熱處理禁限用工藝的類型及管理

朱海磊，毛 喆，黃天勇，黃紅武

(1.空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室，河南 鄭州 450005；2.航空工業(yè)鄭州飛機(jī)裝備有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450005)

目前，較多企業(yè)已將禁用、限用工藝納入工藝管理中，熱處理作為生產(chǎn)制造中的重要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量好壞對(duì)產(chǎn)品的功能、安全、壽命都有影響。同時(shí)，熱處理屬于特殊過程，其加工結(jié)果不能直接或間接檢測(cè)，有時(shí)問題在產(chǎn)品使用后才顯現(xiàn)。因此，對(duì)熱處理禁、限用工藝的管控尤為重要。

1 禁用工藝的類型

禁用工藝系指在熱處理生產(chǎn)中，法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中明確禁止使用的工藝方法。熱處理逐步向綠色、環(huán)保、節(jié)能等方向發(fā)展，國(guó)家對(duì)環(huán)保、安全有嚴(yán)重影響的工藝方法禁用，并要求淘汰高耗能的設(shè)備。同時(shí)，對(duì)導(dǎo)致熱處理制件重大質(zhì)量隱患的工藝方法，標(biāo)準(zhǔn)中也明確禁止。

1.1 對(duì)環(huán)保、安全有嚴(yán)重影響

基于對(duì)環(huán)保、安全的考慮，以往嚴(yán)重污染環(huán)境、危害生產(chǎn)安全的工藝方法，已被國(guó)家明文禁止使用。如碳氮共滲工藝，因最初在氰化物液體中進(jìn)行而俗稱“氰化”，由于氰化物高溫分解劇毒氣體，對(duì)操作者身體健康存在巨大隱患，已被禁止使用，現(xiàn)已被氣體碳氮共滲工藝所替代。又如用于配置鹽浴爐的鋇鹽，因揮發(fā)物有劇毒也被禁止使用?，F(xiàn)配置中溫鹽爐多采用NaCl和KCl混合鹽浴，而采用BaCl2的高溫鹽爐已被禁用，高速鋼的淬火已在真空爐中進(jìn)行。

1.2 高耗能、產(chǎn)能落后的設(shè)備

盡可能減少能源消耗量，是國(guó)家的發(fā)展規(guī)劃。熱處理中用于控制溫度的控制柜，以前采用位式交流接觸器的溫度控制柜，因控制精度低，與可控硅控制柜控溫的熱處理爐相比耗能高出10%～20%，已要求淘汰。插入式電極鹽浴爐因使用效率低、電量大，并且由于電極直接插入鹽浴，在鹽浴與空氣交界處極易產(chǎn)生氧化[1]，致使電極壽命變短。目前，現(xiàn)已被埋入式鹽浴爐所代替。

1.3 對(duì)制件有嚴(yán)重質(zhì)量問題的工藝方法

1.3.1 直接造成制件報(bào)廢

加熱是熱處理中必不可少的工序。對(duì)密閉制件進(jìn)行加熱，高溫下金屬材料強(qiáng)度低且密閉的氣體會(huì)受熱膨脹，這就會(huì)導(dǎo)致制件變形或開裂，造成制件報(bào)廢。因此HB/Z 136—2000《航空結(jié)構(gòu)鋼熱處理工藝》中6.4.3規(guī)定：“內(nèi)腔封閉的制件，在熱處理時(shí)必須有排氣孔或使用排氣管?！痹趯?shí)際生產(chǎn)中，工藝規(guī)程中對(duì)某內(nèi)腔密閉的制件事先安排了排氣孔，為防止轉(zhuǎn)運(yùn)過程中雜物進(jìn)入內(nèi)腔形成多余物，工藝規(guī)程將工藝孔設(shè)計(jì)為螺紋孔，要求周轉(zhuǎn)過程中用螺釘擰緊，熱處理前擰出螺釘。若直接將制件進(jìn)行加熱，制件將發(fā)生嚴(yán)重畸變而報(bào)廢。

