Chapter 8 金属的加热金属制品在热处理加热时，热量的来源 邻近的发热体邻近的发热体，如加热炉 工件自身工件自身，如直接通电、感应加热加热系在一定的环境中进行，工件加热系在一定的环境中进行，工件 与周围环境进行热交换与周围环境进行热交换 还发生其他物理化学过程还发生其他物理化学过程加热过程进行的好坏直接影响到加热过程进行的好坏直接影响到工件热处理的质量和使用寿命工件热处理的质量和使用寿命对模具失效分析：50%是热处理的原因加热缺陷加热缺陷的产生的产生及防止措施及防止措施工件在加热炉内加热时，炉内热源传热给工件表面，再向工件内部传播8.1 金属加热的物理过程及其影响因素金属加热的物理过程及其影响因素辐辐射射对对流流传传导导热热传传导导 一、加热介质与工件表面的传热过程，影响给热系数一、加热介质与工件表面的传热过程，影响给热系数a a的因素的因素 1、对流传热：热量的传递靠发热体与工件之间流体的流动进行。、对流传热：热量的传递靠发热体与工件之间流体的流动进行。 流体质点在发热体表面靠热传导获得热量，然后流动至工件表面时把流体质点在发热体表面靠热传导获得热量，然后流动至工件表面时把 热量又借热传导给工件表面热量又借热传导给工件表面对流传热和流体的转移密切相关对流传热和流体的转移密切相关对流传热时单位时间内加热介质传递给工件表面的热量可表示如下： Qc=acF (t介-t工)单位时间内通过热单位时间内通过热交换面对流传热给交换面对流传热给工件的热量，工件的热量， J/hJ/h对流给热系数，对流给热系数，J/J/(m(m2 2h h) )热交换面积热交换面积( (工件与流工件与流体接触面积体接触面积) )，m m2 2工件表面温度，工件表面温度，影响对流给热系数ac的因素：流体运动的情况：流体，静止和强迫流动两种状态静止的液体或气体在加热过程中由于与热源距离不同温度不同密度不同 自然对流自然对流，其热量的传递就靠此种对流进行 给热系数ac较小气体炉中加热，ac=61200108000 J/(m2h)盐浴炉中加热，ac=296104 J/(m2h) 长度和直径相等的圆柱强迫流动系指用外加动力强制抗体运动，如气体炉用风扇强制循环等。由于流体运动速度快给热系数较大。层流层流：强迫流动时，流体沿着工件表面一层层地有规则流动 影响传热紊流紊流：流体不规则地流过工：流体不规则地流过工件表面，使流体质点能在热件表面，使流体质点能在热交换后较快地离开工件表面交换后较快地离开工件表面 有利于传热有利于传热ac紊流ac层流 流体的物理性质：导热系数、比热c、密度 给热系c 粘度系数 流动性给热系数c 工件表面形状及其在炉内放置位置：工件形状和放置位置对流动 愈有利，给热系数愈大。2、 辐射传热：任何物体，只要其温度大于绝对零度，就能从表面放出辐射能 载体：电磁波。波长在波长在0.440m m内的辐射能被物体吸收后变为热能内的辐射能被物体吸收后变为热能 波长在此范围的电磁波称为热射线，热射线的传播过程称为热辐射热射线的传播过程称为热辐射 物体在单位时间内由单位表面积辐射的能量为： E= c(T/100)4 J/(m2h)辐射系数，辐射系数，J(m2hK4)C=20.52kJ/(m2hK4)的物体称为绝对黑体，常以c0表示。在相同温度下，黑体的辐射能最大，即cc0黑度系数，简称黑度，它说明一物体的辐射能力接近黑体的程度黑度系数，简称黑度，它说明一物体的辐射能力接近黑体的程度T用来加热工件的热量应由发热体、炉壁等辐射来的热用来加热工件的热量应由发热体、炉壁等辐射来的热量，减去反射的热量及自身辐射的热量量，减去反射的热量及自身辐射的热量 工件在工件在炉内加热炉内加热接受接受从发热体、炉壁等辐射来的能量从发热体、炉壁等辐射来的能量( (热量热量) )一般金属材料均非绝对黑体，对辐射的能量一般金属材料均非绝对黑体，对辐射的能量不可能全部吸收不可能全部吸收，部分部分热量要热量要反射反射出去出去本身要辐射本身要辐射出一部分热量出一部分热量发热体（或炉壁）发热体（或炉壁）的绝对温度，的绝对温度，K工件表面的绝工件表面的绝对温度，对温度，K吸收率吸收率工件吸收热量工件吸收热量的表面积，的表面积，m2Note: 1. 