1、热处理热处理原理与工艺原理与工艺 （13）第一章第一章 金属的加热金属的加热1.1 1.1 加热的作用加热的作用1.2 1.2 传热方式传热方式1.3 1.3 加热方式加热方式1.4 1.4 热处理热处理加热时间加热时间的确定的确定1.5 1.5 影响零件加热的因素影响零件加热的因素1.6 1.6 钢的加热缺陷及控制钢的加热缺陷及控制第二部分：热处理工艺第二部分：热处理工艺1.1 加热的作用加热的作用（1）影响内在质量影响内在质量n改变材料的改变材料的热力学状态热力学状态、晶体结构晶体结构、物理化学性质物理化学性质及及化学成分分布化学成分分布等，而等，而后通过不同速度冷却，后通过不同速度冷却，
2、获得预期的组获得预期的组织结构（织结构（P、B、M）（2）影响外部质量影响外部质量n氧化、脱氧化、脱C、腐蚀、腐蚀，n尺寸变化和形状畸变尺寸变化和形状畸变。Fe-FeC3相图左下角相图左下角FeT/AFP1.2 加热方式加热方式直接加热直接加热（内阻直接加热）：（内阻直接加热）：不需加热介质不需加热介质如：电阻（垂融）、电磁波（感应加热）、如：电阻（垂融）、电磁波（感应加热）、低能粒子（激光加热、电子束加热）。低能粒子（激光加热、电子束加热）。间接加热间接加热（外热源加热）：（外热源加热）：通过加热介质通过加热介质，以，以对流传导，辐射的方式向工件表面传递热量：对流传导，辐射的方式向工件表面传
3、递热量：电阻炉、盐浴炉、燃料炉。电阻炉、盐浴炉、燃料炉。1.3 传热方式传热方式金属工件加热在金属工件加热在各类各类热处理炉热处理炉中进行中进行炉内热量的传递依靠炉内热量的传递依靠辐射、对流、传导辐射、对流、传导这三个基本物这三个基本物理过程使工件升温。理过程使工件升温。1.热传导热传导l传热物质无宏观定向移动，仅靠传热物质原位质点间传热物质无宏观定向移动，仅靠传热物质原位质点间的相互的相互碰撞碰撞热能热能 高高低低 传递传递。l热传导过程的强弱以热传导过程的强弱以单位时间内通过的等温面的热单位时间内通过的等温面的热量量热流量密度热流量密度q表示表示 q=dT/dx(J/m2h)热传导系数热传
4、导系数（J/mh），），单位时间内，每米长度单位时间内，每米长度温度降低温度降低1时，单位面积能传递的热流量时，单位面积能传递的热流量。dT/dx温度梯度温度梯度 负号负号“”表示热流量方向和温度梯度方向相反。表示热流量方向和温度梯度方向相反。材料材料影响：影响：值值：高合金钢中、低合金钢碳钢高合金钢中、低合金钢碳钢温度温度影响：影响：0（1b t）2、对流传热、对流传热 发热体发热体 工件工件（1）相互）相互对流的粒子对流的粒子相遇时发生相遇时发生热交换热交换。（2）对流传热时）对流传热时单位时间内加热介质传递给工件表面单位时间内加热介质传递给工件表面的热量的热量QC关系：关系：QC=cF（
5、T介介-T工工）C：对流给热系数；：对流给热系数；F：热交换面积，：热交换面积，T介介、T工工分别为介质和工件表面温度分别为介质和工件表面温度流体转移流体转移（3 3）影响）影响对流换热对流换热的因素的因素n流体流动的动力流体流动的动力 自然对流自然对流（PV/T=CPV/T=C）强制对流强制对流 n流体的流动状态流体的流动状态 层流层流 紊流紊流紊流紊流时的对流换热系数比层流时大时的对流换热系数比层流时大n流体的物理性质流体的物理性质 热导率大、比热容大、密度大、粘度小热导率大、比热容大、密度大、粘度小C C大大n固体固体表面形状、大小和放置位置表面形状、大小和放置位置3 辐射传热辐射传热n
