浅谈常见热处理的缺陷及其影响

浅谈常见热处理的缺陷及其影响

摘要：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。本论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。

【Abstract】

Heat treatment in the entire process in mechanical manufacturing，Good or bad product quality plays a "continuity" of the key role。Some parts have been close to finished，Often only the result of improper waste treatment，The human, material and financial resources and time suffer a great loss to their quality, heat treatment involves many factors，Although there are many rules to follow heat treatment specifications，However, in many cases do not find out the laws，Is still a "work rule of thumb".Therefore, Make it difficult in the short term treatment of defects and errors to do a comprehensive understanding and knowledge of, This paper attempts to use ideas and methods of system analysis, Defects and faults of the heat treatment to make a more comprehensive summary of the overall and type analysis, Analysis yielded a variety of reasons for defects and faults.

关键字：表面热处理；淬火；渗碳；缺陷

目录

第1章热处理的缺陷概述 (3)

1.1 热处理功能和产生缺陷的原因 (3)

1.2 常见几种热处理缺陷 (3)

第2章热处理常见缺陷 (5)

2.1 过热和过烧 (5)

2.2 氧化和脱碳 (5)

2.3 变形和开裂 (5)

2.3.1 淬火冷却应力 (5)

2.3.2 淬火冷却变形 (6)

2.3.3 淬火冷却开裂 (6)

2.3.4 减少变形、防止开裂措施 (6)

第3章典型热处理缺陷分析 (9)

3.1 分析裂纹原因及改进措施 (9)

3.2 后轴轮断裂原因及改进措施 (9)

3.3渗碳件断裂原因及改进措施 (10)

第4章总结 (12)

参考资料 (13)

谢辞 (14)

第1章热处理缺陷的概括

1.1 热处理功能和产生缺陷的原因

热处理可以改善钢的加工工艺性能，改善其热处理可以改善钢的加工工艺性能，改善其使用性能，显著地提高锯的力学性锈，并延长其使使用性能，显著地提高锯的力学性锈，并延长其使用寿命。在各种动载荷和摩擦条件下工作的齿轮、用寿命。在各种动载荷和摩擦条件下工作的齿轮、曲轴等零件，他们要求表面具有高硬度，高耐磨曲轴等零件，他们要求表面具有高硬度，高耐磨倥。褥心部要求具有足够的塑性穰秘性。这热要倥。褥心部要求具有足够的塑性穰秘性。这热要求单靠选材的方法是难以解决的。通过对钢的表求单靠选材的方法是难以解决的。通过对钢的表面进行热处理来改变钢的表面层组织，使表面和面进行热处理来改变钢的表面层组织，使表面和心部箕有不同的性麓。扶薅满足特殊的工浇对零心部箕有不同的性麓。扶薅满足特殊的工浇对零件材质性能的特殊要求。本文就常用热处理件材质性能的特殊要求。本文就常用热处理工艺的特点及常见缺陷和补救办法进行了探讨。工艺的特点及常见缺陷和补救办法进行了探讨。

热处理缺陷产生的原因是多方面的，概括起来可分为热处理前、热处理中、热处理后三个方面的原因。

热处理前可能因设计不良、原材料或毛坯缺陷等原因。热处理是产生或扩展成热处理缺陷，其责任不在热处理。零件设计中可能因选材不当、热处理技术要求不当、断面剧烈变化、锐角过度、打标记应力集中的等不合各种加工工序缺陷，在热处理时也可导致热处理缺陷。可能导致热处理缺陷的原材料缺陷有化学成分波动和不均匀、杂质元素偏多、严重偏析、非金属夹杂物、疏松、带状组织、折痕、发纹、自点、微裂纹、氧化脱碳、划痕等；可能导致热处理缺陷的铸造、锻造、焊接、机械加工的缺陷主要有裂纹、组织不良、外观缺陷等。

