热处理中的标准选择与优化

孙晓哲

（北京新立机械有限责任公司，北京，100039）

文 摘：热处理是金属材料机械加工中必不可少的工序之一，热处理工艺过程与标准密不可分，涉及选材、工艺参数的制定、热处理操作、产品性能等方面。文章阐述工件选材、产品性能与标准的关系，讨论如何根据材料种类及相关标准选择与优化工艺参数。

热处理是采用适当的方式对金属材料或工件进行加热、保温和冷却，以获得预期组织结构与性能的工艺。热处理对于充分发挥金属材料的性能潜力，提高产品的内在质量、节约材料、减少能耗、延长产品的使用寿命，提高经济效益都有十分重要的意义。热处理不仅能提高材料的力学性能，增加零件的强度、硬度、韧度和使用寿命；改善零件的加工工艺性能；还可以提高或改善某些材料的物理或化学性能。它不改变零件形状，就可赋予零件在一定工作条件下具有所要求的性能和较长的寿命。

标准在热处理过程中的应用无处不在，实际生产中我们经常会遇到技术要求与材料种类、类型、规格不相符的情况。对于设计师而言，如何结合标准选用合适的材料，使材料发挥出它的最大优势，同时又能达到节约能源的目的显得非常重要。在热处理过程中推行统一的作业标准和生产工艺参数，可以为生产质量提供强有力的保障。

材料的成分、规格不同，热处理后达到的性能也不同，即便是同一种材料，成分的微小差异也会造成热处理后性能的差异。因此，如何根据材料的成分，结合相关的各级标准选择和优化出不同的工艺参数，达到不同的力学性能是热处理过程中不可或缺的工艺过程。笔者从选材、工艺参数、具体操作等方面阐述热处理中的标准选择与优化。

1 选材与标准

材料的类型、化学成分等是热处理质量的基础。类型不同，材料可以达到的性能也不同；化学成分不同，热处理工艺参数则不同，化学成分的差异则直接决定材料热处理后能否满足技术要求。设计选材的依据就是材料能达到的各种性能，包括硬度、拉伸、冲击、耐磨、抗蚀、磁性能等。

以GB/T5231—2012《加工铜及铜合金牌号和化学成分》中铝青铜为例，常见的材料牌号与成分见表1。

表1 铝青铜牌号与主要成份

铝青铜为青铜的一种，具有良好的机械性能、耐蚀性能和抗磨性能，铝为主要添加元素。少量铁加入铝青铜后形成极细的FeAl3质点，分布于金属溶液中，作为α晶粒的非自发晶核，使合金晶粒细化；还能延缓原子扩散过程，细化再结晶晶粒；锰能强化α固溶体，提高合金强度，并在某种程度上改善合金的铸造性能，同时降低合金的共析转变温度，避免自发回火脆性；镍能大大提高Cu-Al合金的机械性能（特别是屈服点）和耐蚀性。

通过表1可以看出，其中所列4种牌号铝元素含量相近且范围有交集，区别明显的是铁、镍、锰等元素，而成份的微小差异直接影响材料热处理后的力学性能。在热处理选材时，需要根据材料的成分选择适合的材料牌号，选用合适的热处理工艺参数进行热处理后，达到设计需要的技术参数和性能。例如，需要材料的硬度在HRC35左右，可选择QAl10-4-4材料；而需要硬度在HRC28左右，可选择QAl10-3-1.5材料。这样每种材料才能发挥自身的最大优势，产生出优质的产品。

2 工艺参数与标准

热处理所涉及的材料种类繁多，产品形状多种多样，即便是一种材料，影响热处理工艺参数制定的因素也有很多，包括材料原始状态、有效尺寸、设计要求的技术参数和性能、是否带有热处理工装等。以常见的材料铍青铜QBe2和马氏体不锈钢40Cr13为例。

例1：在企业生产中经常用到的材料铍青铜（QBe2），引用的标准为SJ3197《铍青铜弹性元件的热处理》，其材料状态及性能要求具有多样性，具体见表2。

表2 铍青铜 （QBe2）材料状态及性能要求

在同样的时效工艺下，C态和CY态的零件硬度值区别很大，比如，我们采用305℃保温150min处理QBe2带材，C态的硬度值为HV336，而CY态的硬度值为HV384。在实际生产中，热处理工艺师需要根据材料的类型、状态、技术要求适当调整工艺参数，如CY态的时效温度选下限或采用不完全时效的温度，也可将原材料重新固溶，然后再时效；而C态的采用正常时效，硬度要求高的温度也相应适当提高，以满足设计的不同需求。

