热处理设备.ppt

热处理设备,第一章 传热基本原理,1.1 基本概念 传热理论研究热的传播与交换的基本规律1.1.1 传热的基本形式传导传热 依靠物体中微观粒子的热振动，物体各部分之间不发生宏观的相对位移。对流传热 流体由空间的某一区域流向温度不同的另一区域，同时在流体各部分及流体与固体表面之间也存在传导传热。辐射传热 由电磁波传播热量的过程，不需要物体或质点的接触，伴随能量转换。,1.1.2 温度场与温度梯度温度场 物体中的温度在空间和时间上的分布情况温度梯度 物体相邻两等温面与其法线方向距离的比值的极限,1.1.3 热流和热流密度热流 单位时间内通过单位面积所传递的热量热量 单位时间内通过传热面积F米2所传递的热量总热量 时间内通过传热面积F米2所传递的热量,1.1.4 稳定态传热与非稳态传热稳定态传热 传热过程中，温度场恒定非稳态传热 传热过程中，各点温度随时间变化而变化,1.2 传导传热1.2.1 传导传热的基本方程式 傅立叶实验表明，通过单位时间、单位面积所传递的热量与该截面的温度梯度成正比。,1.2.2 热导率 物质的导热能力。单位时间内，单位距离上温差为1时，单位面积所传递的热量。,1.2.3 平壁炉墙的导热1.2.3.1 单层平壁炉墙的稳定传热,1.2.3.2 多层平壁炉墙的稳定传热,1.2.4 圆筒炉壁炉墙的稳定传热1.2.4.1 单层圆筒炉壁炉墙的稳定传热,1.2.4.2 多层圆筒炉壁炉墙的稳定传热,1.3 对流换热1.3.1 对流换热的计算 牛顿公式：Q=（t1-t2）F,1.3.2 对流换热的影响因素流体流动的动力自然对流强制对流,流体的流动状态层流 流体内部各个质点都平行于壁面流动紊流 流体流动时，内部各个质点不仅向前运动，而且有垂直于于壁面的运动,固体的表面形状、大小和放置位置,流体的物理性质导热系数热容量密度粘度,1.3.3 对流换热系数的确定自然对流时的对流换热系数强制对流时的对流换热系数沿平面强制对流时,1.4 辐射换热 可见光（波长0.4-0.8微米）和红外线波长（0.8-40微米）能被物体吸收转化为热能，称为热射线。这种热能传播的过程为热辐射。,1.4.1 绝对黑体的概念吸收率A=QA/Q，A=1，绝对黑体反射率R=QR/Q，R=1，绝对白体透过率D=QD/Q，D=1，绝对透过体,1.4.2 黑体辐射的基本定律1.4.2.1 普朗克定律 普朗克于1900年根据量子理论导出了黑体在不同温度下的单色辐射力随波长的分布规律，即：,由普朗克定律可得：黑体在每一个温度下，都可辐射出波长从0到的各种射线，当趋近于0或时，I值也趋近于0。在每一温度下，I随波长变化有一最大值，当温度升高，其最大值向短波方向移动。它们存在如下关系，即维恩（wien）定律：,1.4.2.2 斯蒂芬-玻尔兹曼定律 在一定温度下单位面积上，单位时间内发射出各种波长的辐射能量的总和，称为该温度下的辐射力，用E表示。因此，黑体的辐射力应等于:,1.4.2.3 灰体和实际物体的辐射力 如果某物体的辐射光谱是连续的，光谱曲线与黑体的光谱曲线相似，而且它的单色辐射力与同温度、同波长下黑体的单色辐射力之比为定值，并且与波长和温度无关，这种物体称为理想灰体。,1.4.2.4 克希荷夫定律 热平衡条件下，任意灰体对黑体辐射能的吸收率，等于同温度下该灰体的黑度。凡吸收率大的物质，其辐射率也大。,1.4.3 两物体间的辐射热交换,1.4.3.1 角度系数 由F1直接辐射到F2上的辐射能Q12与F1面上辐射出去的总辐射能Q1之比成为F1对F2的角度系数12。,两个相距很近的平行大平面，如图1-10（a）所示，12=21=1。两个很大的同轴圆柱表面，如图1-10（b）所示，它相当于长轴在井式炉内加热时的情况，这时，12=1，21=F1/F2。一个平面和一个曲面，如图1-10（c）所示，它相当于平板在马弗炉内加热时的情况，这时12=1，12=F2/F1,1.4.3.2 封闭体系内两面之间的辐射热交换,辐射热交换,1.4.3.3 有隔板存在时的辐射热交换 存在隔板时的辐射热交换：,达稳定态时，Q13=Q32，所以：因此：,1.4.3.4 通过孔口的热辐射,1.5 综合传热1.5.1 对流和辐射同时存在的热交换,工件在热处理沪内加热时，热源与工件表面间不仅有辐射换热，而且还有对流换热因而单位时间内炉膛传给工件表面的总热流量为：,为了便于对更复杂的传热过程进行综合计算进行比较，一般将它改写成传热一般方程的形式，,1.5.2 通过平壁从一气体到另一气体的传热高温气体以辐射和对流方式传给内壁的热量：平壁以传导方式由内壁传导到外壁的热量：外壁以辐射和对流方式传给车间空气的热量：,稳定态传热时，q1=q2=q3，可得：,由于 较大，因此：对于多层平壁：,第二章 气体力学,第三章 筑炉材料,不同外形的筑炉材料,3.1 耐火材料3.1.1 耐火材料的性能 耐火材料的性能可以分为物理性能和工作性能。