2.3　氧化与脱碳实例分析

2.3.1　钢板弹簧的氧化和脱碳

钢材的表面脱碳是很难避免的，区别在于脱碳层厚薄的差异，因此在零件的加热过程中，如何采取必要的措施进行预防和控制是热处理操作者的首要任务。对于零件热处理后需要全加工的，轻微的脱碳是允许的，而热处理后不再进行加工的零件，表面脱碳将降低零件的硬度、使用寿命和疲劳强度等，严重的则成为废品。对于弹簧钢板而言，脱碳的危害更大，因此要引起我们的高度重视，在实际的热处理工艺执行过程中，确保实现无氧化脱碳加热。

通过对55Si2Mn不同脱碳层厚度的钢板弹簧进行弯曲疲劳试验，表明钢板表面脱碳层越深则疲劳强度越低（当脱碳层深0.141mm时，疲劳极限只有343MPa），而无脱碳层则疲劳强度明显提高（559MPa），具体见表2-14。因此脱碳层的存在对钢板弹簧的使用寿命有重要的影响，只有确保材料热处理前后的表面状态（成分、受力状态等）没有改变，才能满足其高疲劳强度的需要。

通过分析55Si2Mn脱碳对疲劳极限的影响，可以确定脱碳与未脱碳相比，二者的疲劳强度相差59%。

一组中吨位载重车的钢板弹簧进行台架疲劳试验，按要求其正常的疲劳寿命在50万次以上，而部分弹簧只有20万～30万次，经过检查，材料的化学成分合格，该弹簧的硬度在477HB，显微组织为回火托氏体＋少量的条状索氏体，组织属于正常状态，但钢板弹簧表面存在严重的脱碳现象（图2-19），脱碳层总厚度在0.35～0.45mm。可见表面的严重脱碳，降低了材料的疲劳强度，因此在反复交变应力的作用下，造成早期的疲劳断裂。

对弹簧钢板进行应力抛丸和弹簧棱边喷丸，可以明显提高其使用寿命。喷丸后钢板表面呈现塑性变形，可以抵消工作过程中的承受的弯曲压应力，抗拉强度提高25%以上。通常抛丸是对板簧的凹面喷射，抛丸或喷丸可除掉弹簧钢板上黏附的残盐或油垢及氧化皮等，使表面清洁呈银灰色，砂粒直径在0.5～1mm，压力在0.3～0.66MPa，喷射角度为30°～40°。喷丸强化处理可明显提高疲劳寿命、耐蚀性和耐热性，采取强压（弯、扭、拉）也是改善弹簧拉应力松弛的有效方法。该方法主要用于承受循环载荷，容易发生疲劳损坏的各种压缩弹簧、钢板弹簧和扭杆弹簧等，在其成型及热处理后进行。研究发现弹簧经过强化喷丸处理后减轻或消除了弹簧表面缺陷（如小裂纹、凹凸、缺口以及表面脱碳等）的有害作用，表层产生循环的塑性变形、加工硬化和有利的残余压应力，可有效提高疲劳寿命。

2.3.2　螺栓的表面脱碳

螺栓、螺母、弹簧垫圈和销轴广泛应用于机械行业中，起到连接、紧固、定位以及密封零件的作用，因此要求拧紧螺栓必须均匀拉伸，其本身要承受预紧力的作用，同时具有高的抗拉强度和弯曲强度、一定的抗剪切能力等。螺栓、螺母、弹簧垫圈和销轴的应用十分广泛，在实际工作中它们要承受拉力、压力、剪切力、扭转力及摩擦力等外力的综合作用。螺栓连接零件的载荷不同，故应力状态不尽相同，因此制作紧固件的材料应具有高的强度和韧性，同时要求耐磨性好，零件表面不允许有脱碳现象。

