熱處理工藝材料的管理

崔超群，胡冠杰，郭斌杰

(空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室，河南 鄭州 450005)

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8121—2012《熱處理工藝材料》中2.1給出了熱處理工藝材料的定義，即：為了保證對(duì)金屬材料或工件進(jìn)行加熱、保溫、冷卻及化學(xué)熱處理等工藝過程的實(shí)施，使其獲得預(yù)期的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)與性能以及表面狀態(tài)所需要的各類物質(zhì)。熱處理工藝材料包括鹽、堿、保護(hù)氣氛等加熱介質(zhì)，水、油、氣體等淬火介質(zhì)，化學(xué)熱處理所用滲劑，用于防滲碳、滲氮的涂料等。熱處理工藝材料是熱處理技術(shù)的重要組成部分，缺乏優(yōu)質(zhì)工藝材料，需要進(jìn)行熱處理的制品不能保證優(yōu)異質(zhì)量[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中，常因?qū)崽幚砉に嚥牧系墓芾聿划?dāng)，造成熱處理質(zhì)量問題的發(fā)生。

1 工藝材料管理常見問題

1.1 原材料不合格

很多企業(yè)對(duì)工藝材料不重視，對(duì)供應(yīng)商缺乏管理，造成供應(yīng)的熱處理工藝材料質(zhì)量波動(dòng)性大；而在入廠驗(yàn)收時(shí)，只檢查合格證或其他質(zhì)量證明文件，造成某些不合格的工藝材料流入生產(chǎn)現(xiàn)場，造成制件在熱處理時(shí)出現(xiàn)質(zhì)量問題。

案例1：某公司氣體滲碳采用甲醇、丙酮為滲劑，甲醇分子式為CH3OH，其碳氧比為1，在滲碳溫度下只能裂化形成微弱滲碳?xì)怏w，故在滲劑中主要起到載氣的作用。丙酮分子式為CH3COCH3，其碳氧比為3，作為滲碳的富化氣。因此，在氣體滲碳中主要靠丙酮高溫裂解出活性碳原子對(duì)制件進(jìn)行滲碳。氣體滲碳時(shí)碳勢一般控制在0.8%～1.05%，但一次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)碳勢至0.6%后就無法上升。對(duì)滲碳爐進(jìn)行了檢查，無漏氣現(xiàn)象；對(duì)顯示碳勢的儀表和測量碳勢的氧探頭重新進(jìn)行了計(jì)量，均合格；最后對(duì)所用丙酮進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)本次所購買的化學(xué)純丙酮含量只有68%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 686—2008《化學(xué)試劑丙酮》中規(guī)定純丙酮含量≥99.0%的要求。經(jīng)向廠家詢問，得知因丙酮為制作毒品溴代苯丙酮的原料，生產(chǎn)廠家所在政府要求降低丙酮濃度所致。后采用航空煤油代替丙酮，碳勢合格。

案例2：某次在用鹽浴爐對(duì)鋼制件淬火后，發(fā)現(xiàn)制件表面有小腐蝕坑，經(jīng)分析鹽浴爐中SO42-的含量為0.5%，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)HB 5354—1994《熱處理工藝質(zhì)量控制》中規(guī)定SO42-≤0.1%的要求。鹽浴爐中含有一定的硫酸鹽，硫酸鹽在高溫下分解生成氧化物，會(huì)產(chǎn)生鋼的氧化、脫碳，并與鋼中的Fe作用，生成對(duì)工件有侵蝕的FeS[2]，反應(yīng)式為：

2Fe+2Na2SO4→2FeS+3O2+2Na2O

經(jīng)復(fù)查，工廠對(duì)鹽的入廠只進(jìn)行合格證的復(fù)查，使用車間新配鹽爐時(shí)分析SO42-，日常則以2個(gè)月為分析周期。而這次新采購一批鹽用于日常補(bǔ)加，新進(jìn)的鹽超標(biāo)，多次補(bǔ)加積累造成鹽浴爐整體SO42-高，最終導(dǎo)致零件腐蝕。

