中國制造業(yè)的瓶頸

1、中國制造業(yè)的瓶頸潘健生（上海交通大學材料科學與工程學院）摘要：本文擬就熱處理與表面改性技術的特點、作用、國內(nèi)外差距和出路等問題，提出些粗淺的看法，期望引起討論和得到讀者的批判指正。關犍詞：熱處理表面改性制造業(yè)制造業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱。改革開放以來我國裝備制造業(yè)以平均每年17%的速率快速增長,目前我國裝備制造業(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，但應清醒地看到我國還不是制造業(yè)強國，在國際制造業(yè)中處于低端地位，與國際先進水平存在龐大差距。其中個突出的問題是我國制造業(yè)的產(chǎn)品因質(zhì)量低、壽命短、可靠性差而缺乏競爭力，只能制造低品位、低附加值的產(chǎn)品，只能依嵬產(chǎn)能的擴大實現(xiàn)增長。國防工

2、業(yè)和許多重要工業(yè)部門所需的重要工藝裝備以及核心零部件依靠進口的局面長期未能改觀，嚴峻威逼我國國防安全和經(jīng)濟安全。我國熱處理（含表而改性，下同）技術的落后是造成這種狀況的要緊緣故之-o已成為制約我國制造業(yè)進展的瓶頸，應引起高度重視。本文擬就熱處理與表面改性技術的特點、作用、我國在此領域與國際發(fā)達國家的差距和進展出路等問題，提出些粗淺的看法，期望引起討論并得到讀者的批判指正。1熱處理與表面改性技術的特點材料的性能并不單純?nèi)Q于材料的種類和成分，通過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并有相當好的塑性和韌性，在通過淬火回火之后則有專門高

3、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，其趨勢是硬度、紅硬性隨碎火溫度提高而提高，韌性則隨之下降，強度則是先升后降。利用這種規(guī)律，能夠依照不同刀具和模具的使用特點選擇各自最佳的淬火溫度，車刀具的刃部和刀柄都比較厚實，對強度要求不高，承擔沖擊載荷較輕，能夠采納接近于熔點的淬火溫度，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。鉆頭鉆孔時刃口不易冷卻，期望盡可能提高其紅硬性，但為防止扭斷，鉆頭需要有較高強度，因此其淬火溫度略低于車刀。銃刀和絞刀的刃口較薄，為r幸免崩刃，要求有足夠的韌性，應適當降低淬火溫度，小鉆頭使用時要緊損壞方式是

4、扭斷或折斷，為保證較高強度宜進步降低淬火加熱溫度。冷擠壓模具承擔專門高的應力，而對紅硬性要求不高，因此選擇顯現(xiàn)強度峰值的淬火加熱溫度，而關于一些細長的或形狀復雜，受較大沖擊我荷的冷沖模，則應選擇更低的淬火溫度。表1說明用同種鋼制造的刀具或模具，應依照使用情形和失效的方式選擇不同的淬火溫度，其變化的范疇達到150。但關于個具體的工件而言，只承諾±5的偏差。結(jié)構(gòu)鋼和低合金工具鋼也有類似的情形，預先熱處理組織、猝火加熱溫度、冷卻方式、回火溫度都對鋼的性能有明顯的阻礙，它們之間的不同組合能夠使材料獲得不同的綜合性能。結(jié)構(gòu)鋼的強度、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，關于要

5、求具有高塑性、高韌性專門是低的缺口敏銳性的工件通常選用高溫回火（調(diào)質(zhì)處理），而要求高強度和較高硬度的1件選用200C左右的低溫回火，例如30CrMnSi,40CrNiMo淬火后200回火抗拉強度可高達16001800MPa,比調(diào)質(zhì)提高1倍左右。各類彈簧等彈性元件通常選用出現(xiàn)彈性極限峰值的中溫回火。此外等溫淬火、二相區(qū)加熱碎火和形變熱處理等工藝都能夠使結(jié)構(gòu)鋼獲得良好強韌性。至于各種化學熱處理和衣而涂覆技術則能夠通過調(diào)整藝參數(shù)改變滲層表面的濃度和滲層深度以及操縱濃度梯度和性能梯度，以適應不同匚件的不同的服役條件時工件整體綜合性能的要求，例如不同零件的滲碳處理，應該有不同技術要求，才能獲得良好的使用

