热处理工艺3-加热

2. 3.
•
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650~1350℃使用。等温淬火一般用 硝盐或苛性碱。低温回火则用油类。
感应加热
金属加热
直接加热 热源
电阻 电磁波 低能粒子 真空
电 阻 加 热 电 接 触 加 热 电 解 液 加 热 红 外 线 加 热 感 应 加 热 激 光 加 热 电 子 束 加 热 等 离 子 体 加 热 低 压 充 气 的 高 纯 度 的 金 属 传 导
间接加热 热源 介质
固体
固 态 颗 粒 流 动 粒 子
– 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。
0~1300
0~1600 -40~900
0~1600
0~1800
0~1600 ±1.5
0~1600 ±4
高温抗氧化性好, 不适于还原气氛
高温抗氧化性好, 不适于还原气氛
-40~1100 在氧化、中性、 40~1200 真空中使用 ±2.5 -40~400 40~350 ±1.5 在氧化、中性、 真空中使用
– 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。
– 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，在退火或限于100mm以下；
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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)
D>h
>h
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 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。
化学成分 临界点 热处理工艺要求 加热温度的确定 对成分与结构的 要求及控制 对晶粒度的控制 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 原材料成分、组织、加工状态 热处理应力与变形开裂的控制
图2-2
加热温度优选的程序图
加热温度的确定
• ①据 Fe--C 相图， • ② 查有关热处理手册（常用）， • ③ 通过实践试验。
T
+ -
-40~350
思考：更高温度、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。
液体
金 盐 油 属 浴 浴 浴
气体
空 保 护 气 气 氛 可 控 气 氛 高 温 火 烟
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。
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——误差
2.4.2加热时间的确定 零件加热时的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
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 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。
热处理生产常用的热电偶
热电 偶名 称 分 热电极材料 度 号 极性 化学成分/% 使用温度范围 误差（≤）主要 特点 /℃ 长期 短期
铂铑 10-铂
铂铑铂铑 镍铬镍硅 铜-康 铜
S
B K
+
+ + -
Pt90-Rh10
Pt Pt70-Rh30 Pt94-Rh6 Cr10Si0.4Ni9 Si3.0-Ni97 Cu100 Cu55-Ni45
– 在600~700℃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700~800℃以上时，辐射是主要的传热方式，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。
工件比炉膛长不超过1/3
工件与炉膛长度刚好相等
炉 内 温 度
工件比炉膛长不超过1/3
炉膛长度
• 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”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。
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
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60~80%是加热时的能源 消耗，所以加热时如何降低能耗，提高效率是热处理生产企 业提高竞争力的根本所在。
加热炉类型 箱式炉 炉温 介质系数 800 1 盐浴炉 800 0.5 盐浴炉 1200 0.125
表2-2 不同钢种的材料系数(C2) 钢种 材料系 数 低碳钢 1 中碳钢 1.2 高碳钢 1.4 一般合 金钢 1.5 高合金 钢 2
工件形状系数（C3）
工件间隔系数（C4)
有效厚度的确定原则与计算（D）
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。