第二章金属的加热

加热温度
在加热规范中，加热温度、加热速率及保温时间 是基本工艺参数，它们决定加热后金属内部组织 结构及各相的成分。 制定和实施热处理加热规范，要考虑下面一系列 影响因素，主要有：热处理设备的条件；原材料 以及热处理的工艺要求；零件的尺寸和形状；加 热制度及方式以及装炉量与排列方式等。
要正确制定和实施热处理规范。
2.工件表面涂敷防氧化涂层 优点：简便易行、不受工件尺寸限制。 缺点：劳动强度大、生产效率低，只适合单件或者 小批量生产。
3.快速加热
通电加热、感应加热、激光加热。
本章小结： 金属的加热是通过加热设备完成的，是热处理工艺 的第一道工序。 加热温度和保温时间是加热工艺中两个主要的参数。 加热过程中存在热应力和组织应力，对于大型工件、 形状复杂件或者高合金钢、制定加热工艺的时候应 考虑热应力和组织应力，防止工件变形和开裂。
3.钢铁中的其它金属与氧的反应
当钢铁材料中含有Cr、Al、Si等合金元素时，它们 可以与氧发生如下反应：
4Cr 3O2 2Cr2O3 4 Al 3O2 2 Al2O3 Si O2 SiO2
提高钢在高温下抗氧化性的基本方法是合金化。 为了提高钢的抗氧化性，加入的合金元素应 能在钢的表面形成一层稳定致密的合金氧化膜。 为此合金元素的离子半径应比基体金属的离子半 径小（合金元素离子半径小，生产氧化物的点阵 常数小，将使扩散困难），并比基体金属易于氧 化。只有这样才能优先形成合金氧化物。
2.2工件表面的热交换
传热的基本方式 1.热传导（又称导热） (conduction)
物体各部分之间不发生相对位移，仅借分子、原子和自由电 子等微观粒子的热运动而引起的热量传递称为热传导。
2.热对流 (convection)
流体各部分之间发生相对位移所引起的热传递过程称为热对流。 热对流仅发生在流体中。
( Carbonitriding of steel )
1)定义:向钢的表面同时渗入碳和氮原子的过程。
2)目的:获得具有表硬里韧性能的零件。
工艺:
名称 温度(℃) 时间(h) 作用 渗层 热处理 性能 材料 低温气体碳氮共 渗 500～600 1～6 以渗氮为主 0.1～0.4mm 不需要 HRC54～63 合金工具钢 中温气体碳氮共渗 800～860 ห้องสมุดไป่ตู้～8 以渗碳为主 0.5～0.8mm 淬火+低温回火 HRC53～60 合金结构钢
1.钢与氧的相互作用
570oC以上，氧气与Fe发生三种类型的氧化反应：
2 Fe O2 2 FeO 3Fe 2O2 Fe3O4 4 Fe 3O2 2 Fe2O3
氧气与C或Fe3C发生反应生成CO2，称为脱碳反应：
Fe3C O2 3Fe CO2 C O2 CO2
2.流体的流动状态 流体的流动状态分为层流（换热量小）和紊流（换热 量大）。 通常情况下，热处理炉内流体的流动属于紊流，要避 免层流的出现。 3.流体的物理性质 流体的热导率λ、质量热容c、密度ρ及黏度μ等物理量 将影响流体流动状态、层流厚度和导热性能，从而影 响对流换热。 4.工件表面形状及其在炉内的放臵位臵 工件表面形状及其在炉内的放臵位臵不同，会影响到 流体在工件表面的流动状态，从而影响对流传热量。
3.保温时间和加热次数的影响 加热时间越长，加热火次愈多，脱碳层愈深，但脱碳层并 不与时间成正比增加。 4.炉内气氛对脱碳的影响 在加热过程中，由于燃料成分，燃烧条件及温度不同，使 燃烧产物中含有不同的气体，因而构成不同的炉内气氛，有氧 化性的也有还原性的。他们对钢的作用是不同的。氧化性气氛 引起钢的氧化与脱碳，其中脱碳能力最强的介质是H2O（汽）， 其次是CO2与O2，最后是H2；而有些气氛则使钢增碳，如 CO 和 CH4。炉内空气过剩系数α大小对脱碳也有重要的影响。在 中性介质中加热时，可使脱碳最少。
2CO C CO2
2.在CH4气氛中的增碳反应
CH 4 C 2H 2
2.5.3钢在氨气氛围中的氮化反应
钢的渗氮 ( Nitridation of steel )
1)定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。 2)目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。 3)用钢: 中碳合金钢。
2.2.2辐射传热
因热的原因物体发出辐射能的过程称为热辐射。热 辐射是一种以电磁波传递热能的方式。物体放热时，热 能变成辐射能，以电磁波的形式在空间传播，当遇到另 一物体时，则部分或全部被物体所吸收而变成热能。辐 射传热不仅有能量的传递，而且伴有能量形式的转换。
物体在单位时间内单位表面积向外辐射出的能量为： E=ct4 其中，c为辐射系数，W· -2· -4； m K t为物体的绝对温度，K。 4 4 被工件吸收的热流密度qr为： qr An c0 (t发 t工 ) An为相当吸收率，t发为发热体的绝对温度，t工为工件表 面温度。
2.3加热温度和时间
加热时间：零件加热时，分为炉温升温时 间、工件升温时间、工件透热时间和工件 保温时间。
