熱處理禁限用工藝的類型及管理

朱海磊，毛 喆，黃天勇，黃紅武

(1.空軍裝備部駐鄭州地區軍事代表室，河南 鄭州 450005；2.航空工業鄭州飛機裝備有限責任公司，河南 鄭州 450005)

目前，較多企業已將禁用、限用工藝納入工藝管理中，熱處理作為生產制造中的重要環節，其質量好壞對產品的功能、安全、壽命都有影響。同時，熱處理屬于特殊過程，其加工結果不能直接或間接檢測，有時問題在產品使用后才顯現。因此，對熱處理禁、限用工藝的管控尤為重要。

1 禁用工藝的類型

禁用工藝系指在熱處理生產中，法律法規和標準中明確禁止使用的工藝方法。熱處理逐步向綠色、環保、節能等方向發展，國家對環保、安全有嚴重影響的工藝方法禁用，并要求淘汰高耗能的設備。同時，對導致熱處理制件重大質量隱患的工藝方法，標準中也明確禁止。

1.1 對環保、安全有嚴重影響

基于對環保、安全的考慮，以往嚴重污染環境、危害生產安全的工藝方法，已被國家明文禁止使用。如碳氮共滲工藝，因最初在氰化物液體中進行而俗稱“氰化”，由于氰化物高溫分解劇毒氣體，對操作者身體健康存在巨大隱患，已被禁止使用，現已被氣體碳氮共滲工藝所替代。又如用于配置鹽浴爐的鋇鹽，因揮發物有劇毒也被禁止使用。現配置中溫鹽爐多采用NaCl和KCl混合鹽浴，而采用BaCl2的高溫鹽爐已被禁用，高速鋼的淬火已在真空爐中進行。

1.2 高耗能、產能落后的設備

盡可能減少能源消耗量，是國家的發展規劃。熱處理中用于控制溫度的控制柜，以前采用位式交流接觸器的溫度控制柜，因控制精度低，與可控硅控制柜控溫的熱處理爐相比耗能高出10%～20%，已要求淘汰。插入式電極鹽浴爐因使用效率低、電量大，并且由于電極直接插入鹽浴，在鹽浴與空氣交界處極易產生氧化[1]，致使電極壽命變短。目前，現已被埋入式鹽浴爐所代替。

1.3 對制件有嚴重質量問題的工藝方法

1.3.1 直接造成制件報廢

加熱是熱處理中必不可少的工序。對密閉制件進行加熱，高溫下金屬材料強度低且密閉的氣體會受熱膨脹，這就會導致制件變形或開裂，造成制件報廢。因此HB/Z 136—2000《航空結構鋼熱處理工藝》中6.4.3規定：“內腔封閉的制件，在熱處理時必須有排氣孔或使用排氣管。”在實際生產中，工藝規程中對某內腔密閉的制件事先安排了排氣孔，為防止轉運過程中雜物進入內腔形成多余物，工藝規程將工藝孔設計為螺紋孔，要求周轉過程中用螺釘擰緊，熱處理前擰出螺釘。若直接將制件進行加熱，制件將發生嚴重畸變而報廢。

1.3.2 存在質量隱患

質量隱患是指按此工藝方法操作后，按常規檢測制件的強度、硬度等指標都符合技術要求，但存在對制件抗蝕性下降、沖擊韌性差等質量隱患。如奧氏體不銹鋼熱處理，500～800 ℃是該類材料的敏化穩定溫度，但在此溫度范圍內保溫或緩慢冷卻，則會發生晶間腐蝕，造成制件抗蝕性下降。為此，奧氏體不銹鋼需嚴禁在此溫度下保溫或緩冷。另外，對于鈦合金熱處理，由于高溫下鈦有很高的化學活性，容易被爐氣中的氫、氧、氮等元素化合，一旦氫超標則會導致氫脆；鈦合金形成的富氧層，其塑性差易剝落；鈦合金滲入氮會使塑性顯著下降[2]。故沒有加工余量的鈦合金熱處理時，要求采用真空熱處理，并采取惰性氣體保護。這些質量隱患都會導致制件在使用過程中失效而出現產品降級之類的問題。

