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        熱處理——我國制造業發展的瓶頸

          潘 健 生  (上海交通大學材料科學與工程學院)

         

          摘 要:本文擬就熱處理與表面改性技術的特點、作用、國內外差距和出路等問題,提出一些粗淺的看法,期望引起討論和得到讀者的批評指正。

         

          關鍵詞:熱處理 表面改性 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。銑刀和絞刀的刃口較薄,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。

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