物理性能：体积密度，真比重，气孔率，吸水率，透气性，耐压强度，热膨胀性，导电性，热容量等。工作性能：耐火度，高温结构强度，化学稳定性，体积稳定性，耐急冷急热性等。,3.1.1.1 耐火度 耐火材料抵抗高温作用的性能，以材料受热后软化到一定程度时的温度表示。普通耐火材料：耐火度为1580一1770 高级耐火材料：耐火度为1770一2000 特级耐火材料：耐火度为2000以上,3.1.1.2 高温结构强度-荷重软化点 高温结构强度用荷重软化点来评价。荷重软化开始点是指在一定压力（196Pa，轻质材料为98kPa）条件下，以一定速度加热，测出试样开始变形（0.6）时的温度；当试样变形达4或40的温度，称为荷重软化4或40软化点。,3.1.1.3 高温化学稳定性 耐火材料在高温下抵抗熔渣、熔盐、金属氧化物及炉内气氛等的化学作用和物理作用的性能。常用抗渣性来评定。,3.1.1.4 耐急冷急热性(热震稳定性)耐急冷急热性表示材料抵抗温度急剧变化而不破坏的性能。测定方法是将耐火制品加热到850，然后放入流动的冷水中冷却，反复进行破碎至其重量损失20时的次数。耐急冷急热性与制品的物理性能、形状和大小等因素有关。,3.1.1.5 高温体积稳定性 高温体积稳定性是指耐火材料在高温下长期使用时、化学成分发生变化，产生再结晶和进一步烧结现象，从而使耐火材料的体积发生收缩或膨胀。通常用膨胀系数或重烧线收缩来表示。一般要求耐火制品的体积变化，不得超过0.51。,3.1.2 常用耐火材料3.1.2.1 耐火粘土砖 粘土砖荷重软化点为1350，耐急冷急热性好，原料来源广泛，是最常用的耐火材料。可用于砌筑炉顶、炉底、护墙及燃烧室等。3.1.2.2 高铝砖 高铝砖耐火度和高温结构强度都高于粘土砖，化学稳定性好，多用于高温热处理炉及电阻丝或电阻带的搁砖、热电偶导管、马弗炉的护芯等。,3.1.2.3 轻质砖与超轻质砖 轻质耐火砖一般是粘土砖，其气孔率很高，体积密度很小，保温性好，热容量小，但高温强度高温化学稳定性差。宜用做炉墙和炉顶。3.1.2.4 碳化硅耐火制品 碳化硅耐火制品耐火度高高温结构强度高，抗磨性、耐急热性好，导热性及导电性好。根据其制造工艺的不同，可用作高温炉的电热元件、马弗炉的马弗罐、高温炉的炉底板等。,3.1.2.5 耐火纤维 耐火纤维是一种新型的耐火材料，兼有耐火和保温作用。根据原料不同有硅酸铝、石英、氧化铝和石墨耐火纤维等。3.1.2.6 耐火混凝土 耐火混凝土是以一定粒度的矾土熟料为骨料，细粉状矾土熟料为掺合料加水，按一定比例混合，用水泥胶结、成型、硬化后得到的耐火材料。,3.1.2.7 陶瓷涂料耐火材料用陶瓷涂料：它是氧化铅加水调制而成金属构件用陶瓷涂料；它是用水调制的硅酸铝涂料3.1.2.8 耐火泥 耐火泥接近于砌体成分，具有一定耐火度和化学稳定性。,3.2 保温材料3.2.1 石棉 石棉是天然纤维矿物，使用温度不超过500，因为500以上会脱水而粉化。常加工成石棉绳、石棉板、石棉布等形状使用。3.2.2 矿渣棉 矿渣棉是用高炉炉渣经加工处理面成纤维状材料。,3.2.3 蛭石 蛭石又称为黑云母，受热时其中的水分急剧蒸发，体积膨胀而成膨胀蛭石，体积密度减小，因而保温性能良好。最高使用温度可达1000。使用时可以是散状，也可胶结成各种形状的保温制品使用。3.2.4 硅藻土 硅藻土是有机藻类腐败形成的天然疏松多孔物质。大多数制成硅藻土砖使用，也可散状使用。,3.2.5 膨胀珍珠岩 膨胀珍珠岩是以天然珍珠岩为主要原料烧制而成的良好保温材料。其体积密度小，热导率小，使用温度可达1000。既可散料使用，又可制成不同形状的砖使用。3.2.6 岩棉 岩棉是以玄武岩为主要原料，经高温、熔融制成的人造无机纤维，加工成板、管、毡等，是一种新型轻质保温材料，具有良好的化学稳定性、耐热性。,3.3 不定形耐火材料3.3.1 耐火混凝土 耐火混凝土由胶结料、骨料、掺合料组成。