熱處理中的標準選擇與優化

孫曉哲

（北京新立機械有限責任公司，北京，100039）

文 摘：熱處理是金屬材料機械加工中必不可少的工序之一，熱處理工藝過程與標準密不可分，涉及選材、工藝參數的制定、熱處理操作、產品性能等方面。文章闡述工件選材、產品性能與標準的關系，討論如何根據材料種類及相關標準選擇與優化工藝參數。

熱處理是采用適當的方式對金屬材料或工件進行加熱、保溫和冷卻，以獲得預期組織結構與性能的工藝。熱處理對于充分發揮金屬材料的性能潛力，提高產品的內在質量、節約材料、減少能耗、延長產品的使用壽命，提高經濟效益都有十分重要的意義。熱處理不僅能提高材料的力學性能，增加零件的強度、硬度、韌度和使用壽命；改善零件的加工工藝性能；還可以提高或改善某些材料的物理或化學性能。它不改變零件形狀，就可賦予零件在一定工作條件下具有所要求的性能和較長的壽命。

標準在熱處理過程中的應用無處不在，實際生產中我們經常會遇到技術要求與材料種類、類型、規格不相符的情況。對于設計師而言，如何結合標準選用合適的材料，使材料發揮出它的最大優勢，同時又能達到節約能源的目的顯得非常重要。在熱處理過程中推行統一的作業標準和生產工藝參數，可以為生產質量提供強有力的保障。

材料的成分、規格不同，熱處理后達到的性能也不同，即便是同一種材料，成分的微小差異也會造成熱處理后性能的差異。因此，如何根據材料的成分，結合相關的各級標準選擇和優化出不同的工藝參數，達到不同的力學性能是熱處理過程中不可或缺的工藝過程。筆者從選材、工藝參數、具體操作等方面闡述熱處理中的標準選擇與優化。

1 選材與標準

材料的類型、化學成分等是熱處理質量的基礎。類型不同，材料可以達到的性能也不同；化學成分不同，熱處理工藝參數則不同，化學成分的差異則直接決定材料熱處理后能否滿足技術要求。設計選材的依據就是材料能達到的各種性能，包括硬度、拉伸、沖擊、耐磨、抗蝕、磁性能等。

以GB/T5231—2012《加工銅及銅合金牌號和化學成分》中鋁青銅為例，常見的材料牌號與成分見表1。

表1 鋁青銅牌號與主要成份

鋁青銅為青銅的一種，具有良好的機械性能、耐蝕性能和抗磨性能，鋁為主要添加元素。少量鐵加入鋁青銅后形成極細的FeAl3質點，分布于金屬溶液中，作為α晶粒的非自發晶核，使合金晶粒細化；還能延緩原子擴散過程，細化再結晶晶粒；錳能強化α固溶體，提高合金強度，并在某種程度上改善合金的鑄造性能，同時降低合金的共析轉變溫度，避免自發回火脆性；鎳能大大提高Cu-Al合金的機械性能（特別是屈服點）和耐蝕性。

通過表1可以看出，其中所列4種牌號鋁元素含量相近且范圍有交集，區別明顯的是鐵、鎳、錳等元素，而成份的微小差異直接影響材料熱處理后的力學性能。在熱處理選材時，需要根據材料的成分選擇適合的材料牌號，選用合適的熱處理工藝參數進行熱處理后，達到設計需要的技術參數和性能。例如，需要材料的硬度在HRC35左右，可選擇QAl10-4-4材料；而需要硬度在HRC28左右，可選擇QAl10-3-1.5材料。這樣每種材料才能發揮自身的最大優勢，產生出優質的產品。

2 工藝參數與標準

熱處理所涉及的材料種類繁多，產品形狀多種多樣，即便是一種材料，影響熱處理工藝參數制定的因素也有很多，包括材料原始狀態、有效尺寸、設計要求的技術參數和性能、是否帶有熱處理工裝等。以常見的材料鈹青銅QBe2和馬氏體不銹鋼40Cr13為例。

例1：在企業生產中經常用到的材料鈹青銅（QBe2），引用的標準為SJ3197《鈹青銅彈性元件的熱處理》，其材料狀態及性能要求具有多樣性，具體見表2。

表2 鈹青銅 （QBe2）材料狀態及性能要求

在同樣的時效工藝下，C態和CY態的零件硬度值區別很大，比如，我們采用305℃保溫150min處理QBe2帶材，C態的硬度值為HV336，而CY態的硬度值為HV384。在實際生產中，熱處理工藝師需要根據材料的類型、狀態、技術要求適當調整工藝參數，如CY態的時效溫度選下限或采用不完全時效的溫度，也可將原材料重新固溶，然后再時效；而C態的采用正常時效，硬度要求高的溫度也相應適當提高，以滿足設計的不同需求。

