熱處理設(shè)備.ppt

熱處理設(shè)備 第一章傳熱基本原理 1 1基本概念傳熱理論研究熱的傳播與交換的基本規(guī)律1 1 1傳熱的基本形式傳導傳熱依靠物體中微觀粒子的熱振動 物體各部分之間不發(fā)生宏觀的相對位移 對流傳熱流體由空間的某一區(qū)域流向溫度不同的另一區(qū)域 同時在流體各部分及流體與固體表面之間也存在傳導傳熱 輻射傳熱由電磁波傳播熱量的過程 不需要物體或質(zhì)點的接觸 伴隨能量轉(zhuǎn)換 1 1 2溫度場與溫度梯度溫度場物體中的溫度在空間和時間上的分布情況溫度梯度物體相鄰兩等溫面與其法線方向距離的比值的極限 1 1 3熱流和熱流密度熱流單位時間內(nèi)通過單位面積所傳遞的熱量熱量單位時間內(nèi)通過傳熱面積f米2所傳遞的熱量總熱量時間 內(nèi)通過傳熱面積f米2所傳遞的熱量 1 1 4穩(wěn)定態(tài)傳熱與非穩(wěn)態(tài)傳熱穩(wěn)定態(tài)傳熱傳熱過程中 溫度場恒定非穩(wěn)態(tài)傳熱傳熱過程中 各點溫度隨時間變化而變化 1 2傳導傳熱1 2 1傳導傳熱的基本方程式傅立葉實驗表明 通過單位時間 單位面積所傳遞的熱量與該截面的溫度梯度成正比 1 2 2熱導率物質(zhì)的導熱能力 單位時間內(nèi) 單位距離上溫差為1 時 單位面積所傳遞的熱量 1 2 3平壁爐墻的導熱1 2 3 1單層平壁爐墻的穩(wěn)定傳熱 1 2 3 2多層平壁爐墻的穩(wěn)定傳熱 1 2 4圓筒爐壁爐墻的穩(wěn)定傳熱1 2 4 1單層圓筒爐壁爐墻的穩(wěn)定傳熱 1 2 4 2多層圓筒爐壁爐墻的穩(wěn)定傳熱 1 3對流換熱1 3 1對流換熱的計算牛頓公式 q t1 t2 f 1 3 2對流換熱的影響因素流體流動的動力自然對流強制對流 流體的流動狀態(tài)層流流體內(nèi)部各個質(zhì)點都平行于壁面流動紊流流體流動時 內(nèi)部各個質(zhì)點不僅向前運動 而且有垂直于于壁面的運動 固體的表面形狀 大小和放置位置 流體的物理性質(zhì)導熱系數(shù)熱容量密度粘度 1 3 3對流換熱系數(shù)的確定自然對流時的對流換熱系數(shù)強制對流時的對流換熱系數(shù)沿平面強制對流時 1 4輻射換熱可見光 波長0 4 0 8微米 和紅外線波長 0 8 40微米 能被物體吸收轉(zhuǎn)化為熱能 稱為熱射線 這種熱能傳播的過程為熱輻射 1 4 1絕對黑體的概念吸收率a qa q a 1 絕對黑體反射率r qr q r 1 絕對白體透過率d qd q d 1 絕對透過體 1 4 2黑體輻射的基本定律1 4 2 1普朗克定律普朗克于1900年根據(jù)量子理論導出了黑體在不同溫度下的單色輻射力隨波長 的分布規(guī)律 即 由普朗克定律可得 黑體在每一個溫度下 都可輻射出波長從0到 的各種射線 當 趨近于0或 時 i 值也趨近于0 在每一溫度下 i 隨波長變化有一最大值 當溫度升高 其最大值向短波方向移動 它們存在如下關(guān)系 即維恩 wien 定律 1 4 2 2斯蒂芬 玻爾茲曼定律在一定溫度下單位面積上 單位時間內(nèi)發(fā)射出各種波長的輻射能量的總和 稱為該溫度下的輻射力 用e表示 因此 黑體的輻射力應(yīng)等于 1 4 2 3灰體和實際物體的輻射力如果某物體的輻射光譜是連續(xù)的 光譜曲線與黑體的光譜曲線相似 而且它的單色輻射力與同溫度 同波長下黑體的單色輻射力之比為定值 并且與波長和溫度無關(guān) 這種物體稱為理想灰體 1 4 2 4克希荷夫定律熱平衡條件下 任意灰體對黑體輻射能的吸收率 等于同溫度下該灰體的黑度 凡吸收率大的物質(zhì) 其輻射率也大 1 4 3兩物體間的輻射熱交換 1 4 3 1角度系數(shù)由f1直接輻射到f2上的輻射能q12與f1面上輻射出去的總輻射能q1之比成為f1對f2的角度系數(shù) 12 兩個相距很近的平行大平面 如圖1 10 a 所示 12 21 1 兩個很大的同軸圓柱表面 如圖1 10 b 所示 它相當于長軸在井式爐內(nèi)加熱時的情況 這時 12 1 21 f1 f2 一個平面和一個曲面 如圖1 10 c 所示 它相當于平板在馬弗爐內(nèi)加熱時的情況 這時 12 1 12 f2 f1 1 4 3 2封閉體系內(nèi)兩面之間的輻射熱交換 輻射熱交換 1 4 3 3有隔板存在時的輻射熱交換存在隔板時的輻射熱交換 達穩(wěn)定態(tài)時 q13 q32 所以 因此 1 4 3 4通過孔口的熱輻射 1 5綜合傳熱1 5 1對流和輻射同時存在的熱交換 