潘 健 生
（上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）
摘 要：本文擬就熱處理與表面改性技術(shù)的特點(diǎn)、作用、國(guó)內(nèi)外差距和出路等問(wèn)題，提出一些粗淺的看法，期望引起討論和得到讀者的批評(píng)指正。
關(guān)鍵詞：熱處理 表面改性 制造業(yè)
制造業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱。改革開(kāi)放以來(lái)我國(guó)裝備制造業(yè)以平均每年17%的速率快速增長(zhǎng)，目前我國(guó)裝備制造業(yè)的增加值僅次于美、日、德，居世界第四，已成為制造業(yè)大國(guó)， 但應(yīng)清醒地看到我國(guó)還不是制造業(yè)強(qiáng)國(guó)， 在國(guó)際制造業(yè)中處于低端地位，與國(guó)際先進(jìn)水平存在巨大差距。其中一個(gè)突出的問(wèn)題是我國(guó)制造業(yè)的產(chǎn)品因質(zhì)量低、壽命短、可靠性差而缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，只能制造低品位、低附加值的產(chǎn)品，只能依靠產(chǎn)能的擴(kuò)大實(shí)現(xiàn)增長(zhǎng)。國(guó)防工業(yè)和許多重要工業(yè)部門(mén)所需的重要工藝裝備以及核心零部件依賴進(jìn)口的局面長(zhǎng)期未能改觀，嚴(yán)重威脅我國(guó)國(guó)防安全和經(jīng)濟(jì)安全。
我國(guó)熱處理（含表面改性，下同）技術(shù)的落后是造成這種狀況的主要原因之一。已成為制約我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的瓶頸，應(yīng)引起高度重視。本文擬就熱處理與表面改性技術(shù)的特點(diǎn)、作用、我國(guó)在此領(lǐng)域與國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家的差距和發(fā)展出路等問(wèn)題，提出一些粗淺的看法，期望引起討論并得到讀者的批評(píng)指正。
1、熱處理與表面改性技術(shù)的特點(diǎn)
材料的性能并不單純?nèi)Q于材料的種類和成分，通過(guò)熱處理和表面改性改變材料內(nèi)部的組織，將大幅度改變材料性能。例如：高速鋼在退火狀態(tài)硬度不高于280HB并有相當(dāng)好的塑性和韌性，在經(jīng)過(guò)淬火回火之后則有很高的硬度、紅硬性和耐磨性。由于溶入基體中的合金元素的含量以及奧氏體的晶粒度都和淬火溫度有關(guān)，其趨勢(shì)是硬度、紅硬性隨淬火溫度提高而提高，韌性則隨之下降，強(qiáng)度則是先升后降（圖1）。利用這種規(guī)律，可以根據(jù)不同刀具和模具的使用特點(diǎn)選擇各自******的淬火溫度（表1），車刀具的刃部和刀柄都比較厚實(shí)，對(duì)強(qiáng)度要求不高，承受沖擊載荷較輕， 可以采用接近于熔點(diǎn)的淬火溫度，使盡可能多的合金元素和碳溶入奧氏體中，從而提高紅硬性和耐磨性。鉆頭鉆孔時(shí)刃口不易冷卻，希望盡可能提高其紅硬性，但為防止扭斷，鉆頭需要有較高強(qiáng)度，因此其淬火溫度略低于車刀。銑刀和絞刀的刃口較薄，為了避免崩刃，要求有足夠的韌性，應(yīng)適當(dāng)降低淬火溫度，小鉆頭使用時(shí)主要損壞方式是扭斷或折斷，為保證較高強(qiáng)度宜進(jìn)一步降低淬火加熱溫度。冷擠壓模具承受很高的應(yīng)力，而對(duì)紅硬性要求不高，所以選擇出現(xiàn)強(qiáng)度峰值的淬火加熱溫度，而對(duì)于一些細(xì)長(zhǎng)的或形狀復(fù)雜，受較大沖擊載荷的冷沖模，則應(yīng)選擇更低的淬火溫度。表1說(shuō)明用同一種鋼制造的刀具或模具，應(yīng)根據(jù)使用情況和失效的方式選擇不同的淬火溫度，其變化的范圍達(dá)到150℃。但對(duì)于一個(gè)具體的工件而言，只允許±5℃的偏差。
