热处理工艺13-2014

钢材 碳钢 合金钢 每 mm 有效厚度的加热时间 空气电阻炉 盐浴炉 0.9～1.1min 25～30s 1.2～1.6min 50～60s 15～20s(一次预热) 8～15s（二次预热）
高速钢
－－
3、零件尺寸及形状对加热时间的影响
K H
τr=B· V/F
4、加热制度的影响。

—热传导系数（J/m· h· ℃），单位时间内，每米长度 温度降低1℃时，单位面积能传递的热流量。
dT/dx—温度梯度
负号“－”表示热流量方向和温度梯度方向相反。
材料影响：λ值 ：高合金钢＜中、低合金钢＜碳钢 温度影响： λ＝ λ0（1＋b t）
2、对流传热 发热体
流体转移
工件
（1）相互对流的粒子相遇时发生热交换。
c比热容，ρ密度，α∑综合给热系数，V：工件体积。 F：工件表面积，tg—炉温，tin：工件开始温度； t：工件终了 温度。

经验系数法估算： τr=B· V/F B为加热时间系数，由实验确定， V--工件体积， F--工件表面积。
1.5影响零件加热的因素
加热 规范

热处理设备


原材料
零件尺寸及形状
2.1均匀化退火（homogenizing）—扩散退火 1、定义：在低于固相线某一温度（1100～1300℃），长 时间保温，缓冷，以消除或减少铸锭、铸件或锻坯中 化学成分的偏析和组织的不均匀性。
2、偏析对热处理及性能的危害 铸锭或铸件在结晶过程常发生 偏析现象，表现在两个方面: ①化学成分的不均匀性
• 一般保温时间不超过15h，否则氧化损失过于严重。
（3）冷却 一般为50℃/h，
高合金钢≤20~30℃/h
★零件入炉的方式有四种 ①预热加热升温 ②随炉升温 ③到温入炉 ④高温入炉
T
④ ③ ② ① 加热 温度
t
随炉升温
到温入炉

预热加热升温和随炉升温热应力最小但 T 耗时长
④
①

高温入炉 节能的快速方法 (易产生热应 ③ ② 力) 适用： υ＜400mm的中C合金钢 υ＜600mm中C钢和低C合金钢。

如箱式或井式电炉、盐浴炉、煤气ห้องสมุดไป่ตู้等
≥700℃加热工件时，主要靠对流及辐射传热 ≤200℃低温回火炉（盐浴或空气介质）中则主要靠
对流及传导传热，

在真空炉中主要靠辐射传热。

同时考虑三种传热方式的称为综合传热， Q=Qc+Qr+Qcd
(Qc、Qr、Qcd分别为对流 、辐射、传导传热的热量)
加热 温度
t

零件入炉的方式对热应力大小的影响
加热速度：①预热加热升温＜②随炉升温＜③到温入炉＜④高温入炉
热 应 力：①＜②＜③＜④
5、堆垛方式
工件的堆垛方式直接影响热量的传递。所以，炉内工
件的堆垛方式不同，加热修正系数K也不同。
1.6 钢的加热缺陷及控制 （1）氧化（Fe被氧化） （2）脱碳（C被氧化）
③ 区域偏析（如重力偏析）
一般热处理不能消除，只能靠合金化控制或改善浇注工艺和正 确合理的压力加工来解决。
3、均匀化退火工艺
（1）加热T：一般上限不高于平衡相图上的固相线。考虑不致 使A晶粒过于粗大的条件尽量↑温度以利于扩散均匀化。
▲ 为了消除高C高合金钢中非平衡共晶C化物，可以在共晶 温度以上进行扩散退火。
依据具体工艺.
T
t
2.工件加热时间（透热）的经验计算式： （1）以工件有效厚度为基础的经验计算式（实用）：
K H
工件有效厚度为 H ，指工件在传热最快方向上的最大截
面厚度
α为加热系数，min/mm或s/mm
K为装炉修正系数，通常取1.0～2.0
K值取值与堆垛方式相关
热处理
原理与工艺
（13）
第二部分：热处理工艺
第一章 金属的加热 1.1 加热的作用
1.2 传热方式
1.3 加热方式
1.4 热处理加热时间的确定
1.5 影响零件加热的因素 1.6 钢的加热缺陷及控制
1.1 加热的作用 （1） 影响内在质量

改变材料的热力学状态、晶体结构、 物理化学性质及化学成分分布等，而 后通过不同速度冷却，获得预期的组
（ 2 ）对流传热时 单位时间内加热介质传递给工件表面 的热量QC关系： QC=αcF（T介-T工） αC：对流给热系数；F：热交换面积，
T介、T工分别为介质和工件表面温度℃
（3）影响对流换热的因素

