第八章 金屬的加熱

1、1 第八章 金屬的加熱鋼的熱處理原理與工藝第八章 金屬的加熱2 第八章 金屬的加熱導(dǎo)讀n通過學(xué)習(xí)本章，主要掌握加熱方法，加熱過程中的脫碳，理解加熱介質(zhì)的影響，了解金屬加熱過程中傳熱。3 第八章 金屬的加熱 第二篇 熱處理工藝 熱處理工藝： 通過加熱，保溫和冷卻的方法使金屬和合金的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以獲得工件使用性能所要求的組織結(jié)構(gòu)。 熱處理工藝學(xué)： 研究熱處理工藝規(guī)律和工藝原 理的學(xué)科.4 第八章 金屬的加熱第八章 金屬的加熱 A直接加熱：以工件自身為發(fā)熱體，把其它形式的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏訜峁ぜ?B間接加熱：從鄰近的發(fā)熱體以一定的方式進(jìn)行熱交換而獲得熱能而加熱工件。 8.1 金屬加熱的物

2、理過程及其影響因素 金屬工件在爐內(nèi)加熱時(shí)，可以借輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)等方式實(shí)現(xiàn)。工件表面獲得熱量后則靠熱傳導(dǎo)方式向內(nèi)部傳遞。5 第八章 金屬的加熱8.1.1 傳熱過程及影響給熱系數(shù)的因素 1對(duì)流傳熱 靠發(fā)熱體與工件之間流體的流動(dòng)進(jìn)行 QC=CF(T介T工) 影響對(duì)流給熱系數(shù)C的因素: 流體運(yùn)動(dòng)的情況 A:自然對(duì)流:由于溫度，密度的不同而發(fā)生 B:強(qiáng)迫流動(dòng)，外加動(dòng)力強(qiáng)制流體運(yùn)動(dòng)如氣體爐用風(fēng)扇強(qiáng)制氣體循環(huán)時(shí)流體運(yùn)動(dòng)速度快，給熱系數(shù)較大第一節(jié) 傳熱過程6 第八章 金屬的加熱層流:流體沿著工件表面一層層地有規(guī)則流動(dòng),影響傳熱 紊流:流體的不規(guī)則運(yùn)動(dòng),給熱系大于層流 空氣為加熱介質(zhì)時(shí)， 流體的物理性質(zhì) 流體

3、的導(dǎo)熱系數(shù) 比熱C 及密度 r愈大 給熱系數(shù)愈大:粘度系數(shù)愈大，愈不易流動(dòng),給熱系數(shù)則愈小. hmJDTc239. 061. 03/3600)1049. 364. 4(第一節(jié) 傳熱過程7 第八章 金屬的加熱工件表面形狀及其在爐內(nèi)放置位置 工件形狀和放置位置對(duì)流體流動(dòng)愈有利.則給熱系數(shù)愈大 2.輻射傳熱 任何物體.只要其溫度大于絕對(duì)零度,就能從表面放出輻射能,輻射能的載體是電磁波； 物體在單位時(shí)間內(nèi)由單位表面積輻射的能量為: n hmJTCE24100第一節(jié) 傳熱過程8 第八章 金屬的加熱T：物體的絕對(duì)溫度 K； C：輻射系數(shù) ； C：20.52kJ/m2.h.K4的物體稱為絕對(duì)黑體，以C0表示

4、 在相同溫度下，一物體的輻射能以黑體為最大，即CC0 =c/c0 :稱為黑度系數(shù)，簡稱黑度，它說明一物體的輻射能力接近黑體的程度。 n 第一節(jié) 傳熱過程9 第八章 金屬的加熱FTTCAQn42410100100輻射傳熱對(duì)工件表面所吸收的熱量，即Q： 輻射來的熱量減去反射的熱量及自身輻射的熱量。第一節(jié) 傳熱過程10 第八章 金屬的加熱遮熱作用:當(dāng)發(fā)熱體與工件之間存在有擋板等遮擋物體時(shí)將使輻射熱量減小； 3.傳導(dǎo)傳熱: 僅靠傳熱物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)間的相互碰撞 熱流量密度q； :熱傳導(dǎo)系數(shù) dt/dx :溫度梯度 負(fù)號(hào)表示熱流量方向和溫度梯度方向相反 hmJdxTdq2第一節(jié) 傳熱過程11 第八章 金屬的加熱

