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1、美国热处理技术发展远期目标1背景美国能源部工业技术局(DOE-OIT)于上世纪90年代树立了一个被称为“未来生产技术” 的设想，为此提出一系列必须实现的技术项目。其目的是帮助美国大量使用能源和形成大量 工业废料的行业利用这些技术取得不断进步和保持国际竞争能力。热处理虽然不算是“未来 生产技术”计划中的原木行业，但此领域内的企业被公认是主要能源用户，对制造业发生实 质性的影响。美国能源部和热处理协会(HIS)最近签定了一个参加未来工业计划的“合作伙伴” (Allied Partner)协议，其目的是通过最优秀的实践(best practices)达到提高能源 利用率和劳动生产率的效果。这些实践的
2、领域是控制和传感技术、压缩空气、加热工艺、工 业技术信息的共享以及各种研发活动。2发展路线图制定过程美国金属学会热处理学会成立于1994年，下设紧急需求(Immediate Needs)、研究开发、 工艺和程控(Technology and Programming) 教育四个委员会。其宗旨是首先是在这些方 面满足会员要求，其次研发委员会的任务是确认热处理彳丁业的未来技术需求，确立计划、资 金、实现满足需求研发项目以及这些成果向工业生产推广的机制。1995年和1996年紧急需 求委员会在全行业的企划中进行了全面调查，列出一系列热处理生产中紧急需求项目。1996 年2月美国国会能源部、热处理学会、
3、金属热处理协会(Metal Treating Institute)召集了 20名热处理全能(captive)和专业(commercial)加工企业、制造业和销售企业领导讨论并提 出了美国热处理2020年设想和远期目标。有17名专家组成的热处理学会研发委员会于1997 年2月提出了热处理技术发展路线图初稿和三个领域，既设备和硬件材料、工艺和被处理材 料、能源和环境方面的70个研发项目以及1999年的研发计划。2002年7月热处理学会研 发委员会在依利诺依斯工业大学对路线图进行讨论修改和补充。2004年公布了 “热处理学 会的2004热处理路线图修订稿”。3.美国热处理2020年设想目标美国热处理
4、2020年设想目标是能源消耗减少80%,工艺周期缩短50%,生产成本降低75%, 热处理实现零畸变和最低的质量分散度，加热炉使用寿命提高到原先的10倍(增加9倍)， 加热炉价格降低50%,实现生产零污染。4组织实施措施1999 年 9 月在 Worcester X业大学(Worcester Polytechnic Institute,简称 WPI)的 金属加工学院成立了 热处理杰出技术中心(Center for Heat Treating Excellence, 简称CHTE) CHTE成立后不久在Illinois工业大学成立了 “热加工技术中心” (Thermal Processing Te
5、chnology Center,简称TPTC)组织全彳亍业的企业参与研发实现路线图目标 和完成所提出的70余个研发项目。5值得重视的研发项目利用地下水循环的感应加热淬火500kW的感应淬火利用地下水闭路循坏冷却，使用时用深井泵抽取底下水，后经净化 处理再返回地下。目前密执安州Alger市Roll Rite公司的一台150kW的Ajax Tocco感应 淬火系统已经采用此法，每日的费用仅以美分计。强烈淬火工艺乌克兰科学院柯巴斯科院士开发的钢件用水或盐水剧烈冷却淬火是表面形成残余压应 力并减少畸变的方法，已在美国获准以Intersi Quench服务商标注册了 IQTechnologies Inc
