－Ｏ１ 作者简介：柯观振，生于１９８５年，男，广东茂名人，从事激光晶体材料的研究 与生长方法。 理能耗是１２００－１３００ ｋＷ·ｈ／ｔ，到２０１０年这个数值才下降到 约６００ ｋＷ·ｈ／ｔ，比起我国过去的水平有了较大幅度提升，但 是却还赶不上上世纪七十年代的世界先进水平。另一方面，大量 的淬火油烟、热处理尾气严重污染着环境。 １．３高端热处理设备依赖进口 我国热处理装备的设计与制造一直落后于国际先进水平， 虽有热处理设备制造厂数千家却只能制造出国外几十年前水平 的设备，重复引进国外高端的热处理设备，并且价格昂贵，由于 技术含量高和知识产权等原因其售价往往能达到成本的１０几～ 几十倍。因而，缺乏创新能力使我国热处理工艺装备制造业严重 依赖进口，无力满足高端用户的需求 Ｊ。 ２我国金属热处理的发展重点与趋势 ２．１绿色清洁的热处理技术 我国热处理技术虽然在少无氧化加热、节能减排方面有了 明显的进步，但热处理生产在整体上仍然处于高能耗、高排放模 式，与生态环境保护形成冲突，迫切需要发展科技含量高、资源 消耗低、环境污染少的绿色清洁热处理生产体系。主要包括： （１）真空低压渗碳技术。该技术通过高碳流量实现高效碳转 移，不用ＣＯ 、ＣＯ载气，能较好替代可控气氛渗碳。该技术使 器件表面奥氏体的碳浓度短时间饱和，减少了渗碳时间并降低 了能耗，使渗碳技术转化成少无污染过程。 （２）真空高压气淬技术。该技术处理的工件清洁、无氧化、 无脱碳、工件畸变小，可以部分甚至完全替代油淬。高压气干 燥，不用清理，环境负荷小。 （３）可控气氛热处理减量化技术。传统的可控气氛热处理对 碳的利用率极低，而且需要消耗大量的含碳原料气，大量排放的 可燃废气燃烧又烧耗了９８％的气氛。国内外针对这一问题研发 了渗碳废气循环利用系统Ｈｙｂｒｉｄ Ｃａｚｂ、真空锁气技术、前室预 抽真空多用炉技术等，减少了废气排放并节约了能源。 （４）余热利用热处理技术。利用各种余热进行热处理可节约 大量热能，节约用地。锻造、淬火、回火合作一生产线上又可缩 短生产时间，提高效率；且锻热淬火比一般热处理提高了产品 力学性能。 ［—科学技术 Ｊ ｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （５）以水代油淬火冷却技术。中碳合金钢的淬火冷却以水替 代油和聚合物类介质进行，可以大量减少废弃的淬火油和废弃 国际先进水平相比还有很大距离。 （３）热处理机器人。“智能制造”与“机器换人”正由概念 转向实用，智能控制系统是一种在各种复杂的不确定性环境中 的聚合物类介质的排放，并能节约许多淬火油或聚合物类介质 的费用‘ 。 ２．２发展高端热处理装备 以最低限度的人工千预高度自主地实现追求目标功能的控制系 统。智能控制系统的主要性能是高性能、稳定性、适应性、容错 性、学习能力、实时 和人机协作功能。 （４）数字化热处理车间。近年来我国在大力加快数字化热处 理装备和智能化车间的建设。这方面的建设可以降低对工人的 需求，并且适应质量同等化的要求。数字化、信息化热处理车间 发展高端热处理装备是生产出高质量产品的需要，是提升 本国竞争力、走出国门的需要，也是实现提质增效和建设“一带 一路”的需要。面对未来的潜在客户和高端产品走出国门，我们 应该以标准化引领高端热处理设备发展，并重点发展绿色化、精 密化和智能化等技术提升，慢慢形成独具特色的高端热处理装 备产业体系和标准化体系。目前，我国已具备高端热处理装备整 成为继“少无氧化热处理”技术后的一个新的重大改革热点 】。 ２．５热处理标准化战略 机初步设计制造能力、数字化热处理车间一体化设计和大型工 程承包能力，再配以价格、服务和配套等优势，高端路线将逐步 转型升级，并满足“一带一路”倡议的需要。 ２．３研发关键材料及核心零部件热处理工艺 核心零部件的热处理工艺对保证机械产品可靠性、精度和 整机性能具有重要作用。