热处理常见缺陷分析与解决方案

热处理是大部分机械零件必经的处理工艺，能够明显改善金属零件的组织，提高性能，尤其是硬度和韧性等。本书对加热、淬火、回火、表面淬火以及化学热处理工艺过程中出现的常见热处理缺陷进行了分析，重点对缺陷产生的原因、影响因素以及解决之道进行了讨论。 实例丰富是本书的特色。本书在介绍基本知识的同时，通过作者几十年工作的积累，介绍和对比了大量零件实际生产中出现的问题，并一一找到原因，并通过改变工艺解决问题，这对于初学者有很好的借鉴作用。

为了满足机械零件的工作服役条件，确保其符合设计、使用要求，以及其他方面的技术要求，需要针对零件的具体需要，进行必要的普通热处理、表面热处理与化学热处理等，使其具有良好的组织、硬度和理想的力学性能等。零件热处理是提高其产品质量和延长使用寿命的重要手段和工艺方法，因此零件的热处理在整个机械加工过程中占有十分重要的地位。与此同时，新工艺、新材料、新设备、新技术等推陈出新，也给零件热处理产品质量的提升与工艺水平的提高奠定了坚实的基础，同时提供了更多的技术手段和工艺方法，必将为减少机械零件的热处理缺陷与提高使用寿命作出重要贡献。
目前我国的机械设计人员、热处理工程技术人员迫切需要进行系统的热处理专业知识与热处理过程中常见缺陷的分析与预防知识的学习，以适应不断发展的机械行业的要求。这样不仅有助于加深对基础理论的理解，同时可正确指导生产过程中零件的热处理工艺设计和热处理操作过程，对零件的选材、零件的形状设计、热处理的具体技术要求等有重要的指导作用，便于发现、分析和判断可能出现或已经出现的热处理缺陷，从人、机、料、法、环、检等六方面入手，采用硬度检测、微观分析、金相分析、成分化验等必要的检测方法与手段，找到产生缺陷的具体原因，对症下药，为今后零件的热处理批量作业提供可靠的质量保证。
本书正是基于我国机械行业的热处理现状而编写的，目前国内院校已经很少有金属材料与热处理专业，多是材料成形等综合性的学习，对于材料热处理缺乏具体的指导，这不利于今后热处理技术的传承与发展，甚至会出现热处理后继无人的危险，这是毋庸置疑的。这点国内热处理专家已经预见到，并大声疾呼加强基础热处理的学习，高校要继续开设热处理专业课程。为此本书比较详尽地介绍了钢铁零件在热处理过程中缺陷产生的原因和防治措施，从理论到实践进行了系统的分析和探讨，对从事零件设计和热处理的工程技术人员提供必要的指导与帮助。
本书围绕着零件热处理缺陷的产生共分九章编写，第1章介绍了常见热处理缺陷以及分析方法等；第2～9章详细分析了零件在加热过程、淬火过程、回火过程、表面热处理和化学热处理过程中产生缺陷的种类与原因，介绍了大量的典型实例与分析，同时提出了预防热处理缺陷所采取的解决方案。
笔者既从事过刀具和模具的普通热处理，又对汽车零部件的化学热处理有深入的研究。本书在立足于生产实际的基础上，结合笔者三十多年的实践经验，列举了比较详实的缺陷实例分析，因此本书对于现场热处理生产具有指导意义和实用价值。同时，本书还可作为机械设计专业和热处理专业的教学参考书籍。
本书在编写过程中得到山东大学齐宝森教授的指导与帮助，安丘亚星热处理材料有限公司刘建华总经理、山东远大模具有限公司曹学敏总经理、济南沃德汽车零部件有限公司孙志刚等提供了部分资料与图片，在此向他们谨致以诚挚的谢意！
鉴于作者水平和掌握的技术资料有限，书中难免有不足之处，敬请广大读者和专家批评指正。

