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        熱處理--我國制造業發展的瓶頸
         
        發布時間:2011.05.09 新聞來源:www.aetosz.com 瀏覽次數:
         
        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。 
        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。 
        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。 
        再則考慮到熱處理工藝參數對材料性能的影響相當敏感,為了保證質量的重現性和一致性必須研究開發先進的熱處理工藝裝備和精密可靠性的熱處理過程控制技術、設計合理的工裝夾具、規定和嚴格執行合理的裝爐方式和操作方法。所以提高熱處理質量及其重現性是一個系統工程。在這一領域中不同國家和不同企業之間存在很大差距,也就不足為奇了。 
        2 熱處理技術落后已成為我國制造業發展的瓶頸 
        在發達國家中,凡是擁有著名品牌的機械產品的廠商都高度重視熱處理技術研發,通過大量的投入,持續的改進和長期的積累,形成各自獨有的技術,并作為市場競爭力的要素而嚴加保密。人們可以購得名牌產品,通過測繪和解剖分析,仿制出外型和成分與之完全相同的產品,但使用壽命和可靠性常常相差甚遠。正是在這一關鍵性的環節上我國與發達國家存在很大的差距。 
        長期以來我國制造業存在著重產品、輕毛坯,而在毛坯制造中則重控形、輕控性,重產能輕質量等傾向。發展規劃和技改資金過分傾向于購置精密加工設備而很少顧及材料制造、特別是控性與改性技術的研發,其后果常常由于產品的使用壽命低和可靠性差而在市場競爭中處于劣勢,只能陷入在慘烈價格戰中掙扎的困境。 
        熱處理在制造業中的作用未受重視,熱處理的產值按斤論價,其中的知識含量的價值被嚴重扭曲。被視為一個“產值很小的產業”而處于邊緣化。以致我國熱處理嚴重落后于國際先進水平,主要表現在: 
        2.1 產品的使用壽命低、可靠性差 
        由于熱處理技術落后,我國許多機械產品的使用壽命、可靠性和質量重現性都遠遠低于國外先進水平,國防工業中的一些關鍵零部件和重大工藝裝備中的關鍵零部件不得不依賴進口,或者是只能引進國外的成形及熱處理設備制造中國的飛機、坦克、汽車,處處受制于人。例如:上海引進德國技術生產的汽車變速箱的一個齒輪,德方規定必須用歐洲的設備進行滲氮處理,設備報價一千多萬人民幣,相當于該齒輪熱處理年產值二十余倍,而且消耗性的輔助材料也必須高價進口。這種狀況使“中國制造”所創造的利潤絕大部分落入洋人口袋中。 
        至于量大面廣的民用工業產品,雖然國內亦能制造,但因壽命短、故障率高而缺乏競爭力,近年注塑機械需求增長很快,國產的注塑機的壽命只及國外同類產品的幾分之一,售價也就只及進口注塑機的1/8左右。國內企業生產的標準件冷鐓機沖模因使用使命只有臺灣或日本產品的幾分之一而慘遭市場淘汰。汽車尾氣凈化器蜂窩板粉末成型模國外可壓制蜂窩板2000m,而國內仿制的模具只能壓制150m,難以立足市場。國產重載變速箱即使設計比較保守,自重較大,但斷齒,斷軸而導致重大的機械運行事故仍時有所聞。國產的某種型號螺旋泵,是仿制進口的產品,由于熱處理工藝不當經常發生芯軸早期斷裂的故障。難與國外同類產品的故障率為百分之一的水平相比。 
        2.2 熱處理畸變控制水平低 
        我國熱處理畸變控制水平低也是一個突出的問題:例如我國重載變速箱齒輪滲碳熱處理留磨量是世界先進水平的三倍,不僅大幅度提高了制造成本,而且磨削后滲碳層深度的偏差增大,對使用可靠性有不良影響。我國毛坯制造的控形精度低,切削加工余量偏大,大量優質鋼材變成鐵屑,造成了資源的嚴重浪費。 
        2.3 材料制造裝備的設計制造嚴重落后 
        我國材料制造與國際先進水平的差距還突出表現在材料制造裝備的設計制造嚴重落后,高端的熱處理和表面改性工藝裝備依賴性進口,重復引進,落后——引進——再落后——再引進的現象相當嚴重,航空、軍工、和高檔汽車生產所需的真空滲碳高壓氣淬設備,國內無法制造,全部依賴進口,這類設備的售價是傳統意義上的“制造成本”的十幾倍以至幾十倍,現代先進的材料制造工藝裝備是先進材料制造技術的載體,其價格取決于其中知識的含量、高新技術集成度、以及技術的獨占性與知識產權等因素,然而我國熱處理設備制造廠雖然多達數千家,但是只能制造相當于國外幾十年以前水平的產品,在慘烈的價格戰中苦苦掙扎,不久前國內一些航空和軍工單位公開招標采購滲氮設備,國內廠商的報價只有國外的幾十分之一,卻無一能中標,這一事例表明目前我國材料制造工藝裝備制造業缺乏創新能力,無力滿足用戶的需求,自身也難以可持續發展,前景甚憂。 