6、通过通过加热体加热体在高温下产生的在高温下产生的电磁波电磁波（载体）来传递能量（载体）来传递能量（辐射能辐射能（热射线）波长为（热射线）波长为0.1100m,0.440m?）。）。n热辐射波的发射能力可用热辐射波的发射能力可用比能流比能流eb(物体单位时间内物体单位时间内由单位表面积辐射的能量由单位表面积辐射的能量)表示表示.T物体绝对温度，物体绝对温度，K，斯式藩斯式藩-铍耳兹曼常数（铍耳兹曼常数（5.6710-8W/（m2K4）n应用：一般应用：一般高于高于700加热加热时，主要靠辐射传热。时，主要靠辐射传热。n以辐射传热为主加热工件时，应尽量使工作表面以辐射传热为主加热工件时，应尽量使工
7、作表面均匀的接受辐射热均匀的接受辐射热，尽量尽量避免遮热避免遮热现象。现象。eb=T44、综合传热、综合传热n 实际加热时三种传热方式同时存在，依实际加热时三种传热方式同时存在，依工作温度工作温度，炉炉型结构型结构，加热介质加热介质的不同而以某一种传热方式为主。的不同而以某一种传热方式为主。n如如箱式或井式电炉、盐浴炉、煤气炉箱式或井式电炉、盐浴炉、煤气炉等等700加热工件时，主要靠加热工件时，主要靠对流及辐射对流及辐射传热传热200低温回火炉（盐浴或空气介质）中则主要靠低温回火炉（盐浴或空气介质）中则主要靠对流及传导对流及传导传热，传热，n在在真空炉真空炉中主要靠中主要靠辐射辐射传热。传热。
8、n 同 时 考 虑 三 种 传 热 方 式 的 称 为同 时 考 虑 三 种 传 热 方 式 的 称 为 综 合 传 热综 合 传 热，Q=Qc+Qr+Qcd (Qc、Qr、Qcd分别为对流分别为对流、辐射、传导传热的热量、辐射、传导传热的热量)n工件加热时往往综合考虑，工件加热时往往综合考虑，Q=（t介介-t工工）综合传热给热系数（综合传热给热系数（J/m2h），=c+r+cd1.4 1.4 热处理热处理加热时间加热时间的确定的确定1.1.加热阶段分为加热阶段分为升温，均温和保温升温，均温和保温三个时间过程。三个时间过程。h h=r r+s s+m m （r r、s s、m m 为升温、均温
9、和保温时间）为升温、均温和保温时间）保证：保证：透热透热、A A组织转变（几秒）、碳化物溶解、组织转变（几秒）、碳化物溶解、A A成分均匀化（成分均匀化（1 1分种）或不平衡状态转变成平衡状态。分种）或不平衡状态转变成平衡状态。依据具体工艺依据具体工艺.tT2.工件加热时间（工件加热时间（透热透热）的经验计算式：）的经验计算式：（1）以）以工件有效厚度工件有效厚度为基础的为基础的经验计算式（经验计算式（实用）：实用）：工件有效厚度为工件有效厚度为H，指工件在，指工件在传热最快方向上传热最快方向上的的最大截最大截面厚度面厚度为为加热系数加热系数，min/mm或或s/mm K为为装炉修正系数装炉修
10、正系数，通常取，通常取1.02.0HKHKK值取值与堆垛方式相关值取值与堆垛方式相关HK工件有效厚度工件有效厚度H的取值的取值碳钢和合金钢在各介质中的碳钢和合金钢在各介质中的加热系数（加热系数（值）值）HK例：例：碳钢碳钢 直径直径10mm 空气炉空气炉 加热加热 需需10分钟，盐浴炉分钟，盐浴炉 5分钟分钟 合金钢合金钢 直径直径10mm 空气炉空气炉 加热加热 需需15分钟，盐浴炉分钟，盐浴炉 10分钟分钟（2）以工件）以工件几何尺度几何尺度为计算基础的加热时间计算式为计算基础的加热时间计算式 薄件可以根据薄件可以根据斯大尔基理论斯大尔基理论公式计算炉料升温时间公式计算炉料升温时间 理论式
11、）()ln(FVttttcgingrc比热容，比热容，密度，密度，综合给热系数，综合给热系数，V：工件体积。：工件体积。F：工件表面积：工件表面积，tg炉温，炉温，tin：工件开始温度；：工件开始温度；t：工件终了：工件终了温度。温度。n经验系数法估算经验系数法估算：r=B V/F B为加热时间系数，由实验确定，为加热时间系数，由实验确定，V-工件体积，工件体积，F-工件表面积。工件表面积。n热处理设备热处理设备n原材料原材料n零件尺寸及形状零件尺寸及形状n加热制度加热制度n堆垛方式堆垛方式加热温度加热温度加热速度加热速度保温时间保温时间1.5影响零件加热的因素影响零件加热的因素 加热加热规范
