航空热处理技术

航空热处理技术

王广生

（北京航空材料研究院，北京１０００９５）

摘要：本文从全面质量控制、热处理新技术、传统热处理设备改造、热处理标准化和国内外一体等方面介绍了航空热处理近年的发展，热处理技术和管理模式达到或接近国际先进工业化国家水平，实现了与国际接轨。

关键词：航空热处理；全面质量控制：热处理新技术；传统热处理设备改造；标准化：国内外一体化中图分类号：ＴＣｒｌ４６．１；ＴＧｌ４４；ＴＧｌｌ３．２

文献标识码：Ａ

ＡｖｉａｔｉｏｎＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

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（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５）

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ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎａｎｄｕｎａｎｉｍｏｕｓｔｅｎｄｅｎｃｙ

ａｔ

ｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ．Ｉｔ

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ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，

ｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ

１

概况

航空工业生产长寿命各种飞行器，为了提高飞

氨分析仪）控制渗氮迅速发展，每年新增５～１０台。铝合金空气循环电炉全面采用，已成为铝合金热处理的主力炉型。有机淬火介质在铝合金淬火中应用有突破性进展，在减少热处理畸变和环境污染方面显现了明显的效果。高能束热处理，如激光热处理、离子注入等己开始在航空工业应用。智能仪表和计算机广泛用于工艺控制，计算机网络开始在航空热处理车间出现，使热处理车间呈现出现代化气息。

（２）实施热处理全面质量控制，在积极采用先进热处理技术的同时，注意对传统热处理的技术改造，对于普通电炉全面改造，结合设备大修、技改、更新，实现了节能、提高炉温均匀性、双偶控测温、仪表智能化，使普通电炉上了一个档次。全面实现了炉温均匀性检测和管理，提高了全面质量控制的水平。

（３）航空热处理标准化体系更完整和先进。以“航空热处理质量控制”为龙头，补充完善了各种航空材料热处理工艺标准和热处理质量检验标准，建立了热处理工艺材料标准系列，制定了真空热处理、氮基气氛保护热处理、铝合金电导率测定等新工艺标准。现有航空热处理标准４０多项，形成了完整体系，并得到了认真贯彻执行。

（４）在基础条件（设备，人员素质等）不断

行性能和确保安全，大量采用发展前沿的科学技术，选用各种比强度高的新材料，发展近无余量成形技术、精密和超精密加工技术、柔性加工生产线等精密制造技术。为适应新材料和精密制造技术发展，航空热处理重要发展方向是精密热处理，实现精密形状和尺寸控制及精确组织性能控制。

改革开放以来，航空工业与国际交往迅速发展，引进并消化吸收了很多国外先进热处理技术，其中很重要的方面是热处理全面质量控制和炉温均匀性测定。

近年来，为了适应建立现代化国防需要，加大了航空热处理技术改造力度，全面提高管理水平，生产条件、技术和管理全面与世界先进国家接轨，实现国内外一体化。

航空热处理近年来有了较大发展变化，概括起来有如下几方面：

（１）积极采用先进的热处理技术。真空热处理以每年３０％左右速度递增。氮基气氛热处理成为可控气氛首选，应用不断扩大；可控渗碳代替传统的滴注渗碳，已占５０％左右，氢探头或氢分析仪（或

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《金属热处理》２００５年第３０卷增刊

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改善的前提下，航空热处理生产管理水平不断提高，技术文件和管理体系与世界先进国家接轨，形成了本国产品生产和转包生产国内外一体化，完全

按国际先进水平进行生产和管理。

关技术文件和规章制度，还应了解质量控制和管理基本知识。坚持培训、考核、发证和持证上岗等一系列措施和办法。有些关键零件的热处理，还明确规定由一定等级以上工人操作。

（２）作业环境控制

热处理生产环境包括厂房、温度、噪音、照明度等条件，这些生产环境不仅直接或间接影响热处理质量，而且关系到热处理生产的安全和环境保护。热处理作业环境首先要保证达到热处理行业强制性国标ＧＢ１５７３５《金属热处理生产过程安全卫

生要求》。

２全面质量控制和炉温均匀性检测

２．１全面质量控制

热处理是通过改变材料组织使机械零件或产品获得所需性能并保证使用安全可靠的工艺过程。热处理特点之一是属于“内科”，热处理质量一般需通过使用专门仪器对零件或随炉试样进行检测，由于受到检测率和检测部位的限制，对于每一炉批热处理零件，甚至对每～个零件来说，检测都只是个别的、局部的，无论如何都不能达到对热处理质量１００％的检测，检验不能完全反映整批零件或整个零件的热处理质量。第二个特点是热处理质量影响大。热处理生产成炉批量投入，连续生产，一旦出现热处理质量问题，对生产和产品的影响面很大：另一方面热处理对象大部分是经过加工的半成品件或成品件，如果出现热处理质量问题，其损失很大；更主要的是热处理缺陷漏检很容易发生严重机械事故，造成更大损失。因此，从质量控制观点来看，热处理属于特种工艺，要采取特殊措施，实施全面质量控制，制定专门工艺规程和检验规程。

热处理全面质量控制，就是对零件在整个热处理过程中一切影响因素实施全面控制。全体热处理有关人员都参与热处理质量工作，对热处理过程每一个环节都实行质量控制，包括基础条件质量控制、热处理前质量控制、热处理中质量控制、热处理后质量控制，其中主要是人员素质控制、设备与仪表控制、工艺材料及槽液控制、工艺控制、技术文件资料控制等。

实行热处理全面质量控制就是改变过去传统的单纯靠最终检验被动把关来保证质量的观念和制度，实行以预防为主、预防与检验结合的主动控制质量保证模式，把重点转移到质量形成过程的控制上来，把热处理缺陷消灭在质量形成过程中。热处理全面质量控制是一项系统工程，把专业技术、管理技术和科学方法集中统一在一个整体之中。