結(jié)構(gòu)鋼和低合金工具鋼也有類似的情況，預(yù)先熱處理組織、淬火加熱溫度、冷卻方式、回火溫度都對(duì)鋼的性能有明顯的影響，它們之間的不同組合可以使材料獲得不同的綜合性能。結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性和彈性極限都隨著淬火后的回火溫度而變化，對(duì)于要求具有高塑性、高韌性特別是低的缺口敏感性的工件通常選用高溫回火（調(diào)質(zhì)處理），而要求高強(qiáng)度和較高硬度的工件選用200℃左右的低溫回火，例如30CrMnSi，40CrNiMo淬火后200℃回火抗拉強(qiáng)度可高達(dá)1600~1800MPa，比調(diào)質(zhì)提高1倍左右。各類彈簧等彈性元件通常選用呈現(xiàn)彈性極限峰值的中溫回火。此外等溫淬火、二相區(qū)加熱淬火和形變熱處理等工藝都可以使結(jié)構(gòu)鋼獲得良好強(qiáng)韌性。至于各種化學(xué)熱處理和表面涂覆技術(shù)則可以通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)改變滲層表面的濃度和滲層深度以及控制濃度梯度和性能梯度，以適應(yīng)不同工件的不同的服役條件對(duì)工件整體綜合性能的要求，例如不同零件的滲碳處理，應(yīng)該有不同技術(shù)要求，才能獲得良好的使用性能（表2），石油鉆井的牙輪鉆，滲碳層表面濃度由0.9~1.0%C降低到0.7~0.8 %C，并使?jié)舛确植记€呈平臺(tái)狀，使用壽命由27小時(shí)提高到52小時(shí)，收到一個(gè)鉆井隊(duì)抵二個(gè)鉆井對(duì)的效果，又例如用離子注入的方法進(jìn)行表面改性處理可以在不改變整體的強(qiáng)度、韌性的同時(shí)，大幅度提高耐磨性、降低摩擦系數(shù)、提高抗蝕性，應(yīng)用于航天器上各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的軸承和各種摩擦件、飛機(jī)上的液壓馬達(dá)中的耐磨零件、以及石油工業(yè)泥漿泵的套筒等均取得良好的效果。在有些情況下針對(duì)工件的特點(diǎn)采用一些看似“非正規(guī)”的熱處理工藝，能收到出奇效果：3Cr2W8熱模鋼的淬火溫度范圍一般為1050~1120℃，但鍋爐鋼管熱擠壓模，在模具型腔中相當(dāng)于鋼管散熱筋二側(cè)的位置，承受很大的應(yīng)力，容易在熱態(tài)下屈服而使模具失效。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)將淬火溫度提高到1170~1180℃，淬火冷卻時(shí)水冷至~650℃，然后轉(zhuǎn)入低溫鹽浴中冷卻，模具壽命提高幾倍；水稻收割機(jī)刀片，用高濃度碳氮共滲處理；表面層出現(xiàn)大量碳化物和殘余奧氏體，按常規(guī)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)被視為不合格，但因具有很高的耐磨性和良好的抗蝕性，水稻收割機(jī)刀片的使用壽命比常規(guī)滲碳處理高數(shù)倍。
粗略回顧上述早為人們熟知的事實(shí)，只是說(shuō)明一種易被忽視的觀點(diǎn)：最優(yōu)化的熱處理工藝不可能是千篇一律的，同種材料的各項(xiàng)性能都會(huì)因熱處理方法及其工藝參數(shù)的不同而改變，各項(xiàng)性能指標(biāo)又常常此消彼長(zhǎng)。選擇合適的熱處理工藝參數(shù)、獲得與工件的使用狀況和失效方式相適應(yīng)的******綜合性能，才有可能制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品，這就是熱處理與表面改性技術(shù)的特點(diǎn)、難點(diǎn)和魅力之所在，充滿讓人發(fā)揮主觀能動(dòng)性的空間和余地。
歷史已證明：改進(jìn)熱處理技術(shù)，更充分發(fā)揮材料的潛力，往往是產(chǎn)品更新?lián)Q代的催化劑。調(diào)質(zhì)處理即淬火后高溫回火后的屈服強(qiáng)度大約在600~900 MPa之間，無(wú)論是強(qiáng)度和韌性都顯著優(yōu)于正火處理，因而成為結(jié)構(gòu)鋼常用的熱處理工藝，在二次大戰(zhàn)期間前蘇聯(lián)的研究人員發(fā)現(xiàn)30CrMnSi淬火和低溫回火，或等溫淬火后，屈服強(qiáng)度達(dá)到1500 MPa，并保持足夠的韌性。用于制造飛機(jī)起落架。