鍛件熱處理ECRSG過程控制方法

李志廣，馬 愷，羅艷君，楊俊偉，高 敏，梁民哲

（1.山西柴油機工業有限責任公司，山西大同 037036；2.華油鋼管有限責任公司揚州分公司，江蘇揚州 225000）

1 引言

零件熱處理是指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的組織與性能等的工藝，相對于鍛件而言：金屬材料或工件在機加工過程中或過程以后所進行的正火、高溫回火、正火+高溫回火、退火或調質等熱處理統稱為“零件熱處理”或“零件最終熱處理”；鍛件熱處理是指采用適當的方式對金屬鍛件進行加熱、保溫和冷卻以獲得預期的組織與性能等的工藝，相對于零件而言：金屬鍛件在鍛造過程結束以后到零件機加工過程以前或零件最終熱處理過程以前所進行的正火、高溫回火、正火+高溫回火、退火或調質等熱處理統稱為“鍛件熱處理”或“鍛件初次熱處理”或“鍛件預備熱處理”。因此，鍛件熱處理即使和零件熱處理具有相同的工藝過程和工藝參數，其熱處理的最終作用與目的也不盡相同[1～13]。

鍛件熱處理是鍛造工藝過程（包括下料、加熱、鍛造、切邊和校正、冷卻、熱處理、清理和檢驗和交付等過程）中不可缺少的極為特殊和重要的獨立工序之一，也就是說，只要有多少鍛件就涉及到多少鍛造過程控制問題，相應也就涉及多少鍛件熱處理過程控制問題[9～13]。由于在高溫鍛造條件下鍛件各部分變形程度、變形溫度、熱脹冷縮程度和冷卻速度等不一致，鍛件內部就會存在組織不均勻、殘余應力和加工硬化等現象。為消除上述不足，保證鍛件質量，鍛件在鍛造過程結束以后到鍛件機加工過程以前或鍛件最終熱處理過程以前應進行鍛件熱處理；鍛件熱處理的最主要作用是：調整鍛件硬度以利于鍛件進行切削加工、消除鍛件內用力以減小在機械加工時變形、細化鍛件金屬晶粒、改善與穩定鍛件金屬內部組織以為最終熱處理作好組織準備、對于不再進行熱處理的鍛件可直接達到鍛件熱處理硬度或力學性能要求。因此，對鍛件熱處理過程控制進行研究則具有重要意義[1～28]。

目前在鍛件熱處理方法為一一對應過程控制方法，即一種鍛件熱處理編制一個鍛件熱處理工藝規程，缺少專用鍛件熱處理工藝控制要求統一標準，導致鍛件熱處理重復性設計與制造工作量大、能耗大、資源合理利用能力差、成本高、生產效率低、專業化生產、精細化管理能力差等不利因素，理論與實踐表明：采用科學、合理的鍛件熱處理ECRSG過程控制方法是克服上述缺點一種行之有效的途徑。

2 鍛件熱處理ECSRG過程控制方法

2.1 鍛件熱處理ECSRG過程控制

鍛件熱處理ECRSG過程控制的基本特征是：以充分利用、配置、優化組合現有工藝技術條件和資源條件等為基礎，以快速反應、持續改進和有效消除過程控制中開發、設計、生產、管理和服務等一切不產生價值的浪費為核心，通過采用“取消（Eliminate）、合并（Combine）、重排（Rearrange）、簡化（Simplify）和成組（Group）”ECRSG過程控制方法，最終可有效利用資源、減少重復性工作量、組織專業化、批量化與精細化生產、快速反應、改善操作、確保質量、提高效率、消除浪費、降低成本以及實現精細化管理等。

（1）采用鍛件熱處理“取消、合并、重排、簡化和成組”ECRSG過程控制方法，運用相似性原理和系統性法則，將鍛件熱處理按合金種類和牌號按照一定的基本系列及派生系列中個性和共性加以精簡統一，將類似產品鍛件熱處理通用互換后完全通用化或部分通用化，以最終實現鍛件熱處理過程控制通用化。

（2）采用鍛件熱處理“取消、合并、重排、簡化和成組”ECRSG過程控制方法，運用相似性原理和系統性法則，將鍛件熱處理的工藝溫度、時間、介質、方法等進行系列化設計，形成鍛件熱處理系列型譜，使鍛件熱處理系列化，以最終實現鍛件熱處理過程控制系列化。