工件在熱處理滬內(nèi)加熱時 熱源與工件表面間不僅有輻射換熱 而且還有對流換熱因而單位時間內(nèi)爐膛傳給工件表面的總熱流量為 為了便于對更復雜的傳熱過程進行綜合計算進行比較 一般將它改寫成傳熱一般方程的形式 1 5 2通過平壁從一氣體到另一氣體的傳熱高溫氣體以輻射和對流方式傳給內(nèi)壁的熱量 平壁以傳導方式由內(nèi)壁傳導到外壁的熱量 外壁以輻射和對流方式傳給車間空氣的熱量 穩(wěn)定態(tài)傳熱時 q1 q2 q3 可得 由于較大 因此 對于多層平壁 第二章氣體力學 第三章筑爐材料 不同外形的筑爐材料 3 1耐火材料3 1 1耐火材料的性能耐火材料的性能可以分為物理性能和工作性能 物理性能 體積密度 真比重 氣孔率 吸水率 透氣性 耐壓強度 熱膨脹性 導電性 熱容量等 工作性能 耐火度 高溫結(jié)構(gòu)強度 化學穩(wěn)定性 體積穩(wěn)定性 耐急冷急熱性等 3 1 1 1耐火度耐火材料抵抗高溫作用的性能 以材料受熱后軟化到一定程度時的溫度表示 普通耐火材料 耐火度為1580 一1770 高級耐火材料 耐火度為1770 一2000 特級耐火材料 耐火度為2000 以上 3 1 1 2高溫結(jié)構(gòu)強度 荷重軟化點高溫結(jié)構(gòu)強度用荷重軟化點來評價 荷重軟化開始點是指在一定壓力 196pa 輕質(zhì)材料為98kpa 條件下 以一定速度加熱 測出試樣開始變形 0 6 時的溫度 當試樣變形達4 或40 的溫度 稱為荷重軟化4 或40 軟化點 3 1 1 3高溫化學穩(wěn)定性耐火材料在高溫下抵抗熔渣 熔鹽 金屬氧化物及爐內(nèi)氣氛等的化學作用和物理作用的性能 常用抗渣性來評定 3 1 1 4耐急冷急熱性 熱震穩(wěn)定性 耐急冷急熱性表示材料抵抗溫度急劇變化而不破壞的性能 測定方法是將耐火制品加熱到850 然后放入流動的冷水中冷卻 反復進行破碎至其重量損失20 時的次數(shù) 耐急冷急熱性與制品的物理性能 形狀和大小等因素有關(guān) 3 1 1 5高溫體積穩(wěn)定性高溫體積穩(wěn)定性是指耐火材料在高溫下長期使用時 化學成分發(fā)生變化 產(chǎn)生再結(jié)晶和進一步燒結(jié)現(xiàn)象 從而使耐火材料的體積發(fā)生收縮或膨脹 通常用膨脹系數(shù)或重燒線收縮來表示 一般要求耐火制品的體積變化 不得超過0 5 1 3 1 2常用耐火材料3 1 2 1耐火粘土磚粘土磚荷重軟化點為1350 耐急冷急熱性好 原料來源廣泛 是最常用的耐火材料 可用于砌筑爐頂 爐底 護墻及燃燒室等 3 1 2 2高鋁磚高鋁磚耐火度和高溫結(jié)構(gòu)強度都高于粘土磚 化學穩(wěn)定性好 多用于高溫熱處理爐及電阻絲或電阻帶的擱磚 熱電偶導管 馬弗爐的護芯等 3 1 2 3輕質(zhì)磚與超輕質(zhì)磚輕質(zhì)耐火磚一般是粘土磚 其氣孔率很高 體積密度很小 保溫性好 熱容量小 但高溫強度 高溫化學穩(wěn)定性差 宜用做爐墻和爐頂 3 1 2 4碳化硅耐火制品碳化硅耐火制品耐火度高 高溫結(jié)構(gòu)強度高 抗磨性 耐急熱性好 導熱性及導電性好 根據(jù)其制造工藝的不同 可用作高溫爐的電熱元件 馬弗爐的馬弗罐 高溫爐的爐底板等 3 1 2 5耐火纖維耐火纖維是一種新型的耐火材料 兼有耐火和保溫作用 根據(jù)原料不同有硅酸鋁 石英 氧化鋁和石墨耐火纖維等 3 1 2 6耐火混凝土耐火混凝土是以一定粒度的礬土熟料為骨料 細粉狀礬土熟料為摻合料加水 按一定比例混合 用水泥膠結(jié) 成型 硬化后得到的耐火材料 3 1 2 7陶瓷涂料耐火材料用陶瓷涂料 它是氧化鉛加水調(diào)制而成金屬構(gòu)件用陶瓷涂料 它是用水調(diào)制的硅酸鋁涂料3 1 2 8耐火泥耐火泥接近于砌體成分 具有一定耐火度和化學穩(wěn)定性 3 2保溫材料3 2 1石棉石棉是天然纖維礦物 使用溫度不超過500 因為500 以上會脫水而粉化 常加工成石棉繩 石棉板 石棉布等形狀使用 3 2 2礦渣棉礦渣棉是用高爐爐渣經(jīng)加工處理面成纖維狀材料 3 2 3蛭石蛭石又稱為黑云母 受熱時 其中的水分急劇蒸發(fā) 體積膨脹而成膨脹蛭石 體積密度減小 因而保溫性能良好 最高使用溫度可達1000 使用時可以是散狀 也可膠結(jié)成各種形狀的保溫制品使用 3 2 4硅藻土硅藻土是有機藻類腐敗形成的天然疏松多孔物質(zhì) 大多數(shù)制成硅藻土磚使用 也可散狀使用 3 2 5膨脹珍珠巖膨脹珍珠巖是以天然珍珠巖為主要原料燒制而成的良好保溫材料 