1、第二章第二章 热处理加热及加热设备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。通的，加热是各种热处理工艺作业中的第一道工序。通过加热：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。即直接影响其致化学成分的改变，获得所需要的性能。即直接影响其内在内在质量质量。同时，由于金属在一定的
2、环境介质中加热时表面与介质之间同时，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、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）脱碳、腐蚀等）,所以加热也会影响金属的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，所以加热时如何降低能耗，提高效率是热处理生产企，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
3、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阻电磁波电磁波低能粒子低能粒子真空固体液体气体电电 电电 电电红红感感激激 电电 等等低低高高金金固固流流金金盐盐油油空空保保可可高高阻 接 解外应光 子 离压纯属态动属护控温加加 触触 液液线线加加加加 束束 子子充充度度传传颗颗粒粒浴浴浴浴浴浴气气气气气气火火热热
4、加加 加加加加热热热热 加加 体体气气的的导导粒粒子子氛氛氛氛烟烟热热 热热热热热热 加加的的热热图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
5、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
6、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6501350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 热处理加热设备热处理加热设备?气体介质加热设备 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
7、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（井式）电阻炉（台车炉）电阻炉（罩式）电阻炉（罩式）2.4加热规范确定的一般原则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
8、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。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
9、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
10、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。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/mms -工件厚度对于厚件：t（厚件）=Ksn （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800100
11、0，薄件尺寸限于100mm以下；?综合计算方法：?t=C1C2C3C4D （8-4）?t加热时间，min;?C1加热介质系数;?C2材料系数；?C3工件形状系数；?C4工件间隔系数；?D工件有效厚度，mm.表表2-1 加热炉的介质系数加热炉的介质系数(C1)加热炉类型箱式炉盐浴炉盐浴炉炉温8008001200介质系数10.50.125钢种低碳钢中碳钢高碳钢一般合金钢高合金钢材料系数11.21.41.52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（工件间隔系数（C4)Dhh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
12、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。缺点大型铸锻件及高合金钢或复杂零件。缺点是耗能多，工时长。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
13、火。设备利用率高、节能。和回火。设备利用率高、节能。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。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.
14、1加热时的组织缺陷加热时的组织缺陷?加热时的组织缺陷有欠热、过热、过烧。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
15、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）传输线路（补偿导线）显示仪表（指针式、
16、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：温度显示偏低则过热，显示偏高则欠热。如何使测温准确如何使测温准确?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
17、S+Pt90-Rh100130001600016001.5高温抗氧化性好,不适于还原气氛-Pt铂铑-铂铑B+Pt70-Rh300160001800016004高温抗氧化性好,不适于还原气氛-Pt94-Rh6镍铬-镍硅K+Cr10Si0.4Ni9-40900-401100-4012002.5在氧化、中性、真空中使用-Si3.0-Ni97铜-康铜T+Cu100-40350-40400-403501.5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？热电偶使用注意事项热电偶使用注意事项?使用前必须经过实验室检定，确定出不同温度下的
18、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）。表处）。对对K型：补偿导线型：补偿导线分为补偿型（红+蓝-，便宜）和延长型（红+黑-，较贵）（防假货）补偿导线的极性必补偿导
19、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。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?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.补偿导线的绝缘层被磨破，造成信号回路接
20、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。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01000 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。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
21、力 强度极限开裂?造成内外温差过大产生内应力的原因：炉温过高 金属导热系数小金属导热系数小 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
22、影响工件表面层的性能。?表面氧化的产生：钢在570以下加热时，表面氧化膜由表层为Fe2O3、内层是Fe3O4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，氧化速度就会迅速加快。温度越高氧化越剧烈。?钢的内氧
23、化是在800以上较长时间加热时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，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、脱碳?钢在含有 O2、CO2、H2O、H2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；加热时间越长脱碳层也越深。?在一定的气氛当中
24、，钢的脱碳和渗碳是一对可逆在一定的气氛当中，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、CH4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O2、CO2、H2O、H2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。可采取的措施有：?涂料保
25、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。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
26、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加热设备的节能改造潜力十分
27、巨大。从节能角度看，对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。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
28、、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）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合理的生产管理是发挥节能技术措施潜力的前提保证。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。浪费在炉子的升温过程。
