热处理禁限用工艺的类型及管理

朱海磊，毛 喆，黄天勇，黄红武

(1.空军装备部驻郑州地区军事代表室，河南 郑州 450005；2.航空工业郑州飞机装备有限责任公司，河南 郑州 450005)

目前，较多企业已将禁用、限用工艺纳入工艺管理中，热处理作为生产制造中的重要环节，其质量好坏对产品的功能、安全、寿命都有影响。同时，热处理属于特殊过程，其加工结果不能直接或间接检测，有时问题在产品使用后才显现。因此，对热处理禁、限用工艺的管控尤为重要。

1 禁用工艺的类型

禁用工艺系指在热处理生产中，法律法规和标准中明确禁止使用的工艺方法。热处理逐步向绿色、环保、节能等方向发展，国家对环保、安全有严重影响的工艺方法禁用，并要求淘汰高耗能的设备。同时，对导致热处理制件重大质量隐患的工艺方法，标准中也明确禁止。

1.1 对环保、安全有严重影响

基于对环保、安全的考虑，以往严重污染环境、危害生产安全的工艺方法，已被国家明文禁止使用。如碳氮共渗工艺，因最初在氰化物液体中进行而俗称“氰化”，由于氰化物高温分解剧毒气体，对操作者身体健康存在巨大隐患，已被禁止使用，现已被气体碳氮共渗工艺所替代。又如用于配置盐浴炉的钡盐，因挥发物有剧毒也被禁止使用。现配置中温盐炉多采用NaCl和KCl混合盐浴，而采用BaCl2的高温盐炉已被禁用，高速钢的淬火已在真空炉中进行。

1.2 高耗能、产能落后的设备

尽可能减少能源消耗量，是国家的发展规划。热处理中用于控制温度的控制柜，以前采用位式交流接触器的温度控制柜，因控制精度低，与可控硅控制柜控温的热处理炉相比耗能高出10%～20%，已要求淘汰。插入式电极盐浴炉因使用效率低、电量大，并且由于电极直接插入盐浴，在盐浴与空气交界处极易产生氧化[1]，致使电极寿命变短。目前，现已被埋入式盐浴炉所代替。

1.3 对制件有严重质量问题的工艺方法

1.3.1 直接造成制件报废

加热是热处理中必不可少的工序。对密闭制件进行加热，高温下金属材料强度低且密闭的气体会受热膨胀，这就会导致制件变形或开裂，造成制件报废。因此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。”在实际生产中，工艺规程中对某内腔密闭的制件事先安排了排气孔，为防止转运过程中杂物进入内腔形成多余物，工艺规程将工艺孔设计为螺纹孔，要求周转过程中用螺钉拧紧，热处理前拧出螺钉。若直接将制件进行加热，制件将发生严重畸变而报废。

1.3.2 存在质量隐患

质量隐患是指按此工艺方法操作后，按常规检测制件的强度、硬度等指标都符合技术要求，但存在对制件抗蚀性下降、冲击韧性差等质量隐患。如奥氏体不锈钢热处理，500～800 ℃是该类材料的敏化稳定温度，但在此温度范围内保温或缓慢冷却，则会发生晶间腐蚀，造成制件抗蚀性下降。为此，奥氏体不锈钢需严禁在此温度下保温或缓冷。另外，对于钛合金热处理，由于高温下钛有很高的化学活性，容易被炉气中的氢、氧、氮等元素化合，一旦氢超标则会导致氢脆；钛合金形成的富氧层，其塑性差易剥落；钛合金渗入氮会使塑性显著下降[2]。故没有加工余量的钛合金热处理时，要求采用真空热处理，并采取惰性气体保护。这些质量隐患都会导致制件在使用过程中失效而出现产品降级之类的问题。

2 限用工艺的类型

限用工艺指在热处理生产中，对产品质量保证难度大，存在一定隐患，需采取相应措施后，在一定条件下可以保证质量要求的工艺方法。这涉及材料选取、设备、操作等方面。

2.1 材料选取

材料热处理后的性能由其组织决定，但材料固有的化学成分却决定了该材料在某种状态下的固有特性。有些材料在某些状态下存在固有的不足，会导致制件在使用中出现失效现象。如HB/Z 80—2011《航空用不锈钢热处理》中“表3淬火或固溶处理、回火或时效的加热温度即冷却方式”的注解d规定“考虑到回火脆性的不良影响，除制件有特殊要求外此温度不宜采用，新产品不应采用。”该标准注明了1Cr13在520～560 ℃回火、2Cr13在500～560 ℃回火、3Cr13在500～530 ℃回火、1Cr17Ni2在480～560 ℃回火时都存在回火脆性的情况。这是因为在此温度下，该类不锈钢在上述温度范围内回火时，(Fe、Cr)3C碳化物会向(Cr、Fe)7C3转变，造成贫Cr区与富Cr区基体，不仅降低了材料的抗蚀性，还会因此导致Cr的碳化物不均匀偏聚，引起点阵畸变和内应力增加，使材料脆性不良。

2.2 设备选用

某些制件因自身结构的特殊性，在选用热处理设备时，由于设备固有性质而导致质量隐患。如盲孔类零件若采用盐炉进行热处理淬火，在制件从盐炉保温后冷却过程中，制件盲孔内会存在残留的盐，在冷却介质作用下，残盐会凝固在制件表面。残盐是由NaCl和KCl组成，因含有离子半径小而具有较强穿透性的氯离子，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，导致制件发生腐蚀。

