淺談熱處理工藝性審查

黃天勇，尹中秋，胡劍鋒，趙松斌，程 煒

(1.航空工業(yè)鄭飛公司，河南 鄭州 450005； 2. 空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表， 河南 鄭州 450005)

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4863—2008《機(jī)械制造工藝基本術(shù)語》中3.1.7給出了工藝性審查的定義：“在產(chǎn)品工作圖設(shè)計(jì)階段，工藝人員對(duì)產(chǎn)品和零件結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行全面審查并提出意見或建議的過程”。產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝性審查，其目的是為了保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理性、制造過程工藝性。以便產(chǎn)品的可實(shí)現(xiàn)性增強(qiáng)，產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性好。新產(chǎn)品設(shè)計(jì)正式出圖前，都需要各專業(yè)的工藝人員對(duì)設(shè)計(jì)圖樣進(jìn)行工藝性審查，熱處理的工藝性審查亦在其中。

1 熱處理工藝性審查的作用

1.1 排查產(chǎn)品設(shè)計(jì)隱患

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是影響熱處理質(zhì)量的重要因素，如果設(shè)計(jì)不合理，必然后患無窮。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是控制熱處理質(zhì)量的首要環(huán)節(jié)[1]。以往曾多次出現(xiàn)設(shè)計(jì)選用的材料、熱處理要求不合理等現(xiàn)象，造成產(chǎn)品在使用中出現(xiàn)質(zhì)量問題。如HB/Z 80—2011《航空用不銹鋼熱處理》中注明了1Cr13在520～560 ℃回火、2Cr13在500～560 ℃回火、3Cr13在500～530 ℃回火和1Cr17Ni2在480～560 ℃回火時(shí)都存在產(chǎn)生回火脆性的情況[2]，并建議新產(chǎn)品不應(yīng)采用。例如，對(duì)某一滾輪制件規(guī)定材料使用2Cr13，熱處理后強(qiáng)度σb要求為1175±100 MPa。為了使2Cr13材料滿足強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)人員選擇回火溫度為520±20 ℃，而此溫度在其產(chǎn)生回火脆性區(qū)的溫度范圍內(nèi)。在工藝性審查時(shí)熱處理工藝員只考慮工件強(qiáng)度、硬度的可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)此沒有提出，從而造成該滾輪制件在出廠后發(fā)生斷裂。

1.2 保證熱處理質(zhì)量穩(wěn)定

在機(jī)械制造中涉及熱處理的零件較多。在工具、軸承等行業(yè)中幾乎百分之百的零件需要熱處理。汽車車輛、機(jī)床、工程機(jī)械等行業(yè)中，重要的零件約占全部零件的60%～80%都需要經(jīng)熱處理予以強(qiáng)化。眾所周知，熱處理是提高零件使用性能的重要手段，是機(jī)械制造工藝過程中重要組成部分。熱處理工藝性的優(yōu)劣嚴(yán)重影響熱處理工藝在整個(gè)制造過程中的作用和經(jīng)濟(jì)效益?？梢钥s短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，減少污染和有害影響，提高經(jīng)濟(jì)效益。通過熱處理工藝性審查，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中合理地選擇材料，正確地確定性能指標(biāo)，以便制造出安全可靠、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的產(chǎn)品[3]。如某產(chǎn)品零件使用45鋼，硬度要求為35～41 HRC。因45鋼不含其他合金元素，其C曲線靠左，在熱處理淬火時(shí)需要先采用水冷的方式保證通過C曲線“鼻尖”，以防止過冷奧氏體提前發(fā)生轉(zhuǎn)變而不能得到預(yù)期的馬氏體組織，然后采用油冷防止冷速過快導(dǎo)致相變應(yīng)力過大而造成制件開裂。這對(duì)操作者的技能要求高，需要有較強(qiáng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在工作中經(jīng)常出現(xiàn)45鋼淬火開裂的現(xiàn)象。該零件要求硬度為35～41 HRC，是45鋼經(jīng)淬火+高溫回火后所得到的調(diào)質(zhì)硬度。用一般合金鋼均可滿足要求，后續(xù)材料更改為30CrMnSiA鋼后，其淬火采用油冷即可保證淬火后得到馬氏體組織，通過高溫回火即可滿足35～41 HRC的硬度要求，并且油冷基本不會(huì)造成該材料開裂，避免了該制件的熱處理開裂現(xiàn)象。

