热处理过程的多余物类型及控制措施

尹中秋，胡剑锋，毛 喆，黄天勇

(1.中国人民解放军驻一二四厂军事代表室，河南 郑州 450005； 2.航空工业郑飞公司热表厂，河南 郑州 450005)

多余物指产品中存在的与产品规定状态不符的物质。多余物存在多种性质，从可见层面上分，可分为目视可见的宏观多余物和需要借助相关仪器才能观察到的微观多余物。由于多余物的问题导致产品功能失效的案例屡见不鲜。理论上，生产过程中的任何一个环节都可能产生或引入多余物[1]，热处理作为制件加工必不可少的环节，生产过程多余物的预防和控制也尤为重要。

1 热处理过程多余物类型

热处理的多余物根据所选用的设备不同、工艺方法不同，所产生的多余物类型也不同，结合生产实践，列出了不同工艺方法进行热处理可能产生的多余物类型。

1.1 盐炉淬火

对于使用BaCl2的高温盐炉现已被国家禁止使用，一般工厂所用的中温盐浴炉为NaCl和KCl的混合物，使用温度为750～950 ℃。在使用盐炉加热时，多余物主要有以下几种:

(1)表面氧化物及FeS。工业NaCl中常含有一定的硫酸盐，硫酸盐在高温下分解生成氧化物，助长钢的氧化、脱碳，并与钢中的Fe作用，生成对工件有侵蚀的FeS。具体反应方程式如下：

Na2SO4→Na2O+SO3

2SO3→2SO2+O2

2Fe+2Na2SO4→2FeS+3O2+2Na2O

一般常用木炭对盐炉进行脱氧，木炭一方面可去除盐炉中的氧，另一方面还可去除盐炉中的硫酸根，反应方程式为

Na2SO4+4C→4CO+Na2S

(2)残盐。制件在盐浴炉中加热，在后期淬火冷却时，制件内残留的盐在淬火冷却介质的作用下凝固，牢牢附在制件表面。但残留的盐在潮湿环境下会腐蚀制件。主要是因为氯离子半径小，具有很强的穿透性，能穿透金属表面的氧化层和防护层与内部金属发生电化学反应，同时，氯离子含有一定的水和能，易被吸附在金属表面，并将金属表面的氧排掉，把不溶性的氧化物变成可溶性的氯化物，使钝化态表面变成活泼表面，造成制件腐蚀。

1.2 碱槽回火

碱槽一般采用NaOH和KOH的混合物，可实现制件无氧化回火。在制件操作过程中，即使存在残碱之类的多余物，对制件并无腐蚀作用，还能起到一定防锈作用。碱槽回火可能产生的多余物为工件表面渗入氮，这主要是碱槽使用的脱氧剂加入过多所致。碱槽一般采用脱氧剂的为黄血盐，分子式为K4Fe(CN)6，脱氧原理为：

K4Fe(CN)6→4KCN+Fe+2[C]+2[N]

KCN+O2→2KCNO

2KCNO→K2CO3+CO+2[N]

黄血盐在脱氧的同时，亦会产生一些活性氮原子，一般黄血盐加入碱浴的总量为0.2%～0.3%，虽可产生少量氮原子，对零件影响不大。有时工人操作不规范，将脱氧剂使用严重超标，使碱浴中存在大量黄血盐残留，受热分解出大量活性氮原子，造成制件表面形成氮化层[2]。

1.3 真空热处理

真空热处理可实现金属无氧化加热，其原因不单纯是真空排气的作用，更主要是在淬火温度下，气氛中的氧分压低于金属氧化物的平衡分解压，使金属处于还原状态[3]。因此，制件在真空炉加热时，不仅使金属本身不氧化，而且还可以使原来已经氧化的金属进行还原分解。同时，附在工件上的脂肪族油脂，是碳、氢、氧化合物，蒸气压较高，在真空中加热时可被挥发或分解。在真空热处理过程中，多余物存在以下形式。

(1)工件渗入碳原子。产生渗碳的主要原因是真空加热室内有较多残油，在真空加热下产生油脂的分解产生活性碳原子，而制件表面被还原呈现活性[4]，具备了渗碳的基本条件。油污的产生不仅是零件带入，更多的是淬火料筐和小车从真空炉加热室到冷却室油淬后，在后续生产时，料筐和小车上的油带入加热室内，形成残油。另外，零件在高真空下进行油冷淬火，淬火油受热分解所形成的活化碳原子在油淬过程中渗入工件在表面形成增碳层[5]。

(2)钛合金渗入氢、氧、氮等。在高温下钛有很高的化学活性，容易与炉气中的氢、氧、氮等元素化合，氢超标会导致氢脆，钛合金形成的富氧层塑性差易剥落，钛合金渗入氮会使塑性显著下降。一般无加工余量的钛合金都采用真空热处理，导致渗入多余元素，这类多余物主要是由于炉膛漏气不能达到规定真空度，或真空炉内充入保护气氛时，没有按规定使用惰性气体而使用氮气。

