熱處理工藝及設(shè)備金屬的加熱課件

第二章金屬的加熱1第二章金屬的加熱1第一節(jié)金屬加熱的物理過程三種傳熱方式傳導(dǎo)：加熱介質(zhì)與加熱工件表面接觸時(shí)，或受熱工件表面與心部之間、受熱工件的某一部位與未受熱部分之間發(fā)生的熱量傳輸對(duì)流：依靠液態(tài)或氣態(tài)加熱介質(zhì)的分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的熱量傳輸（600～700℃以下）輻射：通過加熱體在高溫下產(chǎn)生的電磁波來傳遞能量的現(xiàn)象（＞700℃，無(wú)需介質(zhì)）2第一節(jié)金屬加熱的物理過程三種傳熱方式2加熱方式與加熱介質(zhì)金屬加熱直接加熱間接加熱熱源熱源介質(zhì)電阻電磁波低能粒子真空固體液體氣體3加熱方式與加熱介質(zhì)金屬加熱直接加熱間接加熱熱源熱源介質(zhì)電阻電真空加熱加熱速度緩慢截面溫差小、應(yīng)力、變形小充入惰性氣體強(qiáng)制循環(huán)；預(yù)熱升溫氧化作用被抑制表面凈化脫氣作用蒸發(fā)現(xiàn)象4真空加熱加熱速度緩慢4第二節(jié)影響加熱因素加熱介質(zhì)爐子類型爐溫（℃）相對(duì)加熱速度空氣爐8001鹽浴爐8002鉛浴爐8004鹽浴爐120085第二節(jié)影響加熱因素加熱介質(zhì)爐子類型爐溫（℃）相對(duì)加熱速度鋼件成分單位℃/s鋼種低碳鋼中碳鋼高碳鋼低合金鋼中合金鋼高合金鋼相對(duì)加熱速度2.01.71.41.31.21.06鋼件成分單位℃/s鋼種低碳鋼中碳鋼高碳鋼低合金鋼中合金鋼高合鋼件形狀有效受熱表面積與其體積之比(F／v)并不相同鋼種形狀鋼球立方剛圓鋼正方鋼長(zhǎng)方鋼鋼板F/V6/D6/D4/D4/D2.66/D2/D相對(duì)加熱速度1.51.5110.670.57鋼件形狀有效受熱表面積與其體積之比(F／v)并不相同鋼種形第三節(jié)確定加熱規(guī)范的一般原則加熱的溫度（T）基本依據(jù)：材料相變的臨界點(diǎn)鋼的臨界溫度鐵碳相圖中PSK、GS、ES線分別用A1、A3、Acm表示。由于實(shí)際加熱或冷卻時(shí)存在過冷或過熱現(xiàn)象，因此，將鋼加熱時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ac1、Ac3、Accm表示，冷卻時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ar1、Ar3、Arcm表示8第三節(jié)確定加熱規(guī)范的一般原則加熱的溫度（T）基本依據(jù)：材綜合考慮因素?zé)崽幚砉に嚹康牧慵叽缌慵庸み^程9綜合考慮因素?zé)崽幚砉に嚹康牧慵叽缌慵庸み^程9加熱速度選擇塑性高的鋼材加熱速度可大一些，反之，脆性大的鋼材加熱速度應(yīng)相對(duì)減小導(dǎo)熱性差的鋼(如高鉻鋼、高速鋼等)應(yīng)采用較小的加熱速度對(duì)大尺寸工件應(yīng)采用較小的加熱速度形狀復(fù)雜截面相差懸殊的工件加熱速度宣小一些若加熱前工件存在有較大的殘余應(yīng)力，當(dāng)加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力方向一致時(shí)易導(dǎo)致變形開裂，故加熱速度應(yīng)小一些固體滲碳、退火等工藝，由于工藝本身及設(shè)備特點(diǎn)的限制，常不采用快速加熱鋼中嚴(yán)重偏析、夾雜物，可造成組織不均勻，致使鋼中各部位導(dǎo)熱不一致，尤其是大塊與尖角狀?yuàn)A雜物，其尖端處正是熱應(yīng)力集中所在，極易引起開裂，所以對(duì)這種鋼件應(yīng)緩慢加熱10加熱速度選擇塑性高的鋼材加熱速度可大一些，反之，脆性大的鋼加熱方法選擇冷爐裝料1)裝爐量較多，考慮裝爐方便；(2)工件裝爐前存在較大的內(nèi)應(yīng)力，如鑄件、冷變形件，(3)冶煉質(zhì)量不高(含有大量夾雜物)的鋼及灰口鑄鐵件，(4)形狀復(fù)雜的高合金鋼件；(5)大型鑄鍛件。