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1、 第二章第二章 金属的加热金属的加热2.1加热方法及设备箱式电阻加热炉箱式电阻加热炉井式加热炉井式加热炉浴炉浴炉箱式电阻炉基本结构箱式电阻炉基本结构：由由炉体和电热元件炉体和电热元件构成构成箱式炉分类：箱式炉分类：按工作温度，箱式电按工作温度，箱式电阻炉可分为高温阻炉可分为高温(1300)、中温、中温(950)和低温和低温(650)箱式电阻炉，箱式电阻炉，网带炉网带炉台车炉台车炉钟罩炉钟罩炉震底炉震底炉推杆炉推杆炉马弗罐马弗罐：真空热处理炉真空热处理炉：连续热处理炉：连续热处理炉：井式加热炉井式加热炉浴炉浴炉2.2工件表面的热交换1.1.热传导（又称导热）热传导（又称导热）(conductio
2、n)(conduction)2.2.热对流热对流 (convection)(convection)热对流的两种方式：强制对流，自然对流热对流的两种方式：强制对流，自然对流3 3、热辐射、热辐射 (radiation(radiation）传热的基本方式传热的基本方式1、对流传热：、对流传热：a：定义：定义b：基本定律（牛顿冷却公式）：基本定律（牛顿冷却公式）c：影响对流给热系数：影响对流给热系数c的因素的因素1）流体流动情况）流体流动情况自然对流：自然对流：强迫对流强迫对流：层流与紊流：层流与紊流2）流体的物理性质）流体的物理性质:导热系数导热系数，比热，比热C，密度及粘度系数等。，密度及粘度系
3、数等。3）工件表面形状及其在炉内放置位置：）工件表面形状及其在炉内放置位置：工件形状和放置位置对流体流动越有利，工件形状和放置位置对流体流动越有利，则给热系数愈大。则给热系数愈大。紊流时的对流给热系数较大紊流时的对流给热系数较大2、辐射传热：、辐射传热：在高于在高于700度度主要是主要是辐射传辐射传热。热。辐射传热基本特点：辐射传热基本特点：辐射传热辐射传热基本定律：基本定律：工件放在炉内加热，吸收发热体、炉壁等辐射工件放在炉内加热，吸收发热体、炉壁等辐射来的热量，反射部分热量；同时本身向外辐射来的热量，反射部分热量；同时本身向外辐射一部分热量。一部分热量。在辐射传热时工件表面吸收的热量可表示
4、为：在辐射传热时工件表面吸收的热量可表示为：当发热体与工件之间存在挡板等遮热物时，当发热体与工件之间存在挡板等遮热物时，辐射能量将减少。辐射能量将减少。3、传导传热：、传导传热：定义：热量直接由工件的一定义：热量直接由工件的一部分传递至另一部分，或由部分传递至另一部分，或由加热介质把热量传递到与其加热介质把热量传递到与其相邻的工件而无需媒介质点相邻的工件而无需媒介质点移动的传热过程。移动的传热过程。b：基本定律：基本定律4、综合传热：、综合传热：实际工件在传加热过程中，三种传热方式同时存在；实际工件在传加热过程中，三种传热方式同时存在；但不同场合以不同传热方式为主，要综合考虑但不同场合以不同传
5、热方式为主，要综合考虑。综合传热综合传热Q：Q=Qc+Qr+Qcd式中：式中：Qc、Qr、Qcd分别为对流、辐射和传导传热的热量。分别为对流、辐射和传导传热的热量。综合传热综合传热Q可用下式表示：可用下式表示：Q=（t介介-t工件工件）式中：式中：为综合传热给为综合传热给热热系数，系数，=c+r+cd二、工件内部的热传导过程二、工件内部的热传导过程工件表面获取能量后，表面温度升高，在表面和心部工件表面获取能量后，表面温度升高，在表面和心部存在温度梯度，发生传导传热。存在温度梯度，发生传导传热。三、热处理加热时间的确定三、热处理加热时间的确定1、t加的含义：加的含义：ut加加=t升升+t透透+t
6、保保2、t加的理论计算加的理论计算薄件：薄件：t加与工件的厚度成线性关系。加与工件的厚度成线性关系。厚件：厚件：t加与工件的厚度成非线性关系。加与工件的厚度成非线性关系。对于薄件对于薄件：参数参数：c比热，比热，密度，密度，K介质到工件的传热系数，介质到工件的传热系数，F工件表面积，工件表面积，V工件的体积，工件的体积，t炉炉-炉温，炉温，t始始-工件工件的初始温度，的初始温度，t终终-工件要加热到的温度。工件要加热到的温度。3、生产实际中、生产实际中t加的计算加的计算t加加=KH=AHK，加热系数；，加热系数；H，有效厚度；，有效厚度；例如：圆柱：例如：圆柱：H=D，板件：，板件：H=t，筒
