浅谈热处理工艺性审查

2022-06-27黄天勇尹中秋胡剑锋赵松斌

热处理技术与装备 2022年3期

黄天勇，尹中秋，胡剑锋，赵松斌，程炜

(1.航空工业郑飞公司，河南郑州 450005； 2. 空军装备部驻郑州地区军事代表，河南郑州 450005)

标准GB/T 4863—2008《机械制造工艺基本术语》中3.1.7给出了工艺性审查的定义：“在产品工作图设计阶段，工艺人员对产品和零件结构工艺性进行全面审查并提出意见或建议的过程”。产品设计的工艺性审查，其目的是为了保证产品设计结构合理性、制造过程工艺性。以便产品的可实现性增强，产品的质量稳定性好。新产品设计正式出图前，都需要各专业的工艺人员对设计图样进行工艺性审查，热处理的工艺性审查亦在其中。

1 热处理工艺性审查的作用

1.1 排查产品设计隐患

产品设计是影响热处理质量的重要因素，如果设计不合理，必然后患无穷。因此，产品设计是控制热处理质量的首要环节[1]。以往曾多次出现设计选用的材料、热处理要求不合理等现象，造成产品在使用中出现质量问题。如HB/Z 80—2011《航空用不锈钢热处理》中注明了1Cr13在520～560 ℃回火、2Cr13在500～560 ℃回火、3Cr13在500～530 ℃回火和1Cr17Ni2在480～560 ℃回火时都存在产生回火脆性的情况[2]，并建议新产品不应采用。例如，对某一滚轮制件规定材料使用2Cr13，热处理后强度σb要求为1175±100 MPa。为了使2Cr13材料满足强度要求，设计人员选择回火温度为520±20 ℃，而此温度在其产生回火脆性区的温度范围内。在工艺性审查时热处理工艺员只考虑工件强度、硬度的可实现性，对此没有提出，从而造成该滚轮制件在出厂后发生断裂。

1.2 保证热处理质量稳定

在机械制造中涉及热处理的零件较多。在工具、轴承等行业中几乎百分之百的零件需要热处理。汽车车辆、机床、工程机械等行业中，重要的零件约占全部零件的60%～80%都需要经热处理予以强化。众所周知，热处理是提高零件使用性能的重要手段，是机械制造工艺过程中重要组成部分。热处理工艺性的优劣严重影响热处理工艺在整个制造过程中的作用和经济效益。可以缩短生产周期，降低生产成本，减少污染和有害影响，提高经济效益。通过热处理工艺性审查，在产品设计过程中合理地选择材料，正确地确定性能指标，以便制造出安全可靠、性能稳定、寿命长的产品[3]。如某产品零件使用45钢，硬度要求为35～41 HRC。因45钢不含其他合金元素，其C曲线靠左，在热处理淬火时需要先采用水冷的方式保证通过C曲线“鼻尖”，以防止过冷奥氏体提前发生转变而不能得到预期的马氏体组织，然后采用油冷防止冷速过快导致相变应力过大而造成制件开裂。这对操作者的技能要求高，需要有较强的实践经验。在工作中经常出现45钢淬火开裂的现象。该零件要求硬度为35～41 HRC，是45钢经淬火+高温回火后所得到的调质硬度。用一般合金钢均可满足要求，后续材料更改为30CrMnSiA钢后，其淬火采用油冷即可保证淬火后得到马氏体组织，通过高温回火即可满足35～41 HRC的硬度要求，并且油冷基本不会造成该材料开裂，避免了该制件的热处理开裂现象。

2 热处理工艺性审查的内容

2.1 制件选料

制件材料的选择，直接关系到热处理质量及后续工件的使用。一般制件的材料都要对其强度、韧性进行综合考虑，避免制件在使用中出现失效现象。每种材料都有其常用的性能指标范围，热处理后制件性能在此范围内综合性能最佳。如30CrMnSiA钢是飞机制造业使用最广泛的一种调质钢，在淬火、高温回火状态下具有较高的强度和足够的韧性[4]，常见的热处理性能指标σb为980～1275 MPa。而30CrMnSiNi2A作为超高强度钢，其常见热处理性能指标σb为1665±100 MPa。如果将这两种材料牌号写反，在进行热处理工艺性审查时没有指出，会造成在后续生产中30CrMnSiA钢制件无法达到设计规定σb为1665±100 MPa的要求；若规定30CrMnSiNi2A超高强度钢σb为980～1275 MPa，则该材料高强度的特点在制件上没有得到体现。

