我国材料热处理技术的发展史

中国古代的热处理

材料热处理在中国有悠久的历史。 与世界其他地区相比，中国古代热处理技术的发展有 明显的区域特色，在某些方面中国的热处理技术落后于其它地区，但也有许多发明和技术在世界 热处理史上处于遥遥领先的地位，其中不少成果还传播到了世界各地，对世界热处理技术的进步 起到了直接的促进作用。

我国材料热处理技术的发展，同其它技术类似，传统的热处理技术经历过从萌芽、建立、发展、鼎盛到衰弱，最后是现代技术的引入、消化和发展的过程。参考我国古代的分期，可以认为，在远古时期，我国的热处理已经开始出现萌芽，在上古时期，我国传统热处理技术开始初步建立；到中古时期，我国传统的热处理技术进一步发展；在近古时期，我国传统热处理技术达到鼎盛，在近现代时期，我国的传统热处理技术逐渐衰弱，同时现代技术开始建立和发展。

在远古时期，我国的热处理已经出现萌芽。古代热处理技术发展的基础是火。火的利用是不能不提的。在旧石器时代，火主要被用于取暖照明烹饪和驱赶野兽。中国古人类在用火方面素有传统。最迟在46万年前的北京猿人时期，我们的祖先已学会了用火。已有的考古资料表明，北京周口店山顶洞人居住的洞穴中发现的灰烬，是世界公认的具有典范的人类用火的最早遗迹之一。中国古代先民将火用于材料热处理是从新石器时代开始的。 在新石器时代早期，古代先民在劳动和生活中，经常与泥土打交道，发现泥土与适量的水混合后，就会有粘性和可塑性，可以用手随意地塑造成各种形状。泥坯凉干变硬，可盛东西，但泥器怕水。过火的泥坯不怕水，这可能是源于一次偶然的发现。从此开始，由于火，由于热处理，使粘土转变为经久、耐火、耐水的陶器。这是人类自觉进行热处理最早事例。根据现有考古资料表明，我国陶器出现在距今7千～1万年以前，它是世界上最早出现的陶器。经测定早期的陶器大都经历750～1000℃温度左右的热处理，这使得泥坯中的石英、云母、长石等粘土矿物发生高温转变。此后，人们对陶器的选料和烧成条件不断实践，使我国早期的陶瓷工艺远远领先于世界其它地区。普通泥质陶具容易破碎，我国先民又发明了在泥土中加入一定量的砂，由于在粘土中加砂烧制成夹砂陶器，使材质的膨胀系数降低，抗冷热稳定性大大提高。 夹砂陶器在很多新石器时代的遗址均有发现。

在夏朝和商朝时期，我国古代先民也开始认识金属、加工金属以及冶铸金属。人类应用铜的历史可追溯到公元前7250年以前。退火工艺的发明应该说是人类金属热处理的开端。研究表明早期的铜及其合金不经过退火是不适宜进行大形变量加工的。铜及其合金容易发生加工硬化，中间退火产生再结晶使铜合金软化，以便进行进一步的加工，这一技术以后广泛应用于制造兵器和生活器具。国外采用锻造和退火的工艺对青铜进行加工处理很早就已经出现。中国古代先民应用铜及其合金的历史要晚于两河流域。根据发掘出的早期器物，有的认为我国约于公元前5千年已有冶金术的萌生。迄今所知的中国最早的金属遗物是临潼姜寨属仰韶文化半坡类型一期遗址发掘的铜片、管。此外，还有山东大汶口文化遗址出土的距今约6000年的红铜屑和辽宁建平出自牛河梁红山文化遗址的红铜环等。可以认为在大约公元前7千年至第三千纪出现的远古的金属遗物已经表明金属技术在这块土地上开始萌生。尤其是公元前3千年后半叶的龙山文化时期，中国有关的出土铜器有11类50多件。龙山文化时期的铜器都属于刀、锥、凿、钻一类的小件工具和饰物，其成形方法用铸造或锻造，有的刃具在加工中可能经过退火处理。原北京钢铁学院冶金史组对由甘肃永靖秦魏家遗址出土的约公元前1700年的青铜锥的分析表明，其基体组织为再结晶固溶体，晶粒粗大，α+δ共析组织沿加工方向变形，很明显该组织经历过再结晶退火。古代兵器如剑、戢、斧、戈等，需要进行锻打成锋刃，为防止锻造过程中的开裂，须采用锻间退火处理。“锻乃矛戈”是商周时期有关制作兵器的记载，有效地应用退火技术，才能制作出制型复杂、锋利异常的宝剑。

