鋼的熱處理工藝加熱

第二章鋼的熱處理工藝第一節(jié)加熱工藝一、金屬加熱的物理過程

1.加熱熱量的傳遞方式

傳導(dǎo):熱量直接由工件的一部分傳遞給另一部分，或由加熱介質(zhì)把熱量傳遞到與其相鄰的工件，無需媒介質(zhì)點(diǎn)移動的加熱過程。對流：依靠工件四周氣體或液體相對移動，將受熱質(zhì)點(diǎn)傳導(dǎo)給較冷金屬表面進(jìn)行加熱。輻射:靠電磁波來傳遞熱量的過程。2.加熱方式及加熱介質(zhì)直接加熱：利用金屬內(nèi)部電能----熱能轉(zhuǎn)換

電磁----熱能轉(zhuǎn)換

低能粒子轟擊能量----熱能轉(zhuǎn)換

不需要加熱介質(zhì)間接加熱：利用媒介（如固體、液體、氣體或真空度10-3mm稀薄氣體），以對流、傳導(dǎo)、輻射方式向工件表面?zhèn)鬟f熱量方式。二、加熱目的與要求

熱處理的第一道工序一般都是把鋼加熱到臨界點(diǎn)以上，目的是為了得到奧氏體組織。加熱質(zhì)量的好壞，是否形成缺陷，不僅關(guān)系到整個熱處理的成敗，而且還直接影響到工件的加工工藝和使用性能。評定加熱質(zhì)量的好壞，一般有如下指標(biāo)：①奧氏體的碳濃度和合金濃度②奧氏體成分的均勻性③奧氏體的晶粒度④第二相的數(shù)量、大小和分布⑤表面氧化、脫碳或增碳的程度⑥變形開裂的程度不同鋼種、不同工件、不同的熱處理工藝，對上述指標(biāo)的要求是不同的。

例如，淬火加熱時，要求奧氏體的碳濃度要適當(dāng)，合金濃度盡可能高，成分盡可能均勻，晶粒盡可能細(xì)小；不允許表面氧化、脫碳或增碳；要嚴(yán)防變形，不允許開裂。

球化退火時，則要求奧氏體的碳濃度與合金濃度要低，成分不能太均勻，要保留大量的未溶的碳化物質(zhì)點(diǎn)，并彌散分布在奧氏體中，晶粒不粗大即可。三、加熱工藝規(guī)范選擇原則

加熱溫度T加熱時間τ加熱速度VγαT℃CFe1.加熱溫度基本依據(jù)：材料相變的臨界點(diǎn)各種鋼的加熱溫度，都是根據(jù)鋼的臨界點(diǎn)Ac1、Ac3和Accm來確定的。γαT℃CFe在生產(chǎn)實(shí)踐中，已經(jīng)總結(jié)出一套加熱溫度的經(jīng)驗公式，這些公式主要適用于碳鋼及低合金鋼。正火：亞共析AC3＋30～50℃

過共析ACcm以上退火：亞共析AC3＋30～50℃

過共析AC1＋20～30℃淬火：亞共析AC3＋30～70℃

過共析AC1＋30～70℃一般不限制加熱速度（考慮經(jīng)濟(jì)性）對合金含量高、大型鑄、鍛件需特別規(guī)定——分級等溫、控制加熱速度。2.加熱速度加熱制度的分類（按溫度）：（1）一段式加熱制度含義：一段式加熱制度也稱一期加熱制度，是把鋼料放在

爐溫基本不變的爐內(nèi)加熱。特點(diǎn)：①加熱不分階段;②爐溫與鋼料表面溫差大;

③加熱速度快，加熱時間短。④爐子的結(jié)構(gòu)和操作比較簡單。缺點(diǎn)：廢氣溫度較高，熱利用率較差。這種加熱制度適用于加熱斷面尺寸不大、導(dǎo)熱性和塑性較好的鋼料。有時熱裝入爐的鋼料也可采用這種加熱制度。（2）二段式加熱制度含義：使鋼料先后在兩個不同的溫度區(qū)域內(nèi)加熱。兩個不同的溫度區(qū)域可由預(yù)熱期和加熱期組成，也可由加熱期和均熱期組成。特點(diǎn)：①出爐廢氣溫度較高；②金屬的加熱速度較慢；③鋼的中心和表面的溫差較??；④把鋼料直接裝入溫度較高的爐內(nèi)加熱，速度快，時間短，鋼的中心與表面溫差較大。由于有均熱期加熱完后鋼料斷面上溫度比較均勻。缺點(diǎn)：出爐廢氣溫度高，熱的利用效率低。應(yīng)用：適用于加熱一些導(dǎo)熱性較差的鋼種。這種加熱制度因沒有均熱期，加熱完后鋼坯斷面上溫度均勻性較差，故不宜于加熱斷面大的鋼料，適宜于冷裝或低溫?zé)嵫b的低碳鋼錠加熱或熱裝的合金鋼錠加熱，也適用于小坯料加熱。（3）三段式加熱制度含義：把剛料放在三個溫度條件不同的區(qū)段內(nèi)加熱，依次是預(yù)熱段、加熱段、均熱段（或稱應(yīng)力期、快速加熱期、均熱期）。特點(diǎn)：（因為有了預(yù)熱段）①出爐廢氣溫度較低；②熱能利用效率較高；③加熱段則可以強(qiáng)化加熱；④提高加熱速度；⑤減少鋼的氧化與脫碳，并可使?fàn)t子有較高的生產(chǎn)率。應(yīng)用：均熱段則使鋼坯斷面上的溫度比較均勻而保證了鋼的加熱質(zhì)量，因此得到了廣泛的應(yīng)用。（4）多段式加熱制度主要用于一些鋼料的熱處理工藝中，它由幾個加熱、均熱和冷卻期所組成?，F(xiàn)代化的大型的連續(xù)加熱滬，如熱連軋鋼板車間的板坯加熱爐，為保證具有大的生產(chǎn)能力和高的熱效率，也采用多段加熱制度，但就其熱工特點(diǎn)而言，這種爐子所用的多段加熱制度仍保留了三段式加熱制度的基本特點(diǎn)。定義：τ＝τ升＋τ透＋τ保τ升：加熱工件到要求的溫度(實(shí)為零件表面溫度)所需時間為升溫時間。它主要取決于加熱速度，具體涉及到爐子熱功率、加熱介質(zhì)、裝爐量、零件尺寸、加熱制度(隨爐升溫、到溫入爐、高溫入爐、高溫入爐到溫出爐、階梯加熱)；τ透：是工件表面與心部都達(dá)到要求的溫度所需時間。取決于零件截面尺寸、材料導(dǎo)熱性、爐溫高低；τ保：取決于一定的熱處理工藝要求（消除內(nèi)應(yīng)力、均勻化、溶解難溶碳化物等）。3.加熱時間1.過熱和過燒

