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40CrNiMo热处理——我国制造业发展的瓶颈

作者: 来源: 日期:2019/6/3 15:50:26 人气:0

制造业制造业是我国国民经济的支柱。改革开放以来我国装备制造业以平均每年17%的速率快速增长,目前我国装备制造业的增加值仅次于美、日、德,居世界第四,已成为制造业大国, 但应清醒地看到我国还不是制造业强国, 在国际制造业中处于低端地位,与国际先进水平存在巨大差距。其中一个突出的问题是我国制造业的产品因质量低、寿命短、可靠性差而缺乏竞争力,只能制造低品位、低附加值的产品,只能依靠产能的扩大实现增长。国防工业和许多重要工业部门所需的重要工艺装备以及核心零部件依赖进口的局面长期未能改观,严重威胁我国国防安全和经济安全。 
我国热处理(含表面改性,下同)技术的落后是造成这种状况的主要原因之一。已成为制约我国制造业发展的瓶颈,应引起高度重视。本文拟就热处理与表面改性技术的特点、作用、我国在此领域与国际发达国家的差距和发展出路等问题,提出一些粗浅的看法,期望引起讨论并得到读者的批评指正。 
1 热处理与表面改性技术的特点 
材料的性能并不单纯取决于材料的种类和成分,通过热处理和表面改性改变材料内部的组织,将大幅度改变材料性能。例如:高速钢在退火状态硬度不高于280HB并有相当好的塑性和韧性,在经过淬火回火之后则有很高的硬度、红硬性和耐磨性。由于溶入基体中的合金元素的含量以及奥氏体的晶粒度都和淬火温度有关,其趋势是硬度、红硬性随淬火温度提高而提高,韧性则随之下降,强度则是先升后降(图1)。利用这种规律,可以根据不同刀具和模具的使用特点选择各自最佳的淬火温度(表1),车刀具的刃部和刀柄都比较厚实,对强度要求不高,承受冲击载荷较轻, 可以采用接近于熔点的淬火温度,使尽可能多的合金元素和碳溶入奥氏体中,从而提高红硬性和耐磨性。钻头钻孔时刃口不易冷却,希望尽可能提高其红硬性,但为防止扭断,钻头需要有较高强度,因此其淬火温度略低于车刀。铣刀和模具的使用特点选择各自最佳的淬火温度(表1),车刀具的刃部和刀柄都比较厚实,对强度要求不高,承受冲击载荷较轻, 可以采用接近于熔点的淬火温度,使尽可能多的合金元素和碳溶入奥氏体中,从而提高红硬性和耐磨性。钻头钻孔时刃口不易冷却,希望尽可能提高其红硬性,但为防止扭断,钻头需要有较高强度,因此其淬火温度略低于车刀。铣刀和绞刀的刃 
a)硬度与淬火温度回火温度的关系;b)抗弯强度及扰度与淬火回火温度的关系;c)抗弯试验吸收能量及塑性弯曲与淬火回火的关系 
图1 高速钢的性能与热处理工艺的关系[1] 
表1 W6Mo5Cr4V2钢的淬火回火温度 
工件类型 淬火温度(℃) 回火温度(℃) 
车刀 1250~1260※1 560 
钻头及简单形状,连续切削刀具 1240 560 
形状复杂刀具 1230 560 
高强薄刃刀具,小钻头 1200~1220※2 560 
冷挤压凸模 1190 560 
冷镦模 1150~1190※2 560~580※2 
细长冲模及要求高韧性的工件 1100~1130※2 200 
※1不同产地和不同批次的原材料熔点略有不同,车刀淬火温度可适当调整 ※2视不同工件具体情况在此范围调整 
口较薄,为了避免崩刃,要求有足够的韧性,应适当降低淬火温度,小钻头使用时主要损坏方式是扭断或折断,为保证较高强度宜进一步降低淬火加热温度。冷挤压模具承受很高的应力,而对红硬性要求不高,所以选择出现强度峰值的淬火加热温度,而对于一些细长的或形状复杂,受较大冲击载荷的冷冲模,则应选择更低的淬火温度。表1说明用同一种钢制造的刀具或模具,应根据使用情况和失效的方式选择不同的淬火温度,其变化的范围达到150℃。但对于一个具体的工件而言,只允许±5℃的偏差。 
结构钢和低合金工具钢也有类似的情况,预先热处理组织、淬火加热温度、冷却方式、回火温度都对钢的性能有明显的影响,它们之间的不同组合可以使材料获得不同的综合性能。结构钢的强度、硬度、韧性、塑性和弹性极限都随着淬火后的回火温度而变化,对于要求具有高塑性、高韧性特别是低的缺口敏感性的工件通常选用高温回火(调质处理),而要求高强度和较高硬度的工件选用200℃左右的低温回火,例如30CrMnSi,40CrNiMo淬火后200℃回火抗拉强度可高达1600~1800MPa,比调质提高1倍左右。各类弹簧等弹性元件通常选用呈现弹性极限峰值的中温回火。此外等温淬火、二相区加热淬火和形变热处理等工艺都可以使结构钢获得良好强韧性。