胡劍鋒,尹中秋,毛 喆,黃紅武,黃天勇

(1.中國(guó)人民解放軍駐一二四廠軍事代表室，河南 鄭州 450005； 2.航空工業(yè)鄭飛公司，河南 鄭州 450005)

我公司使用的真空雙室淬火爐，主要用于合金鋼和不銹鋼制件的淬火處理，工作使用溫度范圍為800～1200 ℃。但由于工藝不完備、設(shè)備維護(hù)不當(dāng)?shù)仍?，制件淬火后出現(xiàn)熱處理質(zhì)量達(dá)不到技術(shù)要求的現(xiàn)象。因此，本文針對(duì)生產(chǎn)中常出現(xiàn)的質(zhì)量故障進(jìn)行總結(jié)。

1 常見(jiàn)故障

1.1 淬火后硬度不足

案例：一批材料為30CrMnSiA的制件，有效厚度為10 mm，技術(shù)要求硬度為35～41 HRC。熱處理工藝如下：

1)淬火：采用真空淬火爐在650±10 ℃溫度下保溫20 min后，升溫至890±10 ℃保溫50 min，油冷淬火，其真空度為1～10 Pa。

2)回火：采用井式電阻爐，520±20 ℃溫度下保溫60 min，水冷。

按上述熱處理工藝進(jìn)行淬火、回火后，測(cè)量制件硬度為34 HRC，不符合技術(shù)要求。將該批制件按上述工藝重新淬火后測(cè)量硬度為34 HRC，低于該材料淬火后硬度大于44 HRC的要求。抽取該批制件中的三件進(jìn)行鹽爐淬火工藝試驗(yàn)，鹽爐890±10 ℃加熱保溫10 min，油冷后三件制件的硬度均在47 HRC左右，按原工藝回火后均符合35～41 HRC的技術(shù)要求。通過(guò)兩種淬火方式對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用真空淬火后制件的硬度不足。

復(fù)查操作過(guò)程，發(fā)現(xiàn)操作者在淬火保溫結(jié)束轉(zhuǎn)移至冷室后，直接進(jìn)行入油冷卻。此時(shí)冷室真空度為6 Pa，不符合標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 191—1991《航空結(jié)構(gòu)鋼不銹鋼真空熱處理說(shuō)明書(shū)》中7.2.6.2.3條的規(guī)定：“淬火時(shí)油面壓強(qiáng)一般應(yīng)通過(guò)回充氮(氬)氣控制在5×104Pa左右，并采用先充氣后入油的方式進(jìn)行淬火。對(duì)于淬透性較好的結(jié)構(gòu)鋼(如：40CrMnSiMoVA、40CrNiMoA、30CrMnSiNi2A、300M鋼等)以及馬氏體不銹鋼等，可以采取先入油后充氣或不充氣、或先充氣后入油的方式進(jìn)行淬火。采取先充氣后入油的方式，充氣壓強(qiáng)可小于5×104Pa，一般控制在2.5×104Pa左右”。而30CrMnSiA這種材料淬透性一般(淬火直徑為φ25 mm)，若在工藝規(guī)程中沒(méi)有明確冷卻時(shí)的真空度要求，操作者一旦未進(jìn)行充氣處理，容易造成淬火后硬度不足。

制件淬火冷卻過(guò)程分為三個(gè)階段：蒸汽膜階段、沸騰階段和對(duì)流階段。制件從真空爐熱室保溫再轉(zhuǎn)移到冷室入油冷卻的瞬間，周?chē)挠土⒓幢患訜釟饣?，在制件表面形成一層蒸汽膜，該膜層的存在使制件僅靠輻射進(jìn)行熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱性差；同時(shí)，冷卻初期工件放出的熱量大于蒸汽膜傳遞給油的熱量，蒸汽膜會(huì)不斷增厚，隨后因受到冷卻油的降溫作用會(huì)使蒸汽膜破裂，工件與油直接接觸，使油在工件表面激烈沸騰，不斷產(chǎn)生氣體帶走大量的熱能，讓工件冷卻速度加大；當(dāng)工件冷卻到真空淬火油的沸點(diǎn)時(shí)，主要以對(duì)流的方式進(jìn)行冷卻，冷卻速度也相對(duì)緩慢。制件淬火冷卻時(shí)要求快速通過(guò)C曲線的“鼻尖”才能保證制件加熱形成的過(guò)冷奧氏體能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，這就要求制件冷卻過(guò)程中，蒸汽膜形成和破裂階段要短，應(yīng)快速進(jìn)入沸騰階段，使制件冷卻速度大于臨界冷卻速度從而通過(guò)C曲線的“鼻尖”。至于對(duì)流階段的冷速快慢是否能獲得馬氏體組織并不相關(guān)，冷卻慢反而會(huì)減少淬火開(kāi)裂傾向。對(duì)于30CrMnSiA制件，采用常規(guī)的鹽爐或電爐加熱，油冷后都能滿足要求。而真空淬火為了使淬火油不污染真空系統(tǒng)，所用真空淬火油飽和蒸汽壓低，即低壓下蒸發(fā)少[1]，這就決定了真空狀態(tài)下蒸汽膜階段保持的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。然而，30CrMnSiA材料淬透性一般，制件在冷卻過(guò)程中，冷速會(huì)小于臨界冷卻速度，并與C曲線相交，從而使過(guò)冷奧氏體提前發(fā)生了組織轉(zhuǎn)變，淬火后不能全部得到馬氏體組織，造成制件淬火后硬度較低。根據(jù)蘭納德-瓊斯理論，分子間的排斥作用與距離(r)的12次方成反比，而吸引作用與距離(r)的6次方成反比。由此可知，淬火冷卻時(shí)增大壓力會(huì)使氣體的摩爾體積減小，即分子間距減小，分子間引力增加，蒸汽膜進(jìn)一步變薄，縮短了傳熱慢的蒸汽膜階段[2]。因而，能保證淬火冷卻后得到馬氏體組織，從而使制件具有較高的硬度。

