第二章金属热的加热

为了强化热处理炉内的辐射换热和减少热损失，可 采取提高炉温、提高炉内介质的黑度、增大工件受热面积 和热源与炉内壁的辐射面积等方式，还可以在发热体上涂 一层红外涂料。
第二章 金属的加热
2.2.3 传导传热(conduction) 传导传热是指温度不同的接触物体间或一物体中各 部分之间的热能传递过程。其热量的传递不依靠传热物质 的定向宏观移动，而仅靠传热物质质点间的相互碰撞传递 热能。其宏观上表现为热量从高温部分传递至低温部分。 在单位时间内所传导的热流密度与温度梯度成正比， 热流朝向温度降低的方向，即：
第二章 金属的加热
箱式电阻炉基本结构 ： 由炉体和电热元件构成，炉体由炉衬和炉门组成，形 成空间，起放置工件和保持加热温度场的作用。电热元件 是炉子的发热体，使电能转换为热能而加热工件。另外还 有一些辅助装置：机械传动系统，炉子操作参数测量及控 制系统，保证炉子安全运行的装置及炉内辅助构件等。
箱式炉分类：按工作温度，箱式电 阻炉可分为高温(≤1300℃)、中温 (≤950℃)和低温(≤650℃)箱式电阻炉，
第二章 金属的加热
2.2.2 辐射传热(radiation) 任何物体只要温度高于绝对零度，就会向各个方向 放出辐射能。辐射不需要任何媒介，在真空中也能进行。 当辐射能被另一物体吸收后转化为热能而实现加热。物体 间通过热辐射在空间传递热能的过程称为辐射传热。 物体在单位时间内单位表面积向外辐射出的能量为： E＝ct4 式中，c-辐射系数，w· -2· -4；t-物体的绝对温度，K。 m K c＝5.67×10-8w· -2· -4的物体称为绝对黑体，简称黑 m K 体，以c0表示。在相同温度下，绝对黑体的辐射能最大， 而且它也是一切物体中吸收能力最强的一种理想物体。实 际物体的辐射系数都小于黑体的辐射系数，用黑度 (blackness)表示： ε=c/c0
第二章 金属的加热
第一节 加热方法及设备 加热金属常用的能源有电能和化学能(燃 料)，这两种能源我们称为基础能源。 2.1.1、箱式电阻加热炉 ：
加热方式的特点 ：以电为能源，在加热器（电阻丝或 带）和工件之间存在气体介质。 气体介质：有氧化性气氛(如空气)、惰性气体(如氮气)、 渗碳气氛、渗氮气氛等。 电阻加热炉优点：具有温度控制精度高、均匀性好、 无噪音和无污染等优点。 分类：根据不同用途，有箱式电阻炉、井式电阻炉、 台车炉、钟罩炉等等。
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真空热处理炉 ： 真空热处理炉是炉膛内保持真空的炉子。 根据真空度不同分类： 低真空炉(133~13.3Pa)、中真空炉(13.3~1.33×10-2Pa)、 高真空炉(1.33×10-2~1.33×10-4Pa)和超高真空炉 (<1.33×10-4Pa)。目前，大多数真空热处理炉所用的真空 度为133~1.33×10-3Pa。 主要特点： （1）是加热方式主要靠辐射换热； （2）在中、高真空中加热工件基本上可保持其不氧 化和不脱碳； （3）在高、超高真空下加热，工件中的合金元素和 气体有挥发和脱气的可能； （4）稀薄空气易电离产生辉光或弧光放电。
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(3)流体的物理性质 流体的热导率、质量热容c、密度及粘度等物理性 质将影响流体流动状态、层流层厚度和导热性能，从而影 响对流换热。液体介质的热导率、质量热容和密度都远大 于气体介质，所以，液体介质的加热速度比气体介质高得 多。液体的粘度越小越容易流动，所以，盐浴的使用温度 要比熔点高几十度以便降低粘度，提高流动性，改善加热 质量。 (4)工件表面形状及其在炉内的放置位置 工件表面形状及其在炉内的放置位置不同，将影响到 流体在工件表面的流动状态，从而影响对流传热量。
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Байду номын сангаас