中、低碳結(jié)構(gòu)鋼淬火低溫回火處理還應(yīng)用于火炮防彈護(hù)板等軍工產(chǎn)品，隨后各國(guó)開(kāi)發(fā)一系列以淬火和低溫回火處理為特征的“超高強(qiáng)度鋼”促進(jìn)了不少重要產(chǎn)品的更新?lián)Q代，例如：大功率燃?xì)廨啓C(jī)的液壓耦合器的轉(zhuǎn)子，傳遞著幾萬(wàn)以至幾十萬(wàn)千瓦的功率，轉(zhuǎn)速達(dá)每分鐘2萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，原設(shè)計(jì)為SEA4340鋼調(diào)質(zhì)處理，屈服強(qiáng)度為800MPa,后來(lái)采用淬火、低溫回火處理，屈服強(qiáng)度達(dá)到1800MPa，使整個(gè)耦合的重量減少到原來(lái)的1/4。這對(duì)于提高艦艇的性能是很有利的。
表面改性技術(shù)對(duì)高端產(chǎn)品的研發(fā)同樣有重要作用，眾所周知，燃?xì)獾臒嵝孰S著燃?xì)鉁囟鹊纳叨岣撸欢邷睾辖鸬哪蜔釡囟认拗屏巳紵覝囟鹊奶岣?。在?guó)外，由于研究成功在耐熱合金表面沉積含蜂窩狀ZrO2復(fù)合涂層，起著隔熱作用，使耐熱合金葉片的溫度比燃?xì)鉁囟鹊?50℃以上，從而研制出燃燒室溫度更高的燃?xì)廨啓C(jī)，促成航空發(fā)動(dòng)機(jī)的更新?lián)Q代。
即使是一般的機(jī)械制造行業(yè)，熱處理與表面改性的技術(shù)進(jìn)步同樣對(duì)產(chǎn)品的創(chuàng)新有重要意義，例如生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件的冷鐓機(jī)的生產(chǎn)率現(xiàn)在已達(dá)600件/min，相比于二十幾年前60件/ min提高了10倍。標(biāo)準(zhǔn)件行業(yè)面貌大為改觀。其實(shí)冷鐓機(jī)并不復(fù)雜，在當(dāng)年設(shè)計(jì)制造600件/ min的冷鐓機(jī)亦非難事，問(wèn)題在于那個(gè)小小的六角沖頭，它當(dāng)時(shí)壽命低于2萬(wàn)件，在這種情況下，提高冷鐓機(jī)的速度毫無(wú)意義。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)件是一種批量極大的產(chǎn)品，通常要求每個(gè)沖頭壽命都要超過(guò)一個(gè)班，否則很難進(jìn)行生產(chǎn)管理。上世紀(jì)80年代初通過(guò)熱處理工藝的改進(jìn)，使沖頭的壽命提高到5萬(wàn)件以上，才有100件/ min的冷鐓機(jī)面世。及至90年代用氣相沉積氮化鈦的方法進(jìn)行六角沖頭的表面改性處理，使其壽命提高到35萬(wàn)件以上。成為高速冷鐓機(jī)的催生劑。
圖2是一種特種變速箱的薄壁齒圈，其特點(diǎn)是可以顯著減小變速箱的體積和重量，但是用常規(guī)的齒輪熱處理方法制造遇到很大的難題，滲碳淬火或感應(yīng)加熱淬火都難以控制熱處理畸變，而常規(guī)的滲氮處理不能滿足該齒輪對(duì)接觸疲勞強(qiáng)度的要求，只有應(yīng)用動(dòng)態(tài)可控滲氮工藝，使接觸疲勞強(qiáng)度由1400MPa提高到1700MPa，并且研究成功控制薄壁齒圈滲氮畸變的方法，才使特種變速箱試制成功。
僅從這些事例就可以反映出：熱處理的技術(shù)進(jìn)步對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新有重要的推動(dòng)作用。
鑒于上述特點(diǎn)，欲提高熱處理的技術(shù)水平首先應(yīng)開(kāi)展熱處理工藝參數(shù)對(duì)材料組織性能影響規(guī)律的系統(tǒng)研究，其次研究工作不能只停留在用試樣研究的層面上。熱處理工藝研究需要和產(chǎn)品的臺(tái)架試驗(yàn)、裝機(jī)試驗(yàn)及失效分析相結(jié)合，經(jīng)過(guò)不斷摸索與改進(jìn)，才能收到大幅度提高壽命的效果，例如：圖3所示卡車活塞銷冷擠壓凸模，承受約2000MPa單位壓力，需要有很高的抗壓屈服強(qiáng)度，而且其形狀細(xì)長(zhǎng)易折斷，又要求有足夠的韌性，擠壓過(guò)程中被擠壓金屬對(duì)韌帶強(qiáng)烈摩擦，因此需要很高的耐磨性和一定的熱穩(wěn)定性。選用W6Mo5Cr4V2高速鋼制造。起先選用手冊(cè)中給出的標(biāo)準(zhǔn)熱處理規(guī)范進(jìn)行處理，使用壽命低于400件。失效方式是凸模施壓過(guò)程中折斷。