2010年,國(guó)家推出了振興汽車工業(yè)、船舶產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)、電子信息業(yè)等十大產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃,此規(guī)劃帶動(dòng)了
國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)的高速發(fā)展,而汽車行業(yè)的發(fā)展必將帶動(dòng)國(guó)內(nèi)汽車緊固件發(fā)展。面臨著這樣一個(gè)良好的發(fā)展契
機(jī),國(guó)內(nèi)汽車緊固件行業(yè)卻無(wú)法滿足汽車行業(yè)的生產(chǎn)需求:一方面原材料強(qiáng)度無(wú)法滿足高強(qiáng)度緊固件的需求
,低強(qiáng)度緊固件市場(chǎng)飽和,而高強(qiáng)度異形緊固件長(zhǎng)期依賴進(jìn)口;另一方面企業(yè)技術(shù)薄弱,設(shè)備和人員更新慢
,無(wú)法滿足高強(qiáng)度緊固件的生產(chǎn)需求。
為了滿足高強(qiáng)度緊固件的生產(chǎn)需求,先進(jìn)的熱處理裝備是其必備條件,而先進(jìn)的熱處理工藝是影響其內(nèi)在質(zhì)
量的關(guān)鍵因素,二者缺一不可。目前我國(guó)汽車的高強(qiáng)度緊固件在質(zhì)量、環(huán)保和能耗等方面仍處于落后的狀態(tài)
,為了趕超國(guó)際先進(jìn)水平,我國(guó)的高強(qiáng)度緊固件的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。
1、汽車緊固件
從整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展來(lái)看,緊固件被稱為“工業(yè)之米”、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“螺絲釘”。緊固件在整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中
,通常只占很小的一部分,但作為產(chǎn)品的有機(jī)組成部分,卻起著重要的作用:將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中兩個(gè)或兩個(gè)以上
的工件緊固連接成一個(gè)整體。常見(jiàn)的緊固件有螺栓、螺釘、螺柱、螺母以及其組合件如墊圈、檔圈、銷、鉚
釘、連接副等,廣泛用于汽車、工程、建筑等領(lǐng)域。
1.1 國(guó)內(nèi)汽車用緊固件現(xiàn)狀
圖1為世界緊固件應(yīng)用行業(yè)分配比例圖,從圖中可以看出,電子工業(yè)、維修與建筑工業(yè)、汽車工業(yè)是緊固件
的三大用戶。汽車工業(yè)所需的緊固件數(shù)量占緊固件總銷量的23.2%,在三大用戶中占有最大的比例,而維
修與建筑工業(yè)和電子工業(yè)分別位居二三位,占20%和16.6%。
汽車緊固件種類繁多,主要分為四大類,包括
標(biāo)準(zhǔn)緊固件、非標(biāo)準(zhǔn)緊固件、標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械元件和非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械元件,其中非標(biāo)準(zhǔn)緊固件質(zhì)量要求最高。非標(biāo)準(zhǔn)緊
固件中,如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓、飛輪螺栓、車輪螺栓、懸掛螺栓等由于其要求很高的質(zhì)量和良好的穩(wěn)定性