然而，由于关键零部件的材料及热处理 技术不过硬，国内很多核心零部件需要依赖进口，例如精密减速 器是工业机器人的核心部件，未来国内在这方面的市场需求将 达１００亿元以上，然而受热处理工艺水平的限制，国产的精密减 速器可靠性差，故障率高。再如，我国滚珠丝杠类滚动功能部件 ８０％以上需要进口。 在关键材料方面，激光晶体材料是制作固体激光器的介质， 是固体激光技术及产业的重要支撑材料，也是激光技术的核心 和基础。目前，高功率激光晶体在军事、工业、医疗等领域被广 泛研究和应用，而在高功率激光晶体中又数Ｎｄ：ＹＡＧ晶体最重 要，同时它也是应用最广泛的激光晶体 ｌ。因而Ｎｄ：ＹＡＧ晶体 材料的热处理是一个值得研究的方向。研发关键材料及核心零 部件热处理工艺，一是热处理工艺的创新，包括预备热处理的设 计、加热和冷却工序的设计等；二是热处理工艺的优化。要优先 将真空低压渗碳、高压气淬等新工艺新设备应用在关键零部件 热处理的工艺改进上。第三是热处理生产过程与热处理质量的 控制。通过研发和采用热处理新技术，制定关键零部件热处理工 艺、生产过程规范、质量检验方法及评价方法，从而严格控制热 处理生产过程和质量。 ２．４发展信息化智能热处理技术 热处理智能化通过综合运用计算机技术、精密传感技术、精 密控制技术，提高热处理质量和工作效率；优化工艺过程，实现 节能环保；提高了自动化、智能化水平，降低生产劳动强度，降 低人力成本。发展信息化智能热处理技术包括： （１）计算机模拟。计算机模拟技术是热处理虚拟生产、热处 理设备虚拟设计的关键技术。该技术的作用主要是减少试验的 次数，缩短研发周期，已成为发展迅速潜力巨大的热处理提升技 术。 （２）热处理传感器。我国热处理传感器技术在许多方面得到 了广泛应用，并且接近了国际水平，比如温度、压力、碳势、基 本力学性能等方面，但在热处理和表层改性传感器技术方面与 标准是质量的基础，标准引领质量提升。工业发达国家普遍 将标准化上升到政府层面上的国家战略。如美国的“再工业化” 战略，德国的“工业４．０”战略，都把标准化作为支撑战略的重要 手段。在质量优先战略指引下，我国的热处理标准化工作逐步加 强和完善。２０１ １年，全国热处理标准化技术委员会提出了加快 重点标准的修制订、提高标准的先进性、完善标准体系建设，并 且要求通过提高标准的技术指标，向国际同类标准的先进水平 看齐，以促进行业发展；开展先进热处理工艺装备标准的制定； 加快材料尤其是有色金属热处理标准的制订；加大节能、环保、 安全方面标准的制修订力度。 另一方面，又扩大了诸如先进热处理设备标准、零件热处理 等领域的标准制定。等经过几年的努力，我国热处理标准体系不 断完善，标准数量不断增加，并且在诸如节能与环保等方面形成 一个比较完整的独立标准体系。这些标准为装备制造业热处理 质量的保证起到了重要作用。２０１６年４月６日，《装备制造业标 准化和质量提升规划》经国务院常务会议审议通过并实施，成为 国家层面的战略 －。 ３结语 我国热处理技术的发展始终任重道远，我们应认识到热处 理工艺和装备对制造业转型升级和提质增效的深刻影响，以绿 色化、精密化、智能化和标准化将引领热处理技术的发展方向， 并且在高端战略的行业技术提升工作中争取得到新的发展机 遇，助力中国走向制造强国 。围 参考文献 ［１】 李茂山，吴光英．金属热处理的现状及发展趋势（二）【Ｊ】．国外金属热处 理．１９９８（１）：５－７． 【２】 潘健生，顾剑锋，王婧．我国热处理发展战略的探讨【Ｊ】．金属热处 理．２０１３，３８（１）：４－１４． 【３】 徐跃明，李俏，罗新民．我圈热处理技术发展的几个重点［Ｊ】．金属热处 理．２０ｌ７，４２（４）：１－５． 【４】 李克明．现代人工晶体材料研究＿【Ｊ】．才智．２０１２，（６）：３１． 【５】 徐跃明，李俏，罗新民等．热处理技术进展【Ｊ】．金属热处理．２０１７，４２（４）：１— ５．