在传统热处理中，表面氧化和脱碳是通过机械解决方案而非化学解决方案来管理的。在工件进入炉子之前，会增加一个加工余量——本质上是一层额外的牺牲材料。热处理循环完成后，通过机加工或研磨去除这层受损的表面，暴露出下面具有所需性能的未受影响的材料。
传统方法并不能防止表面损伤；它接受这是不可避免的结果。该策略是制造一个尺寸过大的零件，然后在处理后加工掉受损的表面层，这对成本和生产流程有重大影响。
核心问题：钢在高温和空气中的反应
当钢被加热到硬化或退火所需的高温时，其内部的铁和碳与标准炉内气氛中的氧气发生高度反应。这导致了两种截然不同但又相关的表面退化形式。
理解氧化
在高温下，零件表面的铁很容易与大气中的氧气结合。这种化学反应会形成一层易碎的、片状的氧化铁层，通常被称为氧化皮（mill scale）。
这种氧化皮会改变零件的尺寸和表面光洁度，因此必须将其去除。
理解脱碳
同时，钢表面附近的碳原子也会与氧气反应。这个过程会使表层中的碳含量减少，这种现象被称为脱碳（decarburization）。
由于碳是决定钢硬度的主要元素，因此这个脱碳层比核心材料要软弱得多。它的耐磨性和抗疲劳性较差，因此对于大多数工程应用来说是不可接受的。
传统解决方案：机械加工余量法
传统方法是一个简单直接的三步机械过程，用于规避这个化学问题。
第 1 步：增加牺牲层
在热处理开始之前，工件被故意加工成尺寸过大。这种额外的材料被称为加工余量或机械加工余量，其唯一目的就是在加热过程中被牺牲掉。
该余量的深度计算方法是使其大于预期的氧化皮深度和脱碳层深度的总和。
第 2 步：热处理和不可避免的损伤
尺寸过大的零件随后在传统炉中进行热处理。正如预期的那样，高温和环境空气会导致表面氧化和脱碳。
这里的关键原则是，这种损伤完全包含在预先定义的机械加工余量内，从而使下面的材料在化学和冶金上不受影响。
第 3 步：后处理加工或研磨
冷却后，零件进行最终的机械加工或研磨操作。此步骤小心地去除易碎的氧化皮和较软的脱碳层。
这个过程会持续进行，直到机床到达核心材料的原始、完全硬化的钢材，从而实现最终所需的尺寸和表面性能。
理解权衡
虽然有效，但这种方法是一种妥协，会带来几项重大的权衡。它处理的是症状（表面损伤），而不是预防病因。
增加材料和物流成本
从一个尺寸过大的工件开始，意味着您使用的原材料比最终零件中存在的要多。这也增加了零件在生产过程中的运输和搬运重量。
额外的制造步骤
后热处理加工是整个制造阶段，增加了时间和劳动力成本。对完全硬化的钢零件进行加工或研磨比在其较软的预处理状态下进行加工要慢，并且会造成更多的刀具磨损。
去除不完全的风险
如果加工余量太小或加工过程深度不够，成品零件上可能会残留一层脱碳层。这种隐藏的软皮可能导致组件因磨损或疲劳而过早失效。
几何形状和零件复杂性的限制
这种方法不适用于具有非常薄的截面、复杂特征或处理后机床难以触及的内部表面的零件。
根据您的目标做出正确的选择
了解这种传统方法是决定它是否适合您的项目，或者您是否应该探索如真空或可控气氛炉等旨在从一开始就防止表面反应的替代方案的关键。
- 如果您的主要关注点是基本零件几何形状的工艺简单性： 机械加工余量法可以是一个务实且众所周知的方法，特别是如果后处理研磨已经是尺寸精度所必需的。
- 如果您的主要关注点是为大批量零件最小化制造步骤： 额外材料和二次加工操作的成本可能使得投资于从一开始就消除表面损伤的热处理工艺变得有价值。
- 如果您的主要关注点是最大化的组件完整性和疲劳寿命： 对于关键零件，依赖后加工来去除受损层会带来风险，使得真空热处理等预防性方法成为更安全的选择。
归根结底，传统方法是一个强大但粗暴的解决方案，它用机械的变通方法解决了化学问题。
总结表：
| 方面 | 描述 |
|---|---|
| 问题 | 钢在高温热处理过程中发生表面氧化和脱碳，导致产生脆性氧化皮和软层。 |
| 解决方案 | 在处理前增加一个牺牲性的机械加工余量；在处理后通过机械加工或研磨去除受损层。 |
| 关键步骤 | 1. 增加余量使零件超尺寸。2. 在炉中进行热处理。3. 加工掉受损表面。 |
| 权衡 | 增加的材料成本、额外的制造步骤、去除不完全的风险以及对复杂几何形状的限制。 |
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