特殊热处理技术24学时-1

1、特殊热处理技术特殊热处理技术硕士研究生专业基础课硕士研究生专业基础课2现代热处理技术概况现代热处理技术概况v主要现代热处理技术主要现代热处理技术v热处理冷却技术进展热处理冷却技术进展v未来热处理的发展点未来热处理的发展点3主要现代热处理技术主要现代热处理技术v真空热处理的发展真空热处理的发展v可控气氛热处理的发展及重要方面可控气氛热处理的发展及重要方面v计算机热处理控制技术计算机热处理控制技术v感应热处理及表面热处理感应热处理及表面热处理可控气氛热处理主要发展可控气氛热处理主要发展v制备气氛的气源制备气氛的气源v能源消耗能源消耗v炉温及气氛的均匀性炉温及气氛的均匀性v设备可靠性设备可靠性v高温

2、渗碳及碳氮高温渗碳及碳氮45热处理冷却技术进展热处理冷却技术进展v热处理产生的应力热处理产生的应力热应力及相变应力热应力及相变应力v冷却介质的应用发展冷却介质的应用发展液体介质液体介质气体介质气体介质气液混合介质气液混合介质6未来热处理技术的发展点未来热处理技术的发展点v气氛和真空热处理动向气氛和真空热处理动向v精密热处理技术精密热处理技术v节能热处理技术节能热处理技术v复合热处理技术复合热处理技术v修复热处理技术修复热处理技术v流态床热处理技术流态床热处理技术7特殊热处理技术特殊热处理技术v真空热处理真空热处理 （1618课时）课时）v特殊气氛热处理特殊气氛热处理 （24课时）课时）v有色金

3、属热处理有色金属热处理 （24课时）课时）真空热处理技术真空热处理技术 原理原理9真空热处理的发展（真空热处理的发展（1）v 50年代末年代末-70年代末年代末v 需求动力：需求动力： 随着航空工业的发展随着航空工业的发展,要求零部件具有高精度、高质量和可要求零部件具有高精度、高质量和可靠性靠性,一般传统热处理已不能满足要求一般传统热处理已不能满足要求, 发展真空热处理。发展真空热处理。v 主要特点：主要特点： 主要有低压真空气淬、真空油淬、真空退火等主要有低压真空气淬、真空油淬、真空退火等, 广泛用于多广泛用于多种材料和零件的热处理。真空炉均为冷壁单室真空炉。种材料和零件的热处理。真空炉均为

4、冷壁单室真空炉。v 典型成果典型成果: 低压真空气冷炉低压真空气冷炉(如美国易卜生公司的如美国易卜生公司的VFC型型)、真空油淬炉、真空油淬炉、真空退火炉等。真空退火炉等。10真空热处理的发展（真空热处理的发展（2）v 80年代初年代初-至今至今v 需求动力：航空和航天工业迅速发展需求动力：航空和航天工业迅速发展,对各种零件如齿轮、对各种零件如齿轮、轴等提出更高的要求轴等提出更高的要求,真空渗碳工艺应运而生。真空淬火介真空渗碳工艺应运而生。真空淬火介质和高压气体的发展质和高压气体的发展,促进了真空气淬工艺发展。促进了真空气淬工艺发展。v 主要特点：主要特点： 发展了真空化学热处理和真空气淬热处

5、理。真发展了真空化学热处理和真空气淬热处理。真空化学热处理达到了实用水平。真空气淬工艺受到重视空化学热处理达到了实用水平。真空气淬工艺受到重视,相相继研制出了一些新炉型。真空气淬工艺冷却速度快。继研制出了一些新炉型。真空气淬工艺冷却速度快。v 典型成果：典型成果： 高压真空气淬炉高压真空气淬炉:美国美国Abar-Ipsen公司的公司的VTTC型、型、CTL型型,德国德国Degussa公司的公司的VKSQ型型; 高流率气淬炉高流率气淬炉:美国美国Abar-Ipsen公司的公司的HFQ型、型、VTL型和型和Turbo-Treater型型; 高压高流率气淬炉高压高流率气淬炉:美国美国Abar-Ips