在回火炉和气体渗碳、气体渗氮炉中都要用风扇进行强制 气体循环。回火炉和气体渗氮炉工作温度低，传热主要靠 对流传热，所以用电扇强制循环可以提高加热速度和使炉 内温度均匀。气体渗碳炉工作温度高(多数在900℃以上)， 主要靠辐射传热，用电扇强制循环的目的是为了使炉内气 氛成分均匀，提高渗层质量。 (2)流体的流动状态 流体的流动状态分为层流和紊流。若流体沿着工件表 面一层层地有规则流动，这种流动叫层流，此时的热量传 递只能依靠层与层之间流体质点之间的热交换，换热量小。 而紊流时，由于流体质点的不规则流动，使流体质点在热 交换后能快速离开工件表面，换热量比层流大得多。通常 情况下，热处理炉内流体的流动属于紊流，要避免层流出 现。
第二章 金属的加热
第二章 金属的加热
马弗罐 ： 热处理过程中，由于空气中含氧量高，在高温下 工件很容易发生氧化和脱碳，影响热处理质量。解决氧化 脱碳的基本思路就是让工件周围不是氧化性气氛，让工件 与大气隔绝。隔绝工件与大气的方法是用耐热钢或耐热铸 铁做一个密封的“容器”，该容器称为炉罐或马弗罐 。
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盐浴炉优点： （1）工件在熔盐中加热时，不但有传导和辐射传热，还 有较强的对流传热，所以工件的加热速度比在普通气体介 质电阻炉中快得多，而且炉温均匀； （2）加热时工件浸入熔盐中与空气隔绝，还可以防止工 件氧化与脱碳，提高工件的表面质量，但是要对熔盐进行 脱氧处理，消除熔盐中的氧和氧化物； （3）有利于局部加热淬火、退火或回火处理，且简单易 行。 （4）由于使用耐热合金材料少，炉子的造价较低。 缺点 ： 装料量较少，有挥发气体污染环境，熔体飞溅或爆炸 以及处理后工件表面附着盐的清理等问题。
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箱式炉优点 ： （1）、结构简单价格低； （2）、具有较高的温度均匀性； （3）、较高的热效率； （4）、易于实现温度和工艺过程的自动控制。 缺点 ： （1）、中温和高温加热时氧化和脱碳严重。 （2）、人工装工件和出工件劳动强度大。 用途 ： 箱式电阻炉广泛用于中、小零件的小批量热处理生产， 它可供碳钢、合金钢的淬火、正火、退火，也可进行回火 和固体渗碳以及其他热处理。
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网带炉： 用耐热钢做成输送带，工件放在网带上随网带移动 而移动。 网带炉适用范围： 网带炉适用于较小工件(如中小型轴承、标准件等) 的热处理，如果工件大，网带强度不够，不能正常工作。 推杆炉、震底炉： 对于较大的零件，可以在炉底装上滚柱，工件放在 滚柱上，滚柱转动使工件产生水平移动。也可以将工件 装在料筐内，在入口处加一个液压推杆，将料筐推入炉 内加热，这种炉称为推杆炉。还可以通过机械方式使炉 底产生震动，利用震动产生的力使工件从入口移动到出 口，这种炉称为震底炉。
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第二章 金属的加热 2.1.2 井式加热炉
安放在地面以下，工件垂直入炉。将液体或气体渗 剂通入炉罐内可用于渗碳、渗氮和碳氮共渗等化学热处理； 不通渗剂(也可以不要炉罐)可以进行淬火或回火。 井式炉优点： (1)用于回火时温度均匀、装料多，劳动强度低。 (2)用于淬火或化学热处理时适合于大件、细长杆件 和大型长轴件。 井式炉缺点： 工件堆放阻碍气体流动。由于工件与电热元件同在 炉膛内，靠近电热元件的工件易过热，但设置装料筐，可 得到改善。
时间
第二章 金属的加热
（3）透热时间（透热）： 工件在升温过程中，心部温度低于工件表面温度， 当表面温度达到设定温度后，还需要一段时间工件心部才 能达到设定温度 。 透热主要与工件尺寸有关系，尺寸越大，透热时间 越长。 （4）保温时间（保温）： 工件内外温度一致后，还需保温一段时间再出炉冷 却。 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 。
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连续热处理炉： 为了适应加热大批量工件的需要，箱式炉改为细长 形，前后都加上“门”，被加热的工件从前门进后门出， 图2-2所示是这类热处理炉的框图。工件从入口处顺序 经过加热炉、淬火槽、清洗设备和回火炉完成整个热处 理过程。这类热处理炉通常称为连续热处理炉或热处理 生产线。如果仅仅是用来进行正火或退火，就不需要淬 火槽、清洗设备和回火炉了。