一般螺栓是在钢材冷拔后冷镦成形的，其表面不再进行机械加工。切削成形的螺栓和螺母的表面应无脱碳层，必须在脱氧良好的盐浴炉中进行热处理，但对于冷镦成形则原材料的脱碳层仍然保留在零件的表面，经过滚压后被挤向牙尖，见图2-20。因此为确保产品质量必须在能控制碳势的可控气氛炉中进行适度复碳处理。对不同的脱碳层进行反复的装卸试验，结果表明表面脱碳程度直接影响着螺栓的寿命，具体影响情况见表2-15。

含碳量不同的铬钢螺栓，经过调质处理后进行疲劳试验，含碳量不同则调质处理后的硬度存在差异，因此疲劳强度显著不同，具体见图2-21。表面增碳或脱碳集中反映在螺纹的连接处（牙型面），当螺纹表面碳含量增高，则造成此位置韧性的降低，脆断倾向增加；相反表面脱碳后，强度降低导致出现早期的疲劳断裂。可以看出在碳含量为0.4%时，相当于40Cr钢表面的碳含量此时具有最高的疲劳寿命，因此如果表面出现脱碳或增碳，都会降低其疲劳寿命，实现螺栓的无氧化加热显得尤为重要。

螺栓是采用冷拔工艺制成的，在制造过程中有时因材料表面本身存在发纹，导致端部开裂；冷拔时常见的缺陷是出现横向裂纹，此时检查会发现裂纹附近有塑性变形现象。因此对螺栓而言，冷拔工艺不当或材料自身的缺陷均会造成零件的报废。

考虑到螺栓生产批量大，对螺纹部分要求十分严格，因此其热处理设备应具有连续生产能力和自动化程度高、质量稳定、造价和运行成本低等特点。目前，国内外的标准件制造企业将保护气氛连续作业炉应用于热处理中，其主要设备炉型有振底炉、网带炉和铸链炉等，振底炉和网带炉的应用最为广泛。从成本、维修、热效率等几方面来比较，振底炉最佳，网带炉居中，在加热过程中滴入甲醇、乙醇，通入高纯氮气即可实现螺栓的保护性加热。网带炉又分为马弗罐和无马弗罐两种，在实际热处理过程中大多采用无马弗罐可控气氛炉进行标准件的加热和回火等。考虑到中温加热对网带的使用寿命影响不大，一条网带的维修期限长达2～3年，既节省了停炉检修的费用和时间，同时进行连续化的作业生产，提高了热处理的效率，因此国内大部分标准件热处理企业开始应用网带炉完成其加热和回火过程。

对于采用盐浴炉加热的螺栓在原材料不脱碳的前提下，要对盐浴进行充分脱氧，选择合理炉温和保温时间，对淬火工装、卡具、吊具等按时进行酸洗除锈，如有条件进行定期的喷丸或抛丸处理。确保盐浴成分中氧化物的含量符合技术要求。

40Cr制作的发动机螺栓在装配和使用过程中因拉长、拉断而失效，分析出现该问题的主要原因在于基体的强度不足、表面出现严重脱碳以及外加的载荷过大等。一般螺栓调质处理后的硬度在285～321HB，如果在螺纹处脱碳严重，其表面特征为白色的铁素体，若螺纹的根部也明显脱碳，在断口根部附近将出现明显的疲劳裂纹。

2.3.3　汽车连杆的脱碳

某中型载重车的连杆使用较短时间，便发生了疲劳断裂，见图2-22。通过分析该零件（40钢）的化学成分，表面符合技术要求，硬度为225HB。对断裂部位进行金相分析，见图2-23，连杆的心部组织为回火索氏体，但表面严重脱碳，深度在0.18～0.20mm。连杆表面脱碳后疲劳强度降低，故在其工作过程中该部位产生疲劳裂纹，发生了早期的疲劳断裂。

2.3.4　热锻40Cr连杆螺栓的局部过烧造成断裂

汽车连杆螺栓是采用40Cr等中碳低合金结构钢制造，经过调质处理后加热锻造成型，常见的热处理缺陷一般有表面脱碳、游离铁素体过多、未溶碳化物过多和组织过烧等。图2-24为断裂的40Cr热锻连杆螺栓，其断裂位置在螺杆的终结处。通过对断裂位置金相组织的观察，发现在回火索氏体中存在有沿晶界的裂纹，呈棕黑色裂纹，其两侧有白色的条状铁素体存在（图2-25）。在随后的进一步分析中，裂纹中间发现大块的氧化物（图2-26）。

