热处理--我国制造业发展的瓶颈

作者：上海交通大学材料科学与工程学院 潘健生

欢迎访问e展厅 展厅 3 热处理设备展厅 退火炉, 渗碳炉, 盐浴炉, 真空炉, 淬火炉, ... 摘 要：本文拟就热处理与表面改性技术的特点、作用、国内外差距和出路等问题，提出一些粗浅的看法，期望引起讨论和得到读者的批评指正。 关键词：热处理 表面改性 制造业 制造业是我国国民经济的支柱。改革开放以来我国装备制造业以平均每年17%的速率快速增长,目前我国装备制造业的增加值仅次于美、日、德，居世界第四，已成为制造业大国, 但应清醒地看到我国还不是制造业强国, 在国际制造业中处于低端地位，与国际先进水平存在巨大差距。其中一个突出的问题是我国制造业的产品因质量低、寿命短、可靠性差而缺乏竞争力，只能制造低品位、低附加值的产品，只能依靠产能的扩大实现增长。国防工业和许多重要工业部门所需的重要工艺装备以及核心零部件依赖进口的局面长期未能改观，严重威胁我国国防安全和经济安全。 我国热处理(含表面改性，下同)技术的落后是造成这种状况的主要原因之一。已成为制约我国制造业发展的瓶颈，应引起高度重视。本文拟就热处理与表面改性技术的特点、作用、我国在此领域与国际发达国家的差距和发展出路等问题，提出一些粗浅的看法，期望引起讨论并得到读者的批评指正。 1 热处理与表面改性技术的特点 材料的性能并不单纯取决于材料的种类和成分，通过热处理和表面改性改变材料内部的组织，将大幅度改变材料性能。例如：高速钢在退火状态硬度不高于280HB并有相当好的塑性和韧性，在经过淬火回火之后则有很高的硬度、红硬性和耐磨性。由于溶入基体中的合金元素的含量以及奥氏体的晶粒度都和淬火温度有关，其趋势是硬度、红硬性随淬火温度提高而提高，韧性则随之下降，强度则是先升后降(图1)。利用这种规律，可以根据不同刀具和模具的使用特点选择各自最佳的淬火温度(表1),车刀具的刃部和刀柄都比较厚实，对强度要求不高，承受冲击载荷较轻, 可以采用接近于熔点的淬火温度，使尽可能多的合金元素和碳溶入奥氏体中，从而提高红硬性和耐磨性。钻头钻孔时刃口不易冷却，希望尽可能提高其红硬性，但为防止扭断，钻头需要有较高强度，因此其淬火温度略低于车刀。铣刀和绞刀的刃口较薄，为了避免崩刃，要求有足够的韧性，应适当降低淬火温度，小钻头使用时主要损坏方式是扭断或折断，为保证较高强度宜进一步降低淬火加热温度。冷挤压模具承受很高的应力，而对红硬性要求不高，所以选择出现强度峰值的淬火加热温度，而对于一些细长的或形状复杂，受较大冲击载荷的冷冲模，则应选择更低的淬火温度。表1说明用同一种钢制造的刀具或模具，应根据使用情况和失效的方式选择不同的淬火温度，其变化的范围达到150℃。但对于一个具体的工件而言，只允许±5℃的偏差。 结构钢和低合金工具钢也有类似的情况，预先热处理组织、淬火加热温度、冷却方式、回火温度都对钢的性能有明显的影响，它们之间的不同组合可以使材料获得不同的综合性能。结构钢的强度、硬度、韧性、塑性和弹性极限都随着淬火后的回火温度而变化，对于要求具有高塑性、高韧性特别是低的缺口敏感性的工件通常选用高温回火(调质处理)，而要求高强度和较高硬度的工件选用200℃左右的低温回火，例如30CrMnSi，40CrNiMo淬火后200℃回火抗拉强度可高达1600~1800MPa，比调质提高1倍左右。各类弹簧等弹性元件通常选用呈现弹性极限峰值的中温回火。此外等温淬火、二相区加热淬火和形变热处理等工艺都可以使结构钢获得良好强韧性。