13.6 其他热处理过程中产生的缺陷与控制

第十三章热处理缺陷与控制其他热处理过程中产生的缺陷与控制热处理原理与工艺热处理缺陷与控制◆热处理缺陷的分类◆加热过程中产生的缺陷与控制◆退火和正火缺陷与控制◆淬火缺陷与控制◆回火过程中产生的缺陷与控制◆其他热处理过程中产生的缺陷与控制一、常见感应热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制1.表面硬度不足、软点、软带

原因：

原材料含碳量低（质量分数≤0.3%）或表面严重脱碳、贫碳，感应淬火后形成了低碳马氏体组织；

成分偏析、组织粗大或分布不均匀，需要更高的加热温度和更长的加热时间，导致在正常加热工艺下组织转变不完全；

加热比功率较小，感应器与表面间隙太大，工件在感应器中位置偏心导致加热温度不够、不均匀，或加热时间不足；

淬火介质喷射压力太低，流量太小，温度太高，或喷水孔设计不合理、堵塞。一、常见感应热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制1.表面硬度不足、软点、软带对策：

保证原材料成分和组织达到要求；

通过调整电参数、感应器与工件表面的距离和相对运动速度，提高加热温度和延长保温时间；

调整喷水量和压力等，提高淬火冷却能力。一、常见感应热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制2.硬化层过深原因：感应加热温度过高或加热时间过长、加热频率过低或比功率过低以及感应器与工件表面间距过小。

对策：

调整加热温度和时间，或增大频率、比功率，也可以增大感应器与工件表面间距。

一、常见感应热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制3.硬化层或尖角剥落原因：硬化层硬度梯度过大或硬化层太浅；原始组织过热，晶粒与组织粗大或尖角过热。对策：改进感应器的设计，增加过渡层厚度；

感应加热前先预热；

采用正火或调质等预备热处理，细化和均匀组织；尖角设计改为圆角设计。

一、常见感应热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制4.感应淬火变形原因：

由于感应热处理只是表层被加热，工件内会形成比普通热处理大得多的应力，引起工件的不均匀塑性变形。此外，淬硬层深度不均匀也会造成感应淬火件变形。对策：工件形状结构设计合理，工序安排合理；

预备热处理消除内应力，均匀和细化组织；

选择合适的感应淬火方法，采用同时加热法或连续加热法；

选择合适的热处理参数，尽量采用下限淬火温度，采用较大比功率，缩短加热时间；

选择合适的感应淬火介质和冷却方法；

感应淬火后及时、充分回火；

感应淬火之前先整体预热。一、常见感应热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制5.感应淬火开裂原因：

原材料中碳含量过高，淬透性偏高，或成分偏析、原始组织粗大；

工件形状结构设计或机械加工不当，表面加工粗糙，存在严重的刀痕、打印标记等；

淬火加热温度过高，加热不均匀或加热时间过长；

加热频率过高、过渡层窄，导致拉应力峰值高且靠近表面；

淬火冷却速度太大或冷却时间长、冷却不均匀。对策：

材料的碳含量和锰含量不超过上限值（分别为0.5%和1%）；

结构尽量设计成几何对称、壁厚均匀、尺寸相差小、形状简单的，机加工时降低表面粗糙度；

采用合适的预先热处理；调整电参数，降低淬火加热温度，减少加热时间；预热，并降低感应加热频率或采用双频加热法来降低截面的温度梯度；冷却速度应维持在临界冷却速度，且避免冷却时间过长；加热和冷却时工件旋转；喷水器设计合理，均匀冷却。二、渗碳热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制1.黑色组织与内氧化含铬、锰及硅等合金元素的渗碳钢经渗碳淬火后，在渗碳层表面组织中出现沿晶界呈断续网状的黑色组织。原因：渗碳介质中的氧向钢的晶界扩散，并和与氧有较大亲和力的元素（如铬、锰、硅等）发生反应，形成金属氧化物，造成氧化物附近基体中合金元素含量降低，淬透性变差，淬火组织中出现非马氏体组织，即“内氧化”。17Cr2Ni2Mo在渗碳淬火后出现的严重内氧化，深度达50μm。二、渗碳热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制1.黑色组织与内氧化后果：内氧化使工件表面显微硬度、疲劳强度明显下降。内氧化的存在还会影响表面残余应力的分布，氧化层深度越大，表面张应力越大。对策：选择含不易内氧化元素的钢，如含W、Mo、Ni和Cu的钢；

