熱處理清洗的質量控制

毛 喆,薛 陶

(1.航空工業鄭飛公司熱表廠,河南 鄭州 450005; 2.空軍裝備部駐鄭州地區軍事代表室,河南 鄭州 450005)

標準GJB 509B—2008《熱處理工藝質量控制》、HB/Z 159—2001《航空用鋼滲碳、碳氮共滲工藝》、HB/Z 136—2000《航空結構鋼熱處理工藝》和HB/Z 191—1991《航空結構鋼不銹鋼真空熱處理說明書》等熱處理標準中,都對制件的清洗做出了要求,主要是“零件入爐前要求清洗”“清洗過程不能影響制件熱處理質量”“清洗后要防止生銹”等。而在實際工作中,有些管理者和操作者認為清洗只是制件熱處理過程中的附屬工序,不如淬火、回火那么重要,在工作中存在馬虎不認真的現象,常導致制件質量問題的發生。

1 清洗不當造成的質量問題

1.1 滲層不均勻

任何化學熱處理,都是滲劑分解出活性原子、零件表面吸收活性原子后再向零件內部擴散這三個過程,也就是常說的分解、吸收和擴散。在吸收過程中,活性原子碰撞零件表面,產生物理吸附或化學吸附。零件表面吸附活性原子時釋放熱量,是自由能降低的過程[1]。根據吉布斯函數可知,吸附這一過程是自發的。若零件表面存在油污,會使零件表面吉布斯函數下降,吸附能力下降,導致化學熱處理中,零件沒有油污的部位對活性原子吸附能力強,有油污的部位則缺乏活性原子,從而導致零件滲層不均勻,嚴重時還存在局部無滲層的現象。因此,保證零件表面吸附的必要條件是表面必須清潔,也就是制件進行化學熱處理前必須清洗干凈。在實際工作中,對于滲碳和滲氮等化學熱處理,最終對滲層的檢驗是在隨爐試樣上進行,操作者只關注試樣表面的清潔度,而對零件的表面狀態關注較少,造成檢驗合格的滲碳或滲氮零件,在后期使用中出現失效現象。對失效制件進行分析,發現存在滲層厚度不符合要求且不均勻的現象。

1.2 腐蝕

鹽爐熱處理后的零件,若清洗不徹底就會有殘留的鹽附著在零件表面。在潮濕環境下,殘留在零件表面的鹽會加快對濕氣的吸附。因氯離子半徑只有1.81?,很容易穿透金屬的保護膜,使鈍化態表面變成活潑表面,造成制件腐蝕[2]。同時零件經淬火、高溫回火后形成索氏體組織,是滲碳體和鐵素體的混合物,兩者之間存在電位差,還會引發電化學腐蝕,使零件腐蝕情況加劇。當形成的蝕核長大到一定的臨界尺寸(一般孔徑大于30 μm)時,出現宏觀蝕坑[3],制件常因熱處理后腐蝕嚴重而報廢。

1.3 開裂

若清洗的時機不當,可能導致零件出現開裂現象,這種情況主要是制件在淬火后未冷卻到室溫就進行清洗所致。

案例:對某尺寸大小為φ22 mm×200 mm的14Cr17Ni2A零件進行淬火、回火熱處理。采用電爐在1000±10 ℃淬火加熱保溫后,油冷,操作者發現零件在淬火油中冷卻至表面發暗,就認為冷卻結束了,開始在熱水槽中清洗制件表面油污,結果導致該批棒料大部分出現開裂。

14Cr17Ni2舊牌號為Cr17Ni2,屬于馬氏體-鐵素體不銹鋼,其馬氏體開始轉變點Ms為357 ℃[4]。即淬火加熱保溫時,材料發生奧氏體轉變,在淬火油中冷卻時,因快速通過C曲線的“鼻尖”,過冷奧氏體沒有提前發生組織轉變;在這種情況下,繼續在淬火油或空氣中冷卻,溫度降低至357 ℃時,過冷奧氏體開始發生馬氏體組織;溫度繼續降低至14Cr17Ni2馬氏體轉變終點Mf(約140 ℃)時,過冷奧氏體向馬氏體轉變終止。操作者認為制件表面發暗,淬火已經完成,并進行清洗,而此時馬氏體的轉變還在進行,水洗的冷速高于油和空氣,使馬氏體轉變速率變化;同時14Cr17Ni2鋼的合金元素含量高,導熱性低,從而使制件受到的組織應力和熱應力都變大,超出材料自身的抗拉強度,導致裂紋的出現[5]。