骨料 主要的耐火基体，具有高的耐火度，与胶结剂不形成较多的低熔物胶结料 起胶结硬化作用掺合料 原料同骨料，颗粒较小,3.3.2 耐火可塑料 以耐火骨料、细粉料为主，加入适量的生粘土和化学粘合剂，经过充分的搅拌后形成硬泥膏状，在规定时间内具有较好的可塑性。,3.4 炉用金属材料3.4.1 普通金属材料3.4.2 炉用耐热钢Ni-Cr系Fe-Al-Mn系Fe-Cr-Mn-N系,第四章 热处理电炉概述,热处理电阻炉是将电流通过金属或非金属电热元件，使其发出热量，借辐射或对流作用将热量传给被加热的工件，从而使工件加热到规定的温度。,热处理炉分类：工作温度高温炉（1000)中温炉（1000650)低温炉（650)炉膛介质空气介质炉控制气体炉液体介质炉（浴炉）,炉膛形状箱式炉井式炉罩式炉直通式炉专门化程度通用式炉专用式炉,工艺用途退火炉正火炉淬火炉回火炉渗碳炉作业规程周期作业炉半连续作业炉连续作业炉,4.1 热处理电阻炉的基本类型4.1.1 周期作业式热处理电阻炉 周期炉是将工件成批入炉，在炉中完成加热、保温等工序，出炉后再将另一批工件装入炉子的热处理炉。常用的炉型有：箱式炉、井式炉、台车式炉、罩式炉等。,密封箱式热处理多用炉,4.1.2 连续作业式电阻炉 连续作业炉是指连续地或间歇地装料，工件在炉内不断移动，完成加热、保温，有时包括冷却在内全过程的热处理炉。,连续作业式电阻炉,4.2 箱式电阻加热炉 在机器制造厂热处理车间得到广泛应用，适用于中小零件的热处理，如退火、正火、淬火、回火和固体渗碳等，特别是对单件和小批量生产的车间采用更多。,4.2.1 中温箱式电阻炉 中温箱式电阻炉可用于退火、正火、淬火、回火或固体渗碳等。,4.2.2 高温箱式炉 高温箱式炉用于高速钢或高合金钢模具的淬火加热，其结构与中温箱式炉相似。,4.2.3 低温箱式炉 低温箱式炉大多用于回火。主要靠对流换热。为提高炉温均匀性，常在炉顶或后墙安装风扇及导风装置，以强迫炉气循环。,4.2.4 圆体箱式电阻炉 圆体箱式电阻炉是近几年国内厂家参照国外先进技术制造而成产品外形、炉膛为圆形，而炉膛尺寸、炉底板、电热元件等均保留原有箱式炉特点及互换性外表面积小，蓄热少，热损失比RX系列产品减少20以上，节能显著。使用温度从低温到高温均有产品问世炉体结构如图4-2所示。,4.3 井式电阻加热炉 常用来加热细长工件，因为在吊挂状态下加热可以防止工件产生弯曲。,井式气体电阻加热炉,4.4 台车式炉及罩式炉4.4.1 台车式炉 台车式炉适用于大型和大批量铸、锻件的退火、正火和回火处理。,4.4.2 罩式炉 罩式炉多用于冶金行业的钢丝、钢管、铜带、铜线以及硅钢片等的退火处理。它有圆形及长方形结构.,第五章 热处理电炉的设计,5.1 炉型的选择和炉膛尺寸的确定5.1.1 炉型的选择工件的特点（形状、尺寸、重量）加工细长轴类工件，为防止变形宜用井式炉；加工大中型铸、锻毛坯件的退火、正火、回火等处理，则宜用台车炉；小型轴承钢球、波子等则选用滚筒式炉等,技术要求 对加热温度、炉膛介质、冷却速度、冷却方式、表面状态、允许变形量等有特殊要求时，如高合金钢模具淬火需要用高温炉，精加工零件表面要求不氧化则需要保护气氛炉、真空炉，有表面硬度及化学热处理要求的则需渗碳、渗氮炉等。,产量大小 生产量大、品种单一、工艺稳定情况下，可考虑使用连续炉；对产量不大、品种多、工艺变化大的，则可考虑使用箱式炉或箱式多用炉。劳动条件 所选炉型尽可能改善劳动条件及工作环境，提高机械化和自动化水平，并防止污染。,炉子性能 对炉温均匀性、准确性、控制精度以及升降温速度、能耗指标等有特殊要求时也应考虑在内。,5.1.2 炉膛尺寸的确定 炉膛尺寸主要应根据工件的形状、尺寸、技术要求、装卸料方式、操作方法和生产率来决定，同时还应考虑造成炉膛内良好的热交换条件，保证炉内温度均匀性；减少热损失和便于电热元件、炉内构件更换以及炉子维修等。