退火还在陨石加工中被应用。陨铁实际上属高铁镍合金。居住在两河流域的人类从公元前3000多年以前就开始使用这一“天赐”的金属。为了制造刀具或小件物品，他们采用了退火或锻造工艺。这是人类最早的钢铁热处理。我国在商周遗址中共发现了七件陨铁制品，有经过锻造和退火加工的痕迹。其中年代最久的是1972年河北藁城台西村商代遗址出土的属公元前14世纪的铁刃铜钺。在铁刃中有高、低镍层状组织，确认系采用含镍较高的陨铁锻制而成。另有一件是1977年在北京平谷县刘家河村的商代墓葬中发现铁刃铜钺。其中的铁刃被锻造成2毫米左右厚的薄片。这一铁刃铜钺明显是经历过锻造和退火加工。相比之下，中国的陨铁加工较两河流域晚些，这些制品的退火加工是否是中国先民所为，在国际考古学界仍有争议。国外有相当多的学者认为，这一件物品很有可能是从中东或亚洲其它地区引入的，他们认为中国用铁历史较短，在当时还没有能力进行类似的金属加工。

退火在商代被用于自然金的加工。自然金主要来源于天然金块和砂金的熔块。金的早期一个 重要用途是做成很薄的金叶或金片，来装饰器物。国外早期通常采用冷加工使金片的厚度减到百 分之几毫米。中国出土的金制品多为饰物，如金臂钏、金耳坠、金珥、金叶等，出土的商代遗存中还有相当薄的金箔。如安阳大司空殷商墓出土的金箔，其厚度为0.01±0.001mm，经原北京钢铁学院冶金史教研室分析，其晶粒大小均匀、晶界平直，认为是采用锻打和退火工艺制成的。由于中国早期在建筑等方面的大面积装饰需要，促使中国工匠在金箔的加工中应用了退火处理。退火的应用，使中国商代就拥有金箔。

周朝，特别是春秋战国时期，是我国的冶铁术的肇始时期。这期间出现了固体渗碳制钢术。固体渗碳是采用将工件埋入固体渗碳物质中进行处理的工艺技术，它是最古老的热处理技术之一。中国固体渗碳处理大约开始于春秋时期，其年代大约在公元前7至前6世纪左右，这是金属化学热处理的开端。固体渗碳钢可以制作更加锋利、细长的兵器，是换代的兵器材料。中国古代的文献《越绝书》对此有描述，“黄帝之时，以玉为兵，禹穴之时，以铜为兵，当此之时(文中指春秋时期，笔者注)，做铁兵，威服三军”。固体渗碳制钢在我国的应用比国外制铁业的发源地落后了大约十个世纪。采用固体渗碳法制取的产品被称为快炼铁。我国出土的块炼铁实物不多，考古证实在春秋晚期墓葬中已经出现中碳的块炼铁渗碳钢。如对湖南长沙杨家山出土的春秋晚期钢剑的分析表明，其含碳量为0.5％左右，属块炼铁渗碳钢制品，其年代为公元前6世纪左右。

战国时期，我国古代热处理的一项举世瞩目的成就是发明了铸铁柔化术。经大量的考古证实， 我国铸铁的发明大约在春秋中期。迄今发掘出年代最早的铸铁残片是在山西天马——曲村晋文化 墓葬中出土的。属于战国早期用白口铸铁制成的产品亦发掘出十余件。中国工匠为了克服白口 铸铁的脆性，大约于公元前五世纪发明了适用于铸铁柔化处理的退火技术，在河南洛阳战国早期 灰坑出土的铁锛，其内部组织为莱氏体，表面有约1毫米左右的珠光体带。珠光体层的存在，使白口铸铁具有韧性，很明显这是通过退火处理得到的组织。与铁锛同坑出土还有一个铁 。这一铁 已基本绣蚀，其残部经金相检验表明，其基体组织为铁素体脱碳层，石墨组织为比较完善的团絮状退火石墨。可以认为这是通过退火得到的展性铸铁。据分析其大约是经过在900℃或稍高的温度下，进行长时间的退火，使渗碳体分解，得到团絮状的石墨，欧洲同类型的可锻铸铁的出现是在1720年之后。

