我们知道热处理过程中加热过热最易导致奥氏体晶粒的粗大，使零件的机械性能下降。
1.一般过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，引起奥氏体晶粒粗化称为过热。粗大的奥氏体晶粒会导致钢的强韧性降低，脆性转变温度升高，增加淬火时的变形开裂倾向。而导致过热的原因是炉温仪表失控或混料（常为不懂工艺发生的）。过热组织可经退火、正火或多次高温回火后，在正常情况下重新奥氏化使晶粒细化。
2.断口遗传：有过热组织的钢材，重新加热淬火后，虽能使奥氏体晶粒细化，但有时仍出现粗大颗粒状断口。产生断口遗传的理论争议较多，一般认为曾因加热温度过高而使MnS之类的杂物溶入奥氏体并富集于晶界面，而冷却时这些夹杂物又会沿晶界面析出，受冲击时易沿粗大奥氏体晶界断裂。
3.粗大组织的遗传：有粗大马氏体、贝氏体、魏氏体组织的钢件重新奥氏化时，以慢速加热到常规的淬火温度，甚至再低一些，其奥氏体晶粒仍然是粗大的
一． 气氛与钢铁的化学反应
1. 氧化
2Fe＋O2→2FeO
Fe＋H2O→FeO＋H2
FeC＋CO2→Fe＋2CO
2. 还原
FeO＋H2→Fe＋H2O FeO＋CO→Fe＋O2
3. 渗碳
（2006-06-05 13:48:42 ）
2CO→［C］＋CO2
Fe＋［C］→FeC
CH4→［C］＋2H2
4.渗氮
2NH3→2［N］＋3H2
Fe＋［N］→FeN
二． 各种气氛对金属的作用
氮气：在≥1000度时会与Cr,CO,Al.Ti反应
氢气：可使铜，镍，铁，钨还原。当氢气中的水含量达到百分之0.20.3时，会使钢脱碳
水：≥800度时，使铁、钢氧化脱碳，与铜不反应
一氧化碳：其还原性与氢气相似，可使钢渗碳
三． 各类气氛对电阻组件的影响
镍铬丝，铁铬铝：含硫气氛对电阻丝有害
钢的氮化及碳氮共渗
钢的氮化（气体氮化）
概念：氮化是向钢的表面层渗入氮原子的过程，其目的是提高表面硬度和耐磨性，以及提高疲劳强度和抗腐蚀性。
它是利用氨气在加热时分解出活性氮原子，被钢吸收后在其表面形成氮化层，同时向心部扩散。
氮化通常利用专门设备或井式渗碳炉来进行。适用于各种高速传动精密齿轮、机床主轴（如镗杆、磨床主轴），高速柴油机曲轴、阀门等。
氮化工件工艺路线：锻造－退火－粗加工－调质－精加工－除应力－粗磨－氮化－精磨或研磨。
由于氮化层薄，并且较脆，因此要求有较高强度的心部组织，所以要先进行调质
铍青铜的热处理
铍青铜是一种用途极广的沉淀硬化型合金。经固溶及时效处理后，强度可达1250-1500MPa(1250-1500公斤)。其热处理特点是：固溶处理后具有良好的塑性，可进行冷加工变形。但再进行时效处理后，却具有极好的弹性极限，同时硬度、强度也得到提高。
（1） 铍青铜的固溶处理
一般固溶处理的加热温度在780-820℃之间，对用作弹性组件的材料，采用760-780℃，主要是防止晶粒粗大影响强度。固溶处理炉温均匀度应严格控制在±5℃。保温时间一般可按1小时/25mm计算，铍青铜在空气或氧化性气氛中进行固溶加热处理时，表面会形成氧化膜。虽然对时效强化后的力学性能影响不大，但会影响其冷加工时工模具的使用寿命。为避免氧化应在真空炉或氨分解、惰性气体、还原性气氛（如氢气、一氧化碳等）中加热，从而获得光亮的热处理效果。此外，还要注意尽量缩短转移时间（此淬水时），否则会影响时效后的机械性能。薄形材料不得超过3秒,一般零件不超过5秒。淬火介质一般采用水（无加热的要求），当然形状复杂的零件为了避免变形也可采用油。
（2） 铍青铜的时效处理
铍青铜的时效温度与Be的含量有关，含Be小于2.1%的合金均宜进行时效处理。对于Be大于1.7%的合金，最佳时效温度为300-330℃，保温时间1-3小时（根据零件形状及厚度）。Be低于0.5%的高导电性电极合金，由于溶点升高，最佳时效温度为450-480℃，保温时间1-3小时。近年来还发展出了双级和多级时效，即先在高温短时时效，而后在低温下长时间保温时效，这样做的优点是性能提高但变形量减小。为了提高铍青铜时效后的尺寸精度，可采用夹具夹持进行时效，有时还可采用两段分开时效处理。