7、件：，筒件：H=壁厚；壁厚；，与加热有关的常数；，与加热有关的常数；A，堆放系数，可取，堆放系数，可取11.5。四、影响热处理工件加热的因素四、影响热处理工件加热的因素1、加热方式的影响、加热方式的影响n随炉加热随炉加热n预热加热：预热加热：将工件装入已升温至较低温度将工件装入已升温至较低温度的炉内加热，到温后再转移至预定工件加热的炉内加热，到温后再转移至预定工件加热温度的炉内达到所要求的温度。温度的炉内达到所要求的温度。n到温入炉加热（也叫热炉装料加热）到温入炉加热（也叫热炉装料加热）：将零件装：将零件装入炉温约等于零件需要加热温度的炉中。大多数入炉温约等于零件需要加热温度的炉中。大多数零件
8、都可采用这种方法加热。零件都可采用这种方法加热。n高温入炉加热：高温入炉加热：将零件装入炉温比需要的最将零件装入炉温比需要的最高加热温度高高加热温度高100-200 的炉中进行加热。的炉中进行加热。u加热速度加热速度：随炉加热：随炉加热预热加热预热加热到温入炉加到温入炉加热热高温入炉加热依次增大。高温入炉加热依次增大。2、加热介质及工件放置方式的影响（影响、加热介质及工件放置方式的影响（影响的因素）的因素）1）加热介质的影响）加热介质的影响u固体加热：固体加热：u液体介质中加热：液体介质中加热：综合传热；综合传热；金属浴（铅浴）、油浴、盐浴；金属浴（铅浴）、油浴、盐浴；加热速度快，加热均匀，氧
9、化、脱碳、变形倾加热速度快，加热均匀，氧化、脱碳、变形倾向小，加热易控制。向小，加热易控制。u真空加热：真空加热：辐射传热；辐射传热；低压充气，高纯度加热；低压充气，高纯度加热；间接加热。间接加热。u气体介质中加热：气体介质中加热：综合传热，在高温区以辐射传热为主；综合传热，在高温区以辐射传热为主；空气加热，具有保护气氛、可控气氛、高温火空气加热，具有保护气氛、可控气氛、高温火焰等形式；焰等形式；2）工件在炉内排布方式的影响）工件在炉内排布方式的影响u工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道工件在炉内的排布方式直接影响热量传递的通道。如：辐射传热中的挡热现象及对流传热中影响气流运如：辐射传热
10、中的挡热现象及对流传热中影响气流运动情况等。动情况等。u修正系数越大则工件修正系数越大则工件所需的加热时间越长。所需的加热时间越长。3）工件本身的影响）工件本身的影响u工件的几何形状、表面积与体积之比、工件的几何形状、表面积与体积之比、物理性质等直接影响工件内部的热量物理性质等直接影响工件内部的热量传递及温度场。传递及温度场。2.5加热时发生的化学反应加热时发生的化学反应2.5.1金属加热时的氧化与脱碳金属加热时的氧化与脱碳金属在含有氧气、二氧化碳、水蒸气等氧化气氛中加热时金属在含有氧气、二氧化碳、水蒸气等氧化气氛中加热时都会不同程度的发生氧化反应，使金属被氧化。都会不同程度的发生氧化反应，使
11、金属被氧化。脱碳是指钢件表层部分碳被加热气氛氧化，而使表层碳质脱碳是指钢件表层部分碳被加热气氛氧化，而使表层碳质量分数降低的现象。脱碳也是材料的氧化过程。量分数降低的现象。脱碳也是材料的氧化过程。氧化与脱碳的出现，将严重影响钢件的实用性能，甚至造氧化与脱碳的出现，将严重影响钢件的实用性能，甚至造成无法挽救的废品。成无法挽救的废品。1.1.钢与氧的相互作用钢与氧的相互作用570oC以上，氧气与以上，氧气与Fe发生三种类型的氧化反应：发生三种类型的氧化反应：n氧化层结构氧化层结构n570：Fe2O3|Fe3O4|基体基体n570：Fe2O3|Fe3O4|FeO|基体基体氧气与氧气与C或或Fe3C发
12、生反应生成发生反应生成CO2，称为脱碳反应：，称为脱碳反应：工件在加热过程中表层的碳与介质中的脱碳气工件在加热过程中表层的碳与介质中的脱碳气体体(H2、CO2、H2O)相互作用而烧损的现象相互作用而烧损的现象（C）+CO22CO（C）+H2OCO+H2（）（）+2H2CH42.2.钢铁表面在炉气中的氧化还原反应钢铁表面在炉气中的氧化还原反应含有氢及水蒸气的气氛中加热时，含有氢及水蒸气的气氛中加热时，570oC以上它们以上它们与钢铁表面发生下列反应：与钢铁表面发生下列反应：炉气全部由炉气全部由CO与与CO2组成时，组成时，570oC以上钢铁表面的以上钢铁表面的氧化还原反应：氧化还原反应：3.3.