,我國(guó)還不能達(dá)到國(guó)產(chǎn)化要求,大部分依賴進(jìn)口?!笆濉闭嚻陂g,我國(guó)上海大眾、上海通用、東風(fēng)富康、廣州本田、奇瑞、吉利、力帆、比亞迪等在內(nèi)的整車企業(yè)迅速發(fā)展,必將在今后的一段時(shí)間內(nèi)帶動(dòng)汽
車緊固件的迅速發(fā)展。
2013年,我國(guó)汽車銷量突破2000萬(wàn)輛,而在汽車工業(yè)中,轎車的需求量是最大的,而轎車中緊固件的需求量
也隨之增加,對(duì)于轎車緊固件來(lái)說(shuō),質(zhì)量要求十分嚴(yán)格,其桿類緊固件和螺母類緊固件的強(qiáng)度要求大部分在
8級(jí)以上,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也發(fā)生較大的變化。以乘用車為例,我國(guó)引進(jìn)的高檔的品牌汽車占80%以上,這些高檔
品牌汽車雖然在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)線上裝配,但車上所用緊固件大部分還是直接從國(guó)外引進(jìn),乘用車所用的緊固件原
料主要包括低碳鋼線材和不銹鋼線材,由這些原料制成的緊固件其強(qiáng)度大,而對(duì)于一些強(qiáng)度要求在10級(jí)以上
的異型緊固件,則需由定點(diǎn)專業(yè)的配套工廠生產(chǎn),我國(guó)在制造這些高強(qiáng)度緊固件的原料和緊固件產(chǎn)品在質(zhì)量
穩(wěn)定性方面都存在問(wèn)題。
據(jù)統(tǒng)計(jì),一輛中型商用車所用緊固件數(shù)量達(dá)到兩千多個(gè),加上其它的連接附件,其總耗材質(zhì)量多達(dá)100kg;
商用車的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)所用緊固件強(qiáng)度要求達(dá)到10級(jí)以上,而其它部位緊固件強(qiáng)度則要求達(dá)到8級(jí)以上。
我國(guó)汽車行業(yè)對(duì)緊固件重視不足,導(dǎo)致汽車緊固件的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于汽車行業(yè)的發(fā)展。
針對(duì)我國(guó)汽車緊固件行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,可以從兩個(gè)方面進(jìn)一步提高:一方面,提高自主創(chuàng)新能力,掌握原創(chuàng)
性和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),而我國(guó)汽車緊固件大部分研發(fā)模仿國(guó)外產(chǎn)品;另一方面,改進(jìn)生產(chǎn)裝備,提高產(chǎn)品質(zhì)量
穩(wěn)定性,而目前國(guó)內(nèi)企業(yè)主要采用人工挑選,缺陷標(biāo)準(zhǔn)控制在(150~200)×10-6,而國(guó)外水平
控制在(60~90)×10-6。我國(guó)的材料和裝備和國(guó)外的先進(jìn)水平還
存在一些差距,我國(guó)在專業(yè)材料和專業(yè)技術(shù)方面還有待提高。
1.2 汽車用緊固件的安全性
緊固件在汽車成品中所占比例小,但對(duì)于整車造成的損害卻是很大的,從發(fā)生事故的汽車來(lái)看,由于緊固件
損壞造成的事故達(dá)一半以上,有的甚至危及人的生命安全,而追究緊固件損壞的原因,主要取決于緊固件所
用材料的好壞。
1.2.1 失效形式
緊固件在各類機(jī)械零件或者建筑結(jié)構(gòu)件中,主要起到連接的作用,當(dāng)外界對(duì)結(jié)構(gòu)件施加載荷的時(shí)侯,緊固件
能夠使結(jié)構(gòu)件保持原有的連接狀態(tài)而不產(chǎn)生失效預(yù)緊載荷。由于結(jié)構(gòu)件所承受載荷的形式多變,如、工作載
