材料热处理技术发展史

魏晋和南北朝时期，我国在淬火剂的掌握和应用方面取得很大突破。三国时期的蒲元明确指出水质对淬火的影响。《太平御览》引《蒲元传》中有说蒲元“熔金造器特异常法。刀成，自言汉水钝弱，不任淬用。蜀江爽烈，乃命人于成都取之。”不同的水质对淬火的影响不可否认，但在《蒲元传》中可能是过分强调了。然而有趣的是在十五个世纪以后西方国家居然出现了与上述故事雷同的美国到英国取水淬火的事件。我国对淬火技术有重大贡献的另一人是南北朝的綦毋怀文。《北史?艺术列传》指出“怀文造宿铁刀，其法烧生铁精，以重柔铤，数宿则成刚。以柔铁为刀脊，浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，斩过三十札。” 五牲之脂是动物油，淬火应力小、变形开裂倾向小。文中还可见綦毋怀文创造性地提出了采用尿液的淬火工艺。五牲之溺是含盐水，冷却能力强、淬硬层深。令人们感兴趣的是，如何来理解文中提及的“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂”，如果是双液淬火，则这一出现在公元6世纪的淬火技术则是一个重要的突破。

中国瓷器的制作有悠久的历史。一般认为，青瓷作为瓷器的代表是在三国时期诞生的。它的制作是将高岭土做成瓷坯，在其中掺入酸性氧化物，经摄氏1000℃的高温煅烧，成为瓷器。实际上在新石器时代晚期，中国古代先民用瓷土作原料，在高温烧成的刻纹白陶和印纹硬陶，是原始瓷器出现的基础。解放后，从遍及南北的墓葬中，出土了许多东汉、三国、两晋时代的青瓷器皿。从这些出土的青瓷来看，由于普遍地采用了优质的矿物原料作为坯体，而且在胎骨中酸性氧化物二氧化硅相对地增加了，碱性氧化物氧化钙、氧化镁、氧化钠等都相对地减少，这种情况导致青瓷烧成温度不断提高。在高温下烧结的青瓷器，其胎骨的玻化程度高，而且由于坯料加工精细，其他杂质很少，同时在其表面施一层青色玻璃质釉，使得这种青瓷制品异常美观、坚硬，标志着中国陶瓷生产进入一个新的时代。

宋元时期古代工匠除了采用百炼钢技术以外，还采用了熟铁和生铁合炼的技术。“团钢”和“灌钢”技术，实际上都属于液体渗碳制钢法。北宋的沈括在《梦溪笔谈》中描述了团钢的制备方法，是“用‘柔铁'盘屈之，乃以‘生铁'陷其间，泥封炼之，锻令相入，谓之‘团钢”。液体渗碳与固体渗碳比较，有渗速快、渗层厚度均匀和产品质量稳定等的优点。具有冶炼生铁坚实基础的中国古人独创了以熔融生铁为渗碳剂的液体渗碳方法，极大地推进了我国古代的钢铁制造业。液体渗碳究竟始于何时，目前尚不清楚，很有可能《吴越春秋》描绘的“三百人鼓橐装炭，金铁乃濡”就是液体渗碳的开端。采用液体渗碳方法制取“灌钢”的技术可能很早，西晋的张协有“楚之阳剑，欧冶所营，乃炼乃烁，万辟千灌”。这里所谓“灌”，可能指的是“灌钢”，到宋代，灌钢流行全国，已经取代炒钢和百炼钢，成为当时主要的炼钢方法。这是我国古代热处理技术的一项独创性的成就。

明清时期，中国古代工匠采用了许多热处理技术。有关的记载很多。如明代宋应星的《天工开物》、明代方以智的《物理小识》、清代徐寿基的《续广博物志》和清代陈克恕的《篆刻缄度》等。这时期我国工匠在淬火的控制火候上也有所发明，如采用预冷淬火。预冷淬火对减小刀具的畸变、提高刀具的强韧性有益处。明代宋应星的《天工开物》中有对采用预冷淬火技术制蹉的记载：“以已健划成纵斜文理，划时斜向入，则方成焰。划后烧红，退微冷，入水健。”其中“退微冷”，就是预冷淬火工艺。

