鍛件熱處理ECRSG過程控制方法

李志廣，馬 愷，羅艷君，楊俊偉，高 敏，梁民哲

（1.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西大同 037036；2.華油鋼管有限責(zé)任公司揚(yáng)州分公司，江蘇揚(yáng)州 225000）

1 引言

零件熱處理是指采用適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)金屬材料或工件進(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得預(yù)期的組織與性能等的工藝，相對(duì)于鍛件而言：金屬材料或工件在機(jī)加工過程中或過程以后所進(jìn)行的正火、高溫回火、正火+高溫回火、退火或調(diào)質(zhì)等熱處理統(tǒng)稱為“零件熱處理”或“零件最終熱處理”；鍛件熱處理是指采用適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)金屬鍛件進(jìn)行加熱、保溫和冷卻以獲得預(yù)期的組織與性能等的工藝，相對(duì)于零件而言：金屬鍛件在鍛造過程結(jié)束以后到零件機(jī)加工過程以前或零件最終熱處理過程以前所進(jìn)行的正火、高溫回火、正火+高溫回火、退火或調(diào)質(zhì)等熱處理統(tǒng)稱為“鍛件熱處理”或“鍛件初次熱處理”或“鍛件預(yù)備熱處理”。因此，鍛件熱處理即使和零件熱處理具有相同的工藝過程和工藝參數(shù)，其熱處理的最終作用與目的也不盡相同[1～13]。

鍛件熱處理是鍛造工藝過程（包括下料、加熱、鍛造、切邊和校正、冷卻、熱處理、清理和檢驗(yàn)和交付等過程）中不可缺少的極為特殊和重要的獨(dú)立工序之一，也就是說，只要有多少鍛件就涉及到多少鍛造過程控制問題，相應(yīng)也就涉及多少鍛件熱處理過程控制問題[9～13]。由于在高溫鍛造條件下鍛件各部分變形程度、變形溫度、熱脹冷縮程度和冷卻速度等不一致，鍛件內(nèi)部就會(huì)存在組織不均勻、殘余應(yīng)力和加工硬化等現(xiàn)象。為消除上述不足，保證鍛件質(zhì)量，鍛件在鍛造過程結(jié)束以后到鍛件機(jī)加工過程以前或鍛件最終熱處理過程以前應(yīng)進(jìn)行鍛件熱處理；鍛件熱處理的最主要作用是：調(diào)整鍛件硬度以利于鍛件進(jìn)行切削加工、消除鍛件內(nèi)用力以減小在機(jī)械加工時(shí)變形、細(xì)化鍛件金屬晶粒、改善與穩(wěn)定鍛件金屬內(nèi)部組織以為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備、對(duì)于不再進(jìn)行熱處理的鍛件可直接達(dá)到鍛件熱處理硬度或力學(xué)性能要求。因此，對(duì)鍛件熱處理過程控制進(jìn)行研究則具有重要意義[1～28]。

目前在鍛件熱處理方法為一一對(duì)應(yīng)過程控制方法，即一種鍛件熱處理編制一個(gè)鍛件熱處理工藝規(guī)程，缺少專用鍛件熱處理工藝控制要求統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致鍛件熱處理重復(fù)性設(shè)計(jì)與制造工作量大、能耗大、資源合理利用能力差、成本高、生產(chǎn)效率低、專業(yè)化生產(chǎn)、精細(xì)化管理能力差等不利因素，理論與實(shí)踐表明：采用科學(xué)、合理的鍛件熱處理ECRSG過程控制方法是克服上述缺點(diǎn)一種行之有效的途徑。

2 鍛件熱處理ECSRG過程控制方法

2.1 鍛件熱處理ECSRG過程控制

鍛件熱處理ECRSG過程控制的基本特征是：以充分利用、配置、優(yōu)化組合現(xiàn)有工藝技術(shù)條件和資源條件等為基礎(chǔ)，以快速反應(yīng)、持續(xù)改進(jìn)和有效消除過程控制中開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)等一切不產(chǎn)生價(jià)值的浪費(fèi)為核心，通過采用“取消（Eliminate）、合并（Combine）、重排（Rearrange）、簡(jiǎn)化（Simplify）和成組（Group）”ECRSG過程控制方法，最終可有效利用資源、減少重復(fù)性工作量、組織專業(yè)化、批量化與精細(xì)化生產(chǎn)、快速反應(yīng)、改善操作、確保質(zhì)量、提高效率、消除浪費(fèi)、降低成本以及實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理等。

