确定加热速度的方法与技巧

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：加热过程中热应力的大小受材料成分、加热温度和工件截面尺寸的影响。根据上述分析，可知：在加热初期，限制加热速度的实质是减少热应力。加热速度越快，表面与中心的温度差越大，热应力越大，这种应力可能造成钢件的变形和开裂。以上四种加热方式，主要表现为加热速度不同。

加热速度通常是指钢件在加热时，单位时间内其表面温度升高的度数，单位为℃/h或℃/min，有时也用加热单位厚度钢件所需的时间(min/cm)或单位时间内加热钢件的厚度(cm/min)来表示。

生产中，为了提高生产率，总是希望快速加热工件，以提高炉子生产率，并减少氧化、脱碳，降低单位燃料消耗量，所以快速加热是提高炉子各项指标的重要措施。但在生产实践中，加热速度受到技术上可能达到的加热速度及具体工件所允许的加热速度两个因素的限制。

1.加热设备的类型及功率的影响

热处理中使用的加热设备不同，加热速度也不同。浴炉加热速度大于箱式炉中的加热速度(大约快1倍)，而火焰炉的加热速度又大于电炉(大约快1/3)，对于同一类型设备来说，其功率越大，即单位时间可以供给的热量越多，其加热速度也越快。此外，感应加热及穿透电流加热要比一般热处理炉的加热速度快得多。

2.工件的影响

在加热过程中如果加热速度控制不当，会造成工件的内外温差过大，导致工件的内部产生较大的热应力，从而使工件出现变形甚至产生裂纹。对厚大工件来说，其不仅受炉子给热能力的限制，而且受到钢件本身所允许的加热速度的限制，这种限制可归纳为加热初期断面上温差的限制、加热末期断面上透烧程度的限制和因炉温过高造成的加热缺陷的限制。

1)加热初期断面上温差的限制

在加热初期，钢件表面与中心产生温度差。表面的温度高，热膨胀较大；中心的温度低，热膨胀较小。而表面与中心是一个不可分割的金属整体，所以膨胀较小的中心部分将限制钢件表面的膨胀，使钢件表面受到压应力；同时，膨胀较大的表面部分将强迫中心部分一起膨胀，使中心受到拉应力。这种应力称为热应力。从断面上的应力分布可以看出，表面与中心处的热应力都是最大的，在表面与中心之间的某个位置上的金属则既不受到压应力也不受到拉应力。

加热速度越大，内外温差越大，产生的热应力也越大。当热应力在钢的弹性极限以内时，对钢的质量没有影响，因为随着温度差的减小和消除，应力会自然消失。当热应力超过钢的弹性极限时，钢件将发生塑性变形。如果热应力再大，超过了钢的强度极限，就会破裂。这时热应力对钢件中心的危害性更大，因为中心受的是拉应力，一般钢的抗拉强度远低于其抗压强度，所以中心的热应力容易造成内裂。若温度差消除后所产生的热应力不能完全消失，即为残余应力。

加热过程中热应力的大小受材料成分、加热温度和工件截面尺寸的影响。

如果钢的塑性好，即使在加热过程中形成很大的内外温差，也只能引起塑性变形，以任意速度加热，都不会因热应力而引起钢件开裂。如果钢的导热性好(导热系数大)，则在加热过程中形成的内外温差就小，加热时所引起的塑性变形或开裂的可能性较小。低碳钢的导热系数大，高碳钢和合金钢的导热系数小，因而高碳钢和合金钢在加热时容易形成较大的内外温差，而且这些钢在低温时塑性差，所以在刚入炉加热时，容易发生因热应力而引起的开裂。

如果被加热工件的断面尺寸较小，则加热时形成的内外温差也较小；断面尺寸大的工件，因加热时形成较大的内外温差，故容易因热应力而导致钢件变形或开裂。

根据上述分析，可知：

(1)在加热初期，限制加热速度的实质是减少热应力。加热速度越快，表面与中心的温度差越大，热应力越大，这种应力可能造成钢件的变形和开裂。

(2)对于塑性好的金属，热应力只能引起塑性变形，危害不大。因此，对于低碳钢温度在500℃以上时，可以不考虑热应力的影响。

(3)允许的加热速度还与金属的物理性质(特别是导热性)、几何形状和尺寸有关，因此，对尺寸较大的高碳钢和合金钢工件进行加热时要特别小心，而对薄材则可以任意速度加热。

2)加热末期断面上透烧程度的限制

加热末期，钢件断面仍然可能存在温差。加热速度越大，则形成的内外温度差越大，往往也需要限制钢件加热末期的加热速度。但是，实际和理论都说明，降低整个加热过程的加热速度是不可取的。因此，往往在快速加热后，为了减小温差可以降低加热速度或保温，以求得内外温度均匀。