（１）人员素质控制

因为热处理生产过程每一步骤都是由人操作完成的，所以人员素质是确保质量的根本要素。热处理各类人员应具有相应专业知识和技能，熟悉有

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１）厂房热处理车间应有足够的生产面积和辅助面积。生产面积应能满足设备技术要求和技安要求，摆放各种设备，还要保证安全操作。此外，根据质量控制要求，生产现场要把不同热处理状态的工件区分开，分别摆放，所以热处理车间要有待处理工件、合格品工件，不合格品工件、返修工件及废品隔离的摆放场地。热处理车间的厂房应有一定的高度和跨度，适应设备安装和维修，工艺操作和连续生产，以及有害气体排放等技术要求。热处理厂房应具有良好通风，以利于排放有害气体，产生有害物质的设备还要设置专门抽风、排尘和过滤装置，危险工序应有单独隔开房间。

各种仪表应远离灰尘、腐蚀性烟气和振动不大的地方，环境温度符合仪表要求，保证仪表正常运行，新的热处理厂房已采用微机集散控制或仪表集中控制。

２）温度热处理的加热和冷却对周围环境有影响，同时生产环境也影响热处理工艺的正确实施，导致热处理工件质量一致性差，甚至出现不合格品和畸变、开裂。因此要求热处理作业温度夏天一般不超过当地气温２～１０＂Ｃ，冬季温度应不低于１０＂Ｃ。

３）照明和采光良好的照明和采光是保证热处理工序正确无误按工艺要求实施的必要条件，热处理工序光照度应不低于５０Ｉｘ，必要时应在仪表柜加

装单独照明。

４）噪音噪音过大影响现场各类人员的情绪，容易造成误操作，影响热处理质量，严重时导致听力下降。热处理车间噪音一般应低于８５ｄＢ，强噪音作业（如吹砂，喷丸等）应在封闭房间。

（３）设备与仪表控制

热处理工艺是通过热处理设备来实现的，热处理工艺参数是通过仪表来控制和记录的，所以热处

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理质量在很大程度上依赖于设备和仪表的水平与

示。所谓炉温均匀性，是指炉子在热稳定状态下温质量。

度自动记录仪表指示的温度与工作区内各检测点１）温度仪表及控制系统

的温度之间最大温度差。热处理炉根据炉温均匀性为了使热处理加热温度满足工艺要求，热处理分为五类，其技术要求如表１所示。

炉应配置合适的温度控制记录仪表。为了防止热电表１

热处理炉按炉温均匀性分类及技术要求偶及仪表故障造成温度失控，引起“跑温”，热处有效加仪表

理炉每一个加热区均应配置两支热电偶，其中一支热区炉

控温精记录纸读数

热电偶安放在有效加热区内或接近有效加热区处，类

精度

温均匀

度／℃

／。ｃ・ｍｉｌｌ‘

别

等级连接温度记录仪表，以便准确反映加热实际情况；性／℃

另一支热电偶接控温仪表，进行炉子温度的自动控不小于

不小于

制，另外这两支热电偶中应有一支并联报警装置，Ｉ±３±１．０Ｏ．２５

２一旦出现超温时能自动报警并切断电源，这种配置ＩＩ±５±１．５０．３

４称之为“双联温度系统”，另外还可采用控温、记ＩＩＩ±１０±５．０Ｏ．５５录、报警三者分别独立的系统，称之为“三联温度

Ⅳ±１５±８．００．５６系统”。

Ｖ

±２０

±１０．０

Ｏ．５

８

热处理炉的温度测量装置应能准确地反映出真实温度，具有足够的精度、可靠性和稳定性。温各种热处理炉根据设计和制造水平都给定一度测量装置包括热电偶、补偿导线及仪表都应符合个额定工作区（也称有效加热区）尺寸，并保证一要求，并定期检定合格。

定的炉温均匀性，为了及时掌握热处理炉炉温均匀现场使用的温度测量元件，由于环境气氛和温性变化情况还应在生产过程中根据炉子情况变化度的影响，可能老化或变质，这是一个渐进的过程，检测炉温均匀性及定期检测炉温均匀性。具有下列由量变到质变的过程，但热电偶或温度仪表性能的条件之一者，均应检测炉温均匀：①新添置的热处任何变化，都会影响炉温温度准确性。为了使现场理炉正式投产前，或者闲置半年以上重新启用；②使用的温度测量系统能准确反映热处理炉温度，还经大修或技术改造后；③热处理炉生产对象或工艺应对该系统准确程度定期进行检验，称之为“随炉变更，需要改变有效加热区尺寸或使用温度范围；检验”，一般规定每周检测一次。随炉检验时还需④保护气氛类别或使用量发生重大变化；⑤控温或再装一支检验热电偶，检验热电偶热端与温度记录测温热电偶位置改变；⑥发生质量事故，分析认为系统热电偶热端距离小于５０ｍｍ，这样可以避免测可能与炉温不均匀有关；⑦定期检测。定期检测周温位置的影响。检测可用手提电位差计等精度较高期及温度仪表检测周期如表２所示。

仪表在炉子处于热稳定状态下进行，一般在热处理表２炉温均匀性和温度仪表检测周期保温阶段测试。随炉检测的温度经误差修正后与温热处理炉类别

炉温均匀性温度仪表度记录仪指示比较，两者之差对于Ｉ、ＩＩ类炉子应Ｉ１个月半年不超过１℃，ⅡＩ￣Ⅳ类炉应不超过３℃。如果超过上ＩＩ半年半年述规定范围，应查明原因，及时排除，也可采取温ＩＩＩ

