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1、热处理工艺及设备金属热处理工艺及设备金属的加热的加热1第1页，共32页，编辑于2022年，星期日第一节第一节 金属加热的物理过程金属加热的物理过程n n三种传热方式三种传热方式三种传热方式三种传热方式n n传导：加热介质与加热工件表面接触时，或受热传导：加热介质与加热工件表面接触时，或受热传导：加热介质与加热工件表面接触时，或受热传导：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工件表面与心部之间、受热工件的某一部位与未工件表面与心部之间、受热工件的某一部位与未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的热量传输受热部分之间发生的热量传输受热部
2、分之间发生的热量传输受热部分之间发生的热量传输n n对流：依靠液态或气态加热介质的分子相对运动对流：依靠液态或气态加热介质的分子相对运动对流：依靠液态或气态加热介质的分子相对运动对流：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（形成的热量传输（形成的热量传输（形成的热量传输（600600700700以下）以下）以下）以下）n n辐射：通过加热体在高温下产生的电磁波来传递辐射：通过加热体在高温下产生的电磁波来传递辐射：通过加热体在高温下产生的电磁波来传递辐射：通过加热体在高温下产生的电磁波来传递能量的现象（能量的现象（能量的现象（能量的现象（700700，无需介质），无需介质），无需介质
3、），无需介质）2第2页，共32页，编辑于2022年，星期日加热方式与加热介质加热方式与加热介质加热方式与加热介质加热方式与加热介质金属加热金属加热金属加热金属加热直接加热直接加热直接加热直接加热间接加热间接加热间接加热间接加热热源热源热源热源热源热源热源热源介质介质介质介质电阻电阻电阻电阻电磁波电磁波电磁波电磁波低能粒子低能粒子低能粒子低能粒子真空真空真空真空固体固体固体固体液体液体液体液体气体气体气体气体3第3页，共32页，编辑于2022年，星期日真空加热真空加热真空加热真空加热n n加热速度缓慢加热速度缓慢加热速度缓慢加热速度缓慢n n截面温差小、应力、变形小截面温差小、应力、变形小n n
4、充入惰性气体强制循环；预热升温充入惰性气体强制循环；预热升温n n氧化作用被抑制氧化作用被抑制氧化作用被抑制氧化作用被抑制n n表面净化表面净化表面净化表面净化n n脱气作用脱气作用脱气作用脱气作用n n蒸发现象蒸发现象蒸发现象蒸发现象4第4页，共32页，编辑于2022年，星期日第二节第二节第二节第二节 影响加热因素影响加热因素影响加热因素影响加热因素 加热介质加热介质加热介质加热介质炉子类型炉子类型炉子类型炉子类型炉温（炉温（炉温（炉温（）相对加热速度相对加热速度相对加热速度相对加热速度空气炉空气炉空气炉空气炉8008001 1盐浴炉盐浴炉盐浴炉盐浴炉8008002 2铅浴炉铅浴炉铅浴炉铅浴
5、炉8008004 4盐浴炉盐浴炉盐浴炉盐浴炉120012008 85第5页，共32页，编辑于2022年，星期日钢件成分钢件成分单位单位/s钢种钢种钢种钢种低碳低碳低碳低碳钢钢钢钢中碳中碳中碳中碳钢钢钢钢高碳高碳高碳高碳钢钢钢钢低合低合低合低合金钢金钢金钢金钢中合中合中合中合金钢金钢金钢金钢高合高合高合高合金钢金钢金钢金钢相对相对相对相对加热加热加热加热速度速度速度速度2.02.01.71.71.41.41.31.31.21.21.01.06第6页，共32页，编辑于2022年，星期日 钢件形状钢件形状钢件形状钢件形状有效受热表面积与其体积之比有效受热表面积与其体积之比(Fv)并不相同并不相同钢种
6、形钢种形钢种形钢种形状状状状钢球钢球钢球钢球立方刚立方刚立方刚立方刚 圆钢圆钢圆钢圆钢正方钢正方钢正方钢正方钢 长方钢长方钢长方钢长方钢 钢板钢板钢板钢板F/VF/V6/D6/D6/D6/D4/D4/D4/D4/D2.66/D2.66/D2/D2/D相对加相对加相对加相对加热速度热速度热速度热速度1.51.51.51.51 11 10.670.670.50.57第7页，共32页，编辑于2022年，星期日第三节第三节第三节第三节 确定加热规范的一般原则确定加热规范的一般原则确定加热规范的一般原则确定加热规范的一般原则 加热的温度（加热的温度（加热的温度（加热的温度（T T T T）基本依据：材料
