机器人集成系统

紧固件行业谈工业4.0,热处理是高强度螺栓的核

时间:2019-10-07 14:24:54点击量:146 作者:杨超月

长期以来,我国高强度螺栓存在寿命短、可靠性差和结构重等三大问题。三大问题严重制约高端机械装备发展和安全服役。高强度螺栓决定了高端机械装备主要连接功能,体现机械装备寿命、可靠性与经济可承受能力,热处理是高强度螺栓的核心。

对于出现频度越来越高的“工业4.0”和“第三次工业革命”的议论,我们必须考虑紧固件的未来,思考紧固件在第三次工业革命中的作用。未来10年是我国紧固件业转型升级,从“制造大国”走向“制造强国”的关键时期。我国制造业的劳动力的红利时代即将结束,很多发展中国家已接纳了紧固件转移的制造,对我国紧固件行业形成了新的挑战,紧固件行业加快转变经济发展方式成为当务之急。

高强度螺栓的主要失效模式是疲劳

疲劳是一种在循环应力和应变的重复作用下,螺栓一处或几处发生开裂或断裂的失效形式。疲劳是一个机械损伤累积、延时失效的过程。疲劳包括裂纹萌生和裂纹扩展两个过程,在低于材料的屈服强度下发生,在无明显变形下突然失效。所以,与其它失效形式相比,疲劳是一类最危险的失效形式。

通常,车辆上的连接螺栓为拉-拉疲劳失效。例如,风力发电机组服役环境复杂而恶劣,既承受动载荷冲击又承受腐蚀环境,所用连接螺栓疲劳断裂高达85%,高强度螺栓的主要失效模式是疲劳。

高强度螺栓“三大问题”源自应力集中敏感

高强度螺栓普遍选用高强度低合金钢、超高强度钢和高温合金制造。随着高端机械装备发展,高强度螺栓用的合金强度还会不断提高。高强度材料具有高疲劳强度,其重量轻、体积小、长寿命、高可靠。但高强度材料的突出弱点是疲劳强度对应力集中度敏感。

大量的高强度螺栓疲劳失效分析结果表明,80%以上的疲劳失效源自表面损伤、头杆交接处脱碳、螺纹加工有明显的细小裂缝或切削加工刀痕不连续处和表面腐蚀物、淬火组织不均匀,因为那儿应力集中度高。

高强度螺栓制造的机遇与挑战

高端机械装备给高强度螺栓制造带来前所未有的发展机遇。不解决“三大问题”便很难达到预期目标,更难说达到国际先进水平。解决“三大问题”需要解决三个层次的问题:一是自主知识产权;二是经济可承受性;三是长寿命、高可靠性、结构减重技术。

首先,要转变观念,要认清时空,我国要发展高端机械制造,掌握关键技术和提升核心竞争力,摒弃那些变换华丽辞藻的忽悠,甘当发达国家技术的二传手、市场换技术等错误观念,从以往“引进、仿制-落后,再引进、仿制…”,粘贴、复制、山寨版产品中解放出来,加快发展紧固件热处理刻不容缓。

其次,要充分认识解决“三大问题”,实现高强度螺栓长寿命、高可靠、结构减重是一场革命:①从高强度螺栓“成形”制造转变为抗疲劳制造的技术革命;②从解决“有无”转变为关键高强度螺栓支持高端机械制造可持续发展的理念革命;③从指标最终检验转变为过程控制的管理革命;④从低技术、被动转变为高技术、主动的从业人员素质革命;⑤从廉价劳动力、滥用环境和资源转变为高附加值、人性化、低排放、绿色环保的环境革命等。

热处理赋予紧固件材料极限性能

加快热处理发展应成为我国的国家战略。在国际环境发生重大变化的形势下,从我国热处理的现状和存在的问题出发,加快发展紧固件热处理的必要性、紧迫性和重要性,已异常突出地提到我们面前。

“热处理”是采用加热与冷却方法控制相变,微观结构、残余应力场,赋予材料极限性能和高强度螺栓极限服役性能的技术。它既是一门理论性很强的科学,又是一类实践性很强的技术。实践性很强说的是先进热处理工艺随着材料和高强度螺栓千变万化,而且不断创新、不断发展、不断进步。可以看到,没有哪个材料可以离开热处理,没有哪个高强度螺栓不依赖热处理。需要特别指出热处理是当今赋予材料极限性能,赋予高强度螺栓极限服役性能的仅有的两种技术之一。

热处理与制坯技术、切削技术不同。冷镦制坯、锻造制坯、铸造制坯和焊接制坯可以制出一定形状和大尺寸的坯件,十分显眼。切削加工可以制出各种精密、美观的高精度螺栓,极为露眼。而热处理技术是紧固件制造的“内科学”,赋予高强度螺栓的是性能,既不显山,也不露水。为此,尽管热处理在高强度螺栓的经济可承受性链条中高出其它技术价值很多倍,但却不被重视。尽管热处理赋予材料极限性能,赋予高强度螺栓极限服役性能,但被边缘化、附属化了。在形式主义、急功近利的践踏下,热处理这一材料、高强度螺栓、高端机械装备的核心技术,被排斥在国家科学技术发展规划关键技术之外,得不到重点研究支持;且专业教育蜕化、专业人员的流失、匮乏,技术落后再落后,与国外先进水平的差距拉大再拉大。毫不夸张地说,热处理被边缘化、附属化,是我国高端机械装备、高强度螺栓“三大问题”的重要原因,也是我国紧固件处于中低端制造和竞争弱势的重要原因。

热处理技术促进高强度螺栓的发展