熱處理特殊過程確認的管理

黃天勇,崔超群,郭斌杰,胡冠杰,毛 喆

(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)

標準GB/T 19001—2017《質(zhì)量管理體系要求》中8.5.1(f)條款規(guī)定:“若輸出結(jié)果不能由后續(xù)的監(jiān)視或測量加以驗證,應對生產(chǎn)和服務提供過程實現(xiàn)策劃結(jié)果的能力進行確認,并定期再確認?！边@種“過程的確認”,各企業(yè)和審核人員習慣稱之“特殊過程確認”。對特殊過程的確認可以證實這些過程是否具備實現(xiàn)策劃結(jié)果的能力。熱處理屬于特殊過程,其確認的結(jié)果不能由直接或間接檢測得到,有時在產(chǎn)品使用后才能顯現(xiàn)出問題[1]。因此,對熱處理過程進行特殊過程確認尤為重要。但在實際工作中,如何開展熱處理特殊過程確認這項工作,卻眾說紛紜。有的企業(yè)甚至將熱處理確認工作變成走形式應付審核,這樣即浪費了資源又沒有達到預期的目的。本文按照標準HB 8413—2013《特殊過程確認的程序和要求》,就熱處理特殊過程確認的流程、實施及后期管理的方式進行介紹。

1 熱處理特殊過程確認流程

基于標準HB 8413—2013《特殊過程確認的程序和要求》,金屬熱處理特殊過程確認的工作流程應為:特殊過程識別→制定確認準則→確認準備→特殊過程確認→批準→確認記錄的保存→再確認→再確認的批準→再確認記錄的保存。

2 確認實施

2.1 識別

標準GB/T 19001—2017中的“對生產(chǎn)和服務提供過程實現(xiàn)策劃結(jié)果的能力進行確認”表明特殊過程確認是針對產(chǎn)品質(zhì)量特性開展的,并不意味著熱處理涵蓋的所有過程都需要確認。因此,在識別某段過程是否需要進行確認時,應遵循以下幾點:

1)以質(zhì)量特性為依據(jù)。

判定熱處理過程是否需要確認應以圖紙上的質(zhì)量特性要求為依據(jù),對與該質(zhì)量特性相關的熱處理過程開展確認工作,而與制件最終熱處理質(zhì)量特性無關的過程不需要確認。

例如,對于30CrMnSiNi2A和40CrMnSiMoVA這類超高強度鋼,圖紙上的質(zhì)量特性要求為強度指標。這類超高強度鋼經(jīng)等溫淬火后,還需進行磨削加工。航空行業(yè)標準規(guī)定制件經(jīng)過磨削后應完成去應力回火工序來消除磨削應力。某些焊接制件在經(jīng)過退火和加工等工序后還需進行最終的淬火熱處理,使部分殘留焊接應力在淬火加熱過程中發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變,冷卻后得到馬氏體組織,最后經(jīng)高溫回火后轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w[2]。由此可見此類制件的質(zhì)量特性是由淬火和回火決定的,而上述去應力回火和中間的退火等工序與制件最終熱處理質(zhì)量特性的相關性小,只需按相關標準規(guī)定的熱處理參數(shù)進行控制即可,不需要進行確認。

對于電工純鐵DT4C來說,要求退火后滿足矯頑力Hc、最大磁導率和磁感應強度等磁性能要求。DT4C的退火與形成的最終質(zhì)量特性相關,故需要對退火過程進行確認。

2)統(tǒng)籌兼顧多道熱處理工序。

當一個制件存在多道熱處理工序時,應整體考慮來識別出需要進行確認的熱處理過程。若前道熱處理的質(zhì)量特性能夠被后續(xù)質(zhì)量特性取代,并且對后續(xù)的熱處理質(zhì)量特性影響不大時,可只對最終熱處理過程進行確認。如合金鋼鍛件鍛造成型后,需進行正火和退火等預備熱處理,該工序存在明確的硬度要求,屬于與質(zhì)量特性相關的工序。但預備熱處理是為了最終的淬回火熱處理做準備,在制件淬火過程中,零件組織重新奧氏體化,原預備熱處理的質(zhì)量特性則被淬火和回火過程中產(chǎn)生的質(zhì)量特性取代,故預備熱處理的過程無需確認,只對淬火和回火過程進行確認即可。

