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1)质量失控:
目前还没有能够用非破坏性方法观测材料内部组织结构的技术,因此在技术上尚无法对热处理质量进行严格的检验。
热处理的质量问题往往在产品使用时甚至失效后才能发现,产品制造厂很难对热处理专业化厂的生产质量进行监管。
再则把热处理和其他热加工环节从产品制造流程中剥离,将使材料质量管理体系被撕裂,出了质量问题常因相互“扯皮”而难以解决。
正因为无法用非破坏性方法观测材料质量,就不能指望依靠事后检验实现热处理质量的控制,必须在生产过程中对热处理的所有环节都进行严格的实时监控,才有可能保证热处理质量。
热处理专业化厂并不直接面对产品的用户,寿命高低和热处理专业化厂的效益没有直接关系,为降低成本而粗制滥造的现象相当普遍。
2)不利于热处理技术水平的提高
热处理专业化生产使产品制造厂保护热处理的技术机密和知识产权变得十分复杂,不利于热处理技术水平的提高,不利于先进制造业的发展。
对于热处理专业化厂而言:
因产品质量好坏、附加值的高低与己无关,没有提高热处理技术水平的积极性,更难以指望热处理专业化厂结合产品更新换代开展热处理新技术的开发。
3)保护落后
江、浙、珠三角等地区已有的大批热处理专业户绝大多是随着廉价的五金制品的大量生产而发展起来的,有些则是假、冒、伪、劣零配件一度泛滥的衍生物。
准入门槛低、技术力量薄弱、设备落后、管理不善、热处理质量无法满足正规零配件或工模具的要求。
这些热处理专业户并非凭着技术水平和生产质量而取得热处理生产许可证。
在我国制造业面临发展方式和产品结构转型之际,这种热处理专业户本应被淘汰。
然而目前各地所采取的依靠扩大热处理专业化生产的比重以求“节能减排”的政策,使得一些已获得热处理专业化生产许可证的企业处于不平等竞争中的有利地位。
热处理质量水平进一步下滑在所难免。
专业化热处理厂的节能减排效果也存在许多水分,有些厂在购买燃料时要求供货商用其他名目开发票,上报的能耗数据是虚假的。
废水废气处理等环保设备平时闲置不用,或者日班开晚班停以节省加工成本。
种种弄虚作假的行径都难以在有关部门组织的检查、验收时被发现。
4)污染转移
热处理生产从大城市向郊区转移,从发达地区向其他地区转移,并没有使全国的能耗和污染减下来。
排放从一个流域下游向上游转移将付出更大的环境代价,甄江流域和环太湖地区的教训并未得到吸取。
热处理和热加工从大城市向外转移之风愈演愈烈,波及的地域愈来愈大,甚至有国家生态保护区和生态示范城市也热衷于承接热处理和热加工的转移,后果不堪设想。
以上几点都反映出热处理专业化的负面影响。
在制造业中热处理有很大的节能减排潜力,本应依靠高科技对落后的生产技术进行改造以求达到在保证和提高材料性能的同时实现节能减排的目的。
行政命令式推行专业化生产,虽然可以立竿见影收到局部的、短时的效果,却忽视了通过搞好热处理提高材料性能、制造出高寿命和轻量化产品所具有的巨大节能减排潜力,未免本末倒置。
应当加以纠正。
1.2
建议:
1)暂缓执行各地区推行热处理和热加工专业化生产的实施方案,重新进行深入的科学论证。
2)应该允许对热处理质量有高要求的产品制造厂(包括主机厂和零配件制造厂)保留或建立必要的热处理生产能力,并努力提高技术水平。
组织专业化生产时应以对产品性能要求高、技术水平高、管理严格的制造厂中的热处理车间为骨干。
现有的大量低水平的热处理专业化厂才是应该关、停、并、转的重点。
3)整屯现有的热处理专业化厂。
重新严格核发热处理生产许可证。
并建立长效的切实的对热处理质量和环境污染的监管机制。