5、4.綜合傳熱: 同時(shí)考慮傳導(dǎo).對(duì)流.輻射三種傳熱方式 綜合考慮，可用下式表示 a:綜合傳熱給熱系數(shù) cdrcQQQQ工介ttQ第一節(jié) 傳熱過程12 第八章 金屬的加熱8.1.2 工件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程: 傳熱強(qiáng)度用熱流量表示: 熱傳導(dǎo)系數(shù)l是材料的熱物理參數(shù) 熱傳導(dǎo)系數(shù)與鋼的化學(xué)成分,組織狀態(tài),加熱溫度等有關(guān)，合金元素的影響如圖所示。 xtddq第一節(jié) 傳熱過程13 第八章 金屬的加熱第一節(jié) 傳熱過程合金元素對(duì)二元鐵合金熱傳導(dǎo)系合金元素對(duì)二元鐵合金熱傳導(dǎo)系數(shù)的影響數(shù)的影響不同鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度的關(guān)系不同鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度的關(guān)系 1-純鐵；純鐵；2-碳鋼；碳鋼；3-合金鋼；合金鋼；4-高合金鋼

6、高合金鋼14 第八章 金屬的加熱熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著鋼各組織組成物按奧氏體，淬火馬氏體，回火馬氏體，珠光體的順序增大； 熱傳導(dǎo)系數(shù)與溫度近似地呈線性關(guān)系 圖1-2 在低溫時(shí)，合金元素強(qiáng)烈地降低熱傳導(dǎo)系數(shù)，隨著溫度的提高，其影響減弱；高于900度時(shí)，合金元素的影響已看不出來；因?yàn)榇藭r(shí)已處于奧氏體狀態(tài)，奧氏體的熱傳導(dǎo)系數(shù)最小。純鐵和碳鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)隨著溫度的升高而降低。 n bt10第一節(jié) 傳熱過程15 第八章 金屬的加熱8.1.3 熱處理加熱時(shí)間的確定 加熱時(shí)間=工件達(dá)到熱處理規(guī)范所要求溫度的時(shí)間（加+均）+完成組織轉(zhuǎn)變及其熱處理目的所要求的組織結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化所需要的時(shí)間: 第一節(jié) 傳熱過程16 第八章

7、 金屬的加熱8.1.4 影響熱處理工件加熱的因素1.加熱方式的影響 1)、隨爐加熱； 2)、預(yù)熱加熱； 3)、到溫入爐加熱； 4)、高溫入爐加熱,到溫出爐 以上四種加熱方式，主要是加熱速度不同。(t介t工)越小，加熱速度越慢。因此，上述加熱方法，加熱速度依次增加。第一節(jié) 傳熱過程17 第八章 金屬的加熱2.加熱介質(zhì)的影響(影響的因素) 加熱介質(zhì):空氣 惰性氣體(氮?dú)狻?氬氣)、氨熱分解氣體（ CO-H2-N2-H2O-CO2, N2-CO-H2 混合氣），熔融鹽、熔融金屬液體，流態(tài)化爐（流動(dòng)粒子爐）加熱介質(zhì)為石墨粒子 第一節(jié) 傳熱過程18 第八章 金屬的加熱n流態(tài)化爐的加熱特點(diǎn): n采用石墨粒