王忠诚

王忠诚，男，1966年4月出生，山东省成武人，1988年毕业于山东工业大学金属材料及热处理专业，高级工程师，热处理专家。毕业后在山东工具厂与济南模具厂从事螺纹刀具、量具、模具等的热处理工艺编制、金相质量检验以及管理工作。
2003年以来，在济南沃德汽车零部件有限公司（原济南汽车配件厂）从事内燃机气门与挺杆的常规热处理、盐浴软氮化以及其他表面处理等工艺研究与技术管理工作。
在国内刊物上发表科技论文30余篇，编著、参与编著书籍20余部，共计1200余万字，获得三项发明专利。

本书对钢铁零件在加热、淬火、回火、表面淬火以及化学热处理工艺过程中出现的常见热处理缺陷进行了系统归纳，重点对缺陷产生的原因、影响因素等进行了分析和探讨，提出了针对产品具体缺陷的解决方案，内容丰富详实，同时结合常见的零件热处理缺陷进行了实例分析。该书具有较强的实用参考价值，有助于读者正确分析缺陷原因，对热处理实际生产作业起到积极的指导与推动作用。
本书可供热处理企业和科研单位的技术工人、工程技术人员以及管理人员解决工程实际问题时参考，也可供大中专院校的机械工程设计和热处理专业师生参考。

第1章 常见热处理缺陷的类型与分析方法1
1.1热处理常见的缺陷类型1
1.1.1热处理裂纹3
1.1.2热处理变形4
1.1.3热处理性能不合格4
1.2缺陷分析的步骤与方法4
1.3热处理缺陷的对策方略8

第2章 钢在加热过程中产生的缺陷分析与解决方案10
2.1氧化与脱碳10
2.1.1氧化与脱碳的机理10
2.1.2零件加热常用介质的作用和防止氧化与脱碳的措施14
2.1.3其他影响零件氧化和脱碳的因素34
2.1.4钢铁零件的表面腐蚀36
2.1.5零件表面氧化和脱碳的后续处理36
2.2过热与过烧37
2.2.1过热37
2.2.2过烧39
2.2.3防止零件过热和过烧的措施40
2.3氧化与脱碳实例分析40
2.3.1钢板弹簧的氧化和脱碳40
2.3.2螺栓的表面脱碳41
2.3.3汽车连杆的脱碳43
2.3.4热锻40Cr连杆螺栓的局部过烧造成断裂43
2.3.5气门锥面氧化脱碳原因分析45
2.3.6气门杆部氧化脱碳对其寿命的影响46
2.3.720钢冷挤压挺杆球窝处脱碳分析47
2.3.865Mn钢制木工锯条的脱碳分析47
2.3.9抽油杆的热处理脱碳分析与改进措施48
2.3.10针阀体热处理锈蚀分析49