,5.1.2.1 炉底面积的确定根据炉子一次装料量计算根据炉底强度指标计算5.1.2.2 炉膛高度的确定,5.2 电阻炉功率的计算5.2.1 理论（热平衡）计算法,5.2.1.1 热处理电阻炉的主要能量支出项加热工件所需的热量加热辅助构件所需的热量加热控制气体所需热量通过炉衬的散热损失开启炉门的辐射热损失开启炉门溢气热损失砌体蓄热量其它热损失,5.2.1.2 炉子所需功率连续作业炉的炉子功率 K=1.21.3周期作业炉的炉子功率 K=1.31.5,5.2.2 经验计算法5.2.3.1 类比法5.2.3.2 经验公式法,5.3 功率的分配及电热元件的接线功率的分配箱式电阻炉井式电阻炉连续作业电阻炉供电电压和连线方法供电电压：单相或三相连线方法：三角形或星形,5.4 常用电热元件材料及其选择5.4.1 电热元件材料和性能要求良好的耐热性及高温强度较大的电阻率较小的电阻温度系数较小的热膨胀系数良好的加工性,部分电热元件示意图,部分电热元件示意图,5.4.2 电热元件材料的性能5.4.2.1 金属电热体材料5.4.2.1.1 合金材料Fe-Cr-Al系电阻率大，电阻温度系数小，耐热性较好塑性较差高温加热、使用后，晶粒变大膨胀系数较大较强抗渗C、耐S、各种碳氢气体能力，抗F、Cl、N、NH3及其化合物腐蚀能力差,Ni-Cr 系塑性好，高温加热不脆化电阻率小，电阻温度系数大抗N 能力强，抗渗C能力差,5.4.2.1.2 纯金属材料 主要为高熔点金属，如Mo、W、Ta、Pt等，电阻较小，电阻温度系数较大。,5.4.2.2 非金属电热体材料 主要用于高温电阻炉，有Si-C系、C系、Si-Mo系。,5.4.2.3 电热体的寿命和表面负荷电热体寿命的影响因素工作温度气氛传热条件加热与冷却速度表面负荷 电热体单位表面积上所辐射出的电功率,电热体的表面负荷,影响电热体允许表面负荷的因素：电热体温度高或炉内有控制气体时，W实取低值工作环境恶劣的封闭状态，W实取低值，敞开工作状态下，W实取高值，强制对流时，W实值可更高工件的黑度小，会使电热体工作条件恶化，W实取低值带状W实值的比丝状的高些不易更换电热体的电炉中，W实取低值。为加速传热或电热体无法重复使用的，W实可取高值,5.5 电热体的计算及其在炉内的布置5.5.1 电热体的理论计算法5.5.1.1 丝状电热体5.5.1.2 带状电热体,5.5.2 电热体的图解法计算,5.5.3 电热体绕制形状和尺寸的确定5.5.3.1 丝状电热体5.5.3.2 带状电热体,5.5.4 电热体在炉内的布置,5.6 电阻加热炉的性能测试电热体冷态直流电阻的测定额定功率的测定空炉升温时间的测定空载功率的测定炉温均匀性的测定表面温升的测定,第六章 热处理燃料炉,6.1 燃料炉的基本类型及特点6.1.1 燃料炉的基本类型,6.1.2 燃料炉的炉型,6.1.3 炉型的选择及设计基本步骤6.1.3.1 炉型的选择 燃料炉炉型的选择，炉膛尺寸及砌体尺寸的确定与电阻炉基本相似，主要根据产品批量大小，工件的特性及热处理工艺的要求来确定。,6.1.3.2 设计基本步骤 设计时要考虑如下问题：尽可能使燃料完全燃烧，充分发热，节省燃料。引导炉气在炉内合理流动，并及时将废气排除，创造良好的传热及劳动条件。炉体结构需满足炉子耐热、保温、减少热损失的要求，,燃料炉的主要设计步骤：根据工件形状、尺寸、数量、工艺要求和燃料种类，确定炉型和基本结构方案确定基本尺寸，确定炉底面积确定砌体材料及厚度确定钢架结构和钢材的规格型号,确定燃料消耗量，选择或设计燃烧装置计算燃烧所需空气量和所生成烟气量设计排姻口、烟道、烟囱和选择鼓风机设计炉门升降机构和装、出料机构及其控制系统设计炉前管路等辅助设施,6.2 燃料燃烧计算6.2.1 常用燃料的分类,6.2.2 燃料的发热量高发热量(Q高)：燃料燃烧后，生成产物中的水分冷凝到0以液态存在时，单位燃料完全燃烧所放出的热量叫高发热量。低发热量(Q低)：燃料燃烧后生成产物中的水分冷却成20以气态存在时，单位燃料完全燃烧所放出的热量，叫低发热量。,6.2.3 燃料燃烧计算理论空气需要量和理论燃烧产物量空气过剩系数,6.3 燃料消耗量计算6.3.1 热平衡计算法热收入项目燃料燃烧的化学热预热空气和燃料带入的物理热,热支出项目加热工件的有效热量加热辅助工具所需的热量加热可控气氛所需的热量通过炉衬的散热损失通过开启炉门的辐射损失,通过开启炉门或炉墙缝隙的溢气热损失砌体的蓄热损失废烟气带走的热量燃料漏失引起的热损失燃料不完全燃烧的热损失其它热损失,6.3.2 经验统计数据法根据单位热耗指标计算燃料消耗量根据炉底热强度计算燃料消耗量,6.4 燃料炉的经济技术指标及提高热效率途径6.4.1 经济技术指标炉子热效率单位标准燃料消耗量,6.4.2 提高热效率的途径减少烟气带走的热量有效利用烟气余热,6.5 热处理燃料炉的燃烧装置6.5.1 燃料燃烧过程燃料的着火温度着火浓度范围火焰的传播速度回火和脱火,6.5.2 煤气燃烧装置（烧嘴）6.5.2.1 无焰（内混式）烧嘴 这类烧嘴的燃烧方法是煤气与空气预先在烧嘴内进行均匀混合，而后喷出进行燃烧。