一、熱處理是提高裝備制造業(yè)產(chǎn)品壽命與可靠性的關鍵技術
熱處理是提高裝備制造業(yè)產(chǎn)品壽命和可靠性的一個關鍵技術，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鍵技術。
熱處理可以大幅度提高金屬材料的強度。例如結構鋼，工業(yè)上很多都是用調(diào)質(zhì)鋼(淬火以后高溫回火)，它的強度約為600～1000MPa。二戰(zhàn)期間曾經(jīng)有過一個很大的飛躍，前蘇聯(lián)把飛機起落架由調(diào)質(zhì)處理變成淬火以后低溫回火，使它的抗拉強度提高到1600MPa，前蘇聯(lián)戰(zhàn)機安裝新的起落架以后，自重減輕，靈活性提高，在技術上領先了德國空軍，從此有超高強度鋼的熱處理誕生。隨后經(jīng)過持續(xù)研究，結構鋼的強度達到1800MPa。近年來，徐祖耀院士帶領他的團隊研究Q-P-T處理(淬火配分回火再強化)，使得結構鋼強度提高到2100MPa，比原來調(diào)質(zhì)處理后的強度提高了三倍。最新消息，北京鋼研院正在研究2600MPa鋼種，強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鍵作用。
有了強度提高，就可以使得產(chǎn)品輕量化。例如大功率液力耦合器，一個泵輪在轉(zhuǎn)、通過液壓油帶動從動輪轉(zhuǎn)動，原來是用調(diào)質(zhì)鋼，后來改用超高強度鋼熱處理的方案，產(chǎn)品自重成倍減少，體積縮小到原來1/4。
另外一個例子，通過熱處理可以提高產(chǎn)品的可靠性，火力發(fā)電站的大功率給水泵為30萬機組的水泵，功率可達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)，原來使用時很容易損壞(見圖2)，而且損壞部位不確定，齒輪必須要從國外進口，后來經(jīng)過合作攻關，改進了氣體滲碳工藝，結果它就能夠克服原來不正常損壞，一直到30萬千瓦這個機組退出歷史舞臺，運行20年間沒有出過一次事故。
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)，都掌握獨到的熱處理的技術并嚴加保密，熱處理關鍵技術就成為市場競爭力的核心要素，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到。在我國熱處理得不到應有的重視，和世界先進水平存在巨大的差距，導致我國大量制造中低端產(chǎn)品，付出沉重的環(huán)境資源代價，只能獲取微薄的利潤，高端裝備或者高端裝備中的關鍵零部件不得不依賴進口，嚴重威脅我國經(jīng)濟安全和國家安全，熱處理已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。
比如軸承，我們國家的軸承產(chǎn)量，已經(jīng)占到全世界軸承產(chǎn)量20%以上，然而我國所需要的高端軸承，大概占我國軸承需要量的百分之十幾，卻不得不依賴進口。例如，轉(zhuǎn)速在2500轉(zhuǎn)以上的精密軸承，航空發(fā)動機軸承，還有風電機組的軸承都需要進口。200公里以上的高鐵軸承也是進口的，很多的兵器如潛艇、航母、導彈等所用的軸承都需要進口。我國GGr15鋼軸承標準與國外所用一樣，這個鋼種從1901年問世，到今天已經(jīng)114年，成分沒有改過，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，而我國的中低端軸承按單價比進口同樣一個大小的軸承價格相差幾十倍，因此利潤很低。
上海汽輪機廠生產(chǎn)一百千瓦超超臨界發(fā)電機組，發(fā)電機組的轉(zhuǎn)子是進口的，一根轉(zhuǎn)子價格約7500萬，等于整臺汽輪機造價的一半。上海重機下了很大的決心，把高壓轉(zhuǎn)子大鍛件給攻下來，非常艱苦。一共做到第14根，性能才合格。而當國內(nèi)生產(chǎn)的第一根性能合格的轉(zhuǎn)子交貨后，國外進口價格立刻從7500萬下降到3000萬，所以說先進熱處理技術是買不到、拿不來的，唯有自主研發(fā)。
二、熱處理研發(fā)難度大、周期長
熱處理是一種細節(jié)決定成敗的技術，怎么淬火、怎么加熱、保溫多長時間、哪個地方先下去、哪個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，稍微差一點就達不到最好的效果。材料及其加工工藝的研發(fā)周期平均是20年，一個產(chǎn)品研發(fā)周期平均是兩年，國外是先做材料的基礎研究再做產(chǎn)品。而我們是引進產(chǎn)品后摸索工藝，一直跟在別人后面，我們沒有認識到熱處理的關鍵作用，在布局上面沒有先走一步。