第3章 淬火过程中产生的缺陷分析与解决方案51
3.1概述51
3.2淬火应力分析55
3.2.1热应力55
3.2.2组织应力56
3.3淬火裂纹及其他裂纹58
3.3.1淬火裂纹的特征58
3.3.2淬火开裂原因和形式59
3.3.3淬火裂纹的一般特点63
3.3.4影响零件开裂的因素和解决方案64
3.3.5导致淬火零件裂纹的淬后加工75
3.4淬火变形76
3.4.1热处理变形的机理76
3.4.2影响工件变形的因素78
3.4.3减小变形的热处理工艺的选择88
3.4.4其他防止零件变形的方法89
3.4.5工件热处理变形的矫直方法90
3.5淬火后硬度不均匀、硬度不足95
3.5.1淬火后硬度不均匀95
3.5.2淬火后硬度不足96
3.6工具钢的淬火缺陷98
3.6.1碳素工具钢和合金工具钢常见热处理质量缺陷99
3.6.2高合金钢和高速工具钢常见热处理质量缺陷102
3.6.3工具钢热处理时的基本思路114
3.7实例分析116
3.7.1圆板牙的热处理及变形的控制116
3.7.2金刚石圆锯片基体的热处理和变形的控制118
3.7.3高速钢拉刀热处理变形与开裂的控制119
3.7.4柴油机摆臂轴淬火剥落裂纹分析与对策122
3.7.5接柄丝锥裂纹分析与对策123
3.7.6高速钢制无心磨床支片变形的控制124
3.7.7气门加热变形热处理原因分析与解决方案125
3.7.8高速钢产生萘状断口原因分析与解决方案125
3.7.945钢柴油机顶杆座淬火裂纹分析127
3.7.1045钢零件淬裂分析128
3.7.11T7A绞肉机孔板淬火开裂分析130
3.7.1235CrMo钢螺栓淬火裂纹缺陷分析与防止措施130
3.7.1342CrMo钢高强度螺母裂纹分析131
3.7.1460Su2MnA钢汽车悬架横向稳定杆的变形分析132
3.7.1550CrV钢纺织钢针变形的控制133
3.7.16大型弹簧片淬火开裂分析135
3.7.17杆状零件的热处理变形分析136
3.7.18汽车用弹簧淬火开裂分析138
3.7.19特殊结构销轴的热处理裂纹分析140
3.7.20某型飞机综合挂架内30Cr13钢滚轮开裂失效分析142
3.7.21合金铸钢件淬火裂纹分析及工艺改进143
3.7.2220MnTiB螺栓失效分析146
3.7.23铝合金压铸模具龟裂失效原因分析149
3.7.24OU型吊环开裂原因及解决措施150
3.7.25发动机排气管连接螺栓断裂失效分析152
3.7.26推土机变速箱操纵轴裂纹分析153
3.7.27道岔钢轨顶断的原因分析及控制措施154
3.7.2840Cr钢管开裂的原因分析156
3.7.29汽轮机紧固件淬火裂纹分析及改进措施158
3.7.30制动盘的热处理变形及矫正160
3.7.31圆盘剪失效分析161
3.7.32带轮轴淬火开裂分析及预防措施161
3.7.33高速钢滚刀的失效分析162
3.7.3420CrMnB高强度螺栓断裂原因分析164
3.7.35汽车前轴断裂失效分析166
3.7.36轴承钢球的失效分析168
3.7.37大型齿圈畸变原因分析170
3.7.38φ200mm及以上锯片铣刀热处理变形开裂分析及对策170
3.7.39磨床钳口件开裂分析及对策172
3.7.40柴油机连杆早期断裂分析及调质工艺优化改进173
3.7.41高碳马氏体钢球淬火开裂失效分析及工艺改进174
3.7.42掘进机（TBM）盘形滚刀磨损早期失效分析及工艺改进175
3.7.43铆钉头部台阶断裂分析及对策176
3.7.44断裂铲头的失效分析178
3.7.45机车十字销头断裂原因分析与工艺优化改进180
3.7.46D6钢制大圆刀片热处理工艺研究181
3.7.4742CrMo4风机空心主轴数字化淬火设备解决淬火开裂183
3.7.48镍钛合金医疗器械产品疲劳测试断裂原因分析185
3.7.49减速电机主轴断裂分析188
3.7.50Cr12MoV钢冷冲模失效分析190
3.7.5138CrMoAl钢镗杆断裂原因分析193