若前道熱處理的質(zhì)量特性對后續(xù)質(zhì)量特性有影響,二者應一并進行確認。如制件的滲氮處理,需先進行調(diào)質(zhì)處理,精加工完成后再進行滲氮,熱處理質(zhì)量特性為零件基體硬度、滲氮層的深度和硬度。除含Al元素的鋼外,其余材料氮化層的硬度和深度均與原有的心部硬度有關[3]。不含Al元素的鋼制件經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后,其硬度對滲氮后的硬度存在較大影響。因此對38CrMoAl制件的滲氮過程進行確認時,可將調(diào)質(zhì)處理和滲氮處理分開進行確認;而對于40CrNiMo和2Cr13等鋼制件,氮化處理應與前期調(diào)質(zhì)處理的熱處理過程一并進行確認,不可分開進行。

2.2 分類

2.2.1分類確認的可行性

金屬熱處理的工藝方法具有極大的通用性,其中最基本的工藝方式就是俗稱“熱處理四把火”的正火、退火、淬火和回火,且這四種熱處理工藝方式均經(jīng)過加熱、保溫和冷卻三個環(huán)節(jié)。

1)加熱溫度只與材料牌號有關。由于加熱溫度主要取決于鐵碳平衡圖,而鐵碳平衡圖中各相線的轉(zhuǎn)變溫度由材料的化學成分決定,故熱處理標準中針對同種材料使用相同工藝方式加工時,所規(guī)定的加熱溫度范圍是一致的。如30CrMnSiA材料,不論技術要求熱處理后強度σb為1175±100 MPa還是980±100 MPa,均需采用淬火+回火工藝來達到要求。且不論使用電阻爐還是鹽浴爐,其淬火加熱溫度均為890±10 ℃。而對于強度要求σb為1175±100 MPa的制件,回火溫度為520±20 ℃;對于σb要求為980±100 MPa的制件,回火溫度為560±20 ℃。

2)同種材料使用相同工藝方式加工時,保溫時間只與加熱設備和制件厚度有關。不同設備的熱傳遞方式不同使得制件加熱的保溫時間也不相同,如空氣電阻爐、鹽浴爐和真空爐分別是通過熱傳導、對流和輻射的方式傳導熱量,故使用這3種常見的加熱設備時制件的保溫時間也不同。另外,同種材料在相同設備和相同加熱溫度下的保溫時間取決于制件的條件厚度,一般是制件條件厚度越大,保溫時間越長。

3)同種熱處理工藝的冷卻方式基本相同。如正火均采用空氣冷卻,退火雖然分完全退火、不完全退火、低溫退火和球化退火等,但同種退火工藝的冷卻方式相同。同種材料的淬火冷卻方式大體相同,只個別存在差異,如45鋼淬火一般采用水油分級淬火,而對于條件厚度≤3 mm的制件,則采用油冷淬火。

綜上所述,熱處理工藝的通用性極強,但在進行確認時,應根據(jù)其特點進行分類匯總,逐一進行特殊過程確認。既可達到特殊過程確認的目的,又可實現(xiàn)質(zhì)量控制。

2.2.2分類方式

根據(jù)上述熱處理工藝通用性強的特點,結(jié)合企業(yè)自身有關熱處理零件的情況,可采用以下分類原則:以材料牌號進行分類,每種材料牌號為一大類,在各大類的基礎上,再根據(jù)熱處理質(zhì)量特性要求、所用設備和制件條件厚度進行細分。結(jié)合相關熱處理質(zhì)量特性的要求依次開展確認。