至于各种化学热处理和表面涂覆技术则可以通过调整工艺参数改变渗层表面的浓度和渗层深度以及控制浓度梯度和性能梯度，以适应不同工件的不同的服役条件对工件整体综合性能的要求，例如不同零件的渗碳处理，应该有不同技术要求，才能获得良好的使用性能(表2)，石油钻井的牙轮钻，渗碳层表面浓度由0.9~1.0%C降低到0.7~0.8 %C，并使浓度分布曲线呈平台状，使用寿命由27小时提高到52小时，收到一个钻井队抵二个钻井对的效果，又例如用离子注入的方法进行表面改性处理可以在不改变整体的强度、韧性的同时，大幅度提高耐磨性、降低摩擦系数、提高抗蚀性，应用于航天器上各种传动机构中的轴承和各种摩擦件、飞机上的液压马达中的耐磨零件、以及石油工业泥浆泵的套筒等均取得良好的效果。在有些情况下针对工件的特点采用一些看似“非正规”的热处理工艺，能收到出奇效果：3Cr2W8热模钢的淬火温度范围一般为1050~1120℃，但锅炉钢管热挤压模，在模具型腔中相当于钢管散热筋二侧的位置，承受很大的应力，容易在热态下屈服而使模具失效。经过试验将淬火温度提高到1170~1180℃，淬火冷却时水冷至~650℃，然后转入低温盐浴中冷却，模具寿命提高几倍；水稻收割机刀片，用高浓度碳氮共渗处理；表面层出现大量碳化物和残余奥氏体，按常规的检验标准被视为不合格，但因具有很高的耐磨性和良好的抗蚀性，水稻收割机刀片的使用寿命比常规渗碳处理高数倍。 粗略回顾上述早为人们熟知的事实，只是说明一种易被忽视的观点：最优化的热处理工艺不可能是千篇一律的，同种材料的各项性能都会因热处理方法及其工艺参数的不同而改变，各项性能指标又常常此消彼长。选择合适的热处理工艺参数、获得与工件的使用状况和失效方式相适应的最佳综合性能，才有可能制造出高质量的产品，这就是热处理与表面改性技术的特点、难点和魅力之所在，充满让人发挥主观能动性的空间和余地。 历史已证明：改进热处理技术，更充分发挥材料的潜力，往往是产品更新换代的催化剂。调质处理即淬火后高温回火后的屈服强度大约在600~900 MPa之间，无论是强度和韧性都显著优于正火处理，因而成为结构钢常用的热处理工艺，在二次大战期间前苏联的研究人员发现30CrMnSi淬火和低温回火，或等温淬火后，屈服强度达到1500 MPa，并保持足够的韧性。用于制造飞机起落架。中、低碳结构钢淬火低温回火处理还应用于火炮防弹护板等军工产品，随后各国开发一系列以淬火和低温回火处理为特征的“超高强度钢”促进了不少重要产品的更新换代，例如：大功率燃气轮机的液压耦合器的转子，传递着几万以至几十万千瓦的功率，转速达每分钟2万转以上，原设计为SEA4340钢调质处理，屈服强度为800MPa,后来采用淬火、低温回火处理，屈服强度达到1800MPa，使整个耦合的重量减少到原来的1/4。这对于提高舰艇的性能是很有利的。 表面改性技术对高端产品的研发同样有重要作用，众所周知，燃气的热效率随着燃气温度的升高而提高，然而高温合金的耐热温度限制了燃烧室温度的提高。在国外，由于研究成功在耐热合金表面沉积含蜂窝状ZrO2复合涂层，起着隔热作用，使耐热合金叶片的温度比燃气温度低150℃以上，从而研制出燃烧室温度更高的燃气轮机，促成航空发动机的更新换代。 即使是一般的机械制造行业，热处理与表面改性的技术进步同样对产品的创新有重要意义，例如生产标准件的冷镦机的生产率现在已达600件/min，相比于二十几年前60件/ min提高了10倍。标准件行业面貌大为改观。其实冷镦机并不复杂，在当年设计制造600件/ min的冷镦机亦非难事，问题在于那个小小的六角冲头，它当时寿命低于2万件，在这种情况下，提高冷镦机的速度毫无意义。因为标准件是一种批量极大的产品，通常要求每个冲头寿命都要超过一个班，否则很难进行生产管理。