陳遠(yuǎn)寧,朱學(xué)彪,劉 捷,徐一寧

(1.武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動化學(xué)院,湖北 武漢 430000;2.九江七所精密機(jī)電科技有限公司,江西 九江 332000)

1 氮碳氧鹽浴復(fù)合處理簡介

1.1 氮碳氧鹽浴復(fù)合處理簡介

氮碳氧鹽浴復(fù)合處理技術(shù)因其高效性和相對經(jīng)濟(jì)性被越來越多的企業(yè)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中,如車輛制造、精密零件制造等。氮碳氧鹽浴復(fù)合處理是一種高效的金屬表面熱處理技術(shù)[1],在業(yè)內(nèi)也被稱為QPQ復(fù)合處理,QPQ也代表著此項(xiàng)技術(shù)的淬火拋光再淬火的大體工藝流程同時(shí)也揭示了氮碳氧鹽浴復(fù)合處理的大致過程和目的。氮碳氧復(fù)合處理技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上優(yōu)化了加工工序,縮短了生產(chǎn)周期,降低了生產(chǎn)成本,經(jīng)此處理后的金屬材料可同時(shí)具有高耐磨性和高抗腐蝕性[2]。

1.2 QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)工藝原理

QPQ工藝流程:清洗→預(yù)熱→氮碳共滲→氧化→冷卻清洗→拋光→二次氧化→清洗→脫水干燥浸油[1]。

其中清洗是為了去除工件表面的污漬和銹蝕,避免工件在完成QPQ復(fù)合處理后滲層發(fā)紅和性能不達(dá)標(biāo);預(yù)熱是為了去除工件表面的水分,使工件干燥的進(jìn)入氮碳共滲爐中,提高工件表面質(zhì)量,在氮碳共滲爐鹽浴之后,樣品表面已經(jīng)形成了氮化層,對此時(shí)的樣本進(jìn)行氧化拋光,然后再對產(chǎn)品進(jìn)行二次氧化處理,最后清洗工件表面并去除水分[3]。

2 氮碳氧鹽浴復(fù)合處理特殊過程確認(rèn)內(nèi)容

2.1 特殊過程確認(rèn)的意義

直觀不易發(fā)現(xiàn)、不易測量或不能經(jīng)濟(jì)地測量的產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量特性的形成過程稱之為特殊過程[2]。過程確認(rèn)是通過提供客觀證據(jù)對過程能力滿足規(guī)定要求的鑒定或合格評定。特殊過程確認(rèn)就是通過大量的、與產(chǎn)品生產(chǎn)相關(guān)的、客觀的證據(jù)來認(rèn)定此特殊過程形成產(chǎn)品的質(zhì)量特性符合要求[3]。在QPQ復(fù)合處理中,產(chǎn)品不同區(qū)域的性能不盡相同(包括力學(xué)性能和化學(xué)性能),因此在檢驗(yàn)時(shí)抽檢的單一樣本的性能無法代表整個(gè)材料的性能[4-6]。

金屬材料、浴鹽材料以及后續(xù)的時(shí)間、溫度等因素綜合作用著整個(gè)金屬材料的最終性能,只有將以上各要素控制在規(guī)定范圍之內(nèi),處理完成后產(chǎn)品的鹽浴質(zhì)量及其特性才能最大限度的保持一致,最終抽檢樣本及其質(zhì)量特性才能代表同批產(chǎn)品的整體特性。

2.2 特殊過程確認(rèn)內(nèi)容

保證QPQ復(fù)合處理的產(chǎn)品質(zhì)量特性的波動在一定的范圍內(nèi),就必須保證鹽浴復(fù)合處理的過程因素被控制在相應(yīng)的范圍內(nèi)。在產(chǎn)品交付使用前需要證明抽檢產(chǎn)品的特性滿足QPQ復(fù)合處理的過程要求,并且保證此樣本特性能夠代表其他產(chǎn)品的質(zhì)量特性,這就需要在特殊過程處理前將所有的過程因素控制在一定的范圍之中,這個(gè)范圍可由供需雙方共同制定(具體不應(yīng)脫離行業(yè)標(biāo)準(zhǔn))。

QPQ鹽浴復(fù)合處理特殊過程確認(rèn)具體確認(rèn)事項(xiàng)如下:

(1)QPQ復(fù)合處理質(zhì)量特性確認(rèn);

(2)產(chǎn)品隱含的關(guān)聯(lián)特性確認(rèn);

(3)QPQ復(fù)合處理缺陷防止效果確認(rèn);