在化学热处理方面，在应用液体渗碳方法制钢方面又有了很大进展，这时采用所谓的“生铁淋口”技术，生产的钢材被称为“苏钢”。宋应星在《锤锻》篇中提及采用液体渗碳法对锄具进行表面处理的工艺。锄用“熟铁锻成，熔化生铁淋口，入水淬健，即成刚劲。”可以看出，该工艺是将锄具在熔化生铁中渗碳，目的是使其表面成为高碳钢，经淬火后得到马氏体而强化。在固体渗碳处理上采用焖熬法固体渗碳工艺。明代宋应星的《天工开物》中记载了一种焖熬法固体渗碳技术，他写道：“凡针，先锤铁为细条。用铁尺一根，锥成线眼，抽过条铁成线，逐寸剪断成针。先蹉其末成颖，用小槌敲扁其本，刚锥穿鼻，复蹉其外。然后入釜，慢火炒熬。炒后以土末松木火矢、豆豉三物罨盖，下用火蒸。”可知当时的渗碳是在釜中进行的，采用釜外供热方式，固体渗碳剂中松木火矢是一种木炭，同书有说明火矢是木材经“不闭穴火”所获产物，是主要的渗入剂：豆豉也是含碳物质是辅助渗入剂：土末是分散剂，对防止含碳物质的相互黏结和炭黑的析出有一定的作用。这与当今的装箱固体渗碳方法如出一辙。固／液渗碳处理不同于固体或液体渗碳，它是以固态物质为骨架或载体、液态物质为渗剂的渗碳方式。最常见的固／液渗碳工艺是膏体法渗碳，是将含碳物质混和于粘性物质中，形成膏体，涂于工件表面，在后续的加热处理中，碳渗入工件表面。为了要在涂膏中获得液相，一般在膏体中都要添加盐类，盐在600-900℃经常呈熔融态。《便民图篡》提及：“羊角、乱发俱煅灰，细研，水调，涂刀口，烧红，磨之。”羊角、乱发经煅烧后主要成分为氧化钙、碳酸钙和未充分燃烧的生物角质，这些物质含碳。其中氧化钙、碳酸钙主要是被用作为载体，而未充分燃烧的生物角质为含碳渗入剂。明代《物理小识》“器用类?淬刀法”中干脆用未经煅烧的生物角质为含碳渗入剂：“一以羊角，乱发为末，调傅刀口，不必蟾酥而自然灰埋也。”其中羊角、乱发是主要的含碳物质，含碳量高于其灰；“蟾酥”为癞蛤蟆皮下的汁液，是生物油脂，油脂不仅可做黏结剂，也可做渗碳剂：“自然灰”主要成分是碳酸钠。看来此工艺开始时的关键是以蟾酥为添加剂，以后发展成以自然灰为重要添加剂的工艺。这两种添加剂都是很必要的， 自然灰的应用是一个明显的进展，不仅因为自然灰来源相对广泛，更重要的是因为碳酸钠具有明显的碳原子的催渗效果。现在液体化学热处理常用碳酸钠作为渗碳促进剂，在膏体中亦有其催渗效果。