為了避免工藝師之間存在的經驗、技術等差異，需要通過標準化來對工藝參數進行統一，將技術要求與工藝參數一一對應。在實際應用中，我們編制了企業標準，給出了時效處理溫度和保溫時間與不同硬度要求的對照表，固化工藝參數，很大程度提高了產品的一次交檢合格率。

例2：QJ2714A—2016《不銹鋼的熱處理》規定馬氏體不銹鋼40Cr13淬火回火的工藝參數見表3。

表3 40Cr13淬火回火的工藝參數

標準中分階段規定了技術要求與工藝參數的對應關系，但是在實際生產中，材料的規格和成分差異會影響淬火后的硬度，熱處理工藝師需要根據淬火后的硬度，適當調整回火溫度。標準是對熱處理工藝參數的指導，是編制熱處理工藝參數的依據。實際生產中不能完全照本宣科，在保證產品質量的前提下，要在標準的基礎上適當調整，才能生產出合格的產品。

3 熱處理操作與標準化

產品熱處理后的質量不僅取決于材料和工藝參數，還對熱處理操作要求很高。在科技不斷發展的今天，熱處理設備的數字化、智能化、自動化，以及計算機與機器人的應用，都是操作標準化的表現。

比如，采用鋁合金聯合爐進行鋁合金固溶處理。固溶是將合金加熱到一定溫度，保溫后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的處理方式，為后面的時效強化提供組織準備?，F有的鋁合金固溶設備一般為立式加熱爐，其垂直下落式入水方式決定了鋁合金固溶的轉移速度，滿足了鋁合金固溶對轉移速度的要求，減少了人工操作的不一致性。

GJB1694—1993《變形鋁合金熱處理規范》對鋁合金淬火轉移時間根據產品厚度規定為5s～20s。如果在空氣中的停留時間（即淬火轉移時間）過長，冷卻速度變慢，引起α（Al）固溶體分解，析出物沿晶界析出，使晶界粗化，會造成類似于“過燒”的現象，而操作設備的標準化避免了這種現象，保證了熱處理質量。

4 產品性能與標準

我國大多數企業是按產品合格率的高低來評價質量的好壞。產品的合格與否由相關標準來規定，標準一般規定材料經過某種熱處理后的最低性能，達到并超過最低指標即為合格。然而滿足最低性能不能稱之為優質產品，所以，講質量首先得看標準水平，標準水平決定了產品質量的等級。

例如：功能材料1J50，鐵鎳系軟磁合金，在弱和中磁場下具有很高的導磁率和很小的矯頑力，加工性能好，可以制成形狀復雜的零件，且具有良好的防銹性能。在熱處理退火過程中合金進行再結晶和晶粒長大，同時在氫氣保護下，可以去除部分雜質、凈化材料，起到提高磁性能的作用。經過熱處理退火后，可以消除機械加工產生的應力，再結晶晶粒長大使得晶界減少，雜質之間間距加大，對磁性能的影響減小，同時獲得有序化的組織和取向一致的組織，達到設計所要求的磁性能。

1J50材料規格多、品種全，同時也對應不同的性能指標，GB/T32286.1—2015對1J50合金的磁性能給出了詳細的規定（見表4），冷軋帶材不僅按厚度進行了詳細的區分，而且還分了材料級別，在不加以說明的情況下，按級別Ⅰ要求，如果要求級別Ⅱ或者級別Ⅲ，需要在訂貨合同中注明，以從源頭上提高材料的質量，加嚴對化學成分的要求，以保證材料進行熱處理后的磁性能滿足更高的要求。

表4 1J50合金磁性能 （部分）

熱處理質量是熱處理專業持續發展的重要保障，而標準是質量實現的一個基礎和保障。標準的實施不僅能提高質量，還可以降低成本，提高效益。熱處理質量是企業依據相關標準，對需要熱處理的產品進行的規劃、設計、生產、檢測、售后等過程的信息披露，反映產品使用功能的屬性，包括性能、效率、可靠性等指標。而標準就是對熱處理質量特性作出的明確和具體的定量的技術規定。熱處理標準是規范熱處理經營行為和指導生產的技術文件，與熱處理質量是源與流的關系，標準是質量的依據，質量是執行標準的結果。

我公司熱處理專業擁有一套比較完整的標準體系，幾乎涵蓋了所有的熱處理種類。這些標準是根據多年的實踐經驗總結而成的，既包括通用性標準，也包括針對典型工藝制定的標準。目前已在生產中應用廣泛，具有很強的指導性和可操作性。當生產中遇到技術問題時，工藝師會成立攻關團隊，立項進行課題研究，并將課題成果固化成典型工藝和標準，用于指導某特定產品的熱處理，效果明顯，提高了批生產的能力，保證了產品質量的一致性。