第二篇：热处理特殊过程确认

热处理特殊过程确认

（中国空空导弹研究院 洛阳 471009）

摘 要：不同的材料产品，不同的热处理类型需要确认的过程因素不尽相同。对热处

理全部过程因素及其允许波动范围，测控方法和效果确认是特殊过程确认的核心。保温温度、温度均匀性和保温时间三个过程因素允许的公差在特殊过程确认时容易混淆，他们分别具有不同的意义，应对其公差值确认而不是取消。

关键词：热处理，特殊过程确认，过程因素，确认内容，确认方式。

中图分类号：TG157 文献标识码：A 文章编号：

The Special process confirmation of Heat Treatment

Liwei

（China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

Abstract: The different material product, the different heat treatment type needs to confirm the process factor is different. To the heat treatment complete process factor and the permission fluctuation scope, the observation method and the effect confirmation are the special process confirmation cores. Holding temperature, temperature uniformity and soaking time three process factor permission common difference when special process confirmation easy to confuse, they have the different significance separately, deals with its common difference value to confirm, but is not cancels.

Keywords: Heat Treatment，Special process confirmation，Process factor Confirms the

content Confirms the way

金属材料在服役过程中表现出的特性称为使用性能，如强度、韧性、膨胀性能、抗腐蚀性等等；金属材料对加工工艺方法的适应性称为工艺性能，如铸造、焊接、热处理及切削加工等性能。这两种性能对材料特性的要求有时是矛盾的，比如使用性能要求材料的强度、韧性尽量高一些，加工性能又要求其尽量低一些。好在多数金属材料可用热处理来改变特性。用加热、保温、冷却、保温分解或渗透（或沉积）、扩散等过程，使材料获得某种显微组织结构或成分，以获得某种性能，这就是热处理。热处理可以充分发挥材料性能潜力，是重要的加工手段之一，可以在加工前把工艺性能调整到最佳状态，最后再把使用性能调整到最佳状态。

1 热处理特殊过程确认内容

1.1 特殊过程确认的意义

直观不易发现、不易测量或不能经济测量的产品内在质量特性的形成过程称之为特殊过程，特殊过程产品是否合格不易或不能经济地验证，或者仅在产品服役时才能表现出来，特殊过程确认就是通过提供客观证据，对产品的质量特性要求已得到满足的认定。材料性能是由其成分和显微组织结构决定的，而显微组织结构是由材料成分和热处理过程因素综合作用决定的，材料各部分的成分或热处理过程因素有一个波动范围即公差。比如材料成分有公差、有偏析，淬火时材料表面和心部冷却速率的差异会导致显微组织有差异，材料的多数性能，比如强度、塑性、韧性、显微组织结构等需要破坏性检测，或在产品服役过程中才能表现出来，无法实际检测每个区域的性能，只能用抽检的方式间接检测，所以热处理是特殊过程。

要使间接测量的产品与抽检产品的特性一致，必须使其显微组织结构和热处理过程因素均匀一致。要使产品特性满足要求，必须保证过程因素在要求的范围内。热处理后除证明抽检产品的特性满足要求外，还要证明间接测量的条件满足要求，也就是证明间接测量产品与抽检产品热处理过程因素一致，这个证明过程就是“热处理特殊过程确认”。“特殊过程确认”可以保证间接检测的产品性能在要求的范围内，“特殊过程确认”后也可以把检测成本高、周期长的项目转化为经济方便的检测项目，比

如残余应力和氢含量的检测周期长，成本高，特殊过程确认以后，就可以转化为检测过程形成因素——退火温度、保温时间和冷却速率。特殊过程确认把对结果的筛选转化为对过程的控制，把对不合格品的筛选转化为控制其形成，可以减少不合格品出现的几率，降低生产成本，它不仅是产品质量的重要保证，也是降低生产成本的一个手段。

1.2 特殊过程确认内容

过程因素随热处理的不同而不同，其对热处理结果的作用程度也不同。比如对于均匀化退火，升、降温速率并不需要控制，它不是均匀化退火的过程因素；钢铁淬火的冷却速率要控制，是过程因素；精密零件去应力退火的升温速率要控制，是过程因素；多数热处理不需要固定特定的操作者，操作者不是过程因素；但对双液淬火和转移时间要求较严材料的淬火、固溶处理，操作习惯会使转移时间所差异，操作者是过程因素；零件的摆放、冷却速率对于精密零件的热处理变形有影响，它们是过程因素。

