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(美制)緊固件行業——高強度螺栓的核心是熱處理

發表時間:2017-5-12 9:35:29瀏覽量:來源:

   長期以來,我國高強度(美制)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(美制)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,熱處理是高強度螺栓的核心。

      對于出現頻度越來越高的“工業4.0”和“第三次工業革命”的議論,我們必須考慮(美制)緊固件的未來,思考緊固件在第三次工業革命中的作用。未來10年是我國緊固件業轉型升級,從“制造大國”走向“制造強國”的關鍵時期。我國制造業的勞動力的紅利時代即將結束,很多發展中國家已接納了緊固件轉移的制造,對我國緊固件行業形成了新的挑戰,緊固件行業加快轉變經濟發展方式成為當務之急。

高強度螺栓的主要失效模式是疲勞

      疲勞是一種在循環應力和應變的重復作用下,螺栓一處或幾處發生開裂或斷裂的失效形式。疲勞是一個機械損傷累積、延時失效的過程。疲勞包括裂紋萌生和裂紋擴展兩個過程,在低于材料的屈服強度下發生,在無明顯變形下突然失效。所以,與其它失效形式相比,疲勞是一類最危險的失效形式。

      通常,車輛上的連接螺栓為拉-拉疲勞失效。例如,風力發電機組服役環境復雜而惡劣,既承受動載荷沖擊又承受腐蝕環境,所用連接螺栓疲勞斷裂高達85%,高強度螺栓的主要失效模式是疲勞。

高強度螺栓“三大問題”源自應力集中敏感

      高強度(美制)螺栓普遍選用高強度低合金鋼、超高強度鋼和高溫合金制造。隨著高端機械裝備發展,高強度螺栓用的合金強度還會不斷提高。高強度材料具有高疲勞強度,其重量輕、體積小、長壽命、高可靠。但高強度材料的突出弱點是疲勞強度對應力集中度敏感。

      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。

高強度螺栓制造的機遇與挑戰

      高端機械裝備給高強度螺栓制造帶來前所未有的發展機遇。不解決“三大問題”便很難達到預期目標,更難說達到國際先進水平。解決“三大問題”需要解決三個層次的問題:一是自主知識產權;二是經濟可承受性;三是長壽命、高可靠性、結構減重技術。

      首先,要轉變觀念,要認清時空,我國要發展高端機械制造,掌握關鍵技術和提升核心競爭力,摒棄那些變換華麗辭藻的忽悠,甘當發達國家技術的二傳手、市場換技術等錯誤觀念,從以往“引進、仿制-落后,再引進、仿制…”,粘貼、復制、山寨版產品中解放出來,加快發展緊固件熱處理刻不容緩。

      其次,要充分認識解決“三大問題”,實現高強度螺栓長壽命、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。

熱處理賦予緊固件材料極限性能

      加快熱處理發展應成為我國的國家戰略。在國際環境發生重大變化的形勢下,從我國熱處理的現狀和存在的問題出發,加快發展緊固件熱處理的必要性、緊迫性和重要性,已異常突出地提到我們面前。

      “熱處理”是采用加熱與冷卻方法控制相變,微觀結構、殘余應力場,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?梢钥吹,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。

      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。切削加工可以制出各種精密、美觀的高精度螺栓,極為露眼。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。為此,盡管熱處理在高強度螺栓的經濟可承受性鏈條中高出其它技術價值很多倍,但卻不被重視。盡管熱處理賦予材料極限性能,賦予高強度螺栓極限服役性能,但被邊緣化、附屬化了。在形式主義、急功近利的踐踏下,熱處理這一材料、高強度螺栓、高端機械裝備的核心技術,被排斥在國家科學技術發展規劃關鍵技術之外,得不到重點研究支持;且專業教育蛻化、專業人員的流失、匱乏,技術落后再落后,與國外先進水平的差距拉大再拉大。毫不夸張地說,熱處理被邊緣化、附屬化,是我國高端機械裝備、高強度螺栓“三大問題”的重要原因,也是我國緊固件處于中低端制造和競爭弱勢的重要原因。

熱處理技術促進高強度螺栓的發展

      先進制造技術是先進高強度螺栓發展的技 術支撐,熱處理技術是先進制造技術的重要組成部分,對高強度螺栓、高端機械裝備的發展有著十分重要的作用。眾所周知,沒有“成分”不成為材料,沒有“熱處理”同樣不成為材料。但傳統習慣中常常認識了“成分”的重要性,卻不認識熱處理的重要作用和地位。

      熱處理與材料強國直接相關,沒有熱處理創新就沒有材料強國。我國熱處理技術落后已經制約了材料強國的發展,材料熱處理技術具有原創性。殊不知對熱處理的不重視,缺少創新制約了先進材料的創新發展,沒有熱處理創新,就沒有先進材料。

      面對“工業4.0”和“第三次工業革命”,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,未來10年我國緊固件的發展,應選擇對緊固件行業發展起著基礎性、突破性作用的工序作為重點加快發展,重視集成創新是提高緊固件企業核心能力的關鍵,熱處理發展將更加呈現個性化。

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