2 限用工藝的類型

限用工藝指在熱處理生產中，對產品質量保證難度大，存在一定隱患，需采取相應措施后，在一定條件下可以保證質量要求的工藝方法。這涉及材料選取、設備、操作等方面。

2.1 材料選取

材料熱處理后的性能由其組織決定，但材料固有的化學成分卻決定了該材料在某種狀態下的固有特性。有些材料在某些狀態下存在固有的不足，會導致制件在使用中出現失效現象。如HB/Z 80—2011《航空用不銹鋼熱處理》中“表3淬火或固溶處理、回火或時效的加熱溫度即冷卻方式”的注解d規定“考慮到回火脆性的不良影響，除制件有特殊要求外此溫度不宜采用，新產品不應采用。”該標準注明了1Cr13在520～560 ℃回火、2Cr13在500～560 ℃回火、3Cr13在500～530 ℃回火、1Cr17Ni2在480～560 ℃回火時都存在回火脆性的情況。這是因為在此溫度下，該類不銹鋼在上述溫度范圍內回火時，(Fe、Cr)3C碳化物會向(Cr、Fe)7C3轉變，造成貧Cr區與富Cr區基體，不僅降低了材料的抗蝕性，還會因此導致Cr的碳化物不均勻偏聚，引起點陣畸變和內應力增加，使材料脆性不良。

2.2 設備選用

某些制件因自身結構的特殊性，在選用熱處理設備時，由于設備固有性質而導致質量隱患。如盲孔類零件若采用鹽爐進行熱處理淬火，在制件從鹽爐保溫后冷卻過程中，制件盲孔內會存在殘留的鹽，在冷卻介質作用下，殘鹽會凝固在制件表面。殘鹽是由NaCl和KCl組成，因含有離子半徑小而具有較強穿透性的氯離子，能穿透金屬表面的氧化層和防護層與內部金屬發生電化學反應，導致制件發生腐蝕。

另外，一些輔助設施的選用也有類似問題。如GJB 509B—2008《熱處理工藝質量控制》中5.3.3條款中規定：“淬火槽一般應有循環攪拌和冷卻裝置，不推薦采用壓縮空氣進行攪拌。”這是由于壓縮空氣中含有一定量的水，若空氣壓縮機出現故障，干燥機或排水出現故障，更會導致壓縮空氣中的水含量增加。熱處理合金鋼的淬火常采用油冷卻，若水進入淬火油中，會使淬火油中的添加劑乳化、沉降或水解失去功效，使淬火油使用壽命變短。而且，長期使用壓縮空氣攪拌，會使淬火油中的水含量日益增多。實踐證明，當油中含水在0.03%時，就會對鋼淬火后的表面光亮度產生影響；含水0.05%以上時，將會使工件淬火變形量增加；而含水量達到0.10%以上時，則可能使工件淬火出現裂紋[3]。

2.3 對操作技能要求高

有些熱處理操作環節對操作人員技能要求高，若操作不當則會導致制件出現質量故障，嚴重還可能導致制件報廢。如黑色金屬在淬火冷卻時，制件冷卻速度應大于臨界冷卻速度從而通過C曲線的“鼻尖”[4]，才能保證淬火冷卻過程中過冷奧氏體不提前發生組織轉變，從而得到馬氏體組織。對于45鋼、T8A等中碳鋼和碳素工具鋼來說，其“C曲線”偏左，在淬火時油冷卻的速度不能大于臨界冷卻速度，需采用水冷卻保證通過C曲線“鼻尖”。中、高碳鋼在冷卻后期奧氏體發生馬氏體轉變時，因含碳量高，會產生較大的組織應力，從馬氏體開始轉變到轉變結束這一過程中，若冷速過快，還會產生較大的熱應力。組織應力和熱應力疊加所產生的應力大于材料的斷裂強度，則造成開裂[5]。故淬火時完全采用水冷，存在較大的淬火開裂風險，因此在操作中常采用水油分級的淬火方式，即制件先在水中冷卻到400～500 ℃左右，再采用油冷的方式，即保證了冷卻速度大于臨界冷速，又避免了馬氏體轉變過程中應力過大的風險。但在水中冷卻時間為3～5 s，然后轉入油中冷卻，這對操作者技能要求較高，在水中冷卻時間短會導致制件淬火后硬度不足，而在水中冷卻時間長則會導致制件因開裂而報廢。