13、钢铁中的其它金属与氧的反应钢铁中的其它金属与氧的反应当钢铁材料中含有当钢铁材料中含有Cr、Al、Si等合金元素时，它们等合金元素时，它们可以与氧发生如下反应：可以与氧发生如下反应：提高钢在高温下抗氧化性的基本方法是提高钢在高温下抗氧化性的基本方法是合金化合金化。为了提高钢的抗氧化性，加入的合金元素应为了提高钢的抗氧化性，加入的合金元素应能在钢的表面形成一层稳定致密的合金氧化膜。能在钢的表面形成一层稳定致密的合金氧化膜。为此合金元素的离子半径应比基体金属的离子半为此合金元素的离子半径应比基体金属的离子半径径小小（合金元素离子半径小，生产氧化物的点阵（合金元素离子半径小，生产氧化物的点阵常数小，将
14、使扩散困难），并比基体金属常数小，将使扩散困难），并比基体金属易于氧易于氧化化。只有这样才能优先形成合金氧化物。只有这样才能优先形成合金氧化物。2.5.2钢钢在渗碳气氛中的渗碳反应在渗碳气氛中的渗碳反应1)1)定义定义:向钢的表面渗入碳原子的过程。向钢的表面渗入碳原子的过程。2)2)目的目的:获得具有表硬里韧性能的零件。获得具有表硬里韧性能的零件。3)3)用钢用钢:低碳钢和低碳合金钢。低碳钢和低碳合金钢。属于渗碳性的气氛有：属于渗碳性的气氛有：CO、CH4等，在该气等，在该气氛中，可以对工件表面进行渗碳处理。氛中，可以对工件表面进行渗碳处理。1.在在CO气氛中的增碳反应气氛中的增碳反应2.在在
15、CH4气氛中的增碳反应气氛中的增碳反应2.5.3钢在氨气氛围中的氮化反应钢在氨气氛围中的氮化反应1)1)定义定义:向钢的表面渗入氮原子的过程。向钢的表面渗入氮原子的过程。2)2)目的目的:获得具有表硬里韧及抗蚀性能获得具有表硬里韧及抗蚀性能 的零件。的零件。3)3)用钢用钢:中碳合金钢。中碳合金钢。氨加热分解出活性氮：氨加热分解出活性氮：钢表层形成氮化物钢表层形成氮化物 渗碳与渗氮的工艺特点处理后是否需要处理后是否需要热处理热处理处理时间处理时间(h)处理温度处理温度()名称名称需要需要39900950渗碳渗碳不需要不需要2050500600渗氮渗氮2.5.5氧化脱碳的控制氧化脱碳的控制影响钢
16、脱碳的因素影响钢脱碳的因素1.钢料的化学成分对脱碳的影响钢料的化学成分对脱碳的影响钢中含碳量愈高脱碳倾向愈大钢中含碳量愈高脱碳倾向愈大W、Al、Si、Co等元素都使等元素都使钢脱碳倾向增加；而钢脱碳倾向增加；而Cr、Mn等元素能阻止钢脱碳。等元素能阻止钢脱碳。2.加热温度的影响加热温度的影响随着加热温度的提高，脱碳层的深度不断增加。一般低于随着加热温度的提高，脱碳层的深度不断增加。一般低于1000时，钢表面的氧化皮阻碍碳的扩散，脱碳比氧化慢，但时，钢表面的氧化皮阻碍碳的扩散，脱碳比氧化慢，但随着温度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮随着温度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧
17、化皮下碳的扩散速度也加快，此时氧化皮失去保护能力，达到某一下碳的扩散速度也加快，此时氧化皮失去保护能力，达到某一温度后脱碳反而比氧化快。温度后脱碳反而比氧化快。3.保温时间和加热次数的影响保温时间和加热次数的影响加热时间越长，加热火次愈多，脱碳层愈深，但加热时间越长，加热火次愈多，脱碳层愈深，但脱碳层并不与时间成正比增加。脱碳层并不与时间成正比增加。4.炉内气氛对脱碳的影响炉内气氛对脱碳的影响氧化性气氛引起钢的氧化与脱碳，其中脱碳能力氧化性气氛引起钢的氧化与脱碳，其中脱碳能力最强的介质是最强的介质是H2O（汽），其次是（汽），其次是CO2与与O2，最后是，最后是H2；而有些气氛则使钢增碳，如；
