金属的加热工艺

金属的加热工艺

摘要：金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。

关键词：加热；锻造；温度

The heating of the metal workers

Abstract: metal heat treatment metal workpiece is placed in some medium and heated to the appropriate temperature, and the temperature is kept in a certain time, at different speed cooling method.

Key words: heating temperature; forging;

一、概述：金属热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。

金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。钢铁是机械工业中应用最广的材料，钢铁显微组织复杂，可以通过热处理予以控制，所以钢铁的热处理是金属热处理的主要内容。另外，铝、铜、镁、钛等及其合金也都可以通过热处理改变其力学、物理和化学性能，以获得不同的使用性能。

在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。早在公元前770～前222年，中国人在生产实践中就已发现，铜铁的性能会因温度和加压变形的影响而变化。白口铸铁的柔化处理就是制造农具的重要工艺。

1863年，英国金相学家和地质学家展示了钢铁在显微镜下的六种不同的金相组织，证明了钢在加热和冷却时，内部会发生组织改变，钢中高温时的相在急冷时转变为一种较硬的相。法国人奥斯蒙德确立的铁的同素异构理论，以及英国人奥斯丁最早制定的铁碳相图，为现代热处理工艺初步奠定了理论基础。与此同时，人们还研究了在金属热处理的加热过程中对金属的保护方法，以避免加热过程中金属的氧化和脱碳等。

二十世纪以来，金属物理的发展和其它新技术的移植应用，使金属热处理工艺得到更大发展。一个显著的进展是1901～1925年，在工业生产中应用转筒炉进行气体渗碳；30年代出现露点电位差计,使炉内气氛的碳势达到可控，以后又研究出用二氧化碳红外仪、氧探头等进一步控制炉内气氛碳势的方法；60年代，热处理技术运用了等离子场的作用，发展了离子渗氮、渗碳工艺；激光、电子束技术的应用，又使金属获得了新的表面热处理和化学热处理方法。

二、加热方法种类及比较

通常加热方法主要有火焰加热法和电加热法两大类。生产实践表明，二者各有优缺点。火焰加热的优点：燃料来源广，炉子修造容易，费用较低，加热的适应性强等。缺点：劳动条件差，加热速度慢，加热质量较难控制等。电加热的优点：升温快（如感应电加热等），炉温容易控制（如电阻炉），氧化，脱碳少，劳动条件好，便于实现机械化、自动化。缺点：对坯料尺寸、形状变化的适应性不强，设备结构复杂，投资费用较大。

三、金属加热产生缺陷原因分析及防止措施

1. 氧化

氧化过程属于扩散过程。钢料表层的铁以离子状态由内部向表面扩散，而炉中的氧化性气体以原子状态吸附到钢料表面并向内部扩散，形成氧化皮。通常扩散过程是由外向内逐渐减弱的，因此氧化皮是由

三层不同的氧化铁组成。氧化主要受内因（如钢料的化学成分和几何尺寸等）和外因（如炉气成分、加热温度和时间）的影响。对于一定的金属材料，减少或消除氧化主要是控制外因。相对表面积越大，则氧化皮越多。

（1）炉气成分火焰炉的炉气成分通常有氧化性气体、还原性气体（CO、H2）和中性气体（N2）。如果炉气呈氧化性时，易产生较厚的氧化层，而炉气呈还原性时，即使产生氧化层，其厚度也较薄，甚至可忽略。具体炉气呈氧化性还是还原性与空气供给有直接关系。（2）加热温度随着加热温度的逐步升高，金属氧化扩散速度也相应加快，氧化烧损也相应加大，从而形成较厚的氧化皮。一般情况下，600℃以下时金属氧化速度很慢，但当温度超过800℃时，氧化加剧。

2. 脱碳

脱碳是扩散作用的结果，一方面炉气中的氧向钢内扩散；另一方面钢中的碳向外扩散，这样便使钢表面形成了含碳量低的脱碳层。从整个过程来看，脱碳层只在脱碳速度超过氧化速度时才能形成，或者说，在氧化作用相对较弱的情况下，可形成较深的脱碳层。脱碳主要受钢的化学成分等内因和加热时的炉气成分、加热温度和时间等方面的影响。脱碳对金属构件性能的影响：（1）对于需要淬火的金属构件，脱碳使其表层的含碳量降低，淬火后得不到要求的硬度。（2）脱碳使钢件的疲劳强度降低，高速钢表面脱碳后使其热硬性下降。（3）零件上不加工部分有脱碳层时，将使其性能降低；在零件加工部分的

