热处理工艺及设备金属的加热课件

第二章金属的加热1第二章金属的加热1第一节金属加热的物理过程三种传热方式传导：加热介质与加热工件表面接触时，或受热工件表面与心部之间、受热工件的某一部位与未受热部分之间发生的热量传输对流：依靠液态或气态加热介质的分子相对运动形成的热量传输（600～700℃以下）辐射：通过加热体在高温下产生的电磁波来传递能量的现象（＞700℃，无需介质）2第一节金属加热的物理过程三种传热方式2加热方式与加热介质金属加热直接加热间接加热热源热源介质电阻电磁波低能粒子真空固体液体气体3加热方式与加热介质金属加热直接加热间接加热热源热源介质电阻电真空加热加热速度缓慢截面温差小、应力、变形小充入惰性气体强制循环；预热升温氧化作用被抑制表面净化脱气作用蒸发现象4真空加热加热速度缓慢4第二节影响加热因素加热介质炉子类型炉温（℃）相对加热速度空气炉8001盐浴炉8002铅浴炉8004盐浴炉120085第二节影响加热因素加热介质炉子类型炉温（℃）相对加热速度钢件成分单位℃/s钢种低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢相对加热速度2.01.71.41.31.21.06钢件成分单位℃/s钢种低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合钢件形状有效受热表面积与其体积之比(F／v)并不相同钢种形状钢球立方刚圆钢正方钢长方钢钢板F/V6/D6/D4/D4/D2.66/D2/D相对加热速度1.51.5110.670.57钢件形状有效受热表面积与其体积之比(F／v)并不相同钢种形第三节确定加热规范的一般原则加热的温度（T）基本依据：材料相变的临界点钢的临界温度铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示8第三节确定加热规范的一般原则加热的温度（T）基本依据：材综合考虑因素热处理工艺目的零件尺寸零件加工过程9综合考虑因素热处理工艺目的零件尺寸零件加工过程9加热速度选择塑性高的钢材加热速度可大一些，反之，脆性大的钢材加热速度应相对减小导热性差的钢(如高铬钢、高速钢等)应采用较小的加热速度对大尺寸工件应采用较小的加热速度形状复杂截面相差悬殊的工件加热速度宣小一些若加热前工件存在有较大的残余应力，当加热产生的热应力与内应力方向一致时易导致变形开裂，故加热速度应小一些固体渗碳、退火等工艺，由于工艺本身及设备特点的限制，常不采用快速加热钢中严重偏析、夹杂物，可造成组织不均匀，致使钢中各部位导热不一致，尤其是大块与尖角状夹杂物，其尖端处正是热应力集中所在，极易引起开裂，所以对这种钢件应缓慢加热10加热速度选择塑性高的钢材加热速度可大一些，反之，脆性大的钢加热方法选择冷炉装料1)装炉量较多，考虑装炉方便；(2)工件装炉前存在较大的内应力，如铸件、冷变形件，(3)冶炼质量不高(含有大量夹杂物)的钢及灰口铸铁件，(4)形状复杂的高合金钢件；(5)大型铸锻件。11加热方法选择冷炉装料1)装炉量较多，考虑装炉方便；11到温装炉这种加热的特点是操作方便，加热速度较大，截面温差也较大。