18、而有些气氛则使钢增碳，如CO和和CH4。炉内空。炉内空气过剩系数气过剩系数大小对脱碳也有重要的影响。在中性介大小对脱碳也有重要的影响。在中性介质中加热时，可使脱碳最少。质中加热时，可使脱碳最少。钢铁等金属材料在加热时的氧化脱碳，使金属烧损钢铁等金属材料在加热时的氧化脱碳，使金属烧损性能降低。氧气是产生氧化脱碳的罪魁祸首。性能降低。氧气是产生氧化脱碳的罪魁祸首。要在热处理时不发生氧化脱碳，可采取三种措施：要在热处理时不发生氧化脱碳，可采取三种措施：1.降低氧在炉气中的分压降低氧在炉气中的分压2.工件表面涂敷防氧化涂层工件表面涂敷防氧化涂层3.快速加热快速加热2.42.4相变和组织应力相变和组织应
19、力（1 1）过饱和固溶体的脱溶与第二相溶解）过饱和固溶体的脱溶与第二相溶解 固溶处理固溶处理 析析出出：指指某某些些合合金金的的过过饱饱和和固固溶溶体体在在室室温温下下放放置置或或将将它它加加热热到到一一定定温温度度，溶溶质质原原子子会会在在固固溶溶体体点点阵阵中中的的一一定定区区域内聚集或组成第二相的现象。析出又称为沉淀域内聚集或组成第二相的现象。析出又称为沉淀 时时效效：在在析析出出过过程程中中，合合金金的的机机械械性性能能、物物理理性性能能、化学性能等随之发生变化，这种现象称为时效。化学性能等随之发生变化，这种现象称为时效。时时效效硬硬化化：一一般般情情况况下下，在在析析出出过过程程中中
20、，合合金金的的硬硬度度或或强强度度会会逐逐渐渐升升高高，这这种种现现象象称称为为时时效效硬硬化化或或时时效效强强化，也可称为沉淀硬化或沉淀强化。化，也可称为沉淀硬化或沉淀强化。（2）成分均匀化）成分均匀化：铸件在冷却过程中往往因冷却速度快而产生成分偏铸件在冷却过程中往往因冷却速度快而产生成分偏析，重新加热到液相线以下经过长时间保温可以使成分均析，重新加热到液相线以下经过长时间保温可以使成分均匀，这种热处理工艺称为匀，这种热处理工艺称为扩散退火扩散退火。（3）多形性转变）多形性转变纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程叫做同
21、素异构转变。固溶体的同为另一种晶体结构的过程叫做同素异构转变。固溶体的同素异构转变被称为多形性转变。纯铁加热到素异构转变被称为多形性转变。纯铁加热到912发生发生-Fe-Fe转变，其他转变，其他Fe-C合金加热到合金加热到A1温度以上会发生温度以上会发生PA的转变。的转变。（4）回复、再结晶和应力变化）回复、再结晶和应力变化经过回复和再结晶以后，位错密度大大减少，内应力经过回复和再结晶以后，位错密度大大减少，内应力减小，强度降低，塑性韧性提高。钢淬火后进行高温回火，减小，强度降低，塑性韧性提高。钢淬火后进行高温回火，也会发生回复和再结晶。也会发生回复和再结晶。在材料凝固、锻造、冷加工等过程中产生的应力，都在材料凝固、锻造、冷加工等过程中产生的应力，都可以用加热的方法予以全部或部分消除。可以用加热的方法予以全部或部分消除。（5）组织应力）组织应力由于不同组织的密度不同，当发生相变时密度也发生由于不同组织的密度不同，当发生相变时密度也发生变化。因为在加热或冷却过程中温度场的存在，使各点组变化。因为在加热或冷却过程中温度场的存在，使各点组织也不相同，这就产生了应力，这种应力称为织也不相同，这就产生了应力，这种应力称为组织应力。组织应力。