1.2日常使用不規(guī)范

即使工藝材料優(yōu)質(zhì)，若不能規(guī)范使用，工藝材料不能有效發(fā)揮功效，同時(shí)還會(huì)造成質(zhì)量問題。

案例1：某單位使用的中溫鹽爐成分為50%NaCl+50%KCl，其熔化溫度為670 ℃，使用溫度范圍為700～950 ℃。在進(jìn)行T8A淬火時(shí)，其淬火溫度為780℃，發(fā)現(xiàn)中溫鹽爐內(nèi)的鹽沒有完全溶化。鹽爐中的NaCl和KCl均為離子晶體，其晶格結(jié)點(diǎn)上的陰、陽離子間靜電引力大，即離子鍵能大，故二者熔點(diǎn)較高。NaCl熔點(diǎn)為801 ℃，KCl熔點(diǎn)為773 ℃，二者混合后，各自的離子鍵相互作用，使陰、陽離子的靜電引力降低，熔點(diǎn)下降。當(dāng)二者各50%混合時(shí)，熔點(diǎn)達(dá)到最低值670 ℃。造成上述780 ℃鹽浴爐沒有完全溶化的主要原因?yàn)椋涸谌粘?duì)鹽爐補(bǔ)加鹽時(shí)，操作者只進(jìn)行了NaCl的補(bǔ)加，而沒有補(bǔ)加KCl，長期如此后造成鹽浴爐KCl含量低，鹽爐溶化溫度高。

案例2：在使用堿槽回火后，發(fā)現(xiàn)制件硬度超出技術(shù)要求，按以往經(jīng)驗(yàn)提高溫度再次回火，卻發(fā)現(xiàn)硬度不降反升。對(duì)制件進(jìn)行金相組織檢查，發(fā)現(xiàn)制件表面有0.3 mm左右的氮化層，這是因?yàn)樵趬A槽脫氧時(shí)脫氧劑黃血鹽加入過多。黃血鹽分子式為K4Fe(CN)6，用于堿槽脫氧時(shí)，黃血鹽分解可與氧氣結(jié)合形成KCN，以達(dá)到對(duì)堿槽脫氧的目的。但同時(shí)也會(huì)生成一部分活性氮原子。具體反應(yīng)如下：

K4Fe(CN)6→4KCN+Fe+2[C]+2[N]

KCN+O2→2KCNO

2KCNO→K2CO3+CO+2[N]

通常黃血鹽加入堿浴總量的0.2%～0.3%，在堿槽保溫30 min后進(jìn)行工件回火。操作者主觀認(rèn)為脫氧劑加得越多越好，加入后直接將工件放入堿槽回火。而堿浴中大量殘留的黃血鹽受熱分解產(chǎn)生大量活性氮原子，使工件表面形成氮化層，氮化層的高硬度使工件硬度上升。標(biāo)準(zhǔn)HB 5354—1994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)后不得增碳和增氮?！痹撆萍鷪?bào)廢。

案例3：對(duì)30CrMnSiA鋼采取油冷淬火后，出現(xiàn)淬火裂紋。30CrMnSiA為合金結(jié)構(gòu)鋼，合金元素的存在使其“C曲線”右移，普通的油冷即可保證制件加熱所得奧氏體組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。同時(shí)，30CrMnSiA鋼并不屬于高碳合金鋼，油冷淬火的開裂性很小。對(duì)淬火油進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，油槽內(nèi)淬火油含水量高達(dá)0.12%，油內(nèi)水分導(dǎo)致30CrMnSiA鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的冷速加快，在熱應(yīng)力和組織應(yīng)力的共同作用下，形成較大的瞬時(shí)應(yīng)力[3]，造成制件開裂。經(jīng)落實(shí)，操作者在日常工作中，制件油冷后用熱水清洗制件表面殘油，清洗后料筐轉(zhuǎn)移過程中經(jīng)過油槽，料筐中的水滴落到油槽中，長期操作下造成淬火油水分含量升高。水進(jìn)入淬火油后，導(dǎo)致淬火油中的添加劑乳化、沉降或水解而失去功效，淬火油使用壽命變短[4]，工件存在淬火開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 對(duì)工藝材料標(biāo)準(zhǔn)理解錯(cuò)誤