        我國材料制造控制性技術的落后,不但不能適應當前的生產和市場競爭的需要,而且制約我國制造業整體創新能力的提高。飛機、汽車、各種交通工具以及各類機械設備的輕量化,工模具、零部件的壽命,高速火炮的射擊頻率,潛艇的極限下潛深度,燃氣輪機的燃氣允許溫度等等無不與材料潛力的發揮有關,不掌握具有自主知識產權的先進的材料制造技術,就不可能設計制造出先進的產品。例如:汽車發動機和變速箱中絕大多數的零部件都需要經過熱處理或表面改性,目前我國生產的各種牌號的發動機和變速箱絕大多數都是國外品牌,沒有自主的核心技術,只能按照國外的技術和標準進行生產,近年來國內自行研發了數款自主品牌的汽車變速箱,是可喜的進步。但是基本上屬于仿制,尤其是關鍵零部件材料的性能指標和控性的技術要求,只能簡單的模仿國外的產品,存在很大的盲目性,影響了產品質量,更重要的是:如果缺乏具有自主知識產權的材料控性核心技術的支撐,勢必制約我國自主品牌產品設計的創新能力,陷入“落后——仿制——再落后——再仿制”的路徑依賴的惡性循環,無法使我國制造業擺脫被置于全球化制造鏈低端的困境。 
        3 發展數字化的熱處理智能技術 
        熱處理過程十分復雜,在不同的外場(熱、力、電、磁、光等)和環境的作用下,材料發生相變、應力、應變和化學反應等變化,對這些復雜現象中的客觀規律認識的深化,是提高熱處理質量的基礎。電子計算機的發展,為人們提供了強大的科學計算和信息處理的能力,從而有可能集成不同學科的知識,用多場耦合的方法建立描述材料熱處理過程中各種復雜現象及其相互作用的物理數學模型和計算機模擬方法,構成熱處理的虛擬生產平臺。將有可能使熱處理技術由傳統的“技藝”型的落后狀態向著以科學計算為依據的高度知識密集型技術的方向轉化。 熱處理過程的計算機模擬近年來發展迅速,并已顯示出提升熱處理水平的巨大潛力[2,4]。但也應指出,熱處理計算機模擬技術還很不成熟,還有一系列基礎研究有待進行,例如氣—固表面換熱和液—固表面換熱的測試計算方法、非等溫非等速條件下相變動力學的定量計算、多場耦合的算法,復雜非線性問題的算法、界面反應的物質傳遞、等等都屬于高難度的有待長期深入研究的課題。計算機模擬結果的驗證和數學模型的修正都是工作量浩大的基礎工作。 
        由于熱處理過程的復雜性,還有許多基本原理尚待進一步深入研究,以致熱處理中有很多問題還不可能建立物理數學模型。這就有必要用“基于知識的工程(KBE)”的方法[3],從大量的生產記錄、測試數據、案例和工程技術人員的經驗中挖掘隱性的知識,用以改進熱處理技術和開發新的技術。 
        計算機模擬和KBE技術是發展知識密集型熱處理技術的二大支柱,是開發數字化熱處理智能技術制造的基礎。 
        另一個值得重視的問題是不應將熱處理數字化、信息化的作用局限于熱處理生產環節。目前,熱處理是制造業信息化中最薄弱的環節,成為制造業全生命周期信息集成的瓶頸。熱處理技術的研發與產品設計脫節,熱處理工藝的制訂甚至熱處理技術指標都有很大盲目性,是造成產品肥頭大耳或可靠性差的原因之一。信息化、數字化的熱處理智能技術的發展有可能克服上述弊端。將產品計算機輔助設計、選材與熱處理計算機模擬以及產品可靠性評估相結合,構成產品創新設計平臺(圖5),實現重量輕、體積小而又高度可靠的產品設計?梢灶A期熱處理數學模型和計算機擬技術將在先進制造技術中發揮發揮越來越重要的作用。 
        4 結論 
        熱處理在現代化工業中的作用可謂四兩撥千斤——其本身產值只占制造業的百分之幾,而其水平高低則可能使整機的附加值相差幾倍至幾十倍。 
        我國熱處理的落后狀態嚴重影響我國制造業的競爭力。熱處理是當前我國制造業發展中的最薄落的環節。 
        熱處理信息化使熱處理由技藝型技術向高科技型技術轉化,擺脫依賴于經驗和操作技能的落后狀態,向著精確預測生產結果和實現可靠的質量控制的方向發展。 
        熱處理信息化克服了制造業信息化的薄弱環節,將熱處理虛擬生產集成于產品的虛擬制造中實現產品全生命周期的優化,對制造業跨越式發展有重大作用。
         
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