（3） 铍青铜的去应力处理
铍青铜去应力退火温度为150-200℃，保温时间1-1.5小时，可用于消除因金属切削加工、校直处理、冷成形等产生的残余应力，稳定零件在长期使用时的形状及尺寸精度。
热处理残余力是指工件经热处理后最终残存下来的应力,对工件的形状,&127;尺寸和性能都有极为重要的影响。当它超过材料的屈服强度时,&127;便引起工件的变形,超过材料的强度极限时就会使工件开裂,这是它有害的一面,应当减少和消除。但在一定条件下控制应力使之合理分布,就可以提高零件的机械性能和使用寿命,变有害为有利。分析钢在热处理过程中应力的分布和变化规律,使之合理分布对提高产品质量有着深远的实际意义。例如关于表层残余压应力的合理分布对零件使用寿命的影响问题已经引起了人们的广泛重视。
一、钢的热处理应力工件在加热和冷却过程中,由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致,形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力,即热应力。在热应力的作用下,由于表层开始温度低于心部,收缩也大于心部而使心部受拉,当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压心部受拉。即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。这种现象受到冷却速度,材料成分和热处理工艺等因素的影响。当冷却速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大,最后形成的残余应力就愈大。另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时,因比容的增大会伴随工件体积的膨胀,&127;工件各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。组织应力变化的最终结果是表层受拉应力,心部受压应力,恰好与热应力相反。组织应力的大小与工件在马氏体相变区的冷却速度,形状，材料的化学成分等因素有关。实践证明,任何工件在热处理过程中,&127;只要有相变,热应力和组织应力都会发生。&127;只不过热应力在组织转变以前就已经产生了，而组织应力则是在组织转变过程中产生的,在整个冷却过程中,热应力与组织应力综合作用的结果,&127;就是工件中实际存在的应力。这两种应力综合作用的结果是十分复杂的,受着许多因素的影响,如成分、形状、热处理工艺等。就其发展过程来说只有两种类型,即热应力和组织应力,作用方向相反时二者抵消,作用方向相同时二者相互迭加。不管是相互抵消还是相互迭加,两个应力应有一个占主导因素,热应力占主导地位时的作用结果是工件心部受拉,表面受压。&127;组织应力占主导地位时的作用结果是工件心部受压表面受拉。
弧裂,虽以整体快速冷却为必要的形成条件，可是它的真正形成原因,却不在快速冷却(包括马氏体转变区内)本身,而是淬火件局部位置(由几何结构决定),在高温临界温度区内的冷却速度显着减缓,因而没有淬硬所致&127;。产生在大型非淬透性件中的横断和纵劈,是由以热应力为主要成份的残余拉应力作用在淬火件中心&127;,而在淬火件末淬硬的截面中心处,首先形成裂纹并由内往外扩展而造成的。为了避免这类裂纹产生，往往使用水--油双液淬火工艺。在此工艺中实施高温段内的快速冷却,目的仅仅在于确保外层金属得到马氏体组织,&127;而从内应力的角度来看,这时快冷有害无益。其次,冷却后期缓冷的目的,主要不是为了降低马氏体相变的膨胀速度和组织应力值,而在于尽量减小截面温差和截面中心部位金属的收缩速度,从而达到减小应力值和最终抑制淬裂的目的
35SiMn2MoV钢不同等温温度的表面残余应力可见表面残余应力状态对渗碳等温淬火的等温温度是很敏感的。不仅等温温度对表面残余压应力状态有影响,而且等温时间也有一定的影响。有人对35SiMn2V钢在310℃等温2分钟,10分钟,90分钟的残余应力进行过测试。2分钟后残余压应力为-20kg/mm,10分钟后为-60kg/mm,60分钟后为-80kg/mm,60分钟后再延长等温时间残余应力变化不大。从上面的讨论表明,渗碳层与心部马氏体转变的先后顺序对表层残余应力的大小有重要影响。渗碳后的等温淬火对进一步提高零件的疲劳寿命具有普遍意义。此外能降低表层马氏体开始转变温度
