熱處理過程的多余物類型及控制措施

尹中秋，胡劍鋒，毛 喆，黃天勇

(1.中國人民解放軍駐一二四廠軍事代表室，河南 鄭州 450005； 2.航空工業(yè)鄭飛公司熱表廠，河南 鄭州 450005)

多余物指產(chǎn)品中存在的與產(chǎn)品規(guī)定狀態(tài)不符的物質(zhì)。多余物存在多種性質(zhì)，從可見層面上分，可分為目視可見的宏觀多余物和需要借助相關(guān)儀器才能觀察到的微觀多余物。由于多余物的問題導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效的案例屢見不鮮。理論上，生產(chǎn)過程中的任何一個環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生或引入多余物[1]，熱處理作為制件加工必不可少的環(huán)節(jié)，生產(chǎn)過程多余物的預(yù)防和控制也尤為重要。

1 熱處理過程多余物類型

熱處理的多余物根據(jù)所選用的設(shè)備不同、工藝方法不同，所產(chǎn)生的多余物類型也不同，結(jié)合生產(chǎn)實踐，列出了不同工藝方法進行熱處理可能產(chǎn)生的多余物類型。

1.1 鹽爐淬火

對于使用BaCl2的高溫鹽爐現(xiàn)已被國家禁止使用，一般工廠所用的中溫鹽浴爐為NaCl和KCl的混合物，使用溫度為750～950 ℃。在使用鹽爐加熱時，多余物主要有以下幾種:

(1)表面氧化物及FeS。工業(yè)NaCl中常含有一定的硫酸鹽，硫酸鹽在高溫下分解生成氧化物，助長鋼的氧化、脫碳，并與鋼中的Fe作用，生成對工件有侵蝕的FeS。具體反應(yīng)方程式如下：

Na2SO4→Na2O+SO3

2SO3→2SO2+O2

2Fe+2Na2SO4→2FeS+3O2+2Na2O

一般常用木炭對鹽爐進行脫氧，木炭一方面可去除鹽爐中的氧，另一方面還可去除鹽爐中的硫酸根，反應(yīng)方程式為

Na2SO4+4C→4CO+Na2S

(2)殘鹽。制件在鹽浴爐中加熱，在后期淬火冷卻時，制件內(nèi)殘留的鹽在淬火冷卻介質(zhì)的作用下凝固，牢牢附在制件表面。但殘留的鹽在潮濕環(huán)境下會腐蝕制件。主要是因為氯離子半徑小，具有很強的穿透性，能穿透金屬表面的氧化層和防護層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，同時，氯離子含有一定的水和能，易被吸附在金屬表面，并將金屬表面的氧排掉，把不溶性的氧化物變成可溶性的氯化物，使鈍化態(tài)表面變成活潑表面，造成制件腐蝕。

1.2 堿槽回火

堿槽一般采用NaOH和KOH的混合物，可實現(xiàn)制件無氧化回火。在制件操作過程中，即使存在殘堿之類的多余物，對制件并無腐蝕作用，還能起到一定防銹作用。堿槽回火可能產(chǎn)生的多余物為工件表面滲入氮，這主要是堿槽使用的脫氧劑加入過多所致。堿槽一般采用脫氧劑的為黃血鹽，分子式為K4Fe(CN)6，脫氧原理為：

K4Fe(CN)6→4KCN+Fe+2[C]+2[N]

KCN+O2→2KCNO

2KCNO→K2CO3+CO+2[N]

黃血鹽在脫氧的同時，亦會產(chǎn)生一些活性氮原子，一般黃血鹽加入堿浴的總量為0.2%～0.3%，雖可產(chǎn)生少量氮原子，對零件影響不大。有時工人操作不規(guī)范，將脫氧劑使用嚴(yán)重超標(biāo)，使堿浴中存在大量黃血鹽殘留，受熱分解出大量活性氮原子，造成制件表面形成氮化層[2]。

