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1、工程材料及热处理第五章热处理设备与基本操作 热处理设备5.15.1.1 加热设备热处理加热炉是以燃料（如天然气、油、煤）及电力作为热源的加热设备，其中以电作热源的炉子在生产中应用较多。1热处理加热炉的分类热处理加热炉分类方式繁多，具体如下。（1）按热源的不同，热处理加热炉可分为电阻炉和燃料炉（如煤气炉、油炉和煤炉等）。其中，电阻炉以电力作为能源，具有较高的温度均匀性和精度；煤气炉和油炉具有较高的能源利用率；煤炉的控温精度低、热效率低、CO2排放大，其使用应当受到限制。（2）按工作温度的不同，热处理加热炉可分为高温炉（1 000以上）、中温炉（6501 000）、低温炉（650以下）。其中，高温
2、炉应设计成辐射传热型；低温炉主要依靠对流传热，应有强烈的气流循环。（3）按炉膛形式的不同，热处理加热炉可分为箱式炉、井式炉、罩式炉、转底式炉和管式炉等。（4）按工艺用途的不同，热处理加热炉可分为退火炉、淬火炉、回火炉、渗碳炉和渗氮炉等。（5）按作业方式的不同，热处理加热炉可分为间歇式、连续式和脉动式等。（6）按使用介质的不同，热处理加热炉可分为空气介质炉、火焰炉、可控气氛炉、盐浴炉、油浴炉、铅浴炉、流态化炉和真空炉等。其中，空气介质炉结构简单、易氧化脱碳；火焰炉中气氛主要含有CO2，H2O，N2，以及过量的CO或O2；而可控气氛炉的气氛主要有中性气氛、还原气氛和含碳气氛等。（7）按炉型的不同，
3、热处理加热炉可分为台车式炉、升降底式炉、推杆式炉、输送带式炉、辊底式炉、振底式炉和步进式炉等。热处理加热炉主要通过控制温度、压力、流量、气氛等工艺参数，同时对传动机械、工艺过程、预测产品质量等加以控制达到所需的性能指标。控制方法可以是单纯的参数控制、可编程序控制器控制、计算机模拟仿真控制等。下面以电阻炉和盐浴炉为例，说明热处理加热炉的工作原理及特点。2热处理加热炉的工作原理及特点1）电阻炉电阻炉的工作原理是将电流通过电阻发热体后发出热能，传导给工件（或坩埚），使工件升至预定的温度，各种以金属和非金属电热元件作供热体的热处理炉都属于此类炉子。热处理电阻炉的炉型很多，热处理车间常用的是箱式电阻炉和
4、井式电阻炉两类。热处理电阻炉与其他类型的热处理炉相比，具有结构简单，易于操作、成本低、热效率高等优点。它可根据生产要求形成低温、中温和高温温度空间，且能获得较高的温度均匀性。电阻炉的炉体结构紧凑，便于密封以施行真空热处理工艺或通入可控气氛，较易于实现温度和工艺过程的自动控制。因此，电阻炉是目前热处理加热中使用最为广泛的一种炉子。通用热处理电阻炉在我国已有系列产品，其型号采用汉语拼音字母和数字的组合的方式来表示，具体格式如下。例如，RJ2-65-9井式电阻加热炉，其额定功率为65 kW，最高使用温度为950，有的型号最后还可以加上表示炉子气氛种类的字母，如Q表示通保护气体，D表示可用滴注式保护气
5、氛等。电阻炉按炉膛形状的不同，可分为箱式电阻炉和井式电阻炉。箱式电阻炉按其工作温度可分为高温炉、中温炉和低温炉，其中以中温箱式炉应用最广，常用的型号有RX3-45-9，RX3-75-9等。箱式电阻炉由炉门，炉衬、炉壳、电热元件和炉底等构成，其外形如图5-1所示。箱式电阻炉广泛用于工件的正火、退火、淬火、回火和渗碳处理。（1）箱式电阻炉 图5-1 RX3型中温箱式电阻炉 井式电阻炉在热处理车间应用得也比较广泛，常用的有井式回火炉（见图5-2）和井式气体渗碳炉（见图5-3）。井式炉密封性良好、热效率高，并且工件进出炉方便。为了操作维修时安全方便，大中型井式电阻炉通常安装在地坑中，只有上部露在地面上
6、。（2）井式电阻炉图5-2 井式回火炉图5-3 井式气体渗碳炉井式电阻炉一般适用于需垂直悬挂加热的较长工件，也普遍用于进行气体渗碳。热处理生产中，还常用井式电阻炉做单件和小批量工件的正火、退火、淬火和回火处理用。2）盐浴炉热处理浴炉是采用液态的熔盐或油类作为加热介质，按所用介质的不同，可分为盐浴炉及油浴炉等，其中以盐浴炉应用最为普遍。盐浴炉适应范围广，可完成多种热处理工艺，如淬火、回火、分级淬火、等温淬火、化学热处理、局部加热淬火或正火等。工件在盐浴炉中加热，与电阻炉相比，具有炉体结构简单、加热速度快、温度均匀和不易氧化、脱碳等优点。但盐浴炉有启动升温时间长、热损失大、原料（盐）和电力消耗大、