8、子作為流態(tài)化物質(zhì)時(shí)，石墨粒子即為電阻發(fā)熱體，又為加熱介質(zhì)。因?yàn)閮?nèi)熱式流態(tài)化爐中， 石墨粒子放在兩電極之間，石墨是導(dǎo)體，故兩極通過石墨導(dǎo)電，當(dāng)流態(tài)化爐工作時(shí)，一定壓力和流量的氣體從電爐底通入爐內(nèi)，吹動(dòng)石墨粒子作上下翻滾猶如液體沸騰一樣，兩面電極間石墨粒子時(shí)而接觸，時(shí)而分離，產(chǎn)生一定的電阻，電流流過從而發(fā)熱，與此同時(shí)，通過對(duì)流直接接觸及輻射將熱量傳給工件。第一節(jié) 傳熱過程19 第八章 金屬的加熱在液態(tài)介質(zhì)(熔鹽或金屬)中加熱特點(diǎn)： 以熱傳導(dǎo)為主,兼有輻射傳熱及對(duì)流傳熱，屬于綜合傳熱，鉛浴的給熱系數(shù)比鹽浴大一倍以上； 在氣體介質(zhì)中加熱的特點(diǎn)： 屬于綜合傳熱,高溫以輻射為主，低于600的循環(huán)氣體爐中以

9、對(duì)流傳熱為主，在中溫區(qū)二者均有作用，加風(fēng)扇有好處； 真空加熱的特點(diǎn): 輻射傳熱,工件表面光潔,黑度更小，因而給熱系數(shù)a較光亮加熱時(shí)更小。 第一節(jié) 傳熱過程20 第八章 金屬的加熱3、工件及放置方式的影響(影響的因素)n工件在爐內(nèi)排布方式直接影響熱量傳遞的通道，如輻射傳熱中擋熱現(xiàn)象及對(duì)流傳熱中影響氣流運(yùn)動(dòng)情況等。第一節(jié) 傳熱過程21 第八章 金屬的加熱工件本身的影響: 工件本身的幾何形狀,工件表面積與其體積之比,以及工件材料的物理性質(zhì)(C，)直接影響工件內(nèi)部的熱量傳遞及溫度場。第一節(jié) 傳熱過程22 第八章 金屬的加熱 8.2 加熱時(shí)的物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)選擇 合金在不同的介質(zhì)中加熱，其過程中金

10、屬表面與介質(zhì)發(fā)生作用，如氧化、脫碳等，還可能發(fā)生物理作用，如脫氣、合金元素的蒸發(fā)等，這些會(huì)影響使用性能。 8.2.1 金屬在加熱時(shí)的氧化反應(yīng)及氧化過程: 加熱時(shí)，與O2、H2O及CO2等氣體作用，而氧化,并在表面形成氧化皮，使工件表面變色，失去光澤，而且使機(jī)械性能(如彎曲強(qiáng)度等)變壞；因此必須防止氧化現(xiàn)象的發(fā)生.第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)23 第八章 金屬的加熱24324143HOFeOHFeCOOFeCOFe4324343加熱溫度570 時(shí):第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)25 第八章 金屬的加熱n化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向取決于該溫度下的平衡常數(shù)KP和反應(yīng)物的濃度或分壓； n對(duì)Fe在高于570的

11、溫度加熱時(shí)，若氣氛中氧的分壓大于分解壓，則鐵將被氧化，反之則分解。其它金屬也可類似處理； n鋼的氧化反應(yīng)，是否繼續(xù)下去，主要和氧化膜有關(guān)，氧化的速度取決于氧和鐵原子通過氧化膜的擴(kuò)散速度。570以下為致密的Fe3O4膜，以上為結(jié)構(gòu)疏松的FeO膜。第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)26 第八章 金屬的加熱第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)鋼的氧化速度與加熱溫度的關(guān)系鋼的氧化速度與加熱溫度的關(guān)系27 第八章 金屬的加熱8.2.2 鋼加熱時(shí)的脫碳及脫碳過程 1、鋼加熱時(shí)的脫碳、增碳平衡 鋼在加熱時(shí)不僅表面發(fā)生氧化，生成氧化鐵，而且鋼中的碳也會(huì)和氣氛作用，使鋼的表面失去一部分碳，含碳量降低，這種現(xiàn)象稱為脫碳。