6、 公司。由于以水代油，减少了油品消耗并显著降低生产成本，受到美国能源部的重视和支持。1010C以上温度的高温渗碳真空渗碳技术的成熟和低压渗碳技术的开发为实现高温渗碳制造了条件。由于能显著缩 短渗碳周期和节省能源，此项目已列入路线图研发计划的“工艺和材料技术”分组计划。WPI 的CHTE推动了工业企业和高校的合作、制造商和生产用户的协同开发。(4)Ni3Al金属间化合物一新型炉内抗渗碳耐热构件材料N13A1已问世约20年，因为很脆，长期未获实际应用。Oak Ridge国家实验室由Chain T. Liu领导的集体发现添加微量硼可显著改善其塑性，可作为炉子料筐、夹具，Ni3Al材料 为添加Cr、Z
7、r、Mo、B的8%11%A1, 81%88%Ni。此材料具有出色的强热性、抗蠕变、抗 渗碳能力。Delphi-Saginaw Systems公司通过和能源部的合作研究与开发协议已在料盘上 进行了多年的成功试验。APM和APMT (更高强型APM合金)合金长寿命辐射管瑞典Kanthal AB的Sadvik公司继Kanthal AL电热丝之后相继开发出APM和APMT合金。 此种材料仍然是在A-1粉末材料基础上，通过热等静压(Hot Isostatic Pressing)和深拉 延出来的。用APM合金制造的电热和然气辐射管比普通耐热合金辐射管能经受双倍的热流， 925C能经受的热流可达910kJ/
8、itf。炉用平面辐射板燃气技术所(Gas Technology Institute)开发的能砌入炉壁的平面辐射板(fiat radiant panel),能增加辐射表面、降低表面温度、延长炉子使用寿命，提高炉温均匀性， 减少炉衬，使炉子尺寸缩小50%,加快炉子升温和冷却速度，形成的NOx很少。反向循环单管封闭式辐射管(reverse annulus sigle-ended radiant tube)北美制造公司Noth Amerivan Mfg. Co)和燃气研究所(GTI)共同开发。热辐射率高， 用相同材料制造此种管能经受更高温度，提高燃烧效率10%,减少50%的NOx,使用寿命长。低NOx
9、燃气强烈内循环(FORCED Interval Recirculation)辐射管GTI开发的U型辐射管延管长温度均匀。当炉温为1010C,空气遇热温度从455C提高 到了 480C时,产生的N0x0.008%( vol )。而一般预热空气辐射管所产生的NOx大于0. 02% 0. 25% (vol)o直焰冲击燃烧技术(Direct Flame Impingement Technology)使用多喷嘴平嵌入炉壁的高速燃烧器，喷射速度达到1马赫(330ni/s),可在空气过 剩系数a=l的条件下工作，提高能源利用率35%,减少70%的NOx,提高生产率25%,减少 50%的氧化烧损，有年节约11
10、. 5亿美元的潜力。(10) 智能化感应淬火闭环控制系统(Closed - loop control technolgy)利用神经网格系统控制原理，全面控制选材、相变、加热工艺、渗层。所提供的软件具 有优化零件强度/重量比的功能，具有的主、被动电磁传感器能监控整个加热过程中的透热 深度。(11) 预见钢件渗碳淬火时的残余应力状态的软件(12) 延长机器零件寿命残余应力状态的DANTE软件(13) 准确预见钢热处理相变定量数据的软件(工艺热能评价的鉴定软件该软件为美国能源部计划项目，供用户按不同燃烧方式和热回收参数进行热能转换的工 具，可比较炉子在工作状态下的性能，技术各种工作条件的节能潜力。(
11、15) 加热炉能源分析工具可计算按小时、年度或每磅零件的燃烧、电能消耗成本数据。(16) 能源有效利用分析软件。6.设备和硬件材料部分研发项目工艺控制主要包括：开发改进预测工具，例如工艺设计、预见状态、热物理和力学性能预测计 算机模型。开发适时过程控制技术，安装在炉中和淬火槽中测量气流、淬火烈度、碳、氮 势的灵巧传感器。开发在工件上适时直接测量表面含碳量的方法。开发工艺参数无人监 控的生产方法。快速、无损、经济、适时测量渗碳层深度的方法。用多种传感器和技术 按AMS规范鉴别炉子的更优化系统。更好的设备故障诊断、预防、维护方法。如烧嘴裂纹 预测、防止炉内气氛恶化。建立标准/预见设备易变可行性的研
