再述热处理失误的系统分析.doc

热处理失误的系统分析 热处理在机械制造整个工艺流程中，对产品质量好坏起着“承先启后”的关键作用。一些已接近成品的零部件，往往仅由于热处理不当而造成废品，使人力、物力、财力和时间遭受很大损失。热处理质量的好坏涉及很多因素，虽然有不少热处理规范有章可循，但在很多情况下还没有摸清规律，仍然是“凭经验办事”。因此，使人很难在短期内对热处理的缺陷与过失做全面了解和掌握。本文试图利用系统分析的思路和方法，对热处理的缺陷与过失作一整体而较全面的摘要式分析，分析产生各种缺陷与过失的原因。 1 热处理失误的系统工程分析思路和方法热处理过程是“由一些相互依赖、相互作用的组成部分按一定的方式结合而成的具有特定功能的有机整体”。因此，热处理过程本身就是一个系统，具备系统的集合性、关联性和目的性三个基本特征。系统工程解决问题的思路和方法，就是按照事物本身的系统性，把所有待研究的问题、涉及的因素全部放进系统形式中加以考察。对于热处理“废品”分析来说，涉及的致废因素有“先天”的（如设计的、材料的、锻轧的、机加工的）缺陷，“后天”的（热处理过程本身的）缺陷，以及可能对磨削工艺遗留的缺陷，都作为系统要素，再运用系统工程的分析方法加以处理，最后找出失效的原因，并要遵守系统工程的七项基本原则，即整体性原则、综合性原则、科学性原则、动态性原则，层次性原则、有序性原则和环境适应性原则。1.1“废品”件的两种常用分析思路（1） 相关分析 把“废品”结果作为因变量 R，把热处理中以及与热处理有关的可能致“废”的所有因素作为自变量Ci（i1，2，n），得出经验式：Rf(Ci) 这样可以从Ci确定R的大小，即坏的程度，并可通过工艺改变Ci，从而达到控制R的目的。（2） 过程分析 零件是在整个工艺过程中制造出来的，零件的性能和外形都随不同的工艺过程而变化。要分析“废品”的致废原因，就要探索不同工艺这个外因是如何通过零件的内因（材料的组织状态和外形结构）而起作用的，从而确定哪个工艺环节或零件的哪个内在因素出了问题。 在实际分析中，这两种思路是互补的，是要平行和交叉反馈进行。1. 2常用的三种系统分析方法 (1) 失效树分析法（PTA） 就是将系统、子系统、零部件、工艺因素、特别是人们还在不断探索、创新、发明、发现的新工艺因素110、氢脆和应力腐蚀断裂11、12人的因素和零件的性能、结构等内、外因素联系起来，作为分层次的因果关系图，如图1所示，用以探寻失误原因的图式模型。这种因果关系图一般称为失效树分析图。导致淬火后的零件开裂的加工处理热处理 表面处理、氢脆和应力腐蚀断裂11、12 机械加工 电镀 酸洗 冷处理 回火 磨削9 喷丸 矫正 拉拔 研合 回火时间 未及时 回火后冷却 太短 回 火 速度太快图1 淬火后加工处理的裂纹失效树分析图 2 失效模式影响（与后果）分析法（FMEA，FMECA）根据零件可能出现的失效模式和产生原因，评价它们对零件失效的影响，从而采取措施予以该方法的防止或消除，关键在于绘制FMECA表格。的要求是将失效模式和工序缺陷尽可能有系统地一一列举出来，根据影响程度和致废可能性并采取改进对策。 FTA和FMEA经常被结合使用，这样就很方便地从失效现象追查出失效原因，采取改进措施。 （3） 鱼骨图分析（以高频淬火为例）设计不当 加热不当 冷却不当形状复杂 频率高，功率小 冷却剂喷射角度不合适，搅拌力度不够 零件截面突变 冷却慢、过热 冷却速度过快 零件有穿孔 淬火温高低、保温长短 冷却剂选择欠妥，污染杂质太多 园角、沟槽 加热时间长（过热） 表面高频淬火失误H.N.O气体含量过高 旋转淬火感应器 倾斜与轴不平行夹杂、折叠，零件有偏析 移动速度过大 感应器与零件匹配不好（局部过热）钢种不合工艺要求 移动速度过慢，单件固定式感应器 单件固定感应器尽可能具有喷冷却液功能， 电控提前0.1秒喷淋（注：此措施加热影响区减少）材质缺陷 感应器问题 图 2 特征因素图的结构与实例分析 2 热处理失误的系统分析下面就热处理失误作一失效树分析图。把整个热处理过程作为一个系统，按过程分析思路和相关分析思路交叉使用来建立热处理失效树分析图，如图3所示。这里要特别强调“瞻前顾后”，把先天缺陷（热处理前的缺陷与过失）和后遗缺陷（热处理后的过失）失误分别列出来，既是分清责任，也是确保产品质量。热处理的过失与错误 热处理前的缺陷与过失 H.N.O含量 材料试验欠缺或项目漏检 气泡 材料缺陷 冶金缺陷 疏松 混料 夹杂 折叠1 设计判断不足 结构设计不合理 应力集中 作业事项未交待或交待不清 新材料热处理的尺寸变化未掌握选材不当 材料性能不足 材料组织状态欠妥 不相容材料接触2 轧制缺陷3 加工过程过失 锻造缺陷4 机加工过失5 热处理中的缺陷与过失 6 整体处理的缺陷与过失 加热时的缺陷与过失 一般构件缺陷与过失 淬火与调质时的缺陷与过失7 结构设计不合理8 机械加工过失9 工模具缺陷与过失 预处理欠妥10 淬火过失1112 化学热处理的缺陷与过失 回火过失 渗碳的缺陷与过失13 渗碳淬火工艺落后1,2,6 渗碳零件淬火过失1514 回火过失 气体渗氮过失16 渗氮淬火工艺落后1,2,6 1817 开 裂 盐浴渗氮过失19 变 形感应淬火过失 表面硬度不足 加热或冷却很不均匀；冷却介质选择、搅拌欠妥硬度不均匀 淬火温度过高 淬硬层浅 错用频率 淬硬层深度不均匀 加热或冷却不均匀，冷却介质选择搅拌欠妥 表面熔化 材料有偏析或缩孔残余、工件按触感应器打火 旋转淬火黑软带 水流不均匀 喷水不均匀 旋转淬火尺寸差异 原材料表层组织粗大 热处理后的缺陷与过失 20开裂21 矫正过失 变形 磨削裂纹9 表面烧伤 磨削过失 点剥落与点腐蚀 剥皮 各种压痕 机械损伤 碰撞、锤击、表面损伤 氢脆和应力腐蚀酸洗、电镀、氧化、磷化 其他缺陷 龟裂表面摩擦过热、镀硬铬引起 图3 热处理失误树分析图 倒角过小 锻选温度过高 横截面突变 终锻温度过低 应力集中部位太靠近 锻造比不足 高应力区有缺口 脱碳1孔位及其间距不当 过热、过烧 大截面构件附着小截面部件 氧化皮进入构件3 冲制标记尖角 折迭 表面光洁度不够、刀痕深 流线分布突变或破坏 晶粒流变异常 沿晶氧化 钢锭加热速度太快，透热温度不够和过高 分层 轧制皱纹、折迭 带状组织2 轧 制 黑皮 发 裂 氢、氮、氧含量过高 氢、氮、氧含量过高 表面状态粗糙、严重凸凹不平 结构上沟槽、刀痕 截面突变、棱角锋锐4 摩擦痕迹 局部变形 切削进刀量过大 磨削：磨粒、进刀量、径向跳动、冷却、残A9 残A是磨削裂纹引起的重要原因之一，应力诱导残A马氏体相度，解决方法（磨削液、磨削进刀量、磨粒砂轮径向跳动，即时回火等 选择温度不当 削除应力退火过失 退火时间过长退火过失 退火不足 再结晶退火过失 温度选定过高或过低 没先普通退火 球化退火不良 