6、性能，石油鉆井的牙輪鉆，滲碳層衣面濃度由0.91.0%C降低到0.70.8%C,并使?jié)舛确植记€呈平臺狀，使用壽命由27小時提高到52小時，收到個鉆井隊抵二個鉆井對的成效，又例如用離;注入的方法進行式面改性處理能夠在不改變整體的強度、韌性的同時，大幅度提高耐磨性、降低摩擦系數(shù)、提高抗蝕性，應用于航天器上各種傳動機構(gòu)中的軸承和各種摩擦件、飛機上的液壓馬達中的耐磨零件、以及石油工業(yè)泥漿泵的套筒等均取得良好的成效。在有些情形下針刻工件的特點采納些看似“非正規(guī)”的熱處理工藝,能收到出奇成效:3Q2W8熱模鋼的淬火溫度范疇樣為10501120,但鍋爐鋼管熱擠壓模，在模具型腔中相當于鋼管散熱筋二側(cè)的位置，

7、承擔專門大的應力，容易在熱態(tài)下屈服而使模具失效。通過試驗將淬火溫度提高到11701180c，淬火冷卻時水冷至650,然后轉(zhuǎn)入低溫鹽浴中冷卻，模具壽命提高幾倍：水稻收割機刀片，用高濃度碳氮共滲處理：表而層顯現(xiàn)大量碳化物和殘余奧氏體，按常規(guī)的檢驗標準被視為不合格，但因具有專門高的耐磨性和良好的抗蝕性，水稻收割機刀片的使用壽命比常規(guī)滲碳處理高數(shù)倍。粗略回憶上述早為人們熟知的事實，只是說明種易被忽視的觀點：最優(yōu)化的熱處理工藝不可能是千篇律的，同種材料的各項性能都會因熱處理方法及其匚藝參數(shù)的不同而改變，各項性能指標又常常此消彼長。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的最佳綜合性

8、能，才有可能制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品，這確實是熱處理與表面改性技術的特點、難點和魅力之所在，充滿讓人發(fā)揮主觀能動性的空間和余地。歷史已證明：改進熱處理技術，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度大約在600900MPa之間，不管是強度和韌性都顯著優(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)覺30CrMnSi淬火和低溫回火，或等溫淬火后，屈服強度達到1500MPa,并保持足夠的韌性。用于制造飛機起落架。中、低碳結(jié)構(gòu)鋼淬火低溫回火處理還應用于火炮防彈護板等軍工產(chǎn)品，隨后各國開發(fā)系列以淬火和低溫回火處理為特點的“超高強度鋼”

9、促進許多重要產(chǎn)品的更新?lián)Q代，例如：大功率燃氣輪機的液壓耦合器的轉(zhuǎn)廣，傳遞著幾萬以至幾十萬千瓦的功率，轉(zhuǎn)速達每分鐘2萬轉(zhuǎn)以上，原設計為SEA4340鋼調(diào)質(zhì)處理，屈服強度為800Mp式后來采納洋火、低溫回火處理，屈服強度達到1800MPa,使整個耦合的重量減少到原先的1/4。這關于提高艦艇的性能是專門有利的。表面改性技術對高端產(chǎn)品的研發(fā)同樣有重要作用，眾所周知，燃氣的熱效率隨著燃氣溫度的升高而提高，然而高溫合金的耐熱溫度限制/燃燒室溫度的提高。在國外，由于研究成功在耐熱合金表而沉積含蜂窩狀ZrO2復合涂層，起著隔熱作用，使耐熱合金葉片的溫度比燃氣溫度低150C以上，從而研制出燃燒室溫度更高的燃氣輪