上世纪80年代初通过热处理工艺的改进,使冲头的寿命提高到5万件以上，才有100件/ min的冷镦机面世.及至90年代用气相沉积氮化钛的方法进行六角冲头的表面改性处理，使其寿命提高到35万件以上。成为高速冷镦机的催生剂。 一种特种变速箱的薄壁齿圈，其特点是可以显著减小变速箱的体积和重量，但是用常规的齿轮热处理方法制造遇到很大的难题，渗碳淬火或感应加热淬火都难以控制热处理畸变，而常规的渗氮处理不能满足该齿轮对接触疲劳强度的要求，只有应用动态可控渗氮工艺，使接触疲劳强度由1400MPa提高到1700MPa，并且研究成功控制薄壁齿圈渗氮畸变的方法，才使特种变速箱试制成功。 仅从这些事例就可以反映出：热处理的技术进步对产品创新有重要的推动作用。 鉴于上述特点，欲提高热处理的技术水平首先应开展热处理工艺参数对材料组织性能影响规律的系统研究，其次研究工作不能只停留在用试样研究的层面上。热处理工艺研究需要和产品的台架试验、装机试验及失效分析相结合，经过不断摸索与改进，才能收到大幅度提高寿命的效果，例如：图3所示卡车活塞销冷挤压凸模，承受约2000MPa单位压力，需要有很高的抗压屈服强度，而且其形状细长易折断，又要求有足够的韧性，挤压过程中被挤压金属对韧带强烈摩擦，因此需要很高的耐磨性和一定的热稳定性。选用W6Mo5Cr4V2高速钢制造。起先选用手册中给出的标准热处理规范进行处理，使用寿命低于400件。失效方式是凸模施压过程中折断。为了提高材料的韧性将淬火温度由1225℃降低至1190℃，收到显著效果，寿命提高到2500件左右。进一步降低淬火温度虽然可使韧性进一步提高，然而使用寿命反而回落。对凸模的工作状况和失效方式进行仔细分析后发现，在低温范围内加热淬火的冲头，刃带被逐渐拉毛，脱模时阻力愈来愈大，在脱模过程中由于冲击拉伸应力的作用导致断裂。针对这种具体情况采用1190℃淬火560℃回火4次，然后进行气体氮碳共渗处理。表面层(约0.02mm)的硬度提高到1000HV以上，而整体上保持高强度和高韧性，使用寿命提高到1万件以上。 再则考虑到热处理工艺参数对材料性能的影响相当敏感，为了保证质量的重现性和一致性必须研究开发先进的热处理工艺装备和精密可靠性的热处理过程控制技术、设计合理的工装夹具、规定和严格执行合理的装炉方式和操作方法。所以提高热处理质量及其重现性是一个系统工程。在这一领域中不同国家和不同企业之间存在很大差距，也就不足为奇了。 2 热处理技术落后已成为我国制造业发展的瓶颈 在发达国家中，凡是拥有著名品牌的机械产品的厂商都高度重视热处理技术研发，通过大量的投入，持续的改进和长期的积累，形成各自独有的技术，并作为市场竞争力的要素而严加保密。人们可以购得名牌产品，通过测绘和解剖分析，仿制出外型和成分与之完全相同的产品，但使用寿命和可靠性常常相差甚远。正是在这一关键性的环节上我国与发达国家存在很大的差距。 长期以来我国制造业存在着重产品、轻毛坯，而在毛坯制造中则重控形、轻控性，重产能轻质量等倾向。发展规划和技改资金过分倾向于购置精密加工设备而很少顾及材料制造、特别是控性与改性技术的研发，其后果常常由于产品的使用寿命低和可靠性差而在市场竞争中处于劣势，只能陷入在惨烈价格战中挣扎的困境。 热处理在制造业中的作用未受重视，热处理的产值按斤论价，其中的知识含量的价值被严重扭曲。被视为一个“产值很小的产业”而处于边缘化。以致我国热处理严重落后于国际先进水平，主要表现在： 2.1 产品的使用寿命低、可靠性差 由于热处理技术落后，我国许多机械产品的使用寿命、可靠性和质量重现性都远远低于国外先进水平，国防工业中的一些关键零部件和重大工艺装备中的关键零部件不得不依赖进口，或者是只能引进国外的成形及热处理设备制造中国的飞机、坦克、汽车，处处受制于人。