众所周知，在渗碳过程中，渗碳速度受煤油的分解、活性碳原子的吸收及碳原子的扩散三方面的影响。 (1)煤油的分解温度在8750C左右，在高于9000C的温度下，它分解比较完全，可能认为不受温度和时间的影响。 (2)活性碳原子的吸附主要与渗入钢中的成分和活性碳原子的析出速度有关。所以渗速主要取决于扩散过程。 (3)根据菲克第一定律，提高渗层表面的浓度梯度是加快渗速的重要途径。在渗碳的初始阶段，化学吸附了大量的活性碳原子，被贫碳表面强裂吸附，因此钢的渗层主要由渗层最外层的高浓度梯度所形成，产生了很高的碳浓度梯度。所以刚开始渗碳阶段，渗速比较大，随碳原子的渗入，碳浓度梯度逐渐下降，这样，渗速也就减慢。 (4)在同一渗碳的时间下随温度的升高，渗层增厚。这是由于随温度的升高，活性碳原子的活性提高，因此扩散速度也提高了。因此，渗层深度随渗碳时间的增加而增加，随渗碳温度的升高而加深，但渗速随时间的延长而减慢。3.3 渗碳温度、渗层厚度对抗压负荷的影响
高碳马氏体以共格切变方式形成，当它长大到与其它马氏体片或晶界相遇时会产生冲击，形成应力场。由于高碳马氏体很脆，不能通过变形或滑移消除应力，导致微裂纹产生。且随马氏体针长度的增加，裂纹的敏感度也增加。热处理原理认为，表面针状马氏体的粗细，将直接影响渗层表面的接触疲劳寿命。粗针状马氏体中的微裂纹是引起接触疲劳破坏的天然裂纹源。 原工艺生产的钢珠，不仅渗层马氏体粗大(6～7级)，且残留奥氏体也呈粗大状，分布也不均匀。同时由于降温，析出非均匀的网状K，使表层马氏体转变量相对减少，表面的碳浓度为1.0%左右，这将进一步降低渗层的强韧性。新工艺生产的钢珠，表层针状马氏体较细(5级)，表面浓度0.8%左右，几乎看不出K存在，少量残留奥氏体也较均匀分布于细针状马氏体基体中，从而使表层的脆性降低，疲劳性能提高。
用于自行车的钢珠破坏的主要形式是疲劳破坏，但因疲劳破坏试验所需的时间较长，故企业大多采用压碎负荷来检测。但两者之间却没有一定的对应关系。从试验结果来看，新工艺疲劳强度值在渗层厚度等于0.75mm时最大，而抗压碎值随渗层的增厚而增加，也即随渗碳时间的延长而增加，但疲劳强度却同时降低了。以后轮载重500kg计算可知，钢珠的负荷不超过2 250N，这就是为什幺不选用抗压碎负荷较高的长时间渗碳方法而采用疲劳强度较高而抗压碎负荷较低的热处理方法的原因。
1 引言 钢珠的主要失效方式是接触疲劳剥落，但现行的钢珠质量标准却只检查其压碎负荷的大小和硬度，而对钢珠的接触疲劳性能却未作要求。以自行车钢珠为例，压碎负荷国标为15 500N，部优为16 700N，硬度为HRC60～65。生产厂家为了达到对压碎负荷的高标准要求，均按高温渗碳、降温淬火工艺(以下称原工艺)进行生产(图1)，钢珠的渗层厚度达到了1.2～1.4mm。如此厚的渗层，虽使压碎负荷达到了要求，但对钢珠的接触疲劳性能影响如何，尚属未知。另外由于该工艺采用的是高温渗碳、降温淬火，不仅生产周期长、生产成本高，而且渗层中还析出了不均匀的网状碳化物，心部析出铁素体，不利于接触疲劳性能的提高。 本文将研究在不降低钢珠压碎负荷的前提下，提出新工艺，尽可能提高其疲劳性能，降低成本，增加经济效益。其次将研究尽量采用较低的渗碳温度，以提高炉罐寿命(因为生产所用的渗碳罐是由钢板焊接而成，渗碳温度的变化对其寿命影响很显着)。2 研究项目及方法2.1研究项目 (1)在不同温度(9000C，9050C，9100C，9200C)对钢珠渗碳直接淬火，考查其裂纹倾向。 (2)测定渗层厚度渗碳温度、渗碳时间的关系。 (3)渗碳温度及渗碳深度对抗压碎负荷的影响。 (4)煤油滴量对压碎负荷的影响。 (5)在优选温度下，渗碳层深度对接触疲劳性能的影响。 (6)通过上述研究，提出有利于钢珠质量提高、成本降低的新工艺。