熱處理清洗的質(zhì)量控制

毛 喆,薛 陶

(1.航空工業(yè)鄭飛公司熱表廠,河南 鄭州 450005; 2.空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍事代表室,河南 鄭州 450005)

標(biāo)準(zhǔn)GJB 509B—2008《熱處理工藝質(zhì)量控制》、HB/Z 159—2001《航空用鋼滲碳、碳氮共滲工藝》、HB/Z 136—2000《航空結(jié)構(gòu)鋼熱處理工藝》和HB/Z 191—1991《航空結(jié)構(gòu)鋼不銹鋼真空熱處理說明書》等熱處理標(biāo)準(zhǔn)中,都對(duì)制件的清洗做出了要求,主要是“零件入爐前要求清洗”“清洗過程不能影響制件熱處理質(zhì)量”“清洗后要防止生銹”等。而在實(shí)際工作中,有些管理者和操作者認(rèn)為清洗只是制件熱處理過程中的附屬工序,不如淬火、回火那么重要,在工作中存在馬虎不認(rèn)真的現(xiàn)象,常導(dǎo)致制件質(zhì)量問題的發(fā)生。

1 清洗不當(dāng)造成的質(zhì)量問題

1.1 滲層不均勻

任何化學(xué)熱處理,都是滲劑分解出活性原子、零件表面吸收活性原子后再向零件內(nèi)部擴(kuò)散這三個(gè)過程,也就是常說的分解、吸收和擴(kuò)散。在吸收過程中,活性原子碰撞零件表面,產(chǎn)生物理吸附或化學(xué)吸附。零件表面吸附活性原子時(shí)釋放熱量,是自由能降低的過程[1]。根據(jù)吉布斯函數(shù)可知,吸附這一過程是自發(fā)的。若零件表面存在油污,會(huì)使零件表面吉布斯函數(shù)下降,吸附能力下降,導(dǎo)致化學(xué)熱處理中,零件沒有油污的部位對(duì)活性原子吸附能力強(qiáng),有油污的部位則缺乏活性原子,從而導(dǎo)致零件滲層不均勻,嚴(yán)重時(shí)還存在局部無滲層的現(xiàn)象。因此,保證零件表面吸附的必要條件是表面必須清潔,也就是制件進(jìn)行化學(xué)熱處理前必須清洗干凈。在實(shí)際工作中,對(duì)于滲碳和滲氮等化學(xué)熱處理,最終對(duì)滲層的檢驗(yàn)是在隨爐試樣上進(jìn)行,操作者只關(guān)注試樣表面的清潔度,而對(duì)零件的表面狀態(tài)關(guān)注較少,造成檢驗(yàn)合格的滲碳或滲氮零件,在后期使用中出現(xiàn)失效現(xiàn)象。對(duì)失效制件進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)存在滲層厚度不符合要求且不均勻的現(xiàn)象。

1.2 腐蝕

鹽爐熱處理后的零件,若清洗不徹底就會(huì)有殘留的鹽附著在零件表面。在潮濕環(huán)境下,殘留在零件表面的鹽會(huì)加快對(duì)濕氣的吸附。因氯離子半徑只有1.81?,很容易穿透金屬的保護(hù)膜,使鈍化態(tài)表面變成活潑表面,造成制件腐蝕[2]。同時(shí)零件經(jīng)淬火、高溫回火后形成索氏體組織,是滲碳體和鐵素體的混合物,兩者之間存在電位差,還會(huì)引發(fā)電化學(xué)腐蝕,使零件腐蝕情況加劇。當(dāng)形成的蝕核長大到一定的臨界尺寸(一般孔徑大于30 μm)時(shí),出現(xiàn)宏觀蝕坑[3],制件常因熱處理后腐蝕嚴(yán)重而報(bào)廢。

1.3 開裂

若清洗的時(shí)機(jī)不當(dāng),可能導(dǎo)致零件出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,這種情況主要是制件在淬火后未冷卻到室溫就進(jìn)行清洗所致。

