作者:赵步青
单位:安徽嘉龙锋钢刀具有限公司
来源:本人提供(发表于5月13日温州热处理会议上)
摘要:热处理是制造业中至关重要的一环,并赋予国家核心技术地位。各行各业都在改革创新,热处理工艺也应与时俱进,制定热处理工艺应该个性化、智能化,用信息化技术改造和提升热处理技术,乃是搞好热处理的必由之路。
关键词:热处理工艺;智能化;信息化;个性化
一、序
金属材料的性能并不单纯取决于材料的种类和成分,通过适当的热处理,将大幅度改变材料性能。科学技术日新月异,机械工业飞跃发展,新技术、新工艺、新设备不断涌现,热处理工艺不能停滞不前,必须与时俱进,无愧于时代对我们热处理人的厚爱与期望。
二、制定热处理工艺应该个性化
矛盾的普遍性寓于特殊性之中,共性存在于个性之中。本人中等身材,较矮偏较胖,到商场买不到合适的衣服和裤子,不得不到缝纫店订做,许多非标准身材的人能亦有同感。制订热处理工艺何尝不是这样!目前个性化服务已提到议事日程。以下以M2钢同种成分制造7种不同的刀具为例,阐述个性化工艺的重要性,见表1.
表1 同成分M2钢制造不同刀具的热处理工艺参数
加热湿度
/℃
淬火晶粒度
/级
冷却规范
回火工艺
车刀
1230-1235
8.5-9
480-550℃分级
550℃×1h×3次
整体直柄麻花钻
1210-1225
10-11
480-550℃分级,后260℃再分级
550℃×1h×3次
滚刀
1225-1230
9.5-10
480-550℃分级,后260℃×1h等温
低温入炉,第一次回火二次贝氏体处理
拉刀
1205-1215
10.5-11.5
多次分级再等温处理
550℃×1h×4次
直齿三面刃铣刀
1220-1230
9.5-10.5
480-550℃分级
550℃×1h×3-4次
机用丝锥
1190-1200
10.5-12
480-550℃分级,后260℃再分级
550℃×1h×3次
大薄锯片
1180-1200
11-12
先分级再260-280℃×1h等温
550℃×1h×4次
即使用同炉号的钢材制作同一刀具,切削对象不同,热处理工艺也应该有异。
用20MnB、20CrMnTi制作的汽车防滑链片、链板、连接环、链条等不同配件,视服役的具体情况,可作渗碳、微渗碳、形变热处理、低碳马氏体强韧化处理。其他钢材制作的不同零件,也应该实施个性化的热处理工艺。
三、关注热处理参量
热处理的一切变化,都是在温度的驱动下,经过适当的时间才能完成,所以热处理工艺曲线往往以温度——时间二维曲线表达。
3.1淬火参量公式
钢在热处理加热时,加热温度和保温时间都很重要,只是淬火加热温度作用更大一些,两者相比,温度是等一位的,但丝毫不能小视时间的作用,两者的作用应综合起来考虑,可以用淬火参量的公式表达。例如,高速钢的淬火表达式为 【1】:
P——t(37+tgτ)
式中P——淬火参量;
t ——淬火加热湿度;
τ——淬火加热时间。
式中P代表了加热温度和加热时间的共同综合作用,无论温度和时间怎样变化,只要两者的最终的淬火参量相同,那么奥氏体的程度应该是相同的,由此派生出快速加热和半快速加热的新理念。
淬火参量同样适用其他材料,只要我们认真探索,同样有规律可循,从而达到节能高效的目的。
3.2回火参量公式
高速钢回火温度和回火时间的关系,可以用回火参量来表达,公式如下:
P=t(20+tgτ)
式中P——回火参量;
t ——回火湿度;
τ——回火时间。
尽管回火温度、回火保温时间有所不同,只要回火参量相同,回火的效果就相当。前苏联曾有过高速钢625℃、600℃等快速回火的报道,笔者曾验证过,小批量高温回火,确实可行,但批量生产肯定失败。