7、劳动条件差等缺点。盐浴炉按热源方式的不同，可分为内热式盐炉和外热式盐炉。内热式盐浴炉是在插入炉膛和埋入炉墙的电极上，通上低压大电流的交流电，使熔化盐的电阻发出热量来达到要求的温度。内热式以电极盐浴炉应用最普遍，如图5-4所示为内热式电极盐浴炉外形图，常用的型号为RYD-100-9A。（1）内热式盐浴炉图5-4 内热式电极盐浴炉外热式盐浴炉的电热元件（电阻丝）安装在金属坩埚外部，即使坩埚内的盐处于不能导电的凝固状态，也可以从外部加热使其升温熔化，且不需要变压器，启动操作较为方便。外热式盐浴炉以坩埚盐浴炉应用最为普遍，常用型号为RYG-20-8等，其外形如图5-5所示。（2）外热式盐浴炉图5-5
8、外热式坩埚盐浴炉5.1.2 冷却设备冷却设备也是热处理车间的主要设备。热处理生产中普遍采用空气、水及一些物质的水溶液、油和盐浴等作为冷却介质，以获得所要求的组织与性能，满足不同的加工要求。根据工件要求冷却速度的不同，常采用的冷却设备有缓冷设备、淬火冷却设备、淬火校正、淬火成形及冷处理设备，其中应用最普遍的是淬火冷却设备，如淬火槽等。缓冷设备主要应用于退火冷却，也用于正火冷却和渗碳后预冷。较常用的缓冷设备有箱式电阻炉、燃料炉（用于退火）、冷却室或冷却坑等。淬火冷却设备主要是淬火槽，另外还有用于分级淬火和等温淬火的中、低温盐浴炉及硝盐槽等。5.1.3 测温设备时间和温度是最主要、最基本的两个热处理
9、工艺参数，生产中经常要对其进行测量和控制。时间的测量比较简单，目视计时可采用钟表，自动计时一般使用时间继电器。常用的测温控温装置有热电偶、光学高温计、电子电位差计和毫伏计等。在温度测量中，热电偶是应用最广泛的测温元件。其工作原理是：将两根材料的金属导体一端焊牢成工作端，将另一端接上电表形成闭合回路，电表即显示出电动势的大小。工作端和自由端的温差越大，电动势越大。因此，通过测定热电动势的大小就可以确定被测物体的温度。1热电偶不同材料制成的热电偶产生的热电势的大小也不同，因此不同热电偶都各有各自的毫伏与温度对应表。热电动势的大小不受热电极的长短与粗细的影响，所以当热电偶的材料固定、自由端的温度固定
10、，热电动势的大小与工作端温度成正比。热电偶的种类有七种，其分度号为S，R，B，K，E，J，T，我国采用了除R外的另外六种。热电偶的结构如图5-6所示。图5-6 热电偶结构图1热电极；2绝缘套管；3保护套管；4接线盘；5连接导线（补偿导线）毫伏计是测量热电偶产生的热电动势的一种磁电式仪表，其工作原理是：电流通过永久磁铁中的动线圈时，线圈产生的磁场和外磁场互相作用使带有指针的动线圈偏转，线圈内电流大则指针偏转也大，根据毫伏数与温度数的直线关系，则可在毫伏计上直接读出温度来。2测温毫伏计如图5-7所示为热处理常见的两种毫伏计的外形图。（a）XCZ-101型指示毫伏计 （b）EFT-100型调节式毫伏
11、计图5-7 毫伏计的外形示意图1温度指针；2仪表壳；3零位调节旋钮；4刻度盘；5给定指针调节旋钮；6给定指针（1）指示毫伏计，其仅能测量、指示温度，有XCZ-101，EFZ-110等型号。（2）调节式毫伏计，其既可测量指示温度，又可调节温度，这是热处理常用的一种毫伏计，有XCT-101，EFT-100等型号。注 意由于热电偶种类不同，一种毫伏计只能匹配一种热电偶。在毫伏计的刻度盘的左上角都注明有相配的热电偶分度号。使用前应检查仪表指针的零位，还应注意毫伏计的正、负极和热电偶与仪表接线柱的“+”“-”极性，不可接反。3电子电位差计电子电位差计是一种精确、可靠并能够自动记录和控制炉温变化的二次仪表
12、，具有指示温度、记录温度曲线和控制温度这三个功能。使用时，将黑色指针设定在需要的温度刻度上，当旋转指针到达该温度时即可自动断电，以达到自动控制的目的。其表盘上有同步电机带动的记录纸记录温度曲线，记录纸上用许多同心圆来表示温度分度，每一大格通常表示1 h，根据记录墨线所占的格子数可以判断加热时间的长短。热处理生产中常用的电子电位差计是配有原图记录机构的XWB型，外形如图5-8所示。图5-8 XWB型电子电位差计外形图1壳体；2仪表；3刻度盘（温度标尺）；4给定指针；5记录指针；6记录纸；7指示指针4光学高温计和辐射高温计使用光学高温计（见图5-9）测量温度时，物镜距离炉子0.75 m。观察者从光