為了提高材料的韌性將淬火溫度由1225℃降低至1190℃，收到顯著效果，壽命提高到2500件左右。進(jìn)一步降低淬火溫度雖然可使韌性進(jìn)一步提高，然而使用壽命反而回落。對(duì)凸模的工作狀況和失效方式進(jìn)行仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，在低溫范圍內(nèi)加熱淬火的沖頭，刃帶被逐漸拉毛，脫模時(shí)阻力愈來(lái)愈大，在脫模過(guò)程中由于沖擊拉伸應(yīng)力的作用導(dǎo)致斷裂。針對(duì)這種具體情況采用1190℃淬火560℃回火4次，然后進(jìn)行氣體氮碳共滲處理。表面層（約0.02mm）的硬度提高到1000HV以上，而整體上保持高強(qiáng)度和高韌性，使用壽命提高到1萬(wàn)件以上。
再則考慮到熱處理工藝參數(shù)對(duì)材料性能的影響相當(dāng)敏感，為了保證質(zhì)量的重現(xiàn)性和一致性必須研究開(kāi)發(fā)先進(jìn)的熱處理工藝裝備和精密可靠性的熱處理過(guò)程控制技術(shù)、設(shè)計(jì)合理的工裝夾具、規(guī)定和嚴(yán)格執(zhí)行合理的裝爐方式和操作方法。所以提高熱處理質(zhì)量及其重現(xiàn)性是一個(gè)系統(tǒng)工程。在這一領(lǐng)域中不同國(guó)家和不同企業(yè)之間存在很大差距，也就不足為奇了。
2、熱處理技術(shù)落后已成為我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的瓶頸
在發(fā)達(dá)國(guó)家中，凡是擁有著名品牌的機(jī)械產(chǎn)品的廠商都高度重視熱處理技術(shù)研發(fā)，通過(guò)大量的投入，持續(xù)的改進(jìn)和長(zhǎng)期的積累，形成各自獨(dú)有的技術(shù)，并作為市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的要素而嚴(yán)加保密。人們可以購(gòu)得名牌產(chǎn)品，通過(guò)測(cè)繪和解剖分析，仿制出外型和成分與之完全相同的產(chǎn)品，但使用壽命和可靠性常常相差甚遠(yuǎn)。正是在這一關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)上我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家存在很大的差距。
長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)制造業(yè)存在著重產(chǎn)品、輕毛坯，而在毛坯制造中則重控形、輕控性，重產(chǎn)能輕質(zhì)量等傾向。發(fā)展規(guī)劃和技改資金過(guò)分傾向于購(gòu)置精密加工設(shè)備而很少顧及材料制造、特別是控性與改性技術(shù)的研發(fā)，其后果常常由于產(chǎn)品的使用壽命低和可靠性差而在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，只能陷入在慘烈價(jià)格戰(zhàn)中掙扎的困境。
熱處理在制造業(yè)中的作用未受重視，熱處理的產(chǎn)值按斤論價(jià)，其中的知識(shí)含量的價(jià)值被嚴(yán)重扭曲。被視為一個(gè)“產(chǎn)值很小的產(chǎn)業(yè)”而處于邊緣化。以致我國(guó)熱處理嚴(yán)重落后于國(guó)際先進(jìn)水平，主要表現(xiàn)在：
2.1 產(chǎn)品的使用壽命低、可靠性差
由于熱處理技術(shù)落后，我國(guó)許多機(jī)械產(chǎn)品的使用壽命、可靠性和質(zhì)量重現(xiàn)性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外先進(jìn)水平，國(guó)防工業(yè)中的一些關(guān)鍵零部件和重大工藝裝備中的關(guān)鍵零部件不得不依賴進(jìn)口，或者是只能引進(jìn)國(guó)外的成形及熱處理設(shè)備制造中國(guó)的飛機(jī)、坦克、汽車，處處受制于人。例如：上海引進(jìn)德國(guó)技術(shù)生產(chǎn)的汽車變速箱的一個(gè)齒輪，德方規(guī)定必須用歐洲的設(shè)備進(jìn)行滲氮處理，設(shè)備報(bào)價(jià)一千多萬(wàn)人民幣，相當(dāng)于該齒輪熱處理年產(chǎn)值二十余倍，而且消耗性的輔助材料也必須高價(jià)進(jìn)口。這種狀況使“中國(guó)制造”所創(chuàng)造的利潤(rùn)絕大部分落入洋人口袋中。