這類問題主要體現(xiàn)在淬火油方面。淬火油最初主要是國產(chǎn)品牌，而隨著國外品牌淬火油的普及，較多廠家不再使用國產(chǎn)品牌。實(shí)際工作中，常因使用方和供方因?qū)?biāo)準(zhǔn)理解不到位、所用標(biāo)準(zhǔn)不明確而導(dǎo)致在日常復(fù)檢、分析中存在對(duì)標(biāo)不準(zhǔn)的現(xiàn)象。

案例1：標(biāo)準(zhǔn)HB 5415—1998《熱處理淬火用油》中將淬火油分成普通淬火油、快速淬火油、光亮淬火油、超速淬火油和真空淬火油共5類，并標(biāo)明每種淬火油類別所對(duì)應(yīng)的國產(chǎn)型號(hào)及技術(shù)條件。標(biāo)準(zhǔn)GJB 509B—2008《熱處理工藝質(zhì)量控制》中對(duì)淬火油的類型和技術(shù)指標(biāo)重新進(jìn)行規(guī)定，不再標(biāo)出所對(duì)應(yīng)的淬火油牌號(hào)。以真空淬火油為例，標(biāo)準(zhǔn)HB 5415—1998和GJB 509B—2008中的對(duì)比見表1。

表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中真空淬火油指標(biāo)

運(yùn)動(dòng)粘度是淬火油入廠復(fù)檢和周期檢驗(yàn)的必選內(nèi)容。某單位對(duì)新采購國外品牌的真空淬火油，按ZZ1和ZZ2的指標(biāo)來檢測運(yùn)動(dòng)粘度，結(jié)果均不符合要求。經(jīng)核查后，按標(biāo)準(zhǔn)GJB 509B—2008的技術(shù)條件進(jìn)行復(fù)檢合格。

案例2：標(biāo)準(zhǔn)GJB 509B—2008中規(guī)定快速淬火油在40 ℃下運(yùn)動(dòng)粘度為21～29 mm2/s，超速淬火油在40 ℃下運(yùn)動(dòng)粘度為13～21 mm2/s。某國外品牌淬火油，其油桶和合格證上均標(biāo)為“快速淬火油”，入廠復(fù)檢其運(yùn)動(dòng)粘度卻為16 mm2/s。向生產(chǎn)廠家詢問得知，對(duì)該淬火油所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)粘度為13～21 mm2/s，認(rèn)為其名稱應(yīng)叫“快速淬火油”，而該淬火油的指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)GJB 509B—2008中則稱為“超速淬火油”。

2 控制措施

2.1 工藝文件識(shí)別

熱處理車間工藝人員應(yīng)根據(jù)零件熱處理的特點(diǎn)、設(shè)備情況，識(shí)別所需要的工藝材料的種類和技術(shù)指標(biāo)，將工藝材料匯總成表格，便于工廠供應(yīng)部門依次進(jìn)行采購合同的簽訂，避免指標(biāo)的不一致性。同時(shí)，熱處理車間可根據(jù)該工藝材料匯總表便于日常管理。在進(jìn)行識(shí)別時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

1)標(biāo)準(zhǔn)化。在選取工藝材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)國標(biāo)、航標(biāo)進(jìn)行選取。應(yīng)動(dòng)態(tài)了解國內(nèi)工藝材料的發(fā)展，并及時(shí)掌握標(biāo)準(zhǔn)的更新，使熱處理工藝材料的選用與時(shí)俱進(jìn)。

2)通用性。在滿足制件熱處理要求的情況下，盡可能減少同類工藝材料的種類，可避免工作時(shí)使用錯(cuò)誤，也方便管理。如真空淬火油，根據(jù)自身零件特點(diǎn)選取快速真空淬火油還是真空淬火油，若兩種淬火油都存放在生產(chǎn)現(xiàn)場，會(huì)存在日常補(bǔ)加淬火油出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。同樣是真空淬火油，因其性能指標(biāo)不同，其油內(nèi)的添加劑亦不相同，混合使用時(shí)兩種油之間的添加劑會(huì)發(fā)生反應(yīng)，在淬火高溫下，該反應(yīng)會(huì)加速，最終導(dǎo)致淬火油酸值偏高，造成對(duì)制件的腐蝕。