通過(guò)以上分析，再將該批制件按原工藝規(guī)程進(jìn)行真空爐加熱保溫，在冷卻時(shí)先充氮?dú)庵?×104Pa左右后，再入油冷卻，測(cè)量制件硬度為46～47 HRC，表明淬火過(guò)程中組織轉(zhuǎn)變充分，符合要求。

1.2 淬火后硬度不均勻

案例：某制件材料為30CrMnSiA，最大外形尺寸為185 mm×34 mm×27 mm，熱處理要求硬度為35～41 HRC。熱處理后進(jìn)行硬度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該制件不同部位硬度不一致，最高處硬度為36 HRC，最低處僅有20 HRC，并且硬度高低呈區(qū)域性，沿185 mm長(zhǎng)度方向依次測(cè)量，硬度呈下降趨勢(shì)，不符合要求。

復(fù)查該制件熱處理工藝規(guī)程及操作記錄得知，該制件熱處理時(shí)使用鹽浴爐淬火：890±10 ℃溫度下加熱保溫20～25 min，油冷；堿浴爐回火：520±20 ℃溫度下加熱保溫30～40 min，水冷。

因在實(shí)際生產(chǎn)中，鹽浴爐出現(xiàn)故障，工藝人員將淬火設(shè)備更改為真空淬火爐，相應(yīng)的淬火保溫時(shí)間更改為40～60 min。實(shí)際操作中，淬火保溫50 min，入油冷卻前也按規(guī)定進(jìn)行了回充氮?dú)?。該制件最大有效厚度?7 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 136—2000《航空結(jié)構(gòu)鋼熱處理工藝》中規(guī)定保溫時(shí)間為16～35 min，工藝規(guī)程選取20～25 min符合標(biāo)準(zhǔn)范圍。更改為真空淬火爐進(jìn)行淬火時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 191—1991《航空結(jié)構(gòu)鋼不銹鋼真空熱處理說(shuō)明書(shū)》中7.2.4條規(guī)定，淬火保溫時(shí)間為(20～30) min+(2～3)min/mm。該制件最大有效厚度為27 mm，計(jì)算其保溫時(shí)間應(yīng)為74～111 min，更改的工藝規(guī)程為40～60 min，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，造成淬火后硬度不均現(xiàn)象。真空淬火加熱保溫時(shí)間較鹽爐、空氣電爐要長(zhǎng)，這是因?yàn)檎婵諣t內(nèi)空氣稀薄，熱能傳遞主要依靠輻射進(jìn)行，比鹽爐的對(duì)流和空氣爐空氣流動(dòng)傳導(dǎo)速度都慢。同時(shí)，輻射傳遞熱能具有一定方向性，工件正對(duì)熱源可接受輻射加熱的部位先加熱，其他部位則需要工件自身進(jìn)行熱傳遞，該制件真空熱處理后出現(xiàn)的硬度降低，是工藝人員更改工藝規(guī)程，導(dǎo)致加熱保溫時(shí)間短，正對(duì)熱源部位在加熱時(shí)間內(nèi)能達(dá)到工藝規(guī)定的淬火溫度，其它靠熱傳遞提升溫度的部位還未達(dá)到淬火所需要的溫度，造成制件局部未達(dá)到奧氏體轉(zhuǎn)變溫度或奧氏體化不充分，淬火后不能得到馬氏體組織，而獲得珠光體組織；回火后，制件馬氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍象w，而珠光體組織在回火過(guò)程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而造成制件熱處理后各部位硬度不均勻。