这是退火、正火、淬火等常用热处理工艺普遍应用的一种加热方法12到温装炉这种加热的特点是操作方便，加热速度较大，截面温差高温装炉1)锻件退火、正火(2)碳钢、低合金钢锻件、小型工件淬火13高温装炉1)锻件退火、正火13低温装炉(＜600℃)或经预热(1)热处理温度较低的工件，如施行退火的铸铁件、焊接结构、机加工件(2)在钢弹性区的应力远低于抗拉强度，可保证不产生裂纹的工件，如大型铸锻件、淬火不合格返修件(3)经过预热的工件，可缩短高温加热时间，以减少高温氧化、脱碳程度并降低热应力，如截面大的高合金钢工具和高速钢件等14低温装炉(＜600℃)或经预热(1)热处理温度较低的工件加热时间定义：τ＝τ升＋τ透＋τ保15加热时间定义：τ＝τ升＋τ透＋τ保151616加热时间的计算厚件可用传热学、有效元分析薄件可用经验公式估算薄件：T炉＜400℃，d＜300mm；T炉＜800℃，d＜200mm；T炉＜1000℃，d＜100mm；τ加热＝KW（W：几何因素）K碳钢合金钢空气加热4045盐浴加热1013火焰加热354017加热时间的计算K碳钢合金钢空气加热4045盐浴加热1013火物体形状W=V/F物体形状W=V/F球D/6长方形板材全部加热BaL/2(BL+Ba+aL)圆柱体，全部加热DL/4L+2D方形B/6圆柱体，一端加热DL1/4L1+D正方形、三角形或等边六角形棱柱D1L/4L+2D1空心圆柱体，全部加热(D-d)L/4L1+2(D-d)工件形状与几何因素W的关系注：D-外径；D1-周径（多角形内切圆周直径）；B-正方体棱柱高及板厚；d-内径；L-长度；L1-加热区长度；a-板厚18物体形状W=V/F物体形状W=V/F球D/6长方形板材全部加τ加热＝a*Ha:加热系数(s/mm)；H：有效厚度(mm)设备温度℃加热系数(s/mm)圆截面正方形长方形电炉80040-5050-6060-75油炉80035-4045-5035-60盐浴炉80012-1515-1818-22铅浴炉8006-88-1010-12盐浴炉13006-88-1010-1219τ加热＝a*Ha:加热系数(s/mm)；H：有效厚度(mm2020第四节钢铁在加热时的缺陷氧化：钢的表面金属与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂质相互作用形成金属氧化物层的过程腐蚀2Fe+O2→2FeOFe+CO2→CO+FeOFe+H2O→H2+FeO氧化层结构＜570℃：Fe2O3|Fe3O4|基体＞570℃：Fe2O3|Fe3O4|FeO|基体21第四节钢铁在加热时的缺陷氧化：钢的表面金属与加热介质中的氧对性能的影响降低表面光洁度出现淬火软点影响因素加热温度↑、加热时间↑、氧化气氛↑→氧化速度↑加入Cr、Al、Si等形成致密氧化物可提高抗氧化能力22对性能的影响22脱碳：工件在加热过程中表层的碳与介质中的脱碳气体（O2、H2、CO2、H2O）相互作用而烧损的现象2（C）+O2→2CO（C）+CO2→2CO（C）+H2O→CO+H2（Ｃ）+2H2→CH4组织结构全脱碳层：全部α晶粒半脱碳层：表面C%＜平均C%23脱碳：工件在加热过程中表层的碳与介质中的脱碳气体（O2、H22424对性能的影响机械性能下降（强度、硬度、耐磨性）脱碳层具有残余拉应力，易出现淬火裂纹影响因素化学成分、加热温度、加热时间、介质25对性能的影响25内氧化：在工件内部沿晶界形成氧化物相或脱碳区的现象26内氧化：在工件内部沿晶界形成氧化物相或脱碳区的现象26生铁肿胀：铸件在氧化性介质中加热时，沿表层下晶界及石墨夹杂迅速发生氧化，从而导致体积增大的现象27生铁肿胀：铸件在氧化性介质中加热时，沿表层下晶界及石墨夹杂迅氧化与脱碳的控制装箱法：用氧化铝粉、木炭、铸铁屑等作为充填剂，将工件进行装箱加热。在可控气氛中无氧化加热敞焰少无氧化加热在熔融浴炉中无氧化加热在真空中无氧化加热防氧化涂层28氧化与脱碳的控制装箱法：用氧化铝粉、木炭、铸铁屑等作为充填剂过烧产生在高温扩散退火或高速钢淬火特征是在粗大晶粒的晶界上出现局部熔化或氧化现象W18Cr4V的过烧组织由于加热温度过高，以至晶界局部融化，产生鱼骨状的莱氏体共晶组织。第五节加热温度不适当导致的热处理缺陷29过烧产生在高温扩散退火或高速钢淬火特征是在粗大晶粒的晶界过热15#钢的晶粒粗大组织

