热处理设备讲稿

02培训材料第三部分热处理设备一、概述热处理设备是执行热处理工艺的一种手段，是热处理生产过程中重要工具，当零件热处理工艺制定后，热处理设备是决定工件热处理质量的关键，根据工艺等要求合理选择热处理设备能降低加工成本和实现节能减排目标。1、 备选择热处理设的原则一先进性与实用性相结合满足热处理工艺的要求；保证工件热处理质量；有利于提高生产效率和降低生产成本；确保使用寿命和维护方便；节能减排和安全生产。2、 热处理设备分类：热处理设备分为主要设备和辅助设备（P288）热处理主要设备包括：热处理炉、加热装置（如感应加热装置等）、表面改性装置（气相沉积和离子注入等）、淬火冷却装置、冷处理装置、工艺参数检测和控制装置等。热处理设备的辅助装置如冷却、清洗、气氛制备、淬火介质循环、防火除尘等。表1热处理炉的分类热八、、处理炉分类分类原则炉 型按热源电阻、燃料、煤气、油、煤、感应、激光按工作温度高温（大约1000°C）、中温（650°C〜1000°C）、低温炉（小于650°C）按炉膛形式箱式、井式、罩式、贯通式、转底式、管式炉按工艺用途退化、淬火、回火、渗碳、渗氮炉按作业方式周期、连续炉按使用介质空气、火焰、可控气氛、盐浴、油浴、铅笔浴、液态化、真空炉按机械形式台车、升降底式、推杆式、输送带式、辊底式、振底式、步进式炉目前热处理行业常用的热处理设备主要有：箱式炉、井式炉、可控气氛炉、真空炉、感应加热装置及盐浴炉等（盐浴炉逐步淘汰），也是本部分重点学习的内容。3、学习重点：、热处理炉的传热原理及实际应用；箱式电阻炉的功率计算；电热元件的选用;二、 可控气氛的类型和特点；气氛碳势控制的方法和原理。三、 真空度、真空加热原理和特点；描述真空系统的基本参数对真空炉性能的影响。四、 感应加热电源的原理、性能特点、基本术语、适用场合；合理选用和使用感应加热电源；感应圈设计的基本原理。五、 热处理设备的安全操作（重点：盐炉、可控气氛炉）。二、炉子传热的三种基本方式（P288）材料热处理加热过程是高温热源向低温工件传递热量的热交换过程，了解传热过程对提高工件的加热质量和节约能源具有重要的意义。传热的基本方式分为传导、对流、辐射三种。传导传热一无宏观质点移动，依靠分子（原子）的振动、扩散或自由电子运动的的传热方式，可以发生在固、液、气体中。对流传热一温度不同部分的质点发生相对位移的传热方式，可以发生在液、气体中。辐射传热一一定温度物体以电磁波的形式向外发射辐射能，并使与其不接触的另一物体吸收后转化为热能。（物体与另一物体之间）传热学方程同有一物体的不同部分或两个物体之间存在温差则必然产生热交换，即传热。其热交换量可用以下公式Q=K（T1-T2）F （1）Q一热流量（综合热交换），单位时间内由高温物体传给低温物体的热量；F一传热面积；T1,T2分别为两物体的温度；K一传热系数。K的物理意义一表示当温差为1°C，每秒钟通过1m2面积的热量。上述方程为一般传热学方程，适用于任何传热过程，每种传热过程的特殊性只反映在传热系数上。设q=K（T1-T2）=KAT （2）q一热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量则Q=qF设热阻R=1/K， 贝q=AT/R由上式可知，传热系数越小，热阻越大，则热流密度越小，传热量越小，传热速度越慢。