至迟到宋代，中国传统的金属箔的制造业已很成熟。在《天工开物》、《绘事琐言》等古籍中均有记载，即将金片初锻后，层层叠入特制的乌金纸，扎成束，加以锻打和退火。其中间退火处理，可能是连同乌金纸一起置于炭炉中，在约100℃的温度下加热，以消除加工硬化。其最终退火处理是利用锻造的余热，将金片连同乌金纸缓慢冷至室温。因创造性地采用乌金纸间隔、扎束锻打和退火的独特工艺，才得以制作比国外更薄更均匀的金箔。除金箔外，中国古代还有关于银箔的记载。银箔主要用于器物的装饰。元代陶宗仪《南村辍耕录》中载：“凡器作什物，以金薄或银薄依银匠所用纸糊罩，置金银薄在内，逐旋细切取。铺已，旋漆上，新绵揩拭牢实。”锡箔是用量很大的金属箔，其最大的用途是制作纸钱和装饰。关于锡箔的制造在古籍中也有报道。其加工制作也是采用层层叠合锻打和退火，不同的是古人可能认识到了锡的表面易形成隔层(即氧化层)，因此不采取金属片之间采用纸间隔的办法。此后，又开发了蒸汽退火加热技术。用蒸汽加热可使温度控制在略高于100℃，既可获得很高的延展性，又可避免锡箔过度氧化。

从近代起，我国传统冶铁术已无法满足市场需要，尽管仍有地方生产“灌钢”或“苏钢”，如在安徽的芜湖、湖南的湘潭、四川的重庆、威远等地人们还在使用这一传统技术，但在全国范围内，这一传统的液体渗碳制钢法不再成为制钢主要手段。我国的钢铁一方面依靠进口，另一方面开始建立近代化的钢铁厂。从1868年开始，相继建成福州船政局铁厂、江南机器制造总局炼钢厂、汉阳铁厂汉冶萍煤铁厂分公司、民族资本和兴铁厂、扬子机器公司铁厂本溪湖煤铁股份公司钢铁生产厂，这些工厂不仅生产生铁和熟铁，还可提供大量的钢材。这时积累长期经验所形成的传统热处理技术仍在金属加工中发挥重要的作用。采用熔融生铁作为渗碳剂的液体渗碳法的表面处理技术还有所发展，这些方法通常称为“擦生”或“擦镝”，其具体处理方法在不同地区还有许多种。在江西采用的是类似于宋应星描述的“生铁淋口”技术，河北、山西、内蒙等地区采用的是“擦渗”法，东北地区则采用“铺渗”法，福建、广东则更像是“煮渗”法。在淬火及回火的工艺控制方面已很成熟，如民间在淬火剂的选择上和进行钢铁控冷自回火方面发展了很多技巧，如“淬黄火”和“淬白火”等。在刀剪制造行业中也逐渐建立了某些名牌商号，包括北京王麻子和杭州张小泉等，尽管他们不知刀剪的内部组织结构，但他们在长期的实践中总结出来的工艺技巧，使其能达到性能控制的目的，从而生产的刃具坚韧、耐用。焖熬法固体渗碳方法已成为渗碳的重要技术，在近代被华中和华北地区的工匠所采用，他们所用的“釜”是铁锅，制备的钢被称为“焖钢”。

中国当代热处理进展

热处理是机械工业中的一基十分重要的基础工艺，对提高机电产品内在质量和使用寿命，加强产品在国内外市场竞争能力具有举足轻重的作用。但是人们认识到这一点却花了相当长的时间和很大的代价。由于热处理影响的是产品的内在质量，它一般不会改变制品的形状，不会使人直观地感到它的必要性，弄不好还会严重畸变和开裂；破坏制品的表面质量和尺寸精度，致使制造过程前功尽弃。所以在我国的制造业中长期存在着“重冷（冷加工）轻热（热加工）”现象，以致这个行业一直处于落后状态。

由于工业基础的薄弱和在战争中遭受的破坏，我国的热处理在40年代还仅仅属于一种作坊式的生产，尚未形成实质性的产业。在工科院校中无热处理的专门学科，因而也缺乏高层次的专业技术人才。当时的热处理操作大都是家传技艺，笼罩着神秘气氛，处于十分落后的境地。

