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1、热处理工艺第一章第1页，本讲稿共23页一、一、金属加热的物理过程金属加热的物理过程三种传热方式三种传热方式传导：加热介质与加热工件表面接触时，或受热工件表面传导：加热介质与加热工件表面接触时，或受热工件表面与心部之间、受热工件的某一部位与未受热部分之间发生与心部之间、受热工件的某一部位与未受热部分之间发生的热量传输的热量传输对流：依靠液态或气态加热介质的分子相对运动形成的热对流：依靠液态或气态加热介质的分子相对运动形成的热量传输（量传输（600700以下）以下）辐射：通过加热体在高温下产生的电磁波来传递能量的现辐射：通过加热体在高温下产生的电磁波来传递能量的现象（象（700，无需介质），无需介
2、质）1.1 金属加热的物理过程及其影响因素金属加热的物理过程及其影响因素第2页，本讲稿共23页二、加热方式与加热介质二、加热方式与加热介质金属加热金属加热直接加热直接加热间接加热间接加热热源热源热源热源介质介质电阻电阻电磁波电磁波低能粒子低能粒子真空真空固体固体液体液体气体气体第3页，本讲稿共23页真空加热真空加热加热速度缓慢l截面温差小、应力、变形小l充入惰性气体强制循环；预热升温氧化作用被抑制表面净化脱气作用蒸发现象第4页，本讲稿共23页三、影响加热因素及确定热处理加热规范的一般原则三、影响加热因素及确定热处理加热规范的一般原则加热的基本工艺参数加热的基本工艺参数加热的温度（加热的温度（T
3、）加热速度（加热速度（V）加热的时间（加热的时间（）第5页，本讲稿共23页加热温度加热温度基本依据：材料相变的临界点基本依据：材料相变的临界点综合考虑因素综合考虑因素l热处理工艺目的热处理工艺目的l零件尺寸零件尺寸l零件加工过程零件加工过程正火：亚共析正火：亚共析AC33050；过共析；过共析ACcm3050退火：亚共析退火：亚共析AC32040；过共析；过共析AC12030淬火：亚共析淬火：亚共析AC33050；过共析；过共析AC13050第6页，本讲稿共23页加热速度加热速度一般不限制加热速度（考虑经济性）一般不限制加热速度（考虑经济性）对合金含量高、大型铸、锻件需特别规定分级对合金含量高
4、、大型铸、锻件需特别规定分级等温、控制加热速度。等温、控制加热速度。第7页，本讲稿共23页加热时间加热时间定义：定义：升升 透透 保保升升：取决于炉子热功率、加热介质、装炉量、零件尺寸、：取决于炉子热功率、加热介质、装炉量、零件尺寸、加热制度（随炉升温、到温入炉、高温入炉、高温入炉到加热制度（随炉升温、到温入炉、高温入炉、高温入炉到温出炉、阶梯加热）。温出炉、阶梯加热）。透透：取决于零件截面尺寸、材料导热性、炉温高低。：取决于零件截面尺寸、材料导热性、炉温高低。保保：取决于一定的热处理工艺要求（消除内应力、均匀化、：取决于一定的热处理工艺要求（消除内应力、均匀化、溶解难溶碳化物等）。溶解难溶碳
5、化物等）。第8页，本讲稿共23页加热时间的计算加热时间的计算厚件可用传热学、有限元分析厚件可用传热学、有限元分析薄件可用经验公式估算薄件可用经验公式估算l薄件：薄件：T炉炉400，d300mm；T炉炉800，d200mm；T炉炉1000，d100mm；加热加热KW（W：几何因素）：几何因素）K碳钢碳钢合金钢合金钢空气加热空气加热4045盐浴加热盐浴加热1013火焰加热火焰加热3540第9页，本讲稿共23页四、工件表面传热过程四、工件表面传热过程 热处理加热工序大多在各种热处理炉中进行，在热处理加热工序大多在各种热处理炉中进行，在加热过程中炉膛和工件之间建立温度梯度，在温度场加热过程中炉膛和工件
6、之间建立温度梯度，在温度场中，工件主要依靠辐射、对流、传导传热。中，工件主要依靠辐射、对流、传导传热。1：传导传热：传导传热：热量直接由工件的一部分传递至另一部分，或由加热介质热量直接由工件的一部分传递至另一部分，或由加热介质把热量传递到与其相邻的工件而无需媒介质点移动的传热过程。把热量传递到与其相邻的工件而无需媒介质点移动的传热过程。热传导的规律由傅立叶热传导定律描述热传导的规律由傅立叶热传导定律描述 热传导系数；热传导系数；-温度梯度。温度梯度。负号表示热流量方向和温度梯度方向相反。负号表示热流量方向和温度梯度方向相反。第10页，本讲稿共23页四、工件表面传热过程四、工件表面传热过程2：辐
7、射传热辐射传热：由电磁波传递能量过程。物体受热后向各个方向放射辐射能，被另一物体吸收后又转化为热能而实现加热。注意：在高于700主要是辐射传热。第11页，本讲稿共23页四、工件表面传热过程四、工件表面传热过程3：对流传热：对流传热：主要在主要在600700以下进行，它主要依靠工件四以下进行，它主要依靠工件四周气体或液体质点的相对移动将受热质点传到给较冷周气体或液体质点的相对移动将受热质点传到给较冷的金属表面进行加热。的金属表面进行加热。一般有一般有 单位时间内通过热交换表面对流传热给单位时间内通过热交换表面对流传热给工件的热量，工件的热量，J/h;第12页，本讲稿共23页3：对流传热：对流传热