過熱：鋼加熱時由于加熱溫度過高或加熱時間過長引起奧氏體晶粒粗大的現(xiàn)象。四、金屬加熱時的常見缺陷后果：鋼的塑性、韌性、強(qiáng)度降低，同時工件熱處理后變形加大，還可能導(dǎo)致熱處理裂紋、使工件報廢。補(bǔ)救措施：正火或退火。

過熱的工件一般可再在較低溫度加熱，重新使奧氏體晶粒細(xì)化，予以補(bǔ)救。

過燒：加熱時，由于加熱溫度過高，造成晶界氧化或局部熔化的現(xiàn)象。欠熱、加熱不足：

導(dǎo)致奧氏體化不充分、第二相溶解不充分、缺陷組織（偏析、鐵素體或魏氏組織、網(wǎng)狀碳化物）不能消除、淬火不足等。后果：處理的工件很脆，如果鍛造一鍛即裂。

過燒的工件只能報廢，無法挽救。2.氧化和脫碳

氧化----鋼鐵在加熱過程中遇到氧化性氣體（O2、H2O

等），使材料氧化腐蝕。

3Fe+2O2Fe3O4（保護(hù)性）2Fe+O22FeO4Fe+3O22Fe2O3Fe+H2OFeO+H23Fe+4H2OFe3O4+4H2

鋼的氧化分為兩種，一種是鋼鐵的表面氧化，在鋼鐵的表面生產(chǎn)氧化膜；另一種是鋼鐵的內(nèi)氧化，在一定深度的表面層中發(fā)生晶界氧化。

表面氧化影響工件尺寸，內(nèi)氧化則影響工件的性能。研究表明，鋼在560℃以下加熱時，表面氧化膜又兩層構(gòu)成：內(nèi)層是Fe3O4，表層是Fe2O3。由于這種氧化膜結(jié)構(gòu)致密，且與基體牢固結(jié)合，包在鋼的表面可使鋼表面與氧化性氣氛隔離，阻止鋼表進(jìn)一步氧化，此時可以不考慮防止氧化的問題。加熱過程中產(chǎn)生氧化鐵皮有什么害處？1)造成金屬損失。鋼坯加熱時生成的一次氧化鐵皮約占鋼坯總重的0.5%-3%；2)使加熱爐生產(chǎn)率降低。氧化鐵皮覆蓋在鋼的表面會降低鋼的導(dǎo)熱系數(shù)，影響加熱速度和加熱效率；3)影響鋼材質(zhì)量；4)影響爐底材料壽命；5)氧化鐵皮大量堆積在爐底上造成爐底升高，惡化操作條件，迫使加熱爐停爐清渣。1）真空加熱工件在真空中加熱是防止氧化脫碳的最有效措施，是熱處理工藝的發(fā)展方向，在發(fā)達(dá)國家應(yīng)用普遍，問題是，真空加熱用的設(shè)備投資大，工藝成本較高。2）可控氣氛加熱工件加熱過程中向爐內(nèi)充入一定保護(hù)性氣氛，保證鋼在不脫碳，不增碳，不氧化的氣氛下加熱。實(shí)踐證明它是行之有效與可靠的方法，也是應(yīng)用十分普遍的工藝，是現(xiàn)代熱處理的發(fā)展方向之一。但需要一套制取可控氣氛的發(fā)生裝置，由于成本較高，原材料來源不廣泛限制了它的應(yīng)用。氧化的防止辦法：3）鹽浴加熱工件置于一熔化了的中性鹽液中加熱，鹽液進(jìn)行充分脫氧，保證工件加熱過程中少氧化，甚至無氧化。問題主要是粘在工件上的鹽難以清洗潔凈，清洗不干凈會導(dǎo)致儲存及應(yīng)用過程易于長銹。此外操作過程中鹽液遇水易炸，不小心易使人體灼傷，要十分注意安全。4）采用高溫短時快速加熱（2）氧化和脫碳

脫碳----鋼鐵在加熱過程中，遇到脫碳性介質(zhì)（CO2、

H2O）時，導(dǎo)致表面碳含量降低。