,6.5.2.2 有焰（外混式）烧嘴 这类烧嘴燃烧方法是煤气与空气全部或大部分在烧嘴外混合，边混合边燃烧，可见较长火焰。,套管式烧嘴,涡流式烧嘴,平焰烧嘴,高速烧嘴,辐射管加热器,6.5.3 液体燃料的燃烧装置（喷嘴）6.5.3.1 液体燃料的燃烧特点直流雾化是空气流股与油流股平行相遇，借二者的相对速度使油流雾化。流股相遇雾化是空气流股以一定角度与油流股相遇，因而增加了冲击作用面积，改善了雾化与混合条件。,涡流雾化是在接近流股出口附近喷射出具有较大速度的空气旋转涡流与油流股相遇，使油流雾化，混合比较激烈，火焰很短而扩张角很大。多次雾化型的喷嘴可以得到更好的雾化质量，使燃料容易完全燃烧。,6.5.4 固体燃料的燃烧装置（燃烧室）,第七章 热处理浴炉及流动粒子炉,7.1 浴炉的特点及分类7.1.1 浴炉的优缺点 浴炉有许多优点：工作温度范围较宽(600 一1350)，可完成多种工艺，淬火、正火、回火、局部加热、化学热处理、等温淬火、分级淬火等只有退火不能进行加热速度快，温度均匀不易氧化、脱碳,炉体结构简单，高温下使用寿命较长能满足特殊工艺要求，对尺寸不大、形状复杂、表面质量要求高的工件，如刃具、模具、量具及一些精密零件特别适用炉口敞开，便于吊挂、工件变形小。,与电阻炉相比浴炉的主要缺点是：装料少，只适用于中小零件加热需用较多辅助时间，如启动、脱氧等介质消耗多，热处理成本高炉口经常敞开，盐浴面散热多、降低热效率介质蒸发恶化劳动条件，污染环境操作技术要求高，需防止带入水分，引起飞溅或爆炸等；需配置变压器、抽风机等辅助设备,7.1.2 浴炉的分类按介质种类分类：盐浴炉 碱浴炉 铅浴炉,按加热方式分类：外热式浴炉,内热式浴炉插入式电极式盐浴炉,内热式浴炉埋入式电极式盐浴炉,电极盐浴炉工作原理,单相电极布置,三相电极布置,内热式浴炉 管状电热元件加热式浴炉,7.2 电极式盐浴炉设计概要7.2.1 浴槽尺寸的确定,7.2.2 浴炉的功率确定,7.2.3 电极材料和尺寸的确定,7.2.4 启动电阻与汇流铜排,7.2.5 浴炉的排气装置,7.3 流动粒子炉,7.3.1 流态化的基本概念 整个流态化过程分为四个阶段，即固定床、膨胀床、流化床、气体输送。,7.3.2 流动粒子炉的工作原理流化床+热源用于加热，或流化床+冷源用于冷却。给热系数大，加热、冷却速度快。加热速度相当于盐浴炉。温度均匀，炉温在800-1300时，炉内温差不超过3-7。因此工件在流动粒子炉内加热时变形小；在流动粒子槽内冷却时，冷速均匀，工件上不会出现软点。,加热和冷却速度可以调节，能适应不同钢种和工件的加热与冷却的要求。炉子的热情性小，热效率高，节约能源。改变粒子种类与流化介质的种炎，可以调节炉内气氛，可以实现无氧化加热或化学热处理。,7.3.3 流动粒子炉的种类,7.3.4 流动粒子炉的结构,石墨粒子炉的优点是：启动升温快，耗电量少，特别适用于时开时停的生产条件。炉温均匀，温差一般在5，其加热速度与盐浴炉接近。开炉停炉方便，不用脱氧捞渣，工件表面清洁，不产生飞溅。除一般加热外，调整介质成分后还可以进行化学热处理。,石墨粒子炉的缺点是：流化床表面起伏较大，不适于局部加热。石墨粒子损耗多，要有除尘设备。,第八章 真空热处理炉,8.1 真空系统8.1.1 真空系统的工作原理,8.1.2 抽气机8.1.2.1 机械真空泵,8.1.2.2 油蒸气泵,真空热处理炉典型真空系统原理图,8.2 真空热处理炉的分类8.2.1 外热式真空热处理炉 加热体（电阻加热体、烧嘴、喷嘴）、耐火绝热材料等都在金属马弗室外，金属马弗室是真空容器。结构简单、抽气量较小、易得到所要的真空度，绝热材料、耐火材料及电阻加热体在加热过程中释放的气体对所处理的工件质量影响较小。,外热式真空热处理炉结构示意图,8.2.2 内热式真空热处理炉 与外热式真空炉相比，特点如下：可以制造大型高温炉加热冷却较快炉内结构复杂，电气绝缘性要求高炉内容积大，真空抽气要求高，配套复杂因真空放电及电热体特性，Fe基、Ni基合金最高使用电压100V，需低压大电流变压，电器配套庞大,负压气冷炉（气淬炉）气体冷却能力；H 1 He 1.2 N 1.5 Ar 1.75,负压油冷炉（油淬炉）,三室真空淬火炉,高压高流率气淬真空炉,8.3 真空热处理炉所用材料8.3.1 电热元件Fe-Cr-Al系 Cr、Al蒸发，950-1150使用Ni-Cr 系 Cr蒸发，950-1150使用纯金属 Mo、W、TaMo 蒸发，1600使用W 蒸发，2300使用Ta 蒸发，2200使用石墨 适用于低真空及不怕碳污染工况,8.3.2 炉衬 耐火材料除满足温度要求外，要求放气少。