1、金属热处理工艺学金属热处理工艺学第一章 金属的加热11-1 -1 金属加热的物理过程及其影响因素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，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
2、工件主要依靠辐射、对流、传导传热。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）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
3、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。辐射传热辐射传热基本特点：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
4、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-
5、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内部传热主要是传导传热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。在低温时合金元素强烈降低钢的热传导系数，随温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。高于度的升高，其影响减弱。高于900时影响很小。时影响很小。钢中的合金元素降低钢的热传导系数。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三、热处理
6、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保保t升升和加热功率有关，和加热介质有关，和加热制和加热功率有关，和加热介质有关，和加热制度、工件的体积、装炉数量等有关；度、工件的体积、装炉数量等有关；t透热透热和工件本身体积、截面尺寸、材料导热性等和工件本身体积、截面尺寸、材料导热性等有关；有关；t保温保温，根据热处理工艺要求确定。，根据热处理工艺要求确定。例如：例如：A均匀化，去应力退火等，均匀化，去应力退火等，t保温短；扩散保温短；扩散退火、球化退火、回火，退火、球化退火、回火，t保温要求长。保温要求长。三、热处理加热时间的确定三、热处理加热时间的确定2、t加的理论计
7、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，筒件：，筒件：H=壁厚
8、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：把需要加热的零件装入，随炉将零把需要加热的零件装入，随炉将零件升至所需要的温度。件升至所需要的温度。u其加热速度应控制在其加热速度应控制在150 左右。就经济观点来左右。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：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。装炉零件多，为装炉方便，如大批铸件退火等
9、零件在加热前有极大的残余应力，如铸件、冷作件。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。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。小及装炉的具体情况决定。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
10、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。大多数零件都可采用这种方法加热。零件都可采用这种方法加热。u应该注意，零件装炉后会使炉温降低。因此装炉应该注意，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升至高于零件所需加热温度20-30 时装炉。时装炉。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
11、u适用于形状简单的碳素钢及低合金钢零件。适用于形状简单的碳素钢及低合金钢零件。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热到温入炉加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：综合传热；综合传热；金属传导，固态颗粒，流动粒子；金属传导，固态颗粒，流动粒子；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，氧化、脱碳、变形倾加热速度快，加热均匀，
12、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；生产效率高，容易实现机械化和自动化。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
13、及对流传热中影响气流运如：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。动情况等。u由图由图1-3可以看出，工可以看出，工件在炉中四面都可被加件在炉中四面都可被加热时修正系数最小（等热时修正系数最小（等于于1）。而当堆积时修正）。而当堆积时修正系数最大（等于系数最大（等于4）。）。修修正系数越大则工件所需正系数越大则工件所需的加热时间越长。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。u不同形状和尺寸的同种材料不同形状和尺寸
14、的同种材料制成的工件，当其特征尺寸制成的工件，当其特征尺寸S与形状系数与形状系数k乘积相等时，以同乘积相等时，以同种方式加热则加热时间相等。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，最典型是发生作用，即化学反应，最典型是氧化，脱碳氧化，脱碳。一、金属在加热时的氧化反应及氧化过程一、金属在加热时的氧化反应及氧化过程 1、氧化、氧化:材料中金属元素与氧化性气氛形成氧化材料中金属元素与氧化
15、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，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）。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：、根据加热温度不同，常见的氧化反应有：加热温度加热温度570 570570时时:3Fe+2O2Fe3O43Fe+4H2OFe3O4+4H23Fe+4CO2Fe3O4+4CO2Fe+O2 2FeOFe+H2OFeO+H2Fe+CO2FeO+CO根据质量作用定律，不同温度化学反应进行的方向取根据质量作用定律，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决于该温度下的平衡常数Kp及参与反