渗碳前要将零件表面氧化皮、锈斑清除干净；控制炉气中O2、CO2、H2O等的含量，减少渗剂中的杂质含量；注意渗碳炉的密封性能，排气要充分，尽快使炉气呈还原性；

一旦工件上出现黑色组织时，若其深度不超过0.02mm，可以增加一道磨削工序将其磨去，或进行表面喷丸强化，使表面形成残余压应力，以消除黑色组织对疲劳强度的不利影响。其他热处理过程中产生的缺陷与控制2.反常组织渗碳件的反常组织特征是在渗碳层中出现先共析渗碳体网，周围出现铁素体层。这种组织常在钢中含氧量较高（如沸腾钢）或固体渗碳后冷速过慢时出现。具有反常组织的钢经淬火后易出现软点。对策：适当提高淬火温度或适当延长淬火加热的保温时间，使奥氏体均匀化，并采用较快的淬火冷却速度。二、渗碳热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制3.表面大块状或粗大网状碳化物原因：

渗碳剂活性太大，渗碳阶段温度过高，扩散阶段温度过低及渗碳保温时间过长，造成了表面碳含量过高引起。此外，渗碳后冷却太慢也会形成网状碳化物。对策：

关键是合理控制炉内碳势，减少渗碳剂供给量，并有足够的扩散时间和适当淬火温度；

零件在罐内缓冷时，采用蛇形管内部通冷却水加速冷却；对直接淬火的零件，要合理控制预冷时间的长短。一旦出现粗大网状碳化物，需对零件进行高于Accm的高温淬火或正火。二、渗碳热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制4.残余奥氏体量过多原因：钢中合金元素（如Cr、Mn、Ti、V、Mo、W、Ni等）多；

渗碳气体碳势过高和渗碳温度偏高；

淬火加热温度偏高，淬火介质温度偏高。对策：

为了使残余奥氏体量适当，而又不使马氏体粗大，应合理选择渗碳钢，恰当调整炉内碳势，减少渗碳剂供给量，降低渗碳、淬火和冷却介质的温度。对渗层中过量的残余奥氏体，可采用重新加热淬火、二次淬火和淬火后冷处理等方法来减少。二、渗碳热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制5.马氏体粗大原因：当钢中不含细化晶粒的合金元素（如Ti、V、Al、Nb、Zr、N等）或不属于本质细晶粒钢，渗碳温度过高，渗碳后经缓冷和重新加热淬火时淬火温度过高时，都易出现粗大马氏体。对策：对于本质细晶钢制件，主要是严格控制渗碳温度。对于非本质细晶粒钢制件，渗碳后重新加热淬火工艺对控制马氏体级别有着重要意义。淬火温度愈低，马氏体针状组织愈细，但心部铁素体量增加，心部硬度降低。二、渗碳热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制6.渗碳层深度不合格7.表层贫碳或脱碳8.表面硬度低9.表面腐蚀和氧化10.渗碳后开裂二、渗碳热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制1.渗氮层硬度不足或硬度不均原因：硬度不足主要是因为渗氮温度过高，密封不良，分段渗氮时第一段温度太高，氨分解率过高（＞80%）或中断供氨等。

硬度不均主要是由于加热过程中炉温温差大，表面有污物，或材料组织不均匀，带状组织严重，以及装炉量太多，吊挂不当等。对策：定期校验测温仪表，降低第一阶段的渗氮温度，将氨分解率控制在15~25%范围的下限，使表面形成弥散细小的氮化物，提高表面硬度；