13、学高温计目镜中可以观察到灯丝的亮度，并将它同炉温比较，通过调节滑线电阻使灯丝亮度与炉温一致，以分不清灯丝和炉温亮度时为准，即灯丝影像隐灭在被测物体影像中，这时光学高温计的温度虽是灯丝的温度，但也同时反映了炉子的温度。在温度超过1 100或无法使用热电偶测量的地方，常采用非接触式温度仪表光学温度计和辐射温度计。实际生产中，也经常用它们来校验其他测温仪表所显示的炉温准确与否。图5-9 WG2型光学高温计1物镜；2滑线电阻盘；3目镜；4温度显示表辐射高温计是通过被测温物体辐射出的热能转换成电动势来测量其温度的测温仪表，常用的有FWT-202型辐射高温计。在测温时，被测物体辐射出的热能由辐射高温计的物
14、镜聚集在与辐射高温计配套的热电偶工作端上，然后转换成热电势，它的大小是与被测温度高低相对应的，从而可测得被测温物体的温度。使用辐射高温计时，辐射镜离热源的距离为0.71.1 m，一般为1 m，倾斜角度为3060。物镜需要经常擦拭，否则会影响测温准度。注 意光学高温计和辐射高温计测量盐浴温度时只能测量表面温度，不能反映炉内温度，这一缺点也是造成工件过热的原因之一。此外，由于工件挡住辐射镜致使工件过热的现象也经常发生，因此操作者要注意检查辐射镜的位置。热处理基本操作与实例5.25.2.1 退火与正火操作1操作步骤1）装炉前的准备（1）查对工件名称、钢种、技术要求和数量。根据钢种和技术要求，确定具体
15、的工艺操作方法。（2）根据工件的变形度和脱碳要求，确定装炉方法。对铸件、锻件以及退火后有很大切削加工余量的工件，一般可直接装炉，不采取防止氧化、脱碳等保护性措施。通常这类工件的变形要求不严格，每米允许弯曲的最大值可达35 mm，所以可随炉散装堆放。对加工余量很少或只进行磨削加工的工件，则需要采取防止氧化、脱碳等措施。一般使用保护气氛或真空炉，以保证工件退火后无氧化、脱碳。当使用箱式电阻炉和井式电阻炉进行退火时，则需要以填充物保护密封装箱。常用的装箱填充物有以下两种。铁屑保护旧铸铁屑60%70%新铸铁屑30%40%。砂子保护砂子90%95%木炭5%10%。填充物要保持干燥，不要和其他化学物品相混
16、，最好在专用容器内存放。装箱时，先在箱底铺一层2030 mm的填充物，再放进工件并加入填充物，工件之间保持510 mm的间隙，工件距箱壁、箱盖1020 mm。盖好箱盖后用耐火泥或黏土把箱口密封好，耐火泥不能太稀，否则封不住箱，或者高温时耐火泥出现裂缝。上述装箱操作中，由于工件之间和工件与箱壁之间留有一定距离，所以透烧情况较好，加热均匀。但是其装炉量不足，生产效率不太高。由于工件与填充物混装一起，退火完毕每次倒箱时粉末大，而且要分开工件和填充物比较麻烦。2）装炉方法（1）检查炉体各部分是否损坏，其他设备运转是否正常，高温仪表指示必须正确，工件应装在各种炉型规定的有效加热区内。（2）同炉退火的工件
17、，工艺规范须相同或相近，各种工件有效厚度不能相差太大，工件堆放保持适当距离，如果在箱型电炉中退火，离炉底板的距离应大于或等于100 mm。（3）大型燃料炉退火时，有效厚度相差不能大于200 mm，装在台车上要平稳，离台车表面的距离大于200 mm，横向间隔宜大于或等于100 mm，以保证炉气良好的循环。（4）大件放在底层，小件放在上层，厚壁大件放在近炉门处，上层工件的质量不应集中在下层易变形部位。（5）力学性能试棒必须与所代表的工件同炉装在工件有代表性的部位或工艺卡规定的地方。（6）凡工艺卡规定有跟件热电偶时，跟件热电偶的数量和装置部位应符合工艺卡规定。在工艺没有规定的情况下，应装在有代表性的
18、部位或装在重要工件上。（7）保护气氛加热炉、热浴加热炉、真空炉、连续作业炉等其他炉型用于退火作业时，其操作技能可参照各厂规定的专业操作规范。3）进炉将工件或装好工件的密封桶用吊车直接吊进井式电阻炉内。在箱式电阻炉退火时，是将装入工件的密封箱用吊车放在平台车上，再用工具钩把密封箱推进炉膛里。密封箱安放的位置应在炉膛的有效加热区内，进出炉时要注意不要碰坏炉壁。进炉的方法通常有以下两种。（1）冷炉装料法。冷炉装料法即炉温在室温时，工件进入炉内，并随炉一起升温、保温。开始时炉温和工件温度是一样的，在加热阶段，工件心部温度总是比表面要低些；在保温阶段，工件内外温度才趋于一致。冷炉装料法虽能减小工件温差，
