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谈谈紧固件热处理的技术发展——“紧固件常用材料与热处理工艺”头脑风暴6月29日开讲

  核心提示:开发紧固件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。

jzz

  近10年来,我国紧固件行业生产技术的总体水平已迈入现代制造业的新阶段。目前,正在实现结构调整、转型升级,从粗放型到精细化的过程,也是一个从技艺到科学的成长和完善过程。其主要症结在于传统的生产技术理念不能适应通过不断创新变革提质增效的现代工业文明发展需要的矛盾,有必要在对紧固件的生产重新检视的基础上,尤前是对热处理的技术发展明确重点工作。

  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。

  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。为此,对紧固件行业形成了挑战,紧固件行业加快转变经济发展方式成为当务之急。

  大量的高强度螺栓疲劳失效分析结果表明,80%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。

  加快发展紧固件热处理刻不容缓,要充分认识解决高强度螺栓“三大问题”,实现紧固件长寿命、高可靠、结构减重是一场革命:①从高强度螺栓“成形”制造转变为抗疲劳制造的技术革命;②从解决“有无”转变为关键高强度螺栓支持高端机械制造可持续发展的理念革命;③从指标最终检验转变为过程控制的管理革命;④从低技术、被动转变为高技术、主动的从业人员素质革命;⑤从廉价劳动力、滥用环境和资源转变为高附加值、人性化、低排放、绿色环保的环境革命等。

  “热处理”是采用加热与冷却方法控制相变,赋予材料极限性能和高强度螺栓极限服役性能的技术。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。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,赋予高强度螺栓极限服役性能的仅有的两种技术之一。

  紧固件热处理与制坯技术、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。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。虽然热处理赋予材料极限性能,赋予高强度螺栓极限服役性能,但却不被重视。热处理这一材料、高强度螺栓的核心技术,被排斥在发展规划关键技术之外,得不到重点研究支持。毫不夸张地说,热处理被边缘化、附属化,是我国紧固件处于中低端制造和竞争弱势的重要原因。

  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。热处理工艺在紧固件制造中,对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。

  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。除了整机系统设计因素外,材料及热处理技术不过硬是重要因素。紧固件热处理应不是简单的承接加工服务,热处理首先要关注其材料的冶金质量、包括含氧量、夹杂物和带状组织等,保证细晶粒的均匀的原始组织,确定合金成分与淬透性带宽的关系以及碳化物的细化和韧性等的关系。

  对于重要紧固件的材料应进行确认性检验,对供方提供的检验文件如合格证、质保书及检测报告进行确认。对材料定期确认检验主要是验证其材质的各项性能是否符合相关的材料标准和紧固件热处理的技术条件要求。热处理前紧固件的质量状况,包括前处理和晶粒度,都必须对照相应标准。热处理工艺本身,同样包括两个层面的工作,一是热处理工艺创新,包括最适工艺的研究,含预先热处理(退火)的设计、加热和冷却工序的设计等,二是热处理工艺的优化,即最佳工艺。

  标准引领质量提升,近年来,全国紧固件标准化技术委员会确定了加快重点标准的制修订,提高了标准的先进性,至今为止,紧固件基础、螺栓、螺母系列标准约400项全部更新,这些标准为机械装备的质量的保证起到了重要作用。但标准化存在的主要问题突出在紧固件企业的标准化意识、标准的实施和标准的水平等方面。需要在重点工作上下功夫。

  1.开展有关马氏体含量的研究

  在GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》强调对8.8级及以上产品的材料要求应有足够的淬透性,以确保螺栓螺纹截面的芯部在淬硬状态、回火前获得约90%的马氏体。为保证良好的淬透性,对于8.8级、螺纹直径超过20 mm的螺栓需采用标准规定的合金钢材料淬火并回火。

  生产实践表明,淬火后马氏体的含量对螺栓的接触疲劳寿命及韧性有密切关联,高强度螺栓正常淬火后得到的组织应是板条状马氏体和针片状马氏体。过多的非马氏体组织会导致强度、硬度下降,则对疲劳寿命及韧性产生不利的影响。淬火加热温度过低,或保温不足,奥氏体未均匀化,导致淬火后的组织为马氏体和未溶铁素体,铁素体即使回火也不能消除。

