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    熱處理——我國制造業發展的瓶頸

      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。

      僅從這些事例就可以反映出:熱處理的技術進步對產品創新有重要的推動作用。

      鑒于上述特點,欲提高熱處理的技術水平首先應開展熱處理工藝參數對材料組織性能影響規律的系統研究,其次研究工作不能只停留在用試樣研究的層面上。熱處理工藝研究需要和產品的臺架試驗、裝機試驗及失效分析相結合,經過不斷摸索與改進,才能收到大幅度提高壽命的效果,例如:圖3所示卡車活塞銷冷擠壓凸模,承受約2000MPa單位壓力,需要有很高的抗壓屈服強度,而且其形狀細長易折斷,又要求有足夠的韌性,擠壓過程中被擠壓金屬對韌帶強烈摩擦,因此需要很高的耐磨性和一定的熱穩定性。選用W6Mo5Cr4V2高速鋼制造。起先選用手冊中給出的標準熱處理規范進行處理,使用壽命低于400件。失效方式是凸模施壓過程中折斷。為了提高材料的韌性將淬火溫度由1225℃降低至1190℃,收到顯著效果,壽命提高到2500件左右。進一步降低淬火溫度雖然可使韌性進一步提高,然而使用壽命反而回落。對凸模的工作狀況和失效方式進行仔細分析后發現,在低溫范圍內加熱淬火的沖頭,刃帶被逐漸拉毛,脫模時阻力愈來愈大,在脫模過程中由于沖擊拉伸應力的作用導致斷裂。針對這種具體情況采用1190℃淬火560℃回火4次,然后進行氣體氮碳共滲處理。表面層(約 0.02mm)的硬度提高到1000HV以上,而整體上保持高強度和高韌性,使用壽命提高到1萬件以上。

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