上述的两个温度差(加热初期为避免裂纹与开裂所允许的内外温差和加热末期因透烧程度要求的内外温差)都对加热速度有所限制。一般低碳钢大多可以进行快速加热而不会给产品质量带来影响。但加热高碳钢和合金钢时，其加热速度就要受到一些限制，高碳钢和合金钢在500℃以下时易开裂，故应限制加热速度。

3.加热方式的影响

工件入炉方式有随炉升温、预热加热、到温入炉和高温入炉等几种。

(1)随炉升温加热，即工件装入室温的炉膛内后，随着炉子升温而不断加热。此法加热速度慢，截面上温差小，装炉方便，但生产效率极低，适合于易畸变、开裂的工件或大件。

(2)预热加热，即工件先在已升温至较低温度的炉子中加热，通电后工件随炉子一道升温，直至所需加热温度。预热加热的工件截面温差较小，可减少工件在高温段的停留时间，减轻氧化、脱碳。预热加热常用于大件、高合金钢工件。

(3)到温入炉加热，又称热炉装料加热，即先把炉子升到工件要求的加热温度，然后再把工件装炉加热。此法是热处理生产中普遍采用的方法，特点是便于生产，加热较快，适用于多数中、小工件。

(4)高温入炉加热，即工件装入比工件要求的加热温度高的炉内进行加热，直至工件达到要求的温度。此法加热速度快，截面温差大，操作较难掌握。高温入炉加热多用于对畸变要求不高或不易畸变的工件，如某些锻件的退火、正火加热等。

以上四种加热方式，主要表现为加热速度不同。它们的加热速度按随炉升温加热→预热加热→到温入炉加热→高温入炉加热的方向由慢到快，加热过程中产生的热应力则按随炉升温加热→预热加热→到温入炉加热→高温入炉加热的方向由小到大。高温入炉加热是一种节能的快速方法，但是容易产生较大的热应力，因此针对不同的材料，适用的最小尺寸不同。可用高温入炉方式加热的中碳合金钢，直径应小于400mm；中碳钢和低碳合金钢直径应小于600mm；高碳高合金钢则不宜采用高温入炉的方式加热。

4.实际生产中加热速度的控制

在实际生产中，加热速度快一些，可以节约热能，提高生产率，还可以减小氧化、脱碳程度。考虑钢件加热速度时一般应注意以下几点。

(1)塑性高的钢材加热速度可快一些，反之，脆性大的钢材加热速度应相对减慢。因此，对尺寸较小的碳钢及低合金钢工件，都可以采用较快的加热速度。

(2)高碳钢、高铬钢、高速钢等高碳高合金钢的导热性差，如T10钢的导热能力相当于20钢导热能力的2/3，W18Cr4V高速钢的导热能力是20钢的1/3，而高锰钢的导热能力仅为20钢的1/6。导热能力差，则必然加大表面与心部的温差，其热应力也就相应增大。此外，此类钢不仅导热性差，而且塑性也较低。显然，截面大的高合金钢件，若加热速度过高，热应力易超过钢的弹性极限而发生扭曲变形，甚至超过钢的抗拉强度而出现裂纹。所以合金钢特别是高合金钢的加热速度不宜过快，在生产中常采用预热的方式进行加热。

(3)工件的断面越大，则工件内部存在偏析、夹杂、组织不均匀等缺陷以及残余应力的可能性也越大，所以大工件热处理多数采用预热加热或缓慢加热的方式限制加热速度。

(4)断面厚薄相差悬殊及形状复杂的工件易于产生应力集中，难以做到均匀加热，所以也要控制加热速度。

(5)若加热前工件存在较大的残余应力，则当加热产生的热应力与内应力方向一致时，容易导致工件变形开裂，因此，加热速度应慢一些。例如，铸锻件在其锻后及铸造后的热处理过程中，由于工件内部不可避免地存在铸造及锻造应力，故必须控制其加热速度。如铸铁件退火时就是采用低温入炉、缓慢随炉升温的方式进行加热的。

(6)固体渗碳、退火等工艺，由于工艺本身及设备特点的限制，通常不采用快速加热的方式。

(7)如果钢中存在成分偏析严重、夹杂物较多的情况，就可能造成组织不均匀，导致钢中各部位导热性不一致，尤其是大块夹杂物与尖角状夹杂物，其尖端正是热应力所在之处，极易引起开裂，所以对这类钢件应缓慢加热。

(8)低于500℃加热时，一般钢的塑性较差，热应力及残余应力易导致工件开裂。而在温度较高的情况下，由于钢的塑性较好，可以通过塑性变形改变内应力的大小及分布而不致开裂，所以控制低温区的加热速度是很重要的，一般以50～100℃/h速度加热。预热也是一项有效的措施。

确定加热速度的方法与技巧

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