2.2试验材料及试样 试验材料为15号钢，其化学成分为：0.15%C，0.15%Si，0.40%Mn，0.03%S，0.02%P。试样为该材料加工成型的?姬?6钢珠。2.3研究方法及设备 (1)渗碳采用RTS-45-12滚筒式气体渗碳炉。 (2)采用VWPL型万能试验机对三个钢珠进行压碎试验，以平均压碎值为准。 (3)接触疲劳测定采用KG型疲劳试验机，加载200kg，转速2200r/min，每次9粒，滚动磨损，以出现针状麻点为失效标准，行业检查1h为合格。 (4)用JXA840扫描电镜分析断口。 (5)渗碳层浓度测定采用Y2型x射线分析仪。3 验结果分析 3.1渗碳后直接淬火的钢珠的裂纹倾向 对不同温度下渗碳后直接淬火的钢珠及原工艺未淬火的钢珠分别进行酸洗，检查其裂纹情况。即可见，裂纹个数均在5%～8%之间。裂纹形状、宽度、深度基本一致。这说明裂纹是在轧球过程中产生的，而非淬火产生的，因而采用直接淬火方式应是可行的。3.2 渗碳温度及渗碳时间对渗层厚度的影响 对于采用不同温度(9000C，9050C，9100C，9150C，9200C，9300C)、不同渗碳时间(2.5h，3h，3.5h，4.5h)处理的试样，测量其渗碳深度。亦由此得出结论：在同一温度曲线，开始渗碳速度(V始)较大，随时间的增加，渗碳速度(V)下降，渗层随时间增加而加厚。现对此分析。 众所周知，在渗碳过程中，渗碳速度受煤油的分解、活性碳原子的吸收及碳原子的扩散三方面的影响。 (1)煤油的分解温度在8750C左右，在高于9000C的温度下，它分解比较完全，可能认为不受温度和时间的影响。 (2)活性碳原子的吸附主要与渗入钢中的成分和活性碳原子的析出速度有关。所以渗速主要取决于扩散过程。 (3)根据菲克第一定律，提高渗层表面的浓度梯度是加快渗速的重要途径。在渗碳的初始阶段，化学吸附了大量的活性碳原子，被贫碳表面强裂吸附，因此钢的渗层主要由渗层最外层的高浓度梯度所形成，产生了很高的碳浓度梯度。所以刚开始渗碳阶段，渗速比较大，随碳原子的渗入，碳浓度梯度逐渐下降，这样，渗速也就减慢。 (4)在同一渗碳的时间下随温度的升高，渗层增厚。这是由于随温度的升高，活性碳原子的活性提高，因此扩散速度也提高了。因此，渗层深度随渗碳时间的增加而增加，随渗碳温度的升高而加深，但渗速随时间的延长而减慢。3.3 渗碳温度、渗层厚度对抗压负荷的影响 对不同渗碳温度及不同渗碳层深的试样进行压碎试验，测其抗压碎值，得到以下结论：渗碳温度下降，碳层变薄，但其抗压碎值不下降。 出现这种情况的原因是渗碳淬火钢珠的抗压碎负荷取决于渗层(厚度及浓度梯度)和心部两部分的强度。采取较低温度(9150C)薄层(0.8mm)渗碳直接淬火，一方面表层获得了较细的马氏体组织，改善了表层组织，提高了渗层的强韧性；另一方面心部可得到全部高强度的低碳马氏体组织(HRC45左右)，也有利于压碎负荷的提高。而原工艺用较高的温度(9300C)长时间渗碳，随后随炉降温至820℃淬火，这不但明显粗化了渗层的马氏体组织，而且在随炉降温过程中，表层析出网状碳化物，使表层组织恶化，硬度降低，脆性增大；在心部析出较多的铁素体或生成屈氏体，心部组织为粗板条的马氏体及托氏体，硬度为HRC36左右。综上所述，采用较低的温度薄层渗碳，直接淬火，有利于钢珠抗压碎负荷的提高。 另外，波谱分析表明，在低温(9150C)渗碳5h的试样渗层碳浓度平缓。而原工艺渗层碳浓度过高，虽经1.25h扩散，浓度梯度仍不够平缓。试验断口分析也可证明这一点。 新工艺的压碎断口是典型的韧性准解理，有撕裂棱和韧离，裂纹沿过渡层发展，且它的浓度梯度过渡比较平缓，这样渗碳层和心部基体结合比较紧密。当受外力时，不易出现剥落现象，这就降低了裂纹的扩展能力，使抗压强度提高。裂纹是沿晶界产生并扩展的，距表面约0.5mm。相反，原工艺的断口是脆性准解理，断口裂纹从表层至过渡层，然后沿过渡层扩展，经历沿晶发展准解理，使抗压强度降低，裂纹有一部分是沿晶断裂，另一方面是脆性断裂，断裂距离表面约为0.6mm。3.4 滴量对抗压碎值的影响，对优选的温度进行变滴量试验，测其抗压碎值。得出结论：煤油滴量在6ml/min的抗压碎值较高。
