热处理的质量控制系统

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　　一、技术概述

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　　制造全过程质量控制技术是一种既包括生产技术，又包括生产质量管理的系统工程。实现制造全过程的质量控制其内涵包括两个方面。一是要保证优化工艺，提高产品质量，二是要保证稳定不变的工艺条件，得到分散度极小的均一产品质量。从表1中可看出机械制造过程质量控制技术所包涵的要素及其相互关系。制造全过程质量控制不仅要靠生产过程的自动化、工艺参数的在线控制、生产工艺参数对工艺效果的模拟优化来实现，而且还必须尽可能控制过程的智能化，这是当前质量控制技术发展的主要方向。

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　　二、现状及国内外发展趋势

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　　1.国内外现状

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　　随着计算机技术的提高和普及，智能控制技术迅猛发展，为成形与改性生产技术的质量控制的实际应用打下了基础。目前各工业国家都相继建立了专门的科研机构，成立了相应的学术团体，出版了有关的刊物和专著。以热处理生产的智能控制为例，我国上海交通大学近二十年来在热处理计算机模拟与智能化理论和实践方面取得了瞩目成就，国家机械工业局北京机电研究所已建立的数据库和专家决策系统以及当前开展的材料热处理组织和性能模拟技术的研究开发亦获得了明显成绩。1995年，国际热处理与表面工程联合会(IFHT)增设了热处理智能化技术委员会，我国上海交通大学潘建生教授担任首任主席。

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　　热处理工艺数据库和专家决策系统的建立，为实现热处理质量控制创造了条件。早在七十年代初，美国金属学会(ASM)、英国的沃尔夫逊热处理中心(Wolfson Heat Treatment Center)以及原南斯拉夫(现克罗地亚)都相继建立了材料与热处理数据库，做到了可以根据机件热处理后力学性能要求进行计算机辅助选材，或已知材料和热处理工艺预见最后的组织和性能。随后欧美、日本等先进工业国家开发出用计算机对各种热处理工艺过程的控制技术，开展了计算机控制下的工艺参数数模控制技术研究，并在生产中获得了应用。目前国际知名厂家的许多连续式和周期式热处理生产线都采取了用可编程控制器(Programable Controller)或微处理机的单控或群控，使整个生产工艺过程、炉气碳势、氮势以及其浓度沿深度的分布规律都能实现按预定的要求严格控制。我国的科研院所、大专院校、汽车行业的一些大厂在消化吸收引进技术和自行开发的基础上已基本掌握了这些先进技术。当前，在热处理界已开创了一个广泛利用计算机实现质量控制的新时代。

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　　2.发展趋势

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　　质量控制技术发展的前沿突出表现在以下四个方面：

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　　(1)质量在线控制技术

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　　热处理质量的在线控制技术中温度、时间和炉气成分是最基本的控制参数。在温度控制方面，国内外已广泛采用可控硅控温技术，结合PID仪表可使热过程温度控制在相当精确范围。对于大型零件和大装炉量的热处理和锻造加热过程，在整炉工件的真空加热中目前已采用专用仪表、可编程控制器、微处理机等实现按工艺要求规定温度变化规律(加热速度、保温台阶、保温时间、随炉冷速、气冷冷速等)施行加热和冷却，并可在工艺过程的自始至终实现时温度的跟踪。在炉气控制方面，从传感器角度在国内外都经历了一个露点法——红外仪——氧探头的发展过程。目前在吸热式气氛、氮基合成气氛和滴注式气氛中渗碳，利用氧探头作传感器，在严格控制炉温和炉气良好笔循环的前提下可以使炉气碳势(钢表面含碳量)达到±0.05～0.02%的精度。利用微处理机对温度、炉气碳势、强渗与扩散时间的精确控制，现在国内外都可以实现表面碳含量、渗层深度、渗层碳浓度梯度按一定规律分布的质量的在线控制。

　　对于热处理质量的在线控制技术，目前迫切需要考虑的是直生式可近期气氛渗碳时的碳势精确控制、甲醇—氢—丙酮(煤油)合成气氛渗碳时的工件表面碳浓度分布的自适应控制，锻热淬火生产线温度的在线控制，锻模和冲压模磨损量在线监测等。

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　　(2)无损检测与评价技术

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　　对零件质量和内部缺陷进行100%的无损检测是先进制造技术质量控制的发展趋向之一，电、磁、声、光等物理学的进步给无损检测技术以极大的推动，同时由于航空、宇航、核电等工业的高速发展，促使了无损检测技术的飞跃。在无损探伤技术中除了常用的射线、超声波、磁力、电磁感应(涡流)、渗透(荧光、着色)等方法外，近代不断涌现的无损探伤技术有电子透射照相法、高能X射线法、射线层析照相法、光学全息法、超声全息法、红外测试法、微波测试法等。材料和零件性能的无损检测方法中包括有剩磁法、矫顽力法、涡流法、磁噪声法(巴克森效应法)、高次谐波法、超声散射回波法以及声发射法等。