。、q是设计热处理炉时计算额定功率的重要依据。在热处理电阻加热炉中三种不同传热方式的传热计算1）传导传热热处理炉中炉墙的传热通常是传导传热。对于单层炉墙的稳态传热（图1），由式（2）可知，热流密度q为（3）式中T1,T2分别为单层炉墙两侧面温度；S为炉墙厚度；X为导热系数，是导热物体相距1米处的温差1°C时，每秒通过1m2面积的热量。(4)若乘以则炉墙炉墙面积可求出炉墙的导热量(4)%=q-F==图1单层炉墙导热图2双层炉墙导热②对于多层（双层）炉墙的稳态传热（由q*^可求得下式）图1单层炉墙导热图2双层炉墙导热②对于多层（双层）炉墙的稳态传热（由q*^可求得下式）q=寸+寸1 2式中T1,T3分别为炉内、外墙的温度;S1，S之分别为各层炉墙的厚度;(5)*X分别为各层炉墙的导热系数。若乘以炉墙面积可求得炉墙的导热量。传(6)T1-T(6)xF+xF1 1 2 2又考虑车间环境温度的影响，炉壁向环境的实际散热量（或导热量）为(7)Q传= 卜二一r-(7)K 1 2 H 罕1气F七尸外墙L为炉外壳表面对周围空气的综合传热系数。几种炉墙材料的导热系数见下表，人越小，q越小，绝热能力强，既保温性能好。表：几种炉墙材料的导热系数耐火或保温材料名称重质黏土砖轻质黏土砖超轻质黏土砖矿渣棉硅酸钙绝热板气体热导系数（W/mtC）0.83+0.58X10-3T0.20+0.43X10-3T0.05+0.17X10-3T0.045（常温）V0.056+0.00011T0.005〜0.5*表中材料导热系数随温度T变化。由表可知道，在表中的炉墙材料中，硅酸钙类型绝热材料的导热系数小，已是目前最广泛被采用的炉墙材料。又若在炉墙外表面安装一层仅有空气的“保温盒”，由于静止气体的导热系数比硅酸钙绝热板的导热系数小得到多，所以对热处理炉具有明显的节能效果。2） 对流传热对流传热所传递热量的公式Q对=a对（T1-T2）F （8）式中Q对为单位时间内对流传热量；T-J为流体与固体表面的温差；F为固体液体的接触面积；a对为对流传热系数，表示流体与固体表面间的温差为1°C，单位时间通过1m2面积所传递的热量。a对与流体的流动性质（如自然流动、强制流动、层流、涡流）；与固体接触的形状、大小和位置；固体与液体之间的温差别等。例如：①电阻炉内采用炉气强制循环时，炉气对表面的对流系数的计算公式：a对=K®08 式中①为炉气实际流速；K为炉温系数。②炉壁的散热：a侧面=2.24T-T0，a炉底=1顼-T0，a炉顶=御T1-T。由①可知，在热处理炉中，因工件以对流传热为主，所以炉气的循环，提高必，则加快加热速度。由②的a*值可知，对炉侧壁，特别是炉顶散热快，应特别注意保温。对3） 辐射传热（以下T为绝对温度-273C）工件表面从炉壁表面获得的辐射热Q=a（T-T）F （9）辐辐12 2

式中t为炉温；气为工件表面温度；F为工件受热面积;辐射传热系数«是表示工件与炉温差为1°c,工件1m2受热面积每小时获得的辐射热。辐根据辐射四次方定律E=C（二）4可求得a0 0100 辐C导（焉）C导（焉）4一4](10)上式中的导来辐射系数C导上式中的导来辐射系数C导4.96TOC\o"1-5"\h\z1 F 1\o"CurrentDocument"一+寸(—-1)8 F 8e为炉墙表面黑度；%为工件表面黑度；F为炉墙的辐射面积；F为工件的辐射面积。1 2 1由上式可知，提高工件表面从炉壁表面获得的辐射热。辐值的措施炉温（〈）愈高，a辐愈大，炉子的传热能力愈强，工件的加热速度愈快；工件的合理放置和电热元件的布置，如尽量减少电热元件间或工件间的相互遮蔽，增加辐射面积，提高加热速度和加热的均匀性。