作者：赵步青 编著
出版社：化学工业出版社
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热处理炉前操作手册试读：
前言
随着科学技术的飞速发展，各行各业对产品的使用性能、可靠性以及使用寿命提出了更高的要求，因而对金属热处理的期望值越来越高，即在提高机械零件力学性能、强化基体与提高表面性能方面都有数字化的要求。为了帮助热处理工人掌握专业知识，提高业务技术和实际操作水平，从而充分挖掘金属材料的潜能，提升机械制造核心竞争力，笔者编写了本书。
笔者1968年大学毕业后，一直从事金属热处理技术工作，先后在山西长治304厂、广西301厂等单位工作过。2002年退休后发挥余热再就业，在浙江汤溪工具公司、江苏飞达工具集团、浙江金华工具厂、安徽嘉龙锋钢刀具有限公司等单位担任过技术顾问、热工部经理、计量质检处主任、总工程师等职务。笔者在热处理岗位辛勤耕耘47个春秋，积累了比较丰富的实践经验，同时也记录了不少失败的教训，先后在国内三十多种期刊上发表科技论文和实用性文章二百三十多篇，出版热处理专著三部，参编技术图书两部。这些都为笔者编写本书提供了宝贵的资料。
本书共分12章：第1章钢的加热与冷却，第2章热工仪表，第3章工具热处理设备，第4章热处理安全与环保，第5章结构钢热处理工艺，第6章工具钢热处理工艺，第7章不锈钢及耐热钢的热处理，第8章钢结硬质合金及其热处理，第9章铸钢和铸铁的热处理，第10章有色金属热处理工艺，第11章功能材料与稀有金属及合金的热处理，第12章常用钢火花鉴别，几乎涵盖了金属热处理的方方面面。
本手册编写的宗旨是为炉前操作工人及技术人员所用，重点是“用”，理论阐述不多。手册中的数据是笔者及同仁数十年经验的提炼，翔实可靠，实用度高，可操作性强，但应灵活运用，不能死搬教条，因为同一牌号同规格尺寸的钢用在不同的地方，施行的工艺有异。比如GCr15钢，它可以用来制造刀具、模具、量具、夹具、轴承。再则，热处理环境亦有影响，各厂的情况有别，也就是说，热处理工艺应该个性化。
参加本手册编写的人员还有上海工具厂技术中心主任祝新发高工、成都量具刃具厂热处理分厂厂长谢永辉高工、哈一工热处理分厂厂长年佩玉高工、哈量副总工程师杨国光高工、陕西关中工具厂副总经理孙承志高工、河南一工副总经理赵建敏高工、南京科润工业介质有限公司董事长聂晓霖高工、浙江永康求精热处理厂厂长夏明道、浙江宁波大山金属科技公司总经理叶振阳、浙江台州达兴热处理厂厂长罗永敏、安徽嘉龙锋钢刀具有限公司胡明总经理、安徽嘉龙锋钢刀具有限公司副总经理胡会峰等。此外，金华市金维影视制作公司赵苏桂总经理在资料收集、图片处理及版面安排处理方面提供了很大的帮助，江苏天工国际股份有限公司的周英孝工程师、徐文瑛助工提供了不少有益的失效分析金相图片。在此，一并向关心和支持本书编写出版的领导、同事、朋友们表示衷心的感谢。
在编写过程中，笔者参考和引用了许多专著和论文，在此向专著和论文的作者们表示深深的谢意！
由于笔者的水平有限，书中不足之处在所难免，敬请广大读者及专家斧正，谢谢。赵步青2015年5月第1章 钢的加热与冷却
热处理是通过加热和冷却改变钢铁材料的内部组织、性能和应力场，以满足工件使用和后续加工的要求。
钢和铁是现代工业中应用最广泛的材料，它们的基本组成元素是Fe和C。Fe、C合金相图是研究钢、铁组织与性能的基础，是制订热处理工艺的科学依据之一。Fe-FeC及Fe-C合金相图见图1-1。3图1-1 Fe-FeC及Fe-C合金相图3
图1-1表示Fe-C合金在极其缓慢的加热和冷却过程中，温度、成分与组织之间的相互关系，相图中有三个重要的转变，见表1-1。表1-1 Fe-FeC及Fe-C合金相图中三个重要的转变3
图1-1中特性点的温度、碳含量及其物理意义如表1-2所示。表1-2 Fe-FeC及Fe-C合金相图中特性点的温度、碳含量及其物理意义3
合金相图中的特性线含义见表1-3，各组织的力学性能见表1-4。表1-3 Fe-FeC及Fe-C合金相图中的特性线3表1-4 铁碳合金中各组织的力学性能
热处理常用的临界温度符号及说明见表1-5。表1-5 热处理常用的临界温度符号及说明1.1 加热方式
