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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
2、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。,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,
3、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,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
4、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：,1.,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
5、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。,2.,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。,3.,操作方便，控制较简单，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,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。,2.3,热处理加热设备,?,气
6、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）,
7、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。,
8、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。,工件比炉膛长不超过,1/3,工件与炉膛长度刚好相等,工件比炉膛长不超过,1/3,炉膛长度,炉,内,温,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
9、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
10、。,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）,=Ks,n,（,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,200mm,以下；,炉温,8001000,，薄件尺寸限于,100mm,以
11、下；,?,综合计算方法：,?,t=C,1,C,2,C,3,C,4,D,（,8-4,）,?,t,加热时间，,min;,?,C,1,加热介质系数,;,?,C,2,材料系数；,?,C,3,工件形状系数；,?,C,4,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),加热炉类型,箱式炉,盐浴炉,盐浴炉,炉温,800,800,1200,介质系数,1,0.5,0.125,钢种,低碳钢,中碳钢,高碳钢,一般合,金钢,高合金,钢,材料系,数,1,1.2,1.4,1.5,2,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
12、,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,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。
13、,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,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
14、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,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
15、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,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
16、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。,热电,偶名,称,分,度,号,热电极材料,使用温度范围,误差（,）,/,主要,特点,极性,化学成分,/%,长期,短期,铂铑,10-,铂,S,+,Pt90-Rh10,01300,0
17、1600,01600,1.5,高温抗氧化性好,不适于还原气氛,-,Pt,铂铑,-,铂铑,B,+,Pt70-Rh30,01600,01800,01600,4,高温抗氧化性好,不适于还原气氛,-,Pt94-Rh6,镍铬,-,镍硅,K,+,Cr10Si0.4Ni9,-40900,-401100,-,401200,2.5,在氧化、中性、,真空中使用,-,Si3.0-Ni97,铜,-,康,铜,T,+,Cu100,-40350,-40400,-,40350,1.5,在氧化、中性、,真空中使用,-,Cu55-Ni45,热处理生产常用的热电偶,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
18、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
19、,+,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,:,当发现一直在供热（有电流或烧嘴在燃烧）而,温度不升高时，就要考虑测温系统故障的可能,性,;,当发现一直在供热（有电流或烧嘴在燃烧）而,温度继续升高时，说明控制系统有故障。,?,更换测温系统部件后，或有移动等情形时，,再次使用时一定要细心观察。,热电偶测温系统误差产生常见的原因,1.,补偿导线的极性与热电偶的极性接反。偏低或偏高,2.,补偿导线的