当需要减少辐射热量时，可在受热表面（炉壁）与热源（加热元件）之间放置金属隔板（图），如果辐射系数相同，由下计算可知，辐射热量可减少一半。图3隔热屏原理示意图根据辐射四次方定律可推导，热源直接辐射给受热表面的热量为(11)4=Cm^）4-/）^(11)热源1传给隔板3的热量和隔板3受热表面2的热量分别为Q13=Q13=C导哈I击5(12)Q侦寸击）4-（击）4]F当系统传热稳定时Q=Q侦寸击）4-（击）4]F当系统传热稳定时Q=Q=Q（加隔热屏后平面1间接传给平面2的热量）所以（13）将式13代入式12，则得Q13=Q32=2。导T4-（―）4]F100（14）将式（14）与式（11）相比，得q13=2Q12如受热表面与热源之间放置n层隔板，,T一一4-（依）4]尸（W/t）（15）学习热处理炉的传热学原理的实际应用1、热处理电阻炉设计时选择功率的主要依据以箱式电阻炉以箱式电阻炉为例，通过计算热平衡状态下热量总的输出Q总后，进行热处理电阻炉功率计算的方法具有普遍性，而且适用于热处理燃料炉燃料消耗量的计算。。总=4+%+4+Q散+%+Q溢+。它（E）TOC\o"1-5"\h\z其中①加热工件需要的热量Q=P（（CT-CT）；件件11 22加热辅助构件需要的热量Q辅=P辅（CT1-CT2）；加热控制气氛需要的热量Q控=V控C（T-T）；（C为平均比热）通过炉衬向环境散热损失的热量e= —T^T0 散SS 「XF+XF+以£31ml m2\o"CurrentDocument"T T通过开启炉门辐射热损失Q=5.675x[（—1）4-（——）4]x3.6F05辐 100 100 t通过开启炉门溢气的热损失Q=如（=^）5溢 2t⑦其他热损失Q它=（0.5-1.0）2散对于周期作业的热处理炉，炉温升降比较频繁，升温时加热炉衬需要的热量很大，因此在设计炉子功率时，为了确保炉子的升温速率，应将炉衬材料的蓄热量2蓄考虑在内。若将上述各项热损失相加可计算热处理炉的功率：炉子设计功率：P=KP=K嘉（KW） （11）总3600K一功率储备系数（考虑车间的电压波动和电热元件老化引起的功率下降等）周期炉为1.3〜1.5；连续炉为1.2〜1.3。（电阻炉也可采用经验法确定其功率，可查阅有关资料）2、寻求热处理设备节能的重要依据热处理能源消耗占机械制造业总能耗的30%左右，热处理节能意义重要大。通过热处理炉的热平衡计算，在热处理炉设计和使用过程中应采取的有效措施为：1） 炉墙材料不仅要求一定的支撑强度和耐火性能，而且要求蓄热系数和导热系数小，以减少炉子升温过程中耐热保温的蓄热量和保温过程中热量通过炉壁散失。如采用优质的耐火纤维制品，外炉壁空气隔热层（保温盒）等。2） 尽量减少辅助构件（如装料装置等）的重量，减少蓄热。3） 加强热处理炉的密封性：减少炉门开启时间，降低辐射热损失和溢气的热损失。浴炉液面向上，对流和辐射传热明显，炉子运行时应加盖，以减少热损失。4） 低温加热（低于600°C）以对流传热为主，采用风扇循环，以提高加热温度的均匀性和缩短加热时间。5） 工件的合理放置和电热元件的布詈，如尽量减少电热元件间或工件间的相互遮蔽，增加辐射面积，6） 利用辐射传热的原理，在真空炉壁与加热元件之间放置金属隔板，将加热元件产生的热量辐射给炉瞠工件，降低炉壁温度，减少能量的损耗。7） 连续炉的平均热损失低于周期炉，提倡热处理生产专业化，实现连续运行或满载运行，提高能源的利用率。