2.2 结构

热处理淬火的冷却过程中，制件受相变应力和热应力的共同作用，会产生较大的残余应力[5]。在制件的尖角处、厚薄交界处容易产生应力集中。为防止制件淬火开裂，在制件结构设计时，应尽量避免尖角、锐边，截面尽量均匀对称。若设计中不可避免出现尖角和厚薄截面等部位，可通过增大R角、厚薄交界圆滑过渡等措施减少应力集中。

如果制件结构会导致热处理工艺性差，还应考虑更换材料。如原设计的30CrMnSiA板材，尺寸大小为650 mm×320 mm×3 mm，要求热处理后强度σb为1175±100 MPa。对于30CrMnSiA材料可采用淬火+回火以达到要求的强度指标。但该板材在890±10 ℃加热保温后油冷淬火的过程中，受到较大的组织应力和热应力，因制件结构为平板型，导致淬火后变形大，校正困难。后经协调将材料更改为0Cr15Ni5Cu2Ti固溶状态供应的板材，该材料为沉淀硬化型不锈钢，固溶处理后可获得马氏体组织，在时效过程中析出弥散相，达到沉淀硬化的目的。因原材料0Cr15Ni5Cu2Ti为固溶态供应，只需在420～450 ℃时效保温2～3 h后空冷，即可满足强度要求。由于0Cr15Ni5Cu2Ti材料时效温度低，弥散强化所产生的内应力较淬火小，故该制件变形小，时效处理后略经校正即可。

2.3 淬透性

淬透性指钢在淬火时获得淬硬层深度的能力。一般规定从表面到50%非马氏体深度的距离作为淬硬层深度。不同材料的淬透直径亦不相同，如30CrMnSiA钢的淬透直径为25 mm，45钢在油中的淬透直径为6 mm、在水中淬透直径为18 mm，等。淬透性是热处理工艺性审查的重要项目之一。

错误的观点认为，设计所要求的为调质硬度，即热处理工艺为淬火+高温回火，淬火时即使不能淬透，不能得到马氏体组织，可通过调整回火温度来达到设计所要求的强度、硬度指标。对于超过材料淬透直径的制件，淬火冷却过程中，因制件厚度大，心部不能达到临界冷却速度而提前发生组织转变，不能发生马氏体转变。虽然经后续高温回火后，制件能得到索氏体组织，强度、硬度及延伸率等与淬透后回火的制件相差无几，但其冲击韧性相差较远，正常淬透后高温回火的制件组织均匀、晶粒细小，有较好的韧性；而没有淬透的制件，组织均匀性差，存在局部粗大晶粒，造成冲击韧性下降。一般设计图纸对制件的热处理要求为强度或硬度指标，这是因为在满足制件淬透性要求的情况下，其强度指标与塑性、韧性指标有相关的对应性。作为热处理技术人员，在工艺性审查时，需对每种热处理制件的淬透性进行重点审查。

2.4 禁限用工艺的情况

在进行热处理工艺性审查时，要结合热处理禁限用工艺的情况。热处理禁限用的工艺必须在工艺审查时得以解决，以防止后续生产过程中出现质量问题或给产品埋下隐患。如标准HB/Z 136—2000《航空结构钢热处理工艺》中6.4.3规定：“内腔封闭的制件，在热处理时必须有排气孔或使用排气管”。某些制件焊接成型后进行热处理，若存在密闭内腔，在热处理过程中密闭的气体会受热膨胀，造成制件因变形或开裂而报废。在对此类零件审查时，要求设计人员在制件上明确排气孔的位置、大小等。如前文提到的1Cr13、2Cr13等回火脆性区的问题，若设计选用此类材料，对强度指标的要求则应避开制件在脆性区温度范围内回火。当然，随着沉淀硬化不锈钢的普及，有些企业已用沉淀硬化型不锈钢代替1Cr13、2Cr13等在某一定范围内回火具有较大脆性的材料。