至于各种化学热处理和表面涂覆技术则可以通过调整工艺参数改变渗层表面的浓度和渗层深度以及控制浓度梯度和性能梯度,以适应不同工件的不同的服役条件对工件整体综合性能的要求,例如不同零件的渗碳处理,应该有不同技术要求,才能获得良好的使用性能(表2),石油钻井的牙轮钻,渗碳层表面浓度由0.9~1.0%C降低到0.7~0.8 %C,并使浓度分布曲线呈平台状,使用寿命由27小时提高到52小时,收到一个钻井队抵二个钻井对的效果,又例如用离子注入的方法进行表面改性处理可以在不改变整体的强度、韧性的同时,大幅度提高耐磨性、降低摩擦系数、提高抗蚀性,应用于航天器上各种传动机构中的轴承和各种摩擦件、飞机上的液压马达中的耐磨零件、以及石油工业泥浆泵的套筒等均取得良好的效果。在有些情况下针对工件的特点采用一些看似“非正规”的热处理工艺,能收到出奇效果:3Cr2W8热模钢的淬火温度范围一般为1050~1120℃,但锅炉钢管热挤压模,在模具型腔中相当于钢管散热筋二侧的位置,承受很大的应力,容易在热态下屈服而使模具失效。经过试验将淬火温度提高到1170~1180℃,淬火冷却时水冷至~650℃,然后转入低温盐浴中冷却,模具寿命提高几倍;水稻收割机刀片,用高浓度碳氮共渗处理;表面层出现大量碳化物和残余奥氏体,按常规的检验标准被视为不合格,但因具有很高的耐磨性和良好的抗蚀性,水稻收割机刀片的使用寿命比常规渗碳处理高数倍。 
表2 不同工件的渗碳技术要求 
零件种类 表面含碳量(%) 有效硬化深度(mm) 浓度分布曲线形状 
石油钻井机牙轮钻M6齿轮M4齿轮高强度预应力钢筋锚夹片大马力柴油机凸轮轴 0.7~0.80.75~0.850.75~0.850.9~1.01.25~1.3 .0~2.41.0~1.40.7~0.90.6~0.71.6~1.8 平台状平台状平台状连续下降平稳下降粗略回顾上述早为人们熟知的事实,只是说明一种易被忽视的观点:最优化的热处理工艺不可能是千篇一律的,同种材料的各项性能都会因热处理方法及其工艺参数的不同而改变,各项性能指标又常常此消彼长。选择合适的热处理工艺参数、获得与工件的使用状况和失效方式相适应的最佳综合性能,才有可能制造出高质量的产品,这就是热处理与表面改性技术的特点、难点和魅力之所在,充满让人发挥主观能动性的空间和余地。 
历史已证明:改进热处理技术,更充分发挥材料的潜力,往往是产品更新换代的催化剂。调质处理即淬火后高温回火后的屈服强度大约在600~900 MPa之间,无论是强度和韧性都显著优于正火处理,因而成为结构钢常用的热处理工艺,在二次大战期间前苏联的研究人员发现30CrMnSi淬火和低温回火,或等温淬火后,屈服强度达到1500 MPa,并保持足够的韧性。用于制造飞机起落架。中、低碳结构钢淬火低温回火处理还应用于火炮防弹护板等军工产品,随后各国开发一系列以淬火和低温回火处理为特征的“超高强度钢”促进了不少重要产品的更新换代,例如:大功率燃气轮机的液压耦合器的转子,传递着几万以至几十万千瓦的功率,转速达每分钟2万转以上,原设计为SEA4340钢调质处理,屈服强度为800MPa,后来采用淬火、低温回火处理,屈服强度达到1800MPa,使整个耦合的重量减少到原来的1/4。这对于提高舰艇的性能是很有利的。 
表面改性技术对高端产品的研发同样有重要作用,众所周知,燃气的热效率随着燃气温度的升高而提高,然而高温合金的耐热温度限制了燃烧室温度的提高。在国外,由于研究成功在耐热合金表面沉积含蜂窝状ZrO2复合涂层,起着隔热作用,使耐热合金叶片的温度比燃气温度低150℃以上,从而研制出燃烧室温度更高的燃气轮机,促成航空发动机的更新换代。 
即使是一般的机械制造行业,热处理与表面改性的技术进步同样对产品的创新有重要意义,例如生产标准件的冷镦机的生产率现在已达600件/min,相比于二十几年前60件/ min提高了10倍。标准件行业面貌大为改观。其实冷镦机并不复杂,在当年设计制造600件/ min的冷镦机亦非难事,问题在于那个小小的六角冲头,它当时寿命低于2万件,在这种情况下,提高冷镦机的速度毫无意义。因为标准件是一种批量极大的产品,通常要求每个冲头寿命都要超过一个班,否则很难进行生产管理。上世纪80年代初通过热处理工艺的改进,使冲头的寿命提高到5万件以上,才有100件/ min的冷镦机面世.及至90年代用气相沉积氮化钛的方法进行六角冲头的表面改性处理,使其寿命提高到35万件以上。成为高速冷镦机的催生剂。 
图2是一种特种变速箱的薄壁齿圈,其特点是可以显著减小变速箱的体积和重量,但是用常规的齿轮热处理方法制造遇到很大的难题,渗碳淬火或感应加热淬火都难以控制热处理畸变,而常规的渗氮处理不能满足该齿轮对接触疲劳强度的要求,只有应用动态可控渗氮工艺,使接触疲劳强度由1400MPa提高到1700MPa,并且研究成功控制薄壁齿圈渗氮畸变的方法,才使特种变速箱试制成功。 

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