其體積密度小 熱導率小 使用溫度可達1000 既可散料使用 又可制成不同形狀的磚使用 3 2 6巖棉巖棉是以玄武巖為主要原料 經(jīng)高溫 熔融制成的人造無機纖維 加工成板 管 氈等 是一種新型輕質(zhì)保溫材料 具有良好的化學穩(wěn)定性 耐熱性 3 3不定形耐火材料3 3 1耐火混凝土耐火混凝土由膠結(jié)料 骨料 摻合料組成 骨料主要的耐火基體 具有高的耐火度 與膠結(jié)劑不形成較多的低熔物膠結(jié)料起膠結(jié)硬化作用摻合料原料同骨料 顆粒較小 3 3 2耐火可塑料以耐火骨料 細粉料為主 加入適量的生粘土和化學粘合劑 經(jīng)過充分的攪拌后形成硬泥膏狀 在規(guī)定時間內(nèi)具有較好的可塑性 3 4爐用金屬材料3 4 1普通金屬材料3 4 2爐用耐熱鋼ni cr系fe al mn系fe cr mn n系 第四章熱處理電爐概述 熱處理電阻爐是將電流通過金屬或非金屬電熱元件 使其發(fā)出熱量 借輻射或?qū)α髯饔脤崃總鹘o被加熱的工件 從而使工件加熱到規(guī)定的溫度 熱處理爐分類 工作溫度高溫爐 1000 中溫爐 1000 650 低溫爐 650 爐膛介質(zhì)空氣介質(zhì)爐控制氣體爐液體介質(zhì)爐 浴爐 爐膛形狀箱式爐井式爐罩式爐直通式爐專門化程度通用式爐專用式爐 工藝用途退火爐正火爐淬火爐回火爐滲碳爐作業(yè)規(guī)程周期作業(yè)爐半連續(xù)作業(yè)爐連續(xù)作業(yè)爐 4 1熱處理電阻爐的基本類型4 1 1周期作業(yè)式熱處理電阻爐周期爐是將工件成批入爐 在爐中完成加熱 保溫等工序 出爐后再將另一批工件裝入爐子的熱處理爐 常用的爐型有 箱式爐 井式爐 臺車式爐 罩式爐等 密封箱式熱處理多用爐 4 1 2連續(xù)作業(yè)式電阻爐連續(xù)作業(yè)爐是指連續(xù)地或間歇地裝料 工件在爐內(nèi)不斷移動 完成加熱 保溫 有時包括冷卻在內(nèi)全過程的熱處理爐 連續(xù)作業(yè)式電阻爐 4 2箱式電阻加熱爐在機器制造廠熱處理車間得到廣泛應(yīng)用 適用于中小零件的熱處理 如退火 正火 淬火 回火和固體滲碳等 特別是對單件和小批量生產(chǎn)的車間采用更多 4 2 1中溫箱式電阻爐中溫箱式電阻爐可用于退火 正火 淬火 回火或固體滲碳等 4 2 2高溫箱式爐高溫箱式爐用于高速鋼或高合金鋼模具的淬火加熱 其結(jié)構(gòu)與中溫箱式爐相似 4 2 3低溫箱式爐低溫箱式爐大多用于回火 主要靠對流換熱 為提高爐溫均勻性 常在爐頂或后墻安裝風扇及導風裝置 以強迫爐氣循環(huán) 4 2 4圓體箱式電阻爐圓體箱式電阻爐是近幾年國內(nèi)廠家參照國外先進技術(shù)制造而成 產(chǎn)品外形 爐膛為圓形 而爐膛尺寸 爐底板 電熱元件等均保留原有箱式爐特點及互換性 外表面積小 蓄熱少 熱損失比rx系列產(chǎn)品減少20 以上 節(jié)能顯著 使用溫度從低溫到高溫均有產(chǎn)品問世 爐體結(jié)構(gòu)如圖4 2所示 4 3井式電阻加熱爐常用來加熱細長工件 因為在吊掛狀態(tài)下加熱可以防止工件產(chǎn)生彎曲 井式氣體電阻加熱爐 4 4臺車式爐及罩式爐4 4 1臺車式爐臺車式爐適用于大型和大批量鑄 鍛件的退火 正火和回火處理 4 4 2罩式爐罩式爐多用于冶金行業(yè)的鋼絲 鋼管 銅帶 銅線以及硅鋼片等的退火處理 它有圓形及長方形結(jié)構(gòu) 第五章熱處理電爐的設(shè)計 5 1爐型的選擇和爐膛尺寸的確定5 1 1爐型的選擇工件的特點 形狀 尺寸 重量 加工細長軸類工件 為防止變形宜用井式爐 加工大中型鑄 鍛毛坯件的退火 正火 回火等處理 則宜用臺車爐 小型軸承鋼球 波子等則選用滾筒式爐等 技術(shù)要求對加熱溫度 爐膛介質(zhì) 冷卻速度 冷卻方式 表面狀態(tài) 允許變形量等有特殊要求時 如高合金鋼模具淬火需要用高溫爐 精加工零件表面要求不氧化則需要保護氣氛爐 真空爐 有表面硬度及化學熱處理要求的則需滲碳 滲氮爐等 產(chǎn)量大小生產(chǎn)量大 品種單一 工藝穩(wěn)定情況下 可考慮使用連續(xù)爐 對產(chǎn)量不大 品種多 工藝變化大的 則可考慮使用箱式爐或箱式多用爐 勞動條件所選爐型盡可能改善勞動條件及工作環(huán)境 提高機械化和自動化水平 并防止污染 爐子性能對爐溫均勻性 準確性 控制精度以及升降溫速度 能耗指標等有特殊要求時也應(yīng)考慮在內(nèi) 5 1 