美国热处理规划

一美国金属学会热处理学会研究开发紧急需求（ImmediateNeeds)工艺和程控（TechnologyandProgramming)教育二美国热处理路线图成立于1994年1995年和1996年紧急需求委员会在全行业的企划中进行了全面调查，列出一系列热处理生产中紧急需求项目。1996年2月美国国会能源部、热处理学会、金属热处理协会(MetalTreatingInstitute)召集了20名热处理全能(captive)和专业(commercial)加工企业、制造业和销售企业领导讨论并提出了美国热处理2020年设想和远期目标。1997年2月提出了热处理技术发展路线图初稿，2002年7月热处理学会研发委员会在依利诺依斯工业大学对路线图进行讨论修改和补充。2004年公布了“热处理学会的2004热处理路线图修订稿”。美国热处理2020年设想目标能源消耗减少80%工艺周期缩短50%生产成本降低75%热处理实现零畸变和最低的质量分散度加热炉使用寿命提高到原先的10倍（增加9倍）加热炉价格降低50%，实现生产零污染三组织实施措施1999年9月在Worcester工业大学（WorcesterPolytechnicInstitute，简称WPI）的金属加工学院–“热处理杰出技术中心”（CenterforHeatTreatingExcellence，简称CHTE）。–Illinois工业大学成立了“热加工技术中心”（ThermalProcessingTechnologyCenter，简称TPTC）组织全行业的企业参与研发实现路线图目标和完成所提出的70余个研发项目。四值得重视的研发项目1利用地下水循环的感应加热淬火2强烈淬火工艺31010℃以上温度的高温渗碳4Ni3Al金属间化合物--新型炉内抗渗碳耐热构件材料5长寿命辐射管技术6软件系统A利用地下水循环的感应加热淬火＜500kW的感应淬火利用地下水闭路循环冷却，使用时用深井泵抽取底下水，后经净化处理再返回地下。目前密执安州Alger市RollRite公司的一台150kW的AjaxTocco感应淬火系统已经采用此法，每日的费用仅以美分计。B强烈淬火工艺乌克兰科学院柯巴斯科院士开发的钢件用水或盐水剧烈冷却淬火是表面形成残余压应力并减少畸变的方法，已在美国获准以IntersiQuench服务商标注册了IQTechnologiesInc公司。由于以水代油，减少了油品消耗并显著降低生产成本，受到美国能源部的重视和支持。C1010℃以上温度的高温渗碳真空渗碳技术的成熟和低压渗碳技术的开发为实现高温渗碳制造了条件。由于能显著缩短渗碳周期和节省能源，此项目已列入路线图研发计划的“工艺和材料技术”分组计划。DNi3Al金属间化合物--新型炉内抗渗碳耐热构件材料Ni3Al已问世约20年，因为很脆，长期未获实际应用。OakRidge国家实验室由ChainT.Liu领导的集体发现添加微量硼可显著改善其塑性，可作为炉子料筐、夹具，Ni3Al材料为添加Cr、Zr、Mo、B的8%～11%Al，81%～88%Ni。出色的热强性、抗蠕变、抗渗碳能力。Delphi-SaginawSystems公司通过和能源部的合作研究与开发协议已在料盘上进行了多年的成功试验。EAPM和APMT（更高强型APM合金）合金长寿命辐射管瑞典KanthalAB的Sadvik公司继KanthalAL电热丝之后相继开发出APM和APMT合金。此种材料仍然是在A1粉末材料基础上，通过热等静压（HotIsostaticPressing）和深拉延出来的。用APM合金制造的电热和然气辐射管比普通耐热合金辐射管能经受双倍的热流，925℃能经受的热流可达9～10kJ/㎡。F炉用平面辐射板燃气技术所（GasTechnologyInstitute）砌入炉壁的平面辐射板（fiatradiantpanel），能增加辐射表面、降低表面温度、延长炉子使用寿命，提高炉温均匀性，减少炉衬，使炉子尺寸缩小50%，加快炉子升温和冷却速度，形成的NOx很少。G反向循环单管封闭式辐射管(reverseannulussigle-endedradianttube)北美制造公司NothAmerivanMfg.Co)和燃气研究所（GTI）共同开发。热辐射率高，用相同材料制造此种管能经受更高温度，提高燃烧效率10%，减少50%的NOx，使用寿命长。H低NOx燃气强烈内循环(FORCEDIntervalRecirculation)辐射管GTI开发的U型辐射管延管长温度均匀。当炉温为1010℃，空气遇热温度从455℃提高到了480℃时，产生的NOx＜0．008%（vol）。而一般预热空气辐射管所产生的NOx大于0．02%～0．25%（vol）。I直焰冲击燃烧技术(DirectFlameImpingementTechnology)使用多喷嘴平嵌入炉壁的高速燃烧器，喷射速度达到1马赫（～330m/s）。可在空气过剩系数a=1的条件下工作，提高能源利用率35%，减少70%的NOx，提高生产率25%，减少50%的氧化烧损，每年节约1～1．5亿美元的潜力。