荷和沖擊載荷,緊固件會(huì)在這些載而將荷的作用下產(chǎn)生失效,主要有斷裂和松脫。結(jié)構(gòu)件中任何一個(gè)緊固件
連接點(diǎn)的斷裂和松脫,會(huì)引起整個(gè)結(jié)構(gòu)連接鏈的失效,其中斷裂會(huì)造成結(jié)構(gòu)連接件的斷開(kāi)。緊固件發(fā)生斷裂
的原因可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行分析,緊固件所用材料強(qiáng)度不夠,在外界載荷的作用下發(fā)生斷裂;由于緊固
件所用材料在熱處理過(guò)程中不合理,存在表面裂紋等缺陷;由于緊固件在外界長(zhǎng)期載荷作用下產(chǎn)生疲勞斷裂
。
1.2.2 性能及組織要求
高質(zhì)量緊固件所用的鋼在性能上需要達(dá)到以下要求:1)緊固件所用的鋼原料在塑性變形中具有較高的伸長(zhǎng)率
和斷面收縮率;2)緊固件在冷塑性變形中,所用鋼材料具較小的變形抗力,在加工變形過(guò)程中硬化率低,具
有較小的屈強(qiáng)比值。高質(zhì)量的緊固件所用鋼在組織上需要達(dá)到以下要求:1)緊固件所用鋼的顯微組織主要由
鐵素體加珠光體組成,其中鐵素體所占比例達(dá)到60%以上,剩余為珠光體;2)緊固件所用鋼中所含的非金屬夾雜物,氧化鋁和球狀氧化物大小級(jí)別應(yīng)小于0.5級(jí),所含夾雜物總和應(yīng)小于3級(jí);3)緊固件所用鋼表面不存在表面裂紋等缺陷,如凹凸折疊、結(jié)疤、麻點(diǎn)等,否則緊固件在冷鐓過(guò)程中容易造成開(kāi)裂的危險(xiǎn)。
1.2.3 改進(jìn)方向
為了生產(chǎn)出高質(zhì)量的緊固件產(chǎn)品,在選用緊固件所用鋼的過(guò)程中,必須嚴(yán)格控制所用鋼的化學(xué)成分,減少鋼
中有害元素S、P、O的含量,減少氧化物、硫化物夾雜對(duì)緊固件生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)裂的影響;在冶煉和軋制
的過(guò)程中,通過(guò)控制工藝參數(shù),如降低壓下量、減少軋制次數(shù)和翻鋼次數(shù),使緊固件所用鋼在生產(chǎn)過(guò)程中減
少折疊,獲得均勻、細(xì)小的晶粒組織。在生產(chǎn)緊固件產(chǎn)品的過(guò)程中,先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備是保證高質(zhì)量緊固件的
前提,正確的選用軋輥和變形均勻的孔形系統(tǒng),有助于提高成品的合格率,保證產(chǎn)品表面的光潔;在緊固件
熱處理過(guò)程中,嚴(yán)格控制加熱爐內(nèi)的溫度、時(shí)問(wèn)和氣氛,降低緊固件成品表面的燒損和脫碳;加強(qiáng)鋼坯在整
個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢測(cè),避免鋼坯表面存在裂紋等缺陷。
為了保證緊固件大批量的生產(chǎn)需求,緊固件生產(chǎn)者需要保證緊固件的高質(zhì)量和高穩(wěn)定性。盡管生產(chǎn)者對(duì)關(guān)鍵
生產(chǎn)工序進(jìn)行了嚴(yán)格的控制,但仍然不能保證生產(chǎn)出完全的好產(chǎn)品,產(chǎn)品合格率無(wú)法提高。因此,在生產(chǎn)完
成后必須進(jìn)行最終的分選和檢測(cè),如人工挑選、渦流分選、光學(xué)傳感尺寸及輪廓分選,分選出具有明顯缺陷
的不良產(chǎn)品,如存在表面裂紋、表面脫碳和尺寸不合格的產(chǎn)品,以滿足客戶的要求。無(wú)缺陷的緊固件是保證
汽車裝配線的順暢運(yùn)行、車輛的安全行駛以及廠家的良好聲譽(yù)的關(guān)鍵所在。因此,近年來(lái)國(guó)外緊固件企業(yè)大
量涌人國(guó)內(nèi),而我國(guó)的緊固件企業(yè)挑戰(zhàn)和機(jī)遇并存。國(guó)內(nèi)緊固件企業(yè)需要打造品牌、提高品質(zhì)、確保更高的
