热处理特殊过程确认的管理

黄天勇,崔超群,郭斌杰,胡冠杰,毛 喆

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

标准GB/T 19001—2017《质量管理体系要求》中8.5.1(f)条款规定:“若输出结果不能由后续的监视或测量加以验证,应对生产和服务提供过程实现策划结果的能力进行确认,并定期再确认。”这种“过程的确认”,各企业和审核人员习惯称之“特殊过程确认”。对特殊过程的确认可以证实这些过程是否具备实现策划结果的能力。热处理属于特殊过程,其确认的结果不能由直接或间接检测得到,有时在产品使用后才能显现出问题[1]。因此,对热处理过程进行特殊过程确认尤为重要。但在实际工作中,如何开展热处理特殊过程确认这项工作,却众说纷纭。有的企业甚至将热处理确认工作变成走形式应付审核,这样即浪费了资源又没有达到预期的目的。本文按照标准HB 8413—2013《特殊过程确认的程序和要求》,就热处理特殊过程确认的流程、实施及后期管理的方式进行介绍。

1 热处理特殊过程确认流程

基于标准HB 8413—2013《特殊过程确认的程序和要求》,金属热处理特殊过程确认的工作流程应为:特殊过程识别→制定确认准则→确认准备→特殊过程确认→批准→确认记录的保存→再确认→再确认的批准→再确认记录的保存。

2 确认实施

2.1 识别

标准GB/T 19001—2017中的“对生产和服务提供过程实现策划结果的能力进行确认”表明特殊过程确认是针对产品质量特性开展的,并不意味着热处理涵盖的所有过程都需要确认。因此,在识别某段过程是否需要进行确认时,应遵循以下几点:

1)以质量特性为依据。

判定热处理过程是否需要确认应以图纸上的质量特性要求为依据,对与该质量特性相关的热处理过程开展确认工作,而与制件最终热处理质量特性无关的过程不需要确认。

例如,对于30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA这类超高强度钢,图纸上的质量特性要求为强度指标。这类超高强度钢经等温淬火后,还需进行磨削加工。航空行业标准规定制件经过磨削后应完成去应力回火工序来消除磨削应力。某些焊接制件在经过退火和加工等工序后还需进行最终的淬火热处理,使部分残留焊接应力在淬火加热过程中发生奥氏体转变,冷却后得到马氏体组织,最后经高温回火后转变为回火索氏体[2]。由此可见此类制件的质量特性是由淬火和回火决定的,而上述去应力回火和中间的退火等工序与制件最终热处理质量特性的相关性小,只需按相关标准规定的热处理参数进行控制即可,不需要进行确认。

对于电工纯铁DT4C来说,要求退火后满足矫顽力Hc、最大磁导率和磁感应强度等磁性能要求。DT4C的退火与形成的最终质量特性相关,故需要对退火过程进行确认。

2)统筹兼顾多道热处理工序。

当一个制件存在多道热处理工序时,应整体考虑来识别出需要进行确认的热处理过程。若前道热处理的质量特性能够被后续质量特性取代,并且对后续的热处理质量特性影响不大时,可只对最终热处理过程进行确认。如合金钢锻件锻造成型后,需进行正火和退火等预备热处理,该工序存在明确的硬度要求,属于与质量特性相关的工序。但预备热处理是为了最终的淬回火热处理做准备,在制件淬火过程中,零件组织重新奥氏体化,原预备热处理的质量特性则被淬火和回火过程中产生的质量特性取代,故预备热处理的过程无需确认,只对淬火和回火过程进行确认即可。

若前道热处理的质量特性对后续质量特性有影响,二者应一并进行确认。如制件的渗氮处理,需先进行调质处理,精加工完成后再进行渗氮,热处理质量特性为零件基体硬度、渗氮层的深度和硬度。除含Al元素的钢外,其余材料氮化层的硬度和深度均与原有的心部硬度有关[3]。不含Al元素的钢制件经过调质处理后,其硬度对渗氮后的硬度存在较大影响。因此对38CrMoAl制件的渗氮过程进行确认时,可将调质处理和渗氮处理分开进行确认;而对于40CrNiMo和2Cr13等钢制件,氮化处理应与前期调质处理的热处理过程一并进行确认,不可分开进行。

2.2 分类

2.2.1分类确认的可行性

金属热处理的工艺方法具有极大的通用性,其中最基本的工艺方式就是俗称“热处理四把火”的正火、退火、淬火和回火,且这四种热处理工艺方式均经过加热、保温和冷却三个环节。