將該制件重新采用真空淬火，保溫時(shí)間80 min，淬火后制件各部位硬度均勻，均在46～47 HRC之間，按原工藝回火后，制件各部位硬度在36～37 HRC，符合要求。

1.3 淬火后表面滲碳

案例： 某30CrMnSiA材料制件，技術(shù)要求σb為1175±100 MPa(II)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HB 5013—1996《熱處理制件檢驗(yàn)類別》中的規(guī)定，熱處理要求為II類時(shí)，需進(jìn)行試樣的拉伸和100%制件的硬度檢測(cè)。工藝規(guī)程規(guī)定熱處理后取兩件隨爐試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)量強(qiáng)度，制件100%用砂紙拋光后進(jìn)行硬度測(cè)量，要求硬度在35～41 HRC之間。

采用真空爐淬火、電爐回火后，取2件試樣精加工后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度σb為1045、1060 MPa，而對(duì)制件進(jìn)行洛氏硬度測(cè)量時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)制件的硬度值為43 HRC，即強(qiáng)度偏下限符合要求，但硬度卻高于要求。對(duì)制件表面打磨去除0.3 mm后，再進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度為36～37 HRC。對(duì)制件進(jìn)行金相觀察，發(fā)現(xiàn)制件表面有0.2 mm深度的滲碳層。

材料的淬硬性主要決定于自身的含碳量[3]，制件表面碳含量高于心部，按同種工藝進(jìn)行淬火、回火后，制件表面硬度高于心部。而拉伸試樣在熱處理后還需要進(jìn)行機(jī)械加工，其表面的滲碳層已去除，所測(cè)數(shù)值為真實(shí)的強(qiáng)度值。洛氏硬度測(cè)量原理是在初試驗(yàn)力和主試驗(yàn)力作用下將硬度計(jì)針頭壓入制件表面，然后卸除主試驗(yàn)力，在初試驗(yàn)力下測(cè)量殘余壓入深度計(jì)算洛氏硬度[4]。可見(jiàn)洛氏硬度是在制件表面進(jìn)行測(cè)量，表面滲碳層的存在對(duì)硬度計(jì)壓頭的變形阻力增大，產(chǎn)生的塑性變形小，所得到的殘余壓入深度減少，所測(cè)的硬度值偏高。而去除滲碳層后，制件表現(xiàn)為真實(shí)硬度，與所測(cè)的抗拉強(qiáng)度值對(duì)照相符。

檢查真空淬火爐，發(fā)現(xiàn)在加熱室內(nèi)壁粘附較多的油。真空狀態(tài)下，制件在淬火溫度下，氣氛中的氧分壓低于金屬氧化物的平衡分解壓，使金屬處于還原狀態(tài)，不僅使金屬本身不氧化，而且還可以使原來(lái)已經(jīng)氧化的金屬進(jìn)行還原分解。同時(shí)，附在工件上的脂肪族油脂，是碳、氫、氧化合物，蒸氣壓較高，在真空加熱時(shí)可被揮發(fā)或分解。加熱室內(nèi)有較多殘油，在真空加熱下油脂的分解會(huì)產(chǎn)生活性碳原子，在制件表面被還原呈現(xiàn)活性，具備了滲碳的基本條件[5]。由此可見(jiàn)，加熱室內(nèi)壁粘附的殘油是導(dǎo)致零件在淬火加熱中滲入碳原子的主要原因。

在日常生產(chǎn)中，真空爐加熱室內(nèi)出現(xiàn)殘油的原因主要是這兩方面：一方面是零件進(jìn)入真空爐前制件的油污未清洗干凈；另一方面是淬火料筐和小車(chē)淬火時(shí)需和工件一同進(jìn)行油冷，后續(xù)生產(chǎn)時(shí)，料筐和小車(chē)上的油帶入加熱室內(nèi)。殘油在熱室內(nèi)加熱分解，部分被真空泵抽出，部分在加熱室內(nèi)形成一定的碳勢(shì)，待殘油積累至一定程度后，加熱分解能形成較高碳勢(shì)，從而對(duì)制件表面進(jìn)行了滲碳。