然而常见的热处理包含了预备热处理、最终热处理、以及表面强化处理。热处理中，淬火是常见工序。然而，因种种原因，有时难免会产生淬火裂纹，致使前功尽弃。通常热处理缺陷是指工件在最终热处理过程中或在以后的工序中以及使用过程中出现的各种缺陷，如淬裂、变形超差、硬度不足、电加工开裂、磨削裂纹、磨具的早期破坏等。分析热处理的缺陷产生原因，进而采取相应预防措施，具有显著的技术经济效益

1.2 常见几种热处理缺陷

第一类热处理缺陷：最危险缺陷如裂纹，其中最主要是淬火裂纹，其次加热裂纹、延迟裂纹、冷处理裂纹、回火裂纹、时效裂纹、磨削裂纹和电镀裂纹等。

第二类热处理缺陷：热处理中最常见的缺陷是变形，其中淬火变形占多数。产生

原因是：相变和热应力。

第三类热处理缺陷：发生频率和严重性较低，如残余应力、组织不合格、性能不合格、脆性及其它缺陷。

第2章热处理常见缺陷

2.1 过热和过烧

零件热处理时，由于加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒的显著长大，使其转变后的组织粗大，力学性能显著下降的现象称为过热。过热零件可用正火(或退火)办法补救。

零件在热处理时，由于加热温度高至其固相线附近，使钢的晶界严重氧化或熔化，而使钢的性能变得极脆的现象称为过烧。过烧的零件将报废，无法补救。

2.2 氧化和脱碳

钢在氧化性介质中加热时，发生氧化而在其表面形成一层氧化铁(Fe

2O

3

，Fe

3

O

4

，

FeO)的现象称为氧化。另外钢的晶界处也容易发生氧化。

钢在某些介质(如含有CO、O

2、H

2

和H

2

O的气氛中)加热，使钢中溶解的碳形成CO

或CO

2

，从而降低钢表面碳质量分数的现象称为脱碳。

通常加热温度越高，保温时间越长，氧化作用越激烈，脱碳层越深。

这两种缺陷会降低钢的表面硬度和疲劳强度，影响零件尺寸大小，并增加淬火开裂的危险。对于经退火或正火预先处理的毛坯件，由于它们表面形成的氧化层或脱碳层可以用切削加工去除，故一般不必加以预防。但是经淬火的工件，由于其加工余量小、硬度高，就很难用切削加工去除，故必须在淬火加热时采取预防措施。

减少或防止氧化和脱碳的办法：

(1)在保证奥氏体化的条件下，尽可能降低加热温度和缩短保温时间。

(2)工件在盐浴炉、保护气氛炉和真空炉中加热，这对于重要受力零件或精密零件的热处理尤为适用。也可在工件表面涂一层保护涂料后加热，如涂3％的硼酸酒精溶液，以获得比较好的效果。

2.3 变形和开裂

变形是指零件在热处理时形状和尺寸的变化。热处理时的变形是不可避免的，只能控制在一定的范围内。零件的变形必要时可以进行矫正，但变形过大时零件会因无法矫正而报废。

热处理变形与开裂的根本原因是热处理时特别是淬火时形成的内应力所致。

2.3.1 淬火冷却应力

工件淬火冷却时由于不同部位的温度差异及组织转变的不同时性所引起的应力称为淬火冷却应力。根据淬火应力形成的原因不同，分为热应力和相变应力(组织应力)两种。

热应力是工件在加热或冷却时，由于不同部位存在着温度差别而导致热胀和(或)冷缩不一致所引起的应力。淬火冷却过程是由表向里进行的，所以零件截面上存在着温度梯度，它导致不均匀的胀缩并因此而产生热应力。

相变应力是热处理过程中，由于各部位相转变的不同时性所引起的应力，又称为组织应力。淬火冷却过程中，当零件的表面达到Ms温度时，过冷奥氏体开始由表及里进行马氏体相变，因为马氏体的比容明显大于奥氏体，体积将发生膨胀，由于这种体积效应所产生的应力即为相变应力。