1.4 电炉热处理

有加工余量的金属制件常采用电炉进行淬火，产生氧化皮等多余物也可通过后续的机械加工去除。但对于无余量制件为消除应力而用电炉进行低温回火时，若制件表面有油污存在，在加热时进行不完全燃烧产生炭黑，粘附在制件表面，为后续的表面处理造成困难。有些铝合金板材采用电炉淬火，制件若表面存在油污不仅会导致表面状态差，同时也会降低制件的熔点，严重时还会导致铝合金过烧而报废。

1.5 其他

制件进行热处理后常进行吹砂工序，砂粒残留在制件上形成多余物。一般残留砂粒容易清除，密封零件热处理前必须增加排气孔，这类制件在吹砂时，砂子从排气孔进入零件内部空腔，十分难以清除。

热处理标准规定大多合金制件为消除第二类回火脆性而采用回火后水冷，残留的水附在制件上未及时清理，时间长了会形成锈蚀等多余物。

2 多余物的危害

热处理多余物的危害根据制件的使用情况，危害程度也不相同。

2.1 制件报废

HB 5354—94《热处理工艺质量控制》中6.3条规定：“无加工余量的钢制件表面，热处理(化学热处理除外)后不得存在增碳和增氮……”，碱浴脱氧不规范导致的多余氮化层和真空热处理产生的渗碳层都会导致制件报废，热处理都是成批同炉处理，报废往往是成批的，经济损失较大。

2.2 产品功能失效

直接发现的多余物导致的损失只存在于制件本身，若有多余物的制件组装成产品，多余的残盐、水分等，使制件腐蚀，砂粒的随机滚动落入电器内或制件配合面，这些都将会影响产品功能的实现，导致产品功能失效。

3 控制措施

根据GJB 9001C—2017《质量管理体系要求》的“8.5.1生产和服务提供的控制”条款，其中(m)关于预防、探测和排除多余物的规定的要求。因此，做好热处理多余物的控制，应根据不同热处理制度可能存在的多余物，工艺方法、人员教育、过程管控等方面入手，系统地去控制多余物。

3.1 工艺改进

尽量采用有利于减少、消除多余物产生的工艺方法，从技术方面进行预防，具体如下：

1)盲孔零件，具有狭小缝隙、板缝的零件不用盐炉进行热处理，改为真空热处理，防止残盐进入；

2)在盐炉热处理时，明确规定零件的入炉方式，避免出炉时残盐过多，同时，盐炉冷却后，加强清洗，虽然常规的热水浸泡能去除残盐，为保证清除彻底，应使用自动化程度高的清洗设备；

3)对于排气孔的设计，最后将排气孔设计为螺纹孔，热处理工艺上明确热处理后拧上螺钉，即防止后续吹砂进入砂粒，还可防止转运过程中其他多余物进入，必要时，可对此类制件采用真空淬火、真空回火，保证制件热处理光亮，不需要后续进行吹砂工序；

4)有内腔的零件，热处理回火水冷后，工艺增加低温烘水工序；

5)对真空炉操作、铝合金板材、低温回火等工序，工艺规程明确清洗步骤；

6)在采用真空炉油淬时，可采用适当的先充气后入油或预冷等方式来避免增碳现象。

7)对于易产生多余物的制件，在工艺规程中明确检查的部位及要求。

3.2 人员教育

GJB 9001C—2017中7.3条款是对意识的要求，规定：“组织应确保在其控制下的工作人员知晓：(c)不符合质量管理体系要求的后果；(g)所从事活动的重要性以及与其他活动的相关性；(h)产品和服务不满足规定或预期要求的后果”。 加强职工的质量意识教育，让职工知晓热处理多余物的类型及产生环节，并让职工认识到多余物所造成的后果严重性，提高全体职工的质量敏感性，共同参与到热处理质量隐患的识别中，群策群力的进行热处理质量改进。

3.3 过程管控

规范操作步骤，加强日常监督，对多余物的检测应标准化、制度化，明确盐炉、碱槽的脱氧规范，要求真空炉入炉前对制件、料筐的清洗等，并结合工艺纪律检查，监督各类人员工作的规范性，使职工的日常工作有布置有落实。让职工心中树立标准规范的思想，从而塑造操作规范的良好习惯。

4 结语

热处理多余物的控制是一个需要全员参与、全过程管控的系统工程，需要通过实践中不断总结完善和改进。只有在各类职工在规范工作的基础上，在实践中不断总结提炼，不断完善改进，最大限度的预防和排除热处理多余物。