7、相变的临界点基本依据：材料相变的临界点基本依据：材料相变的临界点基本依据：材料相变的临界点钢的临界温度铁碳相钢的临界温度铁碳相钢的临界温度铁碳相钢的临界温度铁碳相图中图中图中图中PSKPSK、GSGS、ESES线线线线分别用分别用分别用分别用A A1 1、A A3 3、A Acmcm表示。表示。表示。表示。由于实际加热或冷却由于实际加热或冷却由于实际加热或冷却由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现时存在过冷或过热现时存在过冷或过热现时存在过冷或过热现象，因此，将钢加热象，因此，将钢加热象，因此，将钢加热象，因此，将钢加热时的实际转变温度分时的实际转变温度分时的实际转变温度分时的实际转变温度分别用
8、别用别用别用Ac1Ac1、Ac3Ac3、AccmAccm表示，冷却时表示，冷却时表示，冷却时表示，冷却时的实际转变温度分别的实际转变温度分别的实际转变温度分别的实际转变温度分别用用用用Ar1Ar1、Ar3Ar3、ArcmArcm表示表示表示表示8第8页，共32页，编辑于2022年，星期日l综合考虑因素综合考虑因素热处理工艺目的热处理工艺目的 零件尺寸零件尺寸 零件加工过程零件加工过程9第9页，共32页，编辑于2022年，星期日加热速度选择加热速度选择加热速度选择加热速度选择l l 塑性高的钢材加热速度可大一些，反之，脆性大的钢材塑性高的钢材加热速度可大一些，反之，脆性大的钢材塑性高的钢材加热速
9、度可大一些，反之，脆性大的钢材塑性高的钢材加热速度可大一些，反之，脆性大的钢材 加热速度应相对减小加热速度应相对减小加热速度应相对减小加热速度应相对减小l 导热性差的钢导热性差的钢(如高铬钢、高速钢等如高铬钢、高速钢等)应采用较小的加热速度应采用较小的加热速度l 对大尺寸工件应采用较小的加热速度对大尺寸工件应采用较小的加热速度l 形状复杂截面相差悬殊的工件加热速度宣小一些形状复杂截面相差悬殊的工件加热速度宣小一些l 若加热前工件存在有较大的残余应力，当加热产生的热应力若加热前工件存在有较大的残余应力，当加热产生的热应力 与内应力方向一致时易导致变形开裂，故加热速度应小一些与内应力方向一致时易导
10、致变形开裂，故加热速度应小一些l 固体渗碳、退火等工艺，由于工艺本身及设备特点的限固体渗碳、退火等工艺，由于工艺本身及设备特点的限 制，常不采用快速加热制，常不采用快速加热l 钢中严重偏析、夹杂物，可造成组织不均匀，致使钢中各部钢中严重偏析、夹杂物，可造成组织不均匀，致使钢中各部 位导热不一致，尤其是大块与尖角状夹杂物，其尖端处正是位导热不一致，尤其是大块与尖角状夹杂物，其尖端处正是 热应力集中所在，极易引起开裂，所以对这种钢件应缓慢加热应力集中所在，极易引起开裂，所以对这种钢件应缓慢加 热热10第10页，共32页，编辑于2022年，星期日加热方法选择加热方法选择l 冷炉装料冷炉装料1)装炉量
11、较多，考虑装炉方便；装炉量较多，考虑装炉方便；(2)工件装炉前存在较大的内应工件装炉前存在较大的内应 力，如铸件、冷变形件，力，如铸件、冷变形件，(3)冶炼质量不高冶炼质量不高(含有大量夹杂含有大量夹杂 物物)的钢及灰口铸铁件，的钢及灰口铸铁件，(4)形状复杂的高合金钢件；形状复杂的高合金钢件；(5)大型铸锻件。大型铸锻件。11第11页，共32页，编辑于2022年，星期日l 到温装炉到温装炉 这种加热的特点是操作方便，加热速这种加热的特点是操作方便，加热速度较大，截面温差也较大。这是退火、度较大，截面温差也较大。这是退火、正火、淬火等常正火、淬火等常用热处理工艺普遍应用的一种加热用热处理工艺普
12、遍应用的一种加热方法方法12第12页，共32页，编辑于2022年，星期日l 高温装炉高温装炉1)锻件退火、正火锻件退火、正火(2)碳钢、低合金钢锻件、小型工碳钢、低合金钢锻件、小型工件淬火件淬火13第13页，共32页，编辑于2022年，星期日l l 低温装炉低温装炉低温装炉低温装炉(600 600)或经预热或经预热或经预热或经预热(1)热处理温度较低的工件，如施行热处理温度较低的工件，如施行退火的铸铁件、焊接结构、机加工退火的铸铁件、焊接结构、机加工件件(2)在钢弹性区的应力远低于抗拉在钢弹性区的应力远低于抗拉强度，可保证不产生裂纹的工件，强度，可保证不产生裂纹的工件，如大型铸锻件、淬火如大型