1.3.2 存在質(zhì)量隱患

質(zhì)量隱患是指按此工藝方法操作后，按常規(guī)檢測(cè)制件的強(qiáng)度、硬度等指標(biāo)都符合技術(shù)要求，但存在對(duì)制件抗蝕性下降、沖擊韌性差等質(zhì)量隱患。如奧氏體不銹鋼熱處理，500～800 ℃是該類材料的敏化穩(wěn)定溫度，但在此溫度范圍內(nèi)保溫或緩慢冷卻，則會(huì)發(fā)生晶間腐蝕，造成制件抗蝕性下降。為此，奧氏體不銹鋼需嚴(yán)禁在此溫度下保溫或緩冷。另外，對(duì)于鈦合金熱處理，由于高溫下鈦有很高的化學(xué)活性，容易被爐氣中的氫、氧、氮等元素化合，一旦氫超標(biāo)則會(huì)導(dǎo)致氫脆；鈦合金形成的富氧層，其塑性差易剝落；鈦合金滲入氮會(huì)使塑性顯著下降[2]。故沒有加工余量的鈦合金熱處理時(shí)，要求采用真空熱處理，并采取惰性氣體保護(hù)。這些質(zhì)量隱患都會(huì)導(dǎo)致制件在使用過程中失效而出現(xiàn)產(chǎn)品降級(jí)之類的問題。

2 限用工藝的類型

限用工藝指在熱處理生產(chǎn)中，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量保證難度大，存在一定隱患，需采取相應(yīng)措施后，在一定條件下可以保證質(zhì)量要求的工藝方法。這涉及材料選取、設(shè)備、操作等方面。

2.1 材料選取

材料熱處理后的性能由其組織決定，但材料固有的化學(xué)成分卻決定了該材料在某種狀態(tài)下的固有特性。有些材料在某些狀態(tài)下存在固有的不足，會(huì)導(dǎo)致制件在使用中出現(xiàn)失效現(xiàn)象。如HB/Z 80—2011《航空用不銹鋼熱處理》中“表3淬火或固溶處理、回火或時(shí)效的加熱溫度即冷卻方式”的注解d規(guī)定“考慮到回火脆性的不良影響，除制件有特殊要求外此溫度不宜采用，新產(chǎn)品不應(yīng)采用?！痹摌?biāo)準(zhǔn)注明了1Cr13在520～560 ℃回火、2Cr13在500～560 ℃回火、3Cr13在500～530 ℃回火、1Cr17Ni2在480～560 ℃回火時(shí)都存在回火脆性的情況。這是因?yàn)樵诖藴囟认?，該類不銹鋼在上述溫度范圍內(nèi)回火時(shí)，(Fe、Cr)3C碳化物會(huì)向(Cr、Fe)7C3轉(zhuǎn)變，造成貧Cr區(qū)與富Cr區(qū)基體，不僅降低了材料的抗蝕性，還會(huì)因此導(dǎo)致Cr的碳化物不均勻偏聚，引起點(diǎn)陣畸變和內(nèi)應(yīng)力增加，使材料脆性不良。

2.2 設(shè)備選用

某些制件因自身結(jié)構(gòu)的特殊性，在選用熱處理設(shè)備時(shí)，由于設(shè)備固有性質(zhì)而導(dǎo)致質(zhì)量隱患。如盲孔類零件若采用鹽爐進(jìn)行熱處理淬火，在制件從鹽爐保溫后冷卻過程中，制件盲孔內(nèi)會(huì)存在殘留的鹽，在冷卻介質(zhì)作用下，殘鹽會(huì)凝固在制件表面。殘鹽是由NaCl和KCl組成，因含有離子半徑小而具有較強(qiáng)穿透性的氯離子，能穿透金屬表面的氧化層和防護(hù)層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致制件發(fā)生腐蝕。

