2.2　过热与过烧

2.2.1　过热

（1）过热产生的原因　过热是指亚共析钢或过共析钢在远高于A₃或Ac_m温度下，长时间加热导致钢实际晶粒度的粗大。过热钢呈石状断口，表面呈小丘状粗晶结构，无金属光泽。零件在热处理设备中加热时，由于超过淬火加热温度过高或高温下停留时间过长等，奥氏体晶粒迅速长大，以致力学性能显著下降，或晶粒显著长大的现象称之为过热。一般规律为，如果钢材的加热温度超过预定的奥氏体化温度150℃以上，通常称为过热。碳钢及合金钢温度>950℃，工具钢以及高碳铬轴承钢温度>1000℃，其特征为淬火后马氏体针叶粗大，将会引起淬火后的零件变形和开裂，而粗大的马氏体还会造成零件机械强度的降低，韧性显著下降，马氏体的裂纹呈节状。因此在零件的加热过程中，有针对性地分析零件的具体结构、材料的特性和热处理技术要求等，在热处理设备的选定、工艺的执行以及冷却方式等几个方面，综合考虑制订出切实可行的成熟工艺，对特殊部位等采取必要的保护手段，尽可能避免过热现象的出现。

零件在加热过程中出现过热的原因较多，从影响产品质量的六大因素进行分析，通常为人、机、料、法、环和检。它们构成了零件热处理后能否满足技术要求的基本要因，因此任何缺陷或不足都应从以上几个方面找到真正的根源，然后采取相应的措施和合理的工艺，就能确保零件的热处理达到所需的效果。

零件中出现马氏体裂纹是发生淬火裂纹的根源，不管采用断续淬火、分级淬火还是等温淬火均无法防止淬火裂纹的产生。零件发生过热还同热处理加热设备类型有关，其概率自高至低的趋势为燃油炉、电炉、盐浴炉、流动粒子炉、可控气氛炉、真空炉等。

综观零件的过热特征，不难发现影响过热的因素可归纳为以下几点：

①零件的原材料组织不良，如工具钢锻造、退火后，球化组织不合格，或碳化物偏析、有网状碳化物；

②加热时温度过高或保温时间过长，造成晶粒的急剧长大；

③零件在热处理设备加热区内放置不当，在靠近电极或加热元件附近产生过热；

④对截面尺寸变化大的零件，由于加热方式和放置等工艺方法选择不当，在零件的薄壁、尖角或尺寸较小位置处会产生过热现象。

（2）零件过热的特征和防止措施　零件在热处理过程中，由于加热温度过高，将出现过热组织，其过热组织一般包括结构钢晶粒粗大、马氏体粗大、残余奥氏体过多、魏氏组织，高速钢的网状碳化物、共晶组织（即莱氏体组织）、萘状断口，马氏体不锈钢（耐热钢）中的铁素体过多等，同时过热零件的外表粗糙，犹如鳄鱼皮一般。具体特征和预防措施见表2-13。

从过热的原因和后果来分析，采取正确选择加热温度，适当缩短保温时间，严格控制炉内温度等工艺措施和方法，则可基本避免出现过热现象。零件的过热组织如图2-16。

对于已经产生过热的零件，要根据其具体要求进行挽救。过热组织按正常热处理工艺消除的难易程度，一般分为稳定过热和非稳定过热两种，对于非稳定过热组织是指过热1～2级，采用正火、退火后可以细化晶粒，重新按正常的工艺淬火，即可达到零件的技术要求。考虑到零件已经有过热的情况，为了确保零件热处理后的技术要求和力学性能，应当采用较低的加热温度和较短的加热时间。而稳定过热组织是无法采用正常的热处理工艺消除，只能通过另外的方法来解决，例如高温形变和退火的复合工艺可处理该类过热组织。

2.2.2　过烧

（1）过烧的概念和原因　金属和合金在氧化性气氛中加热过程中，由于加热温度在1200℃以上，奥氏体的晶粒晶界发生了严重氧化甚至熔化的现象称为过烧，其表面粗糙不平，显微组织粗化，并在晶间形成氧化物，在特定的晶界面形成具有一定几何特征的冷却转变组织。过烧零件晶界之间的强度很低，脆性大，在外力作用下，会沿晶断裂，无法满足零件力学性能的要求，对于重要的零件而言，只能做报废处理。零件的过烧多是在钢轧、锻等过程中产生的，因此严格控制零件的加热温度，合理选择工艺参数是防止过烧的重要手段。过烧组织使零件的性能严重恶化，是产生热处理裂纹的重要原因之一，故零件在热处理过程中是不允许出现这类致命缺陷的。图2-17所示为典型的过烧组织。

从图2-17中可以看出，晶粒的晶界已经熔化，碳化物呈现空洞，宏观断口为灰色无光泽。零件的过烧将造成人力、物力和财力的严重浪费，应引起热处理工程技术人员以及操作者的高度重视。

（2）过烧的特征

对于高速钢和不锈钢工件而言，其内部的碳化物在加热过程中，若加热温度过高或保温时间过长或温度失控，很容易造成零件的过热或过烧，由此引发热处理裂纹的产生。对断裂的高速钢刀具进行显微分析，表面有许多裂纹存在，有一定数量的共晶莱氏体，其形状为尖角，同时有局部熔化现象，一旦温度升到1300℃以上，将产生晶界熔化，引起组织的过烧。因此对于高合金钢和高速钢等而言，要严格控制炉内温度和保温时间，采用超温报警、自动断电等控制手段，从根本上避免出现过烧缺陷。

零件在锻造或热处理时，如果加热温度过高也会产生过烧，甚至开裂。其特征是在材料表面上呈龟状裂纹，严重时在裂纹处存在黑色的氧化物，做金相分析可看到粗大的网状分布的裂纹。该类缺陷通常还伴随着晶粒粗大，魏氏组织以及裂纹附近的氧化、脱碳现象，因此其危害很大，必须采取相应的措施防止产生此类缺陷。图2-18是40钢在锻造时所产生的缺陷，左侧显示材料表面粗糙不平，右侧为自表面伸向内部的裂纹，从图中可以看出在裂纹的表面附近有脱碳现象。

2.2.3　防止零件过热和过烧的措施

零件在热处理过程中，良好的热处理组织是获得技术要求的基础和根本，一旦因为出现热处理缺陷，将会造成人力、物力和财力的浪费，更为严重的是有可能带来灾难性的事故，因此决不可掉以轻心，现将零件在实际热处理过程中采取的措施归纳如下。

①根据零件的热处理技术要求，确定采用的热处理加热设备和加热介质，正确选择淬火加热温度和高温停留（保温）时间，进行工艺试验，合理确定该零件的各项工艺参数。必要时采用正交法筛选出最佳的热处理工艺，例如温度、时间、放置方式、装炉量等。

②防止设备的控温仪表失灵，要定期鉴定，确保其灵敏度。对连续生产热处理炉要8h或12h校验温度，同时检查热电偶的外套有无烧损而影响了控温。

③经常观察炉膛的颜色深浅，对于盐浴炉除采用热电偶控制外，用光学高温计等来观察炉内颜色与零件的加热温度是否一致，要及时排除故障。必要时采用金相法观察零件的晶粒度，来确定最佳的加热温度。

④合理装炉，尤其是零件在盐浴炉中加热时，其吊挂方式、与加热源（电极）的距离、是否插入底部盐渣等有直接的关系。另外零件必须在热处理设备中加热有效区进行加热，避免出现零件本身内外温差的增大，同时定期进行炉温均匀性的测试，确保其温度满足热处理技术要求。