8） 利用余热（如锻后热处理等）和废热回收（如退火工件释放的热量预热工件）三、常用热处理电阻炉（P290）电阻炉基本工作原理：电流通过电热元件产生热量，以辐射或对流的方式加热工件。电流的热效应可以用下式表示Q=1.00512RX103 （KJ）Q-热量； R-电热元件的电阻；Z-流过R的电流；，-电流流过的时间。常用的热处理电阻炉是箱式炉、井式炉、盐浴炉等（随着先进技术的迅速发展，这些常规的热处理炉也将逐步被先进的热处理设备替代）。每种炉型又分为：低温（使用600°C以下）；中温（最高使用温度不超过950C）；高温（1000C〜1600C）。常用的热处理电阻炉构造、操作、维修等要点请阅指导书。一） 电阻炉的功率计算（P293）（请见上述）二） 常用电热元件材料及性能（P297）1、 铁-铬-铝（Fe-Cr-Al）电热合金元件一应用很广特点：良好高温抗氧化性能（A1203）,电阻率大、电阻温度系数较小，密度小，成本低。但塑性差，加工较困难，高温强度低，焊接性能差别。常用牌号：用于低温电阻炉：1Cr13A14；用于中温电阻炉：0Cr25A15、oCr13A16Mo2；用于高温电阻炉：oCr27A17Mo2。（1300C）2、 镍-铬（Ni-Cr）电热合金元件特点：电阻率较小，密度较大，塑性较好，加工性能较好，高温强度和焊接性能好，熔点低。但成本高，主要用于试验室小电炉常用牌号：Cr20Ni80使用温度在1000C以下电阻炉，Cr15Ni60用于低温炉3、 纯金属电热合金钨、钼高温下易氧化，在真空炉中使用，最高温度分别为1800C和2400C。电阻率小，电阻温度系数大，使用时配备调压器。4、 碳化硅电热元件一高温炉特点：高温抗氧化，在氧化性气氛中1350C长期工作（在碱、氢、水蒸气中工作寿命急剧下降）。电阻温度系数大，必须配备调压器。使用60〜80小时后“老化”，新老不能混用。5、 二硫化钼电热元件一高温炉特点：高温抗氧化性好，在空气、水蒸气、二氧化碳等气氛中，最高工作温度达1700°C（但400°C〜700°C易氧化，避免使用）。电阻温度系数很大，必须配备调压器。6、 石墨电热元件一真空炉特点：在中性气氛或真空中，使用温度1400C〜2500C，避免在氧化气氛中使用，热膨胀系数小、导热率较大，能急冷急热，易加工。表：常用电热元件及温度应用范围电热元件名称使用温度范围电热元件名称使用温度范围铁-铬-铝(Fe-Cr-Al)1Cr13A14:低温0Cr25Al5、oCr13Al6Mo2：中温oCr27Al7Mo2：高温(V1300C)镍-铬(Ni-Cr)Cr15Ni60：低温Cr20Ni80：＜1000C纯金属*钨：1800C钼：2400C碳化硅*1350C二硫化钼*V1700C石墨1400C〜2500C*电阻温度系数大，使用时必须配备调压器。三）电阻炉性能试验项目（P296）1、 电热元件的冷态直流电阻一各相直流电阻必须相等，否则影响炉温均匀性。2、 额定功率一①对于金属电热元件，额定电压下达到额定炉温瞬间的功率。②对于非金属电热元件（如碳化硅或二硫化钼），额定电压应能调节，功率波动范围允许10%。3、 空炉升温时间一空炉以额定电压或额定功率从冷态升至额定温度下所需要的时间。是周期作业炉的重要指标。设计不合理或炉衬材料蓄热大，则空炉升温时间长。4、 空载功率一在额定温度下不装工件运行时所消耗的功率。空载功率小，炉子热损失小。