“确认”是对形成产品特性的全部过程因素及其允许波动范围和测控的确认。只有充分了解产品的服役条件和功能、热处理的机理和作用，才能制订完整的热处理确认内容，准确把握全部需要确认的项目内容，剔除不需要确认的内容，减少确认的工作量和成本，反之，不仅起不到“特殊过程确认”保证质量的作用，反而会使生产进行不下去，也不易保证质量。

“热处理特殊过程确认”：一是热处理质量特性的确认；二是产品隐含的关联特性的确认；三是防止热处理缺陷措施的确认。四是热处理过程形成因素及其测控的确认，五是抽检产品代表性的确认。

1.2.1 热处理质量特性的确认

对一定数量的热处理产品取样检测，比如强度、韧性、显微组织等，或模拟产品服役条件检测使用性能，比如耐腐蚀性能、疲劳性能检查。中间热处理获得的特性就是其工艺性能，可以用后续的加工过程直接证明热处理的质量。比如改善切削性能的退火、正火，可以用切削性能来验证。可以采用方便检测特性的检测代替不易或不能检测特性的检测，特殊过程确认完成后测控替代特性和保证这种特性一致性的热处理过程因素条件。比如精密零件的消除残余应力退火，残余应力不易检测，增加检测零件加工成型或放置一段时间后的尺寸，钛合金的除氢热处理，氢含量不易检测，确认时增加直接检查表面氧化情况和热处理温度与时间。比如压力容器要求的平面断裂韧性，检测成本高、不易检测，可以借用原材料的平面断裂韧性和抗拉强度、塑性、冲击韧性等代替热处理后平面断裂韧性的检测。热处理特殊过程确认的项目之一，就是要证明、验证替代、被替代检测特性一致性的过程因素条件。

1.2.2 产品隐含的关联特性的确认

使用性能往往是多个特性的综合反映，而金属材料的各种性能指标都具有相关性。“特殊过程确认”时应增加隐含的关联指标的检测以确认全部的过程形成因素。比如有的产品只标注抗拉强度，但对于多数金属材料，淬火温度高、保温时间长会影响韧性而对强度影响较小，确认时应增加韧性检测。有的产品没有标注耐腐蚀要求，而残余应力、过时效组织对耐腐蚀性能的影响要远比对强度的影响大，确认时也应增加耐腐蚀性的检测。对于再结晶退火，应增加塑性或显微组织检测。

1.2.3 防止热处理缺陷措施的确认

某些材料和热处理类型的过程因素设定控制不当，易产生缺陷，在工艺设计时应采取相应的措施。比如45钢水淬容易产生淬火裂纹，应采用双液淬火——水淬油冷防止淬火裂纹。硅锰钢淬火容易脱碳，应用还原性或中性气氛或真空加热保温以消除脱碳隐患。1Cr18Ni9钢有敏化现象，应避开

“敏化温度”，并增加晶间腐蚀倾向检查。碳钢、含铬、含锰的合金钢在回火时会出现第一类回火脆性，应采用等温淬火或避开200～400℃回火。含铬、镍、锰、硅的合金结构钢会出现第二类回火脆性，应重新加热到600℃以上后快速冷却，检测冲击韧性以确认规避回火脆性的效果，高碳钢和合金工具钢要检测扭转和冲击扭转性能。无碳马氏体沉淀强化钢热处理时应防止增碳现象，热处理前应彻底清除表面油物，采用中性气氛或真空加热。硬铝固溶易过热、过烧要严格控制固溶温度。铝合金固溶冷却时某些元素易在晶界聚集或贫化，影响冲击韧性、耐腐蚀性，有些钢的马氏体转变有陈化稳定现象，淬火转移时间要严格控制。有些材料的热处理要防止脱碳、增碳或氧化，高碳硅钢容易脱碳，易用中性、还原性气氛处理，无碳马氏体沉淀强化钢、电工纯铁应防止增碳，应采用中性或氢还原性气氛或真空热处理。盐浴热处理对浴盐脱氧处理，在使用过程中会带入空气，在浴盐中积累氧元素，使产品氧化或脱碳。