4)热处理和其他热加工的减排应以就地技术改造为主,跨地区转移必须十分慎重,应由国家有关部门审批,不应由二个地区政府审批,以免出现一地达到节能减排指标、另一地提高财政收入的表面上“双赢”的虚假政绩。
防止出现两地“双赢”而损害全局的结果。
5)组织热处理专业化生产除了要充分科学论证,做到布局合理之外,在实施过程中热处理生产的转移应有一个过渡阶段。
尤其是一些重要的工件的热处理生产的转移应经过一定时期试生产考验,以证明转移后能否确保热处理质量并建立长效的质量监控体系。
成熟一个转移一个,不能行政命令式的一刀切。
6)大力支持热处理技术改造,积极推广已成熟的热处理新技术,并加大优质、节能、无污染的热处理新技术研发的投入。
应该说明:
本文并不否认适度发展热处理专业化生产的必要性,也不否认国内有些专业化热处理厂近年来取得明显的进步,只是有必要强调热处理专业化存在着利弊二个方面,在不同的情况下,例如在国家不同的发展阶段和对于不同要求产品,专业化的利弊得失会有很大的差异。
在我国装备制造业迫切需要由大转强之时,热处理专业化所存在的问题必须引起足够的重视并切实加以解决。
热处理专业化的布局和管理方式都应该根据具体情况不断加以调整。
而热处理专业化生产本身也要与时俱进。
美国能源部等提出的《热处理工业远景2020(概要)》(中国热处理技术通讯2009,No.3)有以下表述:
“(美国)热处理工业目前大约有14万雇员,其中90%在主机厂的热处理分厂或车间,10%在专业热处理厂”。
在未来热处理远景中提出:
“附属热处理分厂或车间成为产品的核心,以掌握先进技术、工人训练有素、运行成本低为特征”。
“专业热处理厂以利润高为特征……以雇佣30人的小企业为主”。
“一些热处理厂家与大型制造厂家(尤其汽车和航空界)保持密切关系,全权负责客户生产线中的热处理工序的运作”。
短短数语,耐人寻味,似有助于清醒认识我国当前推行热处理专业化中的问题。
二、热处理与表面工程专业人才培养
人才培养已引起国内热处理界的重视。
这是一个十分重要而复杂的问题,很有必要深入研讨。
有人认为:
2.1、关于学科设置
现在高等学校按材料科学与工程一级学科招生和设置课程,不利于热处理工程技术人才的培养,企业招来的大学毕业生不能很快适应热处理技术工作,出现希望恢复按二级学科设置热处理(含表面工程,下同)专业的呼声,本人对此不敢苟同。
首先,大学本科教育不等同于职业培训,其目的不可能是为某一特定工作岗位提供“拿来就能用”的人员,大学本科阶段应该是基础教育阶段,使学生获得扎实的基础理论知识和专业基础知识,毕业后具有发展的潜力,为了使学生今后有较大的发展空间专业面不宜大窄。
其次,材料科学与工程本是一个整体,“科学”是“工程”的基础,“工程”是“科学”结果的应用,二者相辅相成。
没有扎实的材料科学理论为指导的材料工程,不可能成为高科技含量的先进技术;
脱离“材料工程”的“材料科学”就与凝聚态物理,理论化学等理科学科趋同,“材料科学”也就失去了存在的理由。
所以材料科学与材料工程构成一个不可分割的整体,乃是本科学办学的重要的指导思想之一。
再则,材料工程各个专业,铸、锻、焊、热处理、表面工程等,虽然各自在材料制造全流程的位置和作用不同,生产的方法差异很大,但是在实际生产中也密切相关。
没有其他热加工专业的基础知识,从事热处理生产就会遇到很大困难。
而且改行从事其他热加工技术工作也是常有之事,所以在大学本科阶段不设置二级学科专业,应该说是教育改革中的一种进步。
况且如果按二级学科设置专业,在招生和毕业生就业等方面也将遇到许多的难以解决的问题。
2.2、热处理专业人才的知识结构