我国的热处理产业起源于50年代初苏联援建的156项企业。其中的机械工厂都设热处理车间和工段。购买了大批苏制热处理设备、包括箱式、井式、盐浴等30、40年代水平的电阻加热炉，并相应建立了第一批按苏联图纸生产这些类型设备的电炉厂。一些高等工科学校经过院系调整后、创建了包括在机械制造工艺系中的热处理专业，于1954～1956年培养出了第一批专科和本科的热处理专业正式毕业生。50年代末和60年代初还有从苏联学习归来一批热处理专业的留学生。陆续建立的一些科研机构和专院校，基本上能按照材料和应用发展的步伐开展热处理基础和应用技术的研究开发，涌现出一系列的科研成果。由此，从人才培养、研究与开发，生产技术的革新和设备制造等方面初步形成了一个较完整的专业体系。

由于科研和生产应用的脱节，对革新生产设备的忽视以及长期闭关锁国造成的目光短浅，上世纪60、70年代的机械、冶金工厂的热处理生产技术没有出现明显的进步。直到80年代实现了和国际社会的沟通，引进了先进的技术和设备，一些大型骨干企业的生产技术有了明显的改观。

1 热处理行业现状

据中国热处理行业协会在制订国家热处理行业“十一五”规划时的调查，2003年我国的热处理概括起来有以下几方面的基本情况：

（1） 企业总数

全国全能企业热处理厂、分厂、车间、股份制、民营热处理企业约15000家。其中全民所有制企业约占80%，有12000家；个体民营和股份制企业占20%，约3000家。由于内地许多地区在进行国营中小企业改制，华东、华南沿海城市民营企业仍在不断涌现，也有不少外资企业准备在沿海城市设热处理加工厂，“十五”后期民营与股份制企业总数仍会继续上升。

（2） 热处理员工总数

按全国热处理厂点15000家，每家平均员工25人计，全国员工总数约37万人。其中，企业技术人员比例平均 为8%，约37万人；管理人员约9%，约3.3万人。

（3） 热处理加热设备总数

按企业数占全国企业总数的5%计，反算得出的全国热处理加热设备（以75kW为一标准台）约15万台，装机容量11×106kW。

（4） 热处理生产能力

设每台设备平均生产率为100kw/h，全国平均1.5班工作制，15万台加热设备的年生产能力近45×106t。

（5） 热处理能源消耗

设热处理加热设备的平均利用率为30%，全国平均1.5班工作制，15万台设备的每年实际热处理生产量为13.5×106t，消耗电总量为9.9×109kW.h。

（6） 热处理年营业额

在调查中，热处理加工的平均价格为2.30元/kg。按全年实际产量13.5×106t计，全国热处理年营业额约310亿元。若以平均利润率10%计年创利润总计30亿元。热处理行业增值税率平均达12.5%，每年向国家纳税约39亿元。

2 科研、开发和新技术应用成果

（1） 物理冶金基础研究的进展

结合新工程材料的研究和发挥已有材料的潜力，上海交通大学开发了金属相变理论和强韧化机理的研究，对马氏体、贝氏体的组织形态、精细结构、预相变机制，形状记忆合金与超塑合金中相变机制都进行了深入研究。控制渗碳、渗氮和热过程温度、应力场的计算机模拟也是上海交通大学上世纪八十年代以来工作的突出方面。

西安交通大学为根据机器零件服役条件及失效形式正确评价选择材料，长期开展关于材料宏观性能、微观组织及其相互关系的研究。周惠久教授提出了小能量多次冲击理论用以修正一些材料评价和选用的准则。结合低碳马氏体在生产中的应泛应用，取得显著成效。

哈尔滨工业大学多年来在雷延权教授领导下坚持了金属形变强化的理论和实践的研究，对一定温度和形变度下的金属再结晶规律，形变热处理后不同组织和性能之间叛乱纱有许多重要结论，并在此基础上引导和开发了一系列变化学热处理方法。形变热处理应用的典型例子是汽轮机叶片和柴油机连杆的锻后余热淬火，既可节约电能，又能提高性能。哈尔滨工业大学还在金属基复合材料、双相钢、铜基和铁基形状记忆合金和陶瓷韧化以及金属和合金的离子镀和离子注入等方面取得了突出成就。