19、但操作很不方便，如第一炉完成加热后，要等炉子冷下来再装第二炉，浪费了大量的热能，增加了生产周期，所以大批生产时一般不用冷炉装料法。（2）热炉装料法。当炉温处在要求的温度或接近工艺温度时，将工件装进炉内。由于打开炉门及装入冷工件会造成炉温短暂下降，但很快又能升到工艺温度进行保温。冷工件进入热炉，温差很大，但因工件从一开始就受到对流和辐射加热，加热速度快，升到工艺温度的时间短，均热也快，所以对大多数结构钢和合金钢工件是很适用的，其优点是生产周期短，生产率高，适合大批生产。4）关闭炉门工件进入炉后，关闭炉门。检查电源开关和仪表运转是否正常，并按工艺规程调整好仪表的控温位置。5）送电升温按工艺规程进行
20、正常正火或退火，退火周期较长，一般在一个班内不能完成，必须做好交接班工作，直至退火全过程完毕。6）冷却出炉正火的冷却操作主要是将工件放在空气中冷却直到室温。一些形状简单，技术要求不高的工件可直接放在地面的铁板上冷却。要分散放置，不要堆放。细长工件，要求变形量小，则不能随意放在地面上冷却，必须悬挂在架子上空冷。大工件正火后冷却可用风扇，鼓风或喷水雾冷却，操作中尽量使工件冷却均匀。退火的冷却操作较为简单，随炉冷至500或室温后出炉。2注意事项（1）正火空冷时，一般应散开冷却，不要堆放。对要求变形较小的工件应悬挂冷却。当风冷和喷雾冷却时，更要注意冷却的均匀性，以免影响工件的硬度和组织的不一致。（2）
21、退火装箱时，要注意填充物的比例配制和干燥清洁，否则容易引起工件的脱碳或渗碳。装箱密封用耐火泥调和要适宜，不要太稀或太稠，以免造成密封不良。正火件的装炉量一般应比退火少些。（3）退火过程中，操作者应经常检查控温仪表和设备运转情况，并通过炉子观察孔经常观察火色，掌握炉温实际情况，随时发现跑温和降温的情况。前面所提到的保温时间，不包括装箱退火，采用装箱退火时，加热时间应根据箱子大小增加23 h。（4）燃料炉的加热时间一般根据跟件热电偶到温计算，箱型电炉加热时间一般按设备上的热电偶到温起算，所以箱型炉的加热时间在工件相同的情况下比燃料炉加热时间长。（5）工件出炉后，应散放在干燥处冷却，不得堆积，不能放
22、在潮湿处。3退火和正火的操作实例冲头锻坯退火的具体操作如下。（1）核对工作卡，图样和工件，鉴别火花工件名称：冲头。钢种：T8A，为了验证钢号，避免料错，需进行火花鉴别。技术要求：硬度 207 HBW。球状珠光体级别：2级4级。工件尺寸：如图5-10所示。图5-10 冲头锻坯（2）技术要求和使用性能该冲头是冷作模具，工作条件是在一定吨位的冲压机上，冷冲硅钢片的固定孔。因此要求韧性好，能承受冲击载荷，并要求使用寿命高，耐磨性好。以上性能通过冲头的淬火回火处理可以达到。为了给淬火处理作好组织准备，冲头进行退火，要求球状珠光体达到2级4级，硬度 207 HBW，以满足良好的机械加工性能。（3）工艺方法
23、和设备选用此冲头是经过锻造成形的毛坯，加工余量较大，而且是批量生产，所以采用通用的电阻加热炉进行退火。为了避免高碳钢在高温、长时间加热时的脱碳，需装箱保护退火。（4）操作 升温并严格按脱氧操作规程进行脱氧。测温。按所测温度误差调整控温仪表至工艺温度。预热后进入加热炉加热。因连续作业，加热时间和预热时间相同。出炉。在冷却架上空冷，不要堆放，冷却时用鼓风机或风扇吹。清洗。待冷至室温后，用热水清洗残盐。检查。退火出箱后，冲头需作硬度和金相检查，以达到技术要求。5.2.2 淬火和回火的操作1加热操作工件通常经过粗加工后进行淬火、回火后再精加工，因加工余量较小，所以淬火加热时必须考虑工件的氧化、脱碳以及
24、变形。淬火加热方法根据各厂产品类型和设备类型而有所不同，但基本操作相近，下面以通用加热设备为例，介绍淬火加热操作。1）淬火加热操作（1）箱式和井式电阻炉加热环形和扁平类工件可以在箱式电阻炉加热，而轴类工件一般在井式电阻炉加热。用电阻炉加热淬火的工件，常常允许有一定的脱碳层，但加热时仍需采取防护措施，工件表面涂上一层防氧化脱碳涂料，或在10%硝酸酒精溶液中浸泡1020 min，待工件表面涂料干燥后再入炉加热。根据生产批量可采用以下两种加热方法。冷炉装料工件要求变形度小，产量少时采用冷炉装料，工件随炉一起升温。热炉装料成批生产，工件数量大时，采用热炉装料。先把炉温升至工艺温度，再装进工件，也可待第
