1.背景
美國能源部工業(yè)技術(shù)局(DOE-OIT)于上世紀90年代樹立了一個被稱為“未來生產(chǎn)技術(shù)”的設想，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協(xié)會（HIS）最近簽定了一個參加未來工業(yè)計劃的“合作伙伴”（Allied Partner)協(xié)議，其目的是通過“最優(yōu)秀的實踐（best practices)”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、加熱工藝、工業(yè)技術(shù)信息的共享以及各種研發(fā)活動。
2.發(fā)展路線圖制定過程
美國金屬學會熱處理學會成立于1994年，下設緊急需求（Immediate Needs)、研究開發(fā)、工藝和程控（Technology and Programming)、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)項目以及這些成果向工業(yè)生產(chǎn)推廣的機制。1995年和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月美國國會能源部、熱處理學會、金屬熱處理協(xié)會(Metal TreatingInstitute)召集了20名熱處理全能(captive)和專業(yè)(commercial)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，既設備和硬件材料、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熱處理路線圖修訂稿”。
3.發(fā)展路線圖制定過程
美國熱處理2020年設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。
4.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”（Center for 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”（Thermal Processing Technology Center，簡稱TPMotor）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。
5.值得重視的研發(fā)項目
（1）利用地下水循環(huán)的感應加熱淬火
＜500kW的感應淬火利用地下水閉路循環(huán)冷卻，使用時用深井泵抽取底下水，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Ajax Tocco感應淬火系統(tǒng)已經(jīng)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力并減少畸變的方法，已在美國獲準以Intersi Quench服務商標注冊了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)省能源，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)和高校的合作、制造商和生產(chǎn)用戶的協(xié)同開發(fā)。
（4）Ni3Al金屬間化合物--新型爐內(nèi)抗?jié)B碳耐熱構(gòu)件材料
Ni3Al已問世約20年，因為很脆，長期未獲實際應用。Oak Ridge國家實驗室由Chain T. Liu領(lǐng)導的集體發(fā)現(xiàn)添加微量硼可顯著改善其塑性，可作為爐子料筐、夾具，Ni3Al材料為添加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-Saginaw 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多年的成功試驗。
（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（Hot Isostatic Pressing）和深拉延出來的。用APM合金制造的電熱和然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/㎡。
（6）爐用平面輻射板
燃氣技術(shù)所（Gas Technology Institute）開發(fā)的能砌入爐壁的平面輻射板（fiat radiant panel），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(reverse annulus sigle-ended radiant tube)
北美制造公司Noth Amerivan Mfg.Co)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)(FORCED Interval Recirculation)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）。而一般預熱空氣輻射管所產(chǎn)生的NOx大于0．02%～0．25%（vol）。
（9）直焰沖擊燃燒技術(shù)(Direct Flame Impingement Technology)
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)a=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）智能化感應淬火閉環(huán)控制系統(tǒng)(Closed - loop control technolgy)
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）預見鋼件滲碳淬火時的殘余應力狀態(tài)的軟件
（12）延長機器零件壽命殘余應力狀態(tài)的DANTE軟件
（13）準確預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
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，技術(shù)各種工作條件的節(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燒、電能消耗成本數(shù)據(jù)。
（16）能源有效利用分析軟件。
6.設備和硬件材料部分研發(fā)項目
（1）工藝控制
主要包括：
①開發(fā)改進預測工具，例如工藝設計、預見狀態(tài)、熱物理和力學性能預測計算機模型。
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、適時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更好的設備故障診斷、預防、維護方法。如燒嘴裂紋預測、防止爐內(nèi)氣氛惡化。
⑧建立標準/預見設備易變可行性的研究。例如不可能有兩臺一樣的爐子。
⑨預測爐子幾何尺寸、風扇速度、裝爐量和裝爐形態(tài)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、料盤的廉價涂蹭。
（3）硬件（設備）
主要包括：
①高效（>80%）燃燒器。
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鋁合金淬火設備的改進。
⑥整批（盤）爐料的均勻淬火系統(tǒng)。
⑦淬冷設備改良設計模型。
⑧單件流動和機加工同步熱處理設備。
⑨附加淬火機床上的能適時感知淬火開裂的轉(zhuǎn)感器。
⑩廉價的殘余應力非破壞檢測方法。
⑩更有效和更廉價的液態(tài)工作脫脂方法和設備。
7.工藝和材料部分研發(fā)項目
（1）材料和工藝
主要包括：
①減少試驗、避免錯誤的設計感應器軟件工具。
②抗晶粒長大的高溫（～1010℃）滲碳鋼。
③縮短滲碳周期的工藝。
④改善感應、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可代替滲碳的材料和工藝，控制淬透性鋼、強烈淬火。
⑩代替表面淬火的高效生產(chǎn)方式。
（2）材料應用軟件和模型數(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、冷卻體積應變的相變模型。
②加熱和冷卻相變的體積應變模型。
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把相變模型匯集為軟件工具。
⑤把相變模型轉(zhuǎn)化為高溫性能的數(shù)據(jù)庫。
⑥生產(chǎn)設備使用不同介質(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預先冷卻、殘余應力和性能關(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。
⑩形成有效均勻熱傳導的流體動力學的計算機模型。
8.能源與環(huán)境部分的研發(fā)項目
（1）能源
主要包括：
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高效熱傳導的加熱設備和技術(shù)，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收集熱處理設備能源利用底線數(shù)據(jù)，用于確立未來節(jié)能標準數(shù)據(jù)。
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熱處理設備設計的標準化，以實現(xiàn)其通用性和減低設計費用。
（2）環(huán)境
主要項目包括：
①減少CO、CO2、和NOx的燃燒技術(shù)和后處理技術(shù)。
②清洗液的清除、減少和回收利用，廢油和其它淬火介質(zhì)的管理以及廢料的再生利用。
③代替鹽浴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自非流液中提出副產(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)。
9.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、人身傷害的安全管理、工廠內(nèi)部空氣質(zhì)量、人機工程、鋇鹽和胺鹽以及其他有害物質(zhì)的安全限量管理。
②有關(guān)冶金基礎(chǔ)、爐子安全的人員培訓，課程的設置，需要培訓的人員。
③指定熱處理設備放射有害物低線，以避免今后對環(huán)境的污染。
④設立熱處理設備的能源利用率低線以備將來制定節(jié)能標準限度。
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