零件加热曲线示意图
τ炉升与炉子功率、设定温度、装炉量等因素有关。
τ工升与装炉量、工件尺寸等因素有关。 τ透热主要与工件尺寸有关系，尺寸越大，透热时间 越长。 τ保温主要根据热处理工艺目的确定，对不同工艺， 保温时间差别非常大。
2.钢铁表面在炉气中的氧化还原反应
含有氢及水蒸气的气氛中加热时，570oC以上它们 与钢铁表面发生下列反应：
Fe H 2O FeO H 2 3Fe 4 H 2O Fe3O4 4 H 2
炉气全部由CO与CO2组成时，570oC以上钢铁表面的 氧化还原反应：
Fe CO2 FeO CO 3Fe 4CO2 Fe3O4 4CO
注意：热辐射不需要任何介质作媒介，可以在真空中传播。
2.2.3传导传热
由于物质分子、原子或电子的运动，将热量从物体 内高温处向低温处的传递过程称为热传导。热传导是静 止物体内的一种传热方式，发生在相互接触的两个不同 温度的物体之间。
热流密度：
dt q dx
λ为热导率，其数值取决于物质内部结构和所处状 态。 特点：物体内的分子或质点不发生宏观的相互位移。
2.5.5氧化脱碳的控制
影响钢脱碳的因素
影响钢脱碳的因素有钢料的化学成分，加热温度，保温时 间和煤气成分等。 1.钢料的化学成分对脱碳的影响 钢料的化学成分对脱碳有很大影响。钢中含碳量愈高脱碳 倾向愈大W、Al、Si、Co等元素都使钢脱碳倾向增加；而 Cr、 Mn等元素能阻止钢脱碳。 2.加热温度的影响 随着加热温度的提高，脱碳层的深度不断增加。一般低于 1000℃时，钢表面的氧化皮阻碍碳的扩散，脱碳比氧化慢，但 随着温度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮 下碳的扩散速度也加快，此时氧化皮失去保护能力，达到某一 温度后脱碳反而比氧化快。
热对流的两种方式：强制对流，自然对流 3、热辐射 (radiation）
因热的原因而产生的电磁波在空间的传递，称为热辐射。
2.2.1对流传热
热对流是指流体中质点发生相对位移和混合而引起 的热量传递，对流传热仅发生在流体中。
对流传热时，加热介质传递给工件表面的热量符合： qc=ac（t介-t工）。
2.5加热时发生的化学反应
2.5.1金属加热时的氧化与脱碳
金属在含有氧气、二氧化碳、水蒸气等氧化气氛中加热时 都会不同程度的发生氧化反应，使金属被氧化。
脱碳是指钢件表层部分碳被加热气氛氧化，而使表层碳质 量分数降低的现象。脱碳也是材料的氧化过程。
氧化与脱碳的出现，将严重影响钢件的实用性能，甚至造 成无法挽救的废品。
气体、液体、固体的热传导机理各不相同。 气体：热传导是由于分子不规则的热运动相互碰撞的结果。 液体：热传导是由于分子动量传递所致。 金属固体：热传导是由于自由电子扩散运动所引起的。 非金属固体：热传导是通过分子的振动将热量从一个分子传 递到另一个分子。
注意：热传导不能在真空中进行。
实际传热过程：热传导、热对流和热辐射几种传 热方式可同时存在。
金属加热过程中加热介质可能与工件表面发生化学 反应。氧化和脱碳反应通常是有害的，应尽量避免。
本 章 完
其中，q为对流传热的热流密度或热通量，W· -2； m t介为介质温度，K； t工为工件表面温度，K； ac为对流换热系数， W· -2· -1。 m K
影响对流换热的因素很多：
1.流体流动动力 流体流动的动力来源有两类：自然对流和强迫对流。 自然对流传热：由于流体各部分温度不同而引起的密 度差异，使流体产生相对运动而产生的热量传递现象。 强制对流传热：由于泵、风机或其它外力作用引起的 流体流动而产生的热量传递现象。
2.4相变和组织应力
固溶处理：如果把这种合金加热到固溶度曲线以上的 某一温度并保持足够长的时间，使溶质元素（元素B）充 分溶入固溶体（α相）中，然后予以快速冷却，以抑制这 些元素重新析出，致使室温下获得一个过饱和固溶体，这 种热处理称为固溶处理或固溶淬火。 析出：指某些合金的过饱和固溶体在室温下放臵或将 它加热到一定温度，溶质原子会在固溶体点阵中的一定区 域内聚集或组成第二相的现象。析出又称为沉淀 时效：在析出过程中，合金的机械性能、物理性能、 化学性能等随之发生变化，这种现象称为时效。 时效硬化：一般情况下，在析出过程中，合金的硬 度或强度会逐渐升高，这种现象称为时效硬化或时效强 化，也可称为沉淀硬化或沉淀强化。
氨加热分解出活性氨：
2 NH 3 3H 2 2N
钢表层形成氮化物
3 Fe NH 3 Fe N H 2 2
渗碳与渗氮的工艺特点
名称 处理温度 (℃)
900～950
处理时间 处理后是否需要 (h) 热处理
3～9 需要
渗碳
渗氮
500～600
20～50
不需要
2.5.4钢的碳氮共渗
井式加热炉与箱式炉比较优点是： 1）用于回火时温度均匀、装料多，劳动强度低。回 火温度低，传热主要有对流和传导，井式炉都加有 电扇，温度均匀性好。工件放在料筐内，用天车吊 入炉内很方便。 2）用于淬火或者化学热处理时适合于大件、细长杆 件和大型长轴件。