（3）采用鍛件熱處理“取消、合并、重排、簡化和成組”ECRSG過程控制方法，運用相似性原理和系統性法則，將對鍛件熱處理的重復性的事物和概念進行最佳秩序標準化設計以實現標準化，以最終實現鍛件熱處理過程控制標準化。

（4）采用鍛件熱處理“取消、合并、重排、簡化和成組”ECRSG過程控制方法，運用相似性原理和系統性法則，將品種多、數量少不同熱處理合金種類、材料牌號、鍛件形狀與尺寸、裝爐方式、裝爐數量和加熱溫度、加熱時間與冷卻介質等工藝參數以及熱處理硬度等具有相同或相似熱處理特征的鍛件，按相似性分類編組，通過合理的作業計劃，將不能滿負荷裝爐的小批量熱處理變為滿負荷裝爐的大批量熱處理的生產方式，以最終實現鍛件熱處理設計、工藝、制造和管理等過程控制成組化。

2.2 制定“看板式”鍛件熱處理規范

采用鍛件熱處理“取消、合并、重排、簡化和成組”ECRSG過程控制方法，運用相似性原理和系統性法則，突破鍛件熱處理通用化、系列化和標準化過程控制關鍵技術，制定了具有直觀化、可視化、透明化、精細化和成組化顯著特點的“看板式”鍛件熱處理過程控制規范。

“看板式”鍛件熱處理過程控制規范具有技術上的可行性、方法上的先進性、工藝上的適應性、質量上的可靠性、經濟上的合理性、風險上的可控性、使用上的安全性、應用上的有效性和管理上的精益性，達到了“形象直觀透明、信息全面準確、快速識別傳遞、簡單方便適用”等應用效果，可有效提高鍛造與熱處理通用化、系列化和標準化水平，提升鍛造與熱處理質量、提高生產效率、降低生產成本、組織專業化、批量化和精細化生產，促進行業科技進步，滿足工藝技術創新和精細化管理創新要求。

3 過程控制要求

3.1 基本原則和要求

（1）鍛件熱處理的正火、高溫回火、正火+高溫回火或退火等理論加熱溫度，如圖1所示，或應按表1規定的鍛件熱處理理論加熱溫度進行。

表1 鍛件熱處理的理論加熱溫度范圍

圖1 熱處理理論加熱溫度示意圖

（2）鍛件熱處理的不同材料牌號的正火、高溫回火、正火+高溫回火或退火等實際加熱溫度、冷卻介質和硬度要求，應按表2“看板式”鍛件熱處理工藝規范進行。

（3）對于鍛件硬度不在本標準規定范圍內的或需要進行調質熱處理的或有其它特殊熱處理要求的，應編制專門的鍛件熱處理工藝規范，也允許直接在鍛造工藝規程中包含的鍛件熱處理工序中注明鍛件熱處理工藝規范有關內容。

（4）當鍛件熱處理無表2所示的具體材料牌號時，允許不編制專門的鍛件熱處理工藝規范，但應在該鍛件鍛造工藝規程中包含的鍛件熱處理工序中注明：“該鍛件熱處理工藝規范（包括鍛件工序名稱、加熱溫度、加熱與保溫時間、冷卻介質和熱處理硬度等）等同表2中的xxx（相近或相類似）材料鍛件熱處理工藝規范”等字樣即可，也允許直接在鍛造工藝規程中包含的鍛件熱處理工序中注明鍛件熱處理工藝規范有關內容。