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　　国外十分注重在线无损检测的应用，以检查管材、型材表面和表面层下缺陷的涡流探伤法为例，德国FORSTER研究所已开发出Φ2～30mm管板材涡流自动检测系统，最高检测速度达到4m/s，最大灵敏度30μm。该研究所还开发出旋转式和穿过式探头系列产品，系列化、产业化的技术已相当成熟。国内近20年来引进了包括传统涡流检测系统、远场涡流、渗层涡流、多频涡流、预多频涡流在内的多项技术和设备仪器，不少单位也自行开发了此类技术，但成熟性不高，引进设备使用好的也不多，大多不能在生产线上正常运行。

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　　在无损检测的前沿课题中，生产迫切需要解决的有铁磁性管、棒、丝状材料多维涡流检测方法和设备，感应加热表面淬硬层、渗碳淬硬层深度的无损检测方法和设备，批量生产零件热处理后硬度的在线无损检测方法和设备，厚壁容器焊接过程实时检测缺陷图像处理与显示，大批量生产球墨儿铁零件球比率及基体组织的在线无损检测系统，高分辨力X射线在线无损检测系统等。

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　　(3)统计过程控制(SPC)技术

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　　统计过程控制(SPC)技术是集生产技术与科学管理于一体的现代质量管理技术，在此方向属于前沿技术的有：渗碳淬火SPC质量控制、精密成形(压铸、精锻等)SPC质量控制和热处理畸变的SPC质量控制等。

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　　人类的生产过程对于产品质量的控制经历了以下七个步骤：①调查了解产品最终质量情况；②分析个别明显影响质量的因素；③靠人工调节控制这些因素的变化；④自动控制这些影响因素；⑤用统计方法获得生产效果连续变化的规律；⑥全面调查了解影响质量的其它次要因素；⑦考虑所有因素，建立完整的理论模型用以控制整个生产过程，得到100%的优质合格产品。目前国际上不少工业先进国家的企业已开始试行第七个步骤的SPC生产，据报道SPC技术已在热处理生产中突出地产生了效果。美国FORD公司、DONA公司、英国BLANDBURGH NENO热处理厂都在研究SPC技术用于热处理的质量控制。美国PENNSYLVANIA METALLURGICAL公司在1018钢件碳氮共渗过程中最初有25%工件超过要求深度上限(0.46MM)，有0.83%的工件达不到渗层下限(0.20MM)，通过统计过程分析，改进了工艺，采取了缩短共渗时间、降低炉气碳势、改进料筐、改善炉气循环等措施，最后使超过上限的工件减少到2.9%，低于下限的工件为0.01%。

　　我国成形与改性生产的质量控制过程当前只限于第1～3步骤，个别企业实现了个别影响因素的自动控制，尚谈不到SPC技术的系统研究开发和应用。

　　(4)精密传感技术

　　在机械制造热加工成形和改性技术中使用最普遍的是温度传感器，在温度传感器中当前最突出的是在高温、特种气氛、特别液体中工作的测温元件，如在高温还原性和渗碳性气氛、高温高真空、高温液态金属、熔盐中长期工作的热电偶。其次是高精确度长寿命、可测量炉气微量氧和碳势的氧化锆氧浓差电池(氧探头)，感知材料电磁特性微小变化，从而测出材料性能(硬度、强度、组织缺陷)变化的电磁感应器和显视仪表。还有发射超高频声波、具有高灵敏接收背散射声波能力的探头，感知淬火介质冷却烈度、气液流量、压强、校正施压等精密传感元件。

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　　国际上90年代以硅为基材，采用微机械加工技术制造的各种传感器发展最快，应用微处理器技术的光学和固态传感器也已被广泛应用，传感器和执行器一体化是今后的重点发展方向，尺寸更微型化、价格更便宜和性能更可靠是传感器发展的主要趋势。

　　80年代以来，我国的敏感元器件及传感器的开发和生产已形成产业，1990年的产值已达7.7亿元，高温热电偶、氧探头、热敏、光敏、气敏、湿敏、气压元件等国内都已掌握制造，有产品供应。但这些国产传感器的灵敏度一般比较低，尤其是可靠性差，使用寿命低，某些传感器规格不全，不能满足生产需要，和先进工业国家比较尚有10～20年的差距。

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　　三、“十五”目标及主要研究内容

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　　1.目标

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　　(1)以优质、高效、节能、无污染、高可靠性为出发点，掌握成形与改性加工的在线质量控制技术；在批量生产条件下尽可能推广使用各种在线质量控制技术；在汽车、拖拉机、工程机械、紧固件、量刃具等行业初步实现成形与改性加工的在线质量控制生产。

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　　(2)围绕宇航、航空、核电等重大产品研制与生产的需要，掌握高精度、高灵敏度、快速反应的缺陷和质量的无损检测方法，开发成功铁磁材料在线涡流检测系统并用于钢丝、管棒材的连续检测；掌握热处理淬硬层深度和硬度的在线无损检测系统。