为了避免工艺师之间存在的经验、技术等差异，需要通过标准化来对工艺参数进行统一，将技术要求与工艺参数一一对应。在实际应用中，我们编制了企业标准，给出了时效处理温度和保温时间与不同硬度要求的对照表，固化工艺参数，很大程度提高了产品的一次交检合格率。

例2：QJ2714A—2016《不锈钢的热处理》规定马氏体不锈钢40Cr13淬火回火的工艺参数见表3。

表3 40Cr13淬火回火的工艺参数

标准中分阶段规定了技术要求与工艺参数的对应关系，但是在实际生产中，材料的规格和成分差异会影响淬火后的硬度，热处理工艺师需要根据淬火后的硬度，适当调整回火温度。标准是对热处理工艺参数的指导，是编制热处理工艺参数的依据。实际生产中不能完全照本宣科，在保证产品质量的前提下，要在标准的基础上适当调整，才能生产出合格的产品。

3 热处理操作与标准化

产品热处理后的质量不仅取决于材料和工艺参数，还对热处理操作要求很高。在科技不断发展的今天，热处理设备的数字化、智能化、自动化，以及计算机与机器人的应用，都是操作标准化的表现。

比如，采用铝合金联合炉进行铝合金固溶处理。固溶是将合金加热到一定温度，保温后快速冷却，以得到过饱和固溶体的处理方式，为后面的时效强化提供组织准备。现有的铝合金固溶设备一般为立式加热炉，其垂直下落式入水方式决定了铝合金固溶的转移速度，满足了铝合金固溶对转移速度的要求，减少了人工操作的不一致性。

GJB1694—1993《变形铝合金热处理规范》对铝合金淬火转移时间根据产品厚度规定为5s～20s。如果在空气中的停留时间（即淬火转移时间）过长，冷却速度变慢，引起α（Al）固溶体分解，析出物沿晶界析出，使晶界粗化，会造成类似于“过烧”的现象，而操作设备的标准化避免了这种现象，保证了热处理质量。

4 产品性能与标准

我国大多数企业是按产品合格率的高低来评价质量的好坏。产品的合格与否由相关标准来规定，标准一般规定材料经过某种热处理后的最低性能，达到并超过最低指标即为合格。然而满足最低性能不能称之为优质产品，所以，讲质量首先得看标准水平，标准水平决定了产品质量的等级。

例如：功能材料1J50，铁镍系软磁合金，在弱和中磁场下具有很高的导磁率和很小的矫顽力，加工性能好，可以制成形状复杂的零件，且具有良好的防锈性能。在热处理退火过程中合金进行再结晶和晶粒长大，同时在氢气保护下，可以去除部分杂质、净化材料，起到提高磁性能的作用。经过热处理退火后，可以消除机械加工产生的应力，再结晶晶粒长大使得晶界减少，杂质之间间距加大，对磁性能的影响减小，同时获得有序化的组织和取向一致的组织，达到设计所要求的磁性能。

1J50材料规格多、品种全，同时也对应不同的性能指标，GB/T32286.1—2015对1J50合金的磁性能给出了详细的规定（见表4），冷轧带材不仅按厚度进行了详细的区分，而且还分了材料级别，在不加以说明的情况下，按级别Ⅰ要求，如果要求级别Ⅱ或者级别Ⅲ，需要在订货合同中注明，以从源头上提高材料的质量，加严对化学成分的要求，以保证材料进行热处理后的磁性能满足更高的要求。

表4 1J50合金磁性能 （部分）

热处理质量是热处理专业持续发展的重要保障，而标准是质量实现的一个基础和保障。标准的实施不仅能提高质量，还可以降低成本，提高效益。热处理质量是企业依据相关标准，对需要热处理的产品进行的规划、设计、生产、检测、售后等过程的信息披露，反映产品使用功能的属性，包括性能、效率、可靠性等指标。而标准就是对热处理质量特性作出的明确和具体的定量的技术规定。热处理标准是规范热处理经营行为和指导生产的技术文件，与热处理质量是源与流的关系，标准是质量的依据，质量是执行标准的结果。

我公司热处理专业拥有一套比较完整的标准体系，几乎涵盖了所有的热处理种类。这些标准是根据多年的实践经验总结而成的，既包括通用性标准，也包括针对典型工艺制定的标准。目前已在生产中应用广泛，具有很强的指导性和可操作性。当生产中遇到技术问题时，工艺师会成立攻关团队，立项进行课题研究，并将课题成果固化成典型工艺和标准，用于指导某特定产品的热处理，效果明显，提高了批生产的能力，保证了产品质量的一致性。