12、规范1、热处理设备的影响：、热处理设备的影响：加热设备的加热设备的介质介质(气氛、盐浴、真空气氛、盐浴、真空)状态；状态；设备输出功率大小（能达到温度范围）；设备输出功率大小（能达到温度范围）；炉膛内炉膛内有效加热区有效加热区（根据预先测温而假设的，能够（根据预先测温而假设的，能够保证保证由给定热处理工艺所要求的由给定热处理工艺所要求的加热温度的装料区域加热温度的装料区域）范围和范围和温度的均匀性温度的均匀性。有效加热区有效加热区2、原材料影响原材料影响 工件材料不同，加热系数不同工件材料不同，加热系数不同，如低碳钢加热时间，如低碳钢加热时间短，高合金钢加热时间长。短，高合金钢加热时间长。3、
13、零件尺寸及形状零件尺寸及形状对加热时间的影响对加热时间的影响HKr=B V/F4、加热制度的影响。、加热制度的影响。零件零件入炉的方式入炉的方式有四种有四种预热加热升温预热加热升温随炉升温随炉升温到温入炉到温入炉高温入炉高温入炉Tt加热加热温度温度随炉升温随炉升温到温入炉到温入炉n预热加热升温预热加热升温和和随炉升温随炉升温热应力最小但热应力最小但耗时长耗时长n高温入炉高温入炉 节能节能的快速方法的快速方法(易产生热应易产生热应力力)适用：适用：400mm的中的中C合金钢合金钢 600mm中中C钢和低钢和低C合金钢。合金钢。n零件入炉的方式对零件入炉的方式对热应力大小热应力大小的影响的影响加热
14、速度加热速度：预热加热升温预热加热升温随炉升温随炉升温到温入炉到温入炉高温入炉高温入炉热热 应应 力力：Tt加热加热温度温度5、堆垛方式、堆垛方式 工件的堆垛方式直接影响热量的传递。所以，炉内工工件的堆垛方式直接影响热量的传递。所以，炉内工件的堆垛方式不同，加热修正系数件的堆垛方式不同，加热修正系数K也不同。也不同。1.6 钢的加热缺陷及控制钢的加热缺陷及控制（1）氧化（氧化（Fe被氧化）被氧化）（2）脱碳（脱碳（C被氧化）被氧化）1、氧化（、氧化（Fe被氧化）被氧化）n T150，氧化轻微，氧化轻微，T，氧化加剧。，氧化加剧。n 炉温炉温T570，生成以，生成以Fe3O4为主的氧化膜为主的氧
15、化膜氧化速度极小氧化速度极小，氧化膜也不易继续加厚，氧化膜也不易继续加厚，对钢铁性能无显著影响对钢铁性能无显著影响，反而，反而抗氧化性。抗氧化性。nT570时，生成以时，生成以FeO为主的氧化膜，为主的氧化膜，组织疏松，结构简单组织疏松，结构简单较厚的较厚的疏松多孔、易崩落疏松多孔、易崩落的的氧化皮氧化皮。n氧化皮不利作用氧化皮不利作用：使钢件使钢件尺寸尺寸，重量重量，表面粗糙度表面粗糙度可使钢件热处理后产生可使钢件热处理后产生软点或硬度不足软点或硬度不足 2、脱碳（、脱碳（C被氧化）被氧化）l工件在加热过程中工件在加热过程中表层的碳表层的碳与介质中的脱碳气体（与介质中的脱碳气体（CO2、H2
16、、O2、H2O等）相互作用，使等）相互作用，使表层含碳量降低表层含碳量降低的现象。的现象。l也是材料的也是材料的氧化氧化过程，当炉温在过程，当炉温在700850时易发生。时易发生。l加热温度越高，钢中碳含量越高，越易脱加热温度越高，钢中碳含量越高，越易脱C。lC在钢中的扩散速度大于在钢中的扩散速度大于O 钢的钢的脱脱C速度速度氧化速度氧化速度，钢在加热时，其钢在加热时，其氧化层氧化层下面下面总存在一总存在一脱脱C层层。例如例如 在强烈氧化性气氛中加热时，表面脱在强烈氧化性气氛中加热时，表面脱C与表面脱与表面脱O同时发生同时发生 工件表层工件表层自外自外内内：氧化皮氧化皮脱脱C层层 半脱半脱C层