1.3 真空熱處理

真空熱處理可實現(xiàn)金屬無氧化加熱，其原因不單純是真空排氣的作用，更主要是在淬火溫度下，氣氛中的氧分壓低于金屬氧化物的平衡分解壓，使金屬處于還原狀態(tài)[3]。因此，制件在真空爐加熱時，不僅使金屬本身不氧化，而且還可以使原來已經(jīng)氧化的金屬進行還原分解。同時，附在工件上的脂肪族油脂，是碳、氫、氧化合物，蒸氣壓較高，在真空中加熱時可被揮發(fā)或分解。在真空熱處理過程中，多余物存在以下形式。

(1)工件滲入碳原子。產(chǎn)生滲碳的主要原因是真空加熱室內(nèi)有較多殘油，在真空加熱下產(chǎn)生油脂的分解產(chǎn)生活性碳原子，而制件表面被還原呈現(xiàn)活性[4]，具備了滲碳的基本條件。油污的產(chǎn)生不僅是零件帶入，更多的是淬火料筐和小車從真空爐加熱室到冷卻室油淬后，在后續(xù)生產(chǎn)時，料筐和小車上的油帶入加熱室內(nèi)，形成殘油。另外，零件在高真空下進行油冷淬火，淬火油受熱分解所形成的活化碳原子在油淬過程中滲入工件在表面形成增碳層[5]。

(2)鈦合金滲入氫、氧、氮等。在高溫下鈦有很高的化學(xué)活性，容易與爐氣中的氫、氧、氮等元素化合，氫超標(biāo)會導(dǎo)致氫脆，鈦合金形成的富氧層塑性差易剝落，鈦合金滲入氮會使塑性顯著下降。一般無加工余量的鈦合金都采用真空熱處理，導(dǎo)致滲入多余元素，這類多余物主要是由于爐膛漏氣不能達到規(guī)定真空度，或真空爐內(nèi)充入保護氣氛時，沒有按規(guī)定使用惰性氣體而使用氮氣。

1.4 電爐熱處理

有加工余量的金屬制件常采用電爐進行淬火，產(chǎn)生氧化皮等多余物也可通過后續(xù)的機械加工去除。但對于無余量制件為消除應(yīng)力而用電爐進行低溫回火時，若制件表面有油污存在，在加熱時進行不完全燃燒產(chǎn)生炭黑，粘附在制件表面，為后續(xù)的表面處理造成困難。有些鋁合金板材采用電爐淬火，制件若表面存在油污不僅會導(dǎo)致表面狀態(tài)差，同時也會降低制件的熔點，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致鋁合金過燒而報廢。

1.5 其他

制件進行熱處理后常進行吹砂工序，砂粒殘留在制件上形成多余物。一般殘留砂粒容易清除，密封零件熱處理前必須增加排氣孔，這類制件在吹砂時，砂子從排氣孔進入零件內(nèi)部空腔，十分難以清除。

熱處理標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定大多合金制件為消除第二類回火脆性而采用回火后水冷，殘留的水附在制件上未及時清理，時間長了會形成銹蝕等多余物。

2 多余物的危害

熱處理多余物的危害根據(jù)制件的使用情況，危害程度也不相同。

2.1 制件報廢

HB 5354—94《熱處理工藝質(zhì)量控制》中6.3條規(guī)定：“無加工余量的鋼制件表面，熱處理(化學(xué)熱處理除外)后不得存在增碳和增氮……”，堿浴脫氧不規(guī)范導(dǎo)致的多余氮化層和真空熱處理產(chǎn)生的滲碳層都會導(dǎo)致制件報廢，熱處理都是成批同爐處理，報廢往往是成批的，經(jīng)濟損失較大。