第4章 淬火钢在回火过程中产生的缺陷分析与解决方案196
4.1硬度不足196
4.1.1加热温度和保温时间的影响196
4.1.2回火温度的影响196
4.1.3冷却速度、冷却介质以及化学成分的影响197
4.1.4零件表面脱碳198
4.2硬度偏高198
4.3回火裂纹199
4.4回火脆性200
4.5实例分析201
4.5.1M56高速钢丝锥热处理回火硬度不足原因分析201
4.5.2高速钢滚刀产生的回火裂纹原因分析202
4.5.39Cr18Mo2V钢气门回火后水冷调直断裂分析202
4.5.4GCr15SiMn钢制高压阀体开裂分析与解决方案202
4.5.5ML22CrMnB低碳合金钢制冷镦高强度螺栓裂纹分析与解决方案203
4.5.6控制阀芯冷处理裂纹原因及工艺改进204
4.5.742CrMo钢拉杆矫直开裂分析与解决方案207
4.5.8承压设备用铬钼焊缝韧性不达标原因分析与解决方案208
4.5.9发动机气门断裂分析与解决方案211
4.5.1030CrMnSiA钢回火脆性控制与预防技术研究212
4.5.11柴油机润滑油泵高强度螺栓断裂失效分析与解决方案216
4.5.1212.9级高强度螺栓断裂原因分析与解决方案220
4.5.13V150高强度钻杆断裂失效分析与解决方案222
4.5.14三角杆自攻螺栓断裂分析与解决方案226
4.5.15齿轮轴断裂原因分析与解决方案229

第5章 表面淬火缺陷分析与解决方案232
5.1高频和中频感应淬火缺陷233
5.1.1感应淬火的意义和作用233
5.1.2感应加热表面质量的检查234
5.1.3常见的高频和中频感应表面淬火缺陷235
5.1.4提高高频和中频感应淬火件性能的措施和要求242
5.2火焰加热表面淬火缺陷243
5.2.1火焰加热表面淬火的意义和应用243
5.2.2火焰加热表面淬火常见缺陷和解决方案243
5.2.3影响火焰淬火表面质量的因素245
5.3电接触加热表面淬火缺陷246
5.4激光表面淬火缺陷247
5.4.1激光表面淬火的原理和特点247
5.4.2激光表面淬火的应用247
5.4.3激光表面淬火常见缺陷248
5.5实例分析248
5.5.1齿轮的表面淬火开裂248
5.5.260钢轴的高频感应淬火出现螺旋状软带249
5.5.3感应淬火时孔洞的边缘出现淬火裂纹250
5.5.4汽车半轴花键淬火裂纹251
5.5.5机床活塞超音频感应加热淬火开裂251
5.5.6凸轮轴中频感应淬火桃尖开裂253
5.5.74Cr5WMoSiV钢大圆弧剪刃激光淬火表面剥落253
5.5.8冷激铸铁挺杆高频感应淬火开裂254
5.5.9内燃机气门锥面高频感应淬火裂纹255
5.5.1042CrMo钢汽车前轴淬火开裂258
5.5.11回转支承感应淬火后软带裂纹261
5.5.12钟形壳感应淬火裂纹263
5.5.13微型载货汽车半轴的结构优化267
5.5.14汽车半轴法兰盘内端面开裂268
5.5.15叉车桥半轴工艺改进271
5.5.16采用中频感应热处理控制枪管尾座的变形272
5.5.17减速器小齿轮轴断齿273
5.5.1840Cr钢链轮开裂274
5.5.19变速箱拨叉轴断裂277
5.5.20活塞杆断裂279
5.5.21花键轴的失效282