零件合格率,向零缺陷的目標(biāo)不斷努力。
2、緊固件行業(yè)熱處理技術(shù)
隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,節(jié)能、環(huán)保、輕量化、小型化、薄壁化的要求不斷增長(zhǎng),而汽車用緊固件越來(lái)越受到
重視。用于制造汽車緊固件的鋼材需具備良好的強(qiáng)度和塑性,經(jīng)熱處理后可獲得預(yù)期的綜合性能,且資源豐
富價(jià)格相對(duì)較低,并具有一定的可利用再生性,較其他材料具有更高的性價(jià)比。熱處理工藝是汽車緊固件用
鋼獲得良好綜合性能的關(guān)鍵之一,不合理的熱處理工藝會(huì)直接導(dǎo)致緊固件的失效。
2.1 緊固件行業(yè)熱處理概況
緊固件所用鋼材都要經(jīng)過(guò)不同工藝的熱處理,達(dá)到緊固件力學(xué)性能的要求。根據(jù)緊固件所用鋼材的力學(xué)性能
要求和熱處理工序的前后順序,將熱處理分為三步,第一步為鋼材的熱處理,包括軟化退火和球化退火;第
二步為中問(wèn)熱處理,包括再結(jié)晶退火和低溫退火;第三步為緊固件成品的熱處理,為調(diào)質(zhì)處理。
據(jù)統(tǒng)計(jì),到2007年底,我國(guó)共有緊固件企業(yè)七千余家,年產(chǎn)量達(dá)到520多萬(wàn)噸,其中8級(jí)以上的緊固件產(chǎn)量約
220萬(wàn)噸,需要熱處理的高強(qiáng)度緊固件高達(dá)40%。我國(guó)生產(chǎn)緊固件企業(yè)中共有熱處理設(shè)備2700多臺(tái),其中可
控氣氛連續(xù)式加熱網(wǎng)帶爐1600多臺(tái)。緊固件成品的調(diào)質(zhì)處理采用連續(xù)式網(wǎng)帶爐,緊固件的平均熱處理價(jià)格約
725元/t,每年的緊固件的加工收入約15.5億元。按緊固件熱處理的電費(fèi)成本占年加工收入的70%推算,熱
處理的電費(fèi)成本約10.85億元,按全國(guó)平均電費(fèi)價(jià)格0.7元/kw推算,緊固件的年耗電量約15.
5×109kW·h,緊固件的平均加工耗能約775kW·h/t,而歐美國(guó)家的緊固件的平均加工耗能約
425kW·h/t,僅為國(guó)內(nèi)緊固件的平均加工耗能的一半。緊固件熱處理輔料,如熱處理用各類淬火介質(zhì)、發(fā)
黑劑、清洗劑,每年消耗量計(jì)1500余萬(wàn)元;緊固件熱處理配件,如耐熱鋼備件、工裝夾具等,每年消耗量計(jì)
700余萬(wàn)元;平均利潤(rùn)率在12.5%左右。
2.2 緊固件熱處理的技術(shù)
為了獲得高質(zhì)量的汽車緊固件,緊固件在調(diào)質(zhì)熱處理的過(guò)程中,必須采用先進(jìn)的熱處理裝備和先進(jìn)的生產(chǎn)技
術(shù),保證熱處理的順利進(jìn)行,從而使緊固件獲得較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度比。調(diào)質(zhì)熱處理工藝主要包括加
熱、淬火和回火三個(gè)步驟,其中加熱和回火前均需對(duì)原料進(jìn)行徹底的清洗,整個(gè)步驟完成后即可進(jìn)行著色后
下線。比如東風(fēng)汽車的緊固件,通過(guò)調(diào)質(zhì)熱處理需要達(dá)到四個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的緊固件:8.8級(jí)、9.8級(jí)、10.9級(jí)和12.9級(jí),而在熱處理過(guò)程中,原材料材質(zhì)、熱處理調(diào)質(zhì)爐溫度、爐內(nèi)氣氛、淬火介質(zhì)、成品后的質(zhì)量檢測(cè)等都是影響緊固件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