2 熱處理工藝性審查的內(nèi)容

2.1 制件選料

制件材料的選擇，直接關(guān)系到熱處理質(zhì)量及后續(xù)工件的使用。一般制件的材料都要對(duì)其強(qiáng)度、韌性進(jìn)行綜合考慮，避免制件在使用中出現(xiàn)失效現(xiàn)象。每種材料都有其常用的性能指標(biāo)范圍，熱處理后制件性能在此范圍內(nèi)綜合性能最佳。如30CrMnSiA鋼是飛機(jī)制造業(yè)使用最廣泛的一種調(diào)質(zhì)鋼，在淬火、高溫回火狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和足夠的韌性[4]，常見的熱處理性能指標(biāo)σb為980～1275 MPa。而30CrMnSiNi2A作為超高強(qiáng)度鋼，其常見熱處理性能指標(biāo)σb為1665±100 MPa。如果將這兩種材料牌號(hào)寫反，在進(jìn)行熱處理工藝性審查時(shí)沒有指出，會(huì)造成在后續(xù)生產(chǎn)中30CrMnSiA鋼制件無法達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定σb為1665±100 MPa的要求；若規(guī)定30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼σb為980～1275 MPa，則該材料高強(qiáng)度的特點(diǎn)在制件上沒有得到體現(xiàn)。

2.2 結(jié)構(gòu)

熱處理淬火的冷卻過程中，制件受相變應(yīng)力和熱應(yīng)力的共同作用，會(huì)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力[5]。在制件的尖角處、厚薄交界處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。為防止制件淬火開裂，在制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量避免尖角、銳邊，截面盡量均勻?qū)ΨQ。若設(shè)計(jì)中不可避免出現(xiàn)尖角和厚薄截面等部位，可通過增大R角、厚薄交界圓滑過渡等措施減少應(yīng)力集中。

如果制件結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致熱處理工藝性差，還應(yīng)考慮更換材料。如原設(shè)計(jì)的30CrMnSiA板材，尺寸大小為650 mm×320 mm×3 mm，要求熱處理后強(qiáng)度σb為1175±100 MPa。對(duì)于30CrMnSiA材料可采用淬火+回火以達(dá)到要求的強(qiáng)度指標(biāo)。但該板材在890±10 ℃加熱保溫后油冷淬火的過程中，受到較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，因制件結(jié)構(gòu)為平板型，導(dǎo)致淬火后變形大，校正困難。后經(jīng)協(xié)調(diào)將材料更改為0Cr15Ni5Cu2Ti固溶狀態(tài)供應(yīng)的板材，該材料為沉淀硬化型不銹鋼，固溶處理后可獲得馬氏體組織，在時(shí)效過程中析出彌散相，達(dá)到沉淀硬化的目的。因原材料0Cr15Ni5Cu2Ti為固溶態(tài)供應(yīng)，只需在420～450 ℃時(shí)效保溫2～3 h后空冷，即可滿足強(qiáng)度要求。由于0Cr15Ni5Cu2Ti材料時(shí)效溫度低，彌散強(qiáng)化所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較淬火小，故該制件變形小，時(shí)效處理后略經(jīng)校正即可。

2.3 淬透性

淬透性指鋼在淬火時(shí)獲得淬硬層深度的能力。一般規(guī)定從表面到50%非馬氏體深度的距離作為淬硬層深度。不同材料的淬透直徑亦不相同，如30CrMnSiA鋼的淬透直徑為25 mm，45鋼在油中的淬透直徑為6 mm、在水中淬透直徑為18 mm，等。淬透性是熱處理工藝性審查的重要項(xiàng)目之一。

