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热处理与数字化

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热处理专家组

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发表于 2023-4-28 11:25:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 Wangqinghua196 于 2023-5-20 08:52 编辑

无锡热处理协会、无锡市机械工程学会材料热处理分会成立了无锡市热处理行业专家委员会。这是专家组首次视频直播的稿件(未经审核)

热处理与数字化(或者说是数据化)

汪庆华
视频号内容简介
       简要介绍使用数据或者说数字来实现当今热处理生产,摈弃传统模糊性、凭借经验来完成热处理工作的方法,从粗放型热处理过渡到精确型热处理。

    当今热处理数值模拟技术取得了很大的进步,但是,要想在一般性的工厂实现热处理工艺数值模拟的精确计算,还是一件很难做到的事情。

    既然这样,我为什么还要说“热处理与数字化(或者说是数据化)”这个话题。热处理数据化其实包括三个方面:管理数据化、生产过程数据化、商务业务数据化。

    我在这里所说的数据化,或者说数字化,主要是热处理生产过程中工艺参数的数据化,不是大家理解的“无人工厂”、“机械人”,而是指:对热处理工厂习惯采用的模糊经验生产过程进行数据化改造、对工艺流程进行数据化控制,改变热处理人员不善于使用数据来编制热处理工艺过程、流程参数的现状。改造分散、独立的设备结构,使其达到集成化、智能化、精确化的热处理设备配置。从而实现工艺参数的可重复、可复制性,从粗放型热处理转变到精密型热处理。

    纵观当代热处理技术的发展历程,我们可以了解到:从1868年到上世纪20年代,是世界现代热处理技术的建立的初期阶段,主要是从炮管的制造、汽车零件的制造、机械零件的制造开始的,热处理的主要工艺是调质,在这一技术探索期间发现了钢的组织转变临界温度点数据(铁碳相图)、湛透性规律;钢的这些规律为工艺技术的发展打开了大门,是热处理工艺技术的永恒主题

    上世纪30年代到80年代,在完善热处理相变理论的同时,湛透性端湛曲线的建立、过冷奥氏体冷却转变曲线的建立,为追寻热处理工艺参数的数据化做了基础准备工作,打下了数据化的理论基础。

   上世纪80年代之后的精密热处理的发展阶段。

   当代热处理技术的发展历程大致经历这三个明显的时期。

   我国从上世纪80年代之后,就开始计算机和微电子模拟技术研究应用了。由于历史原因,我国在80年代之前,错过了热处理数字化的探索、应用、普及阶段,之后紧接着就是进入到了计算机时代,由于在热处理技术方面计算机的应用不如在其他制造加工行业的发展迅速,导致很多热处理企业目前还是处在模糊生产阶段。今天提到的热处理数字化在很大程度上是借助于计算机技术加上人们知识的更新来补齐我国在80年代之前错过的热处理数字化探索、应用的内容。

    为什么要说这个话题?

    第一,我们处于数字化、或者说信息化时代,但是,我们传统的热处理行业如何面对?

    一提起数据化,大家可能就会往很复杂的方面去想,认为是很高大的事情,什么无人工厂?什么机械人?等等。可能会想到,工作中的不需要人来执行任务,完全由计算机或者机械人来完成工作?这些想法目前来说还是不现实的。

    第二,是不是热处理行业的数据化工作就没有办法进行了?

    完全不是。大家可能认为热处理行业的数据化这是不可能的事情,认为热处理是依靠人的经验,依靠一个人的几十年的工作经验积累来工作。或者就是很多人梦想的依靠高端热处理设备,代替人的工作。这种思路是否可行?严格说:这一种期望或“奢望”,而不是现实可以实现的东西,只有人的技能增加,才能驾驭先进的设备,指望设备来指导人,也是不能达到满意的结果。但我们必须端正一个认识,无人作业决不意味着无人监控。当然,实现这一“奢望”也必须有充足的技术、管理和人才素质上的保证。

    第三,是提高产品质量、增加竞争力的需要。

    一、如何做好热处理的数据化工作?

