背景

 美國能源部工業(yè)技術(shù)局（DOE-OIT）于20世紀90年代樹立了一個被稱作“未來生產(chǎn)技術(shù)”的設(shè)想，為此提出一系列必須實現(xiàn)的技術(shù)項目。其目的是幫助美國大量使用能源和形成大量工業(yè)廢料的行業(yè)利用這些技術(shù)取得不斷進步和保持國際競爭能力。熱處理雖然不算是“未來生產(chǎn)技術(shù)”計劃中的原本行業(yè)，但此領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)被公認是主要能源用戶，對制造業(yè)發(fā)生實質(zhì)性的影響。 

美國能源部和熱處理學會（HTS）簽訂了一個參加未來工業(yè)計劃的“合作伙伴”協(xié)議，其目的是通過“最優(yōu)秀的實踐”達到提高能源利用率和勞動生產(chǎn)率的效果。這些實踐的領(lǐng)域是控制和傳感技術(shù)、壓縮空氣、加熱公益、工業(yè)技術(shù)信息的共享以及各種研發(fā)活動。

發(fā)展路線圖制訂過程

美國金屬學會熱處理學會成立于1994年，下設(shè)緊急需求、研究開發(fā)、工藝和程控、教育四個委員會。其宗旨是首先是在這些方面滿足會員要求，其次研發(fā)委員會的任務(wù)是確認熱處理行業(yè)的未來技術(shù)需求，確立計劃、資金、實現(xiàn)滿足需求研發(fā)項目以及這些項目的成果向工業(yè)生產(chǎn)推廣的機制。1995和1996年緊急需求委員會在全行業(yè)的企劃中進行了全面調(diào)查，列出一系列熱處理生產(chǎn)中緊急需求項目。 

1996年2月美國國家能源部、熱處理學會、金屬熱處理協(xié)會召集了20名熱處理全能和專業(yè)加工企業(yè)、制造業(yè)和銷售企業(yè)領(lǐng)導討論并提出了美國熱處理2020年設(shè)想和遠期目標。有17名專家組成的熱處理學會研發(fā)委員會于1997年2月提出了熱處理技術(shù)發(fā)展路線圖初稿和三個領(lǐng)域，即設(shè)備和硬件材料、工藝和被處理材料、能源和環(huán)境方面的70個研發(fā)項目以及1999年的研發(fā)計劃。 

2002年7月熱處理學會研發(fā)委員會在依利諾依斯工業(yè)大學對路線圖進行討論修改和補充。2004年公布了“熱處理學會的2004熱處理路線圖（HeatTreating Technology Roadmap-2004 HTS Revision）修訂稿”。

美國熱處理2020年設(shè)想目標

美國熱處理2020年設(shè)想目標是能源消耗減少80%，工藝周期縮短50%，生產(chǎn)成本降低75%，熱處理實現(xiàn)零畸變和最低的質(zhì)量分散度，加熱爐使用壽命提高到原先的10倍（增加9倍），加熱爐價格降低50%，實現(xiàn)生產(chǎn)零污染。

組織實施措施

1999年9月在Worcester工業(yè)大學（Worcester Polytechnic Institute, 簡稱WPI）的金屬加工學院成立了“熱處理杰出技術(shù)中心”（Centerfor Heat Treating Excellence ,簡稱CHTE）。CHTE成立后不久在Illinois工業(yè)大學成立了“熱加工技術(shù)中心”（ThermalProcessing Technology Center,簡稱TPTC）。組織全行業(yè)的企業(yè)參與研發(fā)實現(xiàn)路線圖目標和完成所提出的70余個研發(fā)項目。

值得重視的研發(fā)項目

（1）利用地下水循環(huán)的感應(yīng)加熱淬火 <500kW的感應(yīng)淬火利用地下水閉路循環(huán)冷卻，使用時用深井泵抽取地下水，后經(jīng)凈化處理再返回地下。目前密執(zhí)安州Alger市Roll Rite公司的一臺150kW的AjaxTocco感應(yīng)淬火系統(tǒng)已采用此法，每日的費用僅以美分計。 