当发热体与工件之间存在挡板等遮热物，辐射换热量减少当发热体与工件之间存在挡板等遮热物，辐射换热量减少 2. 当发热体与工件之间存在气体介质，这些气体将吸收辐射能当发热体与工件之间存在气体介质，这些气体将吸收辐射能3 3、传导传热：热量的传递不依靠传热物质的定向宏观移动，仅靠传热物质、传导传热：热量的传递不依靠传热物质的定向宏观移动，仅靠传热物质 质点间的相互碰撞质点间的相互碰撞。 传热物质质点在原位作热振动时，由于它们之间的互相碰撞，传热物质质点在原位作热振动时，由于它们之间的互相碰撞， 使高能量的质点把部分能量使高能量的质点把部分能量( (热量热量) )传递给能量较低的质点传递给能量较低的质点热传导过程的强弱以单位时间内通过单位等温面的热量即热流量密度热传导过程的强弱以单位时间内通过单位等温面的热量即热流量密度q表示表示温度是表征物体内能高低的一种状态参数温度是表征物体内能高低的一种状态参数热传导过程是温度较高热传导过程是温度较高(即内能较高即内能较高)的物质的物质 温度较低温度较低(内能较低内能较低)的物质传递热量的物质传递热量热传导系数，热传导系数，J/(mh)实际工件加热过程中，上述三种传热方式往往同时存在三种传热方式往往同时存在，所不同的是有的场合以这种传热方式为主，另一种场合以另一种传热方式为主综合传热，传热效果可以认综合传热，传热效果可以认为是三种单独传热结果之和为是三种单独传热结果之和对流对流辐射辐射热传导热传导二、工件内部的热传导过程工件表面获得热量以后，表面温度，表面与内部存在T 热传导过程传热强度可以用比热流量表示：被加热工件材料的热传导系数被加热工件材料的热传导系数热传导系数热传导系数是材料的热物理是材料的热物理参数，它说明材料具有单位参数，它说明材料具有单位温度梯度时所允许通过的流温度梯度时所允许通过的流量密度量密度热传导系数与钢的化学成分、组织状态及加热温度有关热传导系数与钢的化学成分、组织状态及加热温度有关, ,A A淬火淬火M M回火回火M MP P合金元素合金元素钢的热传导系数（尤其是低温），钢的热传导系数（尤其是低温）， T T900900, , 合金元素的作用减弱合金元素的作用减弱三、热处理加热时间的确定及影响加热的因素加热时间加热时间 = 工件达到热处理规范所要求温度的时间达到热处理规范所要求温度的时间(整体热处理应为工件心部心部达到要求温度的时间) + 完成组织转变及其它热处理目的所要完成组织转变及其它热处理目的所要求的组织结构变化所需要的时间求的组织结构变化所需要的时间计算方法计算方法经验方法经验方法理论计算主要是工件加热不同时刻的温度场问题初始条件确定后解偏微分方程即可常用常用 1 1、加热方式的影响、加热方式的影响根据加热目的的不同，加热方式分为：随炉加热、预热加热、到温入炉加热和高温入炉加热等加热方式不同加热方式不同 加热速度不同加热速度不同加热速度：随炉加热预热加热到温入炉加热高温入炉加热2加热介质及工件放置方式的影响(影响的因素）加热介质：空气、惰性气体(氮气、氩气)，氨热分解气体，CO-H2-N2-H2O，N2-CO-H2混合气体，熔融盐类液体，溶融金属液体等流态化炉(也称流动粒子炉):加热介质为石墨粒子或砂粒(如石英砂等):固体介质固体介质真空热处理：稀薄空气介质稀薄空气介质工件在炉内排布方式的影响：影响热量传递的通道工件本身的影响：几何形状，工件表面积与其体积之比、工件材料的 物理性能都会影响工件内部的热量传递及温度场1-2 金属及合金在不同介质中加热时常见的物理化学现象 及加热介质选择加热过程中，金属表面和周围介质发生作用化学反应，如氧化、脱碳等物理作用，如脱气、合金元素的蒸发等影响被处理工件的表面状态，从影响被处理工件的表面状态，从而影响工件的使用性能而影响工件的使用性能一、金属在加热时的氧化反应及氧化过程 热处理加热时，工件和O2、H2O及CO2等氧化性气体发生作用氧化皮氧化皮表面氧化表面氧化不希望存在！