2爐膛尺寸的確定爐膛尺寸主要應(yīng)根據(jù)工件的形狀 尺寸 技術(shù)要求 裝卸料方式 操作方法和生產(chǎn)率來決定 同時還應(yīng)考慮造成爐膛內(nèi)良好的熱交換條件 保證爐內(nèi)溫度均勻性 減少熱損失和便于電熱元件 爐內(nèi)構(gòu)件更換以及爐子維修等 5 1 2 1爐底面積的確定根據(jù)爐子一次裝料量計算根據(jù)爐底強度指標計算5 1 2 2爐膛高度的確定 5 2電阻爐功率的計算5 2 1理論 熱平衡 計算法 5 2 1 1熱處理電阻爐的主要能量支出項加熱工件所需的熱量加熱輔助構(gòu)件所需的熱量加熱控制氣體所需熱量通過爐襯的散熱損失開啟爐門的輻射熱損失開啟爐門溢氣熱損失砌體蓄熱量其它熱損失 5 2 1 2爐子所需功率連續(xù)作業(yè)爐的爐子功率k 1 2 1 3周期作業(yè)爐的爐子功率k 1 3 1 5 5 2 2經(jīng)驗計算法5 2 3 1類比法5 2 3 2經(jīng)驗公式法 5 3功率的分配及電熱元件的接線功率的分配箱式電阻爐井式電阻爐連續(xù)作業(yè)電阻爐供電電壓和連線方法供電電壓 單相或三相連線方法 三角形或星形 5 4常用電熱元件材料及其選擇5 4 1電熱元件材料和性能要求良好的耐熱性及高溫強度較大的電阻率 較小的電阻溫度系數(shù) 較小的熱膨脹系數(shù)良好的加工性 部分電熱元件示意圖 部分電熱元件示意圖 5 4 2電熱元件材料的性能5 4 2 1金屬電熱體材料5 4 2 1 1合金材料fe cr al系電阻率大 電阻溫度系數(shù)小 耐熱性較好塑性較差高溫加熱 使用后 晶粒變大膨脹系數(shù)較大較強抗?jié)Bc 耐s 各種碳氫氣體能力 抗f cl n nh3及其化合物腐蝕能力差 ni cr系塑性好 高溫加熱不脆化電阻率小 電阻溫度系數(shù)大抗n能力強 抗?jié)Bc能力差 5 4 2 1 2純金屬材料主要為高熔點金屬 如mo w ta pt等 電阻較小 電阻溫度系數(shù)較大 5 4 2 2非金屬電熱體材料主要用于高溫電阻爐 有si c系 c系 si mo系 5 4 2 3電熱體的壽命和表面負荷電熱體壽命的影響因素工作溫度氣氛傳熱條件加熱與冷卻速度表面負荷電熱體單位表面積上所輻射出的電功率 電熱體的表面負荷 影響電熱體允許表面負荷的因素 電熱體溫度高或爐內(nèi)有控制氣體時 w實取低值工作環(huán)境惡劣的封閉狀態(tài) w實取低值 敞開工作狀態(tài)下 w實取高值 強制對流時 w實值可更高工件的黑度小 會使電熱體工作條件惡化 w實取低值帶狀w實值的比絲狀的高些不易更換電熱體的電爐中 w實取低值 為加速傳熱或電熱體無法重復使用的 w實可取高值 5 5電熱體的計算及其在爐內(nèi)的布置5 5 1電熱體的理論計算法5 5 1 1絲狀電熱體5 5 1 2帶狀電熱體 5 5 2電熱體的圖解法計算 5 5 3電熱體繞制形狀和尺寸的確定5 5 3 1絲狀電熱體5 5 3 2帶狀電熱體 5 5 4電熱體在爐內(nèi)的布置 5 6電阻加熱爐的性能測試電熱體冷態(tài)直流電阻的測定額定功率的測定空爐升溫時間的測定空載功率的測定爐溫均勻性的測定表面溫升的測定 第六章熱處理燃料爐 6 1燃料爐的基本類型及特點6 1 1燃料爐的基本類型 6 1 2燃料爐的爐型 6 1 3爐型的選擇及設(shè)計基本步驟6 1 3 1爐型的選擇燃料爐爐型的選擇 爐膛尺寸及砌體尺寸的確定與電阻爐基本相似 主要根據(jù)產(chǎn)品批量大小 工件的特性及熱處理工藝的要求來確定 6 1 3 2設(shè)計基本步驟設(shè)計時要考慮如下問題 盡可能使燃料完全燃燒 充分發(fā)熱 節(jié)省燃料 引導爐氣在爐內(nèi)合理流動 并及時將廢氣排除 創(chuàng)造良好的傳熱及勞動條件 爐體結(jié)構(gòu)需滿足爐子耐熱 保溫 減少熱損失的要求 燃料爐的主要設(shè)計步驟 根據(jù)工件形狀 尺寸 數(shù)量 工藝要求和燃料種類 確定爐型和基本結(jié)構(gòu)方案確定基本尺寸 確定爐底面積確定砌體材料及厚度確定鋼架結(jié)構(gòu)和鋼材的規(guī)格型號 確定燃料消耗量 選擇或設(shè)計燃燒裝置計算燃燒所需空氣量和所生成煙氣量設(shè)計排姻口 煙道 煙囪和選擇鼓風機設(shè)計爐門升降機構(gòu)和裝 出料機構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計爐前管路等輔助設(shè)施 6 2燃料燃燒計算6 2 1常用燃料的分類 6 2 2燃料的發(fā)熱量高發(fā)熱量 