3.2 裝爐過程控制

（1）鍛件熱處理允許在室溫條件下裝爐，也允許在爐溫達到規定溫度時裝爐。

（2）鍛件熱處理允許以裝架、裝筐、裝箱、堆放或有間距放置等裝載方式在電爐中進行裝爐。

（3）當不能滿負荷裝爐時允許將鍛件混合裝爐（簡稱混裝）熱處理，鍛件混裝熱處理應按以下規定進行。

a.鍛件熱處理允許將相同或相近材料牌號但不同形狀與尺寸的不同爐批次鍛件混裝在同一爐批次內進行熱處理。

b.鍛件熱處理允許將不同材料牌號、相同或相近熱處理性質或加熱溫度但形狀與尺寸有明顯差異的不同爐批次鍛件在同一爐批次內進行混裝熱處理。

c.對有爐批次要求的鍛件熱處理，原則上應分別按爐批次集中進行熱處理，以防止發生混爐批次質量問題。

d.嚴禁將不同材料牌號和形狀、尺寸相同或相近的鍛件在同一爐批次內進行混裝熱處理，以防止發生混料質量問題。

e.鍛件熱處理混裝的加熱溫度確定：以最高加熱溫度或合金元素含量高的鍛件材料為基準，確定混裝鍛件熱處理的加熱溫度。

f.鍛件熱處理混裝的加熱時間確定：以尺寸最大或重量最大或合金元素含量高的鍛件材料為基準，確定混裝鍛件熱處理的加熱時間。

g.鍛件功能類別不同的混裝鍛件熱處理的加熱溫度與加熱時間確定：以鍛件功能分類Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ最高等級的鍛件材料為基準，確定鍛件熱處理混裝的加熱溫度與加熱時間。

（4）對于尺寸精度要求較高的鍛件熱處理，應采用專用工裝、耐火泥涂敷或其它方法裝箱密封、規定裝載量、裝載方式與有規則擺放程度、特定熱處理工藝參數以及提高加熱爐類別等級等工藝技術措施，以有效控制鍛件尺寸精度；必要時，應編制專門的鍛件熱處理工藝規范，以確保鍛件尺寸精度符合工藝規定要求。

（5）鍛件熱處理在箱式電爐內加熱時，距離爐門應不小于200mm，距離爐壁兩側不小于80mm。

（6）鍛件熱處理在箱式電爐和井式電爐中裝架、裝筐或裝箱等加熱時，鍛件裝爐放置高度不得超過其架、筐和箱等高度300mm，在箱式電爐中堆放加熱時鍛件裝爐放置高度不超過其架、筐和箱等高度600mm。

（7）鍛件熱處理在流態粒子爐中裝架、裝筐加熱時，最大鍛件裝爐放置高度不得超過其架、筐等高度50mm。

（8）鍛件熱處理在鹽浴爐中裝架、裝筐加熱時，最大鍛件裝爐放置高度不得超過其架、筐等高度100mm。

3.3 加熱過程控制

（1）鍛件熱處理的加熱溫度為鍛件入爐至達到本鍛件規定溫度，允許合金種類、材料牌號、鍛件形狀與尺寸、裝爐方式、裝爐數量或熱處理硬度等不同而進行適當的調整。

a.當鍛件材料合金化程度較低時，鍛件熱處理的加熱溫度適宜按表2規定的中限或下限溫度進行。

表2 “看板式”鍛件熱處理工藝規范事例

b.當鍛件材料合金化程度較高時，鍛件熱處理的加熱溫度適宜按表2規定的中限或上限溫度進行。

（2）鍛件熱處理的加熱與保溫時間為鍛件入爐至達到本鍛件規定溫度的加熱與保溫時間，加熱與保溫時間允許合金種類、材料牌號、鍛件形狀與尺寸、裝爐方式、裝爐數量或熱處理硬度等不同而進行適當的調整。

a.當鍛件有間距單層擺放裝爐熱處理時，鍛件熱處理的加熱與保溫時間應按表3規定進行。

b.當鍛件以堆放、裝架和裝箱方式進行熱處理時，鍛件熱處理的加熱時間應按表3規定進行，但保溫時間應≥2h。

c.當鍛件材料為18Cr2Ni4WA鋼時，鍛件正火的加熱時間應按表3規定進行，但高溫回火保溫時間應≥6h。

表3 鍛件加熱與保溫最小時間規范

（3）當材料牌號為10、20、20Cr或20CrH等低碳鋼在最終熱處理需要進行滲碳、氰化等或有其它特殊熱處理要求時，應進行鍛件正火初次熱處理，否則，允許不進行鍛件正火初次熱處理。

（4）當鍛件毛坯圖、鍛造工藝規程或熱處理工藝規程以及供需雙方協議（或合同）等有關工藝技術文件中無明確規定以及不影響鍛件機加工與鍛件最終熱處理工藝性時，對于理論上需要進行正火+高溫回火初次熱處理鍛件，允許只進行正火不進行高溫回火熱處理，也允許只進行高溫回火不進行正火熱處理。