（2）強烈淬火工藝烏克蘭科學院柯巴斯科院士開發(fā)的鋼件用水或鹽水劇烈冷卻淬火是表面形成殘余壓應(yīng)力并減少畸變的方法，已在美國獲準以IntensiQuench服務(wù)商標注冊了IQTechnologies Inc公司。由于以水代油，減少了油品消耗并顯著降低生產(chǎn)成本，受到美國能源部的重視和支持。 

（3）1010℃以上溫度的高溫滲碳真空滲碳技術(shù)的成熟和低壓滲碳技術(shù)的開發(fā)為實現(xiàn)高溫滲碳制造了條件。由于能顯著縮短滲碳周期和節(jié)約能源，此項目已列入路線圖研發(fā)計劃的“工藝和材料技術(shù)”分組計劃。WPI的CHTE推動了工業(yè)企業(yè)和高效的合作、制造商和生產(chǎn)用戶的協(xié)同開發(fā)。 

（4）N3iAl金屬間化合物－新型爐內(nèi)抗?jié)B碳耐熱構(gòu)件材料 N3iAl已問世約20年，因為很脆，長期未獲實際應(yīng)用。Oak Ridge國家實驗室由Chain T.Liu領(lǐng)導的集體發(fā)現(xiàn)添加微量硼可明顯改善其塑性，可作為爐子料筐、夾具，Ni?Al材料成分為添加Cr、Zr、Mo、B的8%~11%Al,81%~88%Ni。此材料具有出色的強熱性、抗蠕變、抗?jié)B碳能力。Delphi-SaginawSteering Systems公司通過和能源部的合作研究與開發(fā)協(xié)議已在料盤上進行了數(shù)年的成功試驗。 

（5）APM和APMT（更高強型APM合金）合金長壽命輻射管瑞典Kanthal AB的Sadvik公司繼Kanthal Al電熱絲之后相繼開發(fā)出APM和APMT合金。此種材料仍然是在A-1粉末材料基礎(chǔ)上，通過熱等靜壓和深拉延出來的。用APM合金制造的電熱和燃氣輻射管比普通耐熱合金輻射管能經(jīng)受雙倍的熱流，925℃能經(jīng)受的熱流可達9~10kJ/m2。 

（6）爐用平面輻射板燃氣技術(shù)所開發(fā)的能砌入爐壁的平面輻射板，能增加輻射表面、降低表面溫度、延長爐子使用壽命，提高爐溫均勻性，減少爐襯、使爐子尺寸縮小50%，加快爐子升溫和冷卻速度，形成的NOx很少。 

（7）反向循環(huán)單管封閉式輻射管北美制造公司和燃氣研究所（GTI）共同開發(fā)。熱輻射率高，用相同材料制造此種管能經(jīng)受更高溫度、提高燃燒效率10%，減少50%的NOx，使用壽命長。 

（8）低NOx燃氣強烈內(nèi)循環(huán)輻射管 GTI開發(fā)的U型輻射管延管長溫度均勻。當爐溫為1010℃，空氣遇熱溫度從455℃提高到了480℃時，產(chǎn)生的NOx<0.008%（vol）。而一般預(yù)熱空氣輻射管所產(chǎn)生的NOx大0.02%~0.25%(vol)。 

（9）直焰沖擊燃燒技術(shù)使用多噴嘴平嵌入爐壁的高速燃燒器，噴射速度達到1馬赫（~330m/s）,可在空氣過剩系數(shù)α=1的條件下工作，提高能源利用率35%、減少70%的NOx，提高生產(chǎn)率25%、減少50%的氧化燒損、有年節(jié)約1~1.5億美元的潛力。