图中组织晶粒粗大。同时我们还可以看到一条明显的裂纹，沿晶界分布。30过热15#钢的晶粒粗大组织图中组织晶粒粗大。同时魏氏组织31魏氏组织31欠热热温度低于奥氏体化温度,处于两相区，没有完全奥氏体化，组织中的铁素体属未溶铁素体45#钢的欠热组织32欠热热温度低于奥氏体化温度,处于两相区，没有完全奥氏体化，组第二章金属的加热33第二章金属的加热1第一节金属加热的物理过程三种传热方式传导：加热介质与加热工件表面接触时，或受热工件表面与心部之间、受热工件的某一部位与未受热部分之间发生的热量传输对流：依靠液态或气态加热介质的分子相对运动形成的热量传输（600～700℃以下）辐射：通过加热体在高温下产生的电磁波来传递能量的现象（＞700℃，无需介质）34第一节金属加热的物理过程三种传热方式2加热方式与加热介质金属加热直接加热间接加热热源热源介质电阻电磁波低能粒子真空固体液体气体35加热方式与加热介质金属加热直接加热间接加热热源热源介质电阻电真空加热加热速度缓慢截面温差小、应力、变形小充入惰性气体强制循环；预热升温氧化作用被抑制表面净化脱气作用蒸发现象36真空加热加热速度缓慢4第二节影响加热因素加热介质炉子类型炉温（℃）相对加热速度空气炉8001盐浴炉8002铅浴炉8004盐浴炉1200837第二节影响加热因素加热介质炉子类型炉温（℃）相对加热速度钢件成分单位℃/s钢种低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合金钢相对加热速度2.01.71.41.31.21.038钢件成分单位℃/s钢种低碳钢中碳钢高碳钢低合金钢中合金钢高合钢件形状有效受热表面积与其体积之比(F／v)并不相同钢种形状钢球立方刚圆钢正方钢长方钢钢板F/V6/D6/D4/D4/D2.66/D2/D相对加热速度1.51.5110.670.539钢件形状有效受热表面积与其体积之比(F／v)并不相同钢种形第三节确定加热规范的一般原则加热的温度（T）基本依据：材料相变的临界点钢的临界温度铁碳相图中PSK、GS、ES线分别用A1、A3、Acm表示。由于实际加热或冷却时存在过冷或过热现象，因此，将钢加热时的实际转变温度分别用Ac1、Ac3、Accm表示，冷却时的实际转变温度分别用Ar1、Ar3、Arcm表示40第三节确定加热规范的一般原则加热的温度（T）基本依据：材综合考虑因素热处理工艺目的零件尺寸零件加工过程41综合考虑因素热处理工艺目的零件尺寸零件加工过程9加热速度选择塑性高的钢材加热速度可大一些，反之，脆性大的钢材加热速度应相对减小导热性差的钢(如高铬钢、高速钢等)应采用较小的加热速度对大尺寸工件应采用较小的加热速度形状复杂截面相差悬殊的工件加热速度宣小一些若加热前工件存在有较大的残余应力，当加热产生的热应力与内应力方向一致时易导致变形开裂，故加热速度应小一些固体渗碳、退火等工艺，由于工艺本身及设备特点的限制，常不采用快速加热钢中严重偏析、夹杂物，可造成组织不均匀，致使钢中各部位导热不一致，尤其是大块与尖角状夹杂物，其尖端处正是热应力集中所在，极易引起开裂，所以对这种钢件应缓慢加热42加热速度选择塑性高的钢材加热速度可大一些，反之，脆性大的钢加热方法选择冷炉装料1)装炉量较多，考虑装炉方便；(2)工件装炉前存在较大的内应力，如铸件、冷变形件，(3)冶炼质量不高(含有大量夹杂物)的钢及灰口铸铁件，(4)形状复杂的高合金钢件；(5)大型铸锻件。