3.4 冷卻過程控制

（1）鍛件熱處理在工序過程結束以后，應按工藝規定冷卻方式進行冷卻過程控制。

（2）鍛件熱處理冷卻介質或冷卻方式為空氣、水、淬火液、淬火油、隨爐冷卻或控制冷卻等。

3.5 熱處理次數過程控制

（1）鍛件熱處理次數不限，原則上允許多次重復進行熱處理。

（2）當鍛件熱處理后不符合規定的硬度要求時，鍛件熱處理次數應按以下規定進行。

a.當第1次鍛件熱處理硬度不合格而進行第2次熱處理時，應在第2次熱處理結束前從爐中取出2～3件（在冷卻以后）提前檢驗鍛件樣件硬度，當提前檢驗鍛件樣件硬度還不合格時，則既允許將鍛件直接出爐在室溫現場冷卻也允許將鍛件不出爐而再繼續進行加熱熱處理。

b.當第2次鍛件熱處理硬度仍然不合格而進行第3次熱處理時，應在第3次熱處理結束前從爐中取出2～3件（在冷卻以后）提前檢驗鍛件樣件硬度，當提前檢驗鍛件樣件硬度還不合格時，則允許在工藝人員的指導下適當調整與本標準規定略有差異的加熱溫度和加熱時間等工藝參數而再繼續進行加熱熱處理。

c.當鍛件熱處理重復次數超過3次以后的硬度仍然不合格時，應立即停止重復熱處理，在堅持“三不放過的原則”解決不合格問題以后，才能繼續重復熱處理。

3.6 打磨與檢驗過程控制

（1）應根據鍛件毛坯圖、鍛造工藝規程或專門的熱處理工藝規程等有關工藝文件規定，選擇鍛件熱處理的硬度、金相組織或外觀質量等打磨與檢測設備和工具或檢具名稱、型號或功率等。

（2）鍛件熱處理樣件打磨與檢驗硬度部位應按以下規定進行。

a.應按鍛件毛坯圖、鍛造工藝規程或專門的熱處理工藝規程等有關工藝文件要求預先用規定的設備或工具等在規定的部位對檢驗樣件進行打磨，打磨與檢測鍛件表面部位深度原則上應不小于1.0mm。

b.打磨與檢驗樣件硬度部位，應避開鍛件折疊、裂紋、夾雜、結疤、凹坑、碰傷、壓傷、未充滿等殘留缺陷的所在部位而在其它無上述缺陷部位進行打磨與檢測。

c.當鍛件毛坯圖、鍛造工藝規程或專門的熱處理工藝規程等有關工藝文件未規定打磨與檢驗樣件部位時，盡可能在檢驗樣件機加余量大的部位進行打磨與檢測。

（3）鍛件熱處理按零件號及熱處理爐次分批送檢，每爐批次抽檢硬度樣件數量為2-5件（有抽檢率特殊規定的除外），按表2“看板式”鍛件熱處理工藝規范或鍛件毛坯圖或鍛造工藝規程或專門的熱處理工藝規程等有關工藝文件等規定進行硬度檢驗。

（4）鍛件熱處理最終外觀質量等檢驗應在鍛件表面清理工序進行完畢以后進行。

（5）鍛件熱處理在硬度、外觀質量或金相組織等檢驗合格以后，應及時填寫“鍛件熱處理過程控制記錄卡”或“鍛造工藝過程控制記錄卡”等記錄并簽字或蓋章認可。

4 結束語

（1）鍛件熱處理是鍛造工藝過程中極為特殊和重要的獨立工序之一，在生產實踐中進行科學的鍛件熱處理ECSRG過程控制，可有利于優化、完善和補充現有鍛造與熱處理工藝技術體系，滿足鍛造與熱處理工藝技術創新和管理創新要求。

（2）鍛件熱處理ECSRG過程控制方法，明顯具有科學性、合理性、適宜性、符合性、可靠性、經濟性、可操作性和再現可控性，可達到“快速反應、改善操作、確保質量、提高效率、消除浪費、降低成本和精細化管理”等實踐效果。

（3）制定具有直觀化、可視化、透明化、精細化和成組化顯著特點的“看板式”鍛件熱處理過程控制規范，可有效提高通用化、系列化和標準化水平，達到“形象直觀透明、信息全面準確、快速識別傳遞、簡單方便適用”等應用效果。