北京科技大学在低合金高强钢、微合金钢的理论和实践，控制轧制，非晶态材料稀土元素在钢中作用以及金刚石薄膜沉积等方面开展了系统研究，所得在果在冶金行业获得实际应用。

特别应指出的是柯俊教授早期提出的贝氏体无扩散切变机制、和阿隆松的扩散一台阶机制在国际上成为分庭抗礼的针锋相对观点。徐祖耀、康沫狂、俞德刚等人在贝氏体相变理论和开发贝氏体钢以及贝氏体等温处理方面都有突出贡献。

（2） 热处理生产技术的进步

——渗碳技术的进步

渗碳是汽车拖拉机工业应用最广的工艺方法之一。50年代实现了从固体渗碳到井工炉中滴入液体渗剂的气体渗碳的过渡，改善了产品质量，提高了工效。60年代初研制成功LiCl露点仪以后，首先在井式渗碳炉上实现了滴入甲醇和丙酮的可控渗碳。在掌握了吸热式气氛制备方法和研制成功密封渗碳炉以后，用露点仪实现了密封渗碳炉的碳势控制。60年代末期研制成功红外线二氧化碳分析仪。为了提高碳势控制精度，在70年代推广了红外仪，主要用于井式炉的滴注式渗碳。目前用滴甲醇和煤油方式的可控渗碳已达到相当普及的程度。尤其是在70年代末、80年代初大量引进滴注式密封渗碳炉和多种微处理机可编程序控制器碳势控制仪问世以后，在密封多用炉上也广泛应用起来了。

由于往炉中滴入甲醇和煤油，炉气中的一氧化碳成分不稳定，甲烷含量也达到1%～2%程度，只用二氧化碳红外仪的单因素控制是很达到±0.05%的控制精度。为此，便研究开发出了二氧化碳、一氧化碳和甲烷的多因素碳势控制的仪器和方法。

因为制备吸热式气的原料——天然气和液化石油气供应紧张，而大量使用甲醇，生产成本高，迫使工业生产寻找别的出路。碳分子筛变压吸附制氮（PSA法）技术的出现为解决这个难题创造了条件。80年代初期，研制成功国产碳分子筛制的同。随后用氮基气氛、甲醇和乙酸乙酯（或煤油）的合成氛渗碳法便应运而生。与此同时，引进了气氛微量氧（氧势）测量、控制技术和仪器。目前应用氮基合成气氛和氧探头的炉气控制技术的渗碳、用微处理机控制碳势和渗层深度的方法已在生产中得到广泛应用。个别工厂还引进了Supercarb直生式渗碳法的设备和工艺。目前在汽车、摩托车、工程机械、轴承、齿轮、紧固件行业的可控渗碳、碳氮共渗、氮碳共渗技术已达相当普及程度。

上世纪80年代以来，本土设备制造企业已能成系列生产密封多用炉、推杆连续炉渗碳、淬火、清洗、回火生产线和网带炉生产线。应运而生的尚有与之相配套的碳势和工艺过程自动控制系统的商品生产供应。1990年代以来，国际知名设备制造企业相继在国内建立合资，独资生产厂，为热处理企业提供了可靠性高，价格可以接受的先进设备。为此，也刺激，提高了本土设备制造厂的制造水平，为近十年大量涌现的民营，股份制专营热处理加工企业和国营大厂的热处理技术改造和设备更新创造了好的条件。

—— 真空热处理技术的普及

1970年代开始研制油、气淬火冷却的冷壁式真空热处理炉，1980年代成系列地批量生产。目前本土制造企业已能成系列地提供真空加热、油气淬火炉、低压渗碳炉、1MPa(10bar)高压气淬炉、真空烧结炉、和钎焊炉。真空淬火、高压气淬炉的最高温度可达1350℃，真空烧结炉最高可达1800℃。各种炉种和炉型的产量在200台以上。近几年航空工业和模具工业的发展对真空热处理炉、真空钎焊炉，特别是真空加热高压气淬炉有大量需求，推动了真空设备制造业的兴旺。低压渗碳和高压气淬技术的结合，为车辆齿轮的延寿、减畸（变）和降噪提出了新的途径，而体现此先进技术的半连续式生产线的开发为大批量生产的汽车齿轮热处理的技术改造提供了可能。在新世纪之初、国内已有数家汽车、柴油机齿轮制造厂引进了此类设备和生产线。

