热处理操作中常见的故障有哪些？如何防止变形、开裂和软点？

热处理中最常见的故障是尺寸变形、表面开裂、硬度不正确和表面退化。这些问题几乎总是源于对三个关键变量失去控制：温度、时间和冷却速率。

热处理故障并非随机事件。它们是由于所选工艺参数、材料性能和零件物理设计之间不匹配而导致的可预测结果。了解根本原因才是预防的关键。

热处理故障的剖析

故障大致可分为四种主要类型。每种类型都指向工艺、材料或设计中的不同问题。

变形是指零件尺寸或形状相对于其原始尺寸发生变化。这发生在不均匀加热或冷却的情况下。

当钢材被加热和冷却时，它会膨胀和收缩。如果组件的一部分比另一部分加热或冷却得更快，这些体积变化会产生内应力，从而使零件永久弯曲、扭曲或翘曲。

开裂是最具灾难性的故障。淬火裂纹是最常见的形式，当快速冷却产生的热应力超过材料强度时发生。

这在淬透性高的钢材或几何形状复杂的零件中尤为常见。脆性虽然不那么明显，但同样危险，当零件达到高硬度但没有韧性时就会发生，使其在冲击下容易断裂。

这些故障与热零件和炉内气氛之间的化学反应有关。

脱碳是表面碳的流失，导致形成一层柔软的外层，其耐磨性和疲劳强度较差。氧化皮或氧化会在表面形成粗糙、易剥落的层，这会影响最终尺寸和性能。

这是一个隐蔽但关键的故障。零件可能看起来很完美，但它缺乏所需的内部结构和机械性能。

这可能表现为软点（未能硬化的区域），或者整个零件可能太软或太硬。这是未能达到正确温度或冷却零件过慢以形成所需微观结构（例如马氏体）的直接结果。

查明原因需要审视整个过程，而不仅仅是最终的淬火步骤。

加热零件过快是变形的主要原因。表面加热和膨胀比核心快得多，在零件甚至达到目标温度之前就产生了内应力。

“保温”阶段，即零件保持在一定温度下，对于金相转变至关重要。如果时间太短，转变不完全，导致软点。如果时间太长，晶粒会生长过大，降低韧性。

冷却阶段是大多数开裂故障发生的地方。对于材料或几何形状而言，过于剧烈（过快）的淬火会导致巨大的热应力。相反，过慢的淬火将无法达到必要的硬度。

淬火介质的选择——水、油、聚合物或空气——是整个过程中最重要的决定之一。

通常，热处理过程会因更早开始的故障而受到指责。含有夹杂物的劣质钢材、重型加工产生的残余应力或不良的零件设计都可能导致故障。

实现完美结果涉及平衡相互竞争的因素。了解这些权衡对于成功至关重要。

热处理中的基本权衡是，随着硬度的增加，韧性（和延展性）通常会降低。追求最大硬度往往会增加脆性和开裂的风险。目标始终是为应用找到最佳平衡点。

试图通过过快加热或冷却来加速热处理循环是一种错误的节约。它是导致变形和淬火裂纹的主要原因之一。成功的工艺优先考虑均匀性和控制，而不是原始速度。

设计是一个关键且经常被忽视的因素。尖锐的内角、靠近边缘的钻孔以及从厚到薄截面的突然变化都是应力集中器。这些区域以不同的速率冷却，并成为淬火过程中形成裂纹的主要位置。

通过了解故障背后的原理，您可以设计出稳健且可重复的热处理工艺。

掌握这些变量将热处理从风险源转变为创建高性能组件的强大工具。