3)方便采購。工藝材料的選用還應(yīng)考慮是否便于從市場上購買，應(yīng)選取市場上能夠方便購買的工藝材料，盡量避免選取管制類的化學(xué)藥品。如氣體滲碳的滲劑，常用的有航空煤油+甲醇、丙酮+甲醇、乙酸乙酯+甲醇等氣體滲碳滴注劑，因丙酮屬于管制類試劑，工藝規(guī)程盡可能采取其他滴注劑進(jìn)行氣體滲碳。選取便于采購的工藝材料，即可保證工藝材料的持續(xù)供應(yīng)性，又可便于供應(yīng)商的選擇。

2.2 進(jìn)行供應(yīng)商管控

對(duì)熱處理工藝材料應(yīng)采取定點(diǎn)供應(yīng)的方式，通過考察確定供應(yīng)商，對(duì)供應(yīng)商資質(zhì)、加工能力、質(zhì)量保證能力等進(jìn)行考察合格后，將供應(yīng)商納入公司供應(yīng)商管理程序中進(jìn)行管理。通過對(duì)工藝材料入廠復(fù)檢的情況，每年度對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)于評(píng)價(jià)低的供應(yīng)商可進(jìn)行現(xiàn)場審查整改的方式，監(jiān)督供應(yīng)商提升供應(yīng)質(zhì)量，必要時(shí)可更換供應(yīng)商。對(duì)于新增供應(yīng)商，也應(yīng)嚴(yán)格遵循考察合格后再納入的流程。

2.3 加強(qiáng)熱處理車間管理

對(duì)熱處理操作人員培訓(xùn)工藝材料的正確使用方法，告知各類工藝材料在熱處理過程中的重要性，并結(jié)合案例講述工藝材料使用不正確造成的后果，達(dá)到提高全體職工質(zhì)量意識(shí)的目的。

工藝材料如在現(xiàn)場隨意擺放、隨意使用，會(huì)存在誤用的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)對(duì)各類工藝材料做好定置管理，規(guī)范工藝材料的放置位置，并對(duì)每種工藝材料做出相應(yīng)的標(biāo)識(shí)。對(duì)現(xiàn)場的工藝材料進(jìn)行建賬管理，保證帳、物、卡相符。如對(duì)鹽爐要混合補(bǔ)加NaCl和KCl，可先將兩種鹽混合均勻并放入一固定容器中，每次補(bǔ)加都是混合鹽，可避免長期補(bǔ)加單一種類的鹽而造成鹽爐熔點(diǎn)上升。對(duì)于油、水等冷卻類的工藝材料，都放置在生產(chǎn)現(xiàn)場的槽內(nèi)，使用完成后應(yīng)及時(shí)蓋上，避免因受到污染而失效。

規(guī)范操作步驟后，還應(yīng)加強(qiáng)日常監(jiān)督以達(dá)到強(qiáng)化過程控制的效果[5]。熱處理車間定期組織工藝人員、檢驗(yàn)人員對(duì)熱處理現(xiàn)場進(jìn)行工藝紀(jì)律檢查，將熱處理工藝材料的管理、使用作為檢查內(nèi)容之一，檢查工藝材料的帳物相符性、標(biāo)識(shí)的一致性，檢查工藝材料是否按規(guī)定的周期進(jìn)行復(fù)驗(yàn)等。通過工藝紀(jì)律檢查，規(guī)范各類人員的形成，形成按章操作的氛圍[6]。

3 結(jié)語

熱處理工藝材料對(duì)制件的熱處理質(zhì)量非常重要，是熱處理質(zhì)量控制的重要一環(huán)，必須認(rèn)識(shí)其重要性，從工藝文件、原材料采購、日常管理等環(huán)節(jié)都應(yīng)加強(qiáng)控制，才能避免因工藝材料導(dǎo)致熱處理質(zhì)量問題的出現(xiàn)。