七 加熱缺陷及控制
　(一)、過熱現象

    我們知道熱處理過程中加熱過熱最易導致奧氏體晶粒的粗大，使零件的機械性能下降。

1.一般過熱：加熱溫度過高或在高溫下保溫時間過長，引起奧氏體晶粒粗化稱為過熱。粗大的奧氏體晶粒會導致鋼的強韌性降低，脆性轉變溫度升高，增加淬火時的變形開裂傾向。而導致過熱的原因是爐溫儀表失控或混料（常為不懂工藝發生的）。過熱組織可經退火、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化。


2.斷口遺傳：有過熱組織的鋼材，重新加熱淬火后，雖能使奧氏體晶粒細化，但有時仍出現粗大顆粒狀斷口。產生斷口遺傳的理論爭議較多，一般認為曾因加熱溫度過高而使MnS之類的雜物溶入奧氏體并富集于晶界，而冷卻時這些夾雜{TodayHot}物又會沿晶界析出，受沖擊時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，以慢速加熱到常規的淬火溫度，甚至再低一些，其奧氏體晶粒仍然是粗大的，這種現象稱為組織遺傳性。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)、過燒現象


加熱溫度過高，不僅引起奧氏體晶粒粗大，而且晶界局部出現氧化或熔化，導致晶界弱化，稱為過燒。鋼過燒后性能嚴重惡化，淬火時形成龜裂。過燒組織無法恢復，只能報廢。因此在工作中要避免過燒的發生。 


 (三)、脫碳和氧化


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


加熱時，鋼表層的鐵及合金與元素或介質（或氣氛）中的氧、二氧化碳、水蒸氣等發生反應生成氧化物膜的現象稱為氧化。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淬火軟{HotTag}點。


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、采用保護氣氛加熱（如凈化后的惰性氣體、控制爐內碳勢）、火焰燃燒爐（使爐氣呈還原性）


(四)、氫脆現象


高強度鋼在富氫氣氛中加熱時出現塑性和韌性降低的現象稱為氫脆。出現氫脆的工件通過除氫處理（如回火、時效等）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 幾種常見的熱處理概念 


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


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恒溫保持，使過剩相充分溶速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝 


4． 時效：合金經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，其性能隨時間而變化的現象。


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


6． 時效處理：在強化相析出的溫度加熱并保溫，使強化相沉淀析出，得以硬化，提高強度 


7． 淬火：將鋼奧氏體化后以適當的冷卻速度冷卻，使工件在橫截面內全部或一定的范圍內發解到固溶體中，然后快生馬氏體等不穩定組織結構轉變的熱處理工藝 


8． 回火：將經過淬火的工件加熱到臨界點Ac1以下的適當溫度保持一定時間，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程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲勞強度和抗腐蝕性。


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


氮化通常利用專門設備或井式滲碳爐來進行。適用于各種高速傳動精密齒輪、機床主軸（如鏜桿、磨床主軸），高速柴油機曲軸、閥門等。


氮化工件工藝路線：鍛造－退火－粗加工－調質－精加工－除應力－粗磨－氮化－精磨或研磨。


由于氮化層薄，并且較脆，因此要求有較高強度的心部組織，所以要先進行調質熱處理，獲得回火索氏體，提高心部機械性能和氮化層質量。


鋼在氮化后，不再需要進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滲入碳和氮的過程，習慣上碳氮共滲又稱作氰化。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.調質處理quenching and tempering：一般習慣將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理。調質處理廣泛應用于各種重要的結構零件，特別是那些在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等。調質處理后得到回火索氏體組織，它的機械性能均比相同硬度的正火索氏體組織為優。它的硬度取決于高溫回火溫度并與鋼的回火穩定性和工件截面尺寸有關，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 回火的種類及應用


根據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，降低其淬火內應力和脆性，以免使用時崩裂或過早損壞。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。習慣上將淬火加高溫回火相結合的熱處理稱為調質處理，其目的是獲得強度，硬度和塑性，韌性都較好的綜合機械性能。因此，廣泛用于汽車，拖拉機，機床等的重要結構零件，如連桿，螺栓，齒輪及軸類。回火后硬度一般為HB200－330。


十 氣氛與金屬的化學反應


（一）．氣氛與鋼鐵的化學反應 


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）．各種氣氛對金屬的作用


氮氣：在≥1000℃時會與Cr,CO,Al.Ti反應


氫氣：可使銅，鎳，鐵，鎢還原。當氫氣中的水含量達到百分之0.2—0.3時，會使鋼脫碳


水：≥800℃時，使鐵、鋼氧化脫碳，與銅不反應


一氧化碳：其還原性與氫氣相似，可使鋼滲碳


（三）． 各類氣氛對電阻組件的影響


鎳鉻絲，鐵鉻鋁：含硫氣氛對電阻絲有害


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。經固溶及時效處理后，強度可達1250-1500MPa(1250-1500公斤)。其熱處理特點是：固溶處理后具有良好的塑性，可進行冷加工變形。但再進行時效處理后，卻具有極好的彈性極限，同時硬度、強度也得到提高。