脱碳层，如其深度在加工余量的范围内，可再加工时去掉。如果超出加工余量的范围，将残留脱碳层，从而引起零件性能的不均，造成报废。一般用来减少氧化的措施，同样可以用于防止脱碳。

3. 过热

至于晶粒粗大到什么程度才算过热，应视具体材料而有所不同。如碳钢（包括亚共析钢和过共析钢）以直接冷却后晶粒粗大并出现魏氏组织作为判断其是否过热的组织标志；马氏体、贝氏体钢过热之后，除晶粒粗大外还常出现晶内织构组织；高合金钢或高速钢过热后晶粒粗大且一次碳化物角状化；钛合金过热后，不但晶粒粗大，而且还出现明显的β晶界和平直细长的魏氏组织。

生产实践表明，某些钢的过热对锻造过程的影响不是很大，甚至过热较严重的钢材，在足够大的变形程度下一般可以消除。过热的结构钢经正常热处理之后，其组织可以改善，性能也随之恢复。但是，有些过热的钢，如果锻造时的变形程度较小，终锻温度偏高，则锻后将出现非正常组织（即过热组织）。由于过热的组织晶粒粗大，会引起力学性能尤其是冲击韧度的降低。这是因为与细晶粒相比，粗晶粒钢晶界面积减少，从而使晶界杂质密度增加，晶粒间的结合力减弱。近年来研究表明，合金结构钢容易产生稳定过热，如45钢、9Cr18不锈钢、GCr15轴承钢、0S i2M n弹簧钢、高速钢等常产生稳定过热。因此，为避免锻件产生稳定过热，在锻造工艺上通常采用如下措施：（1）控制加热温度，尽量缩短高温和保温时间。加热时，坯料不要放在炉

内局部高温区。（2）在锻造时要使锻件有足够的变形量，以破碎粗大的奥氏体晶粒。对于需要预制坯的模锻件，应保证锻件各部分有适当的变形量。（3）过热后冷却速度要控制好。

4. 过烧

过烧钢断面呈浅灰蓝色，晶粒粗大似豆腐渣状。工模具钢（高速钢、Cr12MoV钢等）过烧时，晶界因熔化而出现鱼骨状莱氏体。铝合金过烧时出现熔化三角区和复熔球等。锻造时过烧的坯料一击就碎，因此过烧是加热时的致命缺陷。虽然极少数微过烧的钢，经高温长时间退火，再经大变形量锻造后可得到补救，但一

般是不能用热处理或热加工方法来补救的。局部过烧的钢，当制造不太重要的零件时，可将过烧部分切去，其余部分可以继续使用。钢的过烧温度主要受其化学成分的影响，并且因不同的钢种而异（见表3）。通常钢中的Ni、Mo等元素易使其产生过烧，而Al、Cr、W等元素则能减小其过烧。减少和防止过烧的办法是严格遵守加热规范，特别是要控制出炉温度及在高温时的停留时间。

5. 裂纹

如果钢在加热过程的某一温度下，内应力超过强度极限，那么就要产生裂纹。通常内应力有温度应力、组织应力和残留应力。钢料的加热，特别是500℃以下加热时，应避免加热速度过快，此时钢料的塑性较低，温度应力较大，在温度应力和坯料中原有应力的共同作用下，有

可能产生裂纹。为防止裂纹的产生，对钢料的加热，特别是断面尺寸大的钢锭和导热性差的高合金钢的加热，其低温阶段必须缓慢加热，并且制定和遵守正确的加热规范。

四、结语

金属材料加热工艺涉及理论极为广泛，实践中注意的事项也很多，控制不好就会造成严重损失，尤其是比较昂贵的金属材料。因此，在实际生产中必须按加热规范操作，严格控制加热过程，才能达到预期效果。

参考文献

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