1)加热温度只与材料牌号有关。由于加热温度主要取决于铁碳平衡图,而铁碳平衡图中各相线的转变温度由材料的化学成分决定,故热处理标准中针对同种材料使用相同工艺方式加工时,所规定的加热温度范围是一致的。如30CrMnSiA材料,不论技术要求热处理后强度σb为1175±100 MPa还是980±100 MPa,均需采用淬火+回火工艺来达到要求。且不论使用电阻炉还是盐浴炉,其淬火加热温度均为890±10 ℃。而对于强度要求σb为1175±100 MPa的制件,回火温度为520±20 ℃;对于σb要求为980±100 MPa的制件,回火温度为560±20 ℃。

2)同种材料使用相同工艺方式加工时,保温时间只与加热设备和制件厚度有关。不同设备的热传递方式不同使得制件加热的保温时间也不相同,如空气电阻炉、盐浴炉和真空炉分别是通过热传导、对流和辐射的方式传导热量,故使用这3种常见的加热设备时制件的保温时间也不同。另外,同种材料在相同设备和相同加热温度下的保温时间取决于制件的条件厚度,一般是制件条件厚度越大,保温时间越长。

3)同种热处理工艺的冷却方式基本相同。如正火均采用空气冷却,退火虽然分完全退火、不完全退火、低温退火和球化退火等,但同种退火工艺的冷却方式相同。同种材料的淬火冷却方式大体相同,只个别存在差异,如45钢淬火一般采用水油分级淬火,而对于条件厚度≤3 mm的制件,则采用油冷淬火。

综上所述,热处理工艺的通用性极强,但在进行确认时,应根据其特点进行分类汇总,逐一进行特殊过程确认。既可达到特殊过程确认的目的,又可实现质量控制。

2.2.2分类方式

根据上述热处理工艺通用性强的特点,结合企业自身有关热处理零件的情况,可采用以下分类原则:以材料牌号进行分类,每种材料牌号为一大类,在各大类的基础上,再根据热处理质量特性要求、所用设备和制件条件厚度进行细分。结合相关热处理质量特性的要求依次开展确认。

2.3 制定确认准则

策划过程确认时应明确所选样件或零件。对每个过程进行确认时均需制定确认准则,确认准则中要明确对此过程的确认方式。标准HB 8413中给出了3种确认方法:①评审;②样件(试样或试件)检测和评定;③零件或模拟件的过程操作和过程检查。在进行热处理过程确认时,应尽量选取方法②或③的确认方法。

确认准则应明确确认过程中人、机、料、法、设备、环境和记录的要求。确认准则是后期确认活动开展的指导,在准则制定时不能仅限于策划结果的实现性,还要考虑工艺参数的经济性、后续批量生产的可操作性及后期发展的可替代性。因此在人员和设备的要求上,只需写明人员资质等级和设备类型精度即可,无需具体到人和设备。以便于该过程确认完成后,同等级的操作者和同类型、同精度的设备均可执行此过程。

材料是热处理质量控制的重要一环[4]。因此确认过程中使用的原材料和工艺材料都应提供合格证明,对如淬火油等有周期性检测要求的工艺材料还需提供在有效期内的检测合格报告。

热处理的主要工艺参数为温度、时间、淬火和回火。在制定确认准则时,若只针对一个具体数值点进行确认来判断整个工艺参数满足热处理过程的能力则缺乏说服力,也存在质量风险,对后期生产操作的指导性不强。这就要求热处理专业人员对影响最终热处理质量特性的参数进行风险分析,对影响策划结果的重要参数进行识别,并对重要参数进行交叉上下限的确认。而对于不重要的参数,在控制范围内进行确认即可,这样既能提升可操作性,又便于确定过程能力的边界。

如30CrMnSiA钢的淬火温度为890±10 ℃,回火温度为520 ℃,要求淬回火后强度σb为1175±100 MPa。其中该材料的Ac3为830 ℃,考虑到使用温装炉产生的过热度会导致Ac3点上移,故淬火温度选取890±10 ℃,淬火温度选取上限或下限均对零件淬火后的性能影响不大。而造成该零件的最终强度σb不能满足1175±100 MPa要求的原因主要是以下两点:1)淬火保温时间短可能会导致淬火不充分;2)回火温度高和保温时间长会出现强度低的风险,回火温度低和保温时间短则会出现强度高的风险。因此,在制定确认准则工艺参数时,淬火温度可选890 ℃,保温时间为工艺参数的下限,回火则在淬火后分高温回火长时间保温和低温回火短时间保温两组进行。而对于2A12铝合金板材热处理存在的风险点主要是:1)仪表控温系统故障会导致过烧;2)固溶温度低、保温时间短或转移速度慢会造成强度不足[5]。因此,在制定确认准则时,应重点考虑对设备精度、固溶温度、保温时间和转移速度的要求。

