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(guò)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(wú)需媒介質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)的加熱過(guò)程。對(duì)流：依靠工件四周氣體或液體相對(duì)移動(dòng)，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(lái)傳遞熱量的過(guò)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(duì)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(gè)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(píng)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(kāi)裂的程度不同鋼種、不同工件、不同的熱處理工藝，對(duì)上述指標(biāo)的要求是不同的。

例如，淬火加熱時(shí)，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)??；不允許表面氧化、脫碳或增碳；要嚴(yán)防變形，不允許開(kāi)裂。

球化退火時(shí)，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(shí)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(lái)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(yàn)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(guò)共析ACcm以上退火：亞共析AC3＋30～50℃

過(guò)共析AC1＋20～30℃淬火：亞共析AC3＋30～70℃

過(guò)共析AC1＋30～70℃一般不限制加熱速度（考慮經(jīng)濟(jì)性）對(duì)合金含量高、大型鑄、鍛件需特別規(guī)定——分級(jí)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(shí)間短。④爐子的結(jié)構(gòu)和操作比較簡(jiǎn)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(shí)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(gè)不同的溫度區(qū)域內(nèi)加熱。兩個(gè)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小；④把鋼料直接裝入溫度較高的爐內(nèi)加熱，速度快，時(shí)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(méi)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(gè)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?yàn)橛辛祟A(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(gè)加熱、均熱和冷卻期所組成。現(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(shí)間為升溫時(shí)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(shí)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(shí)間1.過(guò)熱和過(guò)燒

過(guò)熱：鋼加熱時(shí)由于加熱溫度過(guò)高或加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起奧氏體晶粒粗大的現(xiàn)象。四、金屬加熱時(shí)的常見(jiàn)缺陷后果：鋼的塑性、韌性、強(qiáng)度降低，同時(shí)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(bào)廢。補(bǔ)救措施：正火或退火。

過(guò)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(guò)燒：加熱時(shí)，由于加熱溫度過(guò)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(guò)燒的工件只能報(bào)廢，無(wú)法挽救。2.氧化和脫碳

氧化----鋼鐵在加熱過(guò)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(shí)，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(shí)可以不考慮防止氧化的問(wèn)題。加熱過(guò)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(shí)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(huì)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(guó)家應(yīng)用普遍，問(wèn)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(guò)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(lái)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(guò)程中少氧化，甚至無(wú)氧化。問(wèn)題主要是粘在工件上的鹽難以清洗潔凈，清洗不干凈會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)存及應(yīng)用過(guò)程易于長(zhǎng)銹。此外操作過(guò)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(shí)快速加熱（2）氧化和脫碳

脫碳----鋼鐵在加熱過(guò)程中，遇到脫碳性介質(zhì)（CO2、

H2O）時(shí)，導(dǎo)致表面碳含量降低。