半年半年度补偿器修正。

Ⅳ

半年半年２）热处理炉的炉温均匀性

Ｖ

１年

１年

为了使热处理零件达到预期的使用性能，在热处理加热过程中，全部零件及零件的所有部位均应炉温均匀性一般在空载条件下测定，如有必要处于热处理工艺参数要求的温度范围内，为此，热也可在半载或满载情况测定。测定方法多采用体积处理炉应能准确的控制和记录加热温度并保证炉法，也可采用截面法、单点法，炉温均匀性测试按

膛中工作区各处的炉温均匀一致。

ＨＢ

５４２５—８９《航空制件热处理炉有效加热区测定方

热处理炉炉膛工作区内各处温度均匀一致的法》进行。炉温均匀性实行挂牌管理，明确标明炉

程度一般用“炉温均匀性”（也称保温精度）来表

万　

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子有效：【作区尺寸和部位、炉子类别、本次和下次检定日期等。在热处理生产过程中，还要按热处理：Ｉ：艺要求把处理的工件放置到有效工作区内加热，这样才真正达到炉温均匀性检测和管理的目的。

（４）热处理炉气氛控制１）真空炉

真空热处理炉一个很重要指标是压升率。为了防止真空热处理过程中零件与周围空气接触，必须预防周围空气进入真空热处理炉，这就对真空热处理炉漏气提出要求，一般以压升率指标来控制，新真空热处理炉压升率应小于Ｏ．６５Ｐａ／ｈ（引进真空炉应小于０．２６８ＰａＪｈ），使用中的真空热处理炉压升率不应高于１．３３Ｐａ／ｈ。压升率按ＧＢ１００６６．１．８８规定，在空炉冷态条件下测定，新炉子在使用前、设备大修后、更换密封元件后、长期不用重新使用前均应及时测试压升率，在正常工作条件下也应定期（每

月）检测。

３）加热炉其他要求

对于热处理加热包铝铝合金零件的设备（如空气循环电炉），要求具有足够的加热能力，以保证固深处理加热时尽快同复到温，防止包锅层与基体之间发生不应有的扩散现象。

４）淬火槽控制

淬火槽按淬火介质可分为淬火油槽、淬火水槽等。各种淬火槽都有一定使用温度限制。为此淬火槽应配置冷却与加热装置，并配备一定精度的温度指示仪表，淬火槽温度指示仪表精度一般为±５℃。淬火槽尺寸应参保证热处理零件完全浸没在淬火液中并能作适当运动，淬火剂的量应能保证淬火后的温升不超过热处理工艺规定范围。为了使淬火零件获得迅速和均匀冷却，淬火槽应有循环搅拌装置，可采用泵循环或机械搅拌，不推荐使用压缩空气搅拌，以避免产生淬火“软点”。

５）工艺材料及槽液控制

热处理工艺材料是指热处理生产中使用的直接与零件接触的材料，对实现零件热处理过程和保证零件性能与质量影响很大，必须严格控制。在国外航空热处理生产中，工艺材料标准及生产厂家都必须取得航空适航当局的认可，我们在与国外合作生产中经常遇到这方面的问题，航空热处理生产中曾发生盐浴用盐和槽液ＰＨ值不合格引起零件腐蚀问题。还发现过航空发动机叶片无余量精锻或精铸毛坯真空时效气冷工艺时，由于冷却用高纯氩气水含量不合格，使热处理叶片产生氧化，表面黑灰色，为了保证真空气冷达到光亮无氧化，不得不对每瓶氩气分析化验。对热处理工艺材料的要求是在保证热处理过程正确实施前提下不应对工件产生有害影响。热处理工艺材料及槽液控制的主要内容，包括建立标准或技术条件、出厂入厂化验及槽液定期

分析。

２）气氛炉

可控气氛炉的炉内气氛应能控制和调节，以满足热处理工艺要求。导入炉内的气氛不能直接冲刷零件，也不能含有对零件有害的成分，炉内气氛不应使被加热的零件表面产生超过技术文件规定深度的脱碳、增碳、增氮及腐蚀等现象。

保护气氛炉对钢件热处理后，表面脱碳层深度应达到≤０．０７５ｍｍ。

气体渗碳（含碳氮共渗）炉、气体渗氮（含氮碳共渗）炉除满足有效加热区炉温均匀性要求外，还应满足渗层深度均匀性和表面硬度均匀性要求，试样放置位置参照炉温均匀性检测中热电偶布点位置。渗碳炉和渗氮炉渗层有效硬化层深度偏差应符合表３和表４要求。

表３渗碳炉有效硬化层深度偏差值（舢）

Ｏ．５＜ｄ

渗层深度，ｄ有效硬化层深度

ｄ≤０．５

≤１．５

ｄ＞１．５

航空工业已制定了热处理用盐、热处理用气体、淬火介质、渗剂、涂料等标准。各种热处理。ｌ：

Ｏ．３

Ｏ．１０．２

偏差值不火于

艺材料应符合相关的标准，出厂入厂应进行分析和化验。

常用热处理槽液的技术要求和分析化验周期

表４渗氮炉有效硬化层深度偏差值（嗍）

０．２＜ｄ≤

渗层深度，ｄｄ≤０．２

Ｏ．４５

ｄ＞０．４５

见表５。

有效硬化层深度

Ｏ．０５

６）工艺控制

０．０７

０．１０

偏差值才ｉ大于

首先根据工件的材料、技术要求和：［艺合理地选择加热设备的类型和级别。

对于钢制零件，热处理加热温度公差一般为±

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１０。Ｃ（个别±８．３℃）。须选用ⅡＩ类以上的炉子。重要零件热处理的脱碳层４０．０７５ｍｍ，不能有全脱碳层，也不允许有增碳、增氮及晶间腐蚀等缺陷。真空热处理或保护热处理时，还须注意不能产生表面元素贫化和增氢。淬火转移时间≤２５ｓ，超高强度钢零件淬火与回火之间的时间间隔≤１ｈ。