10、機，促成航空發(fā)動機的更新?lián)Q代。即使是樣的機械制造行業(yè)，熱處理與衣面改性的技術進步同樣對產(chǎn)品的創(chuàng)新有重要意義，例如生產(chǎn)標準件的冷鍛機的生產(chǎn)率現(xiàn)在已達600件/min,相比于二十幾年前60件/min提高了10倍。標準件行業(yè)面貌大為改觀。事實上冷鍛機并不復雜，在當年設計制造600件/min的冷鎖機亦非難事，問題在于那個小小的六角沖頭，它當時壽命低于2萬件，在這種情形下，提高冷徽機的速度毫無意義。因為標準件是種批量極大的產(chǎn)品，通常要求每個沖頭壽命都要超過個班，否則專門難進行生產(chǎn)治理。上世紀80年代初通過熱處理工藝的改進，使沖頭的壽命提高到5萬件以上,才有100件/min的冷徽機面世.及至90年代用氣相

11、沉積氮化鈦的方法進行六角沖頭的表面改性處理，使其壽命提高到35萬件以上。成為高速冷鍛機的催生劑。種特種變速箱的薄壁齒圈，其特點是能夠顯著減小變速箱的體積和重量，然而用常規(guī)的齒輪熱處理方法制造遇到專門大的難題，滲碳淬火或感應加熱淬火都難以操縱熱處理畸變，而常規(guī)的滲氮處理不能滿足該齒輪時接觸疲勞強度的要求，只有應用動態(tài)可控滲氮工藝，使接觸疲勞強度由1400MPa提高到1700MPa,同時研究成功操縱薄壁齒圈滲烈畸變的方法，才使特種變速箱試制成功。僅從這些事例就能夠反映出：熱處理的技術進步對產(chǎn)品創(chuàng)新有重要的推動作用。鑒于上述特點，欲提高熱處理的技術水平第應開展熱處理工藝參數(shù)對材料組織性能阻礙規(guī)律的系

12、統(tǒng)研究，其次研究1：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)品的臺架試驗、裝機試驗及失效分析相結(jié)合，通過不斷摸索與改進，才能收到大幅度提高壽命的成效，例如：卡車活塞銷冷擠壓凸模，承擔約2000MPa單位壓力，需要有專門高的抗壓屈服強度，而且其形狀細長易折斷，又要求有足夠的韌性，擠壓過程中被擠壓金屬對韌帶強烈摩擦，因此需要專門高的耐磨性和定的熱穩(wěn)固性。選用W6Mo5Cr4V2高速鋼制造。起先選用手冊中給出的標準熱處理規(guī)范進行處理，使用壽命低于400件。失效方式是凸模施壓過程中折斷。為了提高材料的韌性將淬火溫度由1225'C降低至1190C,收到顯著成效，壽命提高到2500

13、件左右。進步降低淬火溫度盡管可使韌性進步提高，然而使用壽命反而回落。對凸模的工作狀況和失效方式進行認真分析后發(fā)覺，在低溫范疇內(nèi)加熱淳火的沖頭，刃帶被逐步拉毛，脫模時阻力愈來愈大，在脫模過程中由于沖擊拉伸應力的作用導致斷裂。針對這種具體情形采納U90C淬火560C回火4次，然后進行氣體氮碳共滲處理。表面層（約0.02mm）的硬度提高到1000HV以上，而整體上保持高強度和高韌性，使用壽命提高到1萬件以上。再則考慮到熱處理工藝參數(shù)對材料性能的阻礙相當敏銳，為保證質(zhì)量的重現(xiàn)性和致性必須研究開發(fā)先進的熱處理工藝裝備和周密可塾性的熱處理過程操縱技術、設計合理的匚裝夾具、規(guī)定和嚴格執(zhí)行合理的裝爐方式和操作