第6章 渗碳热处理缺陷分析与解决方案285
6.1渗碳及其热处理285
6.1.1渗碳的作用285
6.1.2渗碳后的热处理286
6.2渗碳零件的加工工艺路线分析290
6.3渗碳后常见的热处理缺陷和解决方案291
6.3.1渗碳热处理零件的变形294
6.3.2渗碳热处理零件裂纹的形成及解决方案300
6.4零件渗碳后的机械加工302
6.5实例分析303
6.5.1渗碳齿轮的磨削裂纹303
6.5.2大型渗碳齿轮热处理畸变303
6.5.3渗碳导轨淬火变形304
6.5.4渗碳轴螺纹淬火崩牙305
6.5.5细长轴零件渗碳淬火开裂306
6.5.6滚珠丝杠渗碳淬火变形307
6.5.7汽车后桥主动锥齿轮热处理裂纹308
6.5.8汽车同步器齿轮淬火变形308
6.5.920CrMnMo活塞失效310
6.5.10主动齿轮裂纹311
6.5.11曲轴芯孔断裂313
6.5.12越野车后桥主动锥齿轮轴螺纹断裂314
6.5.13内花键齿轮热处理变形316
6.5.14Ⅱ级齿轮轴裂纹317
6.5.15小齿轮渗碳层剥落320
6.5.16传动渗碳齿轮断裂321
6.5.178M型风机斜齿轮轴开裂322
6.5.18主动锥齿轮崩齿323
6.5.1920CrMnMo钢轴渗碳断裂325
6.5.20起重机十字销渗碳开裂326
6.5.21大功率风力发电机中间轴断齿327
6.5.22DC04钢冲压外圈渗碳淬火过程中屈氏体问题330
6.5.23齿轮零件表面产生黑斑333
6.5.2420CrMnTi钢凸轮轴表面磨损335
6.5.25渗碳淬火行星齿轮内孔畸变控制338
6.5.26G13Cr4Mo4Ni4V轴承套圈酸洗白斑340

第7章 碳氮共渗热处理缺陷分析与解决方案342
7.1碳氮共渗热处理342
7.2常见的碳氮共渗热处理缺陷分析与解决方案342
7.3实例分析346
7.3.1汽车变速箱齿轮碳氮共渗“黑色组织”缺陷346
7.3.220CrMnTi钢制碳氮共渗主动锥齿轮断裂347
7.3.3细长轴碳氮共渗变形348
7.3.4曲轴离子碳氮共渗表面白斑缺陷349
7.3.5驱动齿轮的碳氮共渗后热处理变形350
7.3.6锥形套收口变形350

第8章 渗氮热处理缺陷分析与解决方案355
8.1渗氮零件的技术要求356
8.2渗氮工艺特点358
8.3渗氮用材及其加工工艺路线分析363
8.4常见的渗氮热处理缺陷分析和解决方案363
8.5实例分析367
8.5.1钢制活塞环渗氮变形367
8.5.240Cr钢制薄片齿轮渗氮变形368
8.5.3油泵驱动齿轮的过早失效369
8.5.4一种薄壁导套热处理工艺研究371
8.5.5柴油机十字花盘裂纹373
8.5.638CrMoAl钢表面离子渗氮剥落原因分析376

第9章 氮碳共渗热处理缺陷分析与解决方案380
9.1气体氮碳共渗热处理工艺特点381
9.2盐浴氮碳共渗热处理工艺特点383
9.3氮碳共渗用材及其加工工艺路线分析386
9.4常见的氮碳共渗缺陷分析和解决方案388
9.5实例分析390
9.5.1气门液体软氮化后表面腐蚀和粗糙度超差390
9.5.2Cr12W钢制挺杆氮碳共渗后开裂393
9.5.3套筒形零件氮碳共渗变形394
9.5.4气门锻模非正常开裂缺陷395
9.5.5凿岩机活塞气体氮碳共渗畸变超差397
9.5.6盐浴氮碳共渗气门盘部表面锈蚀397
9.5.7盐浴氮碳共渗气门表面花斑398
9.5.8液体氮碳共渗气门杆部锈蚀399
9.5.9液体氮碳共渗气门清洁度超差400
9.5.10液体氮碳共渗气门杆部与锥面凹坑401
9.5.11液体氮碳共渗气门杆部抛光后颜色不一致402
9.5.12液体氮碳共渗气门锥面跳动大404
9.5.13筛片磨损断裂失效分析及热处理工艺改进405
9.5.144Cr14Ni14W2Mo钢件渗氮层剥落缺陷406
9.5.15曲轴离子氮碳共渗表面白斑缺陷408
9.5.16发动机曲轴早期断裂失效分析及工艺改进408

参考文献411