表５槽液技术要求和分析周期

名称高温盐浴中温盐浴硝盐浴

总碱度≤０．０５％

等温

硫酸根≤４％

碱液

运动粘度［４０。Ｃ，（１５．３—３５．２）

普通淬火油

Ｘ１０一ｍ２／ｓ］，闪点（开口）

２２

源，一旦发生质量事故，可以据此进行质量跟踪，记录和保存原始数据还有利于提高各类人员的责

任心。

技术文件和资料包括说明书、操作规程、工艺规程、流程卡、生产记录卡、温度仪表记录纸、质量检验记录、合格证、以及设备、仪表、工艺材料和人员资格等原始情况等。２．２炉温均匀性检测新技术

在初期实施炉温均匀性检测时困难很多，热处理炉没有专门的测温孔或装置，采用无电阻转换开关和ＵＪ。３３仪表测试，效率和准确度很低。后来改

技术条件分析周期／月

硫酸根≤Ｏ．１％ｐＨ值６．５－８．５

硫酸根≤０．１％，ｐＨ值６．５－８．５，

２

２

碳酸根≤０．０５％

硫酸根４０．２％，氯离子４０．５％

２

用巡回检测仪（如大华仪表厂ＲＤｌ５，ＲＤ３０）或多点记录仪表，实现自动打印记录，近几年又发展了直插式测试方法，解决了高温炉、连续炉炉温均匀性测试问题。炉温追踪仪可以实现与测温架或工件一起入炉，随系统移动，记录炉子温度均匀性或工件热工艺过程。（１）直插式测试方法

传统测温架测试炉温均匀性，对高温炉经常发生烧塌测温架和热电偶损坏现象，对连续炉经常发生拉断热电偶现象，直插式测试方法解决了上述困难，测试方便简捷。

直插式测试炉温均匀性，首先对预定炉子的有效加热区的各测试点，从炉子顶上或侧面打几个直插热电偶的孔，在孔边缘固定法兰盘和通孔螺栓，以便固定插入热电偶，对真空炉还要作好动密封。测试时将直插热电偶从测温妃按要求插入炉膛并固定，测试后取出热电偶，恢复炉子正常情况。（２）炉温追踪仪

该仪器由数据记录仪和隔热箱组成，相当于飞机的“黑匣子”。首先把热电偶按测温要求固定在测温架或工件上，然后将热电偶与数据记录仪联接，把数据记录仪放入隔热箱中；测试时把测温架、热电偶及装入隔热箱中的数据记录仪一起放入炉中，数据记录仪将自动跟踪记录各点温度；测试后将数据记录仪与电脑联接，把各点温度自动打印或

绘制曲线。

不低于１６０＂Ｃ，水痕迹，腐蚀（Ｔ－３铜片）合格，冷却特性

对于铝合金零件，热处理加热温度公差一般为±５℃，应选用ＩＩ类以上的炉子，个别零件要求±３℃，必须选用Ｉ类炉子。淬火转移时间一般要求≤１５ｓ，薄壁零件要求≤５ｓ、７ｓ、１０ｓ。淬火介质除用普通水之外，为了减少淬火变形，有些零件必须使用有机淬火介质水溶液。热处理后还须进行一系列特殊检查，包括电导率检查、过热过烧检查、包铝层扩散检查和晶间腐蚀检查等。

对于钛合金零件，热处理加热温度公差要求≤±１０℃，应选用ⅡＩ类以上炉子。淬火转移时间为：厚度＜５ｍｍ，≤６ｓ；厚度５－２５ｍｍ，≤８ｓ；厚度＞２５ｍｍ，≤１２ｓ。热处理不能有增氢和有一定限制的氧化层。

此外，还应根据工件的材料种类、热处理要求，合理选择加热介质。焊接件、铸件、镀铜件、铜合金以及粉末冶金件，一般不允许在盐炉中加热。

７）技术文件资料控制

热处理生产都必须严格按行业标准、企业标准及：工艺规程进行，并做好执行情况和质量情况的原始记录，尽量采用自动记录的数据。技术文件和原始记录都必须妥善保存一定期限。这些资料是质量管理必不可少的根据，是提高和改进质量的信息来

３航空热处理新技术

航空热处理特点是要求严格，实行全面质量管理，热处理材料种类多，工艺复杂多样，热处理生产多品种小批量等。根据航空工业对热处理的特殊要求和航空热处理特点，航空热处理技术发展方向

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主要是精密热处理，即少无氧化脱碳、减少变形、压强与真空淬火油的特性及钢的淬硬性有关。

精确控制，重点发展真空热处理、氮基气氛热处理、试验结果表明，对于淬硬性较差的钢，如

可控化学热处理、激光、电子束和离子注入等高能１２ＣｒＮｉ３Ａ、４５、３０ＣｒＭｎＳｉＡ、６５Ｍｎ、ＴＳＡ钢的淬

束热处理、新型冷却介质，以及计算机应用等。火硬度随油面压强的下降而明显下降，有明显的临３．１真空热处理

界淬火压强。

真空热处理具有无氧化、无脱碳、无元素贫化对于淬硬性较差的钢，应选用先充气后入油的的特点，可以实现光亮热处理，可以使零件脱脂、方式进行淬火。油面压强应高于其临界淬火压强。脱气，避免表面污染和氢脆；同时可以实现控制加一般调节在５×１０４Ｐａ左右，但不宜低于１×１０４Ｐａ。热和冷却，减少热处理变形，提高材料性能：还具对中等淬硬性的钢，也应采取先充气后入油的方式有便于自动化、柔性化和清洁热处理等优点，近年进行淬火。油面压强可调节在１×１０４Ｐａ左右，但已被广泛采用，并获得迅速发展。