8、：介质温度，介质温度，工件表面温度，工件表面温度，对流给热系数，对流给热系数，；热交换面积（工件与流体接触热交换面积（工件与流体接触面积）；面积）；。第13页，本讲稿共23页影响的因素：（1）流体流动情况。）流体流动情况。（2）流体的物理性质：导热系数）流体的物理性质：导热系数，比热及密度等。，比热及密度等。（3）工件在炉中位置情况：放置位置不同，给热）工件在炉中位置情况：放置位置不同，给热系数也不同。工件形状和放置位置对流体流动越系数也不同。工件形状和放置位置对流体流动越有利，则给热系数愈大。有利，则给热系数愈大。第14页，本讲稿共23页4：需要说明的是需要说明的是：实际工件在传热过程中，三
9、种传热方实际工件在传热过程中，三种传热方式同时存在，所不同的是有的场合以这种式同时存在，所不同的是有的场合以这种传热方式为主，有的场合以另一种传热方传热方式为主，有的场合以另一种传热方式为主。式为主。第15页，本讲稿共23页五、工件内部的热传导过程五、工件内部的热传导过程工件内部传热主要以传导传热，工件表面工件内部传热主要以传导传热，工件表面获取能量后，表面温度升高，在表面和心获取能量后，表面温度升高，在表面和心部存在温度梯度，发生传导传热。部存在温度梯度，发生传导传热。传热强度传热强度以以比热流量比热流量表示表示 为热传导系数：表示材料具有单位温度为热传导系数：表示材料具有单位温度梯度时所允
10、许通过的流量密度。梯度时所允许通过的流量密度。第16页，本讲稿共23页影响的因素：1、钢的化学成分、钢的化学成分：合金元素及碳含量一般降低传热系数。合金元素及碳含量一般降低传热系数。2、组织状态：随钢中组织组成物，按、组织状态：随钢中组织组成物，按A、M淬、淬、M回、回、P顺序增大。顺序增大。3、加热温度：热传导系数与温度的关系近似地呈线性关系、加热温度：热传导系数与温度的关系近似地呈线性关系 温度为温度为t 时的热传导系数；时的热传导系数；温度为温度为0 时的热传导系数；时的热传导系数；b热传导温度系数，与钢的化学成分与组织状态有关。热传导温度系数，与钢的化学成分与组织状态有关。第17页，本
11、讲稿共23页1-2金属及合金在不同介质中加热时常见的金属及合金在不同介质中加热时常见的物理化学现象及加热介质选择物理化学现象及加热介质选择 工件在不同介质中加热时，必定要和周工件在不同介质中加热时，必定要和周围介质发生作用，即化学反应，最典型是围介质发生作用，即化学反应，最典型是氧化，脱碳。氧化，脱碳。第18页，本讲稿共23页一、金属在加热时的氧化和脱碳一、金属在加热时的氧化和脱碳 氧化：氧化：钢的表面金属与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂质相钢的表面金属与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂质相互作用形成金属氧化物层的过程。互作用形成金属氧化物层的过程。脱碳：脱碳：工件在加热过程中表层的
12、碳与介质中的脱碳气体（工件在加热过程中表层的碳与介质中的脱碳气体（O2、H2、CO2、H2O）相互作用而烧损的现象。）相互作用而烧损的现象。内氧化：内氧化：在工件内部沿晶界形成氧化物相或脱碳区的现象。在工件内部沿晶界形成氧化物相或脱碳区的现象。生铁肿胀：生铁肿胀：铸件在氧化性介质中加热时，沿表层下晶界及石墨夹铸件在氧化性介质中加热时，沿表层下晶界及石墨夹杂迅速发生氧化，从而导致体积增大的现象。杂迅速发生氧化，从而导致体积增大的现象。第19页，本讲稿共23页氧化氧化氧化层结构氧化层结构l570：Fe2O3|Fe3O4|基体基体l570：Fe2O3|Fe3O4|FeO|基体基体对性能的影响对性能的
13、影响l降低表面光洁度降低表面光洁度l出现淬火软点出现淬火软点影响因素影响因素l加热温度加热温度、加热时间、加热时间、氧化气氛、氧化气氛氧化速度氧化速度l加入加入Cr、Al、Si等形成致密氧化物可提高抗氧化能力等形成致密氧化物可提高抗氧化能力第20页，本讲稿共23页脱碳脱碳组织结构组织结构l全脱碳层：全部全脱碳层：全部晶粒晶粒l半脱碳层：表面半脱碳层：表面C%平均平均C%对性能的影响对性能的影响l机械性能下降（强度、硬度、耐磨性）机械性能下降（强度、硬度、耐磨性）l脱碳层具有残余拉应力，易出现淬火裂纹脱碳层具有残余拉应力，易出现淬火裂纹影响因素影响因素l化学成分、加热温度、加热时间、介质化学成分、加热温度、加热时间、介质第21页，本讲稿共23页氧化与脱碳的控制氧化与脱碳的控制在可控气氛中无氧化加热在可控气氛中无氧化加热敞焰少无氧化加热敞焰少无氧化加热在熔融浴炉中无氧化加热在熔融浴炉中无氧化加热在真空中无氧化加热在真空中无氧化加热防氧化涂层防氧化涂层第22页，本讲稿共23页加热介质的选择加热介质的选择真空加热真空加热保护气氛（吸热式气氛、放热式气氛）保护气氛（吸热式气氛、放热式气氛）氨热分解气氨热分解气氮基保护气氛氮基保护气氛液滴式保护气氛液滴式保护气氛其他加热介质其他加热介质第23页，本讲稿共23页