一、熱處理是提高裝備制造業(yè)產(chǎn)品壽命與可靠性的關(guān)鍵技術(shù)
熱處理是提高裝備制造業(yè)產(chǎn)品壽命和可靠性的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，產(chǎn)品的形狀取決于成形制造，但是它的性能完全取決于毛坯制造環(huán)節(jié)。熱處理不改變工件尺寸形狀，而是通過(guò)加熱和冷卻改變材料內(nèi)部的組織，從而控制內(nèi)部的性能，所以它是裝備制造業(yè)中提高產(chǎn)品使用壽命和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。
熱處理可以大幅度提高金屬材料的強(qiáng)度。例如結(jié)構(gòu)鋼，工業(yè)上很多都是用調(diào)質(zhì)鋼(淬火以后高溫回火)，它的強(qiáng)度約為600～1000MPa。二戰(zhàn)期間曾經(jīng)有過(guò)一個(gè)很大的飛躍，前蘇聯(lián)把飛機(jī)起落架由調(diào)質(zhì)處理變成淬火以后低溫回火，使它的抗拉強(qiáng)度提高到1600MPa，前蘇聯(lián)戰(zhàn)機(jī)安裝新的起落架以后，自重減輕，靈活性提高，在技術(shù)上領(lǐng)先了德國(guó)空軍，從此有超高強(qiáng)度鋼的熱處理誕生。隨后經(jīng)過(guò)持續(xù)研究，結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度達(dá)到1800MPa。近年來(lái)，徐祖耀院士帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)研究Q-P-T處理(淬火配分回火再?gòu)?qiáng)化)，使得結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度提高到2100MPa，比原來(lái)調(diào)質(zhì)處理后的強(qiáng)度提高了三倍。最新消息，北京鋼研院正在研究2600MPa鋼種，強(qiáng)度的提高不僅決定于鋼的成分，而且決定于熱處理工藝，從此可以看出熱處理的關(guān)鍵作用。
有了強(qiáng)度提高，就可以使得產(chǎn)品輕量化。例如大功率液力耦合器，一個(gè)泵輪在轉(zhuǎn)、通過(guò)液壓油帶動(dòng)從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，原來(lái)是用調(diào)質(zhì)鋼，后來(lái)改用超高強(qiáng)度鋼熱處理的方案，產(chǎn)品自重成倍減少，體積縮小到原來(lái)1/4。
另外一個(gè)例子，通過(guò)熱處理可以提高產(chǎn)品的可靠性，火力發(fā)電站的大功率給水泵為30萬(wàn)機(jī)組的水泵，功率可達(dá)4600千兆瓦，其中的增速齒輪高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為每分鐘6000轉(zhuǎn)，原來(lái)使用時(shí)很容易損壞(見(jiàn)圖2)，而且損壞部位不確定，齒輪必須要從國(guó)外進(jìn)口，后來(lái)經(jīng)過(guò)合作攻關(guān)，改進(jìn)了氣體滲碳工藝，結(jié)果它就能夠克服原來(lái)不正常損壞，一直到30萬(wàn)千瓦這個(gè)機(jī)組退出歷史舞臺(tái)，運(yùn)行20年間沒(méi)有出過(guò)一次事故。
熱處理產(chǎn)值只占到裝備制造業(yè)總產(chǎn)值的千分之幾，不被看重。然而，四兩撥千斤，熱處理水平的高低，卻可以使整機(jī)使用壽命相差幾十倍、甚至幾百倍，所以在世界上擁有名牌產(chǎn)品的企業(yè)，都掌握獨(dú)到的熱處理的技術(shù)并嚴(yán)加保密，熱處理關(guān)鍵技術(shù)就成為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的核心要素，別人可以仿造出功能、外形相似的產(chǎn)品，使用壽命和可靠性則難以達(dá)到。在我國(guó)熱處理得不到應(yīng)有的重視，和世界先進(jìn)水平存在巨大的差距，導(dǎo)致我國(guó)大量制造中低端產(chǎn)品，付出沉重的環(huán)境資源代價(jià)，只能獲取微薄的利潤(rùn)，高端裝備或者高端裝備中的關(guān)鍵零部件不得不依賴進(jìn)口，嚴(yán)重威脅我國(guó)經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)家安全，熱處理已經(jīng)成為制約我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。
