2金属的加热.

第2章金属的加热本章主要内容加热方法及设备工件表面的热交换加热温度和时间相变和组织应力加热时发生的化学反应2.1加热方法及设备2.1.1箱式电阻加热炉按工作温度可分为高温炉（≤1300℃）中温炉（≤950℃）低温炉（≤650℃）箱式电阻加热炉优缺点优点：结构简单价格低；具有较高的温度均匀性；较高的热效率；易于实现温度和工艺过程的自动控制。缺点：中温和高温加热时氧化和脱碳严重，人工装工件和出工件时劳动强度大。台车炉其它类型的箱式加热炉钟罩炉入口加热炉淬火槽清洗设备回火炉出口连续热处理炉框图带马弗罐的箱式加热炉2.1.2井式加热炉井式气体渗碳炉示意图井式炉与箱式炉相比的优点：1.用于回火时温度均匀、装料多，劳动强度低。回火温度低（150~650℃），传热主要靠对流和传导。2.用于淬火或化学热处理时适合于大件、细长杆件和大型长轴件。2.1.3浴炉用液体作为加热或冷却介质的热处理炉通常称为浴炉。它所使用的液体介质有熔盐、熔融金属及合金、熔碱以及油类等。浴炉的工作温度范围宽，可完成很多热处理工艺。它们具有加热和冷却速度快、无氧化脱碳、温度均匀等特点。浴炉主要有两种类型：外热式浴炉和内热式浴炉。外热式浴炉由炉体和金属坩埚组成，又称坩埚浴炉。优点是介质放在坩埚内，不腐蚀电热元件，介质的成分也十分稳定。缺点是金属坩埚寿命短，热惰性大，影响控温精度。。工作温度850℃左右，多用于碳钢与合金钢工件的淬火、正火、回火、预热等，特别适合做各种化学热处理，也可作等温冷却用。内热式浴炉将热源放在介质的内部，直接将介质熔化并加热到工作温度。根据加热方式的不同，有电极式和辐射管式两种。电极式盐浴炉在热处理车间得到广泛应用。优点是工作温度范围宽，温度均匀，热效率较高，启动升温快，炉子结构简单，适于多种热处理。盐浴炉是使用最广泛的一种浴炉。工件在熔盐中的加热速度比普通气体介质电阻炉中快，炉温均匀。加热时工件浸入熔盐中与空气隔绝，可以防止工件氧化与脱碳，提高了工件表面质量。有利于局部加热淬火、退火或回火处理，且简单易行。缺点:装料量较少，有挥发气体污染环境，熔体飞溅或爆炸，以及处理后工件表面附着盐的清理问题。2.2工件表面的热交换金属工件在加热炉中加热时，有三种基本的传热方式：传导、对流及辐射。2.2.1对流传热依靠发热体与工件之间流体的流动进行热量传递的过程。影响因素：流体流动的动力、流动状态、物理性质、工件表面形状及其在炉内的放置位置。2.2.2辐射传热物体间通过热辐射在空间传递热能的过程称为辐射传热。2.2.3传导传热指温度不同的接触物体间或一物体中各部分之间的热能传递过程。2.3加热温度和时间2.3.1加热时间加热时间包括炉温升温时间、工件升温时间、工件透热时间和工件保温时间。t炉t表t心温度时间炉升工升透热保温零件加热曲线示意图2.3.2加热温度在加热规范中，加热温度、升温速率和保温时间是基本的工艺参数。它们决定了加热后金属内部的组织结构及各相的成分。确定加热温度时，金属及合金的相变临界点、再结晶温度等是基本的理论依据。而且应根据具体零件热处理的目的来决定。2.4相变2.4.1过饱和固溶体的脱溶与第二相溶解温度/℃100200300400500102030405060708090PbSnwSn（%）327.5231.661.9ABMNFEGhLL+L++1997.5固溶处理（solutiontreatment）：指将合金加热到高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解到固溶体中后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺。脱溶：由固溶体中析出另一个固相的过程称为脱溶过程，即过饱和固溶体的分解过程，也称之为二次结晶。二次相：析出的相称为次生相或二次相，次生的相以Ⅱ表示，以区别于从液体中直接结晶出来的固溶体（初晶）。次生相不易长大，一般都比较细小。时效强化：合金元素经固溶处理后，获得过饱和固溶体。在随后的室温放置或低温加热保温时，第二相从过饱和固溶体中析出，引起强度、硬度以及物理和化学性能的显著变化，这一过程被称为时效。时效分人工时效和自然时效。室温放置过程中使合金产生强化的效应称为自然时效，低温加热过程中使合金产生强化的称为人工时效。wSn=10%的Pb-Sn合金平衡结晶过程2.4.2成分均匀化铸件在冷却过程中往往因冷却速度快而产生成分偏析，重新加热到液相线以下经过长时间保温可以使成分均匀，这种工艺过程称为扩散退火。2.4.3多形性转变纯金属在温度和压力改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的过程叫做同素异构转变。012345601002003004005006007008009001000110012001300140015001600AOM+温度t/oCwC(%)BQPSKFDCEGNJBHLL+L+L+Fe3C+Fe3C+Fe3C2.4.4回复、再结晶和应力变化再结晶退火：经冷形变后的金属加热到再结晶温度以上，保持适当时间，使形变晶粒重新结晶为均匀的等轴晶粒，以消除形变强化和残余应力的退火工艺。2.4.5组织应力由于不同组织的密度不同，在工件内部产生内应力，称为组织应力2.5加热时发生的化学变化2.5.1金属加热时的氧化与脱碳钢件与氧的相互作用32243222342322OFeOFeOFeOFeFeOOFe氧化反应222233COOCCOFeOCFe脱碳反应钢铁表面在炉气中的氧化还原反应COOFeCOFeCOFeOCOFeCOCOHOFeOHFeHFeOOHFe44344343222243222气氛、氢、水蒸气气氛钢铁中的其他金属与氧的反应22322322234234SiOOSiOAlOAlOCrOCr氧化物的性质1.Fe3O2和Fe3O4堆砌紧密，氧化膜致密，能够阻止氧的扩散，具有一定的抗氧化性。2.FeO的组织疏松，结构简单，铁和氧原子易于通过，使钢的氧化速度加快，形成一层较厚的疏松多孔易崩落的氧化皮。3.提高钢在高温下抗氧化性的基本方法是合金化。加入的合金元素应能在钢的表面生成一层稳定致密的合金氧化膜。如Cr、Si、Al。2.5.2钢在渗碳气氛中的渗碳反应在CO气氛中的增碳反应在CH4气氛中的增碳反应CH4的渗碳能力比CO能力强。2][2COCCO242][HCCH2.5.3钢在氨气氛中的氮化反应232323][][232HNFeNHFeNHNH2.5.4金属与其他气氛的相互作用炉气中若有含硫的气氛，会加速金属的氧化。对于镁合金，在氧化性气氛中加热，易被氧化甚至燃烧。为了防止加热时的氧化，可在保护气氛或真空中加热。氢会与铜中的氧化铜反应形成氢脆。含水多的空气、氨、硫等均对铝合金有腐蚀作用。2.5.5氧化脱碳的控制降低氧在炉气中的分压工件表面涂覆防氧化涂层快速加热