流体流动的动力 流体的流动状态
自然对流（PV/T=C） 层流 紊流
强制对流
紊流时的对流换热系数比层流时大
1.3 传热方式

金属工件加热在各类热处理炉中进行 炉内热量的传递依靠辐射、对流、传导这三个基本物 理过程使工件升温。

空气中对流 T高时，辐射
热传导 工 件
+ —
电阻炉加热时传热示意图
1. 热传导

传热物质无宏观定向移动，仅靠传热物质原位质点间 的相互碰撞→热能 高—低 传递。 热传导过程的强弱以 单位时间内通过的等温面的热 量——热流量密度q表示 q=－· dT/dx (J/m2h)
∴钢的脱C速度＞氧化速度， ∴钢在加热时，其氧化层下面总存在一脱C层。
例如 在强烈氧化性气氛中加热时，表面脱C与表面脱 O同时发生 工件表层自外→内：
氧化皮
脱C层 半脱C层
基体材料

脱碳不利作用：
①使淬火工件的硬度和耐磨性↓↓，强度↓，特别是疲劳强 度↓，使用中易发生早期失效，↓寿命。 ②脱C工件易形成淬火裂纹。
1、氧化（Fe被氧化）


T＜150℃，氧化轻微，T↑，氧化加剧。
炉温T＜570℃，生成以Fe3O4为主的氧化膜

氧化速度极小，氧化膜也不易继续加厚， 对钢铁性能无显著影响，反而↑抗氧化性。

T＞570℃时，生成以FeO为主的氧化膜，

组织疏松，结构简单 较厚的疏松多孔、易崩落的氧化皮。

T/°C
或合金加热—保温—缓慢冷却
（炉冷或砂埋），达到接近平衡
状态组织热处理工艺。
缓 冷
t/h

退火主要目的：
1、 改善组织

对于铸锻件来说，可以用于改善化学成分的偏析（主要是
枝晶偏析）和组织的不均匀性。 对于铸铁，可改善石墨状态。


球化退火可为淬火做良好的组织准备
2、调整硬度 改善锻件、轧材的切削加工性 3、消除应力 消除冷热加工中铸件、锻件、机械加工件、冷 变形件和内应力及工硬化效应。 4、减少固溶于钢件中的有害气体（如 H2 ），使其扩散逸出。
K H
工件有效厚度H的取值
K H
K H
碳钢和合金钢在各介质中的加热系数（α 值）
钢材 碳钢 合金钢 每 mm 有效厚度的加热时间 空气电阻炉 盐浴炉 0.9～1.1min 25～30s 1.2～1.6min 50～60s 15～20s(一次预热) 8～15s（二次预热）
氧化皮不利作用：

使钢件尺寸↓，重量↓，表面粗糙度↑ 可使钢件热处理后产生软点或硬度不足
2、脱碳（C被氧化）

工件在加热过程中表层的碳与介质中的脱碳气体（CO2、 H2、O2、H2O等）相互作用，使表层含碳量降低的现象。

也是材料的氧化过程，当炉温在700~850℃时易发生。 加热温度越高，钢中碳含量越高，越易脱C。 C在钢中的扩散速度大于O
第二章
退火与正火
Annealing and Normalizing

零件的制造路线：坯料——铸、锻、焊等热加工— —热处理——粗加工——热处理——精加工
预备热处理 退火或正火 1.消除热加工缺陷 2.改善金属加工成型性、 切削加工性和热处理工 艺性
2-1 钢的退火
退火定义
将组织偏离平衡状态的金属


流体的物理性质 热导率大、比热容大、密度大、粘度小－α C大 固体表面形状、大小和放置位置
3 辐射传热

通过加热体在高温下产生的电磁波
（载体）来传递能量（辐射能 （热射线）波长为0.1~100μm ,0.4～40μm?）。

热辐射波的发射能力可用比能流eb (物体单位时间内 由单位表面积辐射的能量) 表示. eb=σT4
T/ ℃ A F P Fe
Fe-FeC3相图左下角
织结构（P、B、M）
（2） 影响外部质量

氧化、脱C、腐蚀， 尺寸变化和形状畸变。
1.2 加热方式
①直接加热（内阻直接加热）： 不需加热介质
如：电阻（垂融）、电磁波（感应加热）、
低能粒子（激光加热、电子束加热）。 ②间接加热（外热源加热）：通过加热介质，以 对流传导，辐射的方式向工件表面传递热量： 电阻炉、盐浴炉、燃料炉。

工件加热时往往综合考虑， Q=α∑（t介-t工） α∑综合传热给热系数（J/m2· h· ℃） ， α∑=αc+αr+αcd
1.4 热处理加热时间的确定
1. 加热阶段分为升温，均温和保温三个时间过程。
τ h =τ r +τ s +τ （τ r 、τ s 、τ
m m
为升温、均温和保温时间）
保证：透热、 A 组织转变（几秒）、碳化物溶解、 A成分均匀化（ 1 分种）或不平衡状态转变成平衡状态。
导致性能不均匀和淬火开裂倾向增大
HB 性能 指标 b
k 含碳量
如：枝晶偏析， ②非金属夹杂的不均匀分布


易在热加工或热处理时形成废品。如： S化物熔化－沿晶开 裂。FeS 988℃ 大型铸锻件中的氧化物、硅酸盐、磷化物等夹杂物偏析广泛 分布于枝晶晶界、铸锭的A形、V形和过渡区。 当夹杂物沿晶界呈链状分布时，对钢的性能危害最大。脆 性↑。 热处理不能消除,锻造使破碎、均匀分布,↓危害