热处理过程中加热是方式之一,在这个过程中因为加热不当可能造成以下缺陷:
①由于介质影响使坯料外层组织化学状态变化而引起的缺陷,如氧化、脱碳、增碳和渗硫、渗铜等。
②由内部组织结构的异常变化引起的缺陷,如过热、过烧和未热透等。
③由于温度在坯料内部分布不均,引起内应力(如温度应力、组织应力)过大而产生的坯料开裂等。下面介绍其中几种常见的缺陷,其余的可见有关的实例。
1.脱碳
脱碳是指金属在高温下表层的碳被氧化,使得表层的含碳量较内部有明显降低的现象。
脱碳层的深度与钢的成分、炉气的成分、温度和在此温度下的保温时间有关。采用氧化性气氛加热易发生脱碳,高碳钢易脱碳,含硅量多的钢也易脱碳。
脱碳使零件的强度和疲劳性能下降,磨损抗力减弱,见实例14、刀。关于脱碳的详细介绍见第三章第一节。
2.增碳
经油炉加热的锻件,常常在表面或部分表面发生增碳现象。有时增碳层厚度达1.5~1.6mm,增碳层的含碳量达1%(质量分数)左右,局部点含碳量甚至超过2%(质量分数),出现莱氏体组织。
这主要是在油炉加热的情况下,当坯料的位置靠近油炉喷嘴或者就在两个喷嘴交叉喷射燃油的区域内时,由于油和空气混合得不太好,因而燃烧不完全,结果在坯料的表面形成还原性的渗碳气氛,从而产生表面增碳的效果,见实例12、13。
增碳使锻件的机械加工性能变坏,切削时易打刀。
3.过热
过热是指金属坯料的加热温度过高,或在规定的锻造与热处理温度范围内停留时间太长,或由于热效应使温升过高而引起的晶粒粗大现象。
碳钢(亚共析或过共析钢)过热之后往往出现魏氏组织。马氏体钢过热之后,往往出现晶内织构,工模具钢往往以一次碳化物角状化为特征判定过热组织。钛合金过热后,出现明显的β相晶界和平直细长的魏氏组织。合金钢过热后的断口会出现石状断口或条状断口。过热组织,由于晶粒粗大,将引起力学性能降低,尤其是冲击韧度。
一般过热的结构钢经过正常热处理(正火、淬火)之后,组织可以改善,性能也随之恢复,这种过热常被称之为不稳定过热;而合金结构钢的严重过热经一般的正火(包括高温正火)、退火或淬火处理后,过热组织不能完全消除,这种过热常被称之为稳定过热。
关于过热的详细介绍见第三章第三节和实例8、9、10、15、16、55、88、90、92。
4.过烧
过烧是指金属坯料的加热温度过高或在高温加热区停留时间过长,炉中的氧及其它氧化性气体渗透到金属晶粒间的空隙,并与铁、硫、碳等氧化,形成了易熔的氧化物的共晶体,破坏了晶粒间的联系,使材料的塑性急剧降低。过烧严重的金属,撤粗时轻轻一击就裂,拔长时将在过烧处出现横向裂纹。
过烧与过热没有严格的温度界线。一般以晶粒出现氧化及熔化为特征来判断过烧。对碳钢来说,过烧时晶界熔化、严重氧化工模具钢(高速钢、Cr12型钢等)过烧时,晶界因熔化而出现鱼骨状莱氏体。铝合金过烧时出现晶界熔化三角区和复熔球等。锻件过烧后,往往无法挽救,只好报废,见实例17、18、50、65、66。
5.加热裂纹
在加热截面尺寸大的大钢锭和导热性差的高合金钢和高温合金坯料时,如果低温阶段加热速度过快,则坯料因内外温差较大而产生很大的热应力。加之此时坯料由于温度低而塑性较差,若热应力的数值超过坯料的强度极限,就会产生由中心向四周呈辐射状的加热裂纹,使整个断面裂开,见实例49。
6.铜脆
铜脆在锻件表面上呈龟裂状。高倍观察时,有淡黄色的铜(或铜的固溶体)沿晶界分布。
坯料加热时,如炉内残存氧化铜屑,在高温下氧化钢还原为自由铜,熔融的钢原子沿奥氏体晶界扩展,削弱了晶粒间的联系。另外,钢中含铜量较高[>2%(质量分数)]时,如在氧化性气氛中加热,在氧化铁皮下形成富铜层,也引起钢脆。