11加熱方法選擇冷爐裝料1)裝爐量較多，考慮裝爐方便；11到溫裝爐這種加熱的特點(diǎn)是操作方便，加熱速度較大，截面溫差也較大。這是退火、正火、淬火等常用熱處理工藝普遍應(yīng)用的一種加熱方法12到溫裝爐這種加熱的特點(diǎn)是操作方便，加熱速度較大，截面溫差高溫裝爐1)鍛件退火、正火(2)碳鋼、低合金鋼鍛件、小型工件淬火13高溫裝爐1)鍛件退火、正火13低溫裝爐(＜600℃)或經(jīng)預(yù)熱(1)熱處理溫度較低的工件，如施行退火的鑄鐵件、焊接結(jié)構(gòu)、機(jī)加工件(2)在鋼彈性區(qū)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度，可保證不產(chǎn)生裂紋的工件，如大型鑄鍛件、淬火不合格返修件(3)經(jīng)過預(yù)熱的工件，可縮短高溫加熱時(shí)間，以減少高溫氧化、脫碳程度并降低熱應(yīng)力，如截面大的高合金鋼工具和高速鋼件等14低溫裝爐(＜600℃)或經(jīng)預(yù)熱(1)熱處理溫度較低的工件加熱時(shí)間定義：τ＝τ升＋τ透＋τ保15加熱時(shí)間定義：τ＝τ升＋τ透＋τ保151616加熱時(shí)間的計(jì)算厚件可用傳熱學(xué)、有效元分析薄件可用經(jīng)驗(yàn)公式估算薄件：T爐＜400℃，d＜300mm；T爐＜800℃，d＜200mm；T爐＜1000℃，d＜100mm；τ加熱＝KW（W：幾何因素）K碳鋼合金鋼空氣加熱4045鹽浴加熱1013火焰加熱354017加熱時(shí)間的計(jì)算K碳鋼合金鋼空氣加熱4045鹽浴加熱1013火物體形狀W=V/F物體形狀W=V/F球D/6長(zhǎng)方形板材全部加熱BaL/2(BL+Ba+aL)圓柱體，全部加熱DL/4L+2D方形B/6圓柱體，一端加熱DL1/4L1+D正方形、三角形或等邊六角形棱柱D1L/4L+2D1空心圓柱體，全部加熱(D-d)L/4L1+2(D-d)工件形狀與幾何因素W的關(guān)系注：D-外徑；D1-周徑（多角形內(nèi)切圓周直徑）；B-正方體棱柱高及板厚；d-內(nèi)徑；L-長(zhǎng)度；L1-加熱區(qū)長(zhǎng)度；a-板厚18物體形狀W=V/F物體形狀W=V/F球D/6長(zhǎng)方形板材全部加τ加熱＝a*Ha:加熱系數(shù)(s/mm)；H：有效厚度(mm)設(shè)備溫度℃加熱系數(shù)(s/mm)圓截面正方形長(zhǎng)方形電爐80040-5050-6060-75油爐80035-4045-5035-60鹽浴爐80012-1515-1818-22鉛浴爐8006-88-1010-12鹽浴爐13006-88-1010-1219τ加熱＝a*Ha:加熱系數(shù)(s/mm)；H：有效厚度(mm2020第四節(jié)鋼鐵在加熱時(shí)的缺陷氧化：鋼的表面金屬與加熱介質(zhì)中的氧、氧化性氣體、氧化性雜質(zhì)相互作用形成金屬氧化物層的過程腐蝕2Fe+O2→2FeOFe+CO2→CO+FeOFe+H2O→H2+FeO氧化層結(jié)構(gòu)＜570℃