另外，一些輔助設(shè)施的選用也有類似問題。如GJB 509B—2008《熱處理工藝質(zhì)量控制》中5.3.3條款中規(guī)定：“淬火槽一般應(yīng)有循環(huán)攪拌和冷卻裝置，不推薦采用壓縮空氣進(jìn)行攪拌。”這是由于壓縮空氣中含有一定量的水，若空氣壓縮機(jī)出現(xiàn)故障，干燥機(jī)或排水出現(xiàn)故障，更會(huì)導(dǎo)致壓縮空氣中的水含量增加。熱處理合金鋼的淬火常采用油冷卻，若水進(jìn)入淬火油中，會(huì)使淬火油中的添加劑乳化、沉降或水解失去功效，使淬火油使用壽命變短。而且，長(zhǎng)期使用壓縮空氣攪拌，會(huì)使淬火油中的水含量日益增多。實(shí)踐證明，當(dāng)油中含水在0.03%時(shí)，就會(huì)對(duì)鋼淬火后的表面光亮度產(chǎn)生影響；含水0.05%以上時(shí)，將會(huì)使工件淬火變形量增加；而含水量達(dá)到0.10%以上時(shí)，則可能使工件淬火出現(xiàn)裂紋[3]。

2.3 對(duì)操作技能要求高

有些熱處理操作環(huán)節(jié)對(duì)操作人員技能要求高，若操作不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致制件出現(xiàn)質(zhì)量故障，嚴(yán)重還可能導(dǎo)致制件報(bào)廢。如黑色金屬在淬火冷卻時(shí)，制件冷卻速度應(yīng)大于臨界冷卻速度從而通過C曲線的“鼻尖”[4]，才能保證淬火冷卻過程中過冷奧氏體不提前發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而得到馬氏體組織。對(duì)于45鋼、T8A等中碳鋼和碳素工具鋼來說，其“C曲線”偏左，在淬火時(shí)油冷卻的速度不能大于臨界冷卻速度，需采用水冷卻保證通過C曲線“鼻尖”。中、高碳鋼在冷卻后期奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，因含碳量高，會(huì)產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，從馬氏體開始轉(zhuǎn)變到轉(zhuǎn)變結(jié)束這一過程中，若冷速過快，還會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。組織應(yīng)力和熱應(yīng)力疊加所產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料的斷裂強(qiáng)度，則造成開裂[5]。故淬火時(shí)完全采用水冷，存在較大的淬火開裂風(fēng)險(xiǎn)，因此在操作中常采用水油分級(jí)的淬火方式，即制件先在水中冷卻到400～500 ℃左右，再采用油冷的方式，即保證了冷卻速度大于臨界冷速，又避免了馬氏體轉(zhuǎn)變過程中應(yīng)力過大的風(fēng)險(xiǎn)。但在水中冷卻時(shí)間為3～5 s，然后轉(zhuǎn)入油中冷卻，這對(duì)操作者技能要求較高，在水中冷卻時(shí)間短會(huì)導(dǎo)致制件淬火后硬度不足，而在水中冷卻時(shí)間長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致制件因開裂而報(bào)廢。

3 熱處理禁限用工藝的管理

3.1 識(shí)別

企業(yè)應(yīng)結(jié)合GJB 9001C—2017《質(zhì)量管理體系要求》中7.1.6條款“組織的知識(shí)”的要求對(duì)熱處理禁、限用工藝進(jìn)行知識(shí)管理。即結(jié)合相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，結(jié)合企業(yè)自身產(chǎn)品的特點(diǎn)和以往熱處理質(zhì)量案例的情況，對(duì)熱處理工藝進(jìn)行審視、總結(jié)，形成企業(yè)自身的《熱處理禁、限用工藝目錄》。

