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40CrNiMo熱處理——我國制造業發展的瓶頸
  • 來源:公司 時間:2012/4/12 8:56:31
制造業制造業是我國國民經濟的支柱。改革開放以來我國裝備制造業以平均每年17%的速率快速增長,目前我國裝備制造業的增加值僅次于美、日、德,居世界第四,已成為制造業大國, 但應清醒地看到我國還不是制造業強國, 在國際制造業中處于低端地位,與國際先進水平存在巨大差距。其中一個突出的問題是我國制造業的產品因質量低、壽命短、可靠性差而缺乏競爭力,只能制造低品位、低附加值的產品,只能依靠產能的擴大實現增長。國防工業和許多重要工業部門所需的重要工藝裝備以及核心零部件依賴進口的局面長期未能改觀,嚴重威脅我國國防安全和經濟安全。
我國熱處理(含表面改性,下同)技術的落后是造成這種狀況的主要原因之一。已成為制約我國制造業發展的瓶頸,應引起高度重視。本文擬就熱處理與表面改性技術的特點、作用、我國在此領域與國際發達國家的差距和發展出路等問題,提出一些粗淺的看法,期望引起討論并得到讀者的批評指正。
1 熱處理與表面改性技術的特點
材料的性能并不單純取決于材料的種類和成分,通過熱處理和表面改性改變材料內部的組織,將大幅度改變材料性能。例如:高速鋼在退火狀態硬度不高于280HB并有相當好的塑性和韌性,在經過淬火回火之后則有很高的硬度、紅硬性和耐磨性。由于溶入基體中的合金元素的含量以及奧氏體的晶粒度都和淬火溫度有關,其趨勢是硬度、紅硬性隨淬火溫度提高而提高,韌性則隨之下降,強度則是先升后降(圖1)。利用這種規律,可以根據不同刀具和模具的使用特點選擇各自最佳的淬火溫度(表1),車刀具的刃部和刀柄都比較厚實,對強度要求不高,承受沖擊載荷較輕, 可以采用接近于熔點的淬火溫度,使盡可能多的合金元素和碳溶入奧氏體中,從而提高紅硬性和耐磨性。鉆頭鉆孔時刃口不易冷卻,希望盡可能提高其紅硬性,但為防止扭斷,鉆頭需要有較高強度,因此其淬火溫度略低于車刀。銑刀和模具的使用特點選擇各自最佳的淬火溫度(表1),車刀具的刃部和刀柄都比較厚實,對強度要求不高,承受沖擊載荷較輕, 可以采用接近于熔點的淬火溫度,使盡可能多的合金元素和碳溶入奧氏體中,從而提高紅硬性和耐磨性。鉆頭鉆孔時刃口不易冷卻,希望盡可能提高其紅硬性,但為防止扭斷,鉆頭需要有較高強度,因此其淬火溫度略低于車刀。銑刀和絞刀的刃
a)硬度與淬火溫度回火溫度的關系;b)抗彎強度及擾度與淬火回火溫度的關系;c)抗彎試驗吸收能量及塑性彎曲與淬火回火的關系
圖1 高速鋼的性能與熱處理工藝的關系[1]
表1 W6Mo5Cr4V2鋼的淬火回火溫度
工件類型 淬火溫度(℃) 回火溫度(℃)
車刀 1250~1260※1 560
鉆頭及簡單形狀,連續切削刀具 1240 560
形狀復雜刀具 1230 560
高強薄刃刀具,小鉆頭 1200~1220※2 560
冷擠壓凸模 1190 560
冷鐓模 1150~1190※2 560~580※2
細長沖模及要求高韌性的工件 1100~1130※2 200
※1不同產地和不同批次的原材料熔點略有不同,車刀淬火溫度可適當調整 ※2視不同工件具體情況在此范圍調整
口較薄,為了避免崩刃,要求有足夠的韌性,應適當降低淬火溫度,小鉆頭使用時主要損壞方式是扭斷或折斷,為保證較高強度宜進一步降低淬火加熱溫度。冷擠壓模具承受很高的應力,而對紅硬性要求不高,所以選擇出現強度峰值的淬火加熱溫度,而對于一些細長的或形狀復雜,受較大沖擊載荷的冷沖模,則應選擇更低的淬火溫度。表1說明用同一種鋼制造的刀具或模具,應根據使用情況和失效的方式選擇不同的淬火溫度,其變化的范圍達到150℃。但對于一個具體的工件而言,只允許±5℃的偏差。
結構鋼和低合金工具鋼也有類似的情況,預先熱處理組織、淬火加熱溫度、冷卻方式、回火溫度都對鋼的性能有明顯的影響,它們之間的不同組合可以使材料獲得不同的綜合性能。結構鋼的強度、硬度、韌性、塑性和彈性極限都隨著淬火后的回火溫度而變化,對于要求具有高塑性、高韌性特別是低的缺口敏感性的工件通常選用高溫回火(調質處理),而要求高強度和較高硬度的工件選用200℃左右的低溫回火,例如30CrMnSi,40CrNiMo淬火后200℃回火抗拉強度可高達1600~1800MPa,比調質提高1倍左右。各類彈簧等彈性元件通常選用呈現彈性極限峰值的中溫回火。此外等溫淬火、二相區加熱淬火和形變熱處理等工藝都可以使結構鋼獲得良好強韌性。