（1）采用鍛件熱處理“取消、合并、重排、簡(jiǎn)化和成組”ECRSG過程控制方法，運(yùn)用相似性原理和系統(tǒng)性法則，將鍛件熱處理按合金種類和牌號(hào)按照一定的基本系列及派生系列中個(gè)性和共性加以精簡(jiǎn)統(tǒng)一，將類似產(chǎn)品鍛件熱處理通用互換后完全通用化或部分通用化，以最終實(shí)現(xiàn)鍛件熱處理過程控制通用化。

（2）采用鍛件熱處理“取消、合并、重排、簡(jiǎn)化和成組”ECRSG過程控制方法，運(yùn)用相似性原理和系統(tǒng)性法則，將鍛件熱處理的工藝溫度、時(shí)間、介質(zhì)、方法等進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，形成鍛件熱處理系列型譜，使鍛件熱處理系列化，以最終實(shí)現(xiàn)鍛件熱處理過程控制系列化。

（3）采用鍛件熱處理“取消、合并、重排、簡(jiǎn)化和成組”ECRSG過程控制方法，運(yùn)用相似性原理和系統(tǒng)性法則，將對(duì)鍛件熱處理的重復(fù)性的事物和概念進(jìn)行最佳秩序標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，以最終實(shí)現(xiàn)鍛件熱處理過程控制標(biāo)準(zhǔn)化。

（4）采用鍛件熱處理“取消、合并、重排、簡(jiǎn)化和成組”ECRSG過程控制方法，運(yùn)用相似性原理和系統(tǒng)性法則，將品種多、數(shù)量少不同熱處理合金種類、材料牌號(hào)、鍛件形狀與尺寸、裝爐方式、裝爐數(shù)量和加熱溫度、加熱時(shí)間與冷卻介質(zhì)等工藝參數(shù)以及熱處理硬度等具有相同或相似熱處理特征的鍛件，按相似性分類編組，通過合理的作業(yè)計(jì)劃，將不能滿負(fù)荷裝爐的小批量熱處理變?yōu)闈M負(fù)荷裝爐的大批量熱處理的生產(chǎn)方式，以最終實(shí)現(xiàn)鍛件熱處理設(shè)計(jì)、工藝、制造和管理等過程控制成組化。

2.2 制定“看板式”鍛件熱處理規(guī)范

采用鍛件熱處理“取消、合并、重排、簡(jiǎn)化和成組”ECRSG過程控制方法，運(yùn)用相似性原理和系統(tǒng)性法則，突破鍛件熱處理通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化過程控制關(guān)鍵技術(shù)，制定了具有直觀化、可視化、透明化、精細(xì)化和成組化顯著特點(diǎn)的“看板式”鍛件熱處理過程控制規(guī)范。

“看板式”鍛件熱處理過程控制規(guī)范具有技術(shù)上的可行性、方法上的先進(jìn)性、工藝上的適應(yīng)性、質(zhì)量上的可靠性、經(jīng)濟(jì)上的合理性、風(fēng)險(xiǎn)上的可控性、使用上的安全性、應(yīng)用上的有效性和管理上的精益性，達(dá)到了“形象直觀透明、信息全面準(zhǔn)確、快速識(shí)別傳遞、簡(jiǎn)單方便適用”等應(yīng)用效果，可有效提高鍛造與熱處理通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化水平，提升鍛造與熱處理質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、組織專業(yè)化、批量化和精細(xì)化生產(chǎn)，促進(jìn)行業(yè)科技進(jìn)步，滿足工藝技術(shù)創(chuàng)新和精細(xì)化管理創(chuàng)新要求。

3 過程控制要求

3.1 基本原則和要求

（1）鍛件熱處理的正火、高溫回火、正火+高溫回火或退火等理論加熱溫度，如圖1所示，或應(yīng)按表1規(guī)定的鍛件熱處理理論加熱溫度進(jìn)行。

表1 鍛件熱處理的理論加熱溫度范圍

圖1 熱處理理論加熱溫度示意圖

（2）鍛件熱處理的不同材料牌號(hào)的正火、高溫回火、正火+高溫回火或退火等實(shí)際加熱溫度、冷卻介質(zhì)和硬度要求，應(yīng)按表2“看板式”鍛件熱處理工藝規(guī)范進(jìn)行。