43加热方法选择冷炉装料1)装炉量较多，考虑装炉方便；11到温装炉这种加热的特点是操作方便，加热速度较大，截面温差也较大。这是退火、正火、淬火等常用热处理工艺普遍应用的一种加热方法44到温装炉这种加热的特点是操作方便，加热速度较大，截面温差高温装炉1)锻件退火、正火(2)碳钢、低合金钢锻件、小型工件淬火45高温装炉1)锻件退火、正火13低温装炉(＜600℃)或经预热(1)热处理温度较低的工件，如施行退火的铸铁件、焊接结构、机加工件(2)在钢弹性区的应力远低于抗拉强度，可保证不产生裂纹的工件，如大型铸锻件、淬火不合格返修件(3)经过预热的工件，可缩短高温加热时间，以减少高温氧化、脱碳程度并降低热应力，如截面大的高合金钢工具和高速钢件等46低温装炉(＜600℃)或经预热(1)热处理温度较低的工件加热时间定义：τ＝τ升＋τ透＋τ保47加热时间定义：τ＝τ升＋τ透＋τ保154816加热时间的计算厚件可用传热学、有效元分析薄件可用经验公式估算薄件：T炉＜400℃，d＜300mm；T炉＜800℃，d＜200mm；T炉＜1000℃，d＜100mm；τ加热＝KW（W：几何因素）K碳钢合金钢空气加热4045盐浴加热1013火焰加热354049加热时间的计算K碳钢合金钢空气加热4045盐浴加热1013火物体形状W=V/F物体形状W=V/F球D/6长方形板材全部加热BaL/2(BL+Ba+aL)圆柱体，全部加热DL/4L+2D方形B/6圆柱体，一端加热DL1/4L1+D正方形、三角形或等边六角形棱柱D1L/4L+2D1空心圆柱体，全部加热(D-d)L/4L1+2(D-d)工件形状与几何因素W的关系注：D-外径；D1-周径（多角形内切圆周直径）；B-正方体棱柱高及板厚；d-内径；L-长度；L1-加热区长度；a-板厚50物体形状W=V/F物体形状W=V/F球D/6长方形板材全部加τ加热＝a*Ha:加热系数(s/mm)；H：有效厚度(mm)设备温度℃加热系数(s/mm)圆截面正方形长方形电炉80040-5050-6060-75油炉80035-4045-5035-60盐浴炉80012-1515-1818-22铅浴炉8006-88-1010-12盐浴炉13006-88-1010-1251τ加热＝a*Ha:加热系数(s/mm)；H：有效厚度(mm5220第四节钢铁在加热时的缺陷氧化：钢的表面金属与加热介质中的氧、氧化性气体、氧化性杂质相互作用形成金属氧化物层的过程腐蚀2Fe+O2→2FeOFe+CO2→CO+FeOFe+H2O→H2+FeO氧化层结构＜570℃：Fe2O3|Fe3O4|基体＞570℃：Fe2O3|Fe3O4|FeO|基体53第四节钢铁在加热时的缺陷氧化：钢的表面金属与加热介质中的氧对性能的影响降低表面光洁度出现淬火软点影响因素加热温度↑、加热时间↑、氧化气氛↑→氧化速度↑加入Cr、Al、Si等形成致密氧化物可提高抗氧化能力54对性能的影响22脱碳：工件在加热过程中表层的碳与介质中的脱碳气体（O2、H2、CO2、H2O）相互作用而烧损的现象2（C）+O2→2CO（C）+CO2→2CO（C）+H2O→CO+H2（Ｃ）+2H2→CH4