《金属的加热》PPT课件.ppt

金属热处理工艺学 第一章金属的加热 1 1金属加热的物理过程及其影响因素 1 2金属及合金在不同介质中加热时常见的物理化学现象及加热介质选择 1 1金属加热的物理过程及其影响因素 一 加热介质和工件表面的传热过程 热处理加热工序大多在各种热处理炉中进行 在加热过程中炉膛和工件之间建立温度梯度 在温度场中 工件主要依靠辐射 对流 传导传热 1 对流传热 a 定义 b 基本定律 牛顿冷却公式 c 影响对流给热系数 c的因素 1 流体流动情况自然对流 强迫对流 层流与紊流紊流时的对流给热系数较大 2 流体的物理性质 导热系数 比热C 密度及粘度系数等 3 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 则给热系数愈大 2 辐射传热 在高于700度主要是辐射传热 辐射传热基本特点 辐射传热基本定律 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 同时本身向外辐射一部分热量 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 辐射能量将减少 3 传导传热 定义 热量直接由工件的一部分传递至另一部分 或由加热介质把热量传递到与其相邻的工件而无需媒介质点移动的传热过程 b 基本定律 4 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 但不同场合以不同传热方式为主 要综合考虑 综合传热Q Q Qc Qr Qcd 式中 Qc Qr Qcd分别为对流 辐射和传导传热的热量 综合传热Q可用下式表示 Q t介 t工件 式中 为综合传热给热系数 c r cd 二 工件内部的热传导过程 工件内部传热主要是传导传热 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 在低温时合金元素强烈降低钢的热传导系数 随温度的升高 其影响减弱 高于900 时影响很小 钢中的合金元素降低钢的热传导系数 三 热处理加热时间的确定 1 t加的含义 t加 t升 t透 t保t升和加热功率有关 和加热介质有关 和加热制度 工件的体积 装炉数量等有关 t透热和工件本身体积 截面尺寸 材料导热性等有关 t保温 根据热处理工艺要求确定 例如 A均匀化 去应力退火等 t保温短 扩散退火 球化退火 回火 t保温要求长 三 热处理加热时间的确定 2 t加的理论计算薄件 t加与工件的厚度成线性关系 厚件 t加与工件的厚度成非线性关系 对于薄件 参数 c比热 密度 K介质到工件的传热系数 F工件表面积 V工件的体积 t炉 炉温 t始 工件的初始温度 t终 工件要加热到的温度 3 生产实际中t加的计算 t加 K H AH K 加热系数 H 有效厚度 例如 圆柱 H D 板件 H t 筒件 H 壁厚 与加热有关的常数 A 堆放系数 可取1 1 5 四 影响热处理工件加热的因素 1 加热方式的影响 随炉加热 把需要加热的零件装入 随炉将零件升至所需要的温度 其加热速度应控制在150 左右 就经济观点来看 这种加热方法不符合节约原则 因此 只有在下列条件下才考虑采用 装炉零件多 为装炉方便 如大批铸件退火等 零件在加热前有极大的残余应力 如铸件 冷作件 杂质极高的铸钢件和导热性不良的钢 如合金含量较高的合金工具钢 高速钢等 通常对升温时间不作规定 保温时间应按零件的大小及装炉的具体情况决定 预热加热 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温度的炉内达到所要求的温度 到温入炉加热 也叫热炉装料加热 将零件装入炉温约等于零件需要加热温度的炉中 大多数零件都可采用这种方法加热 应该注意 零件装炉后会使炉温降低 因此装炉速度要快 不使炉温降低过多 或者采用先将炉温升至高于零件所需加热温度20 30 时装炉 高温入炉加热 将零件装入炉温比需要的最高加热温度高100 200 的炉中进行加热 适用于形状简单的碳素钢及低合金钢零件 加热速度 随炉加热 预热加热 到温入炉加热 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 的因素 1 加热介质的影响 固体加热 综合传热 金属传导 固态颗粒 流动粒子 液体介质中加热 综合传热 金属浴 铅浴 油浴 盐浴 加热速度快 加热均匀 氧化 脱碳 变形倾向小 加热易控制 真空加热 辐射传热 低压充气 高纯度加热 间接加热 气体介质中加热 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 高温火焰等形式 生产效率高 容易实现机械化和自动化 2 工件在炉内排布方式的影响 