比如軸承，我們國(guó)家的軸承產(chǎn)量，已經(jīng)占到全世界軸承產(chǎn)量20%以上，然而我國(guó)所需要的高端軸承，大概占我國(guó)軸承需要量的百分之十幾，卻不得不依賴進(jìn)口。例如，轉(zhuǎn)速在2500轉(zhuǎn)以上的精密軸承，航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承，還有風(fēng)電機(jī)組的軸承都需要進(jìn)口。200公里以上的高鐵軸承也是進(jìn)口的，很多的兵器如潛艇、航母、導(dǎo)彈等所用的軸承都需要進(jìn)口。我國(guó)GGr15鋼軸承標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)外所用一樣，這個(gè)鋼種從1901年問(wèn)世，到今天已經(jīng)114年，成分沒(méi)有改過(guò)，這一百多年之中，熱處理不斷摸索，研制出壽命相差幾十倍的軸承，而我國(guó)的中低端軸承按單價(jià)比進(jìn)口同樣一個(gè)大小的軸承價(jià)格相差幾十倍，因此利潤(rùn)很低。
上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)一百千瓦超超臨界發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子是進(jìn)口的，一根轉(zhuǎn)子價(jià)格約7500萬(wàn)，等于整臺(tái)汽輪機(jī)造價(jià)的一半。上海重機(jī)下了很大的決心，把高壓轉(zhuǎn)子大鍛件給攻下來(lái)，非常艱苦。一共做到第14根，性能才合格。而當(dāng)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的第一根性能合格的轉(zhuǎn)子交貨后，國(guó)外進(jìn)口價(jià)格立刻從7500萬(wàn)下降到3000萬(wàn)，所以說(shuō)先進(jìn)熱處理技術(shù)是買不到、拿不來(lái)的，唯有自主研發(fā)。
二、熱處理研發(fā)難度大、周期長(zhǎng)
熱處理是一種細(xì)節(jié)決定成敗的技術(shù)，怎么淬火、怎么加熱、保溫多長(zhǎng)時(shí)間、哪個(gè)地方先下去、哪個(gè)地方后下去等等都有講究，而且同樣的鋼種，不同的使用要求，淬火加熱溫度、回火加熱溫度各不相同，熱處理工藝窗口很窄，稍微差一點(diǎn)就達(dá)不到最好的效果。材料及其加工工藝的研發(fā)周期平均是20年，一個(gè)產(chǎn)品研發(fā)周期平均是兩年，國(guó)外是先做材料的基礎(chǔ)研究再做產(chǎn)品。而我們是引進(jìn)產(chǎn)品后摸索工藝，一直跟在別人后面，我們沒(méi)有認(rèn)識(shí)到熱處理的關(guān)鍵作用，在布局上面沒(méi)有先走一步。
熱處理研發(fā)難度大，掌握熱處理就是掌握市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的核心要素。例如高壓轉(zhuǎn)子，我們團(tuán)隊(duì)研究了幾年，熱處理后會(huì)出現(xiàn)不同的情況，有一個(gè)轉(zhuǎn)子很奇怪，只有一個(gè)位置強(qiáng)度特別低，其他位置都很好，低的地方，經(jīng)過(guò)分析，原來(lái)是局部鍛造加熱過(guò)燒(見(jiàn)圖3)。還有時(shí)候，熱處理后的組織中出現(xiàn)金屬間化合物(見(jiàn)圖4)，因?yàn)檫@種轉(zhuǎn)子材料之所以能用到600℃，是靠加合金元素，但是有時(shí)候合金跑到金屬間化合物中，只有經(jīng)過(guò)正確的熱處理把金屬間化合物消除，固溶體才能發(fā)揮耐熱性，使合金元素溶入。有時(shí)上一輪按照這個(gè)工藝做，性能好好的，現(xiàn)在一輪不行了，經(jīng)過(guò)我們長(zhǎng)時(shí)間分析，偶然發(fā)現(xiàn)有個(gè)黑點(diǎn)，這個(gè)黑點(diǎn)是非金屬夾雜，從這里打探針，發(fā)現(xiàn)它的鈮含量特別高(見(jiàn)圖5)，附近則貧鈮(見(jiàn)圖6)，邊上一大圈熱強(qiáng)度降低，在620℃拉伸的時(shí)候，出現(xiàn)一個(gè)個(gè)空洞。同時(shí)我們也注意到，空洞的數(shù)量和斷裂時(shí)間呈反比(見(jiàn)圖7)。所以說(shuō)也只有控制了氧含量和非金屬夾雜物，并且進(jìn)行正確的熱處理，才能得到合格的產(chǎn)品。