（10）智能化感應(yīng)淬火閉環(huán)控制系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)格系統(tǒng)控制原理，全面控制選材、相變、加熱工藝、滲層。所提供的軟件具有優(yōu)化零件強度/重量比的功能，具有的主、被動電磁傳感器能監(jiān)控整個加熱過程中的透熱深度。

（11）預(yù)見鋼件滲碳淬火時的殘余應(yīng)力狀態(tài)的軟件。 

（12）延長機器零件壽命殘余應(yīng)力狀態(tài)的DANTE軟件。 

（13）準確預(yù)見鋼熱處理相變定量數(shù)據(jù)的軟件。

（14）工藝熱能評價的鑒定軟件（Process Heat Assessment andSurvey Tool, PHAST）該軟件為美國能源部計劃項目，供用戶按不同燃燒方式和熱回收參數(shù)進行熱能轉(zhuǎn)換的工具，可比較爐子在工作狀態(tài)下的性能，計算各種工作條件下的節(jié)能潛力。

（15）加熱爐能源分析工具可計算按小時、年度或每磅零件的燃料、電能消耗成本數(shù)據(jù)。 

（16）能源有效利用分析軟件。

設(shè)備和硬件材料部分研發(fā)項目

（1）工藝控制主要項目包括：

①開發(fā)改進預(yù)測工具，例如工藝設(shè)計、預(yù)見狀態(tài)、熱物理和力學性能預(yù)測計算機模型。

②開發(fā)適時過程控制技術(shù)，安裝在爐中和淬火槽中測量氣流、淬火烈度、碳、氮勢的靈巧傳感器。

③開發(fā)在工件上適時直接測量表面含碳量的方法。

④開發(fā)工藝參數(shù)無人監(jiān)控的生產(chǎn)方法。

⑤快速、無損、經(jīng)濟、實施測量滲碳層深度的方法。

⑥用多種傳感器和技術(shù)按AMS規(guī)范鑒別爐子的更優(yōu)化系統(tǒng)。

⑦更好的設(shè)備故障診斷、預(yù)防、維護方法，如燒嘴裂紋預(yù)測、防止爐內(nèi)氣氛惡化。

⑧建立標準/預(yù)見設(shè)備易變可行性的研究，例如不可能有兩臺完全一樣的爐子。

⑨預(yù)測爐子幾何尺寸、風扇速度、裝爐量和裝爐形狀的模型。

（2）材料主要項目包括：

①改進氧探頭的抗碳黑能力——開發(fā)能用于700℃以下的氧探頭。

②新的功能材料（如絕熱材料）和結(jié)構(gòu)材料（如在高溫下工作的結(jié)構(gòu)材料）。

③爐用經(jīng)濟耐熱構(gòu)件材料。

④提高爐子的耐熱構(gòu)件合金性能，包括抗?jié)B碳合金夾具、料盤的廉價涂層。

（3）硬件（設(shè)備）主要項目包括：

①高效（>80%）燃熱器。

②高流速換熱器，高轉(zhuǎn)速風扇，增加傳熱面積等提高爐料受熱條件的措施。

③減少散熱的筑爐廉價絕熱材料。

④節(jié)能、無內(nèi)氧化滲碳氣氛。

⑤鋁合金淬火設(shè)備的改進。

⑥整批（盤）爐料的均勻淬火系統(tǒng)。

⑦淬冷設(shè)備改良設(shè)計模型。

⑧單件流動和機加工同步熱處理設(shè)備。

⑨附加淬火機床上的能適時感知淬火開裂的傳感器。

⑩廉價的殘余應(yīng)力非破壞檢測方法。

更有效和更廉價的液態(tài)或非液態(tài)工作脫脂方法和設(shè)備。

工藝和材料部分研發(fā)項目

（1）材料和工藝主要項目包括：