氧化铝二氧化锆氧化铍金属屏,8.4 真空热处理炉技术的发展,8.5 离子渗氮炉 离子渗氮炉是将被处理的工件放置在真空容器中，在辉光放电条件下进行渗氮。,离子渗氮原理,离子渗氮原理,基本原理：把工件放入炉内做为阴极，而把氮化炉体(真空容器)做为阳极，而后密封并对炉膛进行抽气，在达到规定的真空度后，向炉膛内充以稀薄的合氮气体（如分解氨或氮氢混合气体）、而后在工件和阳极间加以直流电压。当电压逐渐增高至卞体的点燃电压（100800V）时，在工件表面上出现辉光闪点，经一段时间（约几分钟）后，闪点消失，而在工件表面形成一层厚两、三毫米紫蓝色悦目的辉光。,这一阶段稀薄气体发生电离，被电离的稀薄气体中的H+和N+在电场作用下向工件表面快速冲击，离子的动能转化为热能，因此工件表面被迅速加热至氮化温度。当辉光稳定后，加大气氛或其它氟、氧气体的量，使炉膛压力增加，并提高电压至600一1000伏轰击。,表面的一部分氮离子在夺取电子后直接渗入工件表面，而另一部分离子则引起阴极溅射，即从工件表面溅出电子和原子，被溅出的铁原子与氮原于（或氮离子）相结合，于是在工件表面形成含氮量很高的呈蒸发状态的FeN，FeN中的氮在高温和离子轰击的作用下不断地向工件内部扩散。被表面吸收及向工件内部扩散的氮原子。,被释放的氮原子一部分被工件表面吸收并渗入工件表层，而另一部分回到炉气中重新参与氮化作用。阴极溅射出的铁原子，在真空炉膛内的气体中成为氮化的媒介。,离子渗氮熄弧措施 在供电回 路中设灭弧电路 采用间隙保护。间隙保护装置是基于辉光在小于1mm的间隙中即会媳灭。采用点燃棒。所谓点燃棒就是由阴极（如阴极板、吊钩等）引向阳极的一根铁棒。工件表面要清洁。,第九章感应热处理设备及其它表面加热设备,9.1 感应热处理的基本原理9.1.1 感应加热的基本原理,9.1.2 中高频电流的特点9.1.2.1 集肤效应 涡流的分布是不均匀的，由工件表面向心部呈指数规律衰减：,9.1.2.2 邻近效应 当两个载有一定频率的交流电流的导体相距很近时，每个导体内的电流将重新分布，如两个导体内的电流方向相反时，则最大电流密度出现在两导体相邻的一面，反之，则出现在相背的一面。,9.1.2.3 圆环效应 交变电流流过导体时，电流在导体横截面上的分布将发生变化，此时电流将仅仅集中在圆环的内侧，成为圆环效应。,9.1.2.4 尖角效应 当感应器与工件的距离相同，但在工件的尖角处的加热强度远较其他光滑部位强烈，往往会造成过热，成为尖角效应。,9.2 感应热处理设备的选择9.2.1感应热处理设备的分类及特点,9.2.2 感应加热设备频率的选择 电流透入深度：淬硬层深度与推荐设备频率：,9.3 感应器设计概要,工频感应器,工频感应器,工频感应器,工频感应器,9.3.1 中高频感应器结构尺寸的设计 感应器的设计包括:施感导体的形状、尺寸施感导体的圈数施感导体与工件加热面的间隙汇流板的尺寸与联结方式冷却方式,9.3.1.1 感应器与工件的间隙,9.3.1.2 施感导体的截面的尺寸,9.3.1.3 施感导体的圈数,9.3.1.4 感应器的冷却水路,9.3.2 导磁体和屏蔽作用9.3.2.1 导磁体,9.3.2.2 磁屏蔽,9.5 其他表面加热装置9.5.1 火焰表面加热装置,9.5.2 激光表面热处理装置 激光加工的原理就是将激光束照射到加工物体的表面，材料中的电子通过与光子共振线性吸收获得热能，使材料逐步熔化、蒸发驱除，或改变物体表面性能，从而达到加工的目的。,激光表面处理既可以通过激光相变硬化(激光淬火)、表面熔凝改变基体表层材料的微观结构,也可以通过激光熔覆、气相沉淀和合金化等处理方法同时改变基体表层的化学成份和微观结构。,激光加工一般是采用高功率密度的激光束来进行的，其光斑很小，能量集中。零件的加工部位被激光瞬时加热，通过控制加热的温度，可使零件表面气化、熔化或升温，从而可对零件进行打孔、切割、焊接和热处理。