12、常見的脫碳反應(yīng)： CO2 + C -Fe中 2CO H2O + C -Fe中 CO +H2 2H2 + C -Fe中 CH4第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)28 第八章 金屬的加熱 上面這幾種反應(yīng)都是可逆反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)向右進(jìn)行時(shí)，鋼在加熱的過程中發(fā)生脫碳，而當(dāng)反應(yīng)條件使反應(yīng)向左方向進(jìn)行時(shí)，將發(fā)生增碳作用。 根據(jù)熱力學(xué)條件，計(jì)算平衡常數(shù)，再與爐氣成分的分壓及平衡常數(shù)比較，就和判斷脫碳還是增碳。滿足 式，就發(fā)生脫碳，反之增碳。 第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)29 第八章 金屬的加熱碳鋼在碳鋼在COCO2氣中加熱平衡圖氣中加熱平衡圖第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)30 第八章 金屬的加熱2、爐氣的碳勢及其

13、測定碳勢：純鐵在一定溫度下于加熱爐氣中加熱時(shí)達(dá)到既不增碳也不脫碳并與爐氣保持平衡時(shí)表面的碳含量。 表示：爐氣對(duì)純鐵飽和碳的能力。爐氣碳勢越高，飽和碳的能力越強(qiáng)。 碳勢從理論上可根據(jù)熱力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，但計(jì)算結(jié)果誤差較大，因此一方面從理論上研究不平衡體系的計(jì)算方法，另一方面則是直接測定碳勢曲線。 露點(diǎn)儀；紅外線CO2分析儀等。第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)31 第八章 金屬的加熱3、鋼加熱時(shí)的脫碳過程及脫碳層的組織特點(diǎn) 鋼加熱時(shí),若爐氣碳勢低于鋼中含碳量,則鋼的表面將發(fā)生脫碳。 脫碳包括兩個(gè)過程: 1、鋼件表面的碳與爐氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（脫碳反應(yīng)），形成含碳?xì)怏w逸出表面，使其表面碳濃度降低， 2、由于表

14、面碳濃度的降低，工件表面與內(nèi)部發(fā)生濃度差，從而發(fā)生內(nèi)部的碳向表面擴(kuò)散的過程。第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)32 第八章 金屬的加熱根據(jù)爐氣的碳勢、加熱溫度及鋼中的含碳量不同，碳鋼脫碳層有兩種類型的組織： 1、半脫碳層； 脫碳層組織自表面至中心,由鐵素體加珠光體組織逐漸過渡到珠光體,再至相當(dāng)于鋼含碳量的退火組織.這種脫碳層叫半脫碳層. 2、全脫碳層 脫碳層金相組織表面為單一的鐵素體區(qū)，向里為鐵素體加珠光體逐漸過渡，到相當(dāng)于鋼原始組織含碳量緩冷組織的這種脫碳層稱為全脫碳層。第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)33 第八章 金屬的加熱第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)34 第八章 金屬的加熱8.2.3 加熱介

15、質(zhì)的選擇 鋼鐵等金屬材料，在熱處理加熱時(shí)的氧化脫碳，使金屬燒損、性能降低，造成浪費(fèi)。 不發(fā)生氧化脫碳的，基本原則就是避免工件表面與加熱介質(zhì)不發(fā)生化學(xué)作用 1、真空加熱 在低于一個(gè)大氣壓（一般為 1.33 1.33*10-2 Pa) 的稀薄空氣中加熱,可避免氧化和脫碳，達(dá)到光亮熱處理。第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)35 第八章 金屬的加熱2、保護(hù)氣氛 在工件加熱時(shí)，保護(hù)其表面不氧化、不脫碳的氣氛叫做保護(hù)氣氛； a、吸熱時(shí)氣氛 用天然氣、丙烷氣、城市煤氣及其他有機(jī)物質(zhì)為原料，以一定的比例與空氣混合，在裝有鎳觸媒的高溫（9301050）爐內(nèi)進(jìn)行不完全燃燒而得的一種氣體，因?yàn)槠浠瘜W(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量很少

