七 加熱缺陷及控制
　(一)、過(guò)熱現(xiàn)象

    我們知道熱處理過(guò)程中加熱過(guò)熱最易導(dǎo)致奧氏體晶粒的粗大，使零件的機(jī)械性能下降。

1.一般過(guò)熱：加熱溫度過(guò)高或在高溫下保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起奧氏體晶粒粗化稱(chēng)為過(guò)熱。粗大的奧氏體晶粒會(huì)導(dǎo)致鋼的強(qiáng)韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，增加淬火時(shí)的變形開(kāi)裂傾向。而導(dǎo)致過(guò)熱的原因是爐溫儀表失控或混料（常為不懂工藝發(fā)生的）。過(guò)熱組織可經(jīng)退火、正火或多次高溫回火后，在正常情況下重新奧氏化使晶粒細(xì)化。


2.斷口遺傳：有過(guò)熱組織的鋼材，重新加熱淬火后，雖能使奧氏體晶粒細(xì)化，但有時(shí)仍出現(xiàn)粗大顆粒狀斷口。產(chǎn)生斷口遺傳的理論爭(zhēng)議較多，一般認(rèn)為曾因加熱溫度過(guò)高而使MnS之類(lèi)的雜物溶入奧氏體并富集于晶界，而冷卻時(shí)這些夾雜{TodayHot}物又會(huì)沿晶界析出，受沖擊時(shí)易沿粗大奧氏體晶界斷裂。


3.粗大組織的遺傳：有粗大馬氏體、貝氏體、魏氏體組織的鋼件重新奧氏化時(shí)，以慢速加熱到常規(guī)的淬火溫度，甚至再低一些，其奧氏體晶粒仍然是粗大的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為組織遺傳性。要消除粗大組織的遺傳性，可采用中間退火或多次高溫回火處理。


(二)、過(guò)燒現(xiàn)象


加熱溫度過(guò)高，不僅引起奧氏體晶粒粗大，而且晶界局部出現(xiàn)氧化或熔化，導(dǎo)致晶界弱化，稱(chēng)為過(guò)燒。鋼過(guò)燒后性能?chē)?yán)重惡化，淬火時(shí)形成龜裂。過(guò)燒組織無(wú)法恢復(fù)，只能報(bào)廢。因此在工作中要避免過(guò)燒的發(fā)生。 


 (三)、脫碳和氧化


鋼在加熱時(shí)，表層的碳與介質(zhì)（或氣氛）中的氧、氫、二氧化碳及水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)，降低了表層碳濃度稱(chēng)為脫碳，脫碳鋼淬火后表面硬度、疲勞強(qiáng)度及耐磨性降低，而且表面形成殘余拉應(yīng)力易形成表面網(wǎng)狀裂紋。  


加熱時(shí)，鋼表層的鐵及合金與元素或介質(zhì)（或氣氛）中的氧、二氧化碳、水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)生成氧化物膜的現(xiàn)象稱(chēng)為氧化。高溫（一般570度以上）工件氧化后尺寸精度和表面光亮度惡化，具有氧化膜的淬透性差的鋼件易出現(xiàn)淬火軟{HotTag}點(diǎn)。


為了防止氧化和減少脫碳的措施有：工件表面涂料，用不銹鋼箔包裝密封加熱、采用鹽浴爐加熱、采用保護(hù)氣氛加熱（如凈化后的惰性氣體、控制爐內(nèi)碳勢(shì)）、火焰燃燒爐（使?fàn)t氣呈還原性）


(四)、氫脆現(xiàn)象


高強(qiáng)度鋼在富氫氣氛中加熱時(shí)出現(xiàn)塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱(chēng)為氫脆。出現(xiàn)氫脆的工件通過(guò)除氫處理（如回火、時(shí)效等）也能消除氫脆，采用真空、低氫氣氛或惰性氣氛加熱可避免氫脆。


八 幾種常見(jiàn)的熱處理概念 


1． 正火：將鋼材或鋼件加熱到臨界點(diǎn)Ac3或Acm以上的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間后在空氣中冷卻，得到珠光體類(lèi)組織的熱處理工藝。