案例:對(duì)某尺寸大小為φ22 mm×200 mm的14Cr17Ni2A零件進(jìn)行淬火、回火熱處理。采用電爐在1000±10 ℃淬火加熱保溫后,油冷,操作者發(fā)現(xiàn)零件在淬火油中冷卻至表面發(fā)暗,就認(rèn)為冷卻結(jié)束了,開始在熱水槽中清洗制件表面油污,結(jié)果導(dǎo)致該批棒料大部分出現(xiàn)開裂。

14Cr17Ni2舊牌號(hào)為Cr17Ni2,屬于馬氏體-鐵素體不銹鋼,其馬氏體開始轉(zhuǎn)變點(diǎn)Ms為357 ℃[4]。即淬火加熱保溫時(shí),材料發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變,在淬火油中冷卻時(shí),因快速通過C曲線的“鼻尖”,過冷奧氏體沒有提前發(fā)生組織轉(zhuǎn)變;在這種情況下,繼續(xù)在淬火油或空氣中冷卻,溫度降低至357 ℃時(shí),過冷奧氏體開始發(fā)生馬氏體組織;溫度繼續(xù)降低至14Cr17Ni2馬氏體轉(zhuǎn)變終點(diǎn)Mf(約140 ℃)時(shí),過冷奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變終止。操作者認(rèn)為制件表面發(fā)暗,淬火已經(jīng)完成,并進(jìn)行清洗,而此時(shí)馬氏體的轉(zhuǎn)變還在進(jìn)行,水洗的冷速高于油和空氣,使馬氏體轉(zhuǎn)變速率變化;同時(shí)14Cr17Ni2鋼的合金元素含量高,導(dǎo)熱性低,從而使制件受到的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力都變大,超出材料自身的抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致裂紋的出現(xiàn)[5]。

1.4 污染設(shè)備

制件清洗不干凈,有時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備造成污染,進(jìn)而導(dǎo)致制件的熱處理故障。常見有以下兩種情況。

1.4.1油污染真空爐

在真空淬火過程中,零件上的油、淬火料筐和轉(zhuǎn)移小車上的油都會(huì)帶入熱室。雖然這些油脂一般屬于普通脂肪族,是碳、氫、氧化合物,蒸氣壓較高,在真空中加熱時(shí)被揮發(fā)或分解,會(huì)被真空泵抽走。但在長期積累的情況下,加熱分解出的油蒸汽會(huì)污染真空泵油,損壞設(shè)備的真空泵。另外油污會(huì)吸附在真空爐的熱室壁上,在加熱時(shí)殘油受熱分解,在熱室內(nèi)形成一定的碳勢[6]。同時(shí),在真空狀態(tài)的淬火溫度下,工件表面金屬處于還原狀態(tài),金屬表面活性強(qiáng),有利于碳原子的滲入,造成制件增碳[7]。

1.4.2淬火油污染堿槽

鹽爐淬火、堿槽回火,這常用于一般結(jié)構(gòu)鋼的光亮淬、回火,可保證制件表面的光亮度。一般淬火后,制件表面的淬火油需要用熱水清洗干凈并晾干,以防止工件上的殘水進(jìn)入堿槽發(fā)生飛濺現(xiàn)象。但實(shí)際工作中,有些操作者未對(duì)淬火后制件表面的油污進(jìn)行清洗,直接放入堿槽中回火,通過堿槽的高溫,將制件表面的油燃燒去除。這種做法存在以下兩點(diǎn)隱患:1)制件表面硬度下降。淬火油燃燒時(shí)所達(dá)到的溫度超過制件規(guī)定的回火溫度,雖然持續(xù)時(shí)間短,但會(huì)使制件表面硬度降低。制件按原工藝進(jìn)行回火后,其表面硬度和內(nèi)部硬度存在硬度差。2)堿槽脫氧難控制。堿槽常采用黃血鹽作為脫氧劑,黃血鹽分子式為K4Fe(CN)6,其脫氧原理為:

K4Fe(CN)6→4KCN+Fe+2[C]+2[N]

KCN+O2→2KCNO

2KCNO→K2CO3+CO+2[N]