13、铸锻件、淬火不合格返修件不合格返修件(3)经过预热的工件，可缩短高温经过预热的工件，可缩短高温加热时间，以减少高温氧化、脱加热时间，以减少高温氧化、脱碳程度并降低热应力，如截面大碳程度并降低热应力，如截面大的高合金钢工具和高速钢件等的高合金钢工具和高速钢件等14第14页，共32页，编辑于2022年，星期日加热时间加热时间加热时间加热时间n n定义：定义：升升 透透 保保15第15页，共32页，编辑于2022年，星期日16第16页，共32页，编辑于2022年，星期日n n加热时间的计算l l厚件可用传热学、有效元分析l l薄件可用经验公式估算 薄件：T炉400，d300mm；T炉800，d200
14、mm；T炉1000，d100mm；l l加热KW（W：几何因素）K K碳钢碳钢合金钢合金钢空气加热空气加热40404545盐浴加热盐浴加热10101313火焰加热火焰加热3535404017第17页，共32页，编辑于2022年，星期日物体形状物体形状物体形状物体形状W=V/FW=V/F物体形状物体形状物体形状物体形状W=V/FW=V/F球球球球D/6D/6长方形板材全部长方形板材全部长方形板材全部长方形板材全部加热加热加热加热BaL/2(BL+Ba+aBaL/2(BL+Ba+aL)L)圆柱体，全部加圆柱体，全部加圆柱体，全部加圆柱体，全部加热热热热DL/4L+2DDL/4L+2D方形方形方形方
15、形B/6B/6圆柱体，一端加圆柱体，一端加圆柱体，一端加圆柱体，一端加热热热热DL1/4LDL1/4L1 1+D+D正方形、三角形正方形、三角形正方形、三角形正方形、三角形或等边六角形或等边六角形或等边六角形或等边六角形 棱柱棱柱棱柱棱柱D1L/4L+2DD1L/4L+2D1 1空心圆柱体，全空心圆柱体，全空心圆柱体，全空心圆柱体，全部加热部加热部加热部加热(D-d)L/4L(D-d)L/4L1 1+2(D-d)+2(D-d)工件形状与几何因素工件形状与几何因素工件形状与几何因素工件形状与几何因素WW的关系的关系的关系的关系注：注：注：注：D-D-外径；外径；外径；外径；D1-D1-周径（多角
16、形内切圆周直径）；周径（多角形内切圆周直径）；周径（多角形内切圆周直径）；周径（多角形内切圆周直径）；B-B-正方体棱柱高及板厚；正方体棱柱高及板厚；正方体棱柱高及板厚；正方体棱柱高及板厚；d-d-内径；内径；内径；内径；L-L-长度；长度；长度；长度；L1-L1-加热区长度；加热区长度；加热区长度；加热区长度；a-a-板厚板厚板厚板厚18第18页，共32页，编辑于2022年，星期日 加热加热加热加热a*Ha*Ha:a:加热系数加热系数加热系数加热系数(s/mm)(s/mm)；H H：有效厚度：有效厚度：有效厚度：有效厚度(mm)(mm)设备设备设备设备温度温度温度温度加热系数加热系数加热系数
17、加热系数(s/mm)(s/mm)圆截面圆截面圆截面圆截面正方形正方形正方形正方形长方形长方形长方形长方形电炉电炉电炉电炉80080040-5040-5050-6050-6060-7560-75油炉油炉油炉油炉80080035-4035-4045-5045-5035-6035-60盐浴炉盐浴炉盐浴炉盐浴炉80080012-1512-1515-1815-1818-2218-22铅浴炉铅浴炉铅浴炉铅浴炉8008006-86-88-108-1010-1210-12盐浴炉盐浴炉盐浴炉盐浴炉130013006-86-88-108-1010-1210-1219第19页，共32页，编辑于2022年，星期日20
18、第20页，共32页，编辑于2022年，星期日第四节第四节第四节第四节 钢铁在加热时的缺陷钢铁在加热时的缺陷钢铁在加热时的缺陷钢铁在加热时的缺陷vv氧化氧化氧化氧化：钢的表面金属与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化：钢的表面金属与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化：钢的表面金属与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化：钢的表面金属与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂质相互作用形成金属氧化物层的过程性杂质相互作用形成金属氧化物层的过程性杂质相互作用形成金属氧化物层的过程性杂质相互作用形成金属氧化物层的过程腐蚀腐蚀2Fe+O22FeO Fe+CO2CO+FeO Fe+H2OH2+FeOn n氧化层结构氧化层