2． 退火annealing：將亞共析鋼工件加熱至Ac3以上30—50度，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻（或埋在砂中或石灰中冷卻）至500度以下在空氣中冷卻的熱處理工藝 


3． 固溶熱處理：將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過(guò)剩相充分溶速冷卻，以得到過(guò)飽和固溶體的熱處理工藝 


4． 時(shí)效：合金經(jīng)固溶熱處理或冷塑性形變后，在室溫放置或稍高于室溫保持時(shí)，其性能隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象。


5． 固溶處理：使合金中各種相充分溶解，強(qiáng)化固溶體并提高韌性及抗蝕性能，消除應(yīng)力與軟化，以便繼續(xù)加工成型 


6． 時(shí)效處理：在強(qiáng)化相析出的溫度加熱并保溫，使強(qiáng)化相沉淀析出，得以硬化，提高強(qiáng)度 


7． 淬火：將鋼奧氏體化后以適當(dāng)?shù)睦鋮s速度冷卻，使工件在橫截面內(nèi)全部或一定的范圍內(nèi)發(fā)解到固溶體中，然后快生馬氏體等不穩(wěn)定組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的熱處理工藝 


8． 回火：將經(jīng)過(guò)淬火的工件加熱到臨界點(diǎn)Ac1以下的適當(dāng)溫度保持一定時(shí)間，隨后用符合要求的方法冷卻，以獲得所需要的組織和性能的熱處理工藝 


9． 鋼的氮化及碳氮共滲 


 (1).鋼的氮化（氣體氮化）


概念：氮化是向鋼的表面層滲入氮原子的過(guò)程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性。


它是利用氨氣在加熱時(shí)分解出活性氮原子，被鋼吸收后在其表面形成氮化層，同時(shí)向心部擴(kuò)散。


氮化通常利用專(zhuān)門(mén)設(shè)備或井式滲碳爐來(lái)進(jìn)行。適用于各種高速傳動(dòng)精密齒輪、機(jī)床主軸（如鏜桿、磨床主軸），高速柴油機(jī)曲軸、閥門(mén)等。


氮化工件工藝路線：鍛造－退火－粗加工－調(diào)質(zhì)－精加工－除應(yīng)力－粗磨－氮化－精磨或研磨。


由于氮化層薄，并且較脆，因此要求有較高強(qiáng)度的心部組織，所以要先進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，獲得回火索氏體，提高心部機(jī)械性能和氮化層質(zhì)量。


鋼在氮化后，不再需要進(jìn)行淬火便具有很高的表面硬度及耐磨性。


氮化處理溫度低，變形很小，它與滲碳、感應(yīng)表面淬火相比，變形小得多 


(2).鋼的碳氮共滲：碳氮共滲是向鋼的表層同時(shí)滲入碳和氮的過(guò)程，習(xí)慣上碳氮共滲又稱(chēng)作氰化。目前以中溫氣體碳氮共滲和低溫氣體氮碳共滲（即氣體軟氮化）應(yīng)用較是廣。中溫氣體碳氮共滲的主要目的是提高鋼的硬度，耐磨性和疲勞強(qiáng)度，低溫氣體碳氮共滲以滲氮為主，其主要目的是提高鋼的耐磨性和抗咬合性。


10.調(diào)質(zhì)處理quenching and tempering：一般習(xí)慣將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理廣泛應(yīng)用于各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類(lèi)等。調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體組織，它的機(jī)械性能均比相同硬度的正火索氏體組織為優(yōu)。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩(wěn)定性和工件截面尺寸有關(guān)，一般在HB200—350之間。 


11． 釬焊：用釬料將兩種工件粘合在一起的熱處理工藝


九 回火的種類(lèi)及應(yīng)用


根據(jù)工件性能要求的不同，按其回火溫度的不同，可將回火分為以下幾種：


（一）低溫回火（150－250℃）


低溫回火所得組織為回火馬氏體。其目的是在保持淬火鋼的高硬度和高耐磨性的前提下，降低其淬火內(nèi)應(yīng)力和脆性，以免使用時(shí)崩裂或過(guò)早損壞。它主要用于各種高碳的切削刃具，量具，冷沖模具，滾動(dòng)軸承以及滲碳件等，回火后硬度一般為HRC58－64。