至于量大面廣的民用工業(yè)產(chǎn)品，雖然國(guó)內(nèi)亦能制造，但因壽命短、故障率高而缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，近年注塑機(jī)械需求增長(zhǎng)很快，國(guó)產(chǎn)的注塑機(jī)的壽命只及國(guó)外同類產(chǎn)品的幾分之一，售價(jià)也就只及進(jìn)口注塑機(jī)的1/8左右。國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件冷鐓機(jī)沖模因使用使命只有臺(tái)灣或日本產(chǎn)品的幾分之一而慘遭市場(chǎng)淘汰。汽車尾氣凈化器蜂窩板粉末成型模國(guó)外可壓制蜂窩板2000m，而國(guó)內(nèi)仿制的模具只能壓制150m，難以立足市場(chǎng)。國(guó)產(chǎn)重載變速箱即使設(shè)計(jì)比較保守，自重較大，但斷齒，斷軸而導(dǎo)致重大的機(jī)械運(yùn)行事故仍時(shí)有所聞。國(guó)產(chǎn)的某種型號(hào)螺旋泵，是仿制進(jìn)口的產(chǎn)品，由于熱處理工藝不當(dāng)經(jīng)常發(fā)生芯軸早期斷裂的故障。難與國(guó)外同類產(chǎn)品的故障率為百分之一的水平相比。
2.2 熱處理畸變控制水平低
我國(guó)熱處理畸變控制水平低也是一個(gè)突出的問(wèn)題：例如我國(guó)重載變速箱齒輪滲碳熱處理留磨量是世界先進(jìn)水平的三倍，不僅大幅度提高了制造成本，而且磨削后滲碳層深度的偏差增大，對(duì)使用可靠性有不良影響。我國(guó)毛坯制造的控形精度低，切削加工余量偏大，大量?jī)?yōu)質(zhì)鋼材變成鐵屑，造成了資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。
2.3 材料制造裝備的設(shè)計(jì)制造嚴(yán)重落后
我國(guó)材料制造與國(guó)際先進(jìn)水平的差距還突出表現(xiàn)在材料制造裝備的設(shè)計(jì)制造嚴(yán)重落后，高端的熱處理和表面改性工藝裝備依賴性進(jìn)口，重復(fù)引進(jìn)，落后——引進(jìn)——再落后——再引進(jìn)的現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，航空、軍工、和高檔汽車生產(chǎn)所需的真空滲碳高壓氣淬設(shè)備，國(guó)內(nèi)無(wú)法制造，全部依賴進(jìn)口，這類設(shè)備的售價(jià)是傳統(tǒng)意義上的“制造成本”的十幾倍以至幾十倍，現(xiàn)代先進(jìn)的材料制造工藝裝備是先進(jìn)材料制造技術(shù)的載體，其價(jià)格取決于其中知識(shí)的含量、高新技術(shù)集成度、以及技術(shù)的獨(dú)占性與知識(shí)產(chǎn)權(quán)等因素，然而我國(guó)熱處理設(shè)備制造廠雖然多達(dá)數(shù)千家，但是只能制造相當(dāng)于國(guó)外幾十年以前水平的產(chǎn)品，在慘烈的價(jià)格戰(zhàn)中苦苦掙扎，不久前國(guó)內(nèi)一些航空和軍工單位公開(kāi)招標(biāo)采購(gòu)滲氮設(shè)備，國(guó)內(nèi)廠商的報(bào)價(jià)只有國(guó)外的幾十分之一，卻無(wú)一能中標(biāo)，這一事例表明目前我國(guó)材料制造工藝裝備制造業(yè)缺乏創(chuàng)新能力，無(wú)力滿足用戶的需求，自身也難以可持續(xù)發(fā)展，前景甚憂。