3 熱處理禁限用工藝的管理

3.1 識別

企業應結合GJB 9001C—2017《質量管理體系要求》中7.1.6條款“組織的知識”的要求對熱處理禁、限用工藝進行知識管理。即結合相關法規、標準的規定，結合企業自身產品的特點和以往熱處理質量案例的情況，對熱處理工藝進行審視、總結，形成企業自身的《熱處理禁、限用工藝目錄》。

3.2 應用

根據企業《熱處理禁、限用工藝目錄》，對現有情況進行核查，分類進行管理。在設備方面將標準中規定禁止使用的高耗能、產能落后的設備和限用的存在隱患的設備有計劃地進行淘汰更新。對存在材料固有特性不足的，要求設計人員不在此范圍內選用，并提供相應的替代材料，如用PH15-5等沉淀硬化不銹鋼代替1Cr13、2 Cr13、1Cr17Ni2等材料。對于要求操作人員技能高的工藝方法，可以讓設計人員進行材料更改，也可以在熱處理工藝規程中對此工序設為關鍵工序，指定人員操作。另外，還可通過調整工藝方法杜絕質量隱患，如用真空爐代替鹽爐對盲孔類零件淬火，可完全避免殘鹽腐蝕制件的隱患等。

3.3 后期控制

3.3.1 設計控制

企業應對《熱處理禁、限用工藝目錄》進行培訓，讓設計人員、工藝人員了解熱處理禁、限用工藝的內容，并作為新產品設計、工藝總方案制定時的指導文件之一。讓產品設計、工藝設計人員在考慮產品功能實現的同時，通過合理選用材料、優化產品結構和工藝路線，避免選用或涉及熱處理禁用工藝項目。同時，加強產品設計、工藝設計的評審，識別是否存在熱處理禁、限用工藝，對于存在的禁用工藝，不得采用；若不可避免要涉及限用工藝，則要在熱處理工藝規程中明確質量控制點，避免質量問題的發生。如超高強度鋼30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA，一般采用硝鹽等溫淬火，目前常采用鹽爐進行加熱，若零件存在盲孔零件，則應在工藝規程中明確零件在鹽爐中的放置方式，讓零件在鹽爐中加熱時盲孔口朝下，便于出爐時鹽從盲孔流出，并增加硝鹽等溫冷卻后熱水清洗工序，并明確要求檢查盲孔內是否有殘鹽堆積。

3.3.2 質量控制

在后續熱處理生產環節，應加強熱處理限用工藝的質量控制，如采用壓縮空氣攪拌淬火冷卻油，可通過調整分析周期的方式，加強對油內的含水量進行分析，確保熱處理生產過程中質量可控。若涉及熱處理外協生產，對外協廠家的設備、工藝都要進行評審，識別是否存在禁、限用工藝，并根據情況進行論證控制，策劃相應的質量控制方式。

3.3.3 持續改進

根據企業產品的特點，結合熱處理生產中出現的質量問題，不斷進行分析改進，完善企業自身的《熱處理禁、限用工藝目錄》，盡可能從技術源頭上避免熱處理質量問題的出現。同時，及時了解并貫徹熱處理行業新標準，不斷完善熱處理禁、限用工藝的內容，讓企業能應對不斷變化的禁、限用工藝要求和熱處理行業發展趨勢。

4 結語

對熱處理禁、限用工藝的管理是一項繁瑣且責任重大的工作，要求從產品設計、工藝設計、質量管控、生產制造等環節加強控制，要在各類人員共同參與，通過實踐不斷完善總結，確保企業產品的熱處理質量穩定可靠。