2.2.1 材料材質(zhì)
國(guó)內(nèi)緊固件所用鋼在使用過(guò)程中存在偏析、脫碳、裂紋等問(wèn)題,這主要是由于兩方面因素引起的,一方面緊
固件所用鋼的原料在冷成型前沒(méi)有進(jìn)行球化退火;另一方面退火過(guò)程中退火爐沒(méi)有采用氣氛保護(hù),使鋼原料
的表面脫碳。而國(guó)外一些企業(yè)從材料和退火保護(hù)氣氛兩方面人手,很好地解決了鋼原料的脫碳問(wèn)題。日本神
戶企業(yè)采用球化鋼作為緊固件所用鋼原料,緊固件生產(chǎn)廠家不需要對(duì)鋼原料進(jìn)行球化退火,因此也不存在脫
碳的問(wèn)題;俄羅斯的緊固件企業(yè)對(duì)鋼原料進(jìn)行感應(yīng)加熱,然后再在保護(hù)氣氛下進(jìn)行球化退火,該工藝很好地
解決了緊固件鋼原料的脫碳問(wèn)題。
2.2.2 熱處理調(diào)質(zhì)爐
國(guó)外的熱處理調(diào)質(zhì)線廣泛采用鑄鏈?zhǔn)胶途W(wǎng)帶式,這兩種調(diào)質(zhì)線在爐子密封性、計(jì)算機(jī)控制和故障顯示等方面
具有明顯的優(yōu)勢(shì)。高強(qiáng)度緊固件從加熱、淬火和回火,其中包括加熱和回火前的清洗工序,整個(gè)步驟完成后
的著色和下線,均由計(jì)算機(jī)全程自動(dòng)控制運(yùn)行,可以有效保證材料熱處理質(zhì)量的穩(wěn)定性。
國(guó)內(nèi)企業(yè)大部分自動(dòng)化程度不高,以東風(fēng)汽車的8.8級(jí)的高強(qiáng)度緊固件為例,其調(diào)質(zhì)處理在震底爐上進(jìn)行,
受到熱處理爐設(shè)備條件的限制,該爐子密閉性差,保護(hù)氣氛純度不易控制,爐溫溫差大,且零件實(shí)際的加熱
時(shí)間不確定,零件在爐內(nèi)加熱過(guò)程中存在碰撞摩擦的現(xiàn)象,因此會(huì)存在材料表面脫碳、局部加熱不均、零件
相互碰傷等現(xiàn)象。
2.2.3 淬火介質(zhì)
調(diào)質(zhì)熱處理后進(jìn)行淬火所用的介質(zhì)對(duì)于熱處理來(lái)說(shuō)起著非常重要的作用,它直接影響緊固件所用鋼原料熱處
理后的冷卻能力,會(huì)直接導(dǎo)致淬火開(kāi)裂和變形等現(xiàn)象。國(guó)外高強(qiáng)度緊固件在進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理后,對(duì)中碳鋼采
用水溶性淬火介質(zhì)(PVG)或快速淬火油進(jìn)行淬火。而國(guó)內(nèi)緊固件企業(yè)大部分采用兩種淬火介質(zhì):堿水和普通
機(jī)械油。在堿水中淬火,緊固件表面容易產(chǎn)生淬火開(kāi)裂的現(xiàn)象,而在普通機(jī)械油中淬火,緊固件表面存在硬
度不均的現(xiàn)象,因此在實(shí)際生產(chǎn)中不得不對(duì)緊固件鋼原料反復(fù)進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。
2.2.4 檢測(cè)
為了保證緊固件質(zhì)量的絕對(duì)可靠,完善的檢測(cè)設(shè)備是質(zhì)量保證必備條件,國(guó)外采用直讀光譜儀對(duì)緊固件鋼原
料的化學(xué)成分進(jìn)行快速檢測(cè);并對(duì)原料是否存裂紋等缺陷進(jìn)行在線無(wú)損檢測(cè),以保證原材料在進(jìn)人熱處理前
處于完好狀態(tài);緊固件在進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理時(shí),采用碳勢(shì)控制、溫度控制和工藝參數(shù)的控制;淬火介質(zhì)實(shí)行溫