第二章 金属的加热
工件在炉内加热时，一方面要接收从发热体、炉壁等 辐射来的热量，但由于一般金属材料并非绝对黑体，它不 可能吸收辐射来的全部热量，而有部分热量要反射出去。 另一方面，其本身也要辐射出去一部分热量。因此，被工 件吸收的热流密度qr为
4 4 qr Anc0 (t发 t工）
式中，An-相当吸收率，与工件表面的黑度、发热体表面的黑度、工件相对于 发热体的位置及炉内介质有关； t发-发热体（或炉壁）的绝对温度，K； t工-工件表面温度，K。
2.3.1 加热时间概念 零件加热时的加热曲线示意图如图2-4所示，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。
第二章 金属的加热
温 炉升 度 t 炉
工升 透热 保温
t表
t心
（1）炉温升温时间（炉升）： 当炉温达到一定温度后将工件装入炉内开始加热工 件。从工件装炉到炉温达到设定温度的时间 。 炉升容易确定，它与炉子功率、设定温度、装炉量等 因素有关。 （2）工件升温时间（工升）： 从装炉到工件表面达到炉温设定温度的时间 。 工升与装炉量、工件尺寸等因素有关。
dt q dx
式中，为热导率，其数值取决于物质内部结构和所处状态，金属具有较高的 值，合金的值常比纯金属低。金属的值随温度升高而降低。气体的值很低， 并随温度升高而增大。除水和甘油外，液体的值随温度升高而降低。
工件在加热过程中，工件与工件之间以及放在炉底 板上的工件与炉底板之间可以通过传导方式进行传热，工 件内部只能靠传导方式进行传热。
第二章 金属的加热
对流传热时，加热介质传递给工件表面的热量符合 如下关系： qc ＝c(t介－t工) ， 式中， qc ——对流传热的热流密度或热通量，w· -2； m t介——介质温度，K；t工——工件表面温度，K；c —— 对流 换热系数，wm-2K-1。 影响对流换热的因素： (1)流体流动的动力 流体流动的动力来源有两类：自然对流和强迫对流。 自然对流是流体在加热过程中，由于流体内存在温度差， 因而密度不同而发生相对升沉，在这种状态下的换热称为 自然对流换热，此时的传热量较小。若用外加动力强迫流 体流动，如气体炉用风扇强制气体循环，流体的流速大大 加快，换热量将远大于自然对流，此时的换热称为强迫对 流换热。
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第二章 金属的加热 第二节 工件表面的热交换
金属工件在加热炉内被加热时，炉内热源可借传导、
对流及辐射三种基本传热方式把热量传递给工件表面。 2.2.1 对流传热(convection) 依靠发热体与工件之间流体(气体或液体)的流动来进 行热量传递的过程。 流体质点在发热体表面靠热传导获得热量，然后流动 到工件表面将热量热传导给工件表面。若流体内各部分之 间存在温度差，相对运动的粒子在相遇时也要发生热量交 换过程。对流传热的结果，使热量从温度较高的一方(发 热体)传给较低的一方(工件)。
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第二章 金属的加热 2.1.3 浴炉
用液体作为加热或冷却介质的热处理炉通常称为浴炉。 它所使用的液体介质有熔盐、熔融金属及合金、熔碱以及 油类等。 工作温度范围： 浴炉的工作温度范围宽，除不能完成随炉冷却的退火 工艺外，诸如淬火、正火、局部加热、化学热处理、等温 或分级淬火、回火等均可完成。 优点： 加热和冷却速度快、无氧化脱碳、温度均匀。 分类： 外热式浴炉：由炉体和金属坩埚组成，又称坩埚浴炉。 内热式浴炉：将热源放在介质的内部，直接将介质熔化 并加热到工作温度。内热式浴炉有电极式与辐射管式。
第二章 金属的加热 第三节 加热温度和时间
工件在加热或冷却过程中，各点的温度不一样，温度 是时间和空间坐标的函数，称为温度场。温度场的存在使 工件在加热或冷却过程中因各点的热胀冷缩量不同而产生 热应力；在相变过程中又会导致各点的组织转变量不同而 产生组织应力。当热应力和组织应力超过材料的屈服强度 时又使零件发生塑性变形，当超过材料的断裂强度时将产 生裂纹(开裂)。