12、究。例如不可能有两台一 样的炉子。预测炉子几何尺寸、风扇速度、装炉量和装炉形态的模型。（2）材料主要项目包括：改进氧探头的抗碳黑能力一一开发能用于700C以下的氧探头。新 的功能材料（如绝热材料）和结构材料（如在高温下工作的结构材料）。炉用经济耐热构 件材料。提高炉子的耐热构件合金性能，包括抗渗碳合金夹具、料盘的廉价涂蹭。硬件（设备）主要包括：高效（80%）燃烧器。高流速换热器，高转速风扇，增加传热面积等提 高炉料受热条件的措施。减少散热的筑炉廉价绝热材料。节能、无内氧化渗碳气氛。 铝合金淬火设备的改进。整批（盘）炉料的均匀淬火系统。淬冷设备改良设计模型。 单件流动和机加工同步热处理设备。附加
13、淬火机床上的能适时感知淬火开裂的转感器。 廉价的残余应力非破坏检测方法。更有效和更廉价的液态工作脱脂方法和设备。7工艺和材料部分研发项目材料和工艺主要包括：减少试验、避免错误的设计感应器软件工具。抗晶粒长大的高温（ 1010C）渗碳钢。缩短渗碳周期的工艺。改善感应、磁场、炉内加热回火、时效工艺的 减少质量分散度和缩短工艺周期。减少加热时间的快速加热相变动力学。稀土元素对热 处理组织转变的影响。高效的表面改性工艺。材料的深冷处理极限。聚合物、复合材 料、新的铁合金和非铁合金等新材料的热处理。可代替渗碳的材料和工艺，控制淬透性钢、 强烈淬火。代替表面淬火的高效生产方式。材料应用软件和模型数据库主要
14、项目包括：材料选择软件：用户输入要求性能、输出工艺和热处理参数。材料 失效（破坏）过程模型：输入使用特性指标（磨损、载荷、腐蚀）、输出材料的组织性能， 反过来用于失效分析。模型的开发主要项目包括：加热、冷却体积应变的相变模型。加热和冷却相变的体积应变模型。%1 连续加热和冷却相变数据库。包括轧制变量、成分不均匀组织对相变的影响。把相变模 型汇集为软件工具。把相变模型转化为高温性能的数据库。生产设备使用不同介质测量 介质和工件传热过程的探头。不同介质中冷却的试验工业标准。渗碳、氮、高温渗碳气 固相作用的热力学模型。预先冷却、残余应力和性能关系的热力学模型。过程控制系 统的适时控制系统的链接模型。
15、形成有效均匀热传导的流体动力学的计算机模型。&能源与环境部分的研发项目能源主要包括：开发回收低级热的经济方法，废热的收集和利用，例如工业热和烟道热。 高效热传导的加热设备和技术，例如能提高传热速度的等离子加热。高温热回收技术。%1 进一步开发可提高热效率的富氧燃烧技术，例如流体薄膜技术。收集热处理设备能源利 用底线数据，用于确立未来节能标准数据。回收加热炉气氛的方法。积累热、电与热处 理协调的先进技术。开发高温气体循环系统，以改善加热炉效率，例如冲击加热法。局 部加热和表面淬火的节能新工艺。热处理设备设计的标准化，以实现其通用性和减低设计 费用。环境主要项目包括：减少co、C02,和NO*的燃烧技术和后处理技术。清洗液的清除、 减少和回收利用，废油和其它淬火介质的管理以及废料的再生利用。代替盐浴和油淬火的 廉价方法，例如用水和惰性气体。用于低、中合金钢的廉价气冷淬火技术，例如节约用氢 的淬火技术。自非流液中提出副产燃料，例如燃烧排放的气体。可完全清除工件油迹的 高效清洗技术。9公益事业部分的项目主要项目包括：热处理卫生安全规定，例如避免火灾、人身伤害的安全管理、工厂内 部空气质量、人机工程、锁盐和胺盐以及其他有害物质的安全限量管理。有关冶金基础、 炉了安全的人员培训，课程的设置，需要培训的人员。指定热处理设备放射有害