根据文物考古分析，中国古代淬火技术可能最早被应用于块炼铁中。考古发掘的一件淬火实 物是河北易县燕下都武阳台村战国晚期遗址出土的钢剑。其含碳量为0.5％～0.6％，整支剑身由高碳层与低碳层相间组成，刃部主要由淬火马氏体所构成。这是典型的块炼渗碳钢叠打锻造的淬火组织。经过锻打块炼铁，铁吸收了炭份，减少了夹杂物就成为钢。这种钢组织紧密、碳分均匀， 适用于制作兵器和刀具。这一炼钢技术的进一步发展是“百炼钢”技术。对战国时期的钢铁制品的金相分析还发现钢铁内部有类似回火和正火的组织，我国工匠可能在无意之间应用了类似于回火和正火的工艺，从而拓展了钢铁制品的用途。

中国古代金属表面处理主要有“鎏金”、“鎏银”和镀锡。最常用的是汞齐法，即将被镀金属溶于水银中，然后采用擦涂的方法将其被覆于基材之上。该技术一般应用于铜器的装饰处理。已知早期的鎏金物件为山东曲阜出土的长臂铜猿，墓葬年代为春秋战国之交。陶弘景后来对汞齐的作用指出： “水银能消化金、银，使成泥，人以镀物是也。”中国古代的玻璃制造术也是在周朝开始发展起来的。1976年在陕西省宝鸡茹家庄地区发掘出的西周都市遗址中，发现四种不同形式的玻璃扁株和绿色玻璃管状项链。此外，还在金村、长沙、辉县等地战国墓葬中，出土过一批白色、翠绿色、暗绿色的玻璃制品，色泽美观，大都半透明。据分析，它们大多是含铅、钡量较高的“铅钡玻璃”。与西方常见的“钠钙玻璃”在成分上有很大的差异。“铅钡玻璃”的加工温度低，虽具备多彩、晶莹的特点，但有易碎、透明度差的缺点。