6、en公司的公司的Turbo-Treater型型。 11真空热处理原理真空热处理原理v真空的基础知识真空的基础知识v低压下的气体低压下的气体v真空的获得与度量真空的获得与度量v真空系统及设计简介真空系统及设计简介12真空基础知识真空基础知识v真空的概念真空的概念v真空的度量单位真空的度量单位v真空区域的划分真空区域的划分v真空是热处理的一种气氛真空是热处理的一种气氛v真空热处理炉中残存的气体成分真空热处理炉中残存的气体成分13真空简介真空简介v绝对真空：绝对真空： 完全不存在气体和蒸汽分子的空间。完全不存在气体和蒸汽分子的空间。v工程真空：存在一定量的气体或蒸汽、低于工程真空：存在一定量的气体或

7、蒸汽、低于一个大气压的稀薄气体状态。一个大气压的稀薄气体状态。 14真空度单位及区域的划分真空度单位及区域的划分v 真空度：真空状态下气体的稀薄程度。真空度：真空状态下气体的稀薄程度。v 以真空容器中残存的气体的绝对压力来定量以真空容器中残存的气体的绝对压力来定量表示真空度的高低。表示真空度的高低。v 区域的划分（区域的划分（Pa）：）：v低真空：低真空：105102v中真空：中真空：10210-1 v高真空：高真空：10-110-51.超高真空：超高真空：66.7Pacm or /d1.995Pacm or /d1/3v粘滞粘滞-分子流分子流v流量、流导和流阻流量、流导和流阻Q=c(p1-p

8、2); R=1/c圆断面长导管的流导圆断面长导管的流导管道并联与串联时的总流导管道并联与串联时的总流导Da粘滞态层流粘滞态层流分子态流动分子态流动37真空的获得真空的获得v真空是由真空泵及其他真空元件、真空管路构成真空是由真空泵及其他真空元件、真空管路构成的泵送系统获得的。的泵送系统获得的。v泵的性能参数：泵的性能参数： 抽气速率抽气速率s，气体流量，气体流量Q，极限真空；，极限真空；v泵的分类泵的分类v 变容泵类；变容泵类；1. 蒸汽流泵。蒸汽流泵。38旋片式真空泵旋片式真空泵旋片式真空泵工作过程旋片式真空泵工作过程旋片式真空泵工作原理旋片式真空泵工作原理39旋片式真空泵旋片式真空泵40罗茨

9、泵罗茨泵41扩散泵扩散泵扩散真空泵工作原理扩散真空泵工作原理多级喷嘴扩散真空泵工作原理多级喷嘴扩散真空泵工作原理42真空的度量真空的度量v 以真空规或真空计度量以真空规或真空计度量v利用气体压力进行度量：机械力式、液柱利用气体压力进行度量：机械力式、液柱式、压缩式式、压缩式;v据热传导原理设计据热传导原理设计;v放射能电离真空计；放射能电离真空计；v热阴极电离真空计；热阴极电离真空计；1.复合真空计。复合真空计。43真空计工作范围真空计工作范围1200652994911643.pdf44利用气体压力度量的真空计利用气体压力度量的真空计v 静静态变形（态变形（BourdonBourdon）真空计

10、）真空计v 截面为椭圆形的薄壁金属弯管，一端封闭，另一截面为椭圆形的薄壁金属弯管，一端封闭，另一端与真空室相通，当管内压强变化时，该弯管在端与真空室相通，当管内压强变化时，该弯管在内外压强差作用下发生弹性变形，这一变形传送内外压强差作用下发生弹性变形，这一变形传送给指示器，由刻度读出。如指针式压力真空表，给指示器，由刻度读出。如指针式压力真空表，这一类真空计适用于测量粗真空。这一类真空计适用于测量粗真空。v 静态液体真空计静态液体真空计v 如所示，也称如所示，也称“U”形管压差计，它一端通大气，形管压差计，它一端通大气，一端通真空系统，利用两管液面（如扩散泵油等）一端通真空系统，利用两管液面（