熱處理研發(fā)難度大，掌握熱處理就是掌握市場競爭力的核心要素。例如高壓轉(zhuǎn)子，我們團隊研究了幾年，熱處理后會出現(xiàn)不同的情況，有一個轉(zhuǎn)子很奇怪，只有一個位置強度特別低，其他位置都很好，低的地方，經(jīng)過分析，原來是局部鍛造加熱過燒(見圖3)。還有時候，熱處理后的組織中出現(xiàn)金屬間化合物(見圖4)，因為這種轉(zhuǎn)子材料之所以能用到600℃，是靠加合金元素，但是有時候合金跑到金屬間化合物中，只有經(jīng)過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。有時上一輪按照這個工藝做，性能好好的，現(xiàn)在一輪不行了，經(jīng)過我們長時間分析，偶然發(fā)現(xiàn)有個黑點，這個黑點是非金屬夾雜，從這里打探針，發(fā)現(xiàn)它的鈮含量特別高(見圖5)，附近則貧鈮(見圖6)，邊上一大圈熱強度降低，在620℃拉伸的時候，出現(xiàn)一個個空洞。同時我們也注意到，空洞的數(shù)量和斷裂時間呈反比(見圖7)。所以說也只有控制了氧含量和非金屬夾雜物，并且進行正確的熱處理，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，需要進行長期、深入、持久的研究
在研究開發(fā)大鍛件熱處理工藝時，我們團隊跟蹤14支高中壓轉(zhuǎn)子和幾十件核電大鍛件生產(chǎn)過程，從實物取樣進行金相、電鏡觀察和性能測試，制作了幾千張圖譜，進行了長期、深入、持久的基礎研究，為開展大鍛件熱處理組織與性能關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)外側比較均衡的冷卻方案，使得第三代核電站AP1000機組大鍛件熱處理合格交貨。
另外一個例子，是12500噸鋁型材擠壓機活塞，為了提高耐磨性，要求表面硬度大于50HＲC。設計部門選取45鋼制造，用45鋼做成那么大的東西，不能淬火怎么辦呢?后來上重廠一起和經(jīng)過很長時間的考慮采用計算機模擬的方法(見圖9)，提出了一個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題，熱處理設備也很重要。原來一個大型的氮化爐，流場不均勻，而采用計算機模擬的方式改進了旋轉(zhuǎn)風葉，邊上加了導流板，上面加了分流板，這樣模擬出來流場，工作區(qū)域是均勻的(見圖10)。
先進裝備制造業(yè)有賴于基礎零部件、基礎工藝、基礎軟件、基礎芯片(統(tǒng)稱為四基)的技術支持。正像路湧祥院長、周濟院長等多位院士寫的一個院士報告，說我們國家現(xiàn)在四基落后，院士們對此深感憂慮。所以說中國工程院正在開展工業(yè)強基發(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。但是社會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、機械加工都賠進去了。因此應該全面地、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%，使用時間只有原來20%(完全可能)，即方案C，那么總制造能耗增加約4倍。反過來如果改進熱處理工藝，熱處理工藝本身能耗提高1倍，同時壽命可以提高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。所以說要辯證地看待熱處理能耗和社會總能耗，正是這個認識上的誤區(qū)，導致我們在制定政策上有很大的失誤。
五、幾點建議
（1）要正確認識熱處理在現(xiàn)代裝備制造業(yè)的重要作用和關鍵地位，正確認識熱處理質(zhì)量、產(chǎn)品使用壽命與熱處理能耗之間的關系。
（2）取消現(xiàn)行的熱處理許可證制度，讓市場之手調(diào)節(jié)熱處理專業(yè)化廠與非專業(yè)化熱處理的比重，并且支持和鼓勵產(chǎn)品制造廠擁有獨特的熱處理技術和生產(chǎn)能力。
（3）建立熱處理的質(zhì)量監(jiān)督體系。現(xiàn)在我國質(zhì)量監(jiān)督局沒有熱處理質(zhì)量監(jiān)督這個職能，應填補這一空白。
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