：Fe2O3|Fe3O4|基體＞570℃：Fe2O3|Fe3O4|FeO|基體21第四節(jié)鋼鐵在加熱時(shí)的缺陷氧化：鋼的表面金屬與加熱介質(zhì)中的氧對(duì)性能的影響降低表面光潔度出現(xiàn)淬火軟點(diǎn)影響因素加熱溫度↑、加熱時(shí)間↑、氧化氣氛↑→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對(duì)性能的影響22脫碳：工件在加熱過程中表層的碳與介質(zhì)中的脫碳?xì)怏w（O2、H2、CO2、H2O）相互作用而燒損的現(xiàn)象2（C）+O2→2CO（C）+CO2→2CO（C）+H2O→CO+H2（Ｃ）+2H2→CH4組織結(jié)構(gòu)全脫碳層：全部α晶粒半脫碳層：表面C%＜平均C%23脫碳：工件在加熱過程中表層的碳與介質(zhì)中的脫碳?xì)怏w（O2、H22424對(duì)性能的影響機(jī)械性能下降（強(qiáng)度、硬度、耐磨性）脫碳層具有殘余拉應(yīng)力，易出現(xiàn)淬火裂紋影響因素化學(xué)成分、加熱溫度、加熱時(shí)間、介質(zhì)25對(duì)性能的影響25內(nèi)氧化：在工件內(nèi)部沿晶界形成氧化物相或脫碳區(qū)的現(xiàn)象26內(nèi)氧化：在工件內(nèi)部沿晶界形成氧化物相或脫碳區(qū)的現(xiàn)象26生鐵腫脹：鑄件在氧化性介質(zhì)中加熱時(shí)，沿表層下晶界及石墨夾雜迅速發(fā)生氧化，從而導(dǎo)致體積增大的現(xiàn)象27生鐵腫脹：鑄件在氧化性介質(zhì)中加熱時(shí)，沿表層下晶界及石墨夾雜迅氧化與脫碳的控制裝箱法：用氧化鋁粉、木炭、鑄鐵屑等作為充填劑，將工件進(jìn)行裝箱加熱。在可控氣氛中無(wú)氧化加熱敞焰少無(wú)氧化加熱在熔融浴爐中無(wú)氧化加熱在真空中無(wú)氧化加熱防氧化涂層28氧化與脫碳的控制裝箱法：用氧化鋁粉、木炭、鑄鐵屑等作為充填劑過燒產(chǎn)生在高溫?cái)U(kuò)散退火或高速鋼淬火特征是在粗大晶粒的晶界上出現(xiàn)局部熔化或氧化現(xiàn)象W18Cr4V的過燒組織由于加熱溫度過高，以至晶界局部融化，產(chǎn)生魚骨狀的萊氏體共晶組織。第五節(jié)加熱溫度不適當(dāng)導(dǎo)致的熱處理缺陷29過燒產(chǎn)生在高溫?cái)U(kuò)散退火或高速鋼淬火特征是在粗大晶粒的晶界過熱15#鋼的晶粒粗大組織

圖中組織晶粒粗大。同時(shí)我們還可以看到一條明顯的裂紋，沿晶界分布。30過熱15#鋼的晶粒粗大組織圖中組織晶粒粗大。同時(shí)魏氏組織31魏氏組織31欠熱熱溫度低于奧氏體化溫度,處于兩相區(qū)，沒有完全奧氏體化，組織中的鐵素體屬未溶鐵素體45#鋼的欠熱組織32欠熱熱溫度低于奧氏體化溫度,處于兩相區(qū)，沒有完全奧氏體化，組第二章金屬的加熱33第二章金屬的加熱1第一節(jié)金屬加熱的物理過程三種傳熱方式傳導(dǎo)：加熱介質(zhì)與加熱工件表面接觸時(shí)，或受熱工件表面與心部之間、受熱工件的某一部位與未受熱部分之間發(fā)生的熱量傳輸對(duì)流：依靠液態(tài)或氣態(tài)加熱介質(zhì)的分子相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的熱量傳輸（600～700℃以下）輻射：通過加熱體在高溫下產(chǎn)生的電磁波來傳遞能量的現(xiàn)象（＞700℃，無(wú)需介質(zhì)）34第一節(jié)金屬加熱的物理過程三種傳熱方式2加熱方式與加熱介質(zhì)