q高 燃料燃燒后 生成產(chǎn)物中的水分冷凝到0 以液態(tài)存在時 單位燃料完全燃燒所放出的熱量叫高發(fā)熱量 低發(fā)熱量 q低 燃料燃燒后 生成產(chǎn)物中的水分冷卻成20 以氣態(tài)存在時 單位燃料完全燃燒所放出的熱量 叫低發(fā)熱量 6 2 3燃料燃燒計算理論空氣需要量和理論燃燒產(chǎn)物量空氣過剩系數(shù) 6 3燃料消耗量計算6 3 1熱平衡計算法熱收入項目燃料燃燒的化學熱預熱空氣和燃料帶入的物理熱 熱支出項目加熱工件的有效熱量加熱輔助工具所需的熱量加熱可控氣氛所需的熱量通過爐襯的散熱損失通過開啟爐門的輻射損失 通過開啟爐門或爐墻縫隙的溢氣熱損失砌體的蓄熱損失廢煙氣帶走的熱量燃料漏失引起的熱損失燃料不完全燃燒的熱損失其它熱損失 6 3 2經(jīng)驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)法根據(jù)單位熱耗指標計算燃料消耗量根據(jù)爐底熱強度計算燃料消耗量 6 4燃料爐的經(jīng)濟技術(shù)指標及提高熱效率途徑6 4 1經(jīng)濟技術(shù)指標爐子熱效率單位標準燃料消耗量 6 4 2提高熱效率的途徑減少煙氣帶走的熱量有效利用煙氣余熱 6 5熱處理燃料爐的燃燒裝置6 5 1燃料燃燒過程燃料的著火溫度著火濃度范圍火焰的傳播速度回火和脫火 6 5 2煤氣燃燒裝置 燒嘴 6 5 2 1無焰 內(nèi)混式 燒嘴這類燒嘴的燃燒方法是煤氣與空氣預先在燒嘴內(nèi)進行均勻混合 而后噴出進行燃燒 6 5 2 2有焰 外混式 燒嘴這類燒嘴燃燒方法是煤氣與空氣全部或大部分在燒嘴外混合 邊混合邊燃燒 可見較長火焰 套管式燒嘴 渦流式燒嘴 平焰燒嘴 高速燒嘴 輻射管加熱器 6 5 3液體燃料的燃燒裝置 噴嘴 6 5 3 1液體燃料的燃燒特點直流霧化是空氣流股與油流股平行相遇 借二者的相對速度使油流霧化 流股相遇霧化是空氣流股以一定角度與油流股相遇 因而增加了沖擊作用面積 改善了霧化與混合條件 渦流霧化是在接近流股出口附近噴射出具有較大速度的空氣旋轉(zhuǎn)渦流 與油流股相遇 使油流霧化 混合比較激烈 火焰很短而擴張角很大 多次霧化型的噴嘴可以得到更好的霧化質(zhì)量 使燃料容易完全燃燒 6 5 4固體燃料的燃燒裝置 燃燒室 第七章熱處理浴爐及流動粒子爐 7 1浴爐的特點及分類7 1 1浴爐的優(yōu)缺點浴爐有許多優(yōu)點 工作溫度范圍較寬 600 一1350 可完成多種工藝 淬火 正火 回火 局部加熱 化學熱處理 等溫淬火 分級淬火等 只有退火不能進行加熱速度快 溫度均勻 不易氧化 脫碳 爐體結(jié)構(gòu)簡單 高溫下使用壽命較長能滿足特殊工藝要求 對尺寸不大 形狀復雜 表面質(zhì)量要求高的工件 如刃具 模具 量具及一些精密零件特別適用爐口敞開 便于吊掛 工件變形小 與電阻爐相比浴爐的主要缺點是 裝料少 只適用于中小零件加熱需用較多輔助時間 如啟動 脫氧等介質(zhì)消耗多 熱處理成本高爐口經(jīng)常敞開 鹽浴面散熱多 降低熱效率介質(zhì)蒸發(fā) 惡化勞動條件 污染環(huán)境操作技術(shù)要求高 需防止帶入水分 引起飛濺或爆炸等 需配置變壓器 抽風機等輔助設(shè)備 7 1 2浴爐的分類按介質(zhì)種類分類 鹽浴爐堿浴爐鉛浴爐 按加熱方式分類 外熱式浴爐 內(nèi)熱式浴爐插入式電極式鹽浴爐 內(nèi)熱式浴爐埋入式電極式鹽浴爐 電極鹽浴爐工作原理 單相電極布置 三相電極布置 內(nèi)熱式浴爐管狀電熱元件加熱式浴爐 7 2電極式鹽浴爐設(shè)計概要7 2 1浴槽尺寸的確定 7 2 2浴爐的功率確定 7 2 3電極材料和尺寸的確定 7 2 4啟動電阻與匯流銅排 7 2 5浴爐的排氣裝置 7 3流動粒子爐 7 3 1流態(tài)化的基本概念整個流態(tài)化過程分為四個階段 即固定床 膨脹床 流化床 氣體輸送 7 3 2流動粒子爐的工作原理流化床 熱源用于加熱 或流化床 冷源用于冷卻 給熱系數(shù)大 加熱 冷卻速度快 加熱速度相當于鹽浴爐 溫度均勻 爐溫在800 1300 時 爐內(nèi)溫差不超過3 7 因此工件在流動粒子爐內(nèi)加熱時變形小 在流動粒子槽內(nèi)冷卻時 冷速均勻 工件上不會出現(xiàn)軟點 加熱和冷卻速度可以調(diào)節(jié) 能適應(yīng)不同鋼種和工件的加熱與冷卻的要求 爐子的熱情性小 熱效率高 節(jié)約能源 改變粒子種類與流化介質(zhì)的種炎 