以上仅举高速钢热处理为例,事实上对任何钢的淬火回火都可以推广运用,只不过参数有变,简单表达式为:
P=t(a+tgτ)
式中P——热处理参量;
t ——加热温度
a ——不同钢号,不同热处理状态下的常数;
τ ——加热时间
四、用数字化信息化技术制订热处理工艺
中国制造2025的宏伟蓝图,可使机器人和自动化系统不断优化和得到提升。随着机器人的机动性、灵敏度以及智能化的提高,信息化技术将成为繁重热处理技术生产的强大工具,最终取代人工。物联网、数据分析、人工智能以及机器人这四大技术之间的合作必将会在未来的热处理行业制造一个巨大的智能制造网络,在创新力介入的情况下实现不可估量的技术提升。所有这些都深刻体现为用数字 化信息化技术改造和提升热处理技术的动向。
美国矿石、金属与材料学会于2018年发表了一篇《材料和制造领域的先进计算与数据》报告指出【2】:当前数字化的优先技术领域在于① 耦合模拟和试验, ② 数据驱动方法、 ③ 数字化数据基础架构。④数字化表达和可视化、 ⑤ 可预测多尺度建模、 ⑥不确定度的量化和传播。可见,数字化技术体系是智能制造的基础,包括产品表达数字化、制造工艺数字化、制造装备数字化、制造系统数字化。在热处理高端化的进程中,通过数字化信息化技术,改造和提升热处理技术的目标之一是热处理工艺过程的多场耦合数值模拟技术与专用软件。技术途径包括热处理过程的多物理场、宏微观耦合数值建模、工艺——组织——性能关联和软件开发技术;目标之二就是热处理设备的虚拟制造和热处理的虚拟生产。技术途径包括热处理专用材料数据库开发、热处理工艺过程数值模拟与物理模拟结合验化平台开发;目标之三是热处理生产的柔性化、高效化、标准化。技术途径包括热处理工艺过程智能控制技术、热处理生产信息管理技术、热处理智能专家系统开发、远程热处理服务中心的建立等。
综上所述,热处理工艺的制订将发生颠覆性的变化,口头指挥热处理现场生产将成为历史,纸质工艺正走向暮年,智能化程序化的工艺设计已展现在我们面前。
五、热处理工艺的先进性
一个企业的热处理先进性,起码应具备领先于同行其他企业的热处理工艺,甚至某方面在国内或国际领先。如此,离不开引进和采用新技术、新工艺和设备改造以及新型工艺材料的应用等,如表2所示。
工艺的先进性还体现在采用国内外先进的技术标准,并贯彻做到工艺过程。比如用M2钢等通用高速钢制造的刀具,国家标准要求63-66HRC,我们制订的工艺为65-66HRC,高性能高速钢M42钢制刀具为66-67.5HRC。【3】
表2 热处理工艺的先进性序号
要素
内容
目的
1
采用新工艺、新技术
充分采用新的热处理工艺方法及新技术
满足设计技术要求;提高产品工艺质量和稳定产品热处理质量
2
热处理设备的技术改造和更新
改造旧设备;购置新设备(加热设备、热处理辅助设备及工装)
满足热处理工艺发展的需要;提高生产能力和产品质量;适应技术进步的需求
2
采用新型工艺材料
采用新型加热、冷却介质防护特性的材料
提高产品的热处理质量,提高产品热处理后的表面质量
六、结束语
1、制订热处理工艺应该个性化,充分挖掘材料潜力。
2、灵活掌握热处理参量,强化温度的重要性,在确保产品高质量的情况下,力求短时间,为企业增效。
3、用数字化信息化技术制订热处理工艺,减少人为因素造成的设计滞后,不断更新,持续前行。
4、敢为人鲜,勇立潮头。瞄准国际国内热处理工业技术前沿,热处理工艺一定要先进。
时代在发展,人民在前进,热处理工艺设计要与时俱进,千道理万道理,把自家的产品搞上去是硬道理。