热处理工艺3-加热课件

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1、第二章 热处理加热及加热设备,金属热处理工艺一般是由加热、保温和冷却过程组成的，加热是各种热处理工艺作业中的第一道工序。通过加热： 可以改变金属材料的热力学状态、晶体结构、组织形态、物理化学性质及化学成分分布等，从而实现预期的组织结构以致化学成分的改变，获得所需要的性能。即直接影响其内在质量。 同时，由于金属在一定的环境介质中加热时表面与介质之间发生一系列化学反应，会造成金属表面的某些缺陷（氧化、脱碳、腐蚀等）,所以加热也会影响金属的外部质量。 在产品生产中，在保证质量的前提下，如何降低成本永远是要特别考虑的问题。热处理的成本中6080%是加热时的能源消耗，所以加热时如何降低能耗，提高效率是热

2、处理生产企业提高竞争力的根本所在。,2.1 加热方式,金属加热的方式分为直接加热和间接加热两类。 直接加热是利用金属内部的电能-热能转换，电磁-热能转换，低能粒子轰击的能量-热能转换，不需要通过加热介质向被加热金属传递热量。 间接加热是依靠固体、液体、气体等介质以对流、传导、辐射的方式向金属表面传递热量。 直接加热一般只适合特定形状的工件，所以生产上还是以间接加热为主。,感应加热,金属加热 直接加热 间接加热 热源 热源 介质 电阻 电磁波 低能粒子 真空 固体 液体 气体 电 电 电 红 感 激 电 等 低 高 金 固 流 金 盐 油 空 保 可 高 阻 接 解 外 应 光 子 离 压 纯

3、属 态 动 属 护 控 温 加 触 液 线 加 加 束 子 充 度 传 颗 粒 浴 浴 浴 气 气 气 火 热 加 加 加 热 热 加 体 气 的 导 粒 子 氛 氛 烟 热 热 热 热 加 的 热 图2-1 工业上金属加热的方式,2.2 间接加热的加热介质种类,2.2.1气体介质加热 这种加热方法的特点是被加热金属周围的介质为气体。是热处理工艺中应用最广泛的加热方法。 气体介质中加热时，由燃料燃烧或加热体产生的热量是通过对流和辐射传递给被加热的金属。 在600700以下时，对流传热是主要的传热方式，为了使炉内温度均匀，当炉子体积较大时需要对气体进行强制循环。 在700800以上时，辐射是主要

4、的传热方式，此时气体介质的扰动对加热速度实际没什么影响，不需要强制循环。 气体的种类：根据被加热金属的种类和外在质量要求，可分别采用氧化性的空气、惰性的保护气氛、可控制的还原性气氛和真空。,2.2.2液体介质加热 液体介质加热就是加热时金属周围的介质是液体，包括熔盐、熔碱、熔融低熔点金属及油类等。 液体介质对辐射线是不可穿透的，传热方式为对流。 主要优点： 液体介质的给热系数较气体介质大47倍，因此加热速度较气体介质加热快得多。例如，铝合金在硝盐浴中加热比在静止空气中加热快10倍左右，比在空气循环炉中加热快57倍。 当介质成分合理且使用条件适当时，可防止金属氧化和吸气。 操作方便，控制较简单，

5、在介质容积较大的情况下，可同时加热需保温不同时间、不同断面尺寸的工件。 选择依据：一般依据热处理所需要的加热温度及金属和液体介质的化学性质，即金属与液体介质不能发生化学反应。例如，铝合金采用硝酸钠和硝酸钾混合盐，在550以下使用。工具钢淬火加热采用氯化钾和氯化钠等的混合盐或单盐，在6501350使用。等温淬火一般用硝盐或苛性碱。低温回火则用油类。,2.3 热处理加热设备,气体介质加热设备 电阻炉：箱式电阻炉、井式电阻炉、台车电阻炉、罩式炉等。 燃料炉（火焰炉）：型式同上。 在有关工业用炉的专著中，对各种燃料炉和电阻炉的优缺点及适用范围有详细的介绍，实际上一般根据具体条件进行选择。 液体介质加热