（3）對(duì)于鍛件硬度不在本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)的或需要進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理的或有其它特殊熱處理要求的，應(yīng)編制專門的鍛件熱處理工藝規(guī)范，也允許直接在鍛造工藝規(guī)程中包含的鍛件熱處理工序中注明鍛件熱處理工藝規(guī)范有關(guān)內(nèi)容。

（4）當(dāng)鍛件熱處理無表2所示的具體材料牌號(hào)時(shí)，允許不編制專門的鍛件熱處理工藝規(guī)范，但應(yīng)在該鍛件鍛造工藝規(guī)程中包含的鍛件熱處理工序中注明：“該鍛件熱處理工藝規(guī)范（包括鍛件工序名稱、加熱溫度、加熱與保溫時(shí)間、冷卻介質(zhì)和熱處理硬度等）等同表2中的xxx（相近或相類似）材料鍛件熱處理工藝規(guī)范”等字樣即可，也允許直接在鍛造工藝規(guī)程中包含的鍛件熱處理工序中注明鍛件熱處理工藝規(guī)范有關(guān)內(nèi)容。

3.2 裝爐過程控制

（1）鍛件熱處理允許在室溫條件下裝爐，也允許在爐溫達(dá)到規(guī)定溫度時(shí)裝爐。

（2）鍛件熱處理允許以裝架、裝筐、裝箱、堆放或有間距放置等裝載方式在電爐中進(jìn)行裝爐。

（3）當(dāng)不能滿負(fù)荷裝爐時(shí)允許將鍛件混合裝爐（簡(jiǎn)稱混裝）熱處理，鍛件混裝熱處理應(yīng)按以下規(guī)定進(jìn)行。

a.鍛件熱處理允許將相同或相近材料牌號(hào)但不同形狀與尺寸的不同爐批次鍛件混裝在同一爐批次內(nèi)進(jìn)行熱處理。

b.鍛件熱處理允許將不同材料牌號(hào)、相同或相近熱處理性質(zhì)或加熱溫度但形狀與尺寸有明顯差異的不同爐批次鍛件在同一爐批次內(nèi)進(jìn)行混裝熱處理。

c.對(duì)有爐批次要求的鍛件熱處理，原則上應(yīng)分別按爐批次集中進(jìn)行熱處理，以防止發(fā)生混爐批次質(zhì)量問題。

d.嚴(yán)禁將不同材料牌號(hào)和形狀、尺寸相同或相近的鍛件在同一爐批次內(nèi)進(jìn)行混裝熱處理，以防止發(fā)生混料質(zhì)量問題。

e.鍛件熱處理混裝的加熱溫度確定：以最高加熱溫度或合金元素含量高的鍛件材料為基準(zhǔn)，確定混裝鍛件熱處理的加熱溫度。

f.鍛件熱處理混裝的加熱時(shí)間確定：以尺寸最大或重量最大或合金元素含量高的鍛件材料為基準(zhǔn)，確定混裝鍛件熱處理的加熱時(shí)間。

g.鍛件功能類別不同的混裝鍛件熱處理的加熱溫度與加熱時(shí)間確定：以鍛件功能分類Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ最高等級(jí)的鍛件材料為基準(zhǔn)，確定鍛件熱處理混裝的加熱溫度與加熱時(shí)間。

（4）對(duì)于尺寸精度要求較高的鍛件熱處理，應(yīng)采用專用工裝、耐火泥涂敷或其它方法裝箱密封、規(guī)定裝載量、裝載方式與有規(guī)則擺放程度、特定熱處理工藝參數(shù)以及提高加熱爐類別等級(jí)等工藝技術(shù)措施，以有效控制鍛件尺寸精度；必要時(shí)，應(yīng)編制專門的鍛件熱處理工藝規(guī)范，以確保鍛件尺寸精度符合工藝規(guī)定要求。

（5）鍛件熱處理在箱式電爐內(nèi)加熱時(shí)，距離爐門應(yīng)不小于200mm，距離爐壁兩側(cè)不小于80mm。

（6）鍛件熱處理在箱式電爐和井式電爐中裝架、裝筐或裝箱等加熱時(shí)，鍛件裝爐放置高度不得超過其架、筐和箱等高度300mm，在箱式電爐中堆放加熱時(shí)鍛件裝爐放置高度不超過其架、筐和箱等高度600mm。