1.2.4 热处理过程因素及其测控方法的确认

不同的热处理类型、材料和产品特性，其过程因素和作用程度不同，热处理产品特性是各过程因素相互作用的结果。全部找出这些过程因素并使之被控制在允许的范围内，使产品特性控制在要求的范围内是特殊过程确认的核心内容。热处理过程因素需要论证和验证才能确定，必须甄别出全部过程因素。例如，一般热处理过程因素是装炉量、加热温度、炉温均匀性、控温精度、保温时间和冷却介质。而某些热处理还包括加热速度、加热方式、加热介质、渗剂供给量、炉压、电源电压、电流、加热时间等。有些材料淬火转移时间和冷却介质的浓度、温度、流动速度等也是过程因素。特殊过程确认还要对全部过程因素的监控方法及效果进行确认。一般热处理没有操作者的要求，不能在空气中淬火或固溶冷却的合金，对淬火转移时间有要求，自加热炉中取出转移至淬火槽，若在这段时间内固溶体发生部分分解，则不仅会降低淬火或时效后的强度，也对材料抗晶间腐蚀能力有不利影响，操作习惯会使转移时间所差异，操作者是过程因素。7A04铝合金在空气转移时间由3～5秒增加至20秒，会使时效后的抗拉强度降低10～15MN/m2，屈服强度降低30～40MN/m2。双液淬火在水中淬火的时间对淬火质量有重要影响，操作习惯是过程因素。对于均匀化退火，升、降温速率并不需要控制，它不是均匀化退火的过程因素；钢铁淬火的冷却速率要控制，是过程因素；精密零件去应力退火的升温速率要控制，是过程因素；多数热处理不需要固定特定的操作者，操作者不是过程因素；零件的摆放、冷却速率对于精密零件的热处理变形有影响，它们是过程因素。多数热处理的升温速率不受限制，对于导热性差、膨胀系数大的材料、结构复杂的高精度和加工残余应力大的产品、形变热处理等，升温速率就是过程因素。保护介质成分及纯度，渗氮中的氨气分解率、氨气压力、氨气流量，渗碳中渗剂成分、流量等是过程因素。再结晶退火、形变热处理等，形变率必须大于一个最低值，是过程因素。自动淬火辅助设备淬火转移时间，淬火槽与热处理炉间的距离，淬火液的流动或搅拌速率，是有些材料的某种热处理过程因素。

1.2.5 抽检产品代表性的确认

通过抽检或随炉试样来间接检测产品的性能，必须使同批次热处理产品的全部过程因素被控制在一定的范围内，才能保证产品的性能在一定的范围内。特殊过程确认时抽检一定数量产品，分析其性能的离散性，结合合金相图分析确认产品性能一致性的热处理过程因素允许波动范围和热处理批次的组批原则，这是热处理特殊过程确认的最核心内容。

2 热处理基本过程因素公差

保温温度、温度均匀性和保温时间是热处理的三个基本过程因素，这三个过程因素允许的公差在

特殊过程确认时容易混淆，他们分别具有不同的意义，这三个过程因素公差的决定因素和表现形式并不统一，这是容易混淆的主要原因。比如45A钢淬火工艺840℃±10℃×40min对于一个炉批产品的热处理是正确的，但对于特殊过程确认的45A钢淬火工艺应该是860～820℃±10℃×40min，下面对这三个过程因素的公差意义和表现形式进行分析说明。

2.1 保温温度选择范围

金属材料不同冶炼炉的成分不同，材料的实际成分相对于牌号理论值有公差。热处理保温温度是由材料成分、合金相图和热处理目的决定的，不同冶炼炉次的材料合适的保温温度不同，一个牌号材料有一个波动的范围，它与保温温度公差是不同的概念，它是不同冶炼炉材料保温温度的选择范围，它可能比保温温度公差值大，也可能比保温温度公差值小，它是每炉批材料都达到最佳热处理状态的保证，它的大小是由牌号及其允许的成分波动范围和合金相图决定的，体现的是材料成分的变动引起热处理参数的变化量，对于一个冶炼炉的材料它是固定的。特殊过程确认时不能压缩或取消这个选择范围，而是应该对其进行确认。事实上正是有些确认对这个保温温度选择范围的取消或压缩，导致“确认”完成后的生产却出现了不合格品而需要更改工艺。相图相变线越平滑，选择范围越小。以成分简单45A钢的淬火为例，GJB1951—94中允许的成分为C0.42～50%，Mn0.5～0.8%，Si0.17～0.37%，只考虑碳元素。合适的淬火温度应该在铁—碳相图与材料成分交点的A C3+30℃，碳含量从0.42%升至0.50%，AC3点温度下降了近40℃，45A钢淬火温度的选择范围在860～820℃。这个温度就是不同炉批次材料的产品淬火温度的选择范围。

