1、三江学院毕业设计（论文）第 1 页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
2、 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 inv
3、olves 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
4、, 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 三江学院毕业设计（论文）第 2 页目录第 1 章 热处理的缺陷概述31.1 热处理
5、功能和产生缺陷的原因31.2 常见几种热处理缺陷3第 2 章 热处理常见缺陷52.1 过热和过烧52.2 氧化和脱碳52.3 变形和开裂52.3.1 淬火冷却应三江学院毕业设计（论文）第 3 页力52.3.2 淬火冷却变形62.3.3 淬火冷却开裂62.3.4 减少变形、防止开裂措施6第 3 章 典型热处理缺陷分析93.1 分析裂纹原因及改进措施93.2 后轴轮断裂原因及改进措施93.3 渗碳件断裂原因及改进措施10第 4 章 总结12参考资料13谢三江学院毕业设计（论文）第 4 页辞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
6、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
7、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
8、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三江学院毕业设计（论文）第 5 页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
9、：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。三江学院毕业设计（论文）第 6 页第 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
10、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(Fe2O3，Fe 3O4，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 H2O 的气氛中)加热，使钢中溶解的碳形成CO 或 CO2，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
11、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 变形和开裂三江学院毕业设计（论文）第 7 页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
12、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
13、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，
14、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
15、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。三江学院毕业设计（论文）第 8 页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
16、设计的结构工艺性。具体应注意以下几方面的问题：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。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。图 2-1 避免尖角实例三江学院毕业设计（论文）第 9 页采用封闭、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
17、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。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。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
18、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 Ra3.2m ；渗碳件表面粗糙度不应高于 Ra6.4m ；渗氮件则要求其表面粗糙度一般在 Ra0.81.0 m 范围之内。图 2-2 攻螺纹凸轮的变形情况图 2-3-1 镗杆截面图 2-3-2 弹簧夹头我图 2-4 具有组织结构的磨床尖顶三江学院毕业设计（论文）第 10 页(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
19、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。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 5mm 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：预热井式炉 2060 分钟，300；淬火盐炉（84010），保温时间 25 分钟，介质：盐水；回火井式炉（480520），保温时间 3060 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
20、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 5363HRC，心部硬度
