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热处理失误的系统分析 |
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作者：重庆义扬机电设备有限公司 李志义 李晓澎 |
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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（i＝1，2，‥‥，n），得出经验式：
R＝f(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[1~10]、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。
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）
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。
图3热处理失误树分析图
※ 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
※ 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）
※ 过渗碳：一般工厂指渗层深、组织粗大、碳化物网析出来
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Ø6、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Ø100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：Ø1、Ø2、Ø3……Ø10淬盐火结果发现Ø6最易淬裂。因为Ø6以下一般能淬透。而Ø6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PAG－ⅢA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-ⅢA在浓度3.0%的冷却曲线。
图4 PAG-ⅢA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5~9拐曲轴直接淬火，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。
重庆地区就有6家应用PAG－ⅢA，因有些厂家采用该型号，使用某些特殊的产品解决了其它介质很难解决的问题、产量日增，为保密起见恕不一一介绍。
参 考 文 献
[1] 李志义，李晓澎.渗碳淬火件表面非马氏体组织形成的原因和防止措施[J].金属热处理,2000.(11):37.
[2] 李志义、李晓澎等.浅谈某些热处理气源和金相标准中的某些问题[J].金属热处理,2008.（3）:116-119.
[3] 李志义、李晓澎.可控气源的选择[J].金属热处理, 1996.(1):52.
[4] 李志义、田荣华、葛友海、胡培中、熊军、熬思渝,等.天然气渗碳的另一机理CH4→Cad+H2及其优化措施（A）.第八次全国热处理大会论文集[C].
[5] 李志义：渗碳淬火件质量提高的途径[J].热处理,2007.22（3）：1~6
[6] 李志义：渗碳淬火体，气体软氮化件质量提高的途径[A]。2006.5第四届中国热处理活动周，第九届江苏省热处理年会[C]P241.
[7] 马学文、李晓澎、李志义等.净化后的天然气渗碳质量的提高及其经济效益[J].热处理,2007.22（4）:37-43.
[8] 李志义、田荣华、葛友海等.采用天然气的气体渗碳[J].国外金属热处理, 2004.25 (1):41.
[9] 李志义、李晓澎：渗碳淬火件磨削裂纹形成的原因和防止措施[J].国外金属热处理，2005.26（1）46.
[10] 李志义：影响结构钢在表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂的主要因素和防止措施[A].82年兵工交流优秀论文[C]-内部版。
[11] 李志义：结构钢在表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂（M）
[12] 陈乃录、左训伟、徐骏、张伟民：数字化控时淬火冷却工艺及设备的研究与应用[J]金属热处理2009（3）：37~42
作者简介：李志义（1938.2.1）男，江苏泰州人，汉族，1962年哈工大毕业，1992年由22个一级学会联合召开的“全国机电装备失效分析预测防战略研讨会”授予全国先进失效分析专家称号，获国家发明专利二项，获兵器部二、三等奖，已发表论文10多篇。著有：结构钢在表面处理过程中的氢脆和应力腐蚀断裂 [M]。联系电话：13002366762 E－mail：info@yiyangjd.com 公司网址：www.yiyangjd.com(end)
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(1/20/2011) |
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