2.3 制定確認準則

策劃過程確認時應明確所選樣件或零件。對每個過程進行確認時均需制定確認準則,確認準則中要明確對此過程的確認方式。標準HB 8413中給出了3種確認方法:①評審;②樣件(試樣或試件)檢測和評定;③零件或模擬件的過程操作和過程檢查。在進行熱處理過程確認時,應盡量選取方法②或③的確認方法。

確認準則應明確確認過程中人、機、料、法、設備、環(huán)境和記錄的要求。確認準則是后期確認活動開展的指導,在準則制定時不能僅限于策劃結(jié)果的實現(xiàn)性,還要考慮工藝參數(shù)的經(jīng)濟性、后續(xù)批量生產(chǎn)的可操作性及后期發(fā)展的可替代性。因此在人員和設備的要求上,只需寫明人員資質(zhì)等級和設備類型精度即可,無需具體到人和設備。以便于該過程確認完成后,同等級的操作者和同類型、同精度的設備均可執(zhí)行此過程。

材料是熱處理質(zhì)量控制的重要一環(huán)[4]。因此確認過程中使用的原材料和工藝材料都應提供合格證明,對如淬火油等有周期性檢測要求的工藝材料還需提供在有效期內(nèi)的檢測合格報告。

熱處理的主要工藝參數(shù)為溫度、時間、淬火和回火。在制定確認準則時,若只針對一個具體數(shù)值點進行確認來判斷整個工藝參數(shù)滿足熱處理過程的能力則缺乏說服力,也存在質(zhì)量風險,對后期生產(chǎn)操作的指導性不強。這就要求熱處理專業(yè)人員對影響最終熱處理質(zhì)量特性的參數(shù)進行風險分析,對影響策劃結(jié)果的重要參數(shù)進行識別,并對重要參數(shù)進行交叉上下限的確認。而對于不重要的參數(shù),在控制范圍內(nèi)進行確認即可,這樣既能提升可操作性,又便于確定過程能力的邊界。

如30CrMnSiA鋼的淬火溫度為890±10 ℃,回火溫度為520 ℃,要求淬回火后強度σb為1175±100 MPa。其中該材料的Ac3為830 ℃,考慮到使用溫裝爐產(chǎn)生的過熱度會導致Ac3點上移,故淬火溫度選取890±10 ℃,淬火溫度選取上限或下限均對零件淬火后的性能影響不大。而造成該零件的最終強度σb不能滿足1175±100 MPa要求的原因主要是以下兩點:1)淬火保溫時間短可能會導致淬火不充分;2)回火溫度高和保溫時間長會出現(xiàn)強度低的風險,回火溫度低和保溫時間短則會出現(xiàn)強度高的風險。因此,在制定確認準則工藝參數(shù)時,淬火溫度可選890 ℃,保溫時間為工藝參數(shù)的下限,回火則在淬火后分高溫回火長時間保溫和低溫回火短時間保溫兩組進行。而對于2A12鋁合金板材熱處理存在的風險點主要是:1)儀表控溫系統(tǒng)故障會導致過燒;2)固溶溫度低、保溫時間短或轉(zhuǎn)移速度慢會造成強度不足[5]。因此,在制定確認準則時,應重點考慮對設備精度、固溶溫度、保溫時間和轉(zhuǎn)移速度的要求。

綜上所述,不同熱處理過程的風險點也不相同。通過對過程開展確認工作,確定滿足制件熱處理質(zhì)量特性要求的的參數(shù)范圍,繼而在后續(xù)生產(chǎn)中選取該工藝規(guī)程的中限進行操作,可保證熱處理后的質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2.4 確認準備

確認準則進行評審后,實施熱處理過程確認的單位應開展確認準備工作,具體為:

1)根據(jù)確認準則編制確認的工藝規(guī)程,確認操作中的具體要求,如操作者姓名、所用設備具體編號和工藝參數(shù)中具體的數(shù)值點等;

2)對需確認項目的人員資格、設備、材料、工藝和環(huán)境等進行自查,并做好記錄;