例如：上海引进德国技术生产的汽车变速箱的一个齿轮，德方规定必须用欧洲的设备进行渗氮处理，设备报价一千多万人民币，相当于该齿轮热处理年产值二十余倍，而且消耗性的辅助材料也必须高价进口。这种状况使“中国制造”所创造的利润绝大部分落入洋人口袋中。 至于量大面广的民用工业产品，虽然国内亦能制造，但因寿命短、故障率高而缺乏竞争力，近年注塑机械需求增长很快，国产的注塑机的寿命只及国外同类产品的几分之一，售价也就只及进口注塑机的1/8左右。国内企业生产的标准件冷镦机冲模因使用使命只有台湾或日本产品的几分之一而惨遭市场淘汰。汽车尾气净化器蜂窝板粉末成型模国外可压制蜂窝板2000m，而国内仿制的模具只能压制150m，难以立足市场。国产重载变速箱即使设计比较保守，自重较大，但断齿，断轴而导致重大的机械运行事故仍时有所闻。国产的某种型号螺旋泵，是仿制进口的产品，由于热处理工艺不当经常发生芯轴早期断裂的故障。难与国外同类产品的故障率为百分之一的水平相比。 2.2 热处理畸变控制水平低 我国热处理畸变控制水平低也是一个突出的问题：例如我国重载变速箱齿轮渗碳热处理留磨量是世界先进水平的三倍，不仅大幅度提高了制造成本，而且磨削后渗碳层深度的偏差增大，对使用可靠性有不良影响。我国毛坯制造的控形精度低，切削加工余量偏大，大量优质钢材变成铁屑，造成了资源的严重浪费。 2.3 材料制造装备的设计制造严重落后 我国材料制造与国际先进水平的差距还突出表现在材料制造装备的设计制造严重落后，高端的热处理和表面改性工艺装备依赖性进口，重复引进，落后——引进——再落后——再引进的现象相当严重，航空、军工、和高档汽车生产所需的真空渗碳高压气淬设备，国内无法制造，全部依赖进口，这类设备的售价是传统意义上的“制造成本”的十几倍以至几十倍，现代先进的材料制造工艺装备是先进材料制造技术的载体，其价格取决于其中知识的含量、高新技术集成度、以及技术的独占性与知识产权等因素，然而我国热处理设备制造厂虽然多达数千家，但是只能制造相当于国外几十年以前水平的产品，在惨烈的价格战中苦苦挣扎，不久前国内一些航空和军工单位公开招标采购渗氮设备，国内厂商的报价只有国外的几十分之一，却无一能中标，这一事例表明目前我国材料制造工艺装备制造业缺乏创新能力，无力满足用户的需求，自身也难以可持续发展，前景甚忧。 我国材料制造控制性技术的落后，不但不能适应当前的生产和市场竞争的需要，而且制约我国制造业整体创新能力的提高。飞机、汽车、各种交通工具以及各类机械设备的轻量化，工模具、零部件的寿命，高速火炮的射击频率，潜艇的极限下潜深度，燃气轮机的燃气允许温度等等无不与材料潜力的发挥有关，不掌握具有自主知识产权的先进的材料制造技术，就不可能设计制造出先进的产品。例如：汽车发动机和变速箱中绝大多数的零部件都需要经过热处理或表面改性，目前我国生产的各种牌号的发动机和变速箱绝大多数都是国外品牌，没有自主的核心技术，只能按照国外的技术和标准进行生产，近年来国内自行研发了数款自主品牌的汽车变速箱，是可喜的进步。但是基本上属于仿制，尤其是关键零部件材料的性能指标和控性的技术要求，只能简单的模仿国外的产品，存在很大的盲目性，影响了产品质量，更重要的是：如果缺乏具有自主知识产权的材料控性核心技术的支撑，势必制约我国自主品牌产品设计的创新能力，陷入“落后——仿制——再落后——再仿制”的路径依赖的恶性循环，无法使我国制造业摆脱被置于全球化制造链低端的困境。 