5、 炉温均匀性一在电阻炉空载时，处于额定温度并达到热稳定状态下，同一时刻在规定测量温区内最高与最低的炉温差。共测五次，取五次最大温差别的平均值。6、表面升温一在电阻炉空载时，处于额定温度并达到热稳定状态下，电阻炉外表温度减去环境温度的差值。四）浴炉（盐浴炉、硝盐浴炉）的安全操作（P305）利用液体（盐、硷、油）作为介质进行加热（冷却）工件热处理炉，具有加热（冷却）速度快、温度均匀、不易氧化脱碳等。但因散热严重能耗大"aCl/aCLKC1等有机盐类高温分解产物对环境污染严重（废气、废渣、废液）；操作不安全等因素将逐步被其他加热方法所替代。由炉体和坩埚组成，采用电阻加热的外热式（电阻热元件布置在炉膛外）或内热式（将管状加热器布置在炉膛外）的硝盐炉，用作钢的回火、等温淬火和铝合金加热等，目前在热处理车间较为常见，但如操作不当，盐浴存在着火或爆炸的隐患，使用时必须采取严密的安全措施。使用硝盐浴炉的防爆等安全措施：1、 硝盐的使用温度不能超过595°C（包括浴内局部区域）时，会发生分解产物与钢铁反应而发生着火或爆炸，因此使用温度严格控制在550C以下。2、 硝盐混合物是氧化型的，不应与易氧化的材料混合，如：棉花织物、石墨、木炭等。在氰化盐加热后的零件不能直接进入硝盐浴中等温，必须先入在中性盐浴后再入硝盐浴。3、 不应使用微细的碳化材料作硝盐的覆盖物，也必须避免渗碳炉出料端聚集的炭黑对硝盐浴炉的污染。4、 处理镁合金轻金属时，盐浴最高温度按表3—3规定。四、可控气氛炉（P306）可控气氛技术是对工件进行保护加热或同时进行渗碳、渗氮、碳氮共渗等化学热处理技术。一）可控气氛类型吸热式气氛、滴注式气氛、氮一甲醇气氛、直生式气氛，还有放热式气氛、氮基气氛、氨分解气氛等。1、放热型气氛和吸热型气氛A、放热型气氛将原料气（天然气、丙烷等）与较多的空气混合，诵入发生器燃烧炉膛进行不完全燃烧，反应生成一定CO2、CO、H2、H2O、N2含量的气体混合物。如1m3CH4与9.52m3空气混合完全燃烧生成1m3CO（10%）2m3H2（20%）和7.5m3N/70%）,并放出8571Kcal热量，。由于这种反应依靠混合气自身燃烧放出的热量来维持，不需要外部供热，故称放热型气氛。由于放热型气氛中的CO2和H2O相对含量较高，CO的相对含量低（一般低于10%），这种气氛只能用于低碳钢、铜材的光高热处理或可锻铸铁的脱碳退火。B、吸热型气氛当原料气（天然气、丙烷等）与较少的空气混合时，反应需要外加热源（高温反应罐内经过触媒镍）才能进行，反应生成主要含co、h2、n2和微量co2、和h2o的气氛，由于反应需要吸收热量，故称为吸热型气氛或RX气。吸热型气氛中的气体的主要成分：约20%CO、30〜40%鸟和凡（表3-4、5），气氛中CO相对含量比放热型气氛高，CO2和H2O相对含量降低，但碳势仍然较低，只能作低碳钢的保护加热和渗碳或碳氮共渗的载气。注意：*天然气具有经济、稳定、方便的特点，是制备RX气的首选原料，但必须控制其总硫含量在20mg/m3以内，以防形成碳黑，腐蚀测量元件和炉膛内的元件。*用丙烷制备吸热型气氛，丙烷管道不能安装在地面，防止丙烷泄露后聚集在地面引起窒息或爆炸事故。用吸热型气氛制备渗碳气氛：在吸热型气氛中添加适量富化气（8%〜10%天然气或1%〜3%丙烷等），主要消耗渗碳反应后生成的O2（包括CO2和H2O），提高碳势。用吸热型气氛制备碳氮共渗气氛：在吸热型气氛制中添加1%〜3%氨气。2、滴注式气氛将甲醇直接滴入炉内，生成含8、和鸟的载气，再添加富化气如天然气、丙烷等进行渗碳。