25、一炉工件出炉淬火后随即装入第二炉工件加热。以上两种加热方法，工件一般不进行预热，直接进炉加热。（2）连续式炉加热工件品种单一、批量大时（如轴承产品的淬火），可在连续式炉加热。由于炉子有传送带或推杆，工件可从入炉口进炉连续加热，而且炉温分段控温。工件加热时，先在低温段预热，再在高温段加热。预热工件在预热炉内先进行低于相变温度下预热，然后移到加热炉内，按工艺温度加热。由于经过预热的工件内外温差小，减小了变形，并且预热后可缩短加热时间，提高了生产率。快速加热将工件进入比工艺温度高80120的炉中进行加热，使工件快速达到工艺温度，大大缩短加热时间。快速加热适用于形状简单，表面要求高硬度的工件。此法操作
26、难度较大，但由于生产率高，仍有实用意义。快速加热也可以在箱式电阻炉中进行，但因盐浴炉加热速度快，操作方便，故常采用盐浴炉加热。2）装炉操作（1）箱式电阻炉的装炉操作箱式电阻炉的炉门一般都在正面，工件水平方向装炉，装炉量大，但工件的进出炉和摆放都不方便，一般大工件都采用台车式电炉。中型工件加热时，可以单件装炉，装炉中工件可放在垫轨上滑入炉中，加热时因为下面有空隙，有利透烧，使工件整体温度均匀。但要考虑出炉的方便、迅速，工件可用铁丝绑扎，出炉时用铁钩钩住铁丝，可迅速出炉冷却。小型工件加热时，可先装进卡具，卡具上有一挂钩，装炉是用铁钩将工件连同卡具一起送入炉中，并排列整齐。如果工件大小不同，钢种相同
27、时，先将大工件放在里面，小工件放在外面，因为小件加热时间短，应先出炉淬火。（2）井式电阻炉的装炉操作井式电阻炉炉门在上部，适宜用吊车进出工件，操作简便。大型工件可以利用工件孔，或者专做一个吊挂孔，用挂钩或铁丝绑扎，垂直吊挂装炉；小型工件可排装在粗铁丝网格中，然后把网格一层层放在装炉框架上，再用吊车将装好工件的框架吊进炉内加热。（3）连续炉的装炉操作连续炉的装炉操作比较简单，把工件放在前炉门口的装料台上，传送带或推料装置将工件连续送进炉内加热，随着连续移动加热完毕，工件被送出另一端炉门进入冷却装置。（4）盐浴炉的装炉操作盐浴炉的炉膛小，加热速度快，适合小工件的加热。由于工件小，所以大多数以手工操
28、作为主。装炉方法一般有两种：一是用卡具，将工件插在卡具孔中，立放，再用铁钩挂起卡具进炉内；另一种是用铁丝绑扎工件，或用铁丝将内孔工件串起，再用铁钩挂起进炉加热。读一读在可大批量生产的专业工厂，用盐浴炉加热工件时，采用机械化操作，将预热炉、加热炉、冷却炉连成一生产线，用联动机吊挂工件加热和冷却，极大地减轻了操作者的劳动强度。3）回火加热操作（1）电阻炉回火电阻炉一般用于500650的高温回火，常用的是低温井式炉，炉内有风扇，回火时炉温均匀。有时也用箱式电阻炉或台车式炉回火，在箱式电阻炉回火时，大件可散装在有效加热区，小件可放在托盘或料架上加热，便于进出炉。用井式电阻炉回火时，通常用料筐或回火桶装
29、料加热，为使回火加热时透烧性好，温度均匀，料筐及回火桶壁应钻透气孔。电阻炉回火装炉操作方法和淬火加热操作基本相同。（2）盐浴炉回火盐浴炉加热均匀，通常用于低温及中温回火，因为氯化盐熔点高，低温时要凝固，一般都用硝酸盐盐浴炉作回火加热用。例如，高速钢刀具的回火就在成分为100%硝酸钾或硝酸钠的盐浴炉中进行。由于盐浴浴面和空气接触被氧化，盐浴老化以及工件的氧化产生氧化皮，所以盐浴炉炉底会有沉渣，每周必须捞渣一次。回火时为避免工件与炉底沉渣接触，又因炉底温度偏低，所以盐浴炉底一般会用铁架垫高100200 mm。（3）油浴炉回火在80150低温回火时，有时采用汽缸油和锭子油炉加热，其炉温均匀，材料成本
30、低。工件尺寸稳定化的时效处理一般用油浴炉。油浴炉回火操作时需注意安全，油的燃点低，应谨慎操作，防止起火。2冷却操作只要在冷却方法、冷却介质上加以变化，就能使钢的性能发生改变，这是热处理操作者必须掌握又最难掌握的操作技能。1）淬火冷却操作淬火加热后的冷却主要是获得高硬度、高强度的马氏体组织，所以要求冷却速度比较快。一般的钢种空冷速度是得不到马氏体组织的，而液体的冷却速度要快得多。各种液体之间的冷却能力也有很大差别，并且各有特点。根据工件的钢种、形状以及性能要求选定冷却工艺的操作技能极其重要。（1）冷却介质的选用一些形状比较简单，或者截面较大的工件，其材料为碳素结构钢或低合金结构钢（如45钢、40
