对于热处理的思考

发布者: 发布时间:2017/4/12 10:32:39 阅读:次 【字体:

  一、热处理是提高装备制造业产品寿命与可靠性的关键技术

  热处理是提高装备制造业产品寿命和可靠性的一个关键技术,产品的形状取决于成形制造,但是它的性能完全取决于毛坯制造环节。热处理不改变工件尺寸形状,而是通过加热和冷却改变材料内部的组织,从而控制内部的性能,所以它是装备制造业中提高产品使用寿命和可靠性的关键技术。

  热处理可以大幅度提高金属材料的强度。例如结构钢,工业上很多都是用调质钢(淬火以后高温回火),它的强度约为600~1000MPa。二战期间曾经有过一个很大的飞跃,前苏联把飞机起落架由调质处理变成淬火以后低温回火,使它的抗拉强度提高到1600MPa,前苏联战机安装新的起落架以后,自重减轻,灵活性提高,在技术上领先了德国空军,从此有超高强度钢的热处理诞生。随后经过持续研究,结构钢的强度达到1800MPa。近年来,徐祖耀院士带领他的团队研究Q-P-T处理(淬火配分回火再强化),使得结构钢强度提高到2100MPa,比原来调质处理后的强度提高了三倍。最新消息,北京钢研院正在研究2600MPa钢种,强度的提高不仅决定于钢的成分,而且决定于热处理工艺,从此可以看出热处理的关键作用。

  有了强度提高,就可以使得产品轻量化。例如大功率液力耦合器,一个泵轮在转、通过液压油带动从动轮转动,原来是用调质钢,后来改用超高强度钢热处理的方案,产品自重成倍减少,体积缩小到原来1/4。

  另外一个例子,通过热处理可以提高产品的可靠性,火力发电站的大功率给水泵为30万机组的水泵,功率可达4600千兆瓦,其中的增速齿轮高速旋转,转速为每分钟6000转,原来使用时很容易损坏(见图2),而且损坏部位不确定,齿轮必须要从国外进口,后来经过合作攻关,改进了气体渗碳工艺,结果它就能够克服原来不正常损坏,一直到30万千瓦这个机组退出历史舞台,运行20年间没有出过一次事故。

  热处理产值只占到装备制造业总产值的千分之几,不被看重。然而,四两拨千斤,热处理水平的高低,却可以使整机使用寿命相差几十倍、甚至几百倍,所以在世界上拥有名牌产品的企业,都掌握独到的热处理的技术并严加保密,热处理关键技术就成为市场竞争力的核心要素,别人可以仿造出功能、外形相似的产品,使用寿命和可靠性则难以达到。在我国热处理得不到应有的重视,和世界先进水平存在巨大的差距,导致我国大量制造中低端产品,付出沉重的环境资源代价,只能获取微薄的利润,高端装备或者高端装备中的关键零部件不得不依赖进口,严重威胁我国经济安全和国家安全,热处理已经成为制约我国制造业发展的瓶颈。

  比如轴承,我们国家的轴承产量,已经占到全世界轴承产量20%以上,然而我国所需要的高端轴承,大概占我国轴承需要量的百分之十几,却不得不依赖进口。例如,转速在2500转以上的精密轴承,航空发动机轴承,还有风电机组的轴承都需要进口。200公里以上的高铁轴承也是进口的,很多的兵器如潜艇、航母、导弹等所用的轴承都需要进口。我国GGr15钢轴承标准与国外所用一样,这个钢种从1901年问世,到今天已经114年,成分没有改过,这一百多年之中,热处理不断摸索,研制出寿命相差几十倍的轴承,而我国的中低端轴承按单价比进口同样一个大小的轴承价格相差几十倍,因此利润很低。

  上海汽轮机厂生产一百千瓦超超临界发电机组,发电机组的转子是进口的,一根转子价格约7500万,等于整台汽轮机造价的一半。上海重机下了很大的决心,把高压转子大锻件给攻下来,非常艰苦。一共做到第14根,性能才合格。而当国内生产的第一根性能合格的转子交货后,国外进口价格立刻从7500万下降到3000万,所以说先进热处理技术是买不到、拿不来的,唯有自主研发。

  二、热处理研发难度大、周期长

  热处理是一种细节决定成败的技术,怎么淬火、怎么加热、保温多长时间、哪个地方先下去、哪个地方后下去等等都有讲究,而且同样的钢种,不同的使用要求,淬火加热温度、回火加热温度各不相同,热处理工艺窗口很窄,稍微差一点就达不到最好的效果。材料及其加工工艺的研发周期平均是20年,一个产品研发周期平均是两年,国外是先做材料的基础研究再做产品。而我们是引进产品后摸索工艺,一直跟在别人后面,我们没有认识到热处理的关键作用,在布局上面没有先走一步。