3.2 應(yīng)用

根據(jù)企業(yè)《熱處理禁、限用工藝目錄》，對(duì)現(xiàn)有情況進(jìn)行核查，分類進(jìn)行管理。在設(shè)備方面將標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定禁止使用的高耗能、產(chǎn)能落后的設(shè)備和限用的存在隱患的設(shè)備有計(jì)劃地進(jìn)行淘汰更新。對(duì)存在材料固有特性不足的，要求設(shè)計(jì)人員不在此范圍內(nèi)選用，并提供相應(yīng)的替代材料，如用PH15-5等沉淀硬化不銹鋼代替1Cr13、2 Cr13、1Cr17Ni2等材料。對(duì)于要求操作人員技能高的工藝方法，可以讓設(shè)計(jì)人員進(jìn)行材料更改，也可以在熱處理工藝規(guī)程中對(duì)此工序設(shè)為關(guān)鍵工序，指定人員操作。另外，還可通過調(diào)整工藝方法杜絕質(zhì)量隱患，如用真空爐代替鹽爐對(duì)盲孔類零件淬火，可完全避免殘鹽腐蝕制件的隱患等。

3.3 后期控制

3.3.1 設(shè)計(jì)控制

企業(yè)應(yīng)對(duì)《熱處理禁、限用工藝目錄》進(jìn)行培訓(xùn)，讓設(shè)計(jì)人員、工藝人員了解熱處理禁、限用工藝的內(nèi)容，并作為新產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝總方案制定時(shí)的指導(dǎo)文件之一。讓產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)人員在考慮產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，通過合理選用材料、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝路線，避免選用或涉及熱處理禁用工藝項(xiàng)目。同時(shí)，加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)的評(píng)審，識(shí)別是否存在熱處理禁、限用工藝，對(duì)于存在的禁用工藝，不得采用；若不可避免要涉及限用工藝，則要在熱處理工藝規(guī)程中明確質(zhì)量控制點(diǎn)，避免質(zhì)量問題的發(fā)生。如超高強(qiáng)度鋼30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA，一般采用硝鹽等溫淬火，目前常采用鹽爐進(jìn)行加熱，若零件存在盲孔零件，則應(yīng)在工藝規(guī)程中明確零件在鹽爐中的放置方式，讓零件在鹽爐中加熱時(shí)盲孔口朝下，便于出爐時(shí)鹽從盲孔流出，并增加硝鹽等溫冷卻后熱水清洗工序，并明確要求檢查盲孔內(nèi)是否有殘鹽堆積。

3.3.2 質(zhì)量控制

在后續(xù)熱處理生產(chǎn)環(huán)節(jié)，應(yīng)加強(qiáng)熱處理限用工藝的質(zhì)量控制，如采用壓縮空氣攪拌淬火冷卻油，可通過調(diào)整分析周期的方式，加強(qiáng)對(duì)油內(nèi)的含水量進(jìn)行分析，確保熱處理生產(chǎn)過程中質(zhì)量可控。若涉及熱處理外協(xié)生產(chǎn)，對(duì)外協(xié)廠家的設(shè)備、工藝都要進(jìn)行評(píng)審，識(shí)別是否存在禁、限用工藝，并根據(jù)情況進(jìn)行論證控制，策劃相應(yīng)的質(zhì)量控制方式。

3.3.3 持續(xù)改進(jìn)

根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品的特點(diǎn)，結(jié)合熱處理生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，不斷進(jìn)行分析改進(jìn)，完善企業(yè)自身的《熱處理禁、限用工藝目錄》，盡可能從技術(shù)源頭上避免熱處理質(zhì)量問題的出現(xiàn)。同時(shí)，及時(shí)了解并貫徹?zé)崽幚硇袠I(yè)新標(biāo)準(zhǔn)，不斷完善熱處理禁、限用工藝的內(nèi)容，讓企業(yè)能應(yīng)對(duì)不斷變化的禁、限用工藝要求和熱處理行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)語

對(duì)熱處理禁、限用工藝的管理是一項(xiàng)繁瑣且責(zé)任重大的工作，要求從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、質(zhì)量管控、生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)加強(qiáng)控制，要在各類人員共同參與，通過實(shí)踐不斷完善總結(jié)，確保企業(yè)產(chǎn)品的熱處理質(zhì)量穩(wěn)定可靠。