2.3.2 淬火冷却变形

淬火冷却变形是淬火冷却过程中热应力与相变应力在零件形状、尺寸上的反应。当淬火应力大于钢的屈服强度时即产生变形。

热应力引起的变形主要是淬火初期在心部受压应力时产生的，它使物体向球形发展。直径小于高度的圆柱体在热应力作用下的变形规律是直径增大、高度减小，有呈腰鼓形的趋势；高度小于直径的扁平体零件，热应力作用的结果是直径收缩、厚度增凸，成陀螺状；空心圆柱体外表面冷却较快，内孔处对流传热不充分，冷却较缓慢，使内孔心部分鼓凸；内径与外径均较大的套圈状零件热应力使高度与外径均有收缩，内孔收缩相对较大，内、外径均减小而高度增加。

相变应力引起的变形主要是零件由表及里地通过Ms温度时开始的。对尺寸较大的圆柱体零件，相变应力使直径与高度俱增。当尺寸大于一定值后，相变应力增加对圆柱体直径与高度有不同影响：直径小于高度时，相变应力使高度增大而直径减小；直径大于高度时，则高度收缩、直径增大。对于空心圆柱体零件，尺寸较小时，内、外径与高度都增大，在尺寸较大时，相变应力使内径增大。

2.3.3 淬火冷却开裂

淬火冷却开裂是指淬火冷却时应力过大超过材料在该温度下的断裂强度时，在工件上形成裂纹的现象。一般在200℃以下，由于马氏体转变产生较大的相变应力，同时在此温度下钢的塑性又较差，易于产生裂纹。淬火裂纹可在冷却过程中产生，也可在零件刚从介质中取出时或在存放一定时间产生。

淬火裂纹的类型主要有：细长圆柱体零件淬火后由于切向残余应力比纵向大而引起的纵向裂纹；直径特别大或直径不太大而未能淬透的零件，心部的轴向拉应力远大于切向应力而引起的横向裂纹；管形零件或带孔零件往往由于孔内壁和其它部位存在冷却速度差异而形成孔内壁面裂纹等。

2.3.4 减少变形、防止开裂措施

(1)合理选材。一般说来，对于形状复杂、尺寸稳定性要求较高的零件，应选择淬裂敏感性小而淬透性较好的合金钢制作，以便可以在较为缓和的淬火介质中冷却并在工件完全冷却前即行回火而减少淬火变形。

(2)改进零件设计的结构工艺性。具体应注意以下几方面的问题：

①避免尖角和棱角 零件的尖角、棱角部分是淬火应力最为集中的地方，往往是淬火裂纹的起点。因此，在零件结构设计时应避免尖角、棱角。一般原则如图1所示。

②避免厚薄悬殊 厚薄悬殊的零件，在淬火冷却时，由于冷却不均匀而造成的变形、开裂倾向较大。图2为攻丝凸轮的变形情况。因桃型凹槽底部太薄，淬火后变形向里凹入。应修改设计，加厚槽底。

③采用封闭、对称结构 零件形状为开口或不对称结构时，淬火时淬火应力分布不均，易引起变形。为了减少变形，应尽可能采用封闭、对称结构。如图3-1所示为镗杆截面，由于两侧对称开槽，使镗杆热处理时，应力分布均匀，减少了变形。图3-2为头部封闭的弹簧夹头，淬火及回火后再切开槽口，可减少变形。

④采用组合结构 对形状复杂或截面尺寸变化较大的零件，尽可能采用组合结构或镶拼结构。如图4所示为磨床顶尖，顶尖要求有高的热硬性。若磨床顶尖选用高速钢W18Cr4V 整体制造，则淬火时易产生裂纹，同时又浪费了昂贵的W18Cr4V 钢。因此，磨床顶尖采用组合结构制造，其中顶尖选用W18Cr4V 钢、尾部选用45钢，分别加工，热处理后，采用热套配合。