由于模具对表面质量和畸变的高要求，真空高压气淬已几乎成为模具热处理不可替代的技术。目前在华南和华东沿海，稍具规模的民营热处理加工企业都拥有至少一台0.4MPa（最多的有6台）的真空加热高压气淬炉。在切削刀具行业，数控和加工中心的广泛应用，强烈要求刀具具有高的质量和长的寿命、城市的环保也对热处理提出更严格要求，真空加热高压气淬也因此成为高速钢刀具热处理替代盐浴加热淬火的首选工艺。

—— 感应加热的广泛应用

感应加热技术在汽车、拖拉机、发动机工业中得到广泛应用。在汽车制造中有200多种，近50%重量的零件采用感应加热淬火，例如曲轴、半轴、凸轮轴、刹车凸轮、转向节、变速导块槽口、气门调整螺栓，进排气阀端头、球头肖等。其中东风汽车公司半轴的横向磁场加热淬火是最具代表性的先进技术。利用横向磁场的矩形感应器实现了半轴表面和圆角的一次加热淬火，使生产效率提高数倍、半轴的抗弯扭疲劳强度提高10倍。具有故障报警、诊断功能、由计算机自动控制的半轴感应淬火自动生产线已多年稳定投入生产。我国汽车工业的感应热处理已达到国际先进水平。

我国的感应电源制造企业自1990年代引进SIT（静电感应晶体管）、1GBT（绝缘栅双极晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）全固态晶体管电源以来，老式的电子管高频电源和机式中频发电机组已逐步被晶体管电源代替，本土企业生产的新式电源已能基本满足用户企业在功率和频率上的要求。感应淬火机床朝柔性化、自动化、智能化方向发展具有识别零件，控制功率、自动调节工艺参数、故障显示、报警、诊断的感应淬火装置，在汽车工业生产中也逐步推广应用。

—— 化学热处理的潜力得到发挥

除渗碳、碳氮共渗以外的化学热处理，尤其是钢在铁素体状态下的化学热处理，其特点是工件畸变小，对提高机器零件耐磨减摩性能，提高抗疲劳、抗腐蚀性能和抗咬合能力以及节能降耗有明显效果。自上世纪60年代机械部机械科学研究院研制成功盐浴氮碳其渗（软氮化）和无毒原料氮碳共渗，并在生产上应用以来，又陆续开发出碳氮硼三元共渗、氨+吸热型气氛、氨+空气、氨+二氧化碳的气体氮碳共渗和氮氧共渗以及低氰盐浴渗氮、抛光、氧化的QPQ技术和LT盐浴氮碳共渗在汽车、摩托车、轻纺机，机床，工模具、紧固件、仪器仪表、兵器等行业获得广泛应用。由于效果好、成本低，工艺过程简单、毒性很小，特别受到上列行业外资企业和外销产品企业的青睐。

气体渗氮虽然工艺周期长，但因渗层硬度高，提高零件耐磨性效果好，且工件畸变小，在机床精密零件中广泛应用。上海交通大学潘健生教授在1980年代即对控制渗氮技术开展了系统研究。通过对氨分解率（H2）的精确控制，可以获得预想的钢件渗层含氮量和理想的组织结构，在生产中得到推广应用。山东工业大学（现为山东大学材料工程学院）和江苏机械研究所（现为铸锻热处理研究所）在1970年代研发出可得到脆性小的单相Fe2B层的固体渗硼法和粒状渗硼剂商品。武汉材料保护研究所亦于同期开发出硼砂盐浴渗金属技术（类似日本的T.D法）。二者在提高冶金、矿山机器零件和模具寿命上充分发挥出了化学热处理的潜力。

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