可以調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛 可以實現(xiàn)無氧化加熱或化學熱處理 7 3 3流動粒子爐的種類 7 3 4流動粒子爐的結(jié)構(gòu) 石墨粒子爐的優(yōu)點是 啟動升溫快 耗電量少 特別適用于時開時停的生產(chǎn)條件 爐溫均勻 溫差一般在 5 其加熱速度與鹽浴爐接近 開爐停爐方便 不用脫氧撈渣 工件表面清潔 不產(chǎn)生飛濺 除一般加熱外 調(diào)整介質(zhì)成分后還可以進行化學熱處理 石墨粒子爐的缺點是 流化床表面起伏較大 不適于局部加熱 石墨粒子損耗多 要有除塵設(shè)備 第八章真空熱處理爐 8 1真空系統(tǒng)8 1 1真空系統(tǒng)的工作原理 8 1 2抽氣機8 1 2 1機械真空泵 8 1 2 2油蒸氣泵 真空熱處理爐典型真空系統(tǒng)原理圖 8 2真空熱處理爐的分類8 2 1外熱式真空熱處理爐加熱體 電阻加熱體 燒嘴 噴嘴 耐火絕熱材料等都在金屬馬弗室外 金屬馬弗室是真空容器 結(jié)構(gòu)簡單 抽氣量較小 易得到所要的真空度 絕熱材料 耐火材料及電阻加熱體在加熱過程中釋放的氣體對所處理的工件質(zhì)量影響較小 外熱式真空熱處理爐結(jié)構(gòu)示意圖 8 2 2內(nèi)熱式真空熱處理爐與外熱式真空爐相比 特點如下 可以制造大型高溫爐加熱冷卻較快爐內(nèi)結(jié)構(gòu)復雜 電氣絕緣性要求高爐內(nèi)容積大 真空抽氣要求高 配套復雜因真空放電及電熱體特性 fe基 ni基合金最高使用電壓 100v 需低壓大電流變壓 電器配套龐大 負壓氣冷爐 氣淬爐 氣體冷卻能力 h1he1 2n1 5ar1 75 負壓油冷爐 油淬爐 三室真空淬火爐 高壓高流率氣淬真空爐 8 3真空熱處理爐所用材料8 3 1電熱元件fe cr al系cr al蒸發(fā) 950 1150 使用ni cr系cr蒸發(fā) 950 1150 使用純金屬mo w tamo蒸發(fā) 1600 使用w蒸發(fā) 2300 使用ta蒸發(fā) 2200 使用石墨適用于低真空及不怕碳污染工況 8 3 2爐襯耐火材料除滿足溫度要求外 要求放氣少 氧化鋁二氧化鋯氧化鈹金屬屏 8 4真空熱處理爐技術(shù)的發(fā)展 8 5離子滲氮爐離子滲氮爐是將被處理的工件放置在真空容器中 在輝光放電條件下進行滲氮 離子滲氮原理 離子滲氮原理 基本原理 把工件放入爐內(nèi)做為陰極 而把氮化爐體 真空容器 做為陽極 而后密封并對爐膛進行抽氣 在達到規(guī)定的真空度后 向爐膛內(nèi)充以稀薄的合氮氣體 如分解氨或氮氫混合氣體 而后在工件和陽極間加以直流電壓 當電壓逐漸增高至 卞體的點燃電壓 100 800v 時 在工件表面上出現(xiàn)輝光閃點 經(jīng)一段時間 約幾分鐘 后 閃點消失 而在工件表面形成一層厚兩 三毫米紫藍色悅目的輝光 這一階段稀薄氣體發(fā)生電離 被電離的稀薄氣體中的h 和n 在電場作用下向工件表面快速沖擊 離子的動能轉(zhuǎn)化為熱能 因此工件表面被迅速加熱至氮化溫度 當輝光穩(wěn)定后 加大氣氛或其它氟 氧氣體的量 使爐膛壓力增加 并提高電壓至600一1000伏轟擊 表面的一部分氮離子在奪取電子后直接滲入工件表面 而另一部分離子則引起陰極濺射 即從工件表面濺出電子和原子 被濺出的鐵原子與氮原于 或氮離子 相結(jié)合 于是在工件表面形成含氮量很高的呈蒸發(fā)狀態(tài)的fen fen中的氮在高溫和離子轟擊的作用下不斷地向工件內(nèi)部擴散 被表面吸收及向工件內(nèi)部擴散的氮原子 被釋放的氮原子一部分被工件表面吸收并滲入工件表層 而另一部分回到爐氣中重新參與氮化作用 陰極濺射出的鐵原子 在真空爐膛內(nèi)的氣體中成為氮化的媒介 離子滲氮熄弧措施在供電回路中設(shè)滅弧電路采用間隙保護 間隙保護裝置是基于輝光在小于1mm的間隙中即會媳滅 采用點燃棒 所謂點燃棒就是由陰極 如陰極板 吊鉤等 引向陽極的一根鐵棒 工件表面要清潔 第九章感應(yīng)熱處理設(shè)備及其它表面加熱設(shè)備 9 1感應(yīng)熱處理的基本原理9 1 1感應(yīng)加熱的基本原理 9 1 2中高頻電流的特點9 1 2 1集膚效應(yīng)渦流的分布是不均勻的 由工件表面向心部呈指數(shù)規(guī)律衰減 9 1 2 2鄰近效應(yīng)當兩個載有一定頻率的交流電流的導體相距很近時 每個導體內(nèi)的電流將重新分布 如兩個導體內(nèi)的電流方向相反時 