錯(cuò)誤的觀點(diǎn)認(rèn)為，設(shè)計(jì)所要求的為調(diào)質(zhì)硬度，即熱處理工藝為淬火+高溫回火，淬火時(shí)即使不能淬透，不能得到馬氏體組織，可通過調(diào)整回火溫度來達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的強(qiáng)度、硬度指標(biāo)。對(duì)于超過材料淬透直徑的制件，淬火冷卻過程中，因制件厚度大，心部不能達(dá)到臨界冷卻速度而提前發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，不能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。雖然經(jīng)后續(xù)高溫回火后，制件能得到索氏體組織，強(qiáng)度、硬度及延伸率等與淬透后回火的制件相差無幾，但其沖擊韌性相差較遠(yuǎn)，正常淬透后高溫回火的制件組織均勻、晶粒細(xì)小，有較好的韌性；而沒有淬透的制件，組織均勻性差，存在局部粗大晶粒，造成沖擊韌性下降。一般設(shè)計(jì)圖紙對(duì)制件的熱處理要求為強(qiáng)度或硬度指標(biāo)，這是因?yàn)樵跐M足制件淬透性要求的情況下，其強(qiáng)度指標(biāo)與塑性、韌性指標(biāo)有相關(guān)的對(duì)應(yīng)性。作為熱處理技術(shù)人員，在工藝性審查時(shí)，需對(duì)每種熱處理制件的淬透性進(jìn)行重點(diǎn)審查。

2.4 禁限用工藝的情況

在進(jìn)行熱處理工藝性審查時(shí)，要結(jié)合熱處理禁限用工藝的情況。熱處理禁限用的工藝必須在工藝審查時(shí)得以解決，以防止后續(xù)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題或給產(chǎn)品埋下隱患。如標(biāo)準(zhǔn)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”。某些制件焊接成型后進(jìn)行熱處理，若存在密閉內(nèi)腔，在熱處理過程中密閉的氣體會(huì)受熱膨脹，造成制件因變形或開裂而報(bào)廢。在對(duì)此類零件審查時(shí)，要求設(shè)計(jì)人員在制件上明確排氣孔的位置、大小等。如前文提到的1Cr13、2Cr13等回火脆性區(qū)的問題，若設(shè)計(jì)選用此類材料，對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的要求則應(yīng)避開制件在脆性區(qū)溫度范圍內(nèi)回火。當(dāng)然，隨著沉淀硬化不銹鋼的普及，有些企業(yè)已用沉淀硬化型不銹鋼代替1Cr13、2Cr13等在某一定范圍內(nèi)回火具有較大脆性的材料。

2.5 粗糙度

熱處理是通過改變材料內(nèi)部組織而達(dá)到一定性能的工藝方法，故常規(guī)的熱處理一般不用考慮制件的粗糙度。但對(duì)于化學(xué)熱處理來說，制件的粗糙度也是要關(guān)注的因素之一。滲碳、滲氮是常見的化學(xué)熱處理，在實(shí)際生產(chǎn)中，很多制件并不是整體進(jìn)行滲碳或滲氮，往往是要求局部滲，而其余部位則不得滲入元素。常規(guī)的方法是對(duì)不要求滲氮或滲碳的部位進(jìn)行鍍銅保護(hù)，通過銅鍍層達(dá)到阻滲的目的。如果制件表面粗糙度過高，使制件表面積增大，導(dǎo)致在電鍍過程中，實(shí)際的電流密度比表現(xiàn)的電流密度小[6]，會(huì)造成鍍層結(jié)晶粗、孔隙率大，在后期滲碳或滲氮時(shí)不能起到防滲作用，還會(huì)因漏滲造成制件報(bào)廢。因此，對(duì)于需鍍銅防護(hù)后進(jìn)行化學(xué)熱處理的制件，其電鍍表面的粗糙度應(yīng)不大于Ra1.6。

另外，氮化制件雖然硬度高、變形小、抗咬卡能力強(qiáng)，但氮化層組織由不同的相構(gòu)成，各相晶格類型不同、比容不同，在相界上存在較大的顯微應(yīng)力，故而氮化層具有一定的脆性，在外力下易發(fā)生“崩口”現(xiàn)象。氮化層的粗糙度越大，其脆性越差。因此，氮化制件的表面粗糙度控制在Ra0.8以下。

2.6 供料狀態(tài)