金屬加熱直接加熱間接加熱熱源熱源介質(zhì)電阻電磁波低能粒子真空固體液體氣體35加熱方式與加熱介質(zhì)金屬加熱直接加熱間接加熱熱源熱源介質(zhì)電阻電真空加熱加熱速度緩慢截面溫差小、應(yīng)力、變形小充入惰性氣體強(qiáng)制循環(huán)；預(yù)熱升溫氧化作用被抑制表面凈化脫氣作用蒸發(fā)現(xiàn)象36真空加熱加熱速度緩慢4第二節(jié)影響加熱因素加熱介質(zhì)爐子類型爐溫（℃）相對(duì)加熱速度空氣爐8001鹽浴爐8002鉛浴爐8004鹽浴爐1200837第二節(jié)影響加熱因素加熱介質(zhì)爐子類型爐溫（℃）相對(duì)加熱速度鋼件成分單位℃/s鋼種低碳鋼中碳鋼高碳鋼低合金鋼中合金鋼高合金鋼相對(duì)加熱速度2.01.71.41.31.21.038鋼件成分單位℃/s鋼種低碳鋼中碳鋼高碳鋼低合金鋼中合金鋼高合鋼件形狀有效受熱表面積與其體積之比(F／v)并不相同鋼種形狀鋼球立方剛圓鋼正方鋼長(zhǎng)方鋼鋼板F/V6/D6/D4/D4/D2.66/D2/D相對(duì)加熱速度1.51.5110.670.539鋼件形狀有效受熱表面積與其體積之比(F／v)并不相同鋼種形第三節(jié)確定加熱規(guī)范的一般原則加熱的溫度（T）基本依據(jù)：材料相變的臨界點(diǎn)鋼的臨界溫度鐵碳相圖中PSK、GS、ES線分別用A1、A3、Acm表示。由于實(shí)際加熱或冷卻時(shí)存在過冷或過熱現(xiàn)象，因此，將鋼加熱時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ac1、Ac3、Accm表示，冷卻時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ar1、Ar3、Arcm表示40第三節(jié)確定加熱規(guī)范的一般原則加熱的溫度（T）基本依據(jù)：材綜合考慮因素?zé)崽幚砉に嚹康牧慵叽缌慵庸み^程41綜合考慮因素?zé)崽幚砉に嚹康牧慵叽缌慵庸み^程9加熱速度選擇塑性高的鋼材加熱速度可大一些，反之，脆性大的鋼材加熱速度應(yīng)相對(duì)減小導(dǎo)熱性差的鋼(如高鉻鋼、高速鋼等)應(yīng)采用較小的加熱速度對(duì)大尺寸工件應(yīng)采用較小的加熱速度形狀復(fù)雜截面相差懸殊的工件加熱速度宣小一些若加熱前工件存在有較大的殘余應(yīng)力，當(dāng)加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力方向一致時(shí)易導(dǎo)致變形開裂，故加熱速度應(yīng)小一些固體滲碳、退火等工藝，由于工藝本身及設(shè)備特點(diǎn)的限制，常不采用快速加熱鋼中嚴(yán)重偏析、夾雜物，可造成組織不均勻，致使鋼中各部位導(dǎo)熱不一致，尤其是大塊與尖角狀?yuàn)A雜物，其尖端處正是熱應(yīng)力集中所在，極易引起開裂，所以對(duì)這種鋼件應(yīng)緩慢加熱42加熱速度選擇塑性高的鋼材加熱速度可大一些，反之，脆性大的鋼加熱方法選擇冷爐裝料1)裝爐量較多，考慮裝爐方便；(2)工件裝爐前存在較大的內(nèi)應(yīng)力，如鑄件、冷變形件，(3)冶煉質(zhì)量不高(含有大量夾雜物)的鋼及灰口鑄鐵件，(4)形狀復(fù)雜的高合金鋼件；(5)大型鑄鍛件。43加熱方法選擇冷爐裝料1)裝爐量較多，考慮裝爐方便；11到溫裝爐這種加熱的特點(diǎn)是操作方便，加熱速度較大，截面溫差也較大。