加热是热处理第一大环节，大多数热处理工艺都把钢加热到临界温度以上，采用何种方式加热应根据具体情况而定，钢常用的加热方式有如下几种。（1）空气炉加热 在空气中加热的有箱式电阻炉、井式电阻炉、网带炉等。可做退火、正火、调质、淬火、渗碳等化学热处理。（2）热处理浴炉 与空气炉相比，热处理盐浴炉有突出的优点：工件的氧化脱碳少，高温加热性能好；加热速度快；可对工件施行局部加热；炉温均匀性较好；热容量大且炉温波动性小，易实现恒温加热；可进行渗碳、渗硼、渗金属等化学热处理；它不仅加热性能好，而且还是目前热处理工艺中等温淬火及分级淬火的唯一常规冷却设备。尽管淘汰盐浴炉的呼声很高，但在工模具及一切工具热处理中，盐浴炉有它的独到之处，真空炉不能完全取代盐浴炉，所以在相当长的时间内，盐浴炉与真空炉将优势互补，长期共存。（3）真空加热 真空加热具有无氧化、无脱碳、脱气、脱脂、表面质量好、畸变小、热处理工件综合力学性能优异、使用寿命长、无污染无公害、自动化程度高等一系列优点，几十年来一直是国际热处理加热设备发展的热点。真空热处理炉可用于加热淬火、回火、渗碳等化学热处理。（4）感应加热 感应加热按频率分为高频、中频、超音频、工频四种，主要用于淬火加热。与普通淬火相比，感应加热有如下优点。
①热源在工作表面，加热速度快，热效率高。
②工件因不是整体淬火，畸变小。
③工件加热时间短，表面氧化脱碳少。
④淬火件表面硬度高（比盐浴淬火高出1～3HRC），缺口敏感性小。冲击韧度、疲劳强度及耐磨性均有很大的提高，有利于挖掘材料的潜力，节约材料消耗，提高工件的使用寿命。
⑤设备紧凑，操作简便，劳动条件好。节能环保，有利于实现自动化操作。
⑥可以实现局部加热。不仅可实现工件的表面、内孔等淬火，还可以用于工件的穿透加热及化学热处理。（5）火焰加热 火焰加热主要用于淬火，也有用于退火及快速回火的。火焰淬火属于表面淬火工艺之一。热源是燃烧着的火焰，加热方式是用火焰喷嘴加热工件表层。具有设备简单、操作方便、方法灵活、投资少、对工作场地要求不高等优点。单件、小批量、多品种、淬硬层深度要求深的工件利用火焰淬火能获得满意的效果。（6）可控气氛加热炉 当炉膛内使用了可控气氛后，极大地提高了工件的热处理质量，其突出的优点可以概括为：可以进行无氧化和无脱碳加热，实现光亮淬火；能实现可控的C-N共渗等多种化学热处理；对于已微脱碳的工件可进行补碳处理；也可进行脱碳退火（用于硅钢带）；机械化、自动化、智能化、计算机应用能力和热处理质量的稳定性大为提高。（7）高能束加热 高能束热处理是指供给工件表面的功率密度32至少≥10W/cm的热处理加热方式。采用的热源有激光、电子束、离子束、电火花、超高频感应冲击、太阳能和同步辐射等。它们有几个共同的特征。3
①加热速度极快。可达5×10℃/s，使钢的A升高100℃以上，c1其过热度和过冷度均远大于常规热处理。因此，淬火后的表面硬度要高于常规热处理5～10HRC，比高频淬火要高出3～5HRC。
②高能束加热属于非接触加热，没有机械力的作用。虽然加热和冷却速度极快，但因加热区域极小，因此，热应力也不大，工件畸变小，尤其是离子注入加热淬火更是如此。
③由于加热速度极快，奥氏体晶粒长大和合金元素的扩散受到抑制，这样可获得细化和超细化的组织。
④由于作用面积小，金属材料本身的热容量足以使被加工部位骤4冷，其冷却速度可达10℃/s，确保完成马氏体相变。
⑤对于激光、电子束而言，淬火表面可产生200～800MPa的残余压应力，有助于疲劳强度的提高。1.2 加热时间的计算
加热时间包括从室温到炉温仪表指示达到所需温度的升温时间、工件表面和心部温度均匀所需的均温时间以及内外达到所需温度后为了完成相变所需的保温时间三个部分，即t=t+t+t。对加热升温均热保温于盐浴加热的工件似乎叫浸液时间更妥当些，也就是进入到取出的在浴中的那段时间。
工件在炉中加热所需的时间取决于加热温度、加热介质、材料本身的性质、工件的几何形状和尺寸、成批加热时工件在炉中的放置方式以及冷热炉装料等因素。所以加热时间看起来简单，实际上是一个比较复杂的问题。
在不同的介质中加热的加热速度有很大的差异。铅浴、盐浴、火焰、静止空气中加热的加热速度的比值大致为4:3:2:1。可控气氛炉中加热比空气炉要慢些，真空炉加热更慢。1.2.1 加热时间的经验计算法
为了计算方便，生产实践中经常采用经验公式来计算加热时间，计算的依据是工件的有效厚度（或有效直径）。工件的有效厚度一般按下列规定测算，圆柱形工件按直径计算，管形（空心圆柱件）工件：当高度/壁厚≥1.5时，以1.5×壁厚计算；当高度/壁厚≤1.5时，以高度计算；当外径/内径>7时，以实心圆柱体计算；空心内圆锥体以外径×0.8计算。加热时间的计算公式为：t=αkD式中 t——加热时间，min或s；