2.2 温度公差（均匀性）

温度公差是炉温冲击、波动和炉堂四周和心部产品温度差的累积，由炉子性能、升温速率、加热方式、装炉量和装炉方式等表现出来。金属热处理加热通常是采用辐射方式，接近加热源位置的温度较高，炉堂各点的温度有一个公差。温度检测滞后现象和控温方式，使实际炉温与设定值会有一个偏差。这几种偏差的和就是温度公差，这种炉温公差虽然是由热处理炉、装炉量、装炉方式和升温速率体现的，但公差的大小是由材料特点、材料成分和合金相图决定的。控制温度公差的目的是为了保证同炉处理的材料性能的一致性和控制缺陷。以45A钢的淬火为例，允许的温度公差就是A+5～30℃中的5～30℃，这个25℃的限制作用是为了保证一个炉次处理的所有零件性能的一致性，也就是抽件零件的性能代替同炉处理的其它零件性能的前提条件之一。可通过检测过热、过烧、冲击韧性、同炉批同热处理炉产品性能的离散性等方式予以确认。

2.3 保温时间公差

炉堂四周温度到达设定值以后，中心部位并没有到温，四周到达设定温度的时间，与中心部位到达设定值的时间有一个差，温度的升高需要吸收热量，热辐射随距离递减，时间差无法彻底消除，装炉量越多、材料导热性越低、热处理炉功率越小，这种时间差越大。这种时间差也是保证同炉处理材料性能一致性的条件之一，时间公差也是由材料牌号、合金相图和热处理类型决定的。它由热处理炉功率、产品材料的导热性和热容量、装炉量、升温速率等体现。可以根据不同的材料、不同的热处理类型通过检测过热、冲击韧性、耐腐蚀性、同炉批同热处理炉产品性能的离散性等予以确认。通常固溶处理、淬火处理、再结晶退火、时效处理等对保温时间公差有较严格的限制，均匀化退火和回火则对保温时间有最小值限制，可对上限不作要求。

3 热处理特殊过程确认方式

特殊过程确认方式基本一致，主要是对热处理工艺、设备、检测项目的确认。

3.1 热处理工艺规程

对热处理工艺的主要内容：热处理的全部过程因素及其公差；过程因素检测和控制；操作人员和环境要求；辅助设备性能要求；热处理设备性能或炉温均匀要求；热处理缺陷的防止措施。

3.2 热处理设备性能

热处理设备性能满足工艺要求的程度、设备维护和定期检定及其执行情况的监督检查措施。

3.3 检测项目

热处理产品性能直接检测或使用性能的实际服役或模拟检测；热处理缺陷检查；抽检产品检测及判据。确认时检测的项目和确认完成以后热处理生产时的正常检测项目。

3.4 热处理的再确认

热处理过程因素的测控发生了更改、产品的检测项目发生了更改或热处理设备更换或大修，热处理过程需要重新确认。

4 结论

（1） 热处理特殊过程确认首先要甄别出具体热处理过程全部的过程因素，这是确认的核心内容，过程因素除热处理各种工艺参数外，还可能包括设备技术性能、环境、操作者的操作技能和习惯等因素，要依据具体的热处理而定。可通过合金相图、热处理过程产品各性能特性以及热处理缺陷来分析过程因素。

（2）具体热处理的全部过程因素允许波动范围的确认，这是确认结束后采用抽检或检测试样以间接检测其余产品热处理质量前提条件，是抽检或检测试样与间接检测产品性能一致性的保证条件。

（3）特殊过程确认还需要对热处理全部过程因素的测控进行确认。

（4）正确认识区分批次间热处理温度的选择范围与允许的温度均匀性的波动范围以及保温时间公差的准确意义，是热处理特殊过程确认时容易混淆的概念（过程因素），只有准确地理解其意义，才能正确确认。

（5）特殊过程确认完成以后，就可以把热处理产品质量特性的筛选检查，变为对热处理过程因素的检测控制和试样检查或抽检。

参考文献：

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出生日期19xx年6月,高级工程师,工作单位:中国空空导弹研究院,通讯地址:洛阳市030信箱67分箱,邮政编码471009,联系电话:137xxxxxxxx.