19、结构氧化层结构氧化层结构n n570570：FeFe2 2OO3 3|Fe|Fe3 3OO4 4|基体基体基体基体n n570570：Fe Fe2 2OO3 3|Fe|Fe3 3OO4 4|FeO|FeO|基体基体基体基体21第21页，共32页，编辑于2022年，星期日n 对性能的影响对性能的影响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n 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等形成致密氧化物可提高 抗氧化能力抗氧化能力22第22页，共32页，编辑于2022年，星期日v
20、脱碳脱碳：工件在加热过程中表层的碳与介质中的脱：工件在加热过程中表层的碳与介质中的脱碳气体（碳气体（O2、H2、CO2、H2O）相互作用而烧损）相互作用而烧损的现象的现象 2（C）+O22CO（C）+CO22CO（C）+H2OCO+H2（）（）+2H2CH4 n n组织结构组织结构组织结构组织结构n n全脱碳层：全部全脱碳层：全部全脱碳层：全部全脱碳层：全部 晶粒晶粒晶粒晶粒n n半脱碳层：表面半脱碳层：表面半脱碳层：表面半脱碳层：表面C%C%平均平均平均平均C%C%23第23页，共32页，编辑于2022年，星期日24第24页，共32页，编辑于2022年，星期日n 对性能的影响对性能的影响机械
21、性能下降（强度、硬度、耐磨性）机械性能下降（强度、硬度、耐磨性）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n 影响因素影响因素化学成分、加热温度、加热时间、介质化学成分、加热温度、加热时间、介质25第25页，共32页，编辑于2022年，星期日v内氧化内氧化：在工件内部沿晶界形成氧化物相或脱碳：在工件内部沿晶界形成氧化物相或脱碳区的现象区的现象26第26页，共32页，编辑于2022年，星期日v生铁肿胀生铁肿胀：铸件在氧化性介质中加热时，沿：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致体
22、积增大的现象27第27页，共32页，编辑于2022年，星期日v氧化与脱碳的控制氧化与脱碳的控制n n装装箱箱法法：用用氧氧化化铝铝粉粉、木木炭炭、铸铸铁铁屑屑等等作作为为充填剂，将工件进行装箱加热。充填剂，将工件进行装箱加热。n n在可控气氛中无氧化加热在可控气氛中无氧化加热n n敞焰少无氧化加热敞焰少无氧化加热n n在熔融浴炉中无氧化加热在熔融浴炉中无氧化加热n n在真空中无氧化加热在真空中无氧化加热n n防氧化涂层防氧化涂层28第28页，共32页，编辑于2022年，星期日v过烧过烧 产生在高温扩散退火或高速钢淬火产生在高温扩散退火或高速钢淬火特征是在粗大晶粒的晶界上出现局部熔化或氧化现象特
23、征是在粗大晶粒的晶界上出现局部熔化或氧化现象W18Cr4V的过烧组织的过烧组织由于加热温度由于加热温度过高，以至晶过高，以至晶界局部融化，界局部融化，产生鱼骨状的产生鱼骨状的莱氏体共晶组莱氏体共晶组织。织。第五节加热温度不适当导致的热处理缺陷第五节加热温度不适当导致的热处理缺陷第五节加热温度不适当导致的热处理缺陷第五节加热温度不适当导致的热处理缺陷29第29页，共32页，编辑于2022年，星期日v v过热过热过热过热15#钢的晶粒粗大组织钢的晶粒粗大组织 图中组织晶粒粗大。同时我们还可以看到一条明显的裂纹，沿晶界分布。30第30页，共32页，编辑于2022年，星期日魏氏组织魏氏组织31第31页，共32页，编辑于2022年，星期日v v欠热欠热欠热欠热热温度低于热温度低于热温度低于热温度低于奥氏体化温奥氏体化温奥氏体化温奥氏体化温度度度度,处于两处于两处于两处于两相区，没有相区，没有相区，没有相区，没有完全奥氏体完全奥氏体完全奥氏体完全奥氏体化，组织中化，组织中化，组织中化，组织中的铁素体属的铁素体属的铁素体属的铁素体属未溶铁素体未溶铁素体未溶铁素体未溶铁素体45#钢的欠热组织钢的欠热组织32第32页，共32页，编辑于2022年，星期日