3)組建確認小組(一般由操作者、工藝人員和檢驗人員組成),明確小組人員職責。

確認準備完成后,由熱處理過程確認單位填寫申請表,待批準后方可實施。

2.5 開展特殊過程確認

確認小組全過程監(jiān)督,并負責填寫過程確認審查表,見表1。

表1 熱處理過程確認審查表

記錄審查結(jié)果后應給出是否符合要求的結(jié)論。若存在不符合項,特殊過程實施單位應分析原因后進行整改,制定恰當?shù)恼拇胧┎嵤?整改有效后重新進行過程確認。若確認的結(jié)果沒有達到預期,則應分析原因并重新制定確認準則,待評審合格后再次開展該過程的確認工作。

2.6 特殊過程確認報告

待確認完成后,應對相關記錄進行收集,完成特殊過程評審報告,給出所確認過程的質(zhì)量特性是否滿足要求的結(jié)論。將資料匯總后提交企業(yè)技術部門審批,批準后可將確認的過程參數(shù)納入工藝規(guī)程。

2.7 確認記錄的保存

在熱處理特殊過程確認結(jié)束后,應對熱處理特殊過程相關記錄進行保存,需確定保存記錄的形式,便于記錄的存檔保管,可參照表2進行。

表2 需保存的記錄清單

2.8 再確認的開展

標準GB/T 19001—2017中8.5.1(f)規(guī)定“若輸出結(jié)果不能由后續(xù)的監(jiān)視或測量加以驗證,應對生產(chǎn)和服務提供過程實現(xiàn)策劃結(jié)果的能力進行確認,并定期再確認。”但標準HB 8413只是要求當出現(xiàn)人員變化、工藝更改、設備變動和操作工藝停用再恢復使用等情況時需進行再確認,對于已經(jīng)確認合格的特殊過程無需定期再確認。故企業(yè)可根據(jù)自身產(chǎn)品的特點和規(guī)模等情況,自行制定再確認周期。且對于再確認的開展,可采用評審的方式進行。

1)對于變更情況的再確認?？梢罁?jù)最初的確認準則,對變更內(nèi)容進行評審,判別變更的風險。若變更的情況對過程的質(zhì)量特性影響不大,則將變更情況納入工藝規(guī)程。若變更情況對質(zhì)量特性有影響,則應修訂確認準則后重新開展過程確認工作。

2)周期性的再確認?？蓪υ摕崽幚磉^程在此確認周期內(nèi)的生產(chǎn)情況進行統(tǒng)計,通過計算過程能力并對計算結(jié)果進行評審,得出經(jīng)過所確認的熱處理過程后的后續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量是否穩(wěn)定的結(jié)論。評審后若認為存在熱處理質(zhì)量特性失效的風險,則需用試樣或典型零件等重新開展熱處理特殊過程確認工作。

3 后期管理

熱處理特殊過程確認是企業(yè)質(zhì)量管理的一項日常管理項目,除完成確認的熱處理過程進行管理以識別是否需要對新增熱處理工藝進行確認外,還需要對再確認進行計劃管理。企業(yè)可對已經(jīng)確認過的熱處理特殊過程確認準則按材料分類匯編成冊,進行臺賬式管理。且在新產(chǎn)品開發(fā)時,可依據(jù)該手冊,識別需要進行確認的新增熱處理工藝項目,并將確認要求納入工藝總方案中。同時可依據(jù)熱處理特殊過程確認準則,制定年度再確認計劃以便于再確認周期的管理,使特殊過程確認工作的管理有序化和規(guī)范化。

4 結(jié)語

熱處理特殊過程的確認需結(jié)合企業(yè)自身實際,識別需要確認的熱處理過程,并將該項活動做為企業(yè)質(zhì)量日常管理的一部分,有計劃的開展。企業(yè)其他特殊過程的確認也可參照上述熱處理特殊過程確認與管理的方法進行,以達成企業(yè)各特殊過程確認全覆蓋,工藝過程穩(wěn)定可靠,質(zhì)量管理體系有效運行的目標。