不宣低于５×１０３Ｐａ。淬硬性很好的钢可以采取充气真空热处理由早期的真空退火、真空除气向真或不充气的方式进行淬火；采取充气方式的，可以空淬火、真空回火、真空化学热处理和特种真空热先充气后入油，也可先入油后充气；采取先充气的处理方向发展；并发展了各种组合模式的真空热处

方式时，充气压强可在２．５Ｘ１０４Ｐａ～５×１０４Ｐａ范围理生产线。

内选定。为防止和减少油蒸气进入并污染加热室，３．１．１真空油淬

宜选用较高的充气压强。所用的气体应为高纯的中真空油淬是目前真空热处理的主要工艺。真空性或惰性气体。采取后充气的方式，可以充纯度较油淬技术发展过程中曾遇到的技术难点是真空油低的气体，充气压强也可低一些。采取不充气的方淬增碳问题。上世纪７０年代我们的试验研究表明，式进行淬火，就是工件入油前后均不充气。

真空油淬可能产生增碳，使疲劳性能降低。近３０真空油淬比普通油淬的淬火冷却能力略低，真年解决了真空淬火油和真空油淬表面增碳等技术空油淬的淬透性一般为普通油淬的７５％左右。关键，除在工模具热处理方面应用外，已成功用于３．１．２真空加压气淬

重要结构件的精密热处理。

（１）真空加压气淬的冷速测定

（１）增碳问题

真空加压气冷，提高了冷却速度，可以代替传钢在真空高温加热时使其表面活化，真空淬火统的气冷、部分油冷或分级淬火，可以实现控制冷时淬火油受热分解形成的活化碳原子在油淬过程却，达到合理冷却的目的。所以研究真空加压气冷中渗入，使工件表面形成增碳层。这种渗碳现象随的冷却特性并与常规的炉冷、气冷、油冷、硝盐浴淬火温度上升而更加严重，且与淬火加热保温时间等冷却方式对比是制定真空加压气冷工艺的重要无关。为防止该现象的产生，应选择质量好的真空依据。我们用ＫＨＲ－０１便携式冷却介质性能测定淬火油和改进热处理工艺。

仪，采用内装热电偶的镍基合金探头试验法，测试试验结果表明，高速钢真空油淬可能在工件表了美国Ａｂａｒ－Ｉｐｓｅｎ公司Ｈ３６３６的各种压力气冷的面形成３０－－４０、１．ｔｍ的增碳白层。为防止增碳现象要冷却速度，并与气冷、吹风冷却、油淬进行对比，选择合适的加热真空度，采取先充气后入油或气一实现了真空加压气冷的冷速与通常的冷却介质冷油两段冷却法等措施。经过研究改进后，结构钢类却的对比衔接。普通气冷的冷却速度介于０．１ＭＰａ似现象大大减少，增碳层只有约０．１－－－０．２

ｕ

ｍ厚，

和Ｏ．２ＭＰａ加压气淬之间，吹风冷却冷速介于

其力学性能满足技术要求，并不影响使用性能。

０．３御ａ￣Ｏ．４ＭＰａ之间。

（２）油面压强的影响

（２）真空加压气淬的淬透性

在低压强，真空淬火油的冷却能力下降，对某目前，对于真空加压气淬技术的关键是对重要些钢来说，可能达不到淬火的目的。为此，在淬火的合金结构钢、：［模具钢和不锈钢等测试和确定不前，向淬火室内充入高纯的中性或惰性气体，在油同淬火压强的Ｉ临界淬透直径，以指导真空加压气淬面上造成一定的压强，就可以实现钢的充分淬火并热处理生产。我们的试验表明，５×１０５Ｐａ压力下气获得光亮的表面。能够获得与在大气压下相同淬火淬，可将庐８０ｍｍ的４０ＣｒＭｎＳｉＭｏＶＡ钢淬透；硬度的最低液面压强称为临界淬火压强。临界淬火

４０ＣｒＮｉ２Ｓｉ２ＭｏｖＡ钢可淬透中６０ｍｍ，２Ｃｒｌ３钢可淬

１８

万　

方数据《金属热处理》２００５年第３０卷增刊

透砂１３０ｍｍ，９Ｃｒｌ８钢可淬透０５１５０ｍｍ。也可借鉴我们和北京华海中谊真空工业炉公司合作研的临界淬透直径国外资料的数据。制成功可控制加热和冷却的真空磁场热处理设备，（３）采用石墨构件的影响

对软磁材料４９Ｋ２①Ａ（相当于１Ｊ２２）和电机转子真空热处理炉重要发展之一是采用石墨制作

进行了真空磁热处理，样件和产品的磁性有很大提真空炉的加热元件、隔热屏、夹具等构件。在热处高，与普通真空热处理相比，真空磁场热处理在屈理时是否导致工件表面增碳是人们关注的大问题。

服强度（口。）和磁感应强度（Ｂ）相同情况下，矫美国Ａｂａｒ－Ｉｐｓｅｎ公司用钛合金和不锈钢作了顽力（月－ｃ）明显降低，从１．０～Ｏ．７Ｏｅ降低到０．３￣ｏ．５专门研究，结果表明：①对于Ｔｉ一６Ａ１．４Ｖ合金在１．３３

Ｏｅ，已成功用于航空工业生产。Ｘ

１０五Ｐａ真空度条件下与石墨高压接触进行真空

３．１．５真空热处理生产线

热处理，有不明显增碳；低压接触或不接触时，未近年随着真空热处理发展和应用的扩大，真

发现增碳。②对于不锈钢在高压和低压接触时，均空热处理规模和水平的迅速发展，已不满足于单台发现增碳，未接触时没有发现增碳。若在石墨构件或几台炉子的非连续生产，向真空热处理生产线方表面喷涂氧化铝或用氧化铝材料将其隔开，或在热向发展。国外已有很多真空淬火回火生产线，真空处理时向炉内回充氩气或氢气，均可避免增碳现象

