热处理清洗的质量控制

毛 喆,薛 陶

(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GJB 509B—2008《热处理工艺质量控制》、HB/Z 159—2001《航空用钢渗碳、碳氮共渗工艺》、HB/Z 136—2000《航空结构钢热处理工艺》和HB/Z 191—1991《航空结构钢不锈钢真空热处理说明书》等热处理标准中,都对制件的清洗做出了要求,主要是“零件入炉前要求清洗”“清洗过程不能影响制件热处理质量”“清洗后要防止生锈”等。而在实际工作中,有些管理者和操作者认为清洗只是制件热处理过程中的附属工序,不如淬火、回火那么重要,在工作中存在马虎不认真的现象,常导致制件质量问题的发生。

1 清洗不当造成的质量问题

1.1 渗层不均匀

任何化学热处理,都是渗剂分解出活性原子、零件表面吸收活性原子后再向零件内部扩散这三个过程,也就是常说的分解、吸收和扩散。在吸收过程中,活性原子碰撞零件表面,产生物理吸附或化学吸附。零件表面吸附活性原子时释放热量,是自由能降低的过程[1]。根据吉布斯函数可知,吸附这一过程是自发的。若零件表面存在油污,会使零件表面吉布斯函数下降,吸附能力下降,导致化学热处理中,零件没有油污的部位对活性原子吸附能力强,有油污的部位则缺乏活性原子,从而导致零件渗层不均匀,严重时还存在局部无渗层的现象。因此,保证零件表面吸附的必要条件是表面必须清洁,也就是制件进行化学热处理前必须清洗干净。在实际工作中,对于渗碳和渗氮等化学热处理,最终对渗层的检验是在随炉试样上进行,操作者只关注试样表面的清洁度,而对零件的表面状态关注较少,造成检验合格的渗碳或渗氮零件,在后期使用中出现失效现象。对失效制件进行分析,发现存在渗层厚度不符合要求且不均匀的现象。

1.2 腐蚀

盐炉热处理后的零件,若清洗不彻底就会有残留的盐附着在零件表面。在潮湿环境下,残留在零件表面的盐会加快对湿气的吸附。因氯离子半径只有1.81Å,很容易穿透金属的保护膜,使钝化态表面变成活泼表面,造成制件腐蚀[2]。同时零件经淬火、高温回火后形成索氏体组织,是渗碳体和铁素体的混合物,两者之间存在电位差,还会引发电化学腐蚀,使零件腐蚀情况加剧。当形成的蚀核长大到一定的临界尺寸(一般孔径大于30 μm)时,出现宏观蚀坑[3],制件常因热处理后腐蚀严重而报废。

1.3 开裂

若清洗的时机不当,可能导致零件出现开裂现象,这种情况主要是制件在淬火后未冷却到室温就进行清洗所致。

案例:对某尺寸大小为φ22 mm×200 mm的14Cr17Ni2A零件进行淬火、回火热处理。采用电炉在1000±10 ℃淬火加热保温后,油冷,操作者发现零件在淬火油中冷却至表面发暗,就认为冷却结束了,开始在热水槽中清洗制件表面油污,结果导致该批棒料大部分出现开裂。

14Cr17Ni2旧牌号为Cr17Ni2,属于马氏体-铁素体不锈钢,其马氏体开始转变点Ms为357 ℃[4]。即淬火加热保温时,材料发生奥氏体转变,在淬火油中冷却时,因快速通过C曲线的“鼻尖”,过冷奥氏体没有提前发生组织转变;在这种情况下,继续在淬火油或空气中冷却,温度降低至357 ℃时,过冷奥氏体开始发生马氏体组织;温度继续降低至14Cr17Ni2马氏体转变终点Mf(约140 ℃)时,过冷奥氏体向马氏体转变终止。操作者认为制件表面发暗,淬火已经完成,并进行清洗,而此时马氏体的转变还在进行,水洗的冷速高于油和空气,使马氏体转变速率变化;同时14Cr17Ni2钢的合金元素含量高,导热性低,从而使制件受到的组织应力和热应力都变大,超出材料自身的抗拉强度,导致裂纹的出现[5]。

