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談談緊固件熱處理的技術發展——“緊固件常用材料與熱處理工藝”頭腦風暴6月29日開講

  核心提示:開發緊固件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。

jzz

  近10年來,我國緊固件行業生產技術的總體水平已邁入現代制造業的新階段。目前,正在實現結構調整、轉型升級,從粗放型到精細化的過程,也是一個從技藝到科學的成長和完善過程。其主要癥結在于傳統的生產技術理念不能適應通過不斷創新變革提質增效的現代工業文明發展需要的矛盾,有必要在對緊固件的生產重新檢視的基礎上,尤前是對熱處理的技術發展明確重點工作。

  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。

  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。為此,對緊固件行業形成了挑戰,緊固件行業加快轉變經濟發展方式成為當務之急。

  大量的高強度螺栓疲勞失效分析結果表明,80%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。

  加快發展緊固件熱處理刻不容緩,要充分認識解決高強度螺栓“三大問題”,實現緊固件長壽命、高可靠、結構減重是一場革命:①從高強度螺栓“成形”制造轉變為抗疲勞制造的技術革命;②從解決“有無”轉變為關鍵高強度螺栓支持高端機械制造可持續發展的理念革命;③從指標最終檢驗轉變為過程控制的管理革命;④從低技術、被動轉變為高技術、主動的從業人員素質革命;⑤從廉價勞動力、濫用環境和資源轉變為高附加值、人性化、低排放、綠色環保的環境革命等。

  “熱處理”是采用加熱與冷卻方法控制相變,賦予材料極限性能和高強度螺栓極限服役性能的技術。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。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,賦予高強度螺栓極限服役性能的僅有的兩種技術之一。

  緊固件熱處理與制坯技術、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。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。雖然熱處理賦予材料極限性能,賦予高強度螺栓極限服役性能,但卻不被重視。熱處理這一材料、高強度螺栓的核心技術,被排斥在發展規劃關鍵技術之外,得不到重點研究支持。毫不夸張地說,熱處理被邊緣化、附屬化,是我國緊固件處于中低端制造和競爭弱勢的重要原??。

  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。熱處理工藝在緊固件制造中,對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。

  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。除了整機系統設計因素外,材料及熱處理技術不過硬是重要因素。緊固件熱處理應不是簡單的承接加工服務,熱處理首先要關注其材料的冶金質量、包括含氧量、夾雜物和帶狀組織等,保證細晶粒的均勻的原始組織,確定合金成分與淬透性帶寬的關系以及碳化物的細化和韌性等的關系。

  對于重要緊固件的材料應進行確認性檢驗,對供方提供的檢驗文件如合格證、質保書及檢測報告進行確認。對材料定期確認檢驗主要是驗證其材質的各項性能是否符合相關的材料標準和緊固件熱處理的技術條件要求。熱處理前緊固件的質量狀況,包括前處理和晶粒度,都必須對照相應標準。熱處理工藝本身,同樣包括兩個層面的工作,一是熱處理工藝創新,包括最適工藝的研究,含預先熱處理(退火)的設計、加熱和冷卻工序的設計等,二是熱處理工藝的優化,即最佳工藝。

  標準引領質量提升,近年來,全國緊固件標準化技術委員會確定了加快重點標準的制修訂,提高了標準的先進性,至今為止,緊固件基礎、螺栓、螺母系列標準約400項全部更新,這些標準為機械裝備的質量的保證起到了重要作用。但標準化存在的主要問題突出在緊固件企業的標準化意識、標準的實施和標準的水平等方面。需要在重點工作上下功夫。

  1.開展有關馬氏體含量的研究

  在GB/T3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》強調對8.8級及以上產品的材料要求應有足夠的淬透性,以確保螺栓螺紋截面的芯部在淬硬狀態、回火前獲得約90%的馬氏體。為保證良好的淬透性,對于8.8級、螺紋直徑超過20 mm的螺栓需采用標準規定的合金鋼材料淬火并回火。

  生產實踐表明,淬火后馬氏體的含量對螺栓的接觸疲勞壽命及韌性有密切關聯,高強度螺栓正常淬火后得到的組織應是板條狀馬氏體和針片狀馬氏體。過多的非馬氏體組織會導致強度、硬度下降,則對疲勞壽命及韌性產生不利的影響。淬火加熱溫度過低,或保溫不足,奧氏體未均勻化,導致淬火后的組織為馬氏體和未溶鐵素體,鐵素體即使回火也不能消除。