3 发展数字化的热处理智能技术 热处理过程十分复杂，在不同的外场(热、力、电、磁、光等)和环境的作用下，材料发生相变、应力、应变和化学反应等变化，对这些复杂现象中的客观规律认识的深化，是提高热处理质量的基础。电子计算机的发展，为人们提供了强大的科学计算和信息处理的能力，从而有可能集成不同学科的知识，用多场耦合的方法建立描述材料热处理过程中各种复杂现象及其相互作用的物理数学模型和计算机模拟方法，构成热处理的虚拟生产平台。将有可能使热处理技术由传统的“技艺”型的落后状态向着以科学计算为依据的高度知识密集型技术的方向转化。 热处理过程的计算机模拟近年来发展迅速，并已显示出提升热处理水平的巨大潜力[2，4]。但也应指出，热处理计算机模拟技术还很不成熟，还有一系列基础研究有待进行，例如气—固表面换热和液—固表面换热的测试计算方法、非等温非等速条件下相变动力学的定量计算、多场耦合的算法，复杂非线性问题的算法、界面反应的物质传递、等等都属于高难度的有待长期深入研究的课题。计算机模拟结果的验证和数学模型的修正都是工作量浩大的基础工作。 由于热处理过程的复杂性，还有许多基本原理尚待进一步深入研究，以致热处理中有很多问题还不可能建立物理数学模型。这就有必要用“基于知识的工程(KBE)”的方法[3]，从大量的生产记录、测试数据、案例和工程技术人员的经验中挖掘隐性的知识，用以改进热处理技术和开发新的技术。 计算机模拟和KBE技术是发展知识密集型热处理技术的二大支柱，是开发数字化热处理智能技术制造的基础。 另一个值得重视的问题是不应将热处理数字化、信息化的作用局限于热处理生产环节。目前，热处理是制造业信息化中最薄弱的环节，成为制造业全生命周期信息集成的瓶颈。热处理技术的研发与产品设计脱节，热处理工艺的制订甚至热处理技术指标都有很大盲目性，是造成产品肥头大耳或可靠性差的原因之一。信息化、数字化的热处理智能技术的发展有可能克服上述弊端。将产品计算机辅助设计、选材与热处理计算机模拟以及产品可靠性评估相结合，构成产品创新设计平台(图5)，实现重量轻、体积小而又高度可靠的产品设计。可以预期热处理数学模型和计算机拟技术将在先进制造技术中发挥发挥越来越重要的作用。 4 结论 热处理在现代化工业中的作用可谓四两拨千斤——其本身产值只占制造业的百分之几，而其水平高低则可能使整机的附加值相差几倍至几十倍。 我国热处理的落后状态严重影响我国制造业的竞争力。热处理是当前我国制造业发展中的最薄落的环节。 热处理信息化使热处理由技艺型技术向高科技型技术转化，摆脱依赖于经验和操作技能的落后状态，向着精确预测生产结果和实现可靠的质量控制的方向发展。 热处理信息化克服了制造业信息化的薄弱环节，将热处理虚拟生产集成于产品的虚拟制造中实现产品全生命周期的优化，对制造业跨越式发展有重大作用。 参 考 文 献 [1] 樊东黎主编.热处理技术数据手册.北京:机械工业出版社，2001年10月，602. [2] 潘健生，李晓玲，张伟民.中国热处理和表面工程的现状与展望.金属热处理. 2005,30(1):1~8. [3] 阮雪榆,委臻亮. 21世纪数字化塑性成形技术与科学. 见：柳百成等主编，21世纪的材料成型加工技术与科学. 北京:机械工业出版社，2004.12，P.21~29 [4] 潘健生等.热处理数学模型与计算机模拟.中国工程科学，2003,5(5):47~54 注:此文首次发表在2006年11月全国热处理学会技术报告会(杭州赞成宾馆,2006年11月)和中国工程院会议(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/15/2007)