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度。固溶處理爐溫均勻度應嚴格控制在±5℃。保溫時間一般可按1小時/25mm計算，鈹青銅在空氣或氧化性氣氛中進行固溶加熱處理時，表面會形成氧化膜。雖然對時效強化后的力學性能影響不大，但會影響其冷加工時工模具的使用壽命。為避免氧化應在真空爐或氨分解、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移時間（此淬水時），否則會影響時效后的機械性能。薄形材料不得超過3秒,一般零件不超過5秒。淬火介質一般采用水（無加熱的要求），當然形狀復雜的零件為了避免變形也可采用油。


2、鈹青銅的時效處理


鈹青銅的時效溫度與Be的含量有關，含Be小于2.1%的合金均宜進行時效處理。對于Be大于1.7%的合金，最佳時效溫度為300-330℃，保溫時間1-3小時（根據零件形狀及厚度）。Be低于0.5%的高導電性電極合金，由于溶點升高，最佳時效溫度為450-480℃，保溫時間1-3小時。近年來還發展出了雙級和多級時效，即先在高溫短時時效，而后在低溫下長時間保溫時效，這樣做的優點是性能提高但變形量減小。為了提高鈹青銅時效后的尺寸精度，可采用夾具夾持進行時效，有時還可采用兩段分開時效處理。


3、鈹青銅的去應力處理


鈹青銅去應力退火溫度為150-200℃，保溫時間1-1.5小時，可用于消除因金屬切削加工、校直處理、冷成形等產生的殘余應力，穩定零件在長期使用時的形狀及尺寸精度。


十二 熱處理應力及其影響


熱處理殘余力是指工件經熱處理后最終殘存下來的應力,對工件的形狀,尺寸和性能都有極為重要的影響。當它超過材料的屈服強度時,便引起工件的變形,超過材料的強度極限時就會使工件開裂,這是它有害的一面,應當減少和消除。但在一定條件下控制應力使之合理分布,就可以提高零件的機械性能和使用壽命,變有害為有利。分析鋼在熱處理過程中應力的分布和變化規律,使之合理分布對提高產品質量有著深遠的實際意義。例如關于表層殘余壓應力的合理分布對零件使用壽命的影響問題已經引起了人們的廣泛重視。


（一）、鋼的熱處理應力


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


實踐證明,任何工件在熱處理過程中,只要有相變,熱應力和組織應力都會發生。只不過熱應力在組織轉變以前就已經產生了，而組織應力則是在組織轉變過程中產生的,在整個冷卻過程中,熱應力與組織應力綜合作用的結果,就是工件中實際存在的應力。這兩種應力綜合作用的結果是十分復雜的,受著許多因素的影響,如成分、形狀、熱處理工藝等。就其發展過程來說只有兩種類型,即熱應力和組織應力,作用方向相反時二者抵消,作用方向相同時二者相互迭加。不管是相互抵消還是相互迭加,兩個應力應有一個占主導因素,熱應力占主導地位時的作用結果是工件心部受拉,表面受壓。組織應力占主導地位時的作用結果是工件心部受壓表面受拉。


（二）、熱處理應力對淬火裂紋的影響


存在于淬火件不同部位上能引起應力集中的因素(包括冶金缺陷在內),對淬火裂紋的產生都有促進作用,但只有在拉應力場內(尤其是在最大拉應力下)才會表現出來,若在壓應力場內并無促裂作用。


淬火冷卻速度是一個能影響淬火質量并決定殘余應力的重要因素,也是一個能對淬火裂紋賦于重要乃至決定性影響的因素。為了達到淬火的目的，通常必須加速零件在高溫段內的冷卻速度,并使之超過鋼的臨界淬火冷卻速度才能得到馬氏體組織。就殘余應力而論,這樣做由于能增加抵消組織應力作用的熱應力值,故能減少工件表面上的拉應力而達到抑制縱裂的目的。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,雖然實際冷卻速度更緩,開裂的危險性卻反而愈大。這一切都是由于這類鋼的熱應力隨尺寸的增大實際冷卻速度減慢,熱應力減小,組織應力隨尺寸的增大而增加,最后形成以組織應力為主的拉應力作用在工件表面的作用特點造成的。并與冷卻愈慢應力愈小的傳統觀念大相徑庭。對這類鋼件而言,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法盡量減小截面內外馬氏體轉變的不等時性。僅僅實行馬氏體轉變區內的緩冷卻不足以預防縱裂的形成。一般情況下只能產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(包括馬氏體轉變區內)本身,而是淬火件局部位置(由幾何結構決定),在高溫臨界溫度區內的冷卻速度顯著減緩,因而沒有淬硬所致。產生在大型非淬透性件中的橫斷和縱劈,是由以熱應力為主要成份的殘余拉應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往外擴展而造成的。為了避免這類裂紋產生，往往使用水--油雙液淬火工藝。在此工藝中實施高溫段內的快速冷卻,目的僅僅在于確保外層金屬得到馬氏體組織,而從內應力的角度來看,這時快冷有害無益。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,從而達到減小應力值和最終抑制淬裂的目的。