  热处理研发难度大,掌握热处理就是掌握市场竞争力的核心要素。例如高压转子,我们团队研究了几年,热处理后会出现不同的情况,有一个转子很奇怪,只有一个位置强度特别低,其他位置都很好,低的地方,经过分析,原来是局部锻造加热过烧(见图3)。还有时候,热处理后的组织中出现金属间化合物(见图4),因为这种转子材料之所以能用到600℃,是靠加合金元素,但是有时候合金跑到金属间化合物中,只有经过正确的热处理把金属间化合物消除,固溶体才能发挥耐热性,使合金元素溶入。有时上一轮按照这个工艺做,性能好好的,现在一轮不行了,经过我们长时间分析,偶然发现有个黑点,这个黑点是非金属夹杂,从这里打探针,发现它的铌含量特别高(见图5),附近则贫铌(见图6),边上一大圈热强度降低,在620℃拉伸的时候,出现一个个空洞。同时我们也注意到,空洞的数量和断裂时间呈反比(见图7)。所以说也只有控制了氧含量和非金属夹杂物,并且进行正确的热处理,才能得到合格的产品。

  三、提高热处理质量是系统工程,需要进行长期、深入、持久的研究

  在研究开发大锻件热处理工艺时,我们团队跟踪14支高中压转子和几十件核电大锻件生产过程,从实物取样进行金相、电镜观察和性能测试,制作了几千张图谱,进行了长期、深入、持久的基础研究,为开展大锻件热处理组织与性能关系的研究积累了第一手资料。

  如图8所示的核电大锻件一体化顶盖,重65吨。需要保证在得到性能合格的同时尽可能减少畸变,用虚拟生产研究淬火冷却方法,确定了内外侧比较均衡的冷却方案,使得第三代核电站AP1000机组大锻件热处理合格交货。

  另外一个例子,是12500吨铝型材挤压机活塞,为了提高耐磨性,要求表面硬度大于50HRC。设计部门选取45钢制造,用45钢做成那么大的东西,不能淬火怎么办呢?后来上重厂一起和经过很长时间的考虑采用计算机模拟的方法(见图9),提出了一个差温加热工艺解决了生产上的难题。

  热处理不仅仅是工艺问题,热处理设备也很重要。原来一个大型的氮化炉,流场不均匀,而采用计算机模拟的方式改进了旋转风叶,边上加了导流板,上面加了分流板,这样模拟出来流场,工作区域是均匀的(见图10)。

  先进装备制造业有赖于基础零部件、基础工艺、基础软件、基础芯片(统称为四基)的技术支持。正像路湧祥院长、周济院长等多位院士写的一个院士报告,说我们国家现在四基落后,院士们对此深感忧虑。所以说中国工程院正在开展工业强基发展战略研究。

  四、辩证看待热处理单位能耗与节能减排的关系

  图11所示某厂渗碳齿轮的装炉状况,其目的是尽可能多装,这种操作方法,单位能耗很低,似乎非常先进。但是社会总能耗是低了还是高了?齿轮寿命低,不仅是热处理能耗而且把前面炼钢、锻造的能耗、机械加工都赔进去了。因此应该全面地、辩证地看待热处理单位能耗。表1中产品单位使用时间的总制造能耗。

  表中的方案A,热处理能耗是1,如果热处理之外的能耗也是1,总制造能耗为2;如果热处理能耗降低50%,但是寿命同时也降低50%,即方案B,则总制造能耗反而增加了1.5倍。如果热处理能耗降低50%,使用时间只有原来20%(完全可能),即方案C,那么总制造能耗增加约4倍。反过来如果改进热处理工艺,热处理工艺本身能耗提高1倍,同时寿命可以提高1倍,即方案D,则总制造能耗反而减少25%;如果改进热处理工艺后寿命提高5倍即方案F,则总制造能耗减少70%;节能效果非常明显。所以说要辩证地看待热处理能耗和社会总能耗,正是这个认识上的误区,导致我们在制定政策上有很大的失误。

  五、几点建议

  (1)要正确认识热处理在现代装备制造业的重要作用和关键地位,正确认识热处理质量、产品使用寿命与热处理能耗之间的关系。

  (2)取消现行的热处理许可证制度,让市场之手调节热处理专业化厂与非专业化热处理的比重,并且支持和鼓励产品制造厂拥有独特的热处理技术和生产能力。

  (3)建立热处理的质量监督体系。现在我国质量监督局没有热处理质量监督这个职能,应填补这一空白。

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