从裂纹的特征可知，裂纹中间的氧化物表明螺栓内部出现的裂纹是在其淬火前已经存在的，说明连杆螺栓在热处理炉内加热时因高温加热时间长，出现局部过热，而后在镦头（或锻造）过程中形成了不规则的裂纹，因此加热时的过烧是不均匀存在的。

解决方案：

①实际的热处理过程中应严格控制加热温度和保温时间；

②加强金相组织的监督和抽查，将材料的热处理质量控制落实到具体的操作过程中去，从根本上抓好零件的热处理质量。

2.3.5　气门锥面氧化脱碳原因分析

内燃机气门是发动机内部十分重要的关键部件，目前批量气门的调质处理均采用连续式作业，具有生产效率高、保护气氛好、自动化程度高、工作环境好、无污染与噪声等特点，获得国内外气门制造厂的青睐，国内约有200余条连续式网带炉。其淬火加热温度在1030～1050℃，加热时间为35～45min，内部通氮气与甲醇裂解气，确保炉膛内是还原性气氛，要求碳势在0.40以上，加热结束采用淬火油或风冷处理，要求硬度在54HRC以上，淬火马氏体中无铁素体组织，晶粒度细于6级，表面无氧化脱碳。图2-27与图2-28为淬火网带炉与回火网带炉的外形照片。

有段时间，采用此网带炉淬火的气门盘锥面与杆部始终脱碳严重，见图2-29与图2-30。然后进行淬火网带炉的检查，发现当期甲醇与氮气的消耗量成倍增加，甲醇通过裂解气管道后在流量计上有气泡出现，在炉口处的火苗仍形不成火帘，检查氮气与甲醇纯度符合要求，故判断为炉膛漏气严重，将炉盖掀开与检查炉体后发现以下情况：

①炉盖与炉体叠压处有氧化的痕迹，说明此处密封不严，有空气进入炉膛内；

②辐射管损坏后长期冷却后抽出的方式，造成砖与炉体套管松动，且间隙较大；

③炉侧壁清渣的几个长型砖孔没有完全密封，且砖有破损，存在间隙。

解决方案：将网带炉进行大修并将裂解气管道内气泡消除，彻底根除了气门加热过程中氧化脱碳的缺陷的产生。

2.3.6　气门杆部氧化脱碳对其寿命的影响

内燃机气门是发动机内部十分重要的关键部件，其在工作过程中的运动频次在3000r/min左右，故要求其具有高的疲劳强度、良好的耐磨性、抗腐蚀性以及抗咬合性等，通常采用合金结构钢、马氏体耐热钢、奥氏体耐热钢以及高温合金等制造。其中合金结构钢和马氏体耐热钢热处理后的硬度一般为28～37HRC，晶粒度不粗于6级，气门表面不允许有氧化脱碳、杆部与盘部无裂纹等缺陷。

气门调质处理包括淬火＋高温回火处理，图2-31为4Cr10Si2Mo材料的气门，在纯度为85%的氮气保护气氛中保温30min后杆部被氧化的实物，随后在淬火后发现个别气门杆部有裂纹出现（见图2-32），通过金相分析认为是由杆部表面氧化脱碳，造成表面的M_s点（马氏体转变开始温度）升高，淬火过程中先在心部发生转变，则在表面形成较大的拉应力，导致淬火时杆部开裂。

将杆部氧化脱碳的气门磨削后（仍有轻微的麻坑），进行拉伸试验，与正常的无缺陷气门相比，抗拉强度降低了20%～25%。由此可见，氧化脱碳位置已经成为拉伸过程中的断裂原始源，故成品杆部仍存在此缺陷，将导致气门的早期失效，大大缩短气门的服役寿命。