對(duì)于常見的結(jié)構(gòu)鋼材料，其熱處理制度為淬火、回火，一般材料的供應(yīng)狀態(tài)為退火態(tài)，在熱處理工藝性審查時(shí)，供料狀態(tài)不用關(guān)注。但對(duì)于有色金屬和沉淀硬化型不銹鋼來說，材料的供應(yīng)狀態(tài)與后續(xù)的熱處理工藝具有較大的相關(guān)性，在熱處理工藝性審查時(shí)不得忽視。如2A12板材一般熱處理后的強(qiáng)度為400 MPa，將2A12板材在此強(qiáng)度下進(jìn)行彎曲成型，則會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。這就需要供應(yīng)的2A12板材為退火狀態(tài)，彎曲成型后再進(jìn)行熱處理。而對(duì)于只需對(duì)外形加工的2A12板材，則可直接供應(yīng)淬火+自然時(shí)效狀態(tài)，無需后續(xù)熱處理。如沉淀硬化不銹鋼P(yáng)H15-5、PH17-4等，供應(yīng)態(tài)為固溶態(tài)時(shí)，可直接進(jìn)行機(jī)械加工，最終只需進(jìn)行時(shí)效處理即可得到要求的強(qiáng)度。對(duì)上述材料供應(yīng)狀態(tài)的審查，可使零件熱處理要求的正確性和整體零件加工的工藝性得到保證。

3 熱處理工藝性審查的控制

3.1 建立相應(yīng)知識(shí)清單

為了保證熱處理工藝性審查的效果，避免因人員經(jīng)驗(yàn)不足而導(dǎo)致在審查過程中出現(xiàn)遺漏的現(xiàn)象，應(yīng)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)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)影響企業(yè)自身的熱處理工藝性的相關(guān)因素進(jìn)行識(shí)別，并歸納總結(jié)，經(jīng)相關(guān)人員評(píng)審后，形成企業(yè)自身的《熱處理工藝性審查表》。該表單即可作為熱處理工藝人員對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝性審查的依據(jù)，還可作為剛從事熱處理工藝人員的培訓(xùn)教材?！稛崽幚砉に囆詫彶楸怼返慕ⅲ菍崽幚硐嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求、禁限用工藝的規(guī)定和日常生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)結(jié)合在一起，即可在熱處理工藝性審查時(shí)起到提示作用，也可作為熱處理知識(shí)的傳承培訓(xùn)新人，讓新入職的熱處理技術(shù)人員快速掌握自身企業(yè)所需要的熱處理知識(shí)，并在后續(xù)的熱處理工作中少走彎路。

3.2 培訓(xùn)

由熱處理專業(yè)人員對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員進(jìn)行培訓(xùn)，向設(shè)計(jì)人員介紹基本熱處理知識(shí)和企業(yè)自身的熱處理現(xiàn)狀，并重點(diǎn)將形成的《熱處理工藝性審查表》對(duì)企業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行培訓(xùn)，讓設(shè)計(jì)人員了解熱處理工藝性的相關(guān)知識(shí)和要求。設(shè)計(jì)人員在后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在考慮產(chǎn)品功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，還可達(dá)到材料選用合理、零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化、熱處理要求正確合理的效果，從源頭上避免了熱處理不恰當(dāng)?shù)囊?。這種培訓(xùn)可采用集中授課或定期交談的模式，讓企業(yè)的設(shè)計(jì)人員和工藝人員之間的互動(dòng)加強(qiáng)，形成知識(shí)共享，不斷提升設(shè)計(jì)圖紙的工藝性。

3.3 持續(xù)完善

熱處理技術(shù)人員在日常工作中應(yīng)經(jīng)常到熱處理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，從提高制件熱處理質(zhì)量可靠性、穩(wěn)定性的角度出發(fā)，觀察學(xué)習(xí)熱處理生產(chǎn)過程，并要經(jīng)常向熱處理操作工咨詢，聽取改進(jìn)建議。同時(shí)，結(jié)合熱處理日常生產(chǎn)中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，分析原因，并對(duì)產(chǎn)生的原因進(jìn)行分類。對(duì)設(shè)計(jì)上有改進(jìn)空間的零件，應(yīng)及時(shí)向設(shè)計(jì)人員反饋，并完善《熱處理工藝性審查表》，從而達(dá)到從技術(shù)源頭上提高熱處理工藝性，保證質(zhì)量、提高效率。

4 結(jié)語

熱處理工藝性審查是對(duì)制件熱處理質(zhì)量把關(guān)的關(guān)鍵，通過對(duì)熱處理工藝性審查的內(nèi)容細(xì)化，可提高熱處理技術(shù)人員的工藝水平，提升熱處理工藝性審查的質(zhì)量，便于后續(xù)的加工生產(chǎn)、質(zhì)量管控等，確保熱處理質(zhì)量持續(xù)穩(wěn)定可靠。