至于各種化學熱處理和表面涂覆技術則可以通過調整工藝參數改變滲層表面的濃度和滲層深度以及控制濃度梯度和性能梯度,以適應不同工件的不同的服役條件對工件整體綜合性能的要求,例如不同零件的滲碳處理,應該有不同技術要求,才能獲得良好的使用性能(表2),石油鉆井的牙輪鉆,滲碳層表面濃度由0.9~1.0%C降低到0.7~0.8 %C,并使濃度分布曲線呈平臺狀,使用壽命由27小時提高到52小時,收到一個鉆井隊抵二個鉆井對的效果,又例如用離子注入的方法進行表面改性處理可以在不改變整體的強度、韌性的同時,大幅度提高耐磨性、降低摩擦系數、提高抗蝕性,應用于航天器上各種傳動機構中的軸承和各種摩擦件、飛機上的液壓馬達中的耐磨零件、以及石油工業泥漿泵的套筒等均取得良好的效果。在有些情況下針對工件的特點采用一些看似“非正規”的熱處理工藝,能收到出奇效果:3Cr2W8熱模鋼的淬火溫度范圍一般為1050~1120℃,但鍋爐鋼管熱擠壓模,在模具型腔中相當于鋼管散熱筋二側的位置,承受很大的應力,容易在熱態下屈服而使模具失效。經過試驗將淬火溫度提高到1170~1180℃,淬火冷卻時水冷至~650℃,然后轉入低溫鹽浴中冷卻,模具壽命提高幾倍;水稻收割機刀片,用高濃度碳氮共滲處理;表面層出現大量碳化物和殘余奧氏體,按常規的檢驗標準被視為不合格,但因具有很高的耐磨性和良好的抗蝕性,水稻收割機刀片的使用壽命比常規滲碳處理高數倍。
表2 不同工件的滲碳技術要求
零件種類 表面含碳量(%) 有效硬化深度(mm) 濃度分布曲線形狀
石油鉆井機牙輪鉆M6齒輪M4齒輪高強度預應力鋼筋錨夾片大馬力柴油機凸輪軸 0.7~0.80.75~0.850.75~0.850.9~1.01.25~1.3 .0~2.41.0~1.40.7~0.90.6~0.71.6~1.8 平臺狀平臺狀平臺狀連續下降平穩下降粗略回顧上述早為人們熟知的事實,只是說明一種易被忽視的觀點:最優化的熱處理工藝不可能是千篇一律的,同種材料的各項性能都會因熱處理方法及其工藝參數的不同而改變,各項性能指標又常常此消彼長。選擇合適的熱處理工藝參數、獲得與工件的使用狀況和失效方式相適應的最佳綜合性能,才有可能制造出高質量的產品,這就是熱處理與表面改性技術的特點、難點和魅力之所在,充滿讓人發揮主觀能動性的空間和余地。
歷史已證明:改進熱處理技術,更充分發揮材料的潛力,往往是產品更新換代的催化劑。調質處理即淬火后高溫回火后的屈服強度大約在600~900 MPa之間,無論是強度和韌性都顯著優于正火處理,因而成為結構鋼常用的熱處理工藝,在二次大戰期間前蘇聯的研究人員發現30CrMnSi淬火和低溫回火,或等溫淬火后,屈服強度達到1500 MPa,并保持足夠的韌性。用于制造飛機起落架。中、低碳結構鋼淬火低溫回火處理還應用于火炮防彈護板等軍工產品,隨后各國開發一系列以淬火和低溫回火處理為特征的“超高強度鋼”促進了不少重要產品的更新換代,例如:大功率燃氣輪機的液壓耦合器的轉子,傳遞著幾萬以至幾十萬千瓦的功率,轉速達每分鐘2萬轉以上,原設計為SEA4340鋼調質處理,屈服強度為800MPa,后來采用淬火、低溫回火處理,屈服強度達到1800MPa,使整個耦合的重量減少到原來的1/4。這對于提高艦艇的性能是很有利的。
表面改性技術對高端產品的研發同樣有重要作用,眾所周知,燃氣的熱效率隨著燃氣溫度的升高而提高,然而高溫合金的耐熱溫度限制了燃燒室溫度的提高。在國外,由于研究成功在耐熱合金表面沉積含蜂窩狀ZrO2復合涂層,起著隔熱作用,使耐熱合金葉片的溫度比燃氣溫度低150℃以上,從而研制出燃燒室溫度更高的燃氣輪機,促成航空發動機的更新換代。
即使是一般的機械制造行業,熱處理與表面改性的技術進步同樣對產品的創新有重要意義,例如生產標準件的冷鐓機的生產率現在已達600件/min,相比于二十幾年前60件/ min提高了10倍。標準件行業面貌大為改觀。其實冷鐓機并不復雜,在當年設計制造600件/ min的冷鐓機亦非難事,問題在于那個小小的六角沖頭,它當時壽命低于2萬件,在這種情況下,提高冷鐓機的速度毫無意義。因為標準件是一種批量極大的產品,通常要求每個沖頭壽命都要超過一個班,否則很難進行生產管理。上世紀80年代初通過熱處理工藝的改進,使沖頭的壽命提高到5萬件以上,才有100件/ min的冷鐓機面世.及至90年代用氣相沉積氮化鈦的方法進行六角沖頭的表面改性處理,使其壽命提高到35萬件以上。成為高速冷鐓機的催生劑。
圖2是一種特種變速箱的薄壁齒圈,其特點是可以顯著減小變速箱的體積和重量,但是用常規的齒輪熱處理方法制造遇到很大的難題,滲碳淬火或感應加熱淬火都難以控制熱處理畸變,而常規的滲氮處理不能滿足該齒輪對接觸疲勞強度的要求,只有應用動態可控滲氮工藝,使接觸疲勞強度由1400MPa提高到1700MPa,并且研究成功控制薄壁齒圈滲氮畸變的方法,才使特種變速箱試制成功。

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