（二）中溫回火（350－500℃）


中溫回火所得組織為回火屈氏體。其目的是獲得高的屈服強(qiáng)度，彈性極限和較高的韌性。因此，（它主要用于各種彈簧和熱作模具的處理，回火后硬度一般為HRC35－50。


（三）高溫回火（500－650℃）


高溫回火所得組織為回火索氏體。習(xí)慣上將淬火加高溫回火相結(jié)合的熱處理稱(chēng)為調(diào)質(zhì)處理，其目的是獲得強(qiáng)度，硬度和塑性，韌性都較好的綜合機(jī)械性能。因此，廣泛用于汽車(chē)，拖拉機(jī)，機(jī)床等的重要結(jié)構(gòu)零件，如連桿，螺栓，齒輪及軸類(lèi)�；鼗鸷笥捕纫话銥镠B200－330。


十 氣氛與金屬的化學(xué)反應(yīng)


（一）．氣氛與鋼鐵的化學(xué)反應(yīng) 


1. 氧化 


2Fe＋O2→2FeO 


Fe＋H2O→FeO＋H2 


FeC＋CO2→Fe＋2CO 


2. 還原 


FeO＋H2→Fe＋H2O FeO＋CO→Fe＋O2 


3. 滲碳 


2CO→［C］＋CO2 


CH4→［C］＋2H2 


Fe＋［C］→FeC 


4.滲氮 


2NH3→2［N］＋3H2 


Fe＋［N］→FeN


（二）．各種氣氛對(duì)金屬的作用


氮?dú)猓涸凇?000℃時(shí)會(huì)與Cr,CO,Al.Ti反應(yīng)


氫氣：可使銅，鎳，鐵，鎢還原。當(dāng)氫氣中的水含量達(dá)到百分之0.2—0.3時(shí)，會(huì)使鋼脫碳


水：≥800℃時(shí)，使鐵、鋼氧化脫碳，與銅不反應(yīng)


一氧化碳：其還原性與氫氣相似，可使鋼滲碳


（三）． 各類(lèi)氣氛對(duì)電阻組件的影響


鎳鉻絲，鐵鉻鋁：含硫氣氛對(duì)電阻絲有害


十一 鈹青銅的熱處理


鈹青銅是一種用途極廣的沉淀硬化型合金。經(jīng)固溶及時(shí)效處理后，強(qiáng)度可達(dá)1250-1500MPa(1250-1500公斤)。其熱處理特點(diǎn)是：固溶處理后具有良好的塑性，可進(jìn)行冷加工變形。但再進(jìn)行時(shí)效處理后，卻具有極好的彈性極限，同時(shí)硬度、強(qiáng)度也得到提高。


1、鈹青銅的固溶處理


一般固溶處理的加熱溫度在780-820℃之間，對(duì)用作彈性組件的材料，采用760-780℃，主要是防止晶粒粗大影響強(qiáng)度。固溶處理爐溫均勻度應(yīng)嚴(yán)格控制在±5℃。保溫時(shí)間一般可按1小時(shí)/25mm計(jì)算，鈹青銅在空氣或氧化性氣氛中進(jìn)行固溶加熱處理時(shí)，表面會(huì)形成氧化膜。雖然對(duì)時(shí)效強(qiáng)化后的力學(xué)性能影響不大，但會(huì)影響其冷加工時(shí)工模具的使用壽命。為避免氧化應(yīng)在真空爐或氨分解、惰性氣體、還原性氣氛（如氫氣、一氧化碳等）中加熱，從而獲得光亮的熱處理效果。此外，還要注意盡量縮短轉(zhuǎn)移時(shí)間（此淬水時(shí)），否則會(huì)影響時(shí)效后的機(jī)械性能。薄形材料不得超過(guò)3秒,一般零件不超過(guò)5秒。淬火介質(zhì)一般采用水（無(wú)加熱的要求），當(dāng)然形狀復(fù)雜的零件為了避免變形也可采用油。