热处理(含表面工程,下同)实质上是一种材料改性与控性技术。
是在正确掌握材料组织结构和性能变化规律的基础上集成其他学科的知识和技术形成各种热处理应用技术,使材料内部的组织结构产生特定的变化,以求获得适合于产品要求的性能。
因此,热处理工程技术人员应具备以下的知识。
1).基础理论:
回顾几十年工作经历和所见所闻,深深体会到理论对生产应用的指导作用的重要性。
进入知识经济时代,更应强调重视理论知识。
材料科学与工程学科有必要强调加强基础。
(1)基础科学理论:
例如数学、物理学、化学、热力学与动力学等;
(2)材料科学理论;
(3)其他相关学科的基础知识,例如:
计算机、软件工程、传热与传质、固体力学流体力学、机械科学、自动化、数字化技术、人工智能等等。
材料科学与工程的发展,愈来愈呈现注重基础理论以及学科交叉的趋势。
2).实验技术与技能:
实验能力的培养是目前本科教育中的薄弱环节,需要加强。
应使学生具备亲自动手做实验的能力,例如材料性能表征技术和测试方法应是热处理工作者和其他热加工专业人员应具备的基本功。
3).生产实践的知识:
金属工艺学及校内的金工实习,获得基本技能的感性认识;
企业生产实习,获得对产品生产全过程的基本认识。
4).热处理专业知识:
热处理工艺学、热处理车间设备。
5).材料制造基础:
冶炼、浇铸、锻造、焊接、热处理等材料制造全流程中各环节的作用、相互关系和对最终性能的影响规律。
上面对热处理工作者的知识结构作一些粗略和不全面的探讨,并非为本专业的教学内容和课程设置提供建议,只是想说明热处理专业人员与其他热加工专业人员所需要的知识绝大多数是相同的,因此集中力量搞好材料科学与工程一级学科的教学,最后阶段适当增加一、二门专业课(约100小时)也就可以达到培养热处理专业本科生的要求,没有必要单独设置热处理专业。
2.3、专业课程
热处理工艺、热处理设备二门专业课程不在于灌输知识,贪多求全。
宜精选典型案例,作深入的剖析,着重于帮助学生掌握。
热处理工程技术的特点,掌握分析和解决工程实际问题基本思路和方法,树立先进的观念。
所以二门专业课最好具有“方法论”的课程特色,大学毕业后有了基础、掌握了方法、就能够在浩瀚的知识海洋中吸取知识和应用知识,通过实际工作的砺练,不断积累经验,终能成就高素质的人才。
还应指出:
热处理技术的内容十分广泛,具体案例各具特色,作为着重于“方法论”的专业课程就应凝炼出具有共性的观念和方法。
以适应学生毕业后应对不同类的工程项目的需要,热加工各专业之间,以及热加工与新材料开发或材料学研究之间虽然具体内容相差很大,但如果上升到方法论的层面,其中先进的理念及分析、解决实际问题的能力则有很大共性,可以相互借鉴,所以,工艺、设备等专业课程的设置和生产实习内容的选择不必要也不可能针对毕业生所从事的专业工作。
何况改行已成常有之事。
2.4、培养人才的关键之一在于教师,现行的对教师考核制度和量化的考核指标助长急躁浮夸之风,“计划科研”的盛行,压缩了自由探索的空间,均不利于教师队伍的健康成长。
目前在教师队伍中普遍存在着认为搞教学吃亏的想法,缺乏提高教学质量的积极性,指导实验和生产实习大多应付了事,这种状况虽然不是个人的能力所能改变,但是我们应保持清醒的头脑,努力形成正确的舆论,并身体力行。
2.5、专业人才的培养是一个系统的工程,人才的成长则是终生学习的过程。
一方面不同类型的学校应有不同特色,只有理顺不同的学校和不同教育阶段(包括继续教育)的定位和相互关系,才有利于为国家培养出适应于不同层次要求的人才。
2.6、企业在人才培养中的责任:
企业界也应该认识和承担起在培养人才中的责任:
应该为本企业的工程技术人员提供培训和接受继续教育的条件。
建立优良的企业文化,也是工程技术人员成长的必要条件,一个没有创新意识的企业不可能吸引人才和留住人才,也不可能培养出高素质的工程技术人才。
这正是我国热处理企业普遍存在的深层次问题之一。
目前我国各级部门对热处理的重要性缺乏应有的认识,热处理企业则普遍轻视知识的价值,热处理科研经费极其缺乏。
使得大学中坚持与热处理相关的科学研究的教师愈来愈少,这也是我国热处理专业人才培养面临危机的重要原因。
2.7、小结:
1)大学本科教育应着重打好基础,专业设置不宜过细;
2)材料科学与工程是一个完整的体系;
3)材料工程各专业的知识结构绝大部分是相同的;
4)建议按材料科学与工程一级学科设置专业
5)实验环节和生产实习需要切实加强
6)人才培养是系统工程、人才成长是终生学习过程
7)企业界也应承担起人才培养的责任,唯有创新型、学习型的企业文化才有利于人才成长。
企业对高校科研的支持和科研经费投入不足也是专业人才培养面临危机的原因之一。
只有改变我国热处理行业的面貌,才能指望培养出高素质的热处理专业人才。
粗浅愚见,意在抛砖引玉,恳请赐正。
附记:
本文后半部(人才培养)承黄拿灿教授提出宝贵意见,深表感谢,黄拿灿教授还提供了本专业的历史革沿如下:
大约在1997年,原国家教委编制新的专业目录,已经对原学科专业进行了改造与调整。
当时的专业改革调整,原“金属材料与热处理”专业既可进入“机械设计与制造”一级学科,也可进入“材料科学与工程”一级学科。
机械设计与制造一级学科下设4个“二级学科”专业:
(1)机械电子工程;
(2)材料成型与控制工程(含原“金属材料与热处理”专业的一部分,铸造、焊接、锻造等热加工专业);
(3)“工业设计”专业;
(4)化工机械。
材料科学与工程一级学科下设4个“二级学科专业”其中金属材料科学与工程作为一个二级学科(含原来的金属材料与热处理、粉末冶金、有色金属材料等)
按照新的专业目录,国家教委鼓励按一级学科招生,也可按“二级学科”招生。
自1997年以后,“金属材料与热处理”专业不复存在,改造以后,专业面大大扩宽了,现不可能走回头路。
我国轴承零件热处理现状及对策
刘耀中
洛阳轴承研究所,河南洛阳471039
随着主机的高速化、轻量化,轴承的工作条件更加苛刻,对轴承的性能要求越来越高,如更小的体积、更轻的质量、更大的承载容量、更高的寿命和可靠性等。
其中,国产轴承的寿命和可靠性成为近年来越来越突出的问题,开发热处理新技术、提高热处理质量一直是国内外轴承生产企业及相关企事业单位关注的课题。
本文对近年来来年热处理技术的进展进行综述,以期对我国的轴承行业相关人员有所借鉴。
1.高碳铬轴承钢的退火
高碳铬轴承钢的理想退火组织是铁素体基体上分布着细、小、匀、圆的碳化物颗粒的组织,为以后的冷加工及最终的淬回火作组织准备。
目前,除少数企业使用周期式设备外,普遍使用的是无保护气氛的单通道推杆式等温退火炉。
退火的组织和硬度控制已比较成熟可靠,可较容易地把退火组织控制在JB1255标准中的2~3级或细点组织。
存在的问题是能耗偏高、退火后氧化脱碳严重。
近年来,从节能的角度出发,开发了油电复合加热等温退火炉、双室首尾并置(水平或上下)的等温退火炉,节能效果显著,应大力推广;
同时,随着毛坯精密成形工艺和设备的出现,开始采用氮基保护气氛等温退火炉,以减少退火过程中的氧化脱碳,降低原材料的消耗和机加工成本。
2.高碳铬轴承钢的马氏体淬回火
常规的高碳铬轴承钢马氏体淬回火工艺的发展主要分3个方面:
一是开展淬回火工艺参数对组织和性能影响的基础性研究,如淬回火过程中的组织转变、残余奥氏体的分解、淬回火后的韧性与疲劳性能等;
二是淬回火的工艺性能的研究,如淬火条件对尺寸和变形的影响、尺寸稳定性等;
三是取缔氧化或保护气氛加热,推广可控气氛加热。
2.1组织与性能
常规马氏体淬火后的组织为马氏体、残余奥氏体和未溶(残留)碳化物组成。
轴承钢淬火后马氏体基体含碳量为0.55%左右,组织形态一般为板条和片状马氏体的混合组织,或称介于二者之间的中间形态—枣核状马氏体,轴承行业上所谓的隐晶马氏体、结晶马氏体;
其亚结构主要为位错缠结以及少量的孪晶。
随淬火温度升高或保温时间延长,组织形态逐步由隐晶→结晶→细小针状过度。
一般淬火后的正常组织为隐晶+结晶+细小针状马氏体的混合物。
一旦出现大量明显的针状马氏体,则组织为不合格组织,应设法避免。
关于淬回火对性能的影响,国内外也进行了大量研究。
洛阳轴承研究所在20世纪80年代开展了“GCr15钢热处理工艺的研究”。
研究结果表明:
淬火加热为835~865℃、回火为150~180℃時,能获得较好的综力学性能和接触疲劳寿命,845℃淬火時,压碎载荷最高,疲劳寿命最长;
随回火温度升高和保温时间的延长,硬度下降,强度和韧性提高。
对有特殊要求的零件或采用较高温度回火以提高轴承的使用温度,或在淬火与回火之间进行-50~-78℃的冷处理以提高轴承的尺寸稳定性,或进行马氏体分级淬火以稳定残余奥氏体获得高的尺寸稳定性和较高的韧性。
轴承钢淬火加热后在250℃进行短时分级等温空冷,接着进行180℃回火,或在马氏体转变温度等温(马氏体等温淬火),可使淬后的马氏体中碳浓度分布更为均匀,增加稳定的残余奥氏体量,冲击韧性比常规淬回火提高一倍。
目前,国外的轴承普遍采用所谓的个性化设计,即供应轴承前对轴承的工况条件进行调查,针对工况开展针对性设计,对热处理质量也提出针对性的要求,已使轴承寿命最长。
国内对轴承零件的热处理要求统一按JB1255控制,相对较为粗犷,非个性化。
应针对轴承工况细化要求,并注意内外圈与滚动体的硬度匹配。
2.2常规马氏体淬火的发展动向
目前,轴承零件的常规马氏体淬火多采用铸链炉、网带炉等连续淬火设备,淬火后的组织、硬度等指标很容易控制在所期望的范围内。
对此类淬火工艺,今后的发展方向有以下两方面:
2.3.1淬火变形的控制
淬火加热设备基本采用了保护气氛或可控气氛,可以保证不脱碳,或根据需要进行复碳或渗碳,从而可以大大压缩热处理后的加工余量。
但加工余量的可压缩程度往往又受到淬火变形的制约。
目前,淬火变形(尤其是畸变)成为控制加工余量的主要因素;
且对密封防尘轴承的套圈,淬火畸变将影响防尘盖的压入,进而影响密封性能。
因此,减小淬火畸变或实现零畸变将是常规马氏体淬火需要解决的主要问题。
因影响淬火畸变的因素繁多,变形的机理较为复杂,所以,每个生产厂家应根据自身的设备和产品特点等多方面的因素,从生产实践中探索出一些控制畸变的、行之有效的措施,如控制工件的摆放、入油方式、淬火油及油温、搅拌等,实现少、无畸变淬火。
2.3.2残余应力及残余奥氏体的控制和评定
我国目前的热检标准中,对残余应力和残余奥氏体没有评定指标限制。
大量的研究表明:
残余应力影响零件的接触疲劳性能、韧性和磨削裂纹,适当的残余压应力可以提高接触疲劳寿命、防止磨削及安装裂纹的产生;
残余奥氏体降低尺寸稳定性,其影响程度与残余奥氏体本身的稳定性、数量和存在部位有关。
但适量的残余奥氏体可以提高断裂韧性和接触疲劳性能。
多家国外的著名轴承公司已把残余应力和残余奥氏体列入热处理控制指标。