17、层基体材料基体材料l 脱碳不利作用：脱碳不利作用：使淬火工件的使淬火工件的硬度和耐磨性硬度和耐磨性，强度，强度，特别是，特别是疲劳强疲劳强度度，使用中易发生早期失效，使用中易发生早期失效，寿命。寿命。脱脱C工件工件易形成淬火裂纹。易形成淬火裂纹。无论是结构件还是工模具，脱无论是结构件还是工模具，脱C都是不允许的。都是不允许的。3、氧化脱、氧化脱C的控制的控制（1）可控气氛可控气氛中无氧化加热。中无氧化加热。O2、CO2、H2O为氧化性气体为氧化性气体 H2、CO还原性气体还原性气体 O2、CO2、H2O、H2脱脱C性气体性气体 CO、CH4为增为增C性气体性气体 N2 中性气体中性气体可控气氛
18、主要是以可控气氛主要是以还原性或中性气体还原性或中性气体为气氛，有效地为气氛，有效地防止的氧化脱碳，并准确控制碳浓度。防止的氧化脱碳，并准确控制碳浓度。（2）敞焰敞焰少无氧化少无氧化加热加热 利用煤气作燃料时，利用煤气作燃料时，燃料不完全燃烧燃料不完全燃烧 实质是产生实质是产生CO还原性气氛还原性气氛（3）在）在熔融浴炉熔融浴炉中无氧化加热中无氧化加热 控制浴槽的成份，使浴炉保持中性或还原性（脱氧）。控制浴槽的成份，使浴炉保持中性或还原性（脱氧）。常用的液体加热介质有盐浴、金属浴、玻璃浴等。常用的液体加热介质有盐浴、金属浴、玻璃浴等。（4）在）在真空真空中无氧化加热中无氧化加热（5）防氧化涂层
19、防氧化涂层 在金属表面敷以防氧化涂料，或防氧化胶带纸，简便易在金属表面敷以防氧化涂料，或防氧化胶带纸，简便易行，不受工件尺寸了限制，成本高。行，不受工件尺寸了限制，成本高。主要主要应用应用于钛合金、不锈钢、超高强度钢、热锻模等的局于钛合金、不锈钢、超高强度钢、热锻模等的局部表面防护。部表面防护。1.加热规范的主要工艺参量是什么？对热处理过程有何影响。加热规范的主要工艺参量是什么？对热处理过程有何影响。2.影响加热速度的因素有哪些？工件加热时间如何确定？影响加热速度的因素有哪些？工件加热时间如何确定？3.热处理常用入炉方式的类型及应用特点，从热效率、加热热处理常用入炉方式的类型及应用特点，从热效
20、率、加热速度、热处理应力、氧化脱碳倾向等方面比较。速度、热处理应力、氧化脱碳倾向等方面比较。4.大型井式炉中装置风扇的目的是什么？大型井式炉中装置风扇的目的是什么？5.今有今有T8钢工件在空气炉中分别进行钢工件在空气炉中分别进行950、830和和 450长时间加热，试述加热后表层缓冷的组织结构，为长时间加热，试述加热后表层缓冷的组织结构，为什么？什么？第二章第二章 退火与正火退火与正火Annealing and Normalizingn 零件的制造路线：坯料零件的制造路线：坯料铸、锻、焊等热加工铸、锻、焊等热加工热处理热处理粗加工粗加工热处理热处理精加工精加工预备热处理预备热处理退火或正火退火
21、或正火1.消除热加工缺陷消除热加工缺陷2.改善金属加工成型性、改善金属加工成型性、切削加工性和热处理工切削加工性和热处理工 艺性艺性2-1 2-1 钢的退火钢的退火T/C t/h缓缓冷冷n退火定义退火定义 将将组织偏离平衡状态组织偏离平衡状态的金属的金属或合金或合金加热加热保温保温缓慢冷却缓慢冷却（炉冷或砂埋），达到（炉冷或砂埋），达到接近平衡接近平衡状态状态组织热处理工艺。组织热处理工艺。n退火主要目的：退火主要目的：1、改善组织改善组织对于铸锻件来说，可以用于改善化学成分的偏析（主要是对于铸锻件来说，可以用于改善化学成分的偏析（主要是枝晶偏析）和组织的不均匀性。枝晶偏析）和组织的不均匀性。