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　　(3)在完善生产管理、充分各累质量管理数据的基础上，掌握统计过程质量控制(SPC)技术，并首先在汽车、拖拉机、标准件等有批量生产的行业推广应用。

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　　(4)以成形与改性质量控制技术应用的传感器的质量、品种、可靠性和使用寿命为出发点，研究开发出真空和还原性气体介质中耐用的高温热电偶和热电偶保护材料、1100℃以上高温测量用的辐射高温计热敏、光敏元件、在1000～1100℃和760℃以下使用的长寿命氧探头(ZO浓差电池)、超高频高灵敏度超声波探头、淬火介质冷却能力测定的高性能探头、热处理裂纹在线监控的电磁涡流传感器等。

　　2.主要研究内容

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　　(1)锻热淬火生产线温度的在线智能控制技术。解决快速均匀加热方法和不用均热炉保持工件锻后淬火前温度的均匀性问题。在锻压成形过程中推广使用高效、无污染、少氧化的感应加热方法，通过对感应电源功率和加热时间的智能控制，使工件锻造加热温度和锻后淬火温度严格保持在规定范围内。

　　(2)锻压模具和冲压模具磨损量的在线检测技术。研究采用光学多向投影技术在线测量锻压模具和冲压模具的磨损具，达到及时报警、提醒操作者更换新模具，以保证锻件和冲压件的质量和尺寸精度。

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　　(3)直生式气氛渗碳的碳势在线精确控制技术。在煤油加空气滴注式渗碳基础上，研究开发出一套可精确控制炉内气氛的系统，实现在多用炉中的炉气碳势在线监控。

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　　(4)在合成气氛中渗碳时的渗层和渗层碳浓度分布在自适应控制技术。研究利用计算机在线控制强渗期和扩散期的碳势，自动施行强渗到扩散的转换，自动控制表面至含碳量0.4%处的深度，并在渗层深度40%处的含碳量只比表面含碳量低0.1%，实现所谓的碳浓度分布轮廓三点控制。

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　　(5)铁磁性管、棒、丝型材料和零部件缺陷快速检测方法及设备。可对我缝钢管、焊管、细棒、弹簧丝等铁磁性管、棒、丝型材和零部件缺陷进行快速准确检测，检测速度0.5～4m/s，旋转探头转速3000～6000rpm，检测深度≥30μm，检测精度为最小缺陷深度30μm，检测频率在1kHz～3MHz范围内可调。可检测Φ5～25mm管棒丝材。

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　　(6)钢件热处理后的硬度在线无损检测方法和设备。开发对常用碳钢(如45钢)和合金钢(如40Cr钢)零件可准确测定硬度的无损检测方法，研制相应的仪器和记录分选机构，用于柴油机连杆、轴承套圈、滚柱等零件的在线连续检测。

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　　(7)表面淬硬层深度无损检测方法及设备。通过对超声背散身材技术的研究，研制移动式可无损测定轧辊及轴类件热处理淬硬层的装置，适用于批量生产100%的快速检测，淬硬层测定范围2～20mm，测量时间≤2s，测量精度±0.2mm。

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　　(8)智能型高分辩率在线自动无损检测系统。研制开发智能型高分辩率X射线在线自动检测系统，用以连续检测国产压力容器焊缝。包括研制高分辩率实时图像采信系统，设计和完成预处理及特征提取光学系统，研究常见缺陷特征，设计学习矩阵和联想存贮器，对关键零件进行智能检测并评价缺陷影响。主要技术参数：灵敏度1.5%；分辨率Φ0.1mm(钢丝)；清晰度为水平≥500线、垂直≥450线；误判漏判率0%；工作节拍2min/件。

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　　(9)激光表面合金化时表面裂纹的在线检测方法和仪器。研究开发灵敏可靠的表面裂纹检测方法和仪器设备，实现激光表面合金化的在线质量监控过程。

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　　(10)国家重点工程和重大装备发展所需的检测设备的开发研制。包括高速路轨探伤车、核电站反应堆压力容器在役自动超声检测系统、核电站蒸发器管道在役涡流自动检测系统、厚壁容器焊接过程实时检测缺陷图像处理与显示系统、地中心孔电站转子相控阵超声检测断面显示技术和设备。

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　　(11)统计过程控制(SPC)技术。重点包括渗碳淬火SPC质量控制技术、热处理变形SPC质量控制技术、精密成形SPC质量控制技术。依据数据库按照质量要求优选出各种工艺因素和生产条件并采用计算机模拟和控制，实现在线的SPC控制。

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　　(12)精密传感技术。研究开发的主要内容包括：提高氧探头测量精度和延长使用寿命；真空、高碳势气氛中高温检测温度传感器；超高频高灵敏度超志波探头；渗氮时的氮势传感器；淬火介质冷却烈度适时检测传感器；提高氧探头对碳黑的抵抗能力和在760℃以下工作的可能性。 【MechNet】

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