11、如扩散泵油等）高度差表示系统的压强。若用汞高度差表示系统的压强。若用汞 0 - - h (毫毫米汞气压柱米汞气压柱), 0为大气压强；若用低蒸汽压油，为大气压强；若用低蒸汽压油，则则: 0 ( 油油/ 汞汞 ） h，油、油、汞汞分别为分别为油和汞的密度。油和汞的密度。45压缩式真空计压缩式真空计v 压缩式真空计压缩式真空计麦克劳压强计麦克劳压强计v A、B 两部分在两部分在N 处连通，当水银杯处连通，当水银杯R升高，水银升高，水银上升越过刻线上升越过刻线N 后，原后，原B、C中的气体全被压入测中的气体全被压入测量毛细管量毛细管C中。在压缩过程中气体温度可视为不变；中。在压缩过程中气体温度可视为

12、不变；又又A、D 部分和真空系统连通，系统容积远大于部分和真空系统连通，系统容积远大于A、D 部分，故压缩时可认为系统内压强不变。部分，故压缩时可认为系统内压强不变。A、D；B、C两部分气体的压强差可由毛细管两部分气体的压强差可由毛细管C、D 水银水银柱的高度差柱的高度差h表示。以表示。以V表示表示N 以上以上BC 的总体积，的总体积，VC为为C 管中压缩后气体的体积，管中压缩后气体的体积，v 根据玻义耳定律根据玻义耳定律PV ( P h ) Vc则则P Vc/ (V-Vc)h因因VcV故近似可得到故近似可得到PhVc /V 这样这样就把压强转化为毛细管水银柱高度差，由于待测压就把压强转化为毛

13、细管水银柱高度差，由于待测压强只和仪器的体积和压缩后水银柱高度差有关，故强只和仪器的体积和压缩后水银柱高度差有关，故这种真空计是一种绝对真空计，可用它来校准其它这种真空计是一种绝对真空计，可用它来校准其它真空计。麦克劳压强计测量范围为真空计。麦克劳压强计测量范围为10 10 - - 6 mmHg，它的缺点是不能连续测量，使用水银也，它的缺点是不能连续测量，使用水银也带来诸多不便。带来诸多不便。麦克劳压强计麦克劳压强计46热偶真空计热偶真空计v 热偶真空计使用的测压元件为热偶规。热偶真空计使用的测压元件为热偶规。v 1-2 为加热丝为加热丝,3-4 为热电偶，留有管口与为热电偶，留有管口与真空系

14、统相连接。加热丝中通以恒定电流时，真空系统相连接。加热丝中通以恒定电流时，其温度取决于周围的散热条件。由于气体热其温度取决于周围的散热条件。由于气体热导率随压强变化，所以热丝的温度也随压强导率随压强变化，所以热丝的温度也随压强而变，与加热丝连接的热电偶也将具有不同而变，与加热丝连接的热电偶也将具有不同的热电势，从而建立起规管内压强与热电势的热电势，从而建立起规管内压强与热电势之间的关系。经校准定标后，就可通过测量之间的关系。经校准定标后，就可通过测量热电势来指示测量的压强值。热电势来指示测量的压强值。v 热偶真空计的测量范围为热偶真空计的测量范围为20 10 - - 1 帕。帕。使用时必须按规

15、定调节到确定的加热电流值。使用时必须按规定调节到确定的加热电流值。热偶真空计热偶真空计47电阻式真空规电阻式真空规v 皮拉尼规利用电热丝的电阻皮拉尼规利用电热丝的电阻温度特性和温度随压强变化温度特性和温度随压强变化关系，将压强变换为电阻测关系，将压强变换为电阻测量。量。v 用电桥测出待测电阻。图中用电桥测出待测电阻。图中Rx 为电阻式规管，接入待为电阻式规管，接入待测真空系统。测真空系统。R为与为与Rx结构结构相同的补偿管，用来抵消环相同的补偿管，用来抵消环境温度的影响。境温度的影响。Ro用于调用于调节零点，即调电桥平衡。节零点，即调电桥平衡。电阻式真空规电阻式真空规48冷阴极电离真空计冷阴极

16、电离真空计v 潘宁规潘宁规 1937 年潘宁（年潘宁（Penning）首先利用磁场和电场中的冷阴）首先利用磁场和电场中的冷阴极放电现象来测量低压强。中间电极为阳极，加电压极放电现象来测量低压强。中间电极为阳极，加电压2Kv，两块平行圆板为阴极。外加两块平行圆板为阴极。外加400 高斯的磁场，方向基本与高斯的磁场，方向基本与电场方向平行。电场方向平行。v 优点：灵敏度高，没有热阴极，寿命长，结构坚固，操作简优点：灵敏度高，没有热阴极，寿命长，结构坚固，操作简便，适于工业应用。缺点：非线性，稳定性较差，电极抽气便，适于工业应用。缺点：非线性，稳定性较差，电极抽气作用大，精度差，阴极要保持清洁，如被