对新罐进行预渗，长久使用的夹具和渗氮罐等应进行退氮处理；

渗氮前应清理干净工件的表面；更换石棉、石墨垫，检查炉体，无漏气；针对这类缺陷，如果不是长时间超温、分解率过高或较长时间的中断供氨造成的，允许重新氮化处理。三、渗氮热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制2.渗氮层太浅原因：渗氮第一阶段氨分解率过高、过低或不稳定，第二段温度偏低、保温时间过短，工件未经调质预处理或调质回火温度低，渗氮炉密封不良、炉压低，工件装炉不当，新换卡具和渗氮罐等原因造成。对策：在技术上要合理制定工艺并进行工艺验证；

在生产中，要经常校正仪表，保证渗氮温度，严格控制氨分解率，加强炉子密封性检查和检修；对于渗氮层不足的零件，可进行补渗处理；新换的渗氮罐和工卡具要空渗一两次后再使用；渗氮罐使用过久后要“退氮”，并清除罐壁的污物；合理装炉，调整工件之间的间隙（如5mm以上），加强炉内气氛的循环。对渗氮层太浅的工件，可以在正常的扩散温度再氮化数小时。三、渗氮热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制3.渗氮层出现粗大网状、脉状、鱼骨状氮化物原因：渗氮温度太高或者长时间高温渗氮，或液氨含水量太大，原始组织粗大，有大块铁素体，工件表面粗糙，存在尖角、棱边或者未控制好分解率，气氛氮势过高导致。对策：渗氮前一定要进行调质处理，使晶粒均匀细小；

严格控制液氨中的水分；渗氮温度不能太高，渗氮时间不能过程；

零件在设计时，应避免尖角呈锐角，渗氮零件加工表面粗糙度不能太高；

检查渗氮炉密封性；当渗氮件的扩散层中已产生网状或波纹状氮化物时，可在500~560℃下进行10~20h的扩散处理，以改善组织，减轻不良影响。三、渗氮热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制4.渗氮层表面剥落和脆性大原因：这主要是由于冶金质量不合格，渗氮工艺不当，氮化前磨削量太大，调质处理时淬火温度太高出现过热等造成。当表面氮浓度过大或退氮时间不足，氮化层与心部的含氮量过渡突然，或者表面有脱碳、粗糙度大、有锈蚀等原因也会造成表面脱落和脆性。对策：选用杂质少、晶粒细、碳化物小、化学成分和组织均匀、无微观和宏观冶金缺陷的材料，减小磨削量或分几次磨削，严格控制氨分解率和确保退氮彻底，减少零件尖角、棱边或粗糙的表面，并加速氮化工件的冷却速度。一旦发生渗氮层脆性超标，可以采用以下方法补救：凡不是因为表面脱碳引起的脆性，可以重新进行退氮处理，退氮工艺是500~520℃，氨分解率≥80%，保温3~5h。或者用磨削加工方法，磨去白亮层。三、渗氮热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制5.工件变形超差6.表面氧化色或者腐蚀7.其他

渗氮件还会出现表面光亮花斑、表面裂纹、渗氮层不致密、耐蚀性差等问题，都需要加强对实际操作过程的严格控制，采取切实可行的方法和措施预防渗氮热处理缺陷的出现。三、渗氮热处理缺陷其他热处理过程中产生的缺陷与控制四、碳氮共渗热处理缺陷以渗碳为主的碳氮共渗件的常见缺陷与渗碳件类似，但由于氮的渗入，共渗层形成黑色组织的倾向比渗碳大。（1）黑点：一般出现在0.1mm的表层内，在扫描电镜下为大小不等的孔洞。（2）黑色网状组织：一般出现在渗层表面0.3mm范围内，它是合金元素的氧化物和托氏体、贝氏体以及细小的粒状碳氮化合物层