三、提高熱處理質(zhì)量是系統(tǒng)工程，需要進(jìn)行長(zhǎng)期、深入、持久的研究
在研究開(kāi)發(fā)大鍛件熱處理工藝時(shí)，我們團(tuán)隊(duì)跟蹤14支高中壓轉(zhuǎn)子和幾十件核電大鍛件生產(chǎn)過(guò)程，從實(shí)物取樣進(jìn)行金相、電鏡觀察和性能測(cè)試，制作了幾千張圖譜，進(jìn)行了長(zhǎng)期、深入、持久的基礎(chǔ)研究，為開(kāi)展大鍛件熱處理組織與性能關(guān)系的研究積累了第一手資料。
如圖8所示的核電大鍛件一體化頂蓋，重65噸。需要保證在得到性能合格的同時(shí)盡可能減少畸變，用虛擬生產(chǎn)研究淬火冷卻方法，確定了內(nèi)外側(cè)比較均衡的冷卻方案，使得第三代核電站AP1000機(jī)組大鍛件熱處理合格交貨。
另外一個(gè)例子，是12500噸鋁型材擠壓機(jī)活塞，為了提高耐磨性，要求表面硬度大于50HＲC。設(shè)計(jì)部門選取45鋼制造，用45鋼做成那么大的東西，不能淬火怎么辦呢?后來(lái)上重廠一起和經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的考慮采用計(jì)算機(jī)模擬的方法(見(jiàn)圖9)，提出了一個(gè)差溫加熱工藝解決了生產(chǎn)上的難題。
熱處理不僅僅是工藝問(wèn)題，熱處理設(shè)備也很重要。原來(lái)一個(gè)大型的氮化爐，流場(chǎng)不均勻，而采用計(jì)算機(jī)模擬的方式改進(jìn)了旋轉(zhuǎn)風(fēng)葉，邊上加了導(dǎo)流板，上面加了分流板，這樣模擬出來(lái)流場(chǎng)，工作區(qū)域是均勻的(見(jiàn)圖10)。
先進(jìn)裝備制造業(yè)有賴于基礎(chǔ)零部件、基礎(chǔ)工藝、基礎(chǔ)軟件、基礎(chǔ)芯片(統(tǒng)稱為四基)的技術(shù)支持。正像路湧祥院長(zhǎng)、周濟(jì)院長(zhǎng)等多位院士寫的一個(gè)院士報(bào)告，說(shuō)我們國(guó)家現(xiàn)在四基落后，院士們對(duì)此深感憂慮。所以說(shuō)中國(guó)工程院正在開(kāi)展工業(yè)強(qiáng)基發(fā)展戰(zhàn)略研究。
四、辯證看待熱處理單位能耗與節(jié)能減排的關(guān)系
圖11所示某廠滲碳齒輪的裝爐狀況，其目的是盡可能多裝，這種操作方法，單位能耗很低，似乎非常先進(jìn)。但是社會(huì)總能耗是低了還是高了?齒輪壽命低，不僅是熱處理能耗而且把前面煉鋼、鍛造的能耗、機(jī)械加工都賠進(jìn)去了。因此應(yīng)該全面地、辯證地看待熱處理單位能耗。表1中產(chǎn)品單位使用時(shí)間的總制造能耗。
表中的方案A，熱處理能耗是1，如果熱處理之外的能耗也是1，總制造能耗為2;如果熱處理能耗降低50%，但是壽命同時(shí)也降低50%，即方案B，則總制造能耗反而增加了1.5倍。如果熱處理能耗降低50%，使用時(shí)間只有原來(lái)20%(完全可能)，即方案C，那么總制造能耗增加約4倍。反過(guò)來(lái)如果改進(jìn)熱處理工藝，熱處理工藝本身能耗提高1倍，同時(shí)壽命可以提高1倍，即方案D，則總制造能耗反而減少25%；如果改進(jìn)熱處理工藝后壽命提高5倍即方案F，則總制造能耗減少70%;節(jié)能效果非常明顯。所以說(shuō)要辯證地看待熱處理能耗和社會(huì)總能耗，正是這個(gè)認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，導(dǎo)致我們?cè)谥贫ㄕ呱嫌泻艽蟮氖д`。
五、幾點(diǎn)建議
（1）要正確認(rèn)識(shí)熱處理在現(xiàn)代裝備制造業(yè)的重要作用和關(guān)鍵地位，正確認(rèn)識(shí)熱處理質(zhì)量、產(chǎn)品使用壽命與熱處理能耗之間的關(guān)系。
（2）取消現(xiàn)行的熱處理許可證制度，讓市場(chǎng)之手調(diào)節(jié)熱處理專業(yè)化廠與非專業(yè)化熱處理的比重，并且支持和鼓勵(lì)產(chǎn)品制造廠擁有獨(dú)特的熱處理技術(shù)和生產(chǎn)能力。
（3）建立熱處理的質(zhì)量監(jiān)督體系。現(xiàn)在我國(guó)質(zhì)量監(jiān)督局沒(méi)有熱處理質(zhì)量監(jiān)督這個(gè)職能，應(yīng)填補(bǔ)這一空白。
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