与常规加工技术相比，激光加工具有以下优点：,对常规方法难以加工的高熔点、高硬度、脆性大的材料进行加工对复合材料（金属或非金属、软硬材料）进行加工热作用区小，热变形小，加工精度高加工时与工件无机械接触，工件不受力，在转动或行进中均可进行加工穿过透光材料对真空中的部件进行加工,对常规工艺难以达到的部位进行激光处理由微机控制实现高难度、复杂形状的自动化加工由于激光能量集中，因此，加工时可节省能源，速度快，效率高，节约原材料，降低成本激光经聚焦后，可以得到直径很小的光斑，具有很高的功率密度（1021010W/cm2），因此可以加热熔化以至汽化任何材料，可以进行局部区域的精细快速加工,激光在材料加工中的应用主要包括表面处理（淬火、熔覆和合金化）、焊接、切割和打孔等。不同的加工方式对激光器的输出功率密度和模式有不同的要求。金属表面的激光热处理只是对被辐照材料由表及里的温度升高，但维持固相不变，因此，要求激光功率密度较低，大约为104W/cm2。,激光加工系统主要由五部分组成激光器导光系统加工机床数控系统检测系统,9.5.3 离子注入 离子注入是指从离子源中引出的离子经过加速管加速电位的加速获得很高的能量，而后进入磁分析器使离子纯化，分析后的离子可再加速以提高离子的能量，再经过两维偏转扫描器使离子束均匀地注入到材料表面，以较高的电压使金属离子进入钢的表层，获得一定的合金成分和组织。,弗利曼离子源放电室用石墨制作，作为阳极，放电室中心安放钨丝阴极，直径为 1mm，室外有钼片进行热屏蔽，以提高放电室温度。放电室先抽真空，气体或固体挥发蒸汽进入放电室后被电离形成等离子体；在阳极上开出长条形引出孔，等离子体中的离子被引出形成长条形离子束，见图。这种离子源可以引出气体离子和各种固体离子，因此它是用途最广的离子源之一。,离子束注入的特点注入的元素和添加的元素可以任意选取。注入或添加元素时不受温度和固溶度的限制，可在高温、低温和室温下进行。注入和添加到基体中的原子不受基体固溶度的限制，不受扩散系数和化合结合力的影响。,可精确控制掺杂数量和掺杂深度。可精确地控制注入荷量，因此可精确控制掺杂浓度。掺杂深度可用控制注入束能量的高低来实现。离子注入横向扩散可忽略，深度均匀。注入掺杂大面积均匀性好。比如在3in2硅片上可制备出电阻率均匀性到1%的精度。掺杂杂质纯度高。纯度可以达到99%以上。,金属和氮离子束束流强度可达到5-50mA，提高了注入效率。适于工业生产。适用于各种固体材料和粉末材料的改性要求，如半导体、晶态、非晶态、金属和非金属材料等。直接离子注入不改变工件尺寸，特别适合于精密机械零件的表面处理，如航空、航天领域。离子束增强沉积可获得大于1m 厚的改性层和超硬层，更适于石油化工领域。,9.5.4 离子束增强沉积（IBED)物理气相沉积（PVD）薄膜结构依赖于基体温度 Ts和膜材料的熔点 Tm之比，以及镀膜单个蒸发原子所传递给基体的能量。气相蒸发沉积膜为柱状生长，而在溅射制膜时由于单个蒸发原子所传递给基体的能量比 PVD 高，所以在沉积过程中形成了致密的细纤维结构区，改善了膜的特性，这种结构的形成与Ts和沉积气压相关。,偏压施加后，可以明显降低形成致密细纤维结构的Ts之值。其原理是由于在高偏压下，将引起离子对沉积膜的轰击，在碰撞级联的作用下，结果增加了成核速率，形成了难溶固溶体和硬化相，改变了薄膜的柱状生长模式，也改变了优先生长方向。结果沉积膜结构致密、内应力下降、膜和基体结合力增强、硬度提高，使薄膜特性得到了很好的改善。,第十章 可控气氛热处理炉,10.1 概述 可控气氛包括：保护气氛 保护加热金属不氧化脱碳化学热处理气氛 渗碳、渗氮等气氛,可控气氛加热特点：实现无氧化无脱碳热处理，提高机械零件的机械性能；减少零件加工余量和金属烧损量，节省工时和能耗，节约金属材料实现可控渗碳，精确控制零件表面含碳量、碳浓度梯度、渗层厚度，提高渗碳件机械性能，稳定渗碳件质量能进行特殊热处理，如硅钢片脱碳、钢材复碳等提高劳动生产率，改善劳动条件,可控气氛热处理示意图,10.2 可控气氛加热的基本原理10.2.1 钢在炉气中的氧化还原反应钢在CO-CO2气氛中的反应钢在H2-H2O气氛中的反应气氛中的氧势钢在CO、CO2、H2、H2O混合气体中的氧化还原反应,10.2.2 钢在炉气中的脱碳增碳反应钢在CO-CO2气氛中的脱碳增碳反应气氛中的碳势钢在H2CH4气氛中的脱碳增碳反应,10.3 可控气氛的种类10.3.1 制备可控气氛的原料固体原料 主要是木炭液体原料 主要是有机液体气体原料人造原料 工业煤气、城市煤气、氨气、氮气天然原料 天然气,10.3.2 放热式气氛 将原料气与较多空气按一定比例混合，靠自身的燃烧反应所生成的气氛。,10.3.3 吸热式气氛 将原料气与少量空气混合，在高温及催化剂的作用下，经不完全燃烧所生成的气氛。