31、Cr等），淬火后要求中、高硬度，这类工件通常采用水作为冷却介质，并可在水中加入一定比例的可溶性物质，改变冷却特性。中、小型工件，所用材料为含碳量稍高的碳素钢或者中合金钢（如T7，T8，T12，9SiCr，GCr15等），要求中、高硬度时选用油作冷却介质。由于油的冷却速度比水低，所以常采用“水淬油冷”的双液淬火。氯化盐浴是理想的等温冷却和分级冷却介质，当工件从加热炉中取出时，立即放入580620的盐浴中冷却，在短时间内即可达到等温效果。分级冷却后取出空冷，可减小工件的变形，避免大件的开裂。硝酸盐浴既可作为回火加热介质，又可作为分级和等温冷却的介质，其应用范围很广。冷却介质应保持干净，避免脏物进入
32、，更换溶液时应清洗槽壁，不使用介质时应加盖。冷却介质的溶液成分应定期化验，根据化验结果调整成分，变质溶液应及时更换。冷却介质的温度应随时测量，防止温度过高或过低。硝酸盐浴槽必须定期过滤。按硝酸盐比例添加新盐，以免盐浴老化影响冷却能力。冷却介质的运动，对提高冷却能力具有重要的意义。工件在冷却介质中窜动得愈好，则淬火效果愈好。为了改善操作者劳动强度，可以搅动冷却介质，冷却介质的运动，可以极大提高冷却能力。在强力搅拌的情况下，较弱的冷却介质，也能获得满意的淬火效果。热处理过程中工件出现的质量问题，虽然也有原材料因素，或有设计不当的原因，但主要还是由于淬火时不正确的操作，造成工件的质量问题。为了减少畸
33、变、防止开裂，应注意以下几点。工件从炉中取出时，必须防止摆动及相互碰撞。细长圆筒形或薄壁圆环形工件应轴向垂直入淬火槽，并在冷气剂中上下窜动。圆盘形工件入淬火槽时，其轴向应平行于液面。厚薄不均匀的工件，先使较厚部分入槽。有凹面及不通孔的工件入槽时，应使凹面或孔的开口朝上。长方形带通孔的工件，应垂直斜向入槽。薄片及薄刃件，应垂直迅速入槽。带单面长槽的工件，应槽口朝上，一端倾斜45，淬入淬火介质中。长板类工件，宜横向侧面淬入淬火介质中。入槽后工件适当上下窜动，以加强介质对流，促进冷却。在真空炉淬火的工件，应待工件冷却后方可出炉，以免工件变色。工件淬火后应及时施行回火，高合金钢和大件淬、回火间隔时间不
34、能超过2 h。在空气炉或煤气炉中退火或正火加热的工件，出炉后应及时去除氧化皮及涂料，再淬火冷却。（2）冷却操作正确的冷却操作可以保证工件淬火的质量，减少或防止冷却缺陷的产生，其操作要领如下。工件从加热炉中取出进入冷却介质中冷却，要求操作动作熟练，迅速稳妥，工件进冷却介质前要注意两个操作动作要点。在空气炉中加热的工件，表面有一层防氧化的涂料，未涂料的工件表面会产生一层氧化皮，淬火时先要抖掉表面层的涂料或氧化皮，然后进入冷却介质中，这个操作动作要轻、快，才能使工件淬火后不发生软点或硬度不足现象。在盐浴炉加热的工件，出炉时卡具或工件表面有熔盐附着，当出炉动作缓慢，工件带着盐浴进入冷却介质，盐浴凝附在
35、工件表面，影响工件的冷却能力，所以出炉时要甩掉工件上的盐浴，这个操作动作一定要求轻、快。厚薄不均匀的工件，或要求变形小的工件，可采用预冷法，使薄壁处或整个工件变成暗红时进入水中。内孔、凹腔要求硬度高的工件，可用喷射淬火法。小型简单工件如螺母、小尺寸的量规等，可用勺子在盐浴炉中堆装加热，冷却时在冷却槽的中下部放一锥体，尖向上，将工件逐渐倒入冷却液中，并沿锥面分散。也可在介质中放一个铁丝网，冷却时，工件撤进网中，另一操作者用铁勺进行搅动。极薄的片状工件，可用铜板或铁板代替冷却介质，冷却时将薄片工件夹在两板之间，热量传到铁板上，达到淬火目的，可减少变形。2）回火冷却操作一般情况下，工件回火多数采用空
36、气冷却，因为回火后空冷对工件性能影响不大，但要注意形状复杂的工模具在冷至室温前不允许水冷，以防止开裂。而一些铬镍、铬锰合金结构钢，在450560高温回火时要产生回火脆性，所以这些钢种的工件回火加热后要在水或油中以较快速度冷却，冷却后再进行一次低温补充回火，以消除快冷所产生的内应力。高速钢工件通常采用560三次回火，当上一次回火后在空气中冷却时，必须注意一定要冷至室温再进行下一次回火，这样才能使奥氏体充分转变为马氏体，使其硬化达到最佳程度，并使回火充分。3）淬火与回火操作实例直柄钻头淬火回火的具体操作如下。工件尺寸：如图5-11所示。材料：W6Mo5Cr4V2。技术要求：晶粒度10号11号。硬度