這是退火、正火、淬火等常用熱處理工藝普遍應(yīng)用的一種加熱方法44到溫裝爐這種加熱的特點(diǎn)是操作方便，加熱速度較大，截面溫差高溫裝爐1)鍛件退火、正火(2)碳鋼、低合金鋼鍛件、小型工件淬火45高溫裝爐1)鍛件退火、正火13低溫裝爐(＜600℃)或經(jīng)預(yù)熱(1)熱處理溫度較低的工件，如施行退火的鑄鐵件、焊接結(jié)構(gòu)、機(jī)加工件(2)在鋼彈性區(qū)的應(yīng)力遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度，可保證不產(chǎn)生裂紋的工件，如大型鑄鍛件、淬火不合格返修件(3)經(jīng)過預(yù)熱的工件，可縮短高溫加熱時(shí)間，以減少高溫氧化、脫碳程度并降低熱應(yīng)力，如截面大的高合金鋼工具和高速鋼件等46低溫裝爐(＜600℃)或經(jīng)預(yù)熱(1)熱處理溫度較低的工件加熱時(shí)間定義：τ＝τ升＋τ透＋τ保47加熱時(shí)間定義：τ＝τ升＋τ透＋τ保154816加熱時(shí)間的計(jì)算厚件可用傳熱學(xué)、有效元分析薄件可用經(jīng)驗(yàn)公式估算薄件：T爐＜400℃，d＜300mm；T爐＜800℃，d＜200mm；T爐＜1000℃，d＜100mm；τ加熱＝KW（W：幾何因素）K碳鋼合金鋼空氣加熱4045鹽浴加熱1013火焰加熱354049加熱時(shí)間的計(jì)算K碳鋼合金鋼空氣加熱4045鹽浴加熱1013火物體形狀W=V/F物體形狀W=V/F球D/6長(zhǎng)方形板材全部加熱BaL/2(BL+Ba+aL)圓柱體，全部加熱DL/4L+2D方形B/6圓柱體，一端加熱DL1/4L1+D正方形、三角形或等邊六角形棱柱D1L/4L+2D1空心圓柱體，全部加熱(D-d)L/4L1+2(D-d)工件形狀與幾何因素W的關(guān)系注：D-外徑；D1-周徑（多角形內(nèi)切圓周直徑）；B-正方體棱柱高及板厚；d-內(nèi)徑；L-長(zhǎng)度；L1-加熱區(qū)長(zhǎng)度；a-板厚50物體形狀W=V/F物體形狀W=V/F球D/6長(zhǎng)方形板材全部加τ加熱＝a*Ha:加熱系數(shù)(s/mm)；H：有效厚度(mm)設(shè)備溫度℃加熱系數(shù)(s/mm)圓截面正方形長(zhǎng)方形電爐80040-5050-6060-75油爐80035-4045-5035-60鹽浴爐80012-1515-1818-22鉛浴爐8006-88-1010-12鹽浴爐13006-88-1010-1251τ加熱＝a*Ha:加熱系數(shù)(s/mm)；H：有效厚度(mm5220第四節(jié)鋼鐵在加熱時(shí)的缺陷氧化：鋼的表面金屬與加熱介質(zhì)中的氧、氧化性氣體、氧化性雜質(zhì)相互作用形成金屬氧化物層的過程腐蝕2Fe+O2→2FeOFe+CO2→CO+FeOFe+H2O→H2+FeO氧化層結(jié)構(gòu)＜570℃：Fe2O3|Fe3O4|基體＞570℃：Fe2O3|Fe3O4|FeO|基體53第四節(jié)鋼鐵在加熱時(shí)的缺陷氧化：鋼的表面金屬與加熱介質(zhì)中的氧對(duì)性能的影響降低表面光潔度出現(xiàn)淬火軟點(diǎn)影響因素加熱溫度↑、加熱時(shí)間↑、氧化氣氛↑→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對(duì)性能的影響22脫碳：工件在加熱過程中表層的碳與介質(zhì)中的脫碳?xì)怏w（O2、H2、CO2、H2O）相互作用而燒損的現(xiàn)象2（C）+O2→2CO（C）+CO2→2CO（C）+H2O→CO+H2（Ｃ）+2H2→CH4