    热处理进行数据化的方法,在我国热处理工厂没有引起足够的重视,即使受过良好热处理教育的工人、技术人员、管理干部,遇到具体的热处理问题也都凭借主观判断,没有利用数字(数据)分析、工作的习惯。

    目前,大家最长用的计算就是热处理加热(奥氏体化)时间的计算,关于其他参数的计算几乎是一个空白,完全凭借临场操作人员随意性地自我发挥完成热处理操作,产品质量的重复性差,这是妨碍实际热处理发展的真正原因。……,而不是大家习惯性想到的“完全依靠计算机的发展来控制热处理生产过程”。

    完全依靠计算机的发展来控制热处理,还有一个漫长的路途,且实用性也不一定理想。但是传统的技术资料,或者认为过时的不精确的热处理经验积累倒是能很好地解决实际问题。

    这里提到的理论基础是指热处理的数据方面的图、表以及理论数据,而不是专门指热处理加热、冷却的组织转变的理论基础。

    必须要强调的是,目前热处理资料中的图、表、曲线,完全能够提供我们热处理技术进行数据化的需要。

    1.  首先搞清楚几个模糊概念

    我们的热处理加热冷却的组织转变的理论是建立在从碳钢研究开始的基础之上的,所以,当今大量使用合金材料的时代,不能完全依照传统理论来进行,例如:13%Cr马氏体不锈钢的湛火、回火,其回火就应该进行两次,而不是进行一次回火。渗碳件平衡组织的问题,例如渗碳件的渗碳之后的缓冷问题,合金钢缓冷很难达到平衡组织,大多是伪平衡组织,硬度也较高,不是在30HRC以下等等,有时为了机加工还要增加回火工序。

    数据的理论基础是以圆棒热处理为标准的,热处理工艺资料中的数据应该是针对圆棒的尺寸的,例如,热处理的加热系数等数据,但是,现实的零件、工件形状千奇百怪,各种形状尺寸的组合,这就要用到等效尺寸(等效截面)的概念。

    油湛钢不一定采用油湛;水湛钢肯定采用水湛。

    表面脱碳不一定氧化;但是,表面氧化一定脱碳。

    硬度达到了要求,不一定是一个合格的产品。这一点在调质钢、具有二次硬化的钢热处理中最容易出现。

    硬度没有达到要求,不一定就不能满足使用要求。这一点在热锻模具钢制造的模具中尤为明显。

    2.  钢材临界温度转变点的数据

    钢铁工件看起来好像是冰冷的、没有生命的,其实不是那么回事,它的钢材牌号就和我们的身份证一样,证明了它的属性,显示了它的组织转变的临界点温度。它的外观、形状尺寸,技术要求,告诉了我们它的性格特点,让我们知道在进行热处理时候如何操作。

    钢材的临界点温度,这个知识点,在现有的商业工厂中热处理人员中,知道的人很少、懂得人就更少,曾经遇到我对一个助理工程师提问:热处理冷处理的工艺怎么制定,制定的依据是什么?几天没有给不出答案。

    在具体的热处理工艺编制、实施之前,一定要知道钢材的临界转变点,好确定热处理的加热、冷却、工序转移的时间段,或者说时间点。否则,就是,模糊性操作,不便于过程控制。

           注释 :铁碳相图中各相区的边界温度通常被称为临界温度。因为临界温度常常明确表示加热和冷却曲线中斜率的改变或热迟滞“转折”,所以,临界温度用字母“A”表示,它来自法语单词arrêt
       它代表了经过相变温度的加热或冷却时的热迟滞温度(the arrest in temperature)。字母“A”后面跟着或者是字母“c” 或者是字母“r”,分别表示加热或者冷却。如果是平衡状态,使用Ae1Ae3,
       Aecm,或简单地采用A1,A3,和Acm。如果是加热状态(临界温度相对于平衡状态而升高),使用Ac1、Ac2和Accm,下标“c”源自法语单词chauffant(加热)首字母,意思是加热。如果是冷却状态(相对平
       衡状态临界温度降低),使用Ar1、Ar3和Arcm,下标“r”来源于法语单词refroidissant(冷却)首字母。相变温度滞后是因为连续加热和冷却时没有留下足够的时间来完成真正平衡温度下的受扩散控制的相变。

    3.  工件有效尺寸

    热处理工厂遇到的热处理工件形状是多样性的,前面说到,我们现有的热处理工艺参数设计数据都是以圆棒为基础的,所以,工件的各种形状需要换算成等效成圆棒的尺寸,或者说换算成有效尺寸(也就是无限长圆棒尺寸),这样就可以把复杂的问题变为简单的通用问题。

    对于形状简单的圆棒,来进行热处理时候,工艺参数就容易编制。操作控制就简单。

    有效尺寸可以通过组成的形状尺寸,计算出等效直径;对于相对复杂的形状,难以计算出来有效尺寸的时候,可以采用加热油冷、或者水冷的时间反推有效尺寸。(逆向工程)