我國(guó)材料制造控制性技術(shù)的落后，不但不能適應(yīng)當(dāng)前的生產(chǎn)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，而且制約我國(guó)制造業(yè)整體創(chuàng)新能力的提高。飛機(jī)、汽車、各種交通工具以及各類機(jī)械設(shè)備的輕量化，工模具、零部件的壽命，高速火炮的射擊頻率，潛艇的極限下潛深度，燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)庠试S溫度等等無(wú)不與材料潛力的發(fā)揮有關(guān)，不掌握具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)的材料制造技術(shù)，就不可能設(shè)計(jì)制造出先進(jìn)的產(chǎn)品。例如：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱中絕大多數(shù)的零部件都需要經(jīng)過(guò)熱處理或表面改性，目前我國(guó)生產(chǎn)的各種牌號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱絕大多數(shù)都是國(guó)外品牌，沒(méi)有自主的核心技術(shù)，只能按照國(guó)外的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)自行研發(fā)了數(shù)款自主品牌的汽車變速箱，是可喜的進(jìn)步。但是基本上屬于仿制，尤其是關(guān)鍵零部件材料的性能指標(biāo)和控性的技術(shù)要求，只能簡(jiǎn)單的模仿國(guó)外的產(chǎn)品，存在很大的盲目性，影響了產(chǎn)品質(zhì)量，更重要的是：如果缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料控性核心技術(shù)的支撐，勢(shì)必制約我國(guó)自主品牌產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新能力，陷入“落后——仿制——再落后——再仿制”的路徑依賴的惡性循環(huán)，無(wú)法使我國(guó)制造業(yè)擺脫被置于全球化制造鏈低端的困境。
3、發(fā)展數(shù)字化的熱處理智能技術(shù)
熱處理過(guò)程十分復(fù)雜，在不同的外場(chǎng)（熱、力、電、磁、光等）和環(huán)境的作用下，材料發(fā)生相變、應(yīng)力、應(yīng)變和化學(xué)反應(yīng)等變化，對(duì)這些復(fù)雜現(xiàn)象中的客觀規(guī)律認(rèn)識(shí)的深化，是提高熱處理質(zhì)量的基礎(chǔ)。電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，為人們提供了強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算和信息處理的能力，從而有可能集成不同學(xué)科的知識(shí)，用多場(chǎng)耦合的方法建立描述材料熱處理過(guò)程中各種復(fù)雜現(xiàn)象及其相互作用的物理數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬方法，構(gòu)成熱處理的虛擬生產(chǎn)平臺(tái)。將有可能使熱處理技術(shù)由傳統(tǒng)的“技藝”型的落后狀態(tài)向著以科學(xué)計(jì)算為依據(jù)的高度知識(shí)密集型技術(shù)的方向轉(zhuǎn)化。 熱處理過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬近年來(lái)發(fā)展迅速，并已顯示出提升熱處理水平的巨大潛力[2，4]。但也應(yīng)指出，熱處理計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)還很不成熟，還有一系列基礎(chǔ)研究有待進(jìn)行，例如氣—固表面換熱和液—固表面換熱的測(cè)試計(jì)算方法、非等溫非等速條件下相變動(dòng)力學(xué)的定量計(jì)算、多場(chǎng)耦合的算法，復(fù)雜非線性問(wèn)題的算法、界面反應(yīng)的物質(zhì)傳遞、等等都屬于高難度的有待長(zhǎng)期深入研究的課題。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果的驗(yàn)證和數(shù)學(xué)模型的修正都是工作量浩大的基礎(chǔ)工作。
由于熱處理過(guò)程的復(fù)雜性，還有許多基本原理尚待進(jìn)一步深入研究，以致熱處理中有很多問(wèn)題還不可能建立物理數(shù)學(xué)模型。這就有必要用“基于知識(shí)的工程（KBE）”的方法[3]，從大量的生產(chǎn)記錄、測(cè)試數(shù)據(jù)、案例和工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)中挖掘隱性的知識(shí)，用以改進(jìn)熱處理技術(shù)和開(kāi)發(fā)新的技術(shù)。