另外，一些辅助设施的选用也有类似问题。如GJB 509B—2008《热处理工艺质量控制》中5.3.3条款中规定：“淬火槽一般应有循环搅拌和冷却装置，不推荐采用压缩空气进行搅拌。”这是由于压缩空气中含有一定量的水，若空气压缩机出现故障，干燥机或排水出现故障，更会导致压缩空气中的水含量增加。热处理合金钢的淬火常采用油冷却，若水进入淬火油中，会使淬火油中的添加剂乳化、沉降或水解失去功效，使淬火油使用寿命变短。而且，长期使用压缩空气搅拌，会使淬火油中的水含量日益增多。实践证明，当油中含水在0.03%时，就会对钢淬火后的表面光亮度产生影响；含水0.05%以上时，将会使工件淬火变形量增加；而含水量达到0.10%以上时，则可能使工件淬火出现裂纹[3]。

2.3 对操作技能要求高

有些热处理操作环节对操作人员技能要求高，若操作不当则会导致制件出现质量故障，严重还可能导致制件报废。如黑色金属在淬火冷却时，制件冷却速度应大于临界冷却速度从而通过C曲线的“鼻尖”[4]，才能保证淬火冷却过程中过冷奥氏体不提前发生组织转变，从而得到马氏体组织。对于45钢、T8A等中碳钢和碳素工具钢来说，其“C曲线”偏左，在淬火时油冷却的速度不能大于临界冷却速度，需采用水冷却保证通过C曲线“鼻尖”。中、高碳钢在冷却后期奥氏体发生马氏体转变时，因含碳量高，会产生较大的组织应力，从马氏体开始转变到转变结束这一过程中，若冷速过快，还会产生较大的热应力。组织应力和热应力叠加所产生的应力大于材料的断裂强度，则造成开裂[5]。故淬火时完全采用水冷，存在较大的淬火开裂风险，因此在操作中常采用水油分级的淬火方式，即制件先在水中冷却到400～500 ℃左右，再采用油冷的方式，即保证了冷却速度大于临界冷速，又避免了马氏体转变过程中应力过大的风险。但在水中冷却时间为3～5 s，然后转入油中冷却，这对操作者技能要求较高，在水中冷却时间短会导致制件淬火后硬度不足，而在水中冷却时间长则会导致制件因开裂而报废。

3 热处理禁限用工艺的管理

3.1 识别

企业应结合GJB 9001C—2017《质量管理体系要求》中7.1.6条款“组织的知识”的要求对热处理禁、限用工艺进行知识管理。即结合相关法规、标准的规定，结合企业自身产品的特点和以往热处理质量案例的情况，对热处理工艺进行审视、总结，形成企业自身的《热处理禁、限用工艺目录》。

3.2 应用

根据企业《热处理禁、限用工艺目录》，对现有情况进行核查，分类进行管理。在设备方面将标准中规定禁止使用的高耗能、产能落后的设备和限用的存在隐患的设备有计划地进行淘汰更新。对存在材料固有特性不足的，要求设计人员不在此范围内选用，并提供相应的替代材料，如用PH15-5等沉淀硬化不锈钢代替1Cr13、2 Cr13、1Cr17Ni2等材料。对于要求操作人员技能高的工艺方法，可以让设计人员进行材料更改，也可以在热处理工艺规程中对此工序设为关键工序，指定人员操作。另外，还可通过调整工艺方法杜绝质量隐患，如用真空炉代替盐炉对盲孔类零件淬火，可完全避免残盐腐蚀制件的隐患等。

3.3 后期控制

3.3.1 设计控制

企业应对《热处理禁、限用工艺目录》进行培训，让设计人员、工艺人员了解热处理禁、限用工艺的内容，并作为新产品设计、工艺总方案制定时的指导文件之一。让产品设计、工艺设计人员在考虑产品功能实现的同时，通过合理选用材料、优化产品结构和工艺路线，避免选用或涉及热处理禁用工艺项目。同时，加强产品设计、工艺设计的评审，识别是否存在热处理禁、限用工艺，对于存在的禁用工艺，不得采用；若不可避免要涉及限用工艺，则要在热处理工艺规程中明确质量控制点，避免质量问题的发生。如超高强度钢30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA，一般采用硝盐等温淬火，目前常采用盐炉进行加热，若零件存在盲孔零件，则应在工艺规程中明确零件在盐炉中的放置方式，让零件在盐炉中加热时盲孔口朝下，便于出炉时盐从盲孔流出，并增加硝盐等温冷却后热水清洗工序，并明确要求检查盲孔内是否有残盐堆积。

3.3.2 质量控制

在后续热处理生产环节，应加强热处理限用工艺的质量控制，如采用压缩空气搅拌淬火冷却油，可通过调整分析周期的方式，加强对油内的含水量进行分析，确保热处理生产过程中质量可控。若涉及热处理外协生产，对外协厂家的设备、工艺都要进行评审，识别是否存在禁、限用工艺，并根据情况进行论证控制，策划相应的质量控制方式。

3.3.3 持续改进

根据企业产品的特点，结合热处理生产中出现的质量问题，不断进行分析改进，完善企业自身的《热处理禁、限用工艺目录》，尽可能从技术源头上避免热处理质量问题的出现。同时，及时了解并贯彻热处理行业新标准，不断完善热处理禁、限用工艺的内容，让企业能应对不断变化的禁、限用工艺要求和热处理行业发展趋势。

4 结语

对热处理禁、限用工艺的管理是一项繁琐且责任重大的工作，要求从产品设计、工艺设计、质量管控、生产制造等环节加强控制，要在各类人员共同参与，通过实践不断完善总结，确保企业产品的热处理质量稳定可靠。