度和冷卻速度的監(jiān)測(cè),淬、回火后硬度測(cè)量和金相測(cè)定。必要時(shí)進(jìn)行定量測(cè)定,對(duì)調(diào)質(zhì)后零件進(jìn)行熒光磁粉無(wú)損探傷、零件內(nèi)在缺陷分選和強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能的測(cè)定。
而國(guó)內(nèi)企業(yè)的熱處理后的緊固件主要進(jìn)行硬度、抗拉強(qiáng)度、金相組織的檢測(cè)和保護(hù)氣氛分析,僅部分高級(jí)別
緊固件進(jìn)行磁粉熒光無(wú)損檢查零件內(nèi)部裂紋等缺陷。而淬火介質(zhì)冷卻溫度和冷卻速度的測(cè)定、金相組織的定
量分析等卻達(dá)不到檢測(cè)要求。
2.3 緊固件熱處理設(shè)備的更新
我國(guó)政府大力倡導(dǎo)建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì),提出了3年內(nèi)節(jié)約能耗20%的硬性指標(biāo),鼓勵(lì)企業(yè)必須進(jìn)行技術(shù)改
造和設(shè)備更新。而且隨著緊固件行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,客戶對(duì)緊固件產(chǎn)品質(zhì)量,諸如輕量化、環(huán)保、長(zhǎng)壽命
等方面的要求不斷提高,企業(yè)的設(shè)備將會(huì)不斷改造更新,先進(jìn)熱處理裝備的投入在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里仍將擁有較大的發(fā)展空間,以適應(yīng)國(guó)外國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展和需要。
緊固件企業(yè)熱處理設(shè)備的改造和更新主要趨向使用可控氣氛網(wǎng)帶爐和多用爐,來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的井式爐和網(wǎng)帶爐。與電加熱爐相比,燃?xì)饧訜釥t具有更高的加熱效率。采用電加熱方式加熱,熱能的利用率僅為30%左右
;而采用燃?xì)饧訜岱绞郊訜幔瑹崮艿睦寐士蛇_(dá)到60%左右。連續(xù)式網(wǎng)帶爐生產(chǎn)線的加熱區(qū)采用燃?xì)饧訜幔?
保溫區(qū)采用電加熱,能夠充分發(fā)揮燃?xì)饧訜岷碗娂訜岬膬?yōu)勢(shì),在我國(guó)天然氣資源豐富的地區(qū),這一技術(shù)將得到廣泛的推廣和應(yīng)用。
密封箱式多用爐工藝靈活,能對(duì)長(zhǎng)桿類緊固件進(jìn)行淬火處理,工作溫度可提高到1050~1100℃,具有高效、
節(jié)能、低成本和清潔生產(chǎn)的特點(diǎn),是中小型緊固件企業(yè)技術(shù)改造與設(shè)備更新的適用爐型。
3、結(jié)語(yǔ)
國(guó)內(nèi)汽車緊固件企業(yè)雖然與國(guó)外先進(jìn)水平相比還存在明顯差距,但是我國(guó)緊固件企業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展,具備
了一定的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)。隨著汽車行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,汽車緊固件輕量化、環(huán)保、長(zhǎng)壽命等方面的
要求不斷提高。我國(guó)作為全球汽車產(chǎn)銷第一大國(guó),汽車緊固件企業(yè)不斷快速發(fā)展與壯大。從世界格局來(lái)看,
我國(guó)緊固件行業(yè)無(wú)論是橫向規(guī)模發(fā)展還是縱向技術(shù)升級(jí)都具有廣闊的發(fā)展空間,汽車緊固件的發(fā)展和振興之
路任重道遠(yuǎn)。
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