（7）鍛件熱處理在流態(tài)粒子爐中裝架、裝筐加熱時(shí)，最大鍛件裝爐放置高度不得超過其架、筐等高度50mm。

（8）鍛件熱處理在鹽浴爐中裝架、裝筐加熱時(shí)，最大鍛件裝爐放置高度不得超過其架、筐等高度100mm。

3.3 加熱過程控制

（1）鍛件熱處理的加熱溫度為鍛件入爐至達(dá)到本鍛件規(guī)定溫度，允許合金種類、材料牌號(hào)、鍛件形狀與尺寸、裝爐方式、裝爐數(shù)量或熱處理硬度等不同而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

a.當(dāng)鍛件材料合金化程度較低時(shí)，鍛件熱處理的加熱溫度適宜按表2規(guī)定的中限或下限溫度進(jìn)行。

表2 “看板式”鍛件熱處理工藝規(guī)范事例

b.當(dāng)鍛件材料合金化程度較高時(shí)，鍛件熱處理的加熱溫度適宜按表2規(guī)定的中限或上限溫度進(jìn)行。

（2）鍛件熱處理的加熱與保溫時(shí)間為鍛件入爐至達(dá)到本鍛件規(guī)定溫度的加熱與保溫時(shí)間，加熱與保溫時(shí)間允許合金種類、材料牌號(hào)、鍛件形狀與尺寸、裝爐方式、裝爐數(shù)量或熱處理硬度等不同而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

a.當(dāng)鍛件有間距單層擺放裝爐熱處理時(shí)，鍛件熱處理的加熱與保溫時(shí)間應(yīng)按表3規(guī)定進(jìn)行。

b.當(dāng)鍛件以堆放、裝架和裝箱方式進(jìn)行熱處理時(shí)，鍛件熱處理的加熱時(shí)間應(yīng)按表3規(guī)定進(jìn)行，但保溫時(shí)間應(yīng)≥2h。

c.當(dāng)鍛件材料為18Cr2Ni4WA鋼時(shí)，鍛件正火的加熱時(shí)間應(yīng)按表3規(guī)定進(jìn)行，但高溫回火保溫時(shí)間應(yīng)≥6h。

表3 鍛件加熱與保溫最小時(shí)間規(guī)范

（3）當(dāng)材料牌號(hào)為10、20、20Cr或20CrH等低碳鋼在最終熱處理需要進(jìn)行滲碳、氰化等或有其它特殊熱處理要求時(shí)，應(yīng)進(jìn)行鍛件正火初次熱處理，否則，允許不進(jìn)行鍛件正火初次熱處理。

（4）當(dāng)鍛件毛坯圖、鍛造工藝規(guī)程或熱處理工藝規(guī)程以及供需雙方協(xié)議（或合同）等有關(guān)工藝技術(shù)文件中無明確規(guī)定以及不影響鍛件機(jī)加工與鍛件最終熱處理工藝性時(shí)，對(duì)于理論上需要進(jìn)行正火+高溫回火初次熱處理鍛件，允許只進(jìn)行正火不進(jìn)行高溫回火熱處理，也允許只進(jìn)行高溫回火不進(jìn)行正火熱處理。

3.4 冷卻過程控制

（1）鍛件熱處理在工序過程結(jié)束以后，應(yīng)按工藝規(guī)定冷卻方式進(jìn)行冷卻過程控制。

（2）鍛件熱處理冷卻介質(zhì)或冷卻方式為空氣、水、淬火液、淬火油、隨爐冷卻或控制冷卻等。

3.5 熱處理次數(shù)過程控制

（1）鍛件熱處理次數(shù)不限，原則上允許多次重復(fù)進(jìn)行熱處理。

（2）當(dāng)鍛件熱處理后不符合規(guī)定的硬度要求時(shí)，鍛件熱處理次數(shù)應(yīng)按以下規(guī)定進(jìn)行。

a.當(dāng)?shù)?次鍛件熱處理硬度不合格而進(jìn)行第2次熱處理時(shí)，應(yīng)在第2次熱處理結(jié)束前從爐中取出2～3件（在冷卻以后）提前檢驗(yàn)鍛件樣件硬度，當(dāng)提前檢驗(yàn)鍛件樣件硬度還不合格時(shí)，則既允許將鍛件直接出爐在室溫現(xiàn)場(chǎng)冷卻也允許將鍛件不出爐而再繼續(xù)進(jìn)行加熱熱處理。

b.當(dāng)?shù)?次鍛件熱處理硬度仍然不合格而進(jìn)行第3次熱處理時(shí)，應(yīng)在第3次熱處理結(jié)束前從爐中取出2～3件（在冷卻以后）提前檢驗(yàn)鍛件樣件硬度，當(dāng)提前檢驗(yàn)鍛件樣件硬度還不合格時(shí)，則允許在工藝人員的指導(dǎo)下適當(dāng)調(diào)整與本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定略有差異的加熱溫度和加熱時(shí)間等工藝參數(shù)而再繼續(xù)進(jìn)行加熱熱處理。

c.當(dāng)鍛件熱處理重復(fù)次數(shù)超過3次以后的硬度仍然不合格時(shí)，應(yīng)立即停止重復(fù)熱處理，在堅(jiān)持“三不放過的原則”解決不合格問題以后，才能繼續(xù)重復(fù)熱處理。