没按切削性和形变量关 系找最佳退火方法 改善切削性能 高温退火急冷 退火不当 晶粒粗化退火不当 保温时间过长 相变后没缓冷5 加热速度过快 加热到淬火温度 炉温分布不均 的缺陷与过失 零件堆放不当、受热不均 支撑不合理发生自重变形 淬火前变形 堆放不好挤压变形 高温升温速度过慢 正火过失、晶粒粗化 正火温度没选好 齿轮推荐等温正火工艺5 正火保温时间过长 加热过快或未采用适当预热 开裂 淬火温度过高冷却液的选择、温度、搅拌欠妥淬火温度不当炉温分布不均 硬度不均匀 零件堆放稀密不当 铝、钛、锡、硼等在钢中形成化合物、晶粒细化不匀 奥氏体化状态不均匀 硬度不足 相变时间不足 淬火温度低 钴等化学元素在钢中分布不均、深层硬化不够 变形 挤压或自重 淬裂 保温时间过长 保温时间不当 保温时间过长、氧化脱碳6 硬度不足 晶粒粗化 保温不够、相变不充分 预冷温度不够，急冷且冷却不均 冷却剂选择、温度、搅拌欠妥 开裂 零件截面不对称、投入方向错误 冷却速度不当 热浴淬后又放入水中冷却 零件表面有各种应力集中源 硬度不足 冷却剂选择、温度、搅拌欠妥 硬度不匀 零件截面不对称、投入方向错误 软 点 蒸汽泡附着或氧化皮清理不净 淬火后回火不及时，回火时间不够 回火过失 工模具淬火后回火前的终温没掌握好 时效温度过高或时间过长 时效不当、强度不足 时效温度过低或时间过短 锡在重庆某厂几十年发现的一炉钢重大质量问题（打靶枪500发接套断裂） 截面突变，R角太小，深刀痕 相邻尖角凸出边缘有深沟槽 开裂 冲制标记尖棱 形状效应 盲孔、底部开孔、阶梯式开孔7 开孔、孔距不当、孔径大小不等 截面积不对称 变形 未无考虑零件取材与材料纤维方向性8 开裂 疲劳寿命短 进刀量过大或钝刀具加工 开 裂 不适当的方法加热 变 形 自重或挤压9 硬度不均 散热不均匀 加温过高或高温升温缓慢 硬度不足 加温低、奥氏体化不完全 预冷温度欠妥，淬火冷却速度过快 冷却剂选择、温度、搅拌欠妥 边缘比心部冷却过快 开裂 化学成份效应 形状效应 尺寸效应 增碳冷却剂选择、温度、搅拌欠妥（网带的水基淬火液蒸汽倒灌，需增加调节抽风和落料缓冲装置） 10 硬度不足 淬火温度高、表面脱碳 淬火温度过高、晶粒粗化 氧化皮过多 淬火不充分 粘附浴渣 硬度过高 增碳 淬火介质污染 剥 落 淬火温度低且不均匀 回火不及时，某些钢种回火后应缓冷 开裂 冷透回火11 硬度偏高 回火不足或温度不够 硬度不足 回火温度过高 二类回火脆 回火降温太慢 渗碳件表面层非马氏体组织较厚（浅腐蚀）碳化物呈粗网状 过渗碳 缺口崩刃脆断剥落 截面变化太大特别对淬大件该重大措施，我以前均保密 冷加工零件未退火直接渗碳 网带炉的水基淬火液蒸汽倒灌，需增加抽风和落料缓冲装置 渗碳炉温度过高或过热 表面硬度低 N、S、O太多，使渗碳件表面非马氏体组织较厚（浅腐蚀） 淬火介质碳黑太多，使马氏体组织粗大、残A增多212 未进行等温正火5 形状复杂、工件摆放不当、自重变形 变 形 渗碳不均匀、体积增大、尺寸变化不均 淬火液的选择、温度、搅拌欠妥 表面清洁不够 硬度不均 粘附熔融异物 铜污染 过渗碳：一般工厂指渗层深、组织粗大、碳化物网析出来 蚀 斑 防渗碳剂质量低劣，氧、氢、硫腐蚀 不正常的渗碳淬火方法 渗碳层与基体过渡不好 冷却剂冷却剧烈、边缘和心部相度差应力大 渗碳剂中含有水分、硫、氧 开裂、裂纹 空冷或箱冷不当、析出网状碳化物 