20、绝缘层被磨破，造成信号回路接地。一般使显示值偏小,3.,接线盒内接线端子接触不良。无显示或超量程。,4.,补偿电阻故障。表现为温度缓慢上升或下降。,作业,3,：查找热电偶及补偿导线的有关国家标准,及,IEC,标准，设计在,0,1000,测温范围，其,误差在,3,的测温系统。,2.5.2,加热过程中的变形和开裂,?,工件加热不当，也会引起变形和开裂。,?,引起变形和开裂的原因有二：,高温使金属强度下降，如放置不当，会因压力,或自重使工件变形；,工件表面和心部之间温度差过大，导致胀缩不,同而产生内应力：,?,内应力,弹性极限,变形、扭曲,?,内应力,强度极限,开裂,?,造成内外温差过大产生内应力的
21、原因：,炉温过高,金属导热系数小,尺寸过大,形状复杂,加热速度过快,?,生产中必须考虑工件在炉中的堆放形式，以防变,形。,?,低碳钢只会变形，不会开裂。,?,大尺寸的高碳钢和合金钢工件，为了避免开裂，,应采用缓慢加热（随炉）的方法。,?,对导热性差、淬火温度高的高合金钢，要分段,（阶梯）加热。,2.5.3,钢的氧化和脱碳,?,1,、,氧化,?,加热介质当中存在氧化性物质时会使钢材,氧化。,?,钢的氧化分为两种：,一种是表面氧化，在钢的表面形成氧化膜；,另一种是内氧化，在一定深度的表面层中发生,晶界氧化。,?,表面氧化影响工件的尺寸；,?,内氧化影响工件表面层的性能。,?,表面氧化的产生：钢在,
22、570,以下加热时，表面氧化膜由表层为,Fe,2,O,3,、,内层是,Fe,3,O,4,的二层氧化物组成。这种氧化膜结构致密，与基体结合,牢固，包围在钢的表面阻止氧的继续渗入，氧化速度很慢。因此这时,可以不考虑防氧化的问题。,?,钢在,570,以上加热时，表面氧化,膜由,Fe2O3,、,Fe3O4,和,FeO,三层,氧化物组成，它们的厚度之比约为,1,：,10,：,100,，所以主要是由,FeO,构成的。,FeO,是一种缺位固溶体，,它的结构松散、与机体结合不牢固，,容易剥落，,这种氧化膜不起防护作,用，氧很容易扩散穿过氧化膜继续,向里面氧化，所以氧化膜中一旦出,现,FeO,，氧化速度就会迅速
23、加快。,温度越高氧化越剧烈。,?,钢的内氧化是在,800,以上较长时间加热时,发生的，介质中的氧除了进行表面氧化，,还沿奥氏体晶界向里面扩散使奥氏体晶界,氧化。钢中,Me,如,Cr,、,Si,、,Ti,、,Al,等与氧的,亲和力远大于,Fe,，优先被氧化，使得晶界,附近的合金元素减少，晶界性能变坏。,2,、脱碳,?,钢在含有,O,2,、,CO,2,、,H,2,O,、,H,2,等的脱碳性气氛中加热时，,钢材表层中的固溶碳将与这,些介质发生化学反应，生成,气体溢出钢外，使表面碳浓,度降低，也即产生脱碳。表,层脱碳以后，内层的碳便会,向表层扩散，使脱碳层逐渐,加深。加热温度越高，脱碳,的速度越快；加
24、热时间越长,脱碳层也越深。,?,在一定的气氛当中，钢的脱碳和渗碳是一对可逆,反应，反应向哪一个方向进行，取决于,介质,的碳势与钢中碳浓度的相对高低。,气氛中,CO,、,CH,4,含量多碳势就高，若气氛的,碳势高于钢的碳浓度，钢就发生渗碳；,相反,O,2,、,CO,2,、,H,2,O,、,H,2,等的浓度高碳势就,低，若气氛的碳势低于钢的碳浓度，钢就发生,脱碳。,如果两者达到平衡，则既不渗碳也不脱碳。,3.,防氧化和脱碳的措施,?,从两方面着手：一是将加热零件与加热介,质隔离；二是改变加热介质的成分。,（,1,）空气加热介质,目前箱式炉和井式炉占,40%,，加热介质为,空气，氧化和脱碳不可避免。
25、可采取的措,施有：,?,涂料保护；,?,埋在石英砂或装在密封箱中加热。,（,2,）保护气氛,?,?,可控气氛,控制氧化性气体与还原性气体的比例，使化学反,应处于平衡状态。,?,?,氨分解气：氨加热后分解为氮气和氢气。,?,?,其他气体：氢气、氮气、氦气等。,（,3,）盐浴加热,（,4,）燃料气体,（,5,）流动粒子,（,6,）真空炉,2.6,加热节能措施,?,热处理加热的节能潜力很大。在实际生产中，车间工艺,员和操作人员的节能意识是实现高效、优质、低能耗热,处理的主要影响因素。,?,热处理加热节能的主要途径有,:,（,1,）加热的工艺措施；,（,2,）加热设备的节能；（,3,）生产组织的合理化
26、。,加热节能的工艺措施,工艺节能潜力大，投入小，具有事半功倍的效果。但,由于人们习惯成性，工艺节能往往被忽视。实现工艺,节能，必须检讨以往的认识。改变传统观念。可能的,途径见图,2-11,。,合理计算升温与保温时间,缩短加热时间,采取提高炉温的快速加热,工艺参数的重新确定,采取临界区加热的亚温淬火,降低加热温度,不均匀奥氏体化退火,以铁素体状态下的化学热处理代替,奥氏体状态的化学热处理,合理减薄深层深度,采取催渗措施,节能途径,加速化学热处理过程,采用高温渗碳和真空渗碳,辉光离子化学热处理,以局部加热代替整体加热,以正火代替调质和退火,改变加热方式,以表面淬火代替渗碳淬火,感应淬火后自行回火,
27、利用锻后余热淬火,利用前道工序的余热,利用铸后余热淬火,在铸造过程中实现表面改性,(,铸渗）,图,2-11,加热工艺的节能途径,加热设备的节能,加热设备的节能改造潜力十分巨大。从节能角度看，对,过去所有的热处理加热设备绝大部分都必须进行改造。,主要途径列于图,8-12,。,合理采用,陶瓷纤维,减少炉衬蓄热,使用轻质耐火砖,炉壁少开孔,减少热损失,提高炉子密封性,盐炉、粒子炉加盖,提高热效率,合理选择炉子外形（圆型比方形节能,7%,）,减少传动件热损失（尽可能在炉内传动）,设备节能,减少料盘、料框重量,废热利用,用燃烧烟气加热余热锅炉,燃料炉节能,控制好燃烧系数、选择高效燃烧器,连续炉比周期式炉
28、节能,炉型的合理选择,各种炉子的热效率顺序（高到低）：,震底式炉、井式炉、输送带式炉、箱式炉,浮动粒子炉比盐炉升温快、能耗小,图,2-12,加热设备的节能途径,图,3-13,燃气加热炉的余热利用,（,a,）无余热利用,（,b,）预热空气（或余热锅炉）,(c),蓄热燃烧,?,合理的生产管理,合理的生产管理是发挥节能技术措施潜力的前提保证。,这里的管理是指生产批量的组织与安排。从管理角度首,先应考虑的是保证加热设备的,满负荷,（达到额定装炉量）,连续运转。为此，热处理的生产应有足够的批量，并根,据批量合理地选用加热设备的类型、规格和大小，使之,能实现均衡生产。例如，批量足够大时应尽可能选用连,续加热设备（推杆炉、输送带式炉、震底炉、网带式炉,等），而不用周期式炉。批量不足、设备选用不当会使,设备负荷极低或经常临时性开炉，使大量的时间和热能,浪费在炉子的升温过程。,