3.6 打磨與檢驗(yàn)過程控制

（1）應(yīng)根據(jù)鍛件毛坯圖、鍛造工藝規(guī)程或?qū)ｉT的熱處理工藝規(guī)程等有關(guān)工藝文件規(guī)定，選擇鍛件熱處理的硬度、金相組織或外觀質(zhì)量等打磨與檢測(cè)設(shè)備和工具或檢具名稱、型號(hào)或功率等。

（2）鍛件熱處理樣件打磨與檢驗(yàn)硬度部位應(yīng)按以下規(guī)定進(jìn)行。

a.應(yīng)按鍛件毛坯圖、鍛造工藝規(guī)程或?qū)ｉT的熱處理工藝規(guī)程等有關(guān)工藝文件要求預(yù)先用規(guī)定的設(shè)備或工具等在規(guī)定的部位對(duì)檢驗(yàn)樣件進(jìn)行打磨，打磨與檢測(cè)鍛件表面部位深度原則上應(yīng)不小于1.0mm。

b.打磨與檢驗(yàn)樣件硬度部位，應(yīng)避開鍛件折疊、裂紋、夾雜、結(jié)疤、凹坑、碰傷、壓傷、未充滿等殘留缺陷的所在部位而在其它無上述缺陷部位進(jìn)行打磨與檢測(cè)。

c.當(dāng)鍛件毛坯圖、鍛造工藝規(guī)程或?qū)ｉT的熱處理工藝規(guī)程等有關(guān)工藝文件未規(guī)定打磨與檢驗(yàn)樣件部位時(shí)，盡可能在檢驗(yàn)樣件機(jī)加余量大的部位進(jìn)行打磨與檢測(cè)。

（3）鍛件熱處理按零件號(hào)及熱處理爐次分批送檢，每爐批次抽檢硬度樣件數(shù)量為2-5件（有抽檢率特殊規(guī)定的除外），按表2“看板式”鍛件熱處理工藝規(guī)范或鍛件毛坯圖或鍛造工藝規(guī)程或?qū)ｉT的熱處理工藝規(guī)程等有關(guān)工藝文件等規(guī)定進(jìn)行硬度檢驗(yàn)。

（4）鍛件熱處理最終外觀質(zhì)量等檢驗(yàn)應(yīng)在鍛件表面清理工序進(jìn)行完畢以后進(jìn)行。

（5）鍛件熱處理在硬度、外觀質(zhì)量或金相組織等檢驗(yàn)合格以后，應(yīng)及時(shí)填寫“鍛件熱處理過程控制記錄卡”或“鍛造工藝過程控制記錄卡”等記錄并簽字或蓋章認(rèn)可。

4 結(jié)束語

（1）鍛件熱處理是鍛造工藝過程中極為特殊和重要的獨(dú)立工序之一，在生產(chǎn)實(shí)踐中進(jìn)行科學(xué)的鍛件熱處理ECSRG過程控制，可有利于優(yōu)化、完善和補(bǔ)充現(xiàn)有鍛造與熱處理工藝技術(shù)體系，滿足鍛造與熱處理工藝技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新要求。

（2）鍛件熱處理ECSRG過程控制方法，明顯具有科學(xué)性、合理性、適宜性、符合性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可操作性和再現(xiàn)可控性，可達(dá)到“快速反應(yīng)、改善操作、確保質(zhì)量、提高效率、消除浪費(fèi)、降低成本和精細(xì)化管理”等實(shí)踐效果。

（3）制定具有直觀化、可視化、透明化、精細(xì)化和成組化顯著特點(diǎn)的“看板式”鍛件熱處理過程控制規(guī)范，可有效提高通用化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化水平，達(dá)到“形象直觀透明、信息全面準(zhǔn)確、快速識(shí)別傳遞、簡(jiǎn)單方便適用”等應(yīng)用效果。