則最大電流密度出現(xiàn)在兩導體相鄰的一面 反之 則出現(xiàn)在相背的一面 9 1 2 3圓環(huán)效應(yīng)交變電流流過導體時 電流在導體橫截面上的分布將發(fā)生變化 此時電流將僅僅集中在圓環(huán)的內(nèi)側(cè) 成為圓環(huán)效應(yīng) 9 1 2 4尖角效應(yīng)當感應(yīng)器與工件的距離相同 但在工件的尖角處的加熱強度遠較其他光滑部位強烈 往往會造成過熱 成為尖角效應(yīng) 9 2感應(yīng)熱處理設(shè)備的選擇9 2 1感應(yīng)熱處理設(shè)備的分類及特點 9 2 2感應(yīng)加熱設(shè)備頻率的選擇電流透入深度 淬硬層深度與推薦設(shè)備頻率 9 3感應(yīng)器設(shè)計概要 工頻感應(yīng)器 工頻感應(yīng)器 工頻感應(yīng)器 工頻感應(yīng)器 9 3 1中高頻感應(yīng)器結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計感應(yīng)器的設(shè)計包括 施感導體的形狀 尺寸施感導體的圈數(shù)施感導體與工件加熱面的間隙匯流板的尺寸與聯(lián)結(jié)方式冷卻方式 9 3 1 1感應(yīng)器與工件的間隙 9 3 1 2施感導體的截面的尺寸 9 3 1 3施感導體的圈數(shù) 9 3 1 4感應(yīng)器的冷卻水路 9 3 2導磁體和屏蔽作用9 3 2 1導磁體 9 3 2 2磁屏蔽 9 5其他表面加熱裝置9 5 1火焰表面加熱裝置 9 5 2激光表面熱處理裝置激光加工的原理就是將激光束照射到加工物體的表面 材料中的電子通過與光子共振線性吸收獲得熱能 使材料逐步熔化 蒸發(fā)驅(qū)除 或改變物體表面性能 從而達到加工的目的 激光表面處理既可以通過激光相變硬化 激光淬火 表面熔凝改變基體表層材料的微觀結(jié)構(gòu) 也可以通過激光熔覆 氣相沉淀和合金化等處理方法同時改變基體表層的化學成份和微觀結(jié)構(gòu) 激光加工一般是采用高功率密度的激光束來進行的 其光斑很小 能量集中 零件的加工部位被激光瞬時加熱 通過控制加熱的溫度 可使零件表面氣化 熔化或升溫 從而可對零件進行打孔 切割 焊接和熱處理 與常規(guī)加工技術(shù)相比 激光加工具有以下優(yōu)點 對常規(guī)方法難以加工的高熔點 高硬度 脆性大的材料進行加工對復合材料 金屬或非金屬 軟硬材料 進行加工熱作用區(qū)小 熱變形小 加工精度高加工時與工件無機械接觸 工件不受力 在轉(zhuǎn)動或行進中均可進行加工穿過透光材料對真空中的部件進行加工 對常規(guī)工藝難以達到的部位進行激光處理由微機控制實現(xiàn)高難度 復雜形狀的自動化加工由于激光能量集中 因此 加工時可節(jié)省能源 速度快 效率高 節(jié)約原材料 降低成本激光經(jīng)聚焦后 可以得到直徑很小的光斑 具有很高的功率密度 102 1010w cm2 因此可以加熱熔化以至汽化任何材料 可以進行局部區(qū)域的精細快速加工 激光在材料加工中的應(yīng)用主要包括表面處理 淬火 熔覆和合金化 焊接 切割和打孔等 不同的加工方式對激光器的輸出功率密度和模式有不同的要求 金屬表面的激光熱處理只是對被輻照材料由表及里的溫度升高 但維持固相不變 因此 要求激光功率密度較低 大約為104w cm2 激光加工系統(tǒng)主要由五部分組成激光器導光系統(tǒng)加工機床數(shù)控系統(tǒng)檢測系統(tǒng) 9 5 3離子注入離子注入是指從離子源中引出的離子經(jīng)過加速管加速電位的加速獲得很高的能量 而后進入磁分析器使離子純化 分析后的離子可再加速以提高離子的能量 再經(jīng)過兩維偏轉(zhuǎn)掃描器使離子束均勻地注入到材料表面 以較高的電壓使金屬離子進入鋼的表層 獲得一定的合金成分和組織 弗利曼離子源放電室用石墨制作 作為陽極 放電室中心安放鎢絲陰極 直徑為1 mm 室外有鉬片進行熱屏蔽 以提高放電室溫度 放電室先抽真空 氣體或固體揮發(fā)蒸汽進入放電室后被電離形成等離子體 在陽極上開出長條形引出孔 等離子體中的離子被引出形成長條形離子束 見圖 這種離子源可以引出氣體離子和各種固體離子 因此它是用途最廣的離子源之一 離子束注入的特點注入的元素和添加的元素可以任意選取 注入或添加元素時不受溫度和固溶度的限制 可在高溫 低溫和室溫下進行 注入和添加到基體中的原子不受基體固溶度的限制 不受擴散系數(shù)和化合結(jié)合力的影響 