⑤降低零件表面粗糙度 如零件表面过于粗糙，淬火时零件的表面容易形成介质

气膜，造成表面冷速不均匀而引起变形，严重时还会因应力比较集中而引起表面裂

纹。为减少变形和裂纹，对热处理零件的表面粗糙度有一定要求为：需经淬火的零件的表面粗糙度不应高于R a 3.2μm ；渗碳件表面粗糙度不应高于R a 6.4μm ；渗氮件则要求其表面粗糙度一般在R a 0.8～1.0μm 范围之内。

(3)选择合适的锻造和预先热处理工艺。高合金工具钢的碳化物不均匀分布或是呈网状均将增大淬火变形，应反复镦锻，使大量过剩碳化物弥散均匀分布可减小淬火变形。对齿轮或轴类零件，锻造温度和锻造流线的分布对淬火变形也有影响。

淬火前的原始组织也对淬火变形有影响。用退火有助于减少淬火变形。

(4)采用低淬火冷却变形的热处理工艺 能减少淬火变形的热处理方法有：一次或多次预热、降低淬火温度、预冷淬火、分级淬火、等温淬火等。

图2-4 具有组织结构的磨床尖

第3章典型热处理缺陷分析

3.1 分析裂纹原因及改进措施

规格为φ5mm的圆柱销在装配过程中发现裂纹，材料为45钢。生产工艺：下料→热处理→去黑皮→车倒角→磨外圆→平总卡→表面镀锌处理，其中热处理工艺：①预热井式炉20~60分钟，300℃；②淬火盐炉（840±10）℃，保温时间2~5分钟，介质：盐水；③回火井式炉（480~520）℃，保温时间30~60分钟。该零件的化学成分无异常，基体硬度符合资料规定。金相检查：基体非金属夹杂级别为A1，B1，C1，D1。裂纹微观呈锯齿状分布，深2.4mm。经浸蚀圆柱销表面及裂纹两侧均无脱碳现象，基体金相组织为回火索氏体。

结果与分析：圆柱销用料牌号为45钢，基体非金属夹杂物无异常。基体硬度符合规定。

三件圆柱销表面裂纹均沿轴向分布，且已贯穿圆柱销轴向表面。裂纹形态呈喇叭形，似锯齿状分布，走向刚直，尾端尖细，具有典型应力裂纹特征。裂纹头部两侧有锌层渗入，表明该裂纹在镀锌前已存在。圆柱销表面及裂纹两侧均无脱碳现象，金相显微组织为回火索氏体。结合该零件的生产工艺分析，认为圆柱销表面裂纹属于热处理过程中产生的淬火裂纹。

改进措施：由于45钢的淬透性比较低，在淬火过程中经常会遇到淬油硬度不足，淬水容易开裂的倾向，尤其是当含碳量偏上限上时，淬火开裂的概率很高，有时批量开裂报废。为了避免该类质量问题，可以采取以下措施：

一般将45钢原材料的含碳量控制在0.45%以下

尽可能采用冷却能力较缓和而又能达到淬火目的的冷却介质，如PAG类高分子聚合物水溶性淬火剂。

3.2 后轴轮断裂原因及改进措施

摩托车后轮轴的材料为20CrMo，其技术要求：表面硬度53~63HRC，心部硬度26~43HRC；渗层深度0.3~0.5mm。生产工艺流程：下料→锻造→正火→机加→表面碳氮共渗→直接淬火油冷→回火→抛丸→磨加工→成品入库。该零件在装配后试车过程中在花键部位发生断裂。断口齐平，为典型的脆性断口。断口SEM形貌特征：表层为沿晶或沿晶+解理；心部为解理+韧窝。

后轮化键齿部表面硬度为62~63HRC，心部硬度为34~35HRC。金相检查测得钢中非金属夹杂物级别为A1，B1，C1，De4，表明其冶金质量欠佳。齿部表面碳氮共渗层深0.7mm，最表面有25~30μm的碳氮化合物层，呈大片连续壳状及半网状分布，并存在众多黑色疏松孔洞及微裂纹，此表层为粗大针状马氏体+较多残留奥氏体，其马氏体级别为6级，心部为板条马氏体+铁素体+少量贝氏体。