渗碳高气淬生产线，航空工业已建成一条真空淬火的发生。

回火生产线，由两台真空淬火炉，一台清洗机和两我们用ＷＺＣ．３０Ｇ型卧式真空淬火炉进行了钛台回火炉组成，运行情况良好，提高了真空热处理合金和高温合金无余量叶片的真空热处理工艺研生产水平和质量，减轻了工人劳动强度，改善了工究和生产。该炉采用石墨带或石墨棒作为加热元作环境。正在建设真空渗碳＋淬火回火生产线。件，采用石墨板和陶瓷纤维炉衬，石墨导轨上嵌氧３．２可控气氛热处理

化铝衬条。生产中采用不锈钢或高温合金料架，选３．２．１

氮基气氛保护热处理

择合适的真空度，采用高纯氩气进行冷却。真空热氮基气氛是一种很有发展前途的可控气氛，用

处理后随炉试样的性能均达到了相应的技术要求，于保护热处理和化学热处理。氮基气氛用于保护处零件表面光洁，已成功用于生产。理可以达到少无氧化脱碳和光亮热处理，氮基气氛３．１．３真空渗碳

化学热处理可以减少内氧化等缺陷，提高化学热处真空渗碳多采用真空一充气脉冲式渗碳工艺，理质量。氮基气氛还具有气源丰富、节约能源、成以避免渗碳过程中产生内氧化等缺陷。该工艺具有本低廉、安全性好、适应性强、污染少、不会产生工件表面光亮、生产效率高、成本低、可进行盲孔氢脆，还可等温淬火等优点，目前成为热处理的重或小孔渗碳等优点，但工件表面碳黑多、尖角过渗要分支。

等问题突出，应予防止。

氮基气氛保护热处理可以采用箱式多用途炉、我们采用国产双室真空渗碳炉进行了不锈钢底装料立式多用途炉，也可采用井式多用炉。氮基真空渗碳研究，圆满解决了不锈钢由于存在钝化膜气氛保护热处理可以满足脱碳层≤０．０７５ｍｍ的要

而不易进行渗碳和渗碳温度过高的问题。采用丙烷求。

作渗碳剂、氮气作载气，合理控制两种气体混合比氮基保护热处理气氛炉气中主要是氮气，含氢例及流量压力，有效控制了真空渗碳过程中碳黑的在６％左右。由于氮基氧气保护淬火时炉气中氢含产生及其影响。已成功用于航空工业生产。

量较低，对钢件不会产生增氢。淬火试样氢含量比目前真空渗碳应用遇到的主要问题是如何解原材料有所下降，但仍有氢脆危险，只要及时回火决从传统的气体渗碳工艺向真空渗碳工艺的转化，即可避免氢脆危险，不必增加专门除氢处理工艺。

研究适应真空渗碳一高压气淬的高淬透性新钢种。

对３Ｃｒ２Ｗ８Ｖ模具钢和１Ｃｒｌ８Ｎｉ９Ｔｉ不锈钢进行３．１．４真空磁场热处理

氮基气氛保护淬火试验，结果表明，１１００℃以上加磁场热处理可以提高磁性材料的电磁性能，也热时，碳势控制不稳。因此氮基气氛热处理使用温可以提高结构材料的力学性能。真空磁场热处理把度应控制在１０５０℃以下为宜。真空热处理技术与电磁场技术结合起来，形成真空３．２．２可控渗碳

热处理的又一个分支。

（１）碳势控制的精确度在保证炉温均匀性和

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温度精确控制前提下，采用碳势传感器和ＰＬＣ式碳控仪进行碳势控制。但在滴注式气氛和直生式氧气条件下，还需要用红外仪对ＣＨ。和ＣＯ进行控制。可控渗碳采取的控制方案主要有氧探头控制、红外仪控制、电阻探头控制等。常用的是氧探头控制，从单一参数控制逐渐发展到氧势—ｃｏ～温度三参数控制，碳势控制精度±（Ｏ．０２５－０．０５）％Ｃ。

（２）底装料立式多用炉

底装料立式多用炉具有如下特点：

①炉子子快，炉内气氛可迅速转换，该设备从室温（冷炉状态）升至９００＂Ｃ渗碳温度的总计时间仅需１．５ｈ，从炉内某一种气氛转换为另一种气氛在几分钟内即可完成。并且通过其时钟设定功能，还可以预先设定时间，到时设备将自动启动并开始升温，从而大大提高了工作效率。可以实现薄渗层和表面碳势（或硬度）同时要求的渗碳或碳氮共渗。

②配置灵活多样，冷却部分可配油槽、水槽、等温槽和加压气冷室，可以实现油淬、水淬、有机淬火介质淬火、等温淬火、加压气淬等多种工艺。

底装料立式多用炉生产线可根据需要配置回火炉、清洗机、传动机构，适应不同生产批量。

ＳＯＬＯ多用炉解决了Ｏ．０５－０．１０ｍｍ超浅层碳氮共渗零件热处理质量长期不稳定问题，某型号航空产品中有两项操纵杆类零件，其材料为ＺＧ３５ＣｒＭｎＳｉ，要求碳氮共渗层深度０．０５－０．１０ｒａｍ，要求渗层表面硬度６８８～７６６ＨＶ。原使用普通井式渗碳炉进行碳氮共渗，存在的主要问题是：零件经碳氮共渗并机加工后，在最终盐浴淬火时常出现渗层表面硬度不均匀的现象，严重地影响了产品质量。经分析，碳氮共渗时零件渗层及渗层表面碳浓度不均匀是产生上述问题的实际原因。ＳＯＬＯ多用炉热处理多炉零件，其检测结果为：渗层深度Ｏ．０８ｍｍ（用金相法测全深）；经最终淬火后表层表面硬度全部符合６８８～７６６ＨＶ。３．２．３可控渗氮