  對于M64以上規格的大螺栓,要完全達到約90%的馬氏體組織。現階段的鋼材比較難以達標。一個“適量”引出了一系列問題。淬火后馬氏體的粗細可按JB/T 9211-2008《中碳鋼與中碳合金結構鋼馬氏體等級》進行評定。由于奧氏體化溫度不同,馬氏體形態和大小不一樣。1級屬于奧氏體化溫度偏低,淬火組織是隱針馬氏體、細針馬氏體和不大于5%的鐵素體(體積分數);而8級則屬于過熱組織,是粗大的板條馬氏體+粗片針馬氏體。正常淬火時控制在3級~5級,其組織為細小的板條馬氏體+片狀馬氏體,6級具有較高的沖擊韌性、屈服強度和抗拉強度,適用于較大規格且要求淬透性高的螺栓。這里面缺乏量化指標。

  目前,對緊固件常用鋼材淬透性獲得約90%的馬氏體的影響機理缺乏系統的研究,對機械性能尤其是沖擊韌性的影響在微觀尺寸上尚沒有必要的理論支撐,國內此方面的研究報道不多,也不易定義出“適量”的多少。

  為此,應深入系統開展有關馬氏體含量的研究。根據緊固件實際服役或接近實際服役的條件下,研究馬氏體含量的對機械性能(尤其是低溫沖擊、包括 尺寸穩定性)影響的機理的研究,對大規格螺栓提出合適的馬氏體含量的要求。

  2、 開展有關貝氏體淬火的研究

  對于一些彈性墊圈類的緊固件產品,為了防止氫致延遲斷裂,貝氏體淬火有其優勢。如何進一步提高彈性,如何提高強韌性、接觸疲勞性能。建議同時開發新的鋼種和貝氏體等溫淬火技術,細化貝氏體組織,在保證高韌性的同時,顯著提高彈性、耐磨性和抗疲勞、抗氫脆性能。開展貝氏體等溫淬火介質與相關技術研究。一方面開發控制鹽浴含水量的技術,保證鹽浴的冷卻性能;二是尋求替代介質和技術,減少環境污染,如用無毒鹽浴代替硝鹽,或采用其他冷卻方式代替鹽浴。

  3、開展精密熱處理技術的研究

  目前的緊固件制造技術已由形狀制造向功能緊固件制造的方向發展。對于緊固件制造,精密熱處理有兩方面的含義:一是根據需要,通過常規熱處理或表面工程技術(如滾壓強化),在螺栓不同部位或截面得到需要成分組織和性能;二是精確控制(如細長桿螺栓)熱處理后的尺寸和形狀,達到少無變形、減小校直工序和磨削加工目的。

  2017年6月29日(周四)上午9點至12點,下午2點至5點;6月30日(周五)上午9點至12點,一場“緊固件常用材料與熱處理工藝”頭腦風暴開講。主要內容包括:

  1、緊固件常用材料與工藝的關系

  1)GB/T3077-2015《合金結構鋼技術條件》
  2)GB/T 699-2016《優質碳素結構鋼》
  3)GB/T6478-2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》

  國內冷鐓鋼實際使用較多的國外標準有JIS G3507-1、JIS G3508-1、JIS G4053、ISO 4954、ASTM A29等標準。主要國標結合宣講此類國外標準中的牌號。

  2、材料與熱處理工藝的關系

  ①多次調質對42CrMo鋼螺栓組織和力學性能的影響
  ②高強度螺栓低溫沖擊性能的研究
  ③關于M42以上大規格螺栓用鋼力學性能問題
  ④回火工藝對緊固件的關系
  ⑤高強度螺栓調質的金相檢驗
  ⑥中低碳鋼的淬火溫度選擇
  ⑦熱處理工藝基礎知識
  ⑧網帶爐碳勢控制系統知識
  ⑨網帶爐保護氣氛知識
  ⑩網帶爐淬火冷卻專業知識
  ⑾緊固件發黑與防腐
  ⑿氫脆失效模式防治常用原則及方法
  ⒀螺栓連接疲勞失效及預防措施論析
  ⒁網帶爐表面氧化脫碳原因及預防措施
  ⒂盤條或直料球化退火工藝的優化
  ⒃氫脆失效斷裂案例分析
  ⒄緊固件調質金相組織圖

  總之,開發緊固件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。欲實現我國由緊固件制造大國向制造強國轉變的夢想在熱處理理論和工藝裝備方面尚有大量工作需進行系統、深入的研究和開發。

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  (來源:金蜘蛛緊固件網,作者:金蜘蛛顧問專家張先鳴)

2017/6/6 16:37:00

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