J智能化感应淬火闭环控制系统(Closed-loopcontroltechnolgy)利用神经网格系统控制原理，全面控制选材、相变、加热工艺、渗层。软件具有优化零件强度/重量比的功能，具有的主、被动电磁传感器能监控整个加热过程中的透热深度。k软件系统延长机器零件寿命残余应力状态的DANTE软件准确预见钢热处理相变定量数据的软件工艺热能评价的鉴定软件–该软件为美国能源部计划项目，供用户按不同燃烧方式和热回收参数进行热能转换的工具，可比较炉子在工作状态下的性能，技术各种工作条件的节能潜力。加热炉能源分析工具–可计算按小时、年度或每磅零件的燃烧、电能消耗成本数据。能源有效利用分析软件。五设备和硬件材料部分研发项目1工艺控制–①开发改进预测工具，例如工艺设计、预见状态、热物理和力学性能预测计算机模型。–②开发适时过程控制技术，安装在炉中和淬火槽中测量气流、淬火烈度、碳、氮势的灵巧传感器。–③开发在工件上适时直接测量表面含碳量的方法。–④开发工艺参数无人监控的生产方法。–⑤快速、无损、经济、适时测量渗碳层深度的方法。–⑥用多种传感器和技术按AMS规范鉴别炉子的更优化系统。–⑦更好的设备故障诊断、预防、维护方法。如烧嘴裂纹预测、防止炉内气氛恶化。–⑧建立标准/预见设备易变可行性的研究。例如不可能有两台一样的炉子。–⑨预测炉子几何尺寸、风扇速度、装炉量和装炉形态的模型。五设备和硬件材料部分研发项目2材料–①改进氧探头的抗碳黑能力----开发能用于700℃以下的氧探头。–②新的功能材料（如绝热材料）和结构材料（如在高温下工作的结构材料）。–③炉用经济耐热构件材料。–④提高炉子的耐热构件合金性能，包括抗渗碳合金夹具、料盘的廉价涂蹭。五设备和硬件材料部分研发项目3硬件（设备）–①高效（>80%）燃烧器。–②高流速换热器，高转速风扇，增加传热面积等提高炉料受热条件的措施。–③减少散热的筑炉廉价绝热材料。–④节能、无内氧化渗碳气氛。–⑤铝合金淬火设备的改进。–⑥整批（盘）炉料的均匀淬火系统。–⑦淬冷设备改良设计模型。–⑧单件流动和机加工同步热处理设备。–⑨附加淬火机床上的能适时感知淬火开裂的转感器。–⑩廉价的残余应力非破坏检测方法，更有效和更廉价的液态工作脱脂方法和设备。六工艺和材料部分研发项目1材料和工艺–①减少试验、避免错误的设计感应器软件工具。–②抗晶粒长大的高温（～1010℃）渗碳钢。–③缩短渗碳周期的工艺。–④改善感应、磁场、炉内加热回火、时效工艺的减少质量分散度和缩短工艺周期。–⑤减少加热时间的快速加热相变动力学。–⑥稀土元素对热处理组织转变的影响。–⑦高效的表面改性工艺。–⑧材料的深冷处理极限。–⑨聚合物、复合材料、新的铁合金和非铁合金等新材料的热处理。–⑩可代替渗碳的材料和工艺，控制淬透性钢、强烈淬火。–⑩代替表面淬火的高效生产方式。六工艺和材料部分研发项目2材料应用软件和模型数据库主要项目包括：–①材料选择软件：用户输入要求性能、输出工艺和热处理参数。–②材料失效（破坏）过程模型：输入使用特性指标（磨损、载荷、腐蚀）、输出材料的组织性能，反过来用于失效分析。六工艺和材料部分研发项目3模型的开发–①加热、冷却体积应变的相变模型。–②加热和冷却相变的体积应变模型。–③连续加热和冷却相变数据库。包括轧制变量、成分不均匀组织对相变的影响。–④把相变模型汇集为软件工具。–⑤把相变模型转化为高温性能的数据库。–⑥生产设备使用不同介质测量介质和工件传热过程的探头。–⑦不同介质中冷却的试验工业标准。–⑧渗碳、氮、高温渗碳气--固相作用的热力学模型。–⑨预先冷却、残余应力和性能关系的热力学模型。–⑩过程控制系统的适时控制系统的链接模型。–⑩形成有效均匀热传导的流体动力学的计算机模型。七能源与环境部分的研发项目1能源–①开发回收低级热的经济方法，废热的收集和利用，例如工业热和烟道热。–②高效热传导的加热设备和技术，例如能提高传热速度的等离子加热。–③高温热回收技术。–④进一步开发可提高热效率的富氧燃烧技术，例如流体薄膜技术。–⑤收集热处理设备能源利用底线数据，用于确立未来节能标准数据。–⑥回收加热炉气氛的方法。–⑦积累热、电与热处理协调的先进技术。–⑧开发高温气体循环系统，以改善加热炉效率，例如冲击加热法。–⑨局部加热和表面淬火的节能新工艺。–⑩热处理设备设计的标准化，以实现其通用性和减低设计费用。七能源与环境部分的研发项目2环境–①减少CO、CO2、和NOx的燃烧技术和后处理技术。–②清洗液的清除、减少和回收利用，废油和其它淬火介质的管理以及废料的再生利用。–③代替盐浴和油淬火的廉价方法，例如用水和惰性气体。–④用于低、中合金钢的廉价气冷淬火技术，例如节约用氢的淬火技术。–⑤自非流液中提出副产燃料，例如燃烧排放的气体。–⑥可完全清除工件油迹的高效清洗技术。八公益事业部分的项目①热处理卫生安全规定，例如避免火灾、人身伤害的安全管理、工厂内部空气质量、人机工程、钡盐和胺盐以及其他有害物质的安全限量管理。②有关冶金基础、炉子安全的人员培训，课程的设置，需要培训的人员。③指定热处理设备放射有害物低线，以避免今后对环境的污染。④设立热处理设备的能源利用率低线以备将来制定节能标准限度。