解决方案：①加热淬火过程中，确保氮气的纯度符合要求；②每小时进行流量与氮气纯度的检测与记录，发现问题及时处理。

2.3.7　20钢冷挤压挺杆球窝处脱碳分析

冷挤压挺杆是采用20钢制造，毛坯退火后进行抛丸、酸洗、磷化、去氢和皂化，在压力机上冷挤压成形，最后高频加热堆焊合金层，喷水冷却。成品要求内球窝处硬度不低于35HRC，而有一批20钢挺杆则在出厂检验时发现内球窝处硬度仅为28HRC，为此进行原因分析。

在球窝处中间剖开，线切割正常与不合格的同类挺杆，进行化学成分与金相组织的观察，正常挺杆与硬度低挺杆的化学成分对比见表2-16，可以看出球窝处脱碳挺杆的含碳量很低，即脱碳严重，造成堆焊后水冷硬度不符合要求。脱碳层深度在0.4～0.6mm，金相组织为铁素体＋珠光体。

对本批挺杆进行工艺调查时发现，正常的20钢挺杆毛坯退火的保护介质为工业酒精，在75kW的井式渗碳炉中进行退火处理，工艺参数为850～870℃保温6h，工业酒精流量要求为150～170d/min，由于流量计失灵，实际流量为50～70d/min，炉冷到600℃出炉放入保温罐中。本批毛坯出炉后，整体呈浅红色，毛坯硬度低于110HBS，金相检查发现脱碳在0.15～0.65mm范围（超过0.30mm则属于严重的不合格）没有及时处理而流入下工序，脱碳严重造成了本批挺杆球窝处硬度不合格。

解决方案：①严格执行毛坯退火的酒精流量要求，定期校准流量计；②每小时检查并记录工业酒精的流量。

2.3.8　65Mn钢制木工锯条的脱碳分析

木工锯条材料为65Mn，其生产工艺流程为：840～850℃盐浴炉加热→热油淬火冷却→热矫直→夹板在350～370℃硝盐浴中回火→修磨→压齿→分齿→安装把手→防锈包装。在制造过程中有部分锯条热处理后弯曲和硬度低，成为废品。

①进行原材料的化学成分分析。从脱碳的锯条的手柄处取样进行化学成分分析，其符合GB/T 1222—2008中65Mn钢的规定，具体数值见表2-17。

②进行硬度检查。对于报废的锯条进行硬度的检查，淬火后其硬度为52HRC，低于61HRC的要求，回火后为37HRC，其硬度不符合≥45HRC的规定，说明脱碳严重是造成锯条硬度低的原因。

③进行金相分析。取报废的锯条进行金相观察，发现锯条表面部位产生了严重的不均匀脱碳层，见图2-33，严重的单面全脱碳达到0.13mm，半脱碳层为0.1mm，单边总脱碳层为0.23mm。该锯条厚度为1.6mm，可见单边脱碳层占了14.3%。而取残品手柄处观察原材料，金相观察发现，原材料仅有轻微的脱碳，见图2-34。

锯条加热时两侧的脱碳层厚度是不一致的，故所受的应力状态不同，即锯条向脱碳层厚的一侧弯曲。该锯条在盐浴炉中加热，尽管在加热时进行了脱氧处理，但脱氧不良，故在锯条加热过程中表面发生严重的脱碳，致使部分锯条硬度不合格和变形。

对于脱碳严重的锯条进行补救，即在900℃×2.5h的气体复碳后直接正火、淬火和夹板回火处理，其金相组织见图2-35，挽救了脱碳严重的锯条，减少了废品损失。

2.3.9　抽油杆的热处理脱碳分析与改进措施

抽油杆是开采石油的关键设备零件，材料为YG42D，化学成分（质量分数）为：0.43% C、1.00% Cr、0.19% Mo、0.80% Mn、0.25% Si、0.028% S、0.03% P。抽油杆在油管内上下往复运动，承受不对称循环载荷，发生周期性变化，同时受原油中H₂S、CO₂和盐水的腐蚀，其失效的形式多为疲劳断裂。故为了获得优良的综合力学性能，其采用传统的热处理工艺（见图2-36），即电炉加热正火，高温回火工艺处理，典型的抽油杆形状见图2-37。