6、设备 浴炉多采用电加热，按结构不同分为三种： 外热式：在浴槽（坩埚）外面用电热元件加热。 内热式：电热元件置于浴槽（坩埚）之内。 电极浴炉：浴槽用耐火砖砌助，在熔盐中插入两个电极来加热，多用于工具钢的淬火加热。 感应加热设备,电阻炉（箱式）,1000以下金属电热元件，以上非金属电热元件。耐火砖改陶瓷纤维,电阻炉（井式）,电阻炉（台车炉）,电阻炉（罩式）,2.4加热规范确定的一般原则,在加热规范中，加热温度、加热速度及保温时间是基本工艺参数。它们决定了加热后金属内部的组织结构及各相的成分。 需要考虑的影响因素：热处理设备的条件；原材料及热处理的工艺要求；零件的尺寸及形状；加热制度及方式以及装炉数

7、量与排列方式等。 加热设备的影响 为了正确的选定与执行加热规范，必须要考虑设备条件。因为加热设备的介质状况；设备的输出功率大小；炉膛内有效加热区范围及温度均匀性等均影响加热工艺的制订和实施。加热介质直接影响工件的加热速度和表面质量，设备的输出功率决定了工件的装炉量以及生产率，对加热速度及可达到的加热温度也有重要影响。 有效加热区：在炉膛内能够保证由给定热处理加热工艺所要求的加热温度的装料区域。加热炉内温度一般是不均匀的，只有在炉膛内有效加热区中装料作业才能达到预定的控温经度及均匀度要求。,作业2： 1.查找有关“有效加热区”的标准，以便更好地理解“有效加热区”的概念。 2.查找有关“晶粒度分级

8、”的标准。,2.4.1加热温度的确定 确定加热温度时，金属及合金的相变临界点、再结晶温度等是基本的理论依据，但还不能就凭此来确定各种不同热处理工艺的加热温度，而应当根据具体零件热处理的目的来决定，因此，选择加热温度是一个较复杂的问题。 化学成分 临界点 原材料成分、组织、加工状态 热处理工艺要求 热处理应力与变形开裂的控制 加热温度的确定 对成分与结构的 对晶粒度的控制 要求及控制 小批试验 性能鉴定，转变 产物形态与性能 最优的加热温度规范 图2-2 加热温度优选的程序图,加热温度的确定,据 Fe-C 相图， 查有关热处理手册（常用）， 通过实践试验。,2.4.2加热时间的确定 零件加热时的

9、温度与时间关系如图2-3。 加热时间概念：热处理加热过程的时间（t加）是工件升温时间（t升）、透热时间（t透）、与保温时间（t保）的总和。 t加= t升+ t透+ t保 （8-1）,图2-3 工件加热时的温度与时间关系,图2-4 在盐浴炉中1000 加热钢棒的时间-温度曲线 实线表面温度，虚线中心温度,加热时间的计算 对于薄件：t（薄件）=Ks （8-2） 式中 K-为加热系数，min/mm s -工件厚度 对于厚件：t（厚件）=Ksn （8-3） 式中 n为指数，n=12，即已不呈线性关系。 薄件概念：例如碳钢 炉温小于400，薄件尺寸限于300mm以下； 炉温500800，薄件尺寸限于20

10、0mm以下； 炉温8001000，薄件尺寸限于100mm以下；,综合计算方法： t=C1C2C3C4D （8-4） t加热时间，min; C1加热介质系数; C2材料系数； C3工件形状系数； C4工件间隔系数； D工件有效厚度，mm.,表2-1 加热炉的介质系数(C1),表2-2 不同钢种的材料系数(C2),工件形状系数（C3）,工件间隔系数（C4),Dh,h,有效厚度的确定原则与计算（D）,2.4.3加热速度与加热制度 希望快速加热 根据等温动力学曲线可知，快速加热时： 速度快，相变温度高 晶粒细性能好 表面氧化、脱碳少，表面质量好 问题： 内应力 弹性极限变形、扭曲 内应力 强度极限开裂