(4)QPQ復(fù)合處理過程形成因素及測控方式方法及產(chǎn)品代表性確認(rèn)。

2.2.1 QPQ復(fù)合處理質(zhì)量特性確認(rèn)

通常在QPQ復(fù)合處理完成后只檢測所取試樣的性能和顯微組織,性能包括力學(xué)性能、耐磨性、耐蝕性。在特殊過程確認(rèn)時(shí)所選取的試樣大小一般為20 mm×10 mm×10 mm,表面粗糙度Ra≤0.32 μm,并且試樣材料和原始狀態(tài)應(yīng)與產(chǎn)品一致且符合QPQ工藝要求。進(jìn)行特殊過程確認(rèn)時(shí)會根據(jù)不同工件的技術(shù)要求從外觀、硬度、金相組織、畸變量來確認(rèn)QPQ過程的質(zhì)量特性[7-8]。

2.2.2 產(chǎn)品隱含關(guān)聯(lián)特性確認(rèn)

QPQ復(fù)合處理特殊過程確認(rèn)時(shí)需要增加關(guān)聯(lián)指標(biāo)的檢測,通過金屬材料各種指標(biāo)之間的相關(guān)性來確認(rèn)復(fù)合處理過程中的質(zhì)量特性。例如,部分產(chǎn)品檢測項(xiàng)目只注明抗拉強(qiáng)度,但是熱處理中的長時(shí)間高溫會對金屬材料韌性產(chǎn)生影響,所以需要增加韌性檢測。

2.2.3 QPQ復(fù)合處理缺陷防止效果確認(rèn)

在QPQ復(fù)合處理中過程因素控制不當(dāng)易產(chǎn)生缺陷。金屬原材料在預(yù)熱時(shí)未達(dá)到指定溫度導(dǎo)致進(jìn)入氮碳共滲爐后爐內(nèi)溫度下降超過20 ℃,此種情況則需相應(yīng)延長鹽浴時(shí)間,避免因熱處理溫度不夠而導(dǎo)致材料質(zhì)量特性不達(dá)標(biāo)。氮碳共滲時(shí)對浴鹽進(jìn)行脫氧處理,在使用過程中會帶入空氣,在浴鹽中累計(jì)氧元素,使產(chǎn)品氧化脫碳。應(yīng)在工藝設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)措施來減少或避免缺陷的產(chǎn)生。碳鋼件在鹽浴氧化結(jié)束后可直接冷水清洗,但對于變形要求嚴(yán)格的工件,如焊接件和高合金鋼件等,應(yīng)在空氣中冷卻至100 ℃以下后再進(jìn)行清洗[9-11]。

2.2.4 QPQ復(fù)合處理過程形成因素及測控方式方法及產(chǎn)品代表性確認(rèn)

在進(jìn)行過程因素及測控方式確認(rèn)時(shí),必須將產(chǎn)品特性控制在要求范圍內(nèi),并以此為核心辨別出全部過程因素[4]。在QPQ處理過程中,由于操作人員需要避免工件在空氣中過度氧化的同時(shí)盡量使工件表面的鹽浴滴干,操作工件從氮碳共滲爐中出來進(jìn)入氧化爐時(shí)的間隔時(shí)間的操作人員是過程因素。出廠時(shí)鹽浴中的氰酸根含量應(yīng)在28%～39%,具體由供需雙方商定控制,氰酸根含量則為過程因素。添加再生鹽后,需要使再生鹽反應(yīng)充分后再進(jìn)行生產(chǎn),反應(yīng)持續(xù)時(shí)間最少應(yīng)為1 h,再生鹽反應(yīng)時(shí)間是過程因素。表面污染、銹蝕的工件鹽浴會使工件表面發(fā)紅、滲氮不完全從而影響工件的整體性能,鹽浴時(shí)工件的表面狀態(tài)為過程因素。除此之外QPQ復(fù)合處理的過程因素好包括各項(xiàng)溫度和時(shí)間以及加熱過程中溫度的穩(wěn)定程度。

當(dāng)同一批次產(chǎn)品在QPQ復(fù)合處理中全部過程因素被控制在一定范圍內(nèi)時(shí),產(chǎn)品質(zhì)量特性的控制范圍也得到了保證[12]。

3 QPQ鹽浴復(fù)合處理特殊過程確認(rèn)方式

QPQ復(fù)合處理特殊過程確認(rèn)是對QPQ復(fù)合處理的具體工藝,進(jìn)行QPQ復(fù)合處理的各項(xiàng)設(shè)備以及復(fù)合處理結(jié)束后對成品的質(zhì)量控制與檢驗(yàn)項(xiàng)目的確認(rèn)。注意氮碳共滲的溫度和時(shí)間直接決定了成品質(zhì)量須重點(diǎn)確認(rèn)。