17、油污染，将影响工作用大，精度差，阴极要保持清洁，如被油污染，将影响工作性能作性能v 量程：量程：1 10 - - 3 帕。帕。 。潘宁规潘宁规49潘宁规工作原理潘宁规工作原理v 由宇宙射线或场致发射所产生的初始电子在强电场和磁由宇宙射线或场致发射所产生的初始电子在强电场和磁场作用下，在两片阴极之间作螺旋形运动，不断和气体场作用下，在两片阴极之间作螺旋形运动，不断和气体分子碰撞并使其电离。电子与气体分子经过多次碰撞后，分子碰撞并使其电离。电子与气体分子经过多次碰撞后，再被阳极吸收；离子质量大，基本上沿直线达到阴极上，再被阳极吸收；离子质量大，基本上沿直线达到阴极上，并使阴极发射出二次电子。电离过

18、程中所产生的二次电并使阴极发射出二次电子。电离过程中所产生的二次电子和阴极发射的二次电子又参加到电离气体分子的过程子和阴极发射的二次电子又参加到电离气体分子的过程中来。如此不断发展，建立起一定压强下的自持放电。中来。如此不断发展，建立起一定压强下的自持放电。v 测量回路中的电流测量回路中的电流I为离子流为离子流I 和阴极二次电子流和阴极二次电子流Is 之和：之和：I I I s Cp n 式中：式中：C 为常数，为常数，n在在12 间（与电极结构有关），间（与电极结构有关），可看出潘宁规是非线性的。可看出潘宁规是非线性的。潘宁规潘宁规50电离真空计电离真空计v 电离规电离规 阴极发射的电子在栅

19、极电场作用下得到加速和气体分子阴极发射的电子在栅极电场作用下得到加速和气体分子碰撞，并使它电离，正离子飞向带负电位的收集极，离碰撞，并使它电离，正离子飞向带负电位的收集极，离子流的大小和气体压强成正比。子流的大小和气体压强成正比。 I I e K P 式中式中I e 为规管工作时的阴极发射电流，为规管工作时的阴极发射电流，K 为规管常为规管常数，由规管几何结构和电极工作电位决定，在一定压强数，由规管几何结构和电极工作电位决定，在一定压强范围内，近似为常数，当维持发射电流恒定时，离子流范围内，近似为常数，当维持发射电流恒定时，离子流和压强成线性关系。故每次使用时均要调节发射电流达和压强成线性关系

20、。故每次使用时均要调节发射电流达到规定要求。到规定要求。v 一般电离真空计测量范围为一般电离真空计测量范围为10 - - 1 10 - - 5 帕，只有帕，只有系统真空度到达系统真空度到达10 - - 1 帕以后才能启动电离规。电离帕以后才能启动电离规。电离真空计使用中，要真空度达真空计使用中，要真空度达10 - - 2 帕以上对电极除气。帕以上对电极除气。v 为了使用方便，常把热偶真空计和电离真空计组合成复为了使用方便，常把热偶真空计和电离真空计组合成复合真空计。合真空计。电离规电离规51超高真空电离规超高真空电离规v 圆筒型电离规测量真空度的上限不可能低于圆筒型电离规测量真空度的上限不可能

21、低于5 10 - - 6 帕，因被加速的电子被栅极吸收后，会发射软帕，因被加速的电子被栅极吸收后，会发射软X 射线。射线。X 射线达到收集极上，产生光电效应，故在收集极电路射线达到收集极上，产生光电效应，故在收集极电路中形成与压强无关的光电本底电流。中形成与压强无关的光电本底电流。v 1950 年年Nottingham提出了上述解释后，提出了上述解释后，Bayard和和Albert提出了提出了B-A规的结构，如图所示。集电极采用规的结构，如图所示。集电极采用直径为直径为0.1mm的细钨丝，置于栅极的中心，即管子的的细钨丝，置于栅极的中心，即管子的中心轴，阴极在栅极外面，此结构的特点是集电极面积