可精確控制摻雜數(shù)量和摻雜深度 可精確地控制注入荷量 因此可精確控制摻雜濃度 摻雜深度可用控制注入束能量的高低來實現(xiàn) 離子注入橫向擴散可忽略 深度均勻 注入摻雜大面積均勻性好 比如在3in2硅片上可制備出電阻率均勻性到 1 的精度 摻雜雜質(zhì)純度高 純度可以達到99 以上 金屬和氮離子束束流強度可達到5 50ma 提高了注入效率 適于工業(yè)生產(chǎn) 適用于各種固體材料和粉末材料的改性要求 如半導體 晶態(tài) 非晶態(tài) 金屬和非金屬材料等 直接離子注入不改變工件尺寸 特別適合于精密機械零件的表面處理 如航空 航天領(lǐng)域 離子束增強沉積可獲得大于1 m厚的改性層和超硬層 更適于石油化工領(lǐng)域 9 5 4離子束增強沉積 ibed 物理氣相沉積 pvd 薄膜結(jié)構(gòu)依賴于基體溫度ts和膜材料的熔點tm之比 以及鍍膜單個蒸發(fā)原子所傳遞給基體的能量 氣相蒸發(fā)沉積膜為柱狀生長 而在濺射制膜時由于單個蒸發(fā)原子所傳遞給基體的能量比pvd高 所以在沉積過程中形成了致密的細纖維結(jié)構(gòu)區(qū) 改善了膜的特性 這種結(jié)構(gòu)的形成與ts和沉積氣壓相關(guān) 偏壓施加后 可以明顯降低形成致密細纖維結(jié)構(gòu)的ts之值 其原理是由于在高偏壓下 將引起離子對沉積膜的轟擊 在碰撞級聯(lián)的作用下 結(jié)果增加了成核速率 形成了難溶固溶體和硬化相 改變了薄膜的柱狀生長模式 也改變了優(yōu)先生長方向 結(jié)果沉積膜結(jié)構(gòu)致密 內(nèi)應(yīng)力下降 膜和基體結(jié)合力增強 硬度提高 使薄膜特性得到了很好的改善 第十章可控氣氛熱處理爐 10 1概述可控氣氛包括 保護氣氛保護加熱金屬不氧化脫碳化學熱處理氣氛滲碳 滲氮等氣氛 可控氣氛加熱特點 實現(xiàn)無氧化無脫碳熱處理 提高機械零件的機械性能 減少零件加工余量和金屬燒損量 節(jié)省工時和能耗 節(jié)約金屬材料實現(xiàn)可控滲碳 精確控制零件表面含碳量 碳濃度梯度 滲層厚度 提高滲碳件機械性能 穩(wěn)定滲碳件質(zhì)量能進行特殊熱處理 如硅鋼片脫碳 鋼材復碳等提高勞動生產(chǎn)率 改善勞動條件 可控氣氛熱處理示意圖 10 2可控氣氛加熱的基本原理10 2 1鋼在爐氣中的氧化還原反應(yīng)鋼在co co2氣氛中的反應(yīng)鋼在h2 h2o氣氛中的反應(yīng)氣氛中的氧勢鋼在co co2 h2 h2o混合氣體中的氧化還原反應(yīng) 10 2 2鋼在爐氣中的脫碳增碳反應(yīng)鋼在co co2氣氛中的脫碳增碳反應(yīng)氣氛中的碳勢鋼在h2 ch4氣氛中的脫碳增碳反應(yīng) 10 3可控氣氛的種類10 3 1制備可控氣氛的原料固體原料主要是木炭液體原料主要是有機液體氣體原料人造原料工業(yè)煤氣 城市煤氣 氨氣 氮氣天然原料天然氣 10 3 2放熱式氣氛將原料氣與較多空氣按一定比例混合 靠自身的燃燒反應(yīng)所生成的氣氛 10 3 3吸熱式氣氛將原料氣與少量空氣混合 在高溫及催化劑的作用下 經(jīng)不完全燃燒所生成的氣氛 10 3 4滴注式可控氣氛將具有滲碳性的有機液體或混合物直接滴入封閉的爐膛內(nèi) 在爐內(nèi)直接反應(yīng)生成的可控氣氛 10 3 4 1滴注式可控氣氛的原料目前滴注液都是有機液體 如甲醇 乙醇 異丙醇醋酸乙酯等 均是c h o三元素組成的碳氫化合物的含氧衍生物 分子結(jié)構(gòu)很簡單 10 3 4 2滴注式可控氣氛的制備直接將滴注液滴入爐內(nèi) 在爐內(nèi)反應(yīng)生成可控氣氛 將甲醇通入分解反應(yīng)管中 在一定溫度下借助于催化劑 分解成稀釋氣體通入爐內(nèi)作保護氣氛 有時以它為載體滴注有機液體作為滲碳氣氛 10 3 4 3滴注式可控氣氛的應(yīng)用作為保護氣氛 多用甲醇滴注液 為調(diào)整碳勢 通常以甲醇為載體 滴入c o 1的有機液體 以提高碳勢 10 3 5氨分解氣氛10 3 5 1氨分解氣氛的制備液態(tài)氨經(jīng)氣化后 在催化劑的作用下加熱分解 2nh3 3h2 n2 10 3 5 2分解氨的制備流程 10 3 5 3分解氨的特性及應(yīng)用組成為75 h2 25 n2 特性同h2 用于各種金屬的光亮熱處理 尤其適用于高鉻鎳合金鋼 不銹鋼及硅鋼片的光亮淬火及光亮退火 粉末合金的燒結(jié)也常使用分解氨 10 3 6氮基氣氛氮基氣氛是以氮為