α——加热系数，min/mm或s/mm；
k——工件装炉的修正系数，通常取1～1.5；
D——工件的有效厚度，mm。
钢在盐浴炉淬火加热系数：碳钢25～30s/mm、合金工具钢50～60s/mm。钢在不同介质中的加热时间及加热系数见表1-6。表1-6 钢在不同介质中的加热时间及加热系数1.2.2 加热时间的节能计算法
在实际生产中，除经验计算法外，常采用节能法计算加热时间，计算简式如下：t=A'W式中 t——加热时间，min；
A'——加热系数，min/mm；
W——几何系数，mm。
表1-7为节能计算法使用的钢件加热时间计算表。表1-7 节能计算法使用的钢件加热时间计算表
需要指出的是，上述工件加热时间的计算方法适用于单件或少量工件的间隔（工件间距>2d）排放加热，工件加热时超过一定的堆放量，使用上述计算方法会产生较大的出入，堆放量较大时，需要根据具体情况进行考虑。1.2.3 加热时间的简易计算法
全国有数千家热处理的单位，每家都有各自的生产经验，共性的简易加热时间计算法，如表1-8所示。加热时间的计算和加热温度关系极大，应予以重视。表1-8 常用的加热时间简易计算表注：当炉温达到工艺额定温度入炉，开始计算加热时间。
在实际生产中，多数按工件的单位质量的时间数计算。例如在45kW的箱式电炉中，ф50mm以下工件的单位质量加热系数，经过试验可确定为0.6～1.0min/mm，通常取0.6～0.8min/mm。表1-9所列为工具钢在火焰炉中的加热时间和单位质量工件的加热系数。表1-9 工具钢在火焰炉中的加热时间和单位质量工件的加热系数1.3 钢件在盐浴中的加热
尽管真空炉发展神速，但传统的盐浴加热淬火依然红火，在高速钢刀具淬火、接柄工具淬火、细长工具淬火等领域，盐浴炉有它的独到之处。盐浴加热的优点和缺点都非常突出。其优点是：
①综合传热系数大，工件加热速度快，灵活性大；
②工件浸在盐浴中加热均匀，畸变小；
③盐浴炉的热容量较大，加热温度波动小，易实现恒温加热；
④盐浴容易保持中性状态，可实现无氧化无脱碳加热。在盐浴中针对性的加入必要元素，可实现多种化学热处理；
⑤可实现局部加热；
⑥可进行多次分级、等温处理；根据需要，可进行快速加热。
盐浴炉的缺点也非常明显，主要表现在：
①不利于节能减排，对环境有污染；
②工件加热出炉时带出的废盐及残液，不但造成浪费，而且对工件有腐蚀，特别是粘在凹槽及盲孔中的盐；
③高、中盐浴炉浴面辐射损失较严重，热效率低下；
④不便于机械化、自动化操作。1.3.1 热处理浴炉的分类
按热源分为燃料炉和电炉两大类。电炉又分为电阻加热浴炉和电极加热浴炉。
按工作温度可分为低温炉（150～550℃）、中温炉（550～1000℃）、高温炉（1000～1350℃）。
按加热方式分为外热式浴炉和内热式浴炉两大类。内热式又分为电阻加热式和电极加热式，在各种热处理浴炉中，以内热式电极盐浴炉的应用最为广泛。
按浴剂种类分为盐浴炉、碱浴炉、油浴炉和铅浴炉。1.3.2 金属及其化合物的熔点
金属及其化合物的熔点见表1-10。表1-10 金属及其化合物的熔点1.3.3 常用混合盐相图
常用混合盐分为3大部分：加热用盐（包括两次预热，高温加热）、分级冷却用盐及回火用盐。详见图1-2～图1-25。图1-2 NaCl-CaCl相图2图1-3 NaCl-KCl相图图1-4 BaCl-CaCl相图22图1-5 BaCl-KCl相图2图1-6 BaCl-NaCl相图2图1-7 KCl-MgCl相图2图1-8 BaCl-BaF相图22图1-9 NaCO-NaCl相图23图1-10 NaCO-KCl相图23图1-11 NaNO-NaNO相图23图1-12 Ba（NO）-BaCl相图322图1-13 BaCl-NaBO相图2247图1-14 NaNO-KNO相图33图1-15 NaNO-NaNO相图23图1-16 CaCl系熔盐相图2注：E点混合盐的成分为（w，％）：21.2NaCl+30.7KCl+48.1BaCl2图1-17 BaCl系熔盐相图2注：T点混合盐的成分为（w，％）：25NaCl+41.7KCl+33.3CaCl2图1-18 NaOH-KCO相图23图1-19 NaCN-KCN相图图1-20 CaCl-KCl-NaCl相图2
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]