结果与分析：1）摩托车后轮轴是起传输动力作用的，输出的化键处受冲击载荷较大，有时因路面颠簸，会附加承受瞬间冲击载荷。该零件表层碳氮化合物较厚，容易发生碎裂、崩齿，成为脆性断裂源。

2）轴表层共渗组织为粗大针状马氏体，脆性大，容易产生显微裂纹，使表面共渗层脆性增加，且晶界上存在断续网状微裂纹，也使其强度降低，导致后轮轴呈沿晶断裂。

3）后轮轴表层碳氮共渗层远超出了资料规定的上限，并出现了壳状、半网状碳氮化合物及粗大针状马氏体，说明共渗层中的碳、氮含量较高，与其碳氮共渗处理工艺不当有关。

结论：后轮轴碳氮共渗工艺不当造成共渗层过深，表面出现壳状脆性化合物，并有众多疏松孔洞内氧化和粗大针状马氏体等缺陷组织，增加了共渗层脆性。这是导致后轮轴早期脆断的主要原因。

改进措施：适当减少碳氮共渗通氨量，并缩短共渗时间，严格控制炉内碳势。

3.3渗碳件断裂原因及改进措施

某渗碳件外径800mm ,壁厚25mm ,宽220mm ,材料为18Cr2Ni4A 钢。生产工艺:锻造—机加工—渗碳—空冷—淬火—低温回火—粗磨。在粗磨两侧平面后,两侧出现裂纹,见图1。渗碳温度930℃,保温时间约20h ;二次淬火温度约820℃。要求渗碳层深度3.5-5.0mm。

该材料成分分析见下表3-1

金相检查，非金属夹杂物级别:A1、B1、C1、D1，且分布与裂纹走向不一致。测定其渗碳深度约为4.2mm，淬火组织为正常的马氏体组织；裂纹深度2mm左右,裂纹两侧明显脱碳。

结果与分析：

①、化学成分符合18Cr2Ni4A 钢规定；基体非金属夹杂物无异常；渗碳层深度、淬火组织均符合要求。

②、由于渗碳温度（930℃）偏高，且保温时间长，导致表层碳浓度偏高，使得碳化物呈大块状、半网状分布。从而使得表层奥氏体中合金元素的含量降低，在渗碳空冷过程中随着温度下降，表层奥氏体率先转变成一层托氏体加碳化物的硬壳，脆性较大；随着温度的继续下降，当达到次表层的MS点时，次表层开始发生马氏体相变，体积增加，由于表层束缚，因此次表层受压应力作用，而表层受拉应力作用，表层在

此过程中极易产生微观裂纹，从而导致零件开裂。

③、金相分析发现裂纹深度在渗碳层范围之内，裂纹开口端较小，尾端尖细，呈穿晶扩展，具有应力裂纹的特点。裂纹头部和中段有脱碳、局部可见氧化物，而尾部有明显的脱碳。表明裂纹为较高应力作用下开裂，并经历高温，导致裂纹两侧产生脱碳及氧化物。

④、综上所述，并结合零件的工艺过程，认为主要是由于零件在渗碳过程中表层形成了较多粗大的半网状碳化物，脆性较大，空冷过程中在组织应力的作用下产生裂纹，在随后的二次淬火中导致裂纹两侧产生脱碳及氧化物。

改进措施：渗碳温度910±10℃,保温时间约20h，随炉缓冷至650℃以下空冷，然后再进行二次淬火。

第4章总结

热处理是指将固态金属材料以一定的速度加热到要求的要求的温度，在此保温一定时间，用以获得奥氏体组织和成分的均匀化，并实现晶粒的长大，随后进行冷却过程。因此热处理的主要目的是赋予钢铁材料或其他材料具有一定的性能，能够满足零件使用过程和工作环境的性能要求。热处理不仅能改善钢铁材料的加工工艺性能和使用性能，充分发挥材料的潜力，更重要的是能显著提高钢铁零件的性能、产品质量和延长零件的使用寿命。热处理之所以使得钢材的性能发生改变，是因为金属的原子结构即铁本身具有通俗异构转变，钢铁材料在加热和冷却过程中，即通过热处理的方法来改变其内部的组织结构，因而获得所期望和要求的组织和性能，探讨加热和冷却内部组织变化规律即为热处理原理。