    对于散装料筐,也可以采用加热油冷、或者水冷的时间反推有效尺寸。(逆向工程)

    4.  学会使用图、表、曲线

    图、表、曲线是工程上最简洁、最直观、最准确的语言表达方式。热处理资料中,现有传统的、典型的图、表、曲线是具有十分重要的作用的,就目前的热处理技术来说,这些传统的图表曲线,就已经足够大家在工作中使用了,只是大家不注意收集、不注意使用、不注意去到实践中验证其真实是价值,所以,就不知道日常热处理工作的数据现成都有的,只是不知道去使用、不会去使用。

    必须找到适用于自己工作的这类图标曲线,掌握其实用价值,在热处理设计参数的时候,就有数据可以依照。

    热处理工艺采用的试错法编制,但是,也可以采用这些图表数据,就是工艺预测,验证修正,减少实验次数。这里顺便提到,试验中,我们应该采用“优选法”,也就是黄金分割法,0.618这个数据。这个方法在热处理工艺实践中同样适用。

    前面说过,湛透性曲线是热处理永恒的主题,在具体的热处理工艺编制、实施之前,一定要使用湛透性曲线,再结合湛火烈度H值,预测钢的湛火湛透层深度。

    热处理行业有一个奇怪形象,越说哪个概念重要,越不知道这个概念在实践中怎么使用。

    说湛透性很重要,但是,在实际中怎么使用?很少人去考虑,甚至不知道钢的这个固有特性。

    说铁碳相图很重要,但是在实际中怎么使用?很少人去做。其实,CCT曲线,TTT曲线、TTA曲线比铁碳相图更重要。

    我也遇到过这样的疑问:图表的数据是否准确、是否真实、是否适用?这是由于我们习惯于使用精确数据,而不习惯于带公差的工程数据的缘故。习惯于1+1=2,而不习惯于1±公差+1=2±公差(1.0+1.0=2.0)的数字习惯。

    在多年的生产试验、验证过程当中,图、表的数据在预测热处理工艺参数方面是准确的,毋庸置疑!只是在使用的时候,遇到不同使用前提的问题。例如,湛透性曲线的使用,标准的曲线是在湛冷强度H=1的条件下,但是遇到湛冷强度H不等于1的时候怎么办?

    说到传统图、表曲线的问题,这里需要说明的是:湛透性曲线(湛透性数据表),最原始的曲线是使用十进制方格纸制作的,使用起来十分方便、准确;转变曲线(CCT过冷奥氏体连续冷却转变曲线、TTT过冷奥氏体等温转变曲线、TTA奥氏体加热曲线)、圆棒直径与各种介质的冷却曲线,是使用半对数坐标,这些原始曲线就是供热处理生产过程中使用数据化来预测操作时间、温度的。

    可能大家不知道,我们现在使用的工艺曲线示意图的横坐标也是使用对数坐标的。什么时候变成十进制方格纸坐标了,没有考证。

    5.  热处理过程参数的获得与控制

    从事热处理的人员,都应该熟悉CQI-9 热处理特殊过程评审,这个指导性文件,它虽然是汽车集团热处理的评审标准,但是,同样适用于其他热处理过程控制。

    热处理的过程是加热、冷却。对工件而言,热处理参数就是温度、时间、电参数等数据。对于冷却介质而言,就是介质的温度、搅拌强度、介质浓度等数据。

    热处理过程参数可以使用热处理工件的有效尺寸、转变点,以及各种热处理图、表、曲线来计算得到。

    调质件常用的图表:湛透性曲线、湛火烈度H表,拉蒙特曲线。>¢200mm,大件需要借助于CCT曲线。渗碳件使用渗碳速度、深度与温度之间的关系公式获得,也包括调质件所使用的图表。感应湛火使用TTA(连续加热)曲线图,结合湛火硬度值(金相组织)。确定电参数。

    在加热方面,数据控制相对容易些,但是,在冷却方面,就复杂的多,复杂的原因是时间、温度的瞬时性变化很大,还牵涉到工件的形状、形成湛硬组织马氏体的转变点比较低等因素。

    关于冷却时间问题,在热处理工厂还是比较混乱的,混乱的原因就是热处理只追求表面硬度达标,凑硬度。不控制热处理过程,真正优秀热处理是过程控制,而不是单纯的以硬度结果为目标。也就前面提到的:硬度没有达到要求,不一定就不能满足使用要求,相反,硬度达到要求了,不一定是合格品。