提高渗氮控制精度，改善渗氮层质量和稳定性是当前化学热处理另一个重要方向。精密渗氮基本要求是炉子有良好密封，保证炉内正压，炉温均匀性±３℃～±５℃，气氛均匀达到渗氮层偏差≤０．０５～０．１ｍｍ，渗氮层组织在１～４级，波动范围２～３

渗氮炉最新进展：①采用氨高温裂解作为载气，有助于炉内氮势精确调整，又可以在少量］：件渗氮时，不用填加陪衬料情况下实现可控渗氮。②实现氮势精确控制，通过传感器、精密流量阀和氮控仪实现闭路控制。③渗氮数据库和专家系统，可制定渗氮工艺和仿真控制。④去除不锈钢钝化膜的专利技术，较好解决了不锈钢渗氮工艺。３．３高能束热处理

近几年发展起来的高能束热处理，在减少变形、获得特殊组织性能和表面状态方面显示了巨大优越性和潜力。有发展前途的高能束热处理有激光热处理和表面合金化、电子束局部热处理、离子注入表面改性，它们可以大大提高材料和零件的耐磨性、抗蚀性、抗咬合性等。在轴承、封严环等高精度、易磨损零件生产中有广泛的应用前景。

（１）激光热处理

经激光相变硬化处理的工件可以在保持良好塑性的前提下，提高室温和高温拉伸强度、回火抗力、持久寿命、蠕变抗力、抗应力腐蚀性能、抗疲

劳Ｉ生能以及耐磨性能等。我们研究了不锈钢激光热

处理工艺和应用，取得明显效果。

（２）离子注入

离子注入在不影响零件表面状态情况下，明显提高表面硬度和耐磨性，降低摩擦系数，成功用于柱塞液压泵，提高了使用寿命。３．４新型冷却介质

加热和冷却是热处理的两个基本组成部分，热处理基本原理就是通过加热和冷却来改变材料的组织性能。目前国内外不但发展了一系列适合各种热处理冷却要求的油类冷却介质，而且广泛使用有机淬火介质，对减少热处理变形和减少环境污染有重大作用。

研究推广有机淬火介质在铝合金热处理应用，我们对美国联碳公司ＵｃｏｎＡ型和德国德润宝公司

Ａｑｕａｔｅｓｉｄ

ＢＷ型淬火介质进行了应用研究，并已

成功在航空工业中应用。

原采用水淬出现严重畸变的铝合金锻件、蒙皮、型材，采用了ＵｃｏｎＡ水溶液淬火后几乎无畸变或少量畸变，校正：［作量减轻了至少５０％，极大地节省校正工时。成功用于生产。３．５计算机网络

计算机的迅速发展和应用，不但可以用于热处理控制和计算机模拟，把网络技术应用于热处理，

级，白亮层≤０．０１ｍｍ，氨分解率波动±１札１．５％。

一种方案是采用氢分析仪（或氨分析仪）控制，另一种是采用氢探头控制。

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发展热处理车间的网络监控系统。集散型智能温度监控系统包括自动记录仪、智能控温仪、执行元件、电源主回路、二次保护回路、工控机、打印机及智能仪表监控系统软件等。集中控制计算机可以实时了解各设备运行情况，可以设置工艺参数、状态控制、数据查询、数据拷贝等功能。

下一步再把热处理车间管理网络起来，可以实现热处理车间计算机化。

有利于推广使用有机淬火介质，减少热处理畸变，提高生产效率。空气循环电炉的关键技术是如何保证炉温均匀性（±３℃～±５℃），特别是大尺寸的炉子要求，如何满足较低温度（１００～１５０℃）的炉温均匀性要求。第二个关键技术如何保证快的淬火转移时间，并且可以根据零件不同要求很方便调整和

控制。

４．３减少氧化脱碳技术应用

航空工业有不少零件是在热处理后（调质等）加工成零件，即毛坯热处理，所以仍然使用普通电阻炉，要提高这一部分热处理生产水平，除了对普通电阻炉节能和炉温均匀性改造之外，还要减少热处理时的氧化脱碳，防止氧化脱碳不良表面状态对最终产品带来不利影响。４．４以燃气炉代替电阻炉

我国热处理加热炉大多用电，气氛炉也不例外。电炉操作维护方便是其优点。但从能源利用率上看是不划算的。电阻加热效率可高达８０％，但是电是二次能源，考虑到发电效率和输变电损失，综合加热效率只能到２４～２８％。用油、气等一次能源，加之废热的充分利用可以轻而易举地使热效率达到６５％。我国天然气资源丰富，因地制宜地开发和使用燃料炉代替电阻炉。

４传统电阻设备技术改造

４．１普通电阻炉节能和炉温均匀性改造

为了使热处理检验具有代表性，能真实反映本炉批质量情况，保证零件热处理质量全部合格，对热处理炉提出炉温均匀性、记录和控制仪表精度要求是非常合理的。因为只有这样才能使热处理工艺完全被遵守，确保热处理质量。