不同化学成分决定了钢材材料的力学性能存在明显的差异，即使同一材料采用不同的热处理手段改变其内部组织结构，故也具有不同的性能。可以说热处理是充分发挥金属材料潜在性能极为有效的工艺方法之一，零件进行热处理的目的就是为了获得所期望的组织和性能。了解热处理对零件的组织和性能的影响，编制正确有效、可操作性强、产品质量得到保证的热处理工艺是十分重要的。根据零件的工作条件和使用状况，一定要合理选材，既考虑经济性，又要分析采用哪种热处理方式可以满足零件的技术要求。一般热处理的过程是由加热、保温和冷却三个阶段组成的，因此，根据加热温、冷却方式和使用目的不同，热处理通常分为退火、正火、淬火、回火以及化学处理等工艺方法。

一般零件在热处理过程中，因为裂纹、变形、磨损、腐蚀等原因而失去原有的工作能力的现象称为失效或缺陷。失效分析的目的是从外部和内部因素两个方面分析原因，以便采取有效的预防和补救措施，防止其再次发生。产生的质量缺陷问题可以归纳为两个方面。一方面为先天性的缺陷，如零件的结构设计不合理、原材料或毛坯本身的缺陷，在热处理过程中产生或扩展成热处理缺陷。这就是热处理工作者无法解决的，只有要求设计人员正确了解设计不良造成的后果，选用材料正确，制定合理的技术要求，避免截面的急剧变化和打印标记，采取锐角过渡，需要注意原材料的缺陷如化学成分波动和不均匀、杂质含量偏多、严重偏析、非金属夹杂物、疏松、带状组织、折痕、发纹、白点、微裂纹、氧化脱碳和划痕等，要严格控制该类缺陷。另一类为后天因素，例如零件热处理工艺制定不合理、操作不当、设备和环境条件不合适、后续的机械加工工序不当、零件在使用过程中出现早期的失效等，因此在热处理生产中要特别重视对零件热处理的过程控制，做得预防为主、减少变差、杜绝浪费，把影响产品质量的人、机、料、法、环、和检六大因素分析透彻，认真体会，用最低的成本并采取有效措施生产出优秀的产品。

参考文献

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[2] 王顺兴. 金属处理原理与工艺[J]..

[3] 金荣植. 汽车紧固件淬火裂纹分析及改进措施[J].热处理技术与装备.2010,(01)

[4] 张艳丹.如何减小金属热处理变形[J].硅谷.2008,(23)

[5] 潘丽莉.铁路工务系统养路工具热处理工艺探讨[J].科技情报开发与经济.2010,(18)

谢辞

本论文得以顺利完成，非常感何红媛老师。从论文选题直到论文的最终完成，她都给予我尽心尽力的指导，老师严谨的治学态度深深地影响着我，对我今后的学习、工作、生活必将产生影响。借此机会，特向老师表示最诚挚的感谢。

感谢学院的所有领导和老师。他们渊博的知识、诲人不倦的品格一直感染和激励着我不断上进，使我大学时光充实而有意义。“海纳百川，取则行远”，在这所美丽的校园里，不断成长，在这里我所学到的，必将使我受益终生。同时感谢江阴茂源机械的所有领导对我的培养，让我在走进社会的第一步收获到很多。

在本论文的写作中，我也参照了大量的著作和文章，许多学者的科研成果及写作思路给我很大启发，在此向这些学者们表示由衷的感谢。感谢我的家人、同学、朋友对我的大力支持，他们的无私奉献、关爱和支持使我能够继续去追究自己的人生理想和目标。感谢所有关心、帮助和支持我的人。本论文虽然几经修改，但由于才疏学浅，本文疏漏之处在所难免，还望各位老师批评指正。