14、方法。因此提高熱處理質(zhì)量及其重現(xiàn)性是個系統(tǒng)工程。在這領域中不同國家和不同企業(yè)之間存在專門大差距，也就不足為奇了。2熱處理技術落后已成為我國制造業(yè)進展的瓶頸在發(fā)達國家中，凡是擁有聞名品牌的機械產(chǎn)品的廠商都高度重視熱處理技術研發(fā)，通過大量的投入，連續(xù)的改進和長期的積存，形成各自獨有的技術，并作為市場競爭力的要素而嚴加保密。人們能夠購得名牌產(chǎn)品，通過測繪和解剖分析，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。正是在這關鍵性的環(huán)節(jié)上我國與發(fā)達國家存在專門大的差距。長期以來我國制造業(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,進展規(guī)劃和技改資金過分傾

15、向于購置周密加工設備而專門少顧及材料制造、專門是控性與改性技術的研發(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競爭中處于劣勢，只能陷入在慘烈價格戰(zhàn)中掙扎的逆境。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，其中的知識含量的價值被嚴峻扭曲。被視為.個，產(chǎn)值專門小的產(chǎn)業(yè)”而處于邊緣化。以致我國熱處理嚴峻落后于國際先進水平，要緊表現(xiàn)在：2.1產(chǎn)品的使用壽命低、可靠性差由于熱處理技術落后，我國許多機械產(chǎn)品的使用壽命、可靠性和質(zhì)量重現(xiàn)性都遠遠低于國外先進水平，國防工業(yè)中的些關鍵零部件和重大工藝裝備中的關鍵零部件不得不依嵬進口，或者是只能引進國外的成形及熱處理設備制造中國的飛機、坦克、汽車

16、，處處受制于人。例如：上海引進德國技術生產(chǎn)的汽車變速箱的個齒輪，德方規(guī)定必須用歐洲的設備進行滲氮處理，設備報價千多萬人民幣，相當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進口。這種狀況使“中國制造”所制造的利澗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，盡管國內(nèi)亦能制造，但因壽命短、故障率高而缺乏競爭力，近年注塑機械需求增長專門快，國產(chǎn)的注塑機的壽命只及國外同類產(chǎn)品的幾分之;售價也就只及進口注塑機的1/8左右。國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的標準件冷徽機沖模因使用使命只有臺灣或日本產(chǎn)品的幾分之而慘遭市場剔除。汽車尾氣凈化器蜂窩板粉末成型模國外可樂制蜂窩板2000m,而國內(nèi)仿制的模具只能

17、壓制150m,難以立足市場。國產(chǎn)重載變速箱即使設計比較保守，自重較大，但斷齒,斷軸而導致重大的機械運行事故仍時有所聞。國產(chǎn)的某種型號螺旋泵，是仿制進口的產(chǎn)品，由于熱處理工藝不當經(jīng)常發(fā)生芯軸早期斷裂的故障。難與國外同類產(chǎn)品的故障率為百分之的水平相比。2.2熱處理崎變操縱水平低我國熱處理畸變操縱水平低也是個突出的問題：例如我國重載變速箱齒輪滲碳熱處理留磨量是世界先進水平的三倍，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，對使用可靠性有不良阻礙。我國毛坯制造的控形精度低，切削加工余量偏大，大量優(yōu)質(zhì)鋼材變成鐵屑,造成了資源的嚴峻白費。2.3材料制造裝備的設計制造嚴峻落后我國材料制造與國際

18、先進水平的差距還突出我現(xiàn)在材料制造裝備的設計制造嚴峻落后，高端的熱處理和表面改性工藝裝備依靠性進口，重復引進，落后一一引進再落后一一再引進的現(xiàn)象相當嚴峻，航空、軍工、和高檔汽車生產(chǎn)所需的真空滲碳高壓氣淬設備，國內(nèi)無法制造，全部依靠進口，這類設備的售價是傳統(tǒng)意義上的“制造成本”的十幾倍以至幾十倍，現(xiàn)代先進的材料制造匚藝裝備是先進材料制造技術的我體，其價格取決于其中知識的含量、高新技術集成度、以及技術的獨占性與知識產(chǎn)權等因素，然而我國熱處理設備制造廠盡管多達數(shù)千家，然而只能制造相當于國外幾十年往常水平的產(chǎn)品，在慘烈的價格戰(zhàn)中苦苦掙扎，不久前國內(nèi)些航空和軍工單位公布招標采購滲氮設備，國內(nèi)廠商的報價只