不希望存在！工件表面变色，失去光泽工件表面变色，失去光泽机械性能，如弯曲疲劳强度等变坏机械性能，如弯曲疲劳强度等变坏必须防止氧化现象的发生！必须防止氧化现象的发生！加热温度不同，氧化反应有所不同。T570致密致密氧化速度慢！不致密不致密氧化速度快！氧化速度快！T570的氧化反应：FeOFeO结构疏松，结构疏松，O O和和FeFe易于通过易于通过FeOFeO而进而进行迎面扩散，氧化速度行迎面扩散，氧化速度 二、钢加热时的脱碳及脱碳过程 钢在加热时不仅表面发生氧化，形成氧钢在加热时不仅表面发生氧化，形成氧化物，而且钢中的碳也会和气氛作用，化物，而且钢中的碳也会和气氛作用，使钢的表面失去一部分碳使钢的表面失去一部分碳碳碳，这种这种现象称为现象称为脱碳脱碳常见的脱碳反应：可逆反应可逆反应向右进行向右进行 钢中碳钢中碳向左进行向左进行 钢中碳钢中碳 为了定量地表示炉气对钢表面增碳或脱碳的能力 碳势钢在一定温度下于加热炉中加热时达到既不增碳也不脱碳，并与炉气保持平衡时表面的含碳量。它表示炉气对纯铁饱和碳的能力。测定炉气中CO2含量的常用仪器是红外线CO2分析仪炉气中H2O的含量，常用露点来表示（露点仪）所谓露点就是指气氛中水蒸气开始凝结成雾的温度，即在1atm压力下，气氛中水蒸气达到饱和状态时的温度钢加热时的脱碳过程及脱碳层的组织特点If炉气碳势钢中含碳量 钢的表面发生脱碳（两个过程）。钢件表面的碳与炉气发钢件表面的碳与炉气发生化学反应生化学反应( (脱碳反应脱碳反应) )，形成含碳气体退出表，形成含碳气体退出表面面表面碳浓度表面碳浓度表面碳浓度表面碳浓度工工件表面与内部产生件表面与内部产生浓度差浓度差内部碳向内部碳向表面扩散表面扩散根据炉气的碳势、加热温度及钢中含碳量的不同，碳钢脱碳层组织有两种类型：半脱碳层和全脱碳层自表面至中心，组织：自表面至中心，组织：F+P PF+P P钢含碳量的钢含碳量的退火组织退火组织在脱碳层区碳浓度分布曲线有在脱碳层区碳浓度分布曲线有突变，金相组织：突变，金相组织： F F F+P F+P PP钢含碳量的退火组织钢含碳量的退火组织强烈氧化性气体中加热，表面脱碳与表面氧化往往同时发生，例如在COCO2气体中加热，其氧化、脱碳层结构：表面氧化铁皮全脱碳层过渡区20Mn2链环钢表面脱碳组织边缘边缘心部心部纵纵断断面面横横截截面面1 1、真空加热：、真空加热： 1atm(1atm(一般为一般为1.331.3310-2 Pa)Pa)的稀薄空气中加热的稀薄空气中加热2 2、保护气氛、保护气氛: : 在工件加热时保护其表面不氧化、脱碳的气氛叫做保护气氛在工件加热时保护其表面不氧化、脱碳的气氛叫做保护气氛3 3、氨热分解气、氨热分解气4 4、氮基保护气氛、氮基保护气氛5 5、液滴式保护气氛、液滴式保护气氛6 6、其它加热介质、其它加热介质三、加热介质的选择如何实现少、无氧化加热，进行光亮热处理（工件热处理后，不因氧化等原因使工件表面颜色变暗光洁度，仍保持热处理前原来工件表面光亮状态）基本原则：避免工件表面与加热介质发生化学作用基本原则：避免工件表面与加热介质发生化学作用四、加热元件四、加热元件T950 Fe-Cr-Al950 Fe-Cr-Al电阻丝电阻丝950T1300 SiC950T1300 SiC棒棒1300T1600 SiMo1300T1600 SiMo棒棒