11、 合金钢、高合金钢导热性差，所以要分段加热。 各种加热方式如下图所示。,随炉升温：加热缓慢，截面温差小，用于大型铸锻件及高合金钢或复杂零件。缺点是耗能多，工时长。,图2-6 随炉升温时间-温度曲线,到温入炉：加热速度较快，截面温差较大，多用于一般碳钢锻件的退火或正火及碳钢和低合金钢中小件的淬火和回火。设备利用率高、节能。,图2-7 到温入炉温度时间曲线,高温入炉：加热速度快、截面温差更大，可用于中碳钢及低合金钢锻件正火、退火。,图2-8 高温入炉温度时间曲线,阶梯加热：预热可以缩短高温加热时间，减少热应力，常用于大型及高合金钢工件的退火、正火、淬火等。,图2-9 阶梯加热时间-温度曲线,2.5

12、加热缺陷及防护措施,加热缺陷 欠热、过热、过烧 变形、开裂 氧化、脱碳、增碳 吸气（氧、氢、氮）（有色金属） 防护措施 控制炉内气氛的成分 真空中加热 盐浴或流态床中加热 防护涂层,2.5.1加热时的组织缺陷,加热时的组织缺陷有欠热、过热、过烧。 1、欠热：也叫加热不足，是由于加热温度过低或加热时间太短，未充分进行奥氏体化而引起的组织缺陷。例如钢在淬火后出现软点和硬度不均的现象，在退火或正火加热时，由于欠热而没有消除冶炼及热加工过程中存在的偏析、粗大自由铁素体、魏氏组织、网状碳化物等，致使最终性能不能满足要求。,2、过热 热处理生产中应严格控制奥氏体晶粒度，由于热处理操作不当或者其他原因，加热

13、时使晶粒度超过规定的大小，称为过热。 一般规律：加热温度预定奥氏体化温度+150.碳钢及合金钢950 ；工具钢及高碳铬轴承钢1000 。 过热在淬火组织中，表现为马氏体组织粗大，引起变形和开裂； 在正火组织中，容易形成魏氏组织； 均使钢的性能变化，特别是使韧性严重下降。 过热的工件必须重新返修。,3、过烧 由于加热温度过高，已经接近固相线，使得奥氏体晶界发生了局部熔化，使奥氏体晶界严重氧化，这种现象称为过烧。 产生了过烧的工件无法挽回，只能报费。,组织缺陷产生的途径,原因肯定是温度过低或过高了。 设计的工艺温度错了？（制定工艺） 操作人员不按测温仪表指示操作？（管理） 温度测量显示系统出现错误

14、误差 传感器（热电偶） 传输线路（补偿导线） 显示仪表（指针式、数字式） 当检测系统某一部分出现故障或者更换某个部分后，容易出现显示温度与实际温度之间产生偏差：温度显示偏低则过热，显示偏高则欠热。,如何使测温准确,热电偶 热电偶的工作原理是：两种不同成份的导体，一端焊接在一起，另一端接显示仪表，形成回路，直接测量端叫工作端（热端），接线端子端叫冷端，当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流，接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值，电动势随温度升高而增长。 热电动势的大小只和热电偶的材质以及两端的温度有关，和热电偶的长短粗细无关。,热处理生产常用的热电偶,思考：更高温度、

15、低温、还原性气氛下，使用何种热电偶？,热电偶使用注意事项,使用前必须经过实验室检定，确定出不同温度下的误差值。（如何检定？） 现场安装与校准由专职人员进行，不允许擅自移位和移动。 必须安装在炉温有代表性的部位，不能与炉门和加热元件太近 多支热电偶测温时，插入炉膛的深度必须一致。 铠装热电偶每次使用前要检查保护套管的完整性。,自由端与补偿导线,热电偶测温测的是两端温度差，要想温度准确，就必须使自由端温度恒定。由于热电偶长度有限，其自由端离加热炉的外壁很近，其自由端的温度随着炉温的升降而变化的，因此必须使用补偿导线，把自由端延长到温度稳定的地方（一般是仪表处）。,对K型：补偿导线分为补偿型（红+蓝-，便宜）和延长型（红+黑-，较贵）（防假货） 补偿导线的极性必须与热电偶的极性对应。,热电偶、补偿导线、显示仪表三者之间必须对应：型号和极性。,显示仪表,显示仪表也要检测确定出误差值。 生产加热过程中，要勤观察