2.5 粗糙度

热处理是通过改变材料内部组织而达到一定性能的工艺方法，故常规的热处理一般不用考虑制件的粗糙度。但对于化学热处理来说，制件的粗糙度也是要关注的因素之一。渗碳、渗氮是常见的化学热处理，在实际生产中，很多制件并不是整体进行渗碳或渗氮，往往是要求局部渗，而其余部位则不得渗入元素。常规的方法是对不要求渗氮或渗碳的部位进行镀铜保护，通过铜镀层达到阻渗的目的。如果制件表面粗糙度过高，使制件表面积增大，导致在电镀过程中，实际的电流密度比表现的电流密度小[6]，会造成镀层结晶粗、孔隙率大，在后期渗碳或渗氮时不能起到防渗作用，还会因漏渗造成制件报废。因此，对于需镀铜防护后进行化学热处理的制件，其电镀表面的粗糙度应不大于Ra1.6。

另外，氮化制件虽然硬度高、变形小、抗咬卡能力强，但氮化层组织由不同的相构成，各相晶格类型不同、比容不同，在相界上存在较大的显微应力，故而氮化层具有一定的脆性，在外力下易发生“崩口”现象。氮化层的粗糙度越大，其脆性越差。因此，氮化制件的表面粗糙度控制在Ra0.8以下。

2.6 供料状态

对于常见的结构钢材料，其热处理制度为淬火、回火，一般材料的供应状态为退火态，在热处理工艺性审查时，供料状态不用关注。但对于有色金属和沉淀硬化型不锈钢来说，材料的供应状态与后续的热处理工艺具有较大的相关性，在热处理工艺性审查时不得忽视。如2A12板材一般热处理后的强度为400 MPa，将2A12板材在此强度下进行弯曲成型，则会出现开裂现象。这就需要供应的2A12板材为退火状态，弯曲成型后再进行热处理。而对于只需对外形加工的2A12板材，则可直接供应淬火+自然时效状态，无需后续热处理。如沉淀硬化不锈钢PH15-5、PH17-4等，供应态为固溶态时，可直接进行机械加工，最终只需进行时效处理即可得到要求的强度。对上述材料供应状态的审查，可使零件热处理要求的正确性和整体零件加工的工艺性得到保证。

3 热处理工艺性审查的控制

3.1 建立相应知识清单

为了保证热处理工艺性审查的效果，避免因人员经验不足而导致在审查过程中出现遗漏的现象，应结合标准GJB 9001C—2017《质量管理体系要求》中7.1.6条款“组织的知识”的要求，对影响企业自身的热处理工艺性的相关因素进行识别，并归纳总结，经相关人员评审后，形成企业自身的《热处理工艺性审查表》。该表单即可作为热处理工艺人员对产品进行工艺性审查的依据，还可作为刚从事热处理工艺人员的培训教材。《热处理工艺性审查表》的建立，是将热处理相关标准的要求、禁限用工艺的规定和日常生产中的经验教训结合在一起，即可在热处理工艺性审查时起到提示作用，也可作为热处理知识的传承培训新人，让新入职的热处理技术人员快速掌握自身企业所需要的热处理知识，并在后续的热处理工作中少走弯路。

3.2 培训

由热处理专业人员对产品设计人员进行培训，向设计人员介绍基本热处理知识和企业自身的热处理现状，并重点将形成的《热处理工艺性审查表》对企业设计人员进行培训，让设计人员了解热处理工艺性的相关知识和要求。设计人员在后续产品设计时，在考虑产品功能实现的同时，还可达到材料选用合理、零件结构优化、热处理要求正确合理的效果，从源头上避免了热处理不恰当的要求。这种培训可采用集中授课或定期交谈的模式，让企业的设计人员和工艺人员之间的互动加强，形成知识共享，不断提升设计图纸的工艺性。

3.3 持续完善

热处理技术人员在日常工作中应经常到热处理生产现场，从提高制件热处理质量可靠性、稳定性的角度出发，观察学习热处理生产过程，并要经常向热处理操作工咨询，听取改进建议。同时，结合热处理日常生产中出现的质量问题，分析原因，并对产生的原因进行分类。对设计上有改进空间的零件，应及时向设计人员反馈，并完善《热处理工艺性审查表》，从而达到从技术源头上提高热处理工艺性，保证质量、提高效率。