16、应物质的浓度。及参与反应物质的浓度。相当于空气介质中加热的情况。相当于空气介质中加热的情况。其平衡常数其平衡常数Kp为：为：若取纯态为标准态，取其活度为若取纯态为标准态，取其活度为1，则，则:uPo2为上述反应达到平衡时氧的分压为上述反应达到平衡时氧的分压,称为氧化物称为氧化物的分解压。的分解压。当铁在高于当铁在高于570 的温度加热时的温度加热时,若气若气氛中氧的分压大于此分解压氛中氧的分压大于此分解压,则铁被氧化则铁被氧化,反之分解。反之分解。平衡常数平衡常数Kp可用热力学的等压方程求的。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。金属氧化物的分解压力随着温度的升高
17、而增大。Si、Mn等合金等合金元素比铁更容元素比铁更容易氧化，钢在易氧化，钢在加热时铁没有加热时铁没有被氧化，但处被氧化，但处在氧气扩散通在氧气扩散通道上的道上的Si、Mn等合金元素确等合金元素确被氧化，称为被氧化，称为内氧化。内氧化。当铁在当铁在H2O和和H2或或CO 2和和CO介质中加热时，介质中加热时，反应反应3Fe+4H2OFe3O4+4H2 的平衡常数为：的平衡常数为：反应反应3Fe+4CO2Fe3O4+4CO的平衡常数为：的平衡常数为：反应反应Fe+H2OFeO+H2的平衡常数为：的平衡常数为：反应反应Fe+CO2FeO+CO的平衡常数为：的平衡常数为：u对于对于3Fe+4H2OF
18、e3O4+4H2和和Fe+H2OFeO+H2u对于对于3Fe+4CO2Fe3O4+4CO和和Fe+CO2FeO+CO只有当只有当PH2/PH2OKp1或或Kp3时，铁被氧化；时，铁被氧化；只有当只有当Pco/Pco2 570 时时钢的氧化速度主要取决于氧和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；铁原子通过氧化膜的扩散速度；随加热温度的升高，原子扩散随加热温度的升高，原子扩散速度增大，氧化速度增大速度增大，氧化速度增大。温。温度不同氧化产物也不同，对氧度不同氧化产物也不同，对氧化速度有影响。化速度有影响。二、钢加热时的脱碳及脱碳过程二、钢加热时的脱碳及脱碳过程1、钢加热时的脱碳、增
19、碳平衡、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、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。为脱碳。常见的脱碳反应有以下几种：（常见的脱碳反应有以下几种：（均为可逆反应均为可逆反应）向右：脱碳，向左：增碳向右：脱碳，向左：增碳也可根据下式进行判断：也可根据下式进行判断：发生脱碳反应；反之则增发生脱碳反应；反之则增碳。碳。不脱碳也不增碳。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，氏体中含碳量较高者，c较大
20、较大。不同曲线不同曲线不同含碳量不同含碳量钢的奥氏体平衡曲线；钢的奥氏体平衡曲线；SE线以左线以左析出渗碳析出渗碳体；体；SG线以下线以下析出铁素析出铁素体；体；SK线线表示与固态碳表示与固态碳（石墨）平衡的曲线；（石墨）平衡的曲线；例如：例如：0.4%C曲线曲线，若加，若加热温度与炉气成分位于此热温度与炉气成分位于此线上，则既不脱碳也不增线上，则既不脱碳也不增碳；位于曲线左上方，则碳；位于曲线左上方，则表面增碳；位于曲线右下表面增碳；位于曲线右下方，则表面将脱碳。方，则表面将脱碳。碳势碳势纯铁在一定温度下于加热炉中加热时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
21、表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。面的含碳量。2、炉气中的碳势及其测定、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。势愈高，饱和碳的能力愈强。碳势仪表：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（如分（如H2O、CO2、CO、CH4、O2等）来间接测定炉气中等）来间接测定炉气中碳势。碳势。碳势测量：碳势测量：3、脱碳层的组
22、织结构、脱碳层的组织结构全脱碳层的组织结构全脱碳层的组织结构 F +（F+P）+P纯白，白块纯白，白块+黑团，纯黑黑团，纯黑半脱碳层的组织结构半脱碳层的组织结构（F+P）+P三、加热缺陷及其控制三、加热缺陷及其控制1、氧化：、氧化：加热时，钢表层中的铁及合金元素与介加热时，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。膜的现象称为氧化。高温（大于高温（大于570）工件氧化后尺寸精度和表面）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光亮度恶化，具有氧化膜的淬透性差的钢易出现淬火软点。淬火软点
23、防止方法：防止方法：在真空中或者保护性气氛、可控性气氛中加在真空中或者保护性气氛、可控性气氛中加热；热；粗加工时，应留够余量，把氧化层去掉。粗加工时，应留够余量，把氧化层去掉。2、脱碳、脱碳：钢在加热时，表层的碳与介质中的氧、氢、：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。为脱碳。脱碳钢淬火后，表面硬度、疲劳强度、耐磨性脱碳钢淬火后，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降低，而且因表面产生残余拉应力易形成网状裂纹。纹。防止方法：防止方法：在真空中或者保护性气氛、可控
24、性气氛中加在真空中或者保护性气氛、可控性气氛中加热；热；粗加工时，应留够余量，把脱碳层去掉；粗加工时，应留够余量，把脱碳层去掉；可进行复碳。可进行复碳。3、过热：、过热：加热温度过高或在高温下保温时间过长，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。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。转变、温度升高，增大淬火时的畸变开裂倾向。防止方法：防止方法：过热组织经退火、正火或多次高温回火后，再在过热组织经退火、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
25、细化。正常加热条件重新奥氏体化，可使晶粒细化。4、过烧、过烧：加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗：加热温度过高，不仅引起奥氏体晶粒粗化，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，而且晶界局部出现氧化或熔化，导致晶界弱化，称为过烧。化，称为过烧。经常发生在高温扩散退火或高速钢淬火过程中。经常发生在高温扩散退火或高速钢淬火过程中。钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧钢过烧后性能严重恶化，淬火时形成龟裂。过烧组织无法挽救，只能报废。组织无法挽救，只能报废。5、欠热、欠热：加热不足，组织中残留过多的第二相，组：加热不足，组织中残留过多的第二相，组织不均匀。织不均匀。结果：组织不均匀，硬度不均匀，出现了软点，结果：组织不均匀，硬度不均匀，出现了软点，红硬性显著下降。红硬性显著下降。复习题：复习题：1、说明钢在加热时过热、过烧后的组织特征及其、说明钢在加热时过热、过烧后的组织特征及其危害性？如何避免？危害性？如何避免？2、影响加热速度的因素有哪些？为什么？、影响加热速度的因素有哪些？为什么？
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