2.2 產(chǎn)品功能失效

直接發(fā)現(xiàn)的多余物導(dǎo)致的損失只存在于制件本身，若有多余物的制件組裝成產(chǎn)品，多余的殘鹽、水分等，使制件腐蝕，砂粒的隨機滾動落入電器內(nèi)或制件配合面，這些都將會影響產(chǎn)品功能的實現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)品功能失效。

3 控制措施

根據(jù)GJB 9001C—2017《質(zhì)量管理體系要求》的“8.5.1生產(chǎn)和服務(wù)提供的控制”條款，其中(m)關(guān)于預(yù)防、探測和排除多余物的規(guī)定的要求。因此，做好熱處理多余物的控制，應(yīng)根據(jù)不同熱處理制度可能存在的多余物，工藝方法、人員教育、過程管控等方面入手，系統(tǒng)地去控制多余物。

3.1 工藝改進

盡量采用有利于減少、消除多余物產(chǎn)生的工藝方法，從技術(shù)方面進行預(yù)防，具體如下：

1)盲孔零件，具有狹小縫隙、板縫的零件不用鹽爐進行熱處理，改為真空熱處理，防止殘鹽進入；

2)在鹽爐熱處理時，明確規(guī)定零件的入爐方式，避免出爐時殘鹽過多，同時，鹽爐冷卻后，加強清洗，雖然常規(guī)的熱水浸泡能去除殘鹽，為保證清除徹底，應(yīng)使用自動化程度高的清洗設(shè)備；

3)對于排氣孔的設(shè)計，最后將排氣孔設(shè)計為螺紋孔，熱處理工藝上明確熱處理后擰上螺釘，即防止后續(xù)吹砂進入砂粒，還可防止轉(zhuǎn)運過程中其他多余物進入，必要時，可對此類制件采用真空淬火、真空回火，保證制件熱處理光亮，不需要后續(xù)進行吹砂工序；

4)有內(nèi)腔的零件，熱處理回火水冷后，工藝增加低溫烘水工序；

5)對真空爐操作、鋁合金板材、低溫回火等工序，工藝規(guī)程明確清洗步驟；

6)在采用真空爐油淬時，可采用適當(dāng)?shù)南瘸錃夂笕胗突蝾A(yù)冷等方式來避免增碳現(xiàn)象。

7)對于易產(chǎn)生多余物的制件，在工藝規(guī)程中明確檢查的部位及要求。

3.2 人員教育

GJB 9001C—2017中7.3條款是對意識的要求，規(guī)定：“組織應(yīng)確保在其控制下的工作人員知曉：(c)不符合質(zhì)量管理體系要求的后果；(g)所從事活動的重要性以及與其他活動的相關(guān)性；(h)產(chǎn)品和服務(wù)不滿足規(guī)定或預(yù)期要求的后果”。 加強職工的質(zhì)量意識教育，讓職工知曉熱處理多余物的類型及產(chǎn)生環(huán)節(jié)，并讓職工認識到多余物所造成的后果嚴(yán)重性，提高全體職工的質(zhì)量敏感性，共同參與到熱處理質(zhì)量隱患的識別中，群策群力的進行熱處理質(zhì)量改進。

3.3 過程管控

規(guī)范操作步驟，加強日常監(jiān)督，對多余物的檢測應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、制度化，明確鹽爐、堿槽的脫氧規(guī)范，要求真空爐入爐前對制件、料筐的清洗等，并結(jié)合工藝紀(jì)律檢查，監(jiān)督各類人員工作的規(guī)范性，使職工的日常工作有布置有落實。讓職工心中樹立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的思想，從而塑造操作規(guī)范的良好習(xí)慣。

4 結(jié)語

熱處理多余物的控制是一個需要全員參與、全過程管控的系統(tǒng)工程，需要通過實踐中不斷總結(jié)完善和改進。只有在各類職工在規(guī)范工作的基礎(chǔ)上，在實踐中不斷總結(jié)提煉，不斷完善改進，最大限度的預(yù)防和排除熱處理多余物。