①減少試驗、避免錯誤的設(shè)計感應(yīng)器軟件工具。

②抗晶粒長大的高溫（～1010℃）滲碳鋼。

③縮短滲氮周期的工藝。

④改善感應(yīng)、磁場、爐內(nèi)加熱回火、時效工藝的減少質(zhì)量分散度和縮短工藝周期。

⑤減少加熱時間的快速加熱相變動力學。

⑥稀土元素對熱處理組織轉(zhuǎn)變的影響。

⑦高效的表面改性工藝。

⑧材料的深冷處理極限。

⑨聚合物、復合材料、新的鐵合金和非鐵合金等新材料的熱處理。

⑩可替代滲碳的材料和工藝，控制淬透性鋼、強烈淬火。

代替表面淬火的高效生產(chǎn)方法。

（2）材料應(yīng)用軟件和模型數(shù)據(jù)庫主要項目包括：

①材料選擇軟件：用戶輸入要求性能、輸出工藝和熱處理參數(shù)。

②材料失效（破壞）過程模型：輸入使用特性指標（磨損、載荷、腐蝕）、輸出材料的組織性能，反過來用于失效分析。

（3）模型的開發(fā)主要項目包括：

①加熱、冷卻體積應(yīng)變的相變模型。

②加熱和冷卻相變的體積應(yīng)變模型。

③連續(xù)加熱和冷卻相變數(shù)據(jù)庫，包括軋制變量、成分不均勻組織對相變的影響。

④把相變模型匯聚為軟件工具。

⑤把常溫性能轉(zhuǎn)化為高溫性能的數(shù)據(jù)庫。

⑥生產(chǎn)設(shè)備使用不同介質(zhì)測量介質(zhì)和工件傳熱過程的探頭。

⑦不同介質(zhì)中冷卻的試驗工業(yè)標準。

⑧滲碳、氮、高溫滲碳氣—固相作用的熱力學模型。

⑨預(yù)先冷卻、殘余應(yīng)力和性能關(guān)系的熱力學模型。

⑩過程控制系統(tǒng)的適時控制系統(tǒng)的鏈接模型。

形成有效均勻熱傳導的流體動力學的計算機模擬。

能源與環(huán)境部分的研發(fā)項目

（1）能源主要項目包括：

①開發(fā)回收低級熱的經(jīng)濟方法，廢熱的收集和利用，例如工業(yè)熱和煙道熱。

②高效熱傳導的加熱技術(shù)和設(shè)備，例如能提高傳熱速度的等離子加熱。

③高溫熱回收技術(shù)。

④進一步開發(fā)可提高熱效率的富氧燃燒技術(shù)，例如流體薄膜技術(shù)。

⑤收集熱處理設(shè)備能源利用底線數(shù)據(jù)，用于確立未來節(jié)能標準數(shù)字。

⑥回收加熱爐氣氛的方法。

⑦積累熱、電與熱處理協(xié)調(diào)的先進技術(shù)。

⑧開發(fā)高溫氣體循環(huán)系統(tǒng)，以改善加熱爐效率，例如沖擊加熱法。

⑨局部加熱和表面淬火的節(jié)能新工藝。

⑩熱處理設(shè)備設(shè)計的標準化，以實現(xiàn)其通用性和減低設(shè)計費用。

（2）環(huán)境主要項目包括：

①減少CO、CO?和NOx的燃燒技術(shù)和后處理技術(shù)。

②清洗液的消除、減少和回收利用，廢油和其他淬火介質(zhì)的管理以及廢料的再生利用。

③代替鹽和油淬火的廉價方法，例如用水和惰性氣體。

④用于低、中合金鋼件的廉價氣冷淬火技術(shù)，例如節(jié)約用氫的淬火技術(shù)。

⑤自非液流中提出副產(chǎn)燃料，例如燃燒排放的氣體。

⑥可完全清除工件油跡的高效清洗技術(shù)。

公益事業(yè)部分的項目

主要項目包括：

①熱處理衛(wèi)生安全規(guī)定，例如避免火災(zāi)、人身傷