秦汉两朝是我国冶铁规模蓬勃发展的时期，西汉的竖炉已发展到相当规模，南阳出土的铸铁炉耐火砖的复原情况表明，当时的竖炉高约3-4米，直径2米，东汉的太守杜诗还发明了鼓风工效大得多的水排。而且在两汉时期，炒钢技术已经普及，用此技术可生产出熟铁。相应的古代热处理加工也出现了全面发展的状况。这时期的工匠在掌握和应用钢铁退火加工方面取得很大进步。除了对锻钢件实施中间退火以外，以退火作为最终的热处理手段看来也被古代工匠所采用。满城1号汉墓和呼和浩特二十家子出土的同时代的铠甲片都是块炼铁材料，从其表层的显微组织观察，为铁素体组织，其最终的处理工艺应属于退火工艺。此外，原北京钢铁学院冶金史研究室对河南出土的188件汉代铁器进行过金相普查。结果表明被普查的铁器的40％属铸铁经脱碳处理而制取的钢件，其中大部分的农具的显微组织均为珠光体和渗碳体，甚至有一部分渗碳体已经球化。依此可以看出，古代工匠对中、高碳钢实施的是在723℃附近长时间的退火，他们采用了这种方法在某些情况下获得了球化退火组织。脱碳处理是一种化学热处理。这一技术秦汉两朝被大量应用来加工白口铁。灰口铁内部的石墨成片状，是性能较好的铸铁，当代的灰口铁是靠添加促进石墨化元素和控制冷却速度实现的。中国古代则很早就获得灰口组织。北京钢铁学院冶金史教研室曾经普查了汉代的铁器，发现在铸造生铁中灰口铁占21％、麻口铁占4%，他们认为汉代灰口铁的生产已属成熟的工艺，麻口铁则是生产灰口铁时偶然得到的。古代工匠似乎已经知道灰口铁的性能特点，在满城汉墓出土的公元前112年的车轴，用的就是灰口铁，其组织中有石墨，可起耐磨和减摩的作用。这是发掘出的最早的灰口铁。由于古代的灰口铁含硅量低于现代的灰口铁，灰口组织的获得很可能是灰口化的退火处理的产物。当然，汉代灰口铁也有可能是依靠控制凝固的冷却速度而得到。但更可能是对铸铁采用了在窑炉中高温退火的方法。更值得注意的是在被普查的铁器的内部出现了球墨组织。球状石墨是在鉴定渑池汉魏窖藏铁器时发现的。我国的考古工作者通过对某些具有球墨组织的铁器的分析表明，其球状石墨的形貌、结构及力学性能与现代靠添加球化剂获得的石墨无异。球化等级达到现代球墨铸铁金相标准的1—2级。而国外的研究者是在1942年对意外获得的高韧性铸铁的金相观察后才进而确定出铸铁的球墨化退火工艺。汉代在淬火方面也取得很大成就。这时期发明的“百炼钢”的主要用于制造兵器的技术。百炼钢折叠、锻打次数很多，碳分比较多，组织更加细密，成份更加均匀，所以钢的质量有很大提高。在西汉中晚期，我国又出现了新的炼钢技术“炒钢”，这是在生铁冶铸技术的基础上发展起来的一种炼钢新技术。炒钢技术是炼钢技术的一项突破，它能提供大量廉价、优质的熟铁或钢，满足生产和战争的需要。炒钢的出现也大大促进了百炼钢技术的发展，人们可以以炒钢为原料，经过反复加热、折叠、锻打成质量很好的钢件。在山东临沂苍山出土的安帝永初六年的环首钢刀和徐州铜山出土的章帝建初二年的钢剑，分别记有“三十 ”和“五十 ”的字样。这期间古代工匠还发明了局部淬火，对徐州狮子山楚王陵出土的4件凿刀的金相分析””表明，该4件凿刀都经过对刀头的局部淬火处理，以获得刀头硬、刀体韧的效果。对在山东苍山汉墓出土的环首钢刀、陕西扶风汉墓钢剑和汉代刘胜错金书刀的分析也表明，这些刀剑仅在刃部观察到马氏体，剑的脊部未见淬火组织。

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。

—— 离子热处理的盛行

早在1970年代初北京机床研究所就研成功国内第一台10A离子渗氮试验装置。此后，离子渗氮技术的研究在全国各地如雨后春笋船开展起来。对工艺参数、渗层组织和性能之间的关系进行了系统研究，探索了钢中含碳量和合金元素以及原始组织、温度、时间、压力、气体介质成分对渗层组织的影响。判明了形成γ、ε相，γ'+ε或ε+Fe3C复合相化合物层以及无化合物层的条件，测定了钢件在多种服役条件下最适宜的组织形态。这些结论对离子渗氮的扩大应用打下了良好的基础。到1980年末全国已有上千台离子渗氮设备、数十家离子渗氮设备制造厂、兴起了一场推广离子渗氮技术的高潮。

除离子渗氮外，许多科研单位、大专院校还开展了离子渗碳、碳氮共渗、离子软氮化、硫氮和碳氮硫共渗、离子渗硼等技术的研究开发，但由于技术复杂、生产成本高、环保和安全卫生等因素，未得到广泛应用，生产应用最广的还是离子渗氮。

离子镀渗技术的研究和应用也是我国热处理技术进步的范例。太原工业大学，北京联合大学和电子部第一研究所对离子镀渗机理、工艺参数的优选、镀层质量和工艺的关系进行了深入研究，开发出了多层辉光离子渗金属和多弧离子镀技术，不仅可以在金属制品表面获得致密的TiN沉积层，得到W、Mo、Cr、Ni等单元素镀渗层，而且还可以使W、Cr、Mo、V等元素按不同组合和比例同时渗入普通钢材，使其表面得到相当厚的类似高速钢成分的镀渗层，从而代替昂贵的高速钢。

—— 激光和电子束热处理

激光热处理的试验研究起始于1979年。最初是在250W的小功率激光器上用小试样验证了钢表面相变硬化的效果。目前二氧化碳激光器已能做到10kW的功率，激光器、导光聚焦系统和5坐标工作台都能自行制造。