37、：柄部硬度为3550 HRC；刃部硬度为6366 HRC。不直度：径向跳动 0.24 mm。图5-11 直柄钻头（1）技术要求钻头是切削刀具之一，其刃部要求高硬度，才能对各种材料进行钻孔，并要求高强度、高耐磨性。通常钻头都用高速钢制造，由于合金元素多，所以红硬性高，能进行高速切削。钻头柄部作定位和被夹持用，硬度不必过高。硬度太高，对校正钻头变形不利，而且打不上标记，所以柄部为中硬度。钻头加热表面不允许脱碳，若表面脱碳后，淬火硬度不足，影响切削性能。（2）设备选用高速钢刀具热处理通常都选用盐浴炉加热，由于合金元素多，导热性差，一般都要进行二次预热再加热，冷却采用低温混合氯化盐浴炉分级冷却，回火采
38、用硝盐浴炉。（3）生产准备 准备工作。绑扎好零件，检查炉温仪表，对高温盐浴炉必须严格按操作规程进行脱氧。钻头有专用卡具装卡加热。（4）工艺规范 淬火。预热：第一次，650700，160 s；第二次，800850，160 s。加热：1 2201 230，160 s，装量98件。冷却：580620，160 s后空冷至室温。清洗。热水洗。回火。550560，2 h，回火三次。检查。洛氏硬度计检查硬度。喷砂。冷校直。检查。V形铁及百分表检查径向跳动。（5）操作注意事项 装卡后工件必须烘干，以免进盐浴炉时溅射伤人。柄部硬度可以在淬火回火后采用高频淬柄，以达到技术要求，但大量生产时通常采用加热方法来控制柄
39、部硬度，可节省工序周转时间和节约能源。其方法为：将装好卡的钻头在第一、二次预热时，钻头连同卡具一并埋入盐浴内加热，进入高温加热炉时，使钻头柄部露出盐面，只加热刃部。钻头露出盐面，正好在钻头沟槽处，即卡具的下层板刚好在盐面上。这是利用预热温度以及高温加热时的热传导使柄部进行不完全淬火，达到柄部要求的硬度。分级冷却的盐浴温度不得超过650，钻头分级冷却的温度过高、时间过长将使高速钢中合金碳化物析出，影响钻头硬度和使用寿命。为保证冷却温度在工艺规定范围，必须经常调整盐浴成分。淬火后应及时回火，若停留时间过长，会使奥氏体稳定化，从而影响刀具硬度和使用寿命。三次回火过程中，每次回火后必须冷至室温再进行下
40、一次的回火，使组织转变充分。操作过程要经常检查高温炉辐射镜是否被遮挡以及仪表运转是否正常，避免造成工件过热。热处理技术条件及工序位置5.35.3.1 常见的热处理缺陷及防止1氧化和脱碳零件加热时，如果周围介质中存在有氧化性气氛（如空气中的O2，CO2，H2O等），或氧化性物质，则表面的铁和碳在高温下就会氧化。钢被氧化的结果，不仅使材料被烧损，表面粗糙，而且氧化皮还影响零件的力学性能、耐腐蚀性能和切削性能。脱碳是指工件表层的碳被氧化烧损而使工件表层碳含量下降的现象。脱碳降低了工件的表面硬度和耐磨性。提 示在实际生产中，零件的氧化和脱碳经常是同时出现的。对于表面质量要求较高的精密零件或特殊金属材料
41、制造的零件，在热处理过程中应采取真空或保护气氛加热来避免氧化和脱碳。2过热和过烧由于加热温度过高或保温时间过长引起晶粒粗化的现象称为过热。一般采用正火来消除过热缺陷。过烧是指由于加热温度过高，致使分布在晶界上的低熔点共晶体或化合物被熔化或氧化的现象。过烧一旦产生是无法挽救的，是不允许存在的缺陷。3变形和开裂工件淬火后出现形变现象是必然的结果，因为在淬火冷却过程中，必将产生内应力。此内应力又可分为热应力和相变应力两部分。工件在加热（或冷却）时，由于部位不同存在着温度差而导致热胀（或冷缩）不一致所引起的应力称为热应力。钢中奥氏体比容最小，奥氏体转变为其他各种组织时比容都会增大，使钢的体积膨胀，其中
42、尤以发生马氏体转变时产生的体积效应更为明显。热处理过程中各部位冷速的差异使工件各部位相转变的不同时性所引起的应力称为相变应力（组织应力）。淬火冷却时，工件中的内应力可能导致形状和尺寸发生变化，局部产生塑性变形，如果残余应力超过了工件的破坏强度，则工件发生开裂。1）产生原因2）减小变形和开裂的措施（1）合理选择钢材与正确设计零件对于形状复杂、各部位截面尺寸相差较大而又要求变形极小的工件，应选用淬透性较好的合金钢，以便能在缓和的淬火介质中冷却。零件设计时应尽量减小截面尺寸的差异，避免薄片和尖角。必要的截面变化应平滑过渡，形状尽可能对称，有时可适当增加工艺孔。（2）正确锻造和进行预备热处理对高合金工