    这里需要说明的是:原始的图、表、曲线都是可以直接读出精确数据的。什么时候、什么原因导致很多图、表、曲线都变成示意图或原理图,直接使用起来就困难了,必须对这类图表进行坐标还原。

    6.  热处理中的Cpk

    使用一句话来概括:只要在热处理过程中工件热处理质量不受湛透性影响的情况下,还是可以采用Cpk值来分析热处理工程能力的。(欢迎山华伟老师指导)

    二、数据化能解决热处理人才的培养问题

    在当今这个快速、高效的社会活动中,热处理人才的培养是一个难题,还是按照以前的师傅带徒弟的模式,几乎没有几个人愿意学习热处理,因为,那是一个漫长的学习、观摩的成长过程。这个过程就是观摩热处理操作过程,依葫芦画瓢,模拟整个操作动作而已。

    我遇到很多人,干过几十年的热处理工作,依葫芦画瓢,画的这个瓢,还仍然不像,不知道湛火之后,为什么要检测硬度?认为,我只要回火之后硬度达到了不就可以了吗?

    要热处理的新人通过观摩热处理师傅的操作,来学习热处理,那是十分落后的教育、培训模式。

    其实热处理技术分为两个平行知识部分:①解释现象、分析结果的组织转变理论和②利用图表数据表达热处理工序过程的应用理论两个部分。也可以分为:组织分析、工艺技术、设备三大部分。

    我们现在的培训教育模式偏重于前一种组织转变理论的教育,忽略了把热处理过程以数据作为控制标准,对于一般工厂来说,还是让工人自己通过自己的经验管控实际操作,也就说常说的依靠经验来进行操作生产(当然高端热处理工厂除外,但是,这类工厂所占比例不高),例如,工件在水冷的冷却,是观察工件冷却的现象作为标准,还是以工件水中冷却时间作为冷却标准。当然,以冷却时间作为操作标准易于学习,易于掌握。

    讲解一大堆组织转变的理论知识,让热处理新人自己琢磨热处理实践操作,让他们向师傅学习模糊的经验,年轻人没有这个耐心,但是,他们易于接受的思维模式,就是数据化。要把复杂的热处理理论变成简单的数据形式,复杂问题提简单化,最后,通过公式变成通用方式。

    经常看到网络上招聘广告中写到:招聘热处理师傅。我常常在想,与其这样,还不如聘请专家把自己的热处理产品的工艺过程数据化,流程化。对一线员工进行数字化培训、提高数字素质和技能,教会工人习惯于使用长度测量工具、介质液体浓度检测工具。看一个一般热处理工厂的好、坏,不仅仅看场地是否漂亮、是否有金相实验室。我觉得更重要的是看这个工厂中的热处理工人是否会是使用卡尺等类工具。

    三、热处理设备的数据化控制

    十二年前,我写过《热处理行业的三阶段》短文,文中的“‘数字化’热处理型阶段”主要是指热处理设备的数字化。经过10多年的发展,热处理设备通过数字化的改造条件已经十分成熟,改造成本低廉。通过智能化改造、数据化转换(智改数转)提升设备等级。例如:渗碳渗氮气氛的自动控制,感应设备的加热时间、速度的自动控制,湛火温度、冷却时间的自动控制,智能化仪表的广泛使用等等。让设备功能达到CQI-9的评定标准。

    在设备上精确保证生产条件,如:炉温均匀度、加热和冷却速度的同一性和再现性,使热处理工件性能、畸变等质量的分散度达到趋于一致的程度,真正实现精密生产。

    今天的讲解内容是以一个大纲的方式进行的,每一个方面都是一个专题或多个专题的内容。而且一些观点还会受到质疑,我想使用这样的一句名言来做今天这个题目的结尾吧!——“经历是理解的基础”。

2023年4月27日星期四(转登《热处理之家》)

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发表于 2023-5-4 09:25:23 | 显示全部楼层
国内的热处理智能化系统基本上停留在生产调度,生产管理,质量管理上面,充其量能够对同类产品生产质量结果数据可以统计分析,据此对原始工艺(从系统外获得输出再输入本系统的初始工艺)进行修正。而不能做到象国外模拟计算软件一样能够对新产品给出一个新工艺。
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现在站在什么地方不重要,重要的是你往什么方向移动。
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发表于 2023-5-7 09:43:07 | 显示全部楼层
热处理行业过程控制智能化在推进当中,且效果不错;仅仅针对生产过程数据化而言:从工艺设计、工艺执行到工艺结果均称得上数字化的话还有待时日。
人之心胸,多欲则窄,寡欲则宽。
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