开展了激光和电子表面相变硬化、熔化凝固、表面涂复和表面合金化的试验研究。激光相变硬化在汽车发动机气缸套、弹性联轴节主簧片、纺织机锭杆、量具块规、凿岩机气缸等机器零件上获得应用。一汽、二汽、北京内燃机总厂、西安内燃机配件厂都已建立起缸套的激光硬化生产线。

十几年来，从国外引进的大功率二氧化碳激光器有十数台之多。目前国产设备已基本取代进口。

大功率激光器的研制和生产单位有华中理工大学、上海光机所、沈阳机电设计院、中科院北京自动化所等。承担国家863科研项目、在激光热处理应用上有贡献的单位有沈阳金属所、北京机床所、北京市机电研究院、原机械部北京机电所、长春机械研究所等。原机械部北京机电研究所和中科院自动化所合作研制了15KW的电子束热处理装置。

—— 热处理质量的严格控制

产品质量愈来愈严格的控制是近代热处理技术发展的主要特点之一。这是随着金属学规律愈来愈精确的研究，测试传感技术和仪器制造的长足进步以及电子计算机普及应用的必然结果，我国在这方面取得的进步主要表现在以下方面。

1) 工艺过程的自动化作业 采用顺控器或微处理机按热处理工艺的要求实现装料、加热、冷却、清洗、回火，卸料等工序的自动化生产过程已在部分汽车、拖拉机、轴承、紧固件等大批量生产的企业投入使用。汽车工业的大型连续式渗碳、淬火、回火生产线和密封多用炉生产线大都采用微处理机控制的自动化作业。在真空热处理设备上用顺控器或微机的程序控制作业也有许多成功的经验。

2) 工艺参数的严格控制 对热处理工艺参数，如时间、温度、炉气戒分和压力、淬火介质的浓度、杂质和冷速(搅动程度)的严格控制可使工件保持稳定的高质量，使工件的表面质量、表面和心部硬度、渗层的渗入元素浓度和梯度、渗层深度都能得到有效的控制。在我国，由于可控硅控温和PID仪表的普及，一般热处理电阻炉(800～1000℃)的控温精度可达到±5℃，甚至±2℃。采用红外线气体分析仪和计算机可对炉气中的CO2、CO、CH4炉气压为等因素控制甚至达到±0.02的精度。目前可控硅控温技术已达相当普及程度，各种规格的控制器都可在市场上买到。一些高校，科研单位和企业开发的按工艺参数和质量关系的数字模型用计算机直接控制产品的尝试已取得成功，部分成果已在生产上应用。
3） 严格的质量管理 通过热处理行业协会开展的质量管理信得过企业、规范企业评选活动和质理检验员的培训，在本世纪初热处理企业的生产管理和质量管理水平有了明显提高。大部分企业都重视改善质量检验条件，除国营企业外，大部分民营企业都购置了金相显微镜，硬度计，磁粉探伤仪、少数企业还配备有看谱镜，定量金相显微镜；通过评选的两类企业和大部分被调查企业的技术工人都经过培训和持证上岗，在生产中建立了热处理工艺卡，流程卡，检验规程，质量档案等各项管理制度、主动执行热处理质量管理标准和热处理炉有效加热区测定以及各类工艺标准。由于这些工艺条件的严格规定、工艺操作的规范化，职工素质的提高，使这些企业的热处理件质量分散度逐步降低，产品一次合格率提高到98%以上，到2003年底通过ISO9000认证企业近1000家，占全行业企业总数的6%，占营业额500万元以上企业总数的20%左右。

—— 热处理专业化生产蓬勃发展

自国家实行市场经济后，1995年以来热处理专业化生产发展神速、主要表现在民营、股份制专营热处理加工的企业迅猛增长。在2003年主要集中在沿海城市的这类企业总数至少在2000家以上。近几年，华北、东北及内地民营热处理企业亦有明显增长趋势。全国热处理专业厂有可能达到3000家。保守地设每个企业平均年营业额200万元，全国这类企业的年营业额可达60亿元，约占全国热处理总营业额的20%。此比例大于美国的10%，小于日本的30%。不可否认，这是上世纪80年代国家提倡专业化生产以来，在近几年取得的最大成就，也是深化改革、推行社会主义市场经济的必然产物。