由此可見,黃血鹽在脫氧的同時(shí),也會(huì)生成一些活性氮原子,這些活性氮原子在堿槽高溫下保溫一段時(shí)間后就會(huì)揮發(fā)。因此,堿槽脫氧規(guī)范要求黃血鹽加入后,槽液呈微黃色,待保溫至堿槽呈白色后,表示脫氧完成。因淬火油燃燒污染堿槽,堿槽槽液呈黑色,無法判別加入黃血鹽量是否合適及脫氧是否完成。黃血鹽加入量少,則制件回火會(huì)產(chǎn)生氧化現(xiàn)象,沒有達(dá)到光亮回火的目的;若黃血鹽加入過多,在產(chǎn)出的活性氮原子沒有完全揮發(fā)時(shí)就回火,會(huì)造成制件表面形成氮化層[8],進(jìn)而導(dǎo)致制件報(bào)廢。

1.5 表面處理發(fā)花

熱處理后一般鋼制件的表面不潔凈,可通過吹砂這種物理方式去除制件表面污物。但對(duì)于鋁合金和銅合金帶材,卻不能采用吹砂的方式。鋁合金板材兩面均用純度大于99.5%的純鋁包裹,利用純鋁電位低于基體能起到陽極保護(hù)的作用[9],從而提高鋁合金的抗腐蝕性;但吹砂會(huì)破壞包鋁層使制件抗腐蝕性下降。銅合金帶材表面光滑,吹砂會(huì)增加其表面粗糙度,使其疲勞強(qiáng)度降低。因此,鋁合金和銅合金帶材在熱處理前存在油污,不清洗干凈而直接進(jìn)行熱處理會(huì)造成制件表面油污高溫分解,產(chǎn)生碳黑附著在制件表面,后期清理困難[10],表面處理會(huì)出現(xiàn)膜層發(fā)花,影響外觀質(zhì)量。

2 控制措施

2.1 意識(shí)教育

上述因清洗不規(guī)范導(dǎo)致的質(zhì)量問題主要是相關(guān)人員的質(zhì)量意識(shí)不強(qiáng),因此需要對(duì)職工進(jìn)行質(zhì)量意識(shí)教育,明白清洗的重要性和不規(guī)范操作可能導(dǎo)致的后果,意識(shí)到問題的嚴(yán)重性,提高質(zhì)量的敏感性,消除認(rèn)為清洗無關(guān)緊要的思想。并通過日常的監(jiān)督檢查,規(guī)范各類人員的行為,營造遵章守紀(jì)的工作環(huán)境,不斷強(qiáng)化職工的質(zhì)量意識(shí)。

2.2 文件控制

通過工藝文件,將清洗工序的要求納入工藝規(guī)程,并結(jié)合對(duì)制件熱處理影響程度,針對(duì)性的設(shè)置質(zhì)量控制點(diǎn)。尤其是在真空淬火、化學(xué)熱處理前、鋁合金和銅合金熱處理前等方面,增加檢驗(yàn)人員專項(xiàng)檢查的要求,避免因清洗不當(dāng)而影響熱處理質(zhì)量。

2.3 技術(shù)改進(jìn)

要有計(jì)劃的通過自動(dòng)化清洗設(shè)備代替人工清洗,將自動(dòng)清洗設(shè)備與熱處理自動(dòng)生產(chǎn)線統(tǒng)籌設(shè)計(jì),通過設(shè)備的自動(dòng)清洗和烘干,可保證清洗的質(zhì)量,避免殘留物的存在。同時(shí),考慮各類清洗劑的應(yīng)用,增強(qiáng)清洗的效率和安全性。如用水基清洗劑代替汽油對(duì)制件的清洗,可徹底杜絕汽油現(xiàn)場失火這一危險(xiǎn)源;用堿性清洗劑代替常規(guī)的熱水清洗,可增強(qiáng)油冷淬火后清洗效果。

3 結(jié)語

清洗在熱處理中看似一個(gè)不重要的環(huán)節(jié),往往會(huì)因?yàn)閷?duì)這一環(huán)節(jié)的忽視,而導(dǎo)致質(zhì)量問題的出現(xiàn)。這需要熱處理車間全體人員都認(rèn)真負(fù)責(zé),嚴(yán)守工藝紀(jì)律,并結(jié)合實(shí)際工作不斷完善總結(jié),強(qiáng)化清洗規(guī)范,為制件的熱處理質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。