2、鈹青銅的時(shí)效處理


鈹青銅的時(shí)效溫度與Be的含量有關(guān)，含Be小于2.1%的合金均宜進(jìn)行時(shí)效處理。對(duì)于Be大于1.7%的合金，最佳時(shí)效溫度為300-330℃，保溫時(shí)間1-3小時(shí)（根據(jù)零件形狀及厚度）。Be低于0.5%的高導(dǎo)電性電極合金，由于溶點(diǎn)升高，最佳時(shí)效溫度為450-480℃，保溫時(shí)間1-3小時(shí)。近年來(lái)還發(fā)展出了雙級(jí)和多級(jí)時(shí)效，即先在高溫短時(shí)時(shí)效，而后在低溫下長(zhǎng)時(shí)間保溫時(shí)效，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是性能提高但變形量減小。為了提高鈹青銅時(shí)效后的尺寸精度，可采用夾具夾持進(jìn)行時(shí)效，有時(shí)還可采用兩段分開(kāi)時(shí)效處理。


3、鈹青銅的去應(yīng)力處理


鈹青銅去應(yīng)力退火溫度為150-200℃，保溫時(shí)間1-1.5小時(shí)，可用于消除因金屬切削加工、校直處理、冷成形等產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定零件在長(zhǎng)期使用時(shí)的形狀及尺寸精度。


十二 熱處理應(yīng)力及其影響


熱處理殘余力是指工件經(jīng)熱處理后最終殘存下來(lái)的應(yīng)力,對(duì)工件的形狀,尺寸和性能都有極為重要的影響。當(dāng)它超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度時(shí),便引起工件的變形,超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)使工件開(kāi)裂,這是它有害的一面,應(yīng)當(dāng)減少和消除。但在一定條件下控制應(yīng)力使之合理分布,就可以提高零件的機(jī)械性能和使用壽命,變有害為有利。分析鋼在熱處理過(guò)程中應(yīng)力的分布和變化規(guī)律,使之合理分布對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量有著深遠(yuǎn)的實(shí)際意義。例如關(guān)于表層殘余壓應(yīng)力的合理分布對(duì)零件使用壽命的影響問(wèn)題已經(jīng)引起了人們的廣泛重視。


（一）、鋼的熱處理應(yīng)力


工件在加熱和冷卻過(guò)程中,由于表層和心部的冷卻速度和時(shí)間的不一致,形成溫差，就會(huì)導(dǎo)致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生應(yīng)力,即熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下,由于表層開(kāi)始溫度低于心部,收縮也大于心部而使心部受拉,當(dāng)冷卻結(jié)束時(shí)，由于心部最后冷卻體積收縮不能自由進(jìn)行而使表層受壓心部受拉。即在熱應(yīng)力的作用下最終使工件表層受壓而心部受拉。這種現(xiàn)象受到冷卻速度,材料成分和熱處理工藝等因素的影響。當(dāng)冷卻速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷卻過(guò)程中在熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的不均勻塑性變形愈大,最后形成的殘余應(yīng)力就愈大。另一方面鋼在熱處理過(guò)程中由于組織的變化即奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí),因比容的增大會(huì)伴隨工件體積的膨脹,工件各部位先后相變，造成體積長(zhǎng)大不一致而產(chǎn)生組織應(yīng)力。組織應(yīng)力變化的最終結(jié)果是表層受拉應(yīng)力,心部受壓應(yīng)力,恰好與熱應(yīng)力相反。組織應(yīng)力的大小與工件在馬氏體相變區(qū)的冷卻速度,形狀，材料的化學(xué)成分等因素有關(guān)。