1.4 淬火后表面發(fā)暗

制件用真空熱處理淬火后表面發(fā)暗，造成這一現(xiàn)象的主要原因是真空爐存在漏氣現(xiàn)象，在加熱過(guò)程中，加熱室漏入氧氣，沒(méi)有達(dá)到真空爐無(wú)氧的效果，使氣氛中的氧分壓增大超過(guò)金屬氧化物的平衡分解壓，造成制件氧化。一般情況下，進(jìn)行真空淬火的零件要求真空度在1～10 Pa，不會(huì)使用真空淬火爐的極限真空度(一般為10-2Pa)，在加熱過(guò)程中，真空爐的機(jī)械泵、羅茨泵都在工作，真空計(jì)顯示是達(dá)到工藝規(guī)定的真空度要求，對(duì)漏氣的現(xiàn)象表現(xiàn)的不明顯。漏氣不僅會(huì)使制件氧化，嚴(yán)重情況下還會(huì)將真空爐熱室加熱元件因氧化而燒損。除此之外，導(dǎo)致真空爐漏氣的原因還有很多方面，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 191—1991中的要求，定期進(jìn)行壓升率檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，排故設(shè)備漏氣故障后再進(jìn)行生產(chǎn)。

2 控制措施

為了能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的保證真空淬火熱處理質(zhì)量，減少生產(chǎn)中的返工及制件的報(bào)廢，應(yīng)通過(guò)對(duì)工藝文件控制、加強(qiáng)設(shè)備管理并結(jié)合日常監(jiān)督三方面進(jìn)行控制。

2.1 工藝文件控制

2.1.1工藝參數(shù)的溯源性

熱處理工藝規(guī)程的各參數(shù)都有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，工藝人員在編制工藝規(guī)程時(shí)，應(yīng)遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證工藝文件的溯源性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1900—2016《質(zhì)量管理體系要求》中新增“7.1.6知識(shí)管理”這一條款的要求，企業(yè)應(yīng)對(duì)涉及真空淬火熱處理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行識(shí)別和梳理，并根據(jù)企業(yè)自身的產(chǎn)品特點(diǎn)，結(jié)合熱處理特殊過(guò)程確認(rèn)的結(jié)果，編制自身的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為工藝規(guī)程編制的依據(jù)，并根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況不斷總結(jié)和完善。

2.1.2工藝規(guī)程細(xì)化

在工藝規(guī)程中，應(yīng)對(duì)易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的環(huán)節(jié)進(jìn)行明確要求，如為了防止零件在真空爐內(nèi)各制件加熱不均勻，應(yīng)在工藝規(guī)程中明確零件裝爐數(shù)量及擺放方式；為防止淬火油冷后硬度不足，應(yīng)根據(jù)不同材料的制件明確油冷時(shí)是否需進(jìn)行充氣，并對(duì)需要充氣的方式及淬火時(shí)冷室的壓強(qiáng)進(jìn)行明確的規(guī)定。

2.1.3工藝規(guī)程編制及更改控制

工藝文件應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行編制、校對(duì)、審簽等，并制定相應(yīng)的職責(zé)和權(quán)限，保證工藝規(guī)程編制正確。在更改控制上，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)GJB 509B—2008《熱處理工藝質(zhì)量控制》中8.2的要求，即“工藝文件的更改審批程序應(yīng)與工藝文件的編制審批程序相同，重要更改應(yīng)通過(guò)工藝驗(yàn)證，必要時(shí)應(yīng)對(duì)新工藝的試驗(yàn)件進(jìn)行功能考核，得出合格結(jié)論后方可更改”。

2.2 設(shè)備控制

對(duì)于真空爐的維護(hù)，應(yīng)由企業(yè)設(shè)備管理部門(mén)針對(duì)真空爐的特性，編制相應(yīng)的操作說(shuō)明、保養(yǎng)規(guī)范等，讓車(chē)間設(shè)備管理人員及操作者清楚各自所應(yīng)擔(dān)負(fù)的職責(zé)及正確的操作方法。并制定操作人員日常點(diǎn)檢與設(shè)備管理人員日常巡查相結(jié)合的方式，對(duì)真空爐出現(xiàn)故障及時(shí)處理，嚴(yán)禁設(shè)備帶故障運(yùn)行。

2.3 日常監(jiān)督控制

由熱處理車(chē)間管理者帶領(lǐng)工藝人員定期對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工藝紀(jì)律檢查，檢查儀表員是否按規(guī)定周期對(duì)真空爐進(jìn)行爐溫均勻性的測(cè)量和壓升率的檢測(cè)，檢查真空爐各類儀表是否在有效期內(nèi)，并對(duì)操作者入真空爐前的制件、料筐、小車(chē)上的油污清洗是否到位進(jìn)行檢查等。通過(guò)工藝紀(jì)律檢查，規(guī)范各類人員的行為，形成按章操作的氛圍。

3 結(jié)語(yǔ)

為保證真空淬火后制件質(zhì)量長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，需要工藝人員、設(shè)備管理員和操作人員嚴(yán)格遵守工藝紀(jì)律，結(jié)合實(shí)際中出現(xiàn)的問(wèn)題，不斷完善工藝、細(xì)化流程，達(dá)到持續(xù)提升真空熱處理過(guò)程能力。