,10.3.4 滴注式可控气氛 将具有渗碳性的有机液体或混合物直接滴入封闭的炉膛内，在炉内直接反应生成的可控气氛。,10.3.4.1 滴注式可控气氛的原料 目前滴注液都是有机液体，如甲醇、乙醇、异丙醇醋酸乙酯等，均是C、H、O三元素组成的碳氢化合物的含氧衍生物，分子结构很简单。,10.3.4.2 滴注式可控气氛的制备直接将滴注液滴入炉内，在炉内反应生成可控气氛。将甲醇通入分解反应管中，在一定温度下借助于催化剂，分解成稀释气体通入炉内作保护气氛。有时以它为载体滴注有机液体作为渗碳气氛。,10.3.4.3 滴注式可控气氛的应用作为保护气氛，多用甲醇滴注液。为调整碳势，通常以甲醇为载体，滴入C/O1的有机液体，以提高碳势。,10.3.5 氨分解气氛10.3.5.1 氨分解气氛的制备 液态氨经气化后，在催化剂的作用下加热分解：2NH33H2+N2,10.3.5.2 分解氨的制备流程,10.3.5.3 分解氨的特性及应用组成为75%H2+25%N2，特性同H2。用于各种金属的光亮热处理，尤其适用于高铬镍合金钢、不锈钢及硅钢片的光亮淬火及光亮退火。粉末合金的烧结也常使用分解氨。,10.3.6 氮基气氛 氮基气氛是以氮为基本成分，根据需要添加适量的还原剂或渗碳剂，制备的可控气氛。,10.3.6.1 氮基气氛的制备 氮气主要来源于：制氧产物，即工业氮制备的纯氮可燃气与空气燃烧反应所制备的气氛氨燃烧气氛,10.3.6.1.1 纯氮的制备,10.3.6.1.2 工业氮的净化利用木炭炉除氧加氢催化除氧在工业氮中加天然气净化在工业氮中通焦炉煤气净化,10.3.6.2 氮基气氛的类型及应用 氮基气氛特点；N2是不活性气体，具有安全性 节省丙烷、丁烷，节约资源 制备氮基气氛不需很多热能，能耗低 对环境基本无污染 气源来源于空气，空气分离法制取氮，具有经济价值 操作简单，可用氧势控制装置有效控制炉内气氛,10.4 可控气氛的碳势与氧势的控制10.4.1 碳势的控制红外分析仪,露点仪,10.4.2 氧势的控制,10.5 可控气氛热处理10.5.1可控气氛选用的原则热处理工艺要求材料成分特点可控气氛的特性其他，如炉子生产量、气源供应及经济效益等,10.5.2 可控气氛热处理炉的结构特点高的密封性设有前室或前后室炉内气氛要均匀采用高铝砖作内衬采用大截面电阻带以增强电阻体寿命，或采用辐射管设有火帘与防爆装置具有高的机械化与自动化,可控气氛热处理炉示意图,可控气氛热处理炉示意图,可控气氛热处理炉示意图,可控气氛热处理炉示意图,第十一章冷却装置及热处理辅助设备,11.1 淬火槽11.1.1 淬火槽的基本结构11.1.2 普通淬火槽,11.1.3 周期作业机械化淬火槽悬臂式提升机淬火槽,料斗式提升机淬火槽,11.1.4 连续作业式机械化淬火槽输送带式淬火槽,螺旋输送式淬火槽,11.1.5 淬火槽设计,11.2 淬火介质的循环冷却系统,11.2.1 集液槽11.2.2 过滤槽11.2.3 泵,11.2.4 淬火介质冷却器板式冷却器,11.2.4 淬火介质冷却器塔式冷却器,11.3 淬火机和淬火压床11.3.1 齿轮淬火压床,11.3.2 锯片淬火压床,11.3.3 板弹簧淬火压床,11.3.4 锭杆淬火机,11.4 热处理辅助设备11.4.1 清理设备11.4.1.1 化学清理设备,11.4.1.2 机械清理设备清理滚筒喷砂机喷丸机,11.4.2 清洗设备清洗槽清洗机,清洗机,燃烧式脱脂炉,11.4.3 校正与校直设备11.4.3.1 手动压力机,11.4.3.2 液压校正机,第十二章 热处理炉的节能与改造,12.1 热处理节能概述采用合适的炉型改进炉子结构合理控制燃料燃烧过程废热、余热的利用采用节能热处理工艺及管理措施,12.1.1 采用合适的炉型热处理工件的特点车间的生产规模热处理工艺的要求热处理的成本操作的条件炉子的能耗 炉子的热效率 热量损失 燃料（或电能）的消耗指标,12.1.2 改进炉子结构炉型结构炉衬结构采用贴层采用涂料,12.1.3 合理控制燃料燃烧过程合理控制空气燃料比采用先进传感器进行控制,12.1.4 废热、余热的利用12.1.4.1 废热的利用废气预热助燃用空气和燃料废气作为低温炉的热源或预热冷的工件（或炉料）利用废热锅炉产生蒸汽,12.1.4.2 工件余热的利用利用热轧后的余热对钢件进行热处理利用热处理后的工件余热来预热冷的炉料,12.1.5 采用节能热处理工艺及管理措施 节能热处理工艺：经过试验拟定工件合适的加