1.4 污染设备

制件清洗不干净,有时会对设备造成污染,进而导致制件的热处理故障。常见有以下两种情况。

1.4.1油污染真空炉

在真空淬火过程中,零件上的油、淬火料筐和转移小车上的油都会带入热室。虽然这些油脂一般属于普通脂肪族,是碳、氢、氧化合物,蒸气压较高,在真空中加热时被挥发或分解,会被真空泵抽走。但在长期积累的情况下,加热分解出的油蒸汽会污染真空泵油,损坏设备的真空泵。另外油污会吸附在真空炉的热室壁上,在加热时残油受热分解,在热室内形成一定的碳势[6]。同时,在真空状态的淬火温度下,工件表面金属处于还原状态,金属表面活性强,有利于碳原子的渗入,造成制件增碳[7]。

1.4.2淬火油污染碱槽

盐炉淬火、碱槽回火,这常用于一般结构钢的光亮淬、回火,可保证制件表面的光亮度。一般淬火后,制件表面的淬火油需要用热水清洗干净并晾干,以防止工件上的残水进入碱槽发生飞溅现象。但实际工作中,有些操作者未对淬火后制件表面的油污进行清洗,直接放入碱槽中回火,通过碱槽的高温,将制件表面的油燃烧去除。这种做法存在以下两点隐患:1)制件表面硬度下降。淬火油燃烧时所达到的温度超过制件规定的回火温度,虽然持续时间短,但会使制件表面硬度降低。制件按原工艺进行回火后,其表面硬度和内部硬度存在硬度差。2)碱槽脱氧难控制。碱槽常采用黄血盐作为脱氧剂,黄血盐分子式为K4Fe(CN)6,其脱氧原理为:

K4Fe(CN)6→4KCN+Fe+2[C]+2[N]

KCN+O2→2KCNO

2KCNO→K2CO3+CO+2[N]

由此可见,黄血盐在脱氧的同时,也会生成一些活性氮原子,这些活性氮原子在碱槽高温下保温一段时间后就会挥发。因此,碱槽脱氧规范要求黄血盐加入后,槽液呈微黄色,待保温至碱槽呈白色后,表示脱氧完成。因淬火油燃烧污染碱槽,碱槽槽液呈黑色,无法判别加入黄血盐量是否合适及脱氧是否完成。黄血盐加入量少,则制件回火会产生氧化现象,没有达到光亮回火的目的;若黄血盐加入过多,在产出的活性氮原子没有完全挥发时就回火,会造成制件表面形成氮化层[8],进而导致制件报废。

1.5 表面处理发花

热处理后一般钢制件的表面不洁净,可通过吹砂这种物理方式去除制件表面污物。但对于铝合金和铜合金带材,却不能采用吹砂的方式。铝合金板材两面均用纯度大于99.5%的纯铝包裹,利用纯铝电位低于基体能起到阳极保护的作用[9],从而提高铝合金的抗腐蚀性;但吹砂会破坏包铝层使制件抗腐蚀性下降。铜合金带材表面光滑,吹砂会增加其表面粗糙度,使其疲劳强度降低。因此,铝合金和铜合金带材在热处理前存在油污,不清洗干净而直接进行热处理会造成制件表面油污高温分解,产生碳黑附着在制件表面,后期清理困难[10],表面处理会出现膜层发花,影响外观质量。

2 控制措施

2.1 意识教育

上述因清洗不规范导致的质量问题主要是相关人员的质量意识不强,因此需要对职工进行质量意识教育,明白清洗的重要性和不规范操作可能导致的后果,意识到问题的严重性,提高质量的敏感性,消除认为清洗无关紧要的思想。并通过日常的监督检查,规范各类人员的行为,营造遵章守纪的工作环境,不断强化职工的质量意识。

2.2 文件控制

通过工艺文件,将清洗工序的要求纳入工艺规程,并结合对制件热处理影响程度,针对性的设置质量控制点。尤其是在真空淬火、化学热处理前、铝合金和铜合金热处理前等方面,增加检验人员专项检查的要求,避免因清洗不当而影响热处理质量。

2.3 技术改进

要有计划的通过自动化清洗设备代替人工清洗,将自动清洗设备与热处理自动生产线统筹设计,通过设备的自动清洗和烘干,可保证清洗的质量,避免残留物的存在。同时,考虑各类清洗剂的应用,增强清洗的效率和安全性。如用水基清洗剂代替汽油对制件的清洗,可彻底杜绝汽油现场失火这一危险源;用碱性清洗剂代替常规的热水清洗,可增强油冷淬火后清洗效果。

3 结语

清洗在热处理中看似一个不重要的环节,往往会因为对这一环节的忽视,而导致质量问题的出现。这需要热处理车间全体人员都认真负责,严守工艺纪律,并结合实际工作不断完善总结,强化清洗规范,为制件的热处理质量奠定基础。