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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

文章出處:公司動態(tài) 責任編輯:東莞市良固緊固件有限公司 發(fā)表時間:2016-09-23
  “十三五”期間及其未來10年,中國緊固件業(yè)發(fā)展控制總量,培育一批世界知名品牌,加速產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和技術(shù)創(chuàng)新,實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)+機器人+工業(yè)4.0的初級生 產(chǎn)體系。未來是我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級,從“制造大國”走向“制造強國”的關(guān)鍵時期。我國制造業(yè)的勞動力的紅利時代即將結(jié)束,很多發(fā)展中國家已接納了緊固件轉(zhuǎn) 移的制造,對我國緊固件行業(yè)形成了新挑戰(zhàn)。

長期以來,我國高強度螺栓存在壽命短、可靠性差和結(jié)構(gòu)重等三大問題。三大問題嚴重制約高端機械裝備發(fā)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(xiàn)機械裝備壽命、可靠性與經(jīng)濟可承受能力,是高端機械制造的核心。

 

緊固件


1、高強度螺栓的主要失效模式是疲勞

疲勞是一種在循環(huán)應力和應變的重復作用下,螺栓一處或幾處發(fā)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(fā)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(fā)電機組服役環(huán)境復雜而惡劣,既承受動載荷沖擊又承受腐蝕環(huán)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(jié)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(xù)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(guān)。

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(jié)構(gòu)、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(shù)。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(shù)。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?nèi)f化,而且不斷創(chuàng)新、不斷發(fā)展、不斷進步。高強度螺栓普遍選用高強度 低合金鋼制造??梢钥吹剑瑳]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(shù)之一。

熱處理與制坯技術(shù)、切削技術(shù)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(shù)是緊固件制造的“內(nèi)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(jīng)濟可承受性鏈條中高出其它技術(shù)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(shù),被排斥在科技規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)之外,得不到重點研究支 持。況且,專業(yè)教育蛻化、專業(yè)人員的流失、匱乏,技術(shù)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(shù)促進高強度螺栓的發(fā)展

熱處理技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要組成部分,對高強度螺栓、高端機械裝備的發(fā)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(tǒng)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(diào)整的方法,帶來不同形狀、不 同硬度、不同內(nèi)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(wěn)定性,應當提前改變材料組織 狀態(tài)。

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(fā)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(jīng)過預先熱處理工藝則可避免此現(xiàn)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(guān)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(chǎn)生了不恰當?shù)臄嗔?。通常引起這一狀態(tài)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(nèi)部組織發(fā)生改變,同時引起其他力的變化。

淬火內(nèi)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(jié)果。工件加熱或冷卻時由于內(nèi)外溫差導致熱脹冷縮不一致 而產(chǎn)生的內(nèi)應力叫做熱應力;工件在冷卻過程中,由于內(nèi)外溫差造成組織轉(zhuǎn)變不同時性,引起內(nèi)外比體積的不同變化而產(chǎn)生的內(nèi)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(jié)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(jié)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?qū)o固件的精度以及成品率提升一個較高的水平。

4、結(jié)語

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

開發(fā)新的熱處理工藝提高其性能,或提高熱處理設(shè)備的技術(shù)水平保證熱處理質(zhì)量的穩(wěn)定性,對于提高緊固件的壽命和可靠性乃至節(jié)能環(huán)保,均具有非常重要的意義和作用。

作者:金蜘蛛緊固件網(wǎng)顧問專家 張先鳴
來源:金蜘蛛緊固件網(wǎng)

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