为了满足热处理全面质量控制和节能要求，对普通电阻炉要进行技术改造，主要内容包括节能改造、炉门密封改造及温度控制系统改造。

（１）节能改造

采用复合炉衬或全纤维炉衬。炉底考虑到强度要求高，采取粘土砖＋轻质耐火砖结构。电加热带采用电阻带或者普通螺旋状电阻丝，其内侧涂红外发射涂料。

（２）炉门密封改造

改进炉门密封是提高炉温均匀性的重要途径。通常的重力压紧对炉门密封性不足，改进炉门压紧措施可以采用四连杆结构、凸轮结构，或专利自动压紧机构等。

（３）温度控制系统改造

热处理炉温度控制系统采用双联控温系统或三联控制系统。为此要求热处理炉应具备插两支热电偶的测温孔，也可采用一管双偶或一管三偶方式。热处理炉还要考虑炉温均匀性检测孔，测试炉温均匀性时能方便测试，正常工作时还应封闭，保持炉体完整性和炉子其他性能。

４．２铝合金热处理以空气循环电炉代替硝盐炉

航空：工：业中使用大量铝合金传统热处理采用硝盐炉加热，存在环境污染严重、能源消耗和浪费较大。空气循环电炉具有启动快、节能效果好；淬火转移时间快并可调，满足不同铝合金零件的要求；没有环境污染，可放在铝合金零件生产线上；空气循环电炉加热后因溶淬火对冷却介质无污染，

５标准化和国内外一体化

５．１航空热处理标准

航空热处理历来很重要和严谨，航空热处理标准是技术法规。自上个世纪七八十年代以来，航空热处理行业标准吸收借鉴了国外先进的航空热处理标准的技术内容，在标准的技术水平和完整性方面有了很大的提高。目前，航空热处理标准已形成了相对完整、科学的标准体系，主要分为热处理基础标准、热处理质量控制和检验、材料热处理、表面化学热处理、特种热处理和热处理工艺材料六大类共５０余项标准。这些标准不但在航空工业批生产型号中广泛应用，而且在航空新型武器装备重点型号研制中也被采用。航空热处理标准是航空：［业批生产和新机型研制的重要技术基础，指导工厂编制热处理生产说明书、热处理：［艺规程、热处理操作规程、热处理质量检验规程等技术文件；同时也是航空：］：厂对热处理车间、生产线、设备进行技术改造和建设以及进行规划设计的重要技术依据。此外航空热处理标准也是航空ｊＩ：业发展国际合作的

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重要技术支持，是转包生产、合作开发新型号中热处理技术文件编制的重要参考。５．２国内外一体化

国内外一体化，就是实现国内产品热处理与国际合作中各厂家产品均采用相同条件、相同设备及相同工艺文件进行生产和质量控制，实现真正意义上的与国际接轨。

首先是企业通过ＩＳ０９０００系列标准认证，建立完整有效的质量保证体系，产品按ＩＳ０９０００系列标准生产和管理。其次在设备和各种条件上达到一定水平，满足国际合作生产的各项要求。还要在技术上研究国内外的差异及解决办法，然后建立一整套被国内外接受的技术文件，用于指导生产。

以西安飞机工业公司铝合金热处理国内外一体化为例：（１）铝合金热处理采用导电率测量代替硬度检验来检查热处理质量和热处理状态，并制订了“铝合金导电率和硬度验收标准”航空：［业标准。铝合金硬度与强度对应关系不好，同一硬度值可以是不同热处理状态，仅仅采用硬度检验难于保证热处理质量，所以国外铝合金热处理大都规定采用导电率测定检查热处理状态和热处理质量。但国内没有国产材料导电率数据，为此，通过大量试验建立

了国产铝合金导电率数据及相关航标。（２）对热处理炉提出更高要求，每个工作区配置４支热电偶，其中２支放在炉温均匀性测得的最高点和最低点，另２支分别与控温和记录仪表相连，如果其中任何１支热电偶超温都可切断电源。（３）工艺参数一体化，制定符合国际通用规范的工艺说明书等技术文件，包括“变形铝合金的热处理”、“变形铝合金热处理装置通用规范”、“铝合金显微组织检验”、“变形铝合金热处理生产过程中炉（槽）温度控制”、“铝合金零件热处理质量控制”、“变形铝合金热处理制造大纲”等。６

结束语

航空热处理近年有较大发展，吸收国外先进技

术和管理模式，加快技术改造，采用发展热处理新技术和改造传统热处理设备相结合方式，注重新技术、新工艺的应用研究，探索适合我国航空热处理发展的道路，从单台设备改造开始，到建设生产线，直至新建厂房全面改造。航空热处理发展水平不平衡，某些方面还很落后，今后发展的任务还很艰巨，希望热处理同行互相支持，共同努力，共创中国热

处理美好的未来。

参考文献

［１］

王广生．热处理全面质量控制和技术改造［Ｊ］．金属热处理，２００１（９）：１７～２２．

［２］王广生，张善庆．热处理新技术的应用研究［Ｊ］．热处理，２００５年（１）：１～７．

［３］王广生，张善庆．航空热处理特点和发展［Ｊ］．航空材料学报增刊，２００３（２３）：２５０～２５５

［４］

王广生，李彤．热处理改造新技术［Ｊ］．机械工人一热加工，２００２（４）：５～８．

［５］热处理工艺质量控制［Ｓ］．中华人民共和国航空工业标准：ＨＢ５３５４—９４．

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航空热处理技术

作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：王广生， WANG Guang-sheng北京航空材料研究院,北京,100095金属热处理HEAT TREATMENT OF METALS2005,30(z1)

参考文献(5条)

1. 王广生;张善庆 热处理新技术的应用研究[期刊论文]-热处理 2005(01)

2. 王广生 热处理全面质量控制和技术改造[期刊论文]-金属热处理 2001(09)

3. 中华人民共和国航空工业标准:HB 5354-1994.热处理工艺质量控制

4. 王广生;李彤 热处理改造新技术 2002(04)

5. 王广生;张善庆 航空热处理特点和发展[期刊论文]-航空材料学报 2003(23)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsrcl2005z1003.aspx