考虑到抽油杆体积较大，采用链传动电炉加热时，传统的正火工艺中升温和保温的总时间为1h，同时作为大型的加热电炉（箱式炉或井式炉），采用保护气氛也比较困难，故其表面易发生严重的氧化脱碳，从而降低了抽油杆的疲劳寿命，如果增大加工余量，则周期长和能耗高，因此是不可取的。

根据抽油杆的服役条件，采用中频感应穿透加热正火工艺可有效解决该零件的氧化脱碳缺陷，正火的目的是改善抽油杆轧材及镦粗加工中产生的组织缺陷，以及细化晶粒，提高力学性能，而高温回火则是消除正火产生的内应力，稳定组织等。表2-18为两种工艺处理后的力学性能试验结果，可以看出中频感应穿透加热正火后的力学性能优于常规的工艺处理的。

采用中频感应穿透加热正火后的性能优越的原因应是组织细化的结果，一方面是提高了抽油杆的强度与韧性，另一方面晶粒细化使其疲劳强度明显提高。该工艺将晶粒度细化到11～12级，组织为珠光体上均匀分布细粒状铁素体，而电炉正火后的晶粒度在6～7级，组织为较粗大的块状铁素体与珠光体。另外中频感应穿透加热正火脱碳层深度在0.05mm以下，强力抛丸可清除掉该脱碳层，而电炉加热的表层脱碳层在0.20～0.25mm，可见采用中频感应穿透加热正火是可行的。

2.3.10　针阀体热处理锈蚀分析

柴油机针阀体（见图2-38）是柴油机的重要零件，要求其具有较高的韧性外，还要求工件加工精度高、尺寸稳定和无氧化腐蚀缺陷等，而在实际生产过程中，热处理后针阀体的内孔处与阀体座部位出现锈蚀现象，影响正常的生产作业。

该针阀体的材质为GCr15、GCr15SiMn，其热处理工艺流程为盐浴加热→油冷或硝盐浴冷却→清洗→回火→清洗→时效处理。盐浴加热采用50%（质量分数）NaCl+50%（质量分数）BaCl₂，淬火、回火后流动水清洗30min，在沸水煮沸清洗30min，最后进行120℃的时效处理。

经过检验分析表明，针阀体的锈蚀主要是热处理中的盐浴残盐、杂质侵蚀，以及随后的清洗未彻底除去残盐和杂质造成的。该类材质的加热温度为830～850℃，可选用的加热介质有50%（质量分数）NaCl+50%（质量分数）BaCl₂，50%（质量分数）NaCl+50%（质量分数）KCl。需要注意的是NaCl和BaCl₂混合中温盐浴的流动性比NaCl和KCl混合盐浴差，容易黏附在针阀体上，同时加上氯化钡（BaCl₂）和碳酸盐（BaCO₃）及硫化物等有害杂质，在加热过程中和铁作用生成腐蚀产物侵蚀工件，另外钡离子（Ba²⁺）常常与盐浴中的其他杂质发生化学反应，生成不溶性钡盐产物黏附在工件的表面，加上针阀体腔内有较细的不通孔，清洗液不易流动，采用流动水和沸水煮沸很难将工件上的残盐清洗干净，形成锈蚀坑等腐蚀缺陷，造成零件的报废。

解决方案如下：首先将盐浴改为50%（质量分数）NaCl+50%（质量分数）KCl，其混合盐浴的流动性好，少量黏附在工件上的残盐易除去；其次改用超声波清洗（见图2-39）并添加清洗剂清洗工艺，清洗介质为3%～5%（质量分数）的6530清洗介质水溶液，温度为55～60℃，时间为4.5～5.5min，每次清洗工件40～50个，超声波频率为20kHz，功率为230W。采用改进盐浴淬火加热介质及超声波清洗工艺后，解决了针阀体残盐锈蚀缺陷，达到了生产技术要求，应用效果良好。