—— 热处理生产技术改造和设备更新如日中天

大部分民营企业认识到高技术起点对保持企业强竞争能力的重要性。他们有足够的资金和能力购置先进的热处理设备，航空、兵器、船舶工业企业近几年受惠于国家的国防现代化政策，进行了大规模的技术改造和设备更新。汽车工业的空前发展对先进热处理技术和高精热处理设备形成大量需求，航空工业企业和沿海民营以轻工产品模具为主要对象的企业近几年增添了大量真空热处理设备，尤其是高压气淬设备。汽车、兵器工业企业和以汽车、摩托车零件为主要对象的民营企业则以多用炉生产线为主要技术改造内容。个别汽车公司的热处理部门还引进了低压渗碳和高压气淬热处理生产线。船舶工业企业则以高炉温均匀性的碳势精确控制的大型井式渗碳炉为技术改造目标。在这些企业中，由于生产技术改造的蓬勃开展，少无氧化热处理的比重已达到90%以上。基本上实现了少无氧化、少无畸变、少无污染、少无废品、少无人工、少无质量分散的先进的热处理生产。

—— 热处理设备制造有了转机

“九五”期间，因国营企业资金拮据，尚未兴起热处理设备更新高潮，更由于外资企业的进入，国内热处理设备市场竞争白热化，使不少技术落后，经营不善企业濒临倒闭边缘。“十五”以来，大量民营企业的涌现，使设备需求大增，即使是低水平的设备也畅销无阻，救活了一批电炉制造企业。外资企业的进入和用户的高技术起点也使不少设备制造厂励精图治，不断提高自己的产品档次，赢得了用户。值得一提的是不少设备制造企业应用户要求采用优质配套件和仪表，其中不乏国际名牌产品使国产设备的可靠性有了明显改善，为热处理加工企业的技术改造和设备更新创造了好的条件。

（3） 热处理标准化的进展

实行改革开放政策以前，热处理标准的基础是很薄弱的。1980年以前，在国标和冶标(YB)中只有12项钢材的冶金质量标准，机标(JB)中只有8项热处理标准，且大多数是产品质量检验标准。改革开放以来，特别是在提出等效采用国际标准方针后，包括热处理标准在内的标准工作出现了新的局面。政府各部门的标准化机构都设专人负责热处理标准化工作。在提出的热处理标准体系表中罗列了制修订94项国标、部标的计划。在1981—1985期间共完成21项标准的制修订任务。为了使标准化工作实行跨部门，跨地区的行业管理，以动员更广泛力量尽快实现标准的现代化，国家标准局(现改为国家技术监督质量检验检疫局)在1985年决定建立各行业的全国性标准化技术委员会。1986年3月在国标局主持下成立了由30名委员和顾问组成的第一届跨行业跨部门的热处理标准化技术委员会。秘书处设在机械工业部北京机电研究所。1991年改选成立了第二届委员会。1997年和2001年改选为第3、4届委员会。委员会的主要任务是：向国家主管部门提出本行业标准化工作的方针政策性建议，制订本行业标准体系表，提出长远规划和年度工作计划，组织本行业标准项目的制修订工作，审查本行业国标和行标草案，并在技术上把关，负责标准的宣传贯彻、解释、咨询、提出标准成果的奖励建议等。

经过近20年的努力，已制修订出76项国标和行标。其中绝大部分内容是热处理通用技术标准和工艺标准，不包括产品质量标准，大多数是国标的热处理通用技术标准在国内和国际贸易谈判中对金属材料经热处理后的组织和性能有了一个能公认的品质优劣的判据，产品的质量检验方法也有了一个共同的准绳。新制订的热处理工艺标准可用来严格控制生产条件(设备仪表精度，可靠性与维护、温度、炉气、加热和冷却介质等)，是实现热处理生产全面质量管理的有效措施。

近几年由全国热标委会组织开展的针对热处理专为厂的达标验收活动提高了企业贯彻热处理标准的积极性，改善了企业的生产管理和质量管理、提高了企业的信誉、效益和核心竞争能力。