奥氏体分解不全、边缘和心部相变不同时 渗碳表层已脱碳 冷却过于缓慢、使表层与心部分层 热浴长期使用杂质增多 淬前奥氏体化不足 硬度不足 新盐浴炉 冷却缓慢13 疲劳强度低 渗碳件表面层非马氏体较厚2、12 低温淬火（800）生成混合组织 组织粗大，碳化物网严重 剥 落 高温深层渗碳直接淬火生成粗晶 渗碳剂中混有水，硫、氧含量高 深层渗碳与基体结合不好 软 点 冷却剂蒸汽泡附着 蚀 斑 渗碳气氛中水、硫、磷含量过高 裂 纹 渗碳淬火后未及时回火14 尺寸变化 未及时回火 疲劳强度降低 有缺口零件淬火后弯曲部分应在校直后及时回火 点 蚀 油中含腐蚀性介质 氧硫引起黑网、黑带、黑洞（金相不腐蚀下可观察到）2,5 精加工后残留有铁素体脱碳层 裂纹或脆化 渗氮时间过长表面生成铁的氮化物（白层）氧脆：氧的参与下脆性增大典型为氧化物 氢脆、氮脆、氧脆2,5 渗氮生成网状、波纹状、针状、鱼骨状的氮化物 截面不对称 表面不干净、粘附氧化物或油脂15 硬度不均匀 不锈钢未经过钝化处理 渗氮层产生亮块或亮点 游离铁素体过多 硬度不足 渗氮层深度太浅 工作变形 零件调质基本组织不均匀 表面有氧化颜色 渗氮气体不纯或装置的初始排炉内空气不够 抗腐蚀性差 渗氮层不致密 黑带、黑网、黑洞较厚（金相不腐蚀2、5 渗氮温度低、盐浴含铁量多、铁氮碳化物生成白层多孔层 剥 落 渗氮时间过长 黑网、黑带、黑洞较厚（金相不腐蚀）2、5 渗氮中能出现，次序如下：黑洞、黑带、黑网 零件调质基本组织不均匀16 变 形 渗氮后在水中急冷零件不干净使盐浴（盐浴氮化）受污染，离子氮化工艺欠妥；气体软氮化，液氨中硫、水含量多2 渗氮作业不能正常进行 淬火温度低、保温时间长、冷却速度慢 频率高、功率小、加热时间长 零件形状复杂、冷却速度过快 零件有穿孔、圆角、沟槽、两端边缘 冷却液的选择、温度、搅拌，喷射力度、角度欠妥 钢种不合工艺要求17 感应器移动速度过慢 感应器形状与零件匹配不好 零件表面有夹杂、偏析、折迭 旋转感应器滑动速度过大 喷嘴和感应器倾斜、滑动方向与零件轴线不平行 单件固定式感应器具有喷冷却液功能，电控提前0.1秒喷淋 淬火前零件未仔细消除残余应力 最初锻打后未正火或退火18 回火不充分 重新淬火之前未退火 加工余量留得过大、尤其带沟槽、穿孔 奥氏体化加热不充分、不均匀 淬火加热温度低、保温时间长、冷却速度慢19 淬火加热温度过高、晶粒粗化、晶界损伤 冷却液的选择和温度、搅拌欠妥 冷却不均匀，冷却液的选择，温度、搅拌欠妥 没有在组织变化过程中校正20 没有在常温时结束矫正 矫正支撑间距过大 尽可能采用热校，自动定量加压的校正机或加压淬火或回火装置 热态矫直时温度不均匀 支撑柱排列不当21 一次性加压 锤头硬度过高 局部急剧加热 自动定量加压下的校正机或加压淬火或回火装置 图中符号说明：双线矩形号代表不希望出现的事件，如热处理不合要求。矩形号代表中间事件，即不合要求的表象。圆括弧矩形号表基本事件，即造成不合要求表象的原因。 为逻辑推理或门号，即只要有一个基本事件发生，中间事件的表象就能发生。三角号代表写不下需转移到另一地方的转移符号，其中的数字仅为连接识别。3 后记 当我因各种原因去热处理厂时，很多工程技术人员提出原料等各方面均好，一个另件看后怎样预策其淬火断裂现象呢？