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淺談熱處理工藝在提高緊固件制造水平中的作用

2018-10-27 15:09:42 淄博大眾食用化工股份有限公司 閱讀

       “十三五”期間及其未來10年,中國緊固件業發展控制總量,培育一批世界知名品牌,加速產品結構調整和技術創新,實現互聯網+機器人+工業4.0的初級生產體系。未來是我國制造業轉型升級,從“制造大國”走向“制造強國”的關鍵時期。我國制造業的勞動力的紅利時代即將結束,很多發展中國家已接納了緊固件轉移的制造,對我國緊固件行業形成了新挑戰。

  長期以來,我國高強度螺栓存在壽命短、可靠性差和結構重等三大問題。三大問題嚴重制約高端機械裝備發展和安全服役。高強度螺栓決定了高端機械裝備主要連接功能,體現機械裝備壽命、可靠性與經濟可承受能力,是高端機械制造的核心。

 

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  1、高強度螺栓的主要失效模式是疲勞

  疲勞是一種在循環應力和應變的重復作用下,螺栓一處或幾處發生開裂或斷裂的失效形式。疲勞包括裂紋萌生和裂紋擴展兩個過程,在低于材料的屈服強度下發生,在無明顯變形下突然失效。所以,與其它失效形式相比,疲勞是一類最危險的失效形式之一。

  通常,車輛上的連接螺栓為拉-拉疲勞失效。例如,風力發電機組服役環境復雜而惡劣,既承受動載荷沖擊又承受腐蝕環境,所用連接螺栓疲勞斷裂高達85%。高強度螺栓的主要失效模式是疲勞,大量的高強度螺栓疲勞失效分析結果表明,70%以上的疲勞失效源自表面損傷、頭桿交接處脫碳、螺紋加工有明顯的細小裂縫或切削加工刀痕不連續處和表面腐蝕物、淬火組織不均勻,因為那兒應力集中度高。這些都與緊固件制造水平有關。

  2、熱處理賦予緊固件材料極限性能

  “熱處理”是采用加熱與冷卻方法控制相變,微觀結構、殘余應力場,賦予材料極限性能和高強度螺栓極限服役性能的工藝技術。它既是一門理論性很強的科學,又是一類實踐性很強的技術。實踐性很強說的是先進熱處理工藝隨著材料和高強度螺栓千變萬化,而且不斷創新、不斷發展、不斷進步。高強度螺栓普遍選用高強度低合金鋼制造。可以看到,沒有哪個材料可以離開熱處理,沒有哪個高強度螺栓不依賴熱處理。需要特別指出熱處理是當今賦予材料極限性能的特種技術之一。

  熱處理與制坯技術、切削技術不同。冷鐓制坯、鍛造制坯、鑄造制坯和焊接制坯可以制出一定形狀和大尺寸的坯件,十分顯眼。切削加工可以制出各種精密、美觀的高精度螺栓,極為露眼。而熱處理技術是緊固件制造的“內科學”, 賦予高強度螺栓的是性能,既不顯山,也不露水。為此,盡管熱處理在高強度螺栓的經濟可承受性鏈條中高出其它技術價值很多倍,但卻不被重視。熱處理被邊緣化、附屬化了;在形式主義、急功近利的踐踏下,熱處理這一材料、高強度螺栓、高端機械裝備的核心技術,被排斥在科技規劃關鍵技術之外,得不到重點研究支持。況且,專業教育蛻化、專業人員的流失、匱乏,技術落后再落后,與國外先進水平的差距拉大再拉大。

  3、熱處理技術促進高強度螺栓的發展

  熱處理技術是先進制造技術的重要組成部分,對高強度螺栓、高端機械裝備的發展有著十分重要的作用。眾所周知,沒有“化學成分”不成為材料,沒有“熱處理”同樣不成為材料。但傳統的緊固件制造習慣中常常認識了“化學成分”的重要性,卻不認識熱處理的重要作用和地位。
熱處理工藝按時間的長短和溫度的高低會帶來不同的效果,不同的熱處理所帶來的緊固件不同的性能提升。

  3.1 提高冷鐓鋼的加工性能和加工精度

對同一種材料來說,如果物理加工與化學加工的方法和程度不同,也會帶來不同的表征和特性,通常來說可以利用此點作為表面粗糙度調整的方法,帶來不同形狀、不同硬度、不同內部組織、不同用途的緊固件。在冷鐓工藝當中,不同硬度的材料能夠應對不同的加工方法,為了適應冷鐓加工工作的穩定性,應當提前改變材料組織狀態。

  如果退火組織不符合球化等級,材料在冷鐓成型中,當變形量大于80%~85%,就有可能造成冷鐓開裂;且有可能發生表面不平整、不光潔的情況;硬度過軟則容易變形,無法掌握形狀,而硬度過硬阻礙冷鐓、冷擠和切削加工,損傷模具、刀具,而經過預先熱處理工藝則可避免此現象。

  3.2 提高金屬材料的斷裂韌性

  金屬材料的斷裂韌性指含有裂紋的材料,在外力作用下抵抗裂紋擴展的性能,提高金屬斷裂韌性的關鍵是要減少金屬晶體中位錯,使金屬材料中位錯密度下降,從而提高金屬強度、而減少金屬晶體中位錯的一種重要方法,就是細晶強化,其原理是通過細化晶粒使晶界所占比例增高而阻礙位錯滑移,從而提高材料的韌性,金屬組織的細晶強化的過程實際上就是金屬熱處理。

  3.3 減少金屬材料的應力腐蝕開裂

  腐蝕開裂是指金屬在物理力與化學成分侵蝕下產生了不恰當的斷裂。通常引起這一狀態的力是殘余拉力,這個力的形成時間是在金屬焊接的時候,在進行升溫加熱或冷卻時,引起溫度的變化導致內部組織發生改變,同時引起其他力的變化。

  淬火內應力主要有熱應力和組織應力兩種。工件最終變形或開裂、應力腐蝕都是這兩種應力綜合作用的結果。工件加熱或冷卻時由于內外溫差導致熱脹冷縮不一致而產生的內應力叫做熱應力;工件在冷卻過程中,由于內外溫差造成組織轉變不同時性,引起內外比體積的不同變化而產生的內應力叫做組織應力。在熱應力的作用下,由于冷卻時金屬表面溫度低于心部,收縮表面大于心部而使心部受拉應力;組織應力變化的最終結果是表層受拉應力,心部受壓應力,恰好與熱應力相反。金屬熱處理的熱應力與組織應力疊加的結果就是材料中的殘余應力,正是其存在造成了應力腐蝕開裂。

  熱處理工藝在緊固件制造中,對其性能的改變有較為突出的作用。若將熱處理與冷鐓、冷擠、冷沖、部分切削加工密切配合,能夠對緊固件的精度以及成品率提升一個較高的水平。

  4、結語

  工業4.0和中國制造的《2025》在高強度螺栓制造發展的進程中的智能化、綠色化、輕量化,熱處理技術都扮演著重要角色,未來10年我國緊固件的發展,應選擇對行業發展起著基礎性、突破性作用的工序作為重點加快發展,重視集成創新是提高企業核心能力的關鍵,熱處理發展將更加呈現個性化。

  開發新的熱處理工藝提高其性能,或提高熱處理設備的技術水平保證熱處理質量的穩定性,對于提高緊固件的壽命和可靠性乃至節能環保,均具有非常重要的意義和作用。

  作者:金蜘蛛緊固件網顧問專家 張先鳴
  來源:金蜘蛛緊固件網


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