  对于M64以上规格的大螺栓,要完全达到约90%的马氏体组织。现阶段的钢材比较难以达标。一个“适量”引出了一系列问题。淬火后马氏体的粗细可按JB/T 9211-2008《中碳钢与中碳合金结构钢马氏体等级》进行评定。由于奥氏体化温度不同,马氏体形态和大小不一样。1级属于奥氏体化温度偏低,淬火组织是隐针马氏体、细针马氏体和不大于5%的铁素体(体积分数);而8级则属于过热组织,是粗大的板条马氏体+粗片针马氏体。正常淬火时控制在3级~5级,其组织为细小的板条马氏体+片状马氏体,6级具有较高的冲击韧性、屈服强度和抗拉强度,适用于较大规格且要求淬透性高的螺栓。这里面缺乏量化指标。

  目前,对紧固件常用钢材淬透性获得约90%的马氏体的影响机理缺乏系统的研究,对机械性能尤其是冲击韧性的影响在微观尺寸上尚没有必要的理论支撑,国内此方面的研究报道不多,也不易定义出“适量”的多少。

  为此,应深入系统开展有关马氏体含量的研究。根据紧固件实际服役或接近实际服役的条件下,研究马氏体含量的对机械性能(尤其是低温冲击、包括 尺寸稳定性)影响的机理的研究,对大规格螺栓提出合适的马氏体含量的要求。

  2、 开展有关贝氏体淬火的研究

  对于一些弹性垫圈类的紧固件产品,为了防止氢致延迟断裂,贝氏体淬火有其优势。如何进一步提高弹性,如何提高强韧性、接触疲劳性能。建议同时开发新的钢种和贝氏体等温淬火技术,细化贝氏体组织,在保证高韧性的同时,显著提高弹性、耐磨性和抗疲劳、抗氢脆性能。开展贝氏体等温淬火介质与相关技术研究。一方面开发控制盐浴含水量的技术,保证盐浴的冷却性能;二是寻求替代介质和技术,减少环境污染,如用无毒盐浴代替硝盐,或采用其他冷却方式代替盐浴。

  3、开展精密热处理技术的研究

  目前的紧固件制造技术已由形状制造向功能紧固件制造的方向发展。对于紧固件制造,精密热处理有两方面的含义:一是根据需要,通过常规热处理或表面工程技术(如滚压强化),在螺栓不同部位或截面得到需要成分组织和性能;二是精确控制(如细长杆螺栓)热处理后的尺寸和形状,达到少无变形、减小校直工序和磨削加工目的。

  2017年6月29日(周四)上午9点至12点,下午2点至5点;6月30日(周五)上午9点至12点,一场“紧固件常用材料与热处理工艺”头脑风暴开讲。主要内容包括:

  1、紧固件常用材料与工艺的关系

  1)GB/T3077-2015《合金结构钢技术条件》
  2)GB/T 699-2016《优质碳素结构钢》
  3)GB/T6478-2015《冷镦和冷挤压用钢》

  国内冷镦钢实际使用较多的国外标准有JIS G3507-1、JIS G3508-1、JIS G4053、ISO 4954、ASTM A29等标准。主要国标结合宣讲此类国外标准中的牌号。

  2、材料与热处理工艺的关系

  ①多次调质对42CrMo钢螺栓组织和力学性能的影响
  ②高强度螺栓低温冲击性能的研究
  ③关于M42以上大规格螺栓用钢力学性能问题
  ④回火工艺对紧固件的关系
  ⑤高强度螺栓调质的金相检验
  ⑥中低碳钢的淬火温度选择
  ⑦热处理工艺基础知识
  ⑧网带炉碳势控制系统知识
  ⑨网带炉保护气氛知识
  ⑩网带炉淬火冷却专业知识
  ⑾紧固件发黑与防腐
  ⑿氢脆失效模式防治常用原则及方法
  ⒀螺栓连接疲劳失效及预防措施论析
  ⒁网带炉表面氧化脱碳原因及预防措施
  ⒂盘条或直料球化退火工艺的优化
  ⒃氢脆失效断裂案例分析
  ⒄紧固件调质金相组织图

  总之,开发紧固件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。欲实现我国由紧固件制造大国向制造强国转变的梦想在热处理理论和工艺装备方面尚有大量工作需进行系统、深入的研究和开发。

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  (来源:金蜘蛛紧固件网,作者:金蜘蛛顾问专家张先鸣)

2017/6/6 16:37:00

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