計(jì)算機(jī)模擬和KBE技術(shù)是發(fā)展知識(shí)密集型熱處理技術(shù)的二大支柱，是開(kāi)發(fā)數(shù)字化熱處理智能技術(shù)制造的基礎(chǔ)（見(jiàn)圖4）。
另一個(gè)值得重視的問(wèn)題是不應(yīng)將熱處理數(shù)字化、信息化的作用局限于熱處理生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前，熱處理是制造業(yè)信息化中最薄弱的環(huán)節(jié)，成為制造業(yè)全生命周期信息集成的瓶頸。熱處理技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)脫節(jié)，熱處理工藝的制訂甚至熱處理技術(shù)指標(biāo)都有很大盲目性，是造成產(chǎn)品肥頭大耳或可靠性差的原因之一。信息化、數(shù)字化的熱處理智能技術(shù)的發(fā)展有可能克服上述弊端。將產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、選材與熱處理計(jì)算機(jī)模擬以及產(chǎn)品可靠性評(píng)估相結(jié)合，構(gòu)成產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)平臺(tái)（圖5），實(shí)現(xiàn)重量輕、體積小而又高度可靠的產(chǎn)品設(shè)計(jì)?？梢灶A(yù)期熱處理數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)擬技術(shù)將在先進(jìn)制造技術(shù)中發(fā)揮發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
4、結(jié)論
熱處理在現(xiàn)代化工業(yè)中的作用可謂四兩撥千斤——其本身產(chǎn)值只占制造業(yè)的百分之幾，而其水平高低則可能使整機(jī)的附加值相差幾倍至幾十倍。
我國(guó)熱處理的落后狀態(tài)嚴(yán)重影響我國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。熱處理是當(dāng)前我國(guó)制造業(yè)發(fā)展中的最薄落的環(huán)節(jié)。
熱處理信息化使熱處理由技藝型技術(shù)向高科技型技術(shù)轉(zhuǎn)化，擺脫依賴于經(jīng)驗(yàn)和操作技能的落后狀態(tài)，向著精確預(yù)測(cè)生產(chǎn)結(jié)果和實(shí)現(xiàn)可靠的質(zhì)量控制的方向發(fā)展。
熱處理信息化克服了制造業(yè)信息化的薄弱環(huán)節(jié)，將熱處理虛擬生產(chǎn)集成于產(chǎn)品的虛擬制造中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的優(yōu)化，對(duì)制造業(yè)跨越式發(fā)展有重大作用。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 樊東黎主編。熱處理技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001年10月，602.
[2] 潘健生，李曉玲，張偉民。中國(guó)熱處理和表面工程的現(xiàn)狀與展望。金屬熱處理。 2005,30（1）：1~8.
[3] 阮雪榆，委臻亮。 21世紀(jì)數(shù)字化塑性成形技術(shù)與科學(xué)。 見(jiàn)：柳百成等主編，21世紀(jì)的材料成型加工技術(shù)與科學(xué)。 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.12，P.21~29
[4] 潘健生等。熱處理數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)模擬。中國(guó)工程科學(xué)，2003,5（5）：47~54
注：此文首次發(fā)表在2006年11月全國(guó)熱處理學(xué)會(huì)技術(shù)報(bào)告會(huì)（杭州贊成賓館，2006年11月）和中國(guó)工程院會(huì)議