综上所述,不同热处理过程的风险点也不相同。通过对过程开展确认工作,确定满足制件热处理质量特性要求的的参数范围,继而在后续生产中选取该工艺规程的中限进行操作,可保证热处理后的质量稳定可靠。

2.4 确认准备

确认准则进行评审后,实施热处理过程确认的单位应开展确认准备工作,具体为:

1)根据确认准则编制确认的工艺规程,确认操作中的具体要求,如操作者姓名、所用设备具体编号和工艺参数中具体的数值点等;

2)对需确认项目的人员资格、设备、材料、工艺和环境等进行自查,并做好记录;

3)组建确认小组(一般由操作者、工艺人员和检验人员组成),明确小组人员职责。

确认准备完成后,由热处理过程确认单位填写申请表,待批准后方可实施。

2.5 开展特殊过程确认

确认小组全过程监督,并负责填写过程确认审查表,见表1。

表1 热处理过程确认审查表

记录审查结果后应给出是否符合要求的结论。若存在不符合项,特殊过程实施单位应分析原因后进行整改,制定恰当的整改措施并实施,整改有效后重新进行过程确认。若确认的结果没有达到预期,则应分析原因并重新制定确认准则,待评审合格后再次开展该过程的确认工作。

2.6 特殊过程确认报告

待确认完成后,应对相关记录进行收集,完成特殊过程评审报告,给出所确认过程的质量特性是否满足要求的结论。将资料汇总后提交企业技术部门审批,批准后可将确认的过程参数纳入工艺规程。

2.7 确认记录的保存

在热处理特殊过程确认结束后,应对热处理特殊过程相关记录进行保存,需确定保存记录的形式,便于记录的存档保管,可参照表2进行。

表2 需保存的记录清单

2.8 再确认的开展

标准GB/T 19001—2017中8.5.1(f)规定“若输出结果不能由后续的监视或测量加以验证,应对生产和服务提供过程实现策划结果的能力进行确认,并定期再确认。”但标准HB 8413只是要求当出现人员变化、工艺更改、设备变动和操作工艺停用再恢复使用等情况时需进行再确认,对于已经确认合格的特殊过程无需定期再确认。故企业可根据自身产品的特点和规模等情况,自行制定再确认周期。且对于再确认的开展,可采用评审的方式进行。

1)对于变更情况的再确认。可依据最初的确认准则,对变更内容进行评审,判别变更的风险。若变更的情况对过程的质量特性影响不大,则将变更情况纳入工艺规程。若变更情况对质量特性有影响,则应修订确认准则后重新开展过程确认工作。

2)周期性的再确认。可对该热处理过程在此确认周期内的生产情况进行统计,通过计算过程能力并对计算结果进行评审,得出经过所确认的热处理过程后的后续生产质量是否稳定的结论。评审后若认为存在热处理质量特性失效的风险,则需用试样或典型零件等重新开展热处理特殊过程确认工作。

3 后期管理

热处理特殊过程确认是企业质量管理的一项日常管理项目,除完成确认的热处理过程进行管理以识别是否需要对新增热处理工艺进行确认外,还需要对再确认进行计划管理。企业可对已经确认过的热处理特殊过程确认准则按材料分类汇编成册,进行台账式管理。且在新产品开发时,可依据该手册,识别需要进行确认的新增热处理工艺项目,并将确认要求纳入工艺总方案中。同时可依据热处理特殊过程确认准则,制定年度再确认计划以便于再确认周期的管理,使特殊过程确认工作的管理有序化和规范化。

4 结语

热处理特殊过程的确认需结合企业自身实际,识别需要确认的热处理过程,并将该项活动做为企业质量日常管理的一部分,有计划的开展。企业其他特殊过程的确认也可参照上述热处理特殊过程确认与管理的方法进行,以达成企业各特殊过程确认全覆盖,工艺过程稳定可靠,质量管理体系有效运行的目标。