这就是本人总结的三大效应(此三大效应同样对表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂现象有参考价值 10、11 )和淬火介质的选择。（1）化学成分效应例如：碳钢：同样尺寸6、同样淬盐水：35钢、40钢、45钢、50钢、55钢、60钢、65钢，结果45钢60钢很容易断裂。因马氏体含碳量越高应力越大，最高含碳量约0.6%左右。而钢种含碳量很高时60钢以上，有残A产生，缓减的马氏体应力的释放。一般讲：合金钢最易淬裂。例如42CrMo钢在尺寸很大100时淬水不裂。这就是下述讲的尺寸效应。（2）尺寸效应例如：碳钢，45钢：1、2、310淬盐火结果发现6最易淬裂。因为6以下一般能淬透。而6总体应力最大，所以最易断裂。同理：合金钢总体应力最大的尺寸是淬透性指标（淬透性为半马氏体区）略为2/3左右。因此，某合金钢先查淬透性指标，然后看工件。就知最危险的尺寸大约是多少？（3）形状效应截面突度，R角太小，相邻尖角凸出、边缘有深沟槽，冲制标记尖棱，盲孔、底部开孔、阶梯式开孔、孔距不当、孔径大小不等、截面积不对称、深刀痕等。（4） 淬火介质的选择依据於世界各国最新的研究，所谓硬壳效应。要求：珠光体转度的第一冷却速度要快，形成具有压应力的硬壳效应。而马氏体转度要缓慢，这样不易产生裂纹，并采用程控喷冷控速等一系列的研究成果，值得推广应用。本人研制的PAGA型淬火液是依据目前市场上急需一种珠光体转变速度类似盐水和碱水，而马氏体转变速度类似于油，真正代替水淬、油冷的新型淬火液，而且防锈能力保持5天左右。要使珠光体转变类似盐和碱水，必须使淬火工件入液时形成的气泡膜很快破裂，从而使冷却速度加快。目前市场上PAG，例如在3%3.5%浓度下，第一冷却速度均不如盐水和碱水，也就是必须要添加某一种或多种混合添加剂来达到上述要求。如图4，PAG-A在浓度3.0%的冷却曲线。图4 PAG-A在浓度3.0%的冷却曲线在网带炉渗碳淬火上应用。目前，全国共有20多条网带炉在应用；特别是网带炉渗碳解决了软点、硬度不足、变形大。防锈能力5天以上，PAG的消耗下降20%。在国内风电系列机械性能，如表1：淬火工件材料为42CrMo的大型风电转盘系列。最大外圈1800X120X180，重1.38吨。质量稳定可靠并出口美国；热处理船用59拐曲轴直接淬火，机械性能如表2：用于船用柴油机曲轴材质42CrMo4调质工序，工件变形小，性能稳定，淬火液不易变质，调质产品符合船检要求（资料12介绍国内不少厂家对船用曲轴淬火采用水淬油冷或水淬PAG冷却。）；30CrMo高压气瓶系列机械性能稳定，淬火工件变形小，淬火液性能稳定，淬火液消耗低，产品质量稳定可靠如表3，上述3个例子机械性能均超过国内外企业标准要求。表1 风电调质机械性能力学性能抗拉强度b Mpa屈服强度0.2 Mpa延伸率%断面收缩率%冲击韧性AKV J硬度 HB技术要求950 -1050 700 145527 280320 实际检测9971035 760800 253559635580290310表2 59拐船用曲轴调质机械性能序号抗拉强度b Mpa屈服强度s Mpa延伸率5%断面收缩率%冲击韧性AKV J硬度HB技术要求800 950 590 154532 23.5 实际检测805945 620775 16.519.55761.740.5102 235270 表3 30CrMo钢高压气瓶调质机械性能力学性能抗拉强度b Mpa屈服强度s Mpa实测屈强比s延