19、有國外的幾十分之卻無能中標，這事例說明目前我國材料制造工藝裝備制造業(yè)缺乏創(chuàng)新能力，無力滿足用戶的需求，自身也難以可連續(xù)進展，前景甚憂。我國材料制造操縱性技術的落后，不但不能適應當前的生產(chǎn)和市場競爭的需要，而且制約我國制造業(yè)整體創(chuàng)新能力的提高。飛機、汽車、各種交通工具以及各類機械設備的輕量化，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，燃氣輪機的燃氣承諾溫度等等無不與材料潛力的發(fā)揮有關，不把握具有自主知識產(chǎn)權的先進的材料制造技術，就不可能設計制造出先進的產(chǎn)品。例如：汽車發(fā)動機和變速箱中絕大多數(shù)的零部件都需要通過熱處理或衣面改性，目前我國生產(chǎn)的各種牌號的發(fā)動機和變速箱絕大多數(shù)差不

20、多上國外品牌，沒有自主的核心技術，只能按照國外的技術和標準進行生產(chǎn)，近年來國內(nèi)自行研發(fā)了數(shù)款自主品牌的汽車變速箱，是可喜的進步。然而差不多上屬于仿制，專門是關鍵零部件材料的性能指標和控性的技術要求，只能簡單的仿照國外的產(chǎn)品，存在專門大的百目性，阻礙r產(chǎn)品質(zhì)量，更重要的是：假如缺乏具有自主知識產(chǎn)權的材料控性核心技術的支撐，勢必制約我國自主品牌產(chǎn)品設計的創(chuàng)新能力，陷入“落后一一仿制一一再落后一一再仿制”的路徑依靠的惡性循環(huán)，無法使我國制造業(yè)擺脫被置于全球化制造鏈低端的逆境。3進展數(shù)字化的熱處理智能技術熱處理過程十分復雜，在不同的外場(熱、力、電、磁、光等)和環(huán)境的作用下，材料發(fā)生相變、應力、應變和

21、化學反應等變化，對這些復雜現(xiàn)象中的客觀規(guī)律認識的深化，是提高熱處理質(zhì)量的基礎。電/運算機的進展，為人們提供r強大的科學運算和信息處理的能力，從而有可能集成不同學科的知識，用多場耦合的方法建立描述材料熱處理過程中各種復雜現(xiàn)象及其相互作用的物理數(shù)學模型和運算機模擬方法，構(gòu)成熱處理的虛擬生產(chǎn)平臺。將有可能使熱處理技術由傳統(tǒng)的“技藝”型的落后狀態(tài)向著以科學運算為依據(jù)的高度知識密集型技術的方向轉(zhuǎn)化。熱處理過程的運算機模擬近年來進展迅速，并已顯示出提升熱處理水平的龐大潛力2,4o但也應指出，熱處理運算機模擬技術還專門不成熟，還有系列基礎研究有待進行，例如氣一固式而換熱和液一固衣面換熱的測試運算方法、非等溫

22、非等速條件下相變動力學的定量運算、多場耦合的算法，復雜非線性問題的算法、界面反應的物質(zhì)傳遞、等等都屬于高難度的有待長期深入研究的課題。運算機模擬結(jié)果的驗證和數(shù)學模型的修正差不多上工作量浩大的基礎工作。由于熱處理過程的復雜性，還有許多差不多原理尚待進一步深入研究，以致熱處理中有專門多問題還不可能建立物理數(shù)學模型。這就有必要用“基于知識的工程(KBE)”的方法3,從大量的生產(chǎn)記錄、測試數(shù)據(jù)、案例和匚程技術人員的體會中挖掘隱性的知識，用以改進熱處理技術和開發(fā)新的技術。運算機模擬和KBE技術是進展知識密集型熱處理技術的二大支柱，是開發(fā)數(shù)字化熱處理智能技術制造的基礎。另個值得重視的問題是不應將熱處理數(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