22、中心轴，阴极在栅极外面，此结构的特点是集电极面积（也就是接受（也就是接受x 射线的面积）缩小约一千倍，从而使光射线的面积）缩小约一千倍，从而使光电流降低一千倍，电流降低一千倍，B-A规的测量范围即可延伸到规的测量范围即可延伸到10 - - 8 帕，同时集电极和栅极构成圆柱形电场，使栅极空间帕，同时集电极和栅极构成圆柱形电场，使栅极空间99的范围内电子能产生电离作用，因此尽管收集极的范围内电子能产生电离作用，因此尽管收集极面积减小一千倍，但灵敏度基本上和圆筒形电离规相近，面积减小一千倍，但灵敏度基本上和圆筒形电离规相近，且因所有电极都用细丝，易加热除气，适用于超高真空且因所有电极都用细丝，易加热

23、除气，适用于超高真空测量。测量。B-A 规规52真空热处理炉的真空系统简介真空热处理炉的真空系统简介v真空系统用一句话来概括就是：用来获得有真空系统用一句话来概括就是：用来获得有特定要求的真空度的抽气系统特定要求的真空度的抽气系统.v真空系统设计的基本内容：是根据被抽容器真空系统设计的基本内容：是根据被抽容器对真空度的要求，选择适当的真空系统设计对真空度的要求，选择适当的真空系统设计方案，进行选、配泵计算；确定导管、阀门、方案，进行选、配泵计算；确定导管、阀门、捕集器、真空测量元件等，进行合理配置，捕集器、真空测量元件等，进行合理配置，最后最后画画出真空系统装配图和零部件图。出真空系统装配图和

24、零部件图。 53真空系统组成元件真空系统组成元件v较完善真空系统组成元件：较完善真空系统组成元件： 1抽气设备：例如各种真空泵；抽气设备：例如各种真空泵； 2真空阀门；真空阀门； 3连接管道；连接管道； 4真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；真空测量装置：例如真空压力表、各种规管； 5其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。器规头、储气罐等。 54真空系统简图真空系统简图v 当串联一个高真空泵之后，通常当串联一个高真空泵之后，通常要在高真空泵的入口和出口分别要在高真空泵的入口和出口分别加上阀门，以便高真空泵能单独加上阀门，以便高真空泵能

25、单独保持真空。如果所串联的高真空保持真空。如果所串联的高真空泵是一个油扩散泵，为了防止大泵是一个油扩散泵，为了防止大量的油蒸气返流进入被抽容器，量的油蒸气返流进入被抽容器，通常在油扩散泵的入口加一个捕通常在油扩散泵的入口加一个捕集器集器水冷障板水冷障板( (如图所示如图所示) )。根据要求，还可以在管路中加上根据要求，还可以在管路中加上除尘器、真空继电器规头、真空除尘器、真空继电器规头、真空软连接管道、真空泵入口放气阀软连接管道、真空泵入口放气阀等等，这样就构成了一个较完善等等，这样就构成了一个较完善的高真空系统。的高真空系统。高真空系统简图高真空系统简图55真空系统材料真空系统材料v结构材料

26、结构材料金属材料应含气少、易于除气，组织致密，金属材料应含气少、易于除气，组织致密， 在工作温度下的饱和蒸气压在工作温度下的饱和蒸气压足够低、不易氧化腐蚀、不与有机溶剂等发生作用、有较高的热稳定性、足够低、不易氧化腐蚀、不与有机溶剂等发生作用、有较高的热稳定性、足够的机械强度、良好的焊接性能和较低的机械加工粗糙度。足够的机械强度、良好的焊接性能和较低的机械加工粗糙度。较多使用的是低碳钢并需抛光较多使用的是低碳钢并需抛光要求高的场合可使用不锈钢，具有抗锈、高强度、塑性韧性好、无磁性要求高的场合可使用不锈钢，具有抗锈、高强度、塑性韧性好、无磁性等特点，等特点， 放气率低。放气率低。v辅助结构材料辅助结构材料弹性体、绝缘体（橡胶、陶瓷、塑料