43、具钢，锻造工艺十分重要，锻造时必须尽可能改善碳化物分布，使之达到规定的级别。高碳钢球化退火有助于减小淬火变形，采用去应力退火，去除机械加工造成的内应力，也可减小淬火变形。（3）采用合理的热处理工艺为了减小淬火变形，可适当降低淬火温度。对于形状复杂或用高合金钢制造的工件，应采用一次或多次预热。预冷淬火、分级淬火和等温淬火都可以减小工件的变形。5.3.2 热处理技术条件的标注设计图样上的热处理技术标注有热处理工艺名称、硬化层深度、硬度等。在标注硬度时允许有一个波动范围，一般布氏硬度波动范围在3040个单位；洛氏硬度波动范围约5个左右。对于重要零件有时也标注抗拉强度、伸长率、金相组织等。表面淬火、表
44、面热处理工件要标明处理部位、层深及组织等要求。常见热处理工艺代号及技术条件的标注方法如表5-1所示。表5-1 常见热处理工艺代号及技术条件的标注方法5.3.3 热处理工序位置的安排零件加工都是按一定工艺路线进行的。合理安排热处理工序的位置，对于保证零件质量和改善切削加工性，具有重要的意义。根据热处理目的和工序位置的不同，热处理可以分为预备热处理和最终热处理两大类，其工序位置安排规律如下。1预备热处理预备热处理包括退火、正火、调质等。这类热处理的作用是为消除前一道工序所造成的某些缺陷（如内应力、晶粒粗大、组织不均匀等），并为后续工序作准备。预备热处理一般安排在毛坯生产之后、切削加工之前，或粗加工
45、之后、精加工之前。1）退火、正火的工序位置退火、正火一般安排在毛坯生产之后、切削加工之前进行，工艺路线一般为：毛坯生产（铸造、锻压、焊接等）正火（或退火）切削加工。2）调质的工序位置调质主要是为了提高零件的综合力学性能，或为以后表面淬火做好组织准备（有时调质也直接作为最终热处理使用）。调质工序一般在粗加工之后、半精加工之前，工艺路线一般为：下料锻造正火（或退火）粗加工（留余量）调质半精加工。在实际生产中，普通铸铁件、铸钢件和某些无特殊要求的锻钢件，经退火、正火或调质后，其性能已能满足要求，可不再进行最终热处理。2最终热处理终热处理包括各种淬火、回火、表面淬火、化学热处理等，它决定工件的组织状态
46、、使用性能与寿命。零件经这类热处理后硬度较高，除磨削加工外，不能用其他加工方法加工，故其工序位置一般安排在半精加工之后、磨削之前进行。1）整体淬火的工序位置整体淬火零件的工艺路线一般为：下料锻造正火（或退火）粗、半精加工（留余量）淬火+回火（低、中温）磨削。2）表面淬火的工序位置表面淬火零件的工艺路线一般为：下料锻造正火（或退火）粗加工调质半精加工（留余量）表面淬火+低温回火 磨削。3）渗碳淬火的工序位置渗碳分整体渗碳和局部渗碳。整体渗碳零件的工艺路线一般为：下料锻造正火 粗、半精加工渗碳淬火+低温回火磨削。对于局部渗碳，一般采用在不要求渗碳的部位增大原加工余量（增大的量称防渗余量），待渗碳后
47、、淬火前将余量切掉。因此，对于局部渗碳零件，需增加切去防渗碳余量的工序，其余与整体渗碳零件相同。此外，也可在粗、半精加工之后，对局部不渗碳部位镀铜或涂防渗剂，然后再渗碳，其后加工工艺路线与整体渗碳相同。4）渗氮的工序位置渗氮温度低、变形小，氮化层硬而薄，因此工序位置应尽量靠后，一般渗氮后不再磨削加工，个别质量要求较高的零件可进行精磨或超精磨。为防止因切削加工而产生的内应力使渗氮件产生变形，常在渗氮前安排去应力退火工序。渗氮零件的工艺路线一般为：下料锻造退火粗加工调质半精、精加工去应力退火粗磨渗氮精磨或超精磨。复习思考题1简述电阻炉的种类、优缺点及各种电阻炉的适用范围。2简述热电偶的测温原理。3用40Cr钢制造模数为3的齿轮，其工艺路线为：下料（棒料）锻造毛坯正火粗加工调质精加工表面淬火+低温回火粗磨。请说明正火、调质、表面淬火和低温回火的目的、工艺条件（只要求写明加热条件及冷却方法，不要求具体温度）和组织。4用T12钢制成锉刀，其工艺路线为：锻打热处理1 机械加工热处理2 精加工。试写出各热处理工序的名称，并制定最终热处理工艺。谢 谢 观 看