因此,进一步开展残余应力和残余奥氏体对热处理后性能的影响及其机理的研究、开展淬回火工艺对残余应力和残余奥氏体影响的研究,进而根据轴承的工况提出残余应力和残余奥氏体的控制指标等等,将是我国轴承行业热处理研究的主要方向之一。
3.贝氏体等温淬火
贝氏体等温淬火是近年来国内轴承行业研究的热点。
自20世纪80年代开始,洛阳轴承研究所与重庆轴承厂合作,开始了贝氏体等温淬火在铁路轴承上的应用研究,随后与沙河轧机轴承厂开展了贝氏体等温淬火在轧机轴承上的应用研究,均取得了良好的效果,并在JB1255-1991中引入贝氏体等温淬火相关的推荐性技术要求。
同时,轴承行业也开始了贝氏体等温淬火的推广应用研究。
借助于国家“八五”重点企业技术开发项目“铁路客车轴承”,有关单位对贝氏体等温淬火的组织与性能进行了较为系统的研究,并成功地应用于准高速铁路轴承的生产中。
2001年在修订JB1255时,正式将贝氏体等温淬火的技术内容列入标准正式条文。
贝氏体淬火工艺在轧机、机车、铁客等轴承上得到较为广泛的推广应用。
贝氏体组织的突出特点是冲击韧性、断裂韧性、耐磨性、尺寸稳定性好,表面残余应力为压应力。
因此适用于装配过盈量大、服役条件差的轴承,如承受大冲击负荷的铁路、轧机、起重机等轴承,润滑条件不良的矿山运输机械或矿山装卸系统、煤矿用轴承等。
高碳铬轴承钢BL等温淬火工艺已在铁路、轧机轴承上得到成功应用,取得了较好效果。
在铁路、轧机轴承生产中,由于套圈尺寸大、重量重,油淬火时马氏体组织脆性大,为使淬火后获得高硬度常采取强冷却措施,结果导致淬火微裂纹;
由于马氏体淬火后表面为拉应力,在磨加工时磨削应力的叠加使整体应力水平提高,易形成磨削裂纹,造成批量废品。
而贝氏体淬火时,由于贝氏体组织比M组织韧性好得多,同时表面形成高达-400~-500MPa的压应力,极大地减小了淬火裂纹倾向[16];
在磨加工时表面压应力抵消了部分磨削应力,使整体应力水平下降,大大减少了磨削裂纹。
SKF公司把高碳铬轴承钢贝氏体等温淬火工艺主要应用于铁路轴承、轧机轴承以及在特殊工况下使用的轴承,同时开发了适合于贝氏体淬火的钢种(SKF24、SKF25、100Mo7)。
其淬火时采用较长的等温时间,淬后得到全下贝氏体组织。
近来,SKF又研制出一种新钢种775V,并通过特殊的等温淬火得到更均匀的下贝氏体,淬后硬度增加的同时其韧性比常规等温淬火提高60%,耐磨性提高了3倍,处理的套圈壁厚超过100mm。
部分等温后得到马氏体/贝氏体复合组织的性能尚有争议,如BL的含量多少为最佳等。
即使有一最佳含量,在生产实际中如何控制,且复合组织在等温后还需进行一次附加回火,增加了生产成本。
另外,就贝氏体等温淬火而言,虽然对其工艺、组织、性能进行了较为系统的研究,但在大力推广此工艺的同时,应注意该工艺的限制,并非所有的轴承零件均适合贝氏体等温淬火。
还应开展贝氏体等温淬火用钢的开发,进一步提高贝氏体等温淬火后的性能;
开展取代硝盐等温的热处理设备的研制,减少环境污染等等。
4.特殊热处理
高碳铬轴承钢一般是整体淬硬,淬后的残余应力为表面拉应力状态,易造成淬火裂纹、降低轴承的使用性能。
一类特殊热处理是通过对高碳铬轴承钢进行渗碳、渗氮或碳氮共渗,提高表层的碳、氮含量,降低表面层的Ms点,在淬火过程中表面后发生转变而形成表面压应力,提高耐磨性及滚动接触疲劳性能[17,18]。
另一方面,通过一定的方法使热处理后的轴承零件中保留一定量稳定的残余奥氏体,利用易变形的残余奥氏体降低压痕的边缘效应,使起源于压痕边沿的表面疲劳源不易形成和扩
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