實(shí)踐證明,任何工件在熱處理過(guò)程中,只要有相變,熱應(yīng)力和組織應(yīng)力都會(huì)發(fā)生。只不過(guò)熱應(yīng)力在組織轉(zhuǎn)變以前就已經(jīng)產(chǎn)生了，而組織應(yīng)力則是在組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中產(chǎn)生的,在整個(gè)冷卻過(guò)程中,熱應(yīng)力與組織應(yīng)力綜合作用的結(jié)果,就是工件中實(shí)際存在的應(yīng)力。這兩種應(yīng)力綜合作用的結(jié)果是十分復(fù)雜的,受著許多因素的影響,如成分、形狀、熱處理工藝等。就其發(fā)展過(guò)程來(lái)說(shuō)只有兩種類(lèi)型,即熱應(yīng)力和組織應(yīng)力,作用方向相反時(shí)二者抵消,作用方向相同時(shí)二者相互迭加。不管是相互抵消還是相互迭加,兩個(gè)應(yīng)力應(yīng)有一個(gè)占主導(dǎo)因素,熱應(yīng)力占主導(dǎo)地位時(shí)的作用結(jié)果是工件心部受拉,表面受壓。組織應(yīng)力占主導(dǎo)地位時(shí)的作用結(jié)果是工件心部受壓表面受拉。


（二）、熱處理應(yīng)力對(duì)淬火裂紋的影響


存在于淬火件不同部位上能引起應(yīng)力集中的因素(包括冶金缺陷在內(nèi)),對(duì)淬火裂紋的產(chǎn)生都有促進(jìn)作用,但只有在拉應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)(尤其是在最大拉應(yīng)力下)才會(huì)表現(xiàn)出來(lái),若在壓應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)并無(wú)促裂作用。


淬火冷卻速度是一個(gè)能影響淬火質(zhì)量并決定殘余應(yīng)力的重要因素,也是一個(gè)能對(duì)淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達(dá)到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內(nèi)的冷卻速度,并使之超過(guò)鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘余應(yīng)力而論,這樣做由于能增加抵消組織應(yīng)力作用的熱應(yīng)力值,故能減少工件表面上的拉應(yīng)力而達(dá)到抑制縱裂的目的。其效果將隨高溫冷卻速度的加快而增大。而且,在能淬透的情況下,截面尺寸越大的工件,雖然實(shí)際冷卻速度更緩,開(kāi)裂的危險(xiǎn)性卻反而愈大。這一切都是由于這類(lèi)鋼的熱應(yīng)力隨尺寸的增大實(shí)際冷卻速度減慢,熱應(yīng)力減小,組織應(yīng)力隨尺寸的增大而增加,最后形成以組織應(yīng)力為主的拉應(yīng)力作用在工件表面的作用特點(diǎn)造成的。并與冷卻愈慢應(yīng)力愈小的傳統(tǒng)觀念大相徑庭。對(duì)這類(lèi)鋼件而言,在正常條件下淬火的高淬透性鋼件中只能形成縱裂。避免淬裂的可靠原則是設(shè)法盡量減小截面內(nèi)外馬氏體轉(zhuǎn)變的不等時(shí)性。僅僅實(shí)行馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)的緩冷卻不足以預(yù)防縱裂的形成。一般情況下只能產(chǎn)生在非淬透性件中的裂紋,雖以整體快速冷卻為必要的形成條件，可是它的真正形成原因,卻不在快速冷卻(包括馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi))本身,而是淬火件局部位置(由幾何結(jié)構(gòu)決定),在高溫臨界溫度區(qū)內(nèi)的冷卻速度顯著減緩,因而沒(méi)有淬硬所致。產(chǎn)生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈,是由以熱應(yīng)力為主要成份的殘余拉應(yīng)力作用在淬火件中心,而在淬火件末淬硬的截面中心處,首先形成裂紋并由內(nèi)往外擴(kuò)展而造成的。為了避免這類(lèi)裂紋產(chǎn)生，往往使用水--油雙液淬火工藝。在此工藝中實(shí)施高溫段內(nèi)的快速冷卻,目的僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織,而從內(nèi)應(yīng)力的角度來(lái)看,這時(shí)快冷有害無(wú)益。其次,冷卻后期緩冷的目的,主要不是為了降低馬氏體相變的膨脹速度和組織應(yīng)力值,而在于盡量減小截面溫差和截面中心部位金屬的收縮速度,從而達(dá)到減小應(yīng)力值和最終抑制淬裂的目的。