16、，不足以維持正常反應(yīng)，需要外部供給熱量，因此，稱為吸熱式氣氛。 吸熱式氣體普遍用于氣體滲碳和碳氮共滲，第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)36 第八章 金屬的加熱 但這種氣氛的碳勢較低，此時(shí)應(yīng)添加富化氣。 吸熱式氣氛廣泛用于各類碳鋼、低合金鋼的保護(hù)氣氛淬火加熱，也可用于高速鋼及合金工具鋼。 因?yàn)檫@種氣氛含有大量CO，而CO能使Cr、Mn、Si等元素氧化，所以對(duì)高鉻鋼和不銹鋼等不宜采用。 吸熱式氣氛在低溫范圍（400700）度內(nèi)會(huì)大量析出碳黑，所以不能作回火加熱的保護(hù)氣。 另外，該種氣氛中含有大量的H2，對(duì)某些第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)37 第八章 金屬的加熱鋼件熱處理后易產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象。 在低溫范

17、圍內(nèi)，吸熱式氣氛與空氣混合后有爆炸的危險(xiǎn)，應(yīng)采取安全措施。 （2）放熱式氣體 當(dāng)原料氣與較充足的空氣混合，僅靠其本身的不完全燃燒所放出的熱量就能維持其反應(yīng)時(shí)所制成的氣體稱為放熱式氣體。 用天然氣制備的放熱式氣體成分見表1-2。 濃型：用較低的空氣、原料氣混合比， 淡型：用較高的空氣與原料氣的混合比。第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)38 第八章 金屬的加熱淡型放熱式氣氛，氣氛的碳勢較低，只能用作防護(hù)氧化，不能防止脫碳。 可用于銅及銅合金的光亮熱處理；也可用于高速切削工具的表面氧化處理。 濃型放熱式氣氛，適用于低碳鋼光亮退火或允許少量脫碳的工件的光亮淬火。 當(dāng)鋼件表面光亮程度要求不高時(shí)，可用作鋼件的

18、回火保護(hù)氣氛。 （3）氨熱分解氣 把液氨汽化后，并通入有觸媒的反應(yīng)罐時(shí)氨汽在高溫下發(fā)生分解，從而獲得氨熱分解氣。第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)39 第八章 金屬的加熱反應(yīng)的溫度越高，反應(yīng)進(jìn)行的越快，分解的越完全。 在氨完全分解的條件下，分解氣的成分：75% H2，25% N2，其中N2為中性氣體，故該種氣體的性質(zhì)與氫氣一樣適合于含鉻較高的合金鋼、不銹鋼的光亮退火和光亮淬火。 注意：H2對(duì)鋼有脫碳傾向性，隨著溫度的升高而減弱。另外，氫促使高碳鋼和高強(qiáng)度鋼出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。 氨分解氣中含有大量的氫，當(dāng)與空氣混合時(shí)可能引起爆炸；應(yīng)采取措施。第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)40 第八章 金屬的加熱（4）、氮基保護(hù)氣氛 以氮?dú)鉃橹饕煞值谋Ｗo(hù)氣氛。 氮?dú)馐且环N中性氣氛，其本身對(duì)鋼或其它金屬既不會(huì)氧化也不會(huì)使鋼脫碳。但是氮?dú)庵腥舸嬖谏倭康难鯕?，例如?.001%的氧就會(huì)使鋼氧化。 一般用作保護(hù)氣氛的有三種氮基氣氛。 (a)氮-氫（N2-H2）混合氣體 混和氣中的氫含量應(yīng)根據(jù)被處理的金屬及合金的氧化-還原曲線（H2O與H2的分壓比）來確定。第二節(jié) 物理化學(xué)現(xiàn)象及加熱介質(zhì)41 第八章