3.1 QPQ鹽浴復(fù)合處理工藝規(guī)程

QPQ復(fù)合處理工藝規(guī)程應(yīng)覆蓋QPQ復(fù)合處理的工藝全流程,包括QPQ復(fù)合處理過程中的全部過程因素及其允許的誤差和偏差范圍,成品的最終檢測與控制,進(jìn)行QPQ復(fù)合處理各項(xiàng)操作的操作要求和操作步驟,以及操作所需的注意事項(xiàng)等;控制鹽浴過程中材料變形的要求;所使用的工藝材料和金屬材料的要求、鹽浴設(shè)備,鹽浴原始材料表面清理工藝及要求、鹽浴前預(yù)熱處理、鹽浴及氧化環(huán)境、氮碳共滲爐與氧化爐的受熱方式與加熱方法、鹽浴氮碳與鹽浴氧化共滲溫度及共滲時(shí)間等具體參數(shù);鹽浴復(fù)合處理工藝順序,鹽浴氧化后處理;對鹽浴操作人員的技術(shù)考核與基本技能要求。

3.2 鹽浴設(shè)備性能確認(rèn)

鹽浴設(shè)備對鹽浴項(xiàng)目工藝規(guī)程中所需要求的滿足程度,包括復(fù)合鹽浴處理工藝規(guī)程涉及到的重點(diǎn)設(shè)備的檢定周期和日常維護(hù)要求,并且在每次檢查和維護(hù)之后做出具體的量化性記錄[13]。表1為本公司QPQ過程設(shè)備狀態(tài)檢查表。

表1 設(shè)備狀態(tài)確認(rèn)表

3.3 檢測項(xiàng)目確認(rèn)

QPQ復(fù)合處理的檢測項(xiàng)目確認(rèn)是在整套QPQ工藝過程確認(rèn)完成后對最終產(chǎn)品性能特性檢測方法和評價(jià)準(zhǔn)則的確認(rèn)[14-15],確認(rèn)內(nèi)容包括:特殊過程確認(rèn)時(shí)增加的檢測項(xiàng)目、碳氮氧復(fù)合處理產(chǎn)品性能直接檢測項(xiàng)目、鹽浴氧化缺陷檢查、抽檢產(chǎn)品性能的代表性、確認(rèn)過程完成后鹽浴氧化過程的檢測項(xiàng)目。已處理完成的樣本質(zhì)量的檢驗(yàn)需通過外觀、硬度、高溫、低溫、濕熱、鹽霧、中性鹽霧等試驗(yàn)以及一系列常規(guī)熱處理檢驗(yàn)辦法來確認(rèn)其工藝措施的有效性和正確性(必要時(shí)還需檢測產(chǎn)品的機(jī)械性能)。表2為本公司試驗(yàn)項(xiàng)目表。

表2 QPQ過程確認(rèn)試驗(yàn)項(xiàng)目表

3.4 氮碳共滲溫度和時(shí)間的重點(diǎn)確認(rèn)

不同材料鹽浴時(shí)的溫度和時(shí)間不同,鹽浴氮碳共滲溫度和時(shí)間直接影響工件的最終性能,對工件氮碳共滲時(shí)的溫度和時(shí)間需要重點(diǎn)確認(rèn)。表3為常用典型工件氮碳共滲的溫度和時(shí)間。

表3 典型工件鹽浴溫度和時(shí)間表

3.5 氮碳氧鹽浴復(fù)合處理的再確認(rèn)

鹽浴復(fù)合處理過程因素的測控發(fā)生了更改、產(chǎn)品的檢測項(xiàng)目發(fā)生了更改,設(shè)備更換或大修,氮碳氧鹽浴復(fù)合處理過程需要再確認(rèn)。

4 結(jié) 語

QPQ鹽浴復(fù)合處理特殊過程確認(rèn)的核心內(nèi)容是甄別出具體處理過程中的全部過程因素[3],除了普通熱處理中的各種工藝參數(shù)還包括QPQ復(fù)合處理中特有的工件轉(zhuǎn)移時(shí)間、操作人員、氰酸根含量等特有因素。通過對QPQ復(fù)合處理中特殊過程的確認(rèn),進(jìn)一步完善了金屬熱加工行業(yè)的特殊過程確認(rèn)體系,提升了技術(shù)人員和管理人員的專業(yè)素質(zhì),讓操作人員在具體操作時(shí)有據(jù)可依,在一定程度上節(jié)約了人力、物力和檢測資源,為供需雙方節(jié)省了項(xiàng)目預(yù)選。同時(shí)保證了工藝中各個(gè)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性,大大提高了最終產(chǎn)品的合格率。