22、对于铸铁，可改善石墨状态。对于铸铁，可改善石墨状态。球化退火可为淬火做良好的组织准备球化退火可为淬火做良好的组织准备2、调整硬度调整硬度 改善锻件、轧材的切削加工性改善锻件、轧材的切削加工性3、消除应力消除应力 消除冷热加工中铸件、锻件、机械加工件、冷消除冷热加工中铸件、锻件、机械加工件、冷变形件和内应力及工硬化效应。变形件和内应力及工硬化效应。4、减少减少固溶于钢件中的固溶于钢件中的有害气体有害气体（如（如H2），使其扩散逸出。），使其扩散逸出。2.1均匀化退火（均匀化退火（homogenizing）扩散退火扩散退火1 1、定义：在低于固相线某一温度（、定义：在低于固相线某一温度（11001
23、10013001300），），长长时间时间保温，缓冷，以消除或减少铸锭、铸件或锻坯中保温，缓冷，以消除或减少铸锭、铸件或锻坯中化学成分的偏析化学成分的偏析和和组织的不均匀性组织的不均匀性。2、偏析对热处理及性能的危害、偏析对热处理及性能的危害铸锭或铸件铸锭或铸件在结晶过程常发生在结晶过程常发生 偏析现象，表现在两个方面偏析现象，表现在两个方面:化学成分化学成分的不均匀性的不均匀性 导致导致性能不均匀性能不均匀和和淬火开裂倾向增大淬火开裂倾向增大如：枝晶偏析，如：枝晶偏析，非金属夹杂非金属夹杂的不均匀分布的不均匀分布易易在热加工或热处理时在热加工或热处理时形成废品形成废品。如：如：S化物熔化化物
24、熔化沿晶开沿晶开裂裂。FeS 988 大型铸锻件中的大型铸锻件中的氧化物、硅酸盐、磷化物氧化物、硅酸盐、磷化物等夹杂物偏析广泛等夹杂物偏析广泛分布于分布于枝晶晶界枝晶晶界、铸锭的、铸锭的A形、形、V形和过渡形和过渡区。区。当夹杂物当夹杂物沿晶界呈链状分布沿晶界呈链状分布时，对钢的性能危害最大。时，对钢的性能危害最大。脆脆性性。热处理不能消除热处理不能消除,锻造锻造使破碎、均匀分布使破碎、均匀分布,危害危害 区域偏析（如重力偏析）区域偏析（如重力偏析）一般一般热处理不能消除热处理不能消除，只能靠合金化控制或改善浇注工艺和正，只能靠合金化控制或改善浇注工艺和正确合理的压力加工来解决。确合理的压力加
25、工来解决。性能性能指标指标含碳量含碳量HB b k 3、均匀化退火工艺、均匀化退火工艺（1）加热加热T：一般上限一般上限不高于不高于平衡相图上的固相线。考虑不致平衡相图上的固相线。考虑不致使使A晶粒过于粗大的条件尽量晶粒过于粗大的条件尽量温度以利于扩散均匀化。温度以利于扩散均匀化。为了消除高为了消除高C高合金钢中非平衡共晶高合金钢中非平衡共晶C化物，可以在共晶化物，可以在共晶温度以上进行扩散退火。温度以上进行扩散退火。扩扩散散退退火火加加热热温温度度一般一般T0.8T0.80.9T0.9T，并且，并且T T固相线固相线。n 碳钢碳钢一般选一般选1100110012001200。n 合金钢合金钢
26、为使共晶为使共晶C C化物充分溶解，化物充分溶解，T T允许允许到到1200120013001300范围。范围。2）保温时间）保温时间t 依钢材成分，偏析程度和尺寸因素来定依钢材成分，偏析程度和尺寸因素来定t一般按一般按截面厚度每截面厚度每25mm25mm保温保温0.51h0.51h，或，或每每mmmm厚度保温厚度保温1.52.5min1.52.5min来计算。来计算。若装炉量较大，可按下式计算若装炉量较大，可按下式计算 一般保温时间一般保温时间不超过不超过15h，否则氧化损失过于严重。，否则氧化损失过于严重。（3）冷却）冷却 一般为一般为50/h，高合金钢高合金钢2030/h？降到降到600以下以下就可就可出炉空冷出炉空冷，高合金钢和高淬透性钢高合金钢和高淬透性钢最好在最好在350左右出炉左右出炉，以免因冷速过快产生应力，或产，以免因冷速过快产生应力，或产生生 M M 组织。组织。（4）扩散退火后若出现）扩散退火后若出现晶粒粗化晶粒粗化，可以再进行一次，可以再进行一次完全退完全退火火或或正火正火来细化。来细化。