1.4 污染設備

制件清洗不干凈,有時會對設備造成污染,進而導致制件的熱處理故障。常見有以下兩種情況。

1.4.1油污染真空爐

在真空淬火過程中,零件上的油、淬火料筐和轉移小車上的油都會帶入熱室。雖然這些油脂一般屬于普通脂肪族,是碳、氫、氧化合物,蒸氣壓較高,在真空中加熱時被揮發或分解,會被真空泵抽走。但在長期積累的情況下,加熱分解出的油蒸汽會污染真空泵油,損壞設備的真空泵。另外油污會吸附在真空爐的熱室壁上,在加熱時殘油受熱分解,在熱室內形成一定的碳勢[6]。同時,在真空狀態的淬火溫度下,工件表面金屬處于還原狀態,金屬表面活性強,有利于碳原子的滲入,造成制件增碳[7]。

1.4.2淬火油污染堿槽

鹽爐淬火、堿槽回火,這常用于一般結構鋼的光亮淬、回火,可保證制件表面的光亮度。一般淬火后,制件表面的淬火油需要用熱水清洗干凈并晾干,以防止工件上的殘水進入堿槽發生飛濺現象。但實際工作中,有些操作者未對淬火后制件表面的油污進行清洗,直接放入堿槽中回火,通過堿槽的高溫,將制件表面的油燃燒去除。這種做法存在以下兩點隱患:1)制件表面硬度下降。淬火油燃燒時所達到的溫度超過制件規定的回火溫度,雖然持續時間短,但會使制件表面硬度降低。制件按原工藝進行回火后,其表面硬度和內部硬度存在硬度差。2)堿槽脫氧難控制。堿槽常采用黃血鹽作為脫氧劑,黃血鹽分子式為K4Fe(CN)6,其脫氧原理為:

K4Fe(CN)6→4KCN+Fe+2[C]+2[N]

KCN+O2→2KCNO

2KCNO→K2CO3+CO+2[N]

由此可見,黃血鹽在脫氧的同時,也會生成一些活性氮原子,這些活性氮原子在堿槽高溫下保溫一段時間后就會揮發。因此,堿槽脫氧規范要求黃血鹽加入后,槽液呈微黃色,待保溫至堿槽呈白色后,表示脫氧完成。因淬火油燃燒污染堿槽,堿槽槽液呈黑色,無法判別加入黃血鹽量是否合適及脫氧是否完成。黃血鹽加入量少,則制件回火會產生氧化現象,沒有達到光亮回火的目的;若黃血鹽加入過多,在產出的活性氮原子沒有完全揮發時就回火,會造成制件表面形成氮化層[8],進而導致制件報廢。

1.5 表面處理發花

熱處理后一般鋼制件的表面不潔凈,可通過吹砂這種物理方式去除制件表面污物。但對于鋁合金和銅合金帶材,卻不能采用吹砂的方式。鋁合金板材兩面均用純度大于99.5%的純鋁包裹,利用純鋁電位低于基體能起到陽極保護的作用[9],從而提高鋁合金的抗腐蝕性;但吹砂會破壞包鋁層使制件抗腐蝕性下降。銅合金帶材表面光滑,吹砂會增加其表面粗糙度,使其疲勞強度降低。因此,鋁合金和銅合金帶材在熱處理前存在油污,不清洗干凈而直接進行熱處理會造成制件表面油污高溫分解,產生碳黑附著在制件表面,后期清理困難[10],表面處理會出現膜層發花,影響外觀質量。

2 控制措施

2.1 意識教育

上述因清洗不規范導致的質量問題主要是相關人員的質量意識不強,因此需要對職工進行質量意識教育,明白清洗的重要性和不規范操作可能導致的后果,意識到問題的嚴重性,提高質量的敏感性,消除認為清洗無關緊要的思想。并通過日常的監督檢查,規范各類人員的行為,營造遵章守紀的工作環境,不斷強化職工的質量意識。

2.2 文件控制

通過工藝文件,將清洗工序的要求納入工藝規程,并結合對制件熱處理影響程度,針對性的設置質量控制點。尤其是在真空淬火、化學熱處理前、鋁合金和銅合金熱處理前等方面,增加檢驗人員專項檢查的要求,避免因清洗不當而影響熱處理質量。

2.3 技術改進

要有計劃的通過自動化清洗設備代替人工清洗,將自動清洗設備與熱處理自動生產線統籌設計,通過設備的自動清洗和烘干,可保證清洗的質量,避免殘留物的存在。同時,考慮各類清洗劑的應用,增強清洗的效率和安全性。如用水基清洗劑代替汽油對制件的清洗,可徹底杜絕汽油現場失火這一危險源;用堿性清洗劑代替常規的熱水清洗,可增強油冷淬火后清洗效果。

3 結語

清洗在熱處理中看似一個不重要的環節,往往會因為對這一環節的忽視,而導致質量問題的出現。這需要熱處理車間全體人員都認真負責,嚴守工藝紀律,并結合實際工作不斷完善總結,強化清洗規范,為制件的熱處理質量奠定基礎。