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浅谈热处理工艺在提高紧固件制造水平中的作用

2018-10-27 15:09:42 淄博大众食用化工股份有限公司 阅读

       “十三五”期间及其未来10年,中国紧固件业发展控制总量,培育一批世界知名品牌,加速产品结构调整和技术创新,实现互联网+机器人+工业4.0的初级生产体系。未来是我国制造业转型升级,从“制造大国”走向“制造强国”的关键时期。我国制造业的劳动力的红利时代即将结束,很多发展中国家已接纳了紧固件转移的制造,对我国紧固件行业形成了新挑战。

  长期以来,我国高强度螺栓存在寿命短、可靠性差和结构重等三大问题。三大问题严重制约高端机械装备发展和安全服役。高强度螺栓决定了高端机械装备主要连接功能,体现机械装备寿命、可靠性与经济可承受能力,是高端机械制造的核心。

 

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  1、高强度螺栓的主要失效模式是疲劳

  疲劳是一种在循环应力和应变的重复作用下,螺栓一处或几处发生开裂或断裂的失效形式。疲劳包括裂纹萌生和裂纹扩展两个过程,在低于材料的屈服强度下发生,在无明显变形下突然失效。所以,与其它失效形式相比,疲劳是一类最危险的失效形式之一。

  通常,车辆上的连接螺栓为拉-拉疲劳失效。例如,风力发电机组服役环境复杂而恶劣,既承受动载荷冲击又承受腐蚀环境,所用连接螺栓疲劳断裂高达85%。高强度螺栓的主要失效模式是疲劳,大量的高强度螺栓疲劳失效分析结果表明,70%以上的疲劳失效源自表面损伤、头杆交接处脱碳、螺纹加工有明显的细小裂缝或切削加工刀痕不连续处和表面腐蚀物、淬火组织不均匀,因为那儿应力集中度高。这些都与紧固件制造水平有关。

  2、热处理赋予紧固件材料极限性能

  “热处理”是采用加热与冷却方法控制相变,微观结构、残余应力场,赋予材料极限性能和高强度螺栓极限服役性能的工艺技术。它既是一门理论性很强的科学,又是一类实践性很强的技术。实践性很强说的是先进热处理工艺随着材料和高强度螺栓千变万化,而且不断创新、不断发展、不断进步。高强度螺栓普遍选用高强度低合金钢制造。可以看到,没有哪个材料可以离开热处理,没有哪个高强度螺栓不依赖热处理。需要特别指出热处理是当今赋予材料极限性能的特种技术之一。

  热处理与制坯技术、切削技术不同。冷镦制坯、锻造制坯、铸造制坯和焊接制坯可以制出一定形状和大尺寸的坯件,十分显眼。切削加工可以制出各种精密、美观的高精度螺栓,极为露眼。而热处理技术是紧固件制造的“内科学”, 赋予高强度螺栓的是性能,既不显山,也不露水。为此,尽管热处理在高强度螺栓的经济可承受性链条中高出其它技术价值很多倍,但却不被重视。热处理被边缘化、附属化了;在形式主义、急功近利的践踏下,热处理这一材料、高强度螺栓、高端机械装备的核心技术,被排斥在科技规划关键技术之外,得不到重点研究支持。况且,专业教育蜕化、专业人员的流失、匮乏,技术落后再落后,与国外先进水平的差距拉大再拉大。

  3、热处理技术促进高强度螺栓的发展

  热处理技术是先进制造技术的重要组成部分,对高强度螺栓、高端机械装备的发展有着十分重要的作用。众所周知,没有“化学成分”不成为材料,没有“热处理”同样不成为材料。但传统的紧固件制造习惯中常常认识了“化学成分”的重要性,却不认识热处理的重要作用和地位。
热处理工艺按时间的长短和温度的高低会带来不同的效果,不同的热处理所带来的紧固件不同的性能提升。

  3.1 提高冷镦钢的加工性能和加工精度

对同一种材料来说,如果物理加工与化学加工的方法和程度不同,也会带来不同的表征和特性,通常来说可以利用此点作为表面粗糙度调整的方法,带来不同形状、不同硬度、不同内部组织、不同用途的紧固件。在冷镦工艺当中,不同硬度的材料能够应对不同的加工方法,为了适应冷镦加工工作的稳定性,应当提前改变材料组织状态。

  如果退火组织不符合球化等级,材料在冷镦成型中,当变形量大于80%~85%,就有可能造成冷镦开裂;且有可能发生表面不平整、不光洁的情况;硬度过软则容易变形,无法掌握形状,而硬度过硬阻碍冷镦、冷挤和切削加工,损伤模具、刀具,而经过预先热处理工艺则可避免此现象。

  3.2 提高金属材料的断裂韧性

  金属材料的断裂韧性指含有裂纹的材料,在外力作用下抵抗裂纹扩展的性能,提高金属断裂韧性的关键是要减少金属晶体中位错,使金属材料中位错密度下降,从而提高金属强度、而减少金属晶体中位错的一种重要方法,就是细晶强化,其原理是通过细化晶粒使晶界所占比例增高而阻碍位错滑移,从而提高材料的韧性,金属组织的细晶强化的过程实际上就是金属热处理。

  3.3 减少金属材料的应力腐蚀开裂

  腐蚀开裂是指金属在物理力与化学成分侵蚀下产生了不恰当的断裂。通常引起这一状态的力是残余拉力,这个力的形成时间是在金属焊接的时候,在进行升温加热或冷却时,引起温度的变化导致内部组织发生改变,同时引起其他力的变化。

  淬火内应力主要有热应力和组织应力两种。工件最终变形或开裂、应力腐蚀都是这两种应力综合作用的结果。工件加热或冷却时由于内外温差导致热胀冷缩不一致而产生的内应力叫做热应力;工件在冷却过程中,由于内外温差造成组织转变不同时性,引起内外比体积的不同变化而产生的内应力叫做组织应力。在热应力的作用下,由于冷却时金属表面温度低于心部,收缩表面大于心部而使心部受拉应力;组织应力变化的最终结果是表层受拉应力,心部受压应力,恰好与热应力相反。金属热处理的热应力与组织应力叠加的结果就是材料中的残余应力,正是其存在造成了应力腐蚀开裂。

  热处理工艺在紧固件制造中,对其性能的改变有较为突出的作用。若将热处理与冷镦、冷挤、冷冲、部分切削加工密切配合,能够对紧固件的精度以及成品率提升一个较高的水平。

  4、结语

  工业4.0和中国制造的《2025》在高强度螺栓制造发展的进程中的智能化、绿色化、轻量化,热处理技术都扮演着重要角色,未来10年我国紧固件的发展,应选择对行业发展起着基础性、突破性作用的工序作为重点加快发展,重视集成创新是提高企业核心能力的关键,热处理发展将更加呈现个性化。

  开发新的热处理工艺提高其性能,或提高热处理设备的技术水平保证热处理质量的稳定性,对于提高紧固件的寿命和可靠性乃至节能环保,均具有非常重要的意义和作用。

  作者:金蜘蛛紧固件网顾问专家 张先鸣
  来源:金蜘蛛紧固件网