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动情况等 由图1 3可以看出 工件在炉中四面都可被加热时修正系数最小 等于1 而当堆积时修正系数最大 等于4 修正系数越大则工件所需的加热时间越长 3 工件本身的影响 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传递及温度场 不同形状和尺寸的同种材料制成的工件 当其特征尺寸S与形状系数k乘积相等时 以同种方式加热则加热时间相等 1 2金属及合金在不同介质中加热时常见的物理化学现象及加热介质选择 工件在不同介质中加热时 必定要和周围介质发生作用 即化学反应 最典型是氧化 脱碳 一 金属在加热时的氧化反应及氧化过程 1 氧化 材料中金属元素与氧化性气氛形成氧化物层 其危害是不仅使工件表面变色 失去光泽 而且使机械性能变坏 如疲劳性能 2 根据加热温度不同 常见的氧化反应有 加热温度 570 时 加热温度 570 时 3Fe 2O2 Fe3O4 3Fe 4H2O Fe3O4 4H2 3Fe 4CO2 Fe3O4 4CO 2Fe O2 2FeO Fe H2O FeO H2 Fe CO2 FeO CO 根据质量作用定律 不同温度化学反应进行的方向取决于该温度下的平衡常数Kp及参与反应物质的浓度 相当于空气介质中加热的情况 其平衡常数Kp为 若取纯态为标准态 取其活度为1 则 Po2为上述反应达到平衡时氧的分压 称为氧化物的分解压 当铁在高于570 的温度加热时 若气氛中氧的分压大于此分解压 则铁被氧化 反之分解 平衡常数Kp可用热力学的等压方程求的 金属氧化物的分解压力随着温度的升高而增大 Si Mn等合金元素比铁更容易氧化 钢在加热时铁没有被氧化 但处在氧气扩散通道上的Si Mn等合金元素确被氧化 称为内氧化 当铁在H2O和H2或CO2和CO介质中加热时 反应3Fe 4H2O Fe3O4 4H2的平衡常数为 反应3Fe 4CO2 Fe3O4 4CO的平衡常数为 反应Fe H2O FeO H2的平衡常数为 反应Fe CO2 FeO CO的平衡常数为 只有当P H2 P H2O Kp1或Kp3时 铁被氧化 只有当P co P co2 Kp2或Kp4时 铁被氧化 当炉气中同时有H2O H2 CO2 CO时 铁在其中加热是否被氧化 需根据热力学条件判断 根据体系自由能变化的等温方程 可得出无氧化加热条件为 当t 570 时 钢的氧化速度主要取决于氧和铁原子通过氧化膜的扩散速度 随加热温度的升高 原子扩散速度增大 氧化速度增大 温度不同氧化产物也不同 对氧化速度有影响 二 钢加热时的脱碳及脱碳过程 1 钢加热时的脱碳 增碳平衡 脱碳 钢在加热时 表层的碳与介质中的氧 氢 二氧化碳及水蒸气等发生反应 降低了表层碳浓度称为脱碳 常见的脱碳反应有以下几种 均为可逆反应 向右 脱碳 向左 增碳 也可根据下式进行判断 发生脱碳反应 反之则增碳 不脱碳也不增碳 c 该温度下碳在钢的奥氏体中的活度 奥氏体中含碳量较高者 c较大 不同曲线 不同含碳量钢的奥氏体平衡曲线 SE线以左 析出渗碳体 SG线以下 析出铁素体 SK线 表示与固态碳 石墨 平衡的曲线 例如 0 4 C曲线 若加热温度与炉气成分位于此线上 则既不脱碳也不增碳 位于曲线左上方 则表面增碳 位于曲线右下方 则表面将脱碳 碳势 纯铁在一定温度下于加热炉中加热时达到既不增碳也不脱碳并与炉气保持平衡时表面的含碳量 2 炉气中的碳势及其测定 碳势表示炉气对纯铁饱和碳的能力 炉气碳势愈高 饱和碳的能力愈强 碳势仪表 基于热处理炉的气氛中水煤气反应 气氛与零件的渗 脱碳反应基本处于热平衡状态 所以可通过测定气氛中的某一成分 如H2O CO2 CO CH4 O2等 来间接测定炉气中碳势 碳势测量 3 脱碳层的组织结构 全脱碳层的组织结构F F P P纯白 白块 黑团 纯黑 半脱碳层的组织结构 F P P 三 加热缺陷及其控制 1 氧化 加热时 钢表层中的铁及合金元素与介质中的氧 二氧化碳 水蒸气发生反应形成氧化膜的现象称为氧化 高温 大于570 工件氧化后尺寸精度和表面光亮度恶化 具有氧化膜的淬透性差的钢易出现淬火软点 防止方法 在真空中或者保护性气氛 可控性气氛中加热 粗加工时 应留够余量 把氧化层去掉 2 脱碳 钢在加热时 表层的碳与介质中的氧 氢 二氧化碳及水蒸气等发生反应 降低了表层碳浓度称为脱碳 脱碳钢淬火后 表面硬度 疲劳强度 耐磨性降低 而且因表面产生残余拉应力易形成网状裂纹 防止方法 在真空中或者保护性气氛 可控性气氛中加热 粗加工时 应留够余量 把脱碳层去掉 可进行复碳 3 过热 加热温度过高或在高温下保温时间过长 引起奥氏体晶粒粗化称为过热 粗大的奥氏体晶粒导致钢的强韧性降低 脆性转变 温度升高 增大淬火时的畸变开裂倾向 防止方法 过热组织经退火 正火或多次高温回火后 再在正常加热条件重新奥氏体化 可使晶粒细化 4 过烧 加热