将有机液体（如甲醇、乙醇、煤油等）直接滴入炉内，产生的裂化气氛称为滴注式气氛。以甲醇（CH3OH）为例，在700°C以上裂解成含33.3%CO和66.7%H2的气氛（表3-6）若再添加富化气如天然气、丙烷等可进行渗碳。由于甲醇在低级温裂解时CH4的含量高，容易产生碳黑，因此滴注式气氛不适宜用作低温下保护加热光亮淬火。按氮和甲醇一定比例（1升甲醇和1立方米氮气）的通入炉内裂解，生成与吸热型（RX）气氛相近的气氛。当气氛中增加甲醇流量时，碳势增加，因此可作为较低温度下的碳氮共渗、保护加热光亮淬火。4、 直生式气氛将渗剂（天然气、丙烷等）和空气按一定比例混合后直接通入炉内，在高温下900°C以上）反应直接生成渗碳气氛。气氛成分为部分渗剂与空气反应生成接近RX气成分，残余部分与吸热型气氛的富化剂一样，提供渗碳需要的碳源（表3—8）。育生式气氛的最大优点是生成这种种气氛消耗的燃料小，与平衡气氛相比可节约80%左右。但使用直生式气氛的CH含量较高，容易形成碳黑，尤其在低温时碳势的可控4、性较差，尽量避免低温阶段（800C以下），气氛碳势设定低一些。5、 其他可控气氛氨分解气：氨气在900C催化剂中裂解。氮基气氛：氮气中通入1〜2%天然气或丙烷，消耗其中的氧。上述两种气氛通常用作保护气氛。'二）碳势测量与控制对于气体渗碳气氛，参与反应的组分有：CO、CO2、及H2、叫、。2、、H2°及钢中的[C]共7种（N2是中性元素不参与反应），从理论上说，在一定温度下同时控制三种气体成分就可以实现精确的碳势控制。组分之间在不同的温度下发生各种化学反应，同时与钢的表面发生化学反应，这些都是影响气氛碳势的因素，因此仅测量某一组分的浓度作为控制碳势力的依据是受特定条件限制的。还应指出，如渗碳气氛碳势超过碳黑极限（表3-10），则影响测量精度，必须避免。目前控制气氛碳势的方法主要有以下三种。1、氧探头控制法在可控气氛中，CO在钢的表面的化学反应：COoC^F+2O2 （1）P当上述反应达到平衡时气=K-CO- （2）式中P为CO的分压；P为O的分压；a为奥氏体中碳的活度（相当于碳浓度）。CO % 2 c其中：该反应的平衡常数K与温度有关，即LnK=240；987+2.1367K在不同的温度下查表可得。由式（2）可知，在气氛中CO的分压稳定的情况下，测得％的分压（氧浓度），以获得对应气氛的碳势，或奥氏体中碳的浓。氧探头控制气氛碳势的原理（图3—9）:图参比，体一-?../-,氧•化凭/图2.4-100氧探头示童圈用ZrO2（二氧化锆）元件制作的高温氧浓度固态电池，将其一端与炉气连接，为负极，另一端为参比气体（可以是空气）连接，为阳极（图）。在一定温度下由于两极间的氧浓度不同而产生生势E=RTL^P^，KI顷」/工PR 4FPO2其中R（气体常数学）、T（绝对温度）、F（法拉第常数）和P,（参比氧分压）均可查得，Po可求出，代入式（2）可以获得对应气氛的碳势，或奥氏体中碳的浓度。若通过仪表将氧探头的电势转换为碳势，并同设定碳势比较，通过电磁阀对气氛碳势进行调整。氧探头控制法特点：反应速度快、控制精度高、使用方便，但寿命短，成本较高。2、CO2控制法根据气氛中CO在钢的表面的化学反应：

(3)(3)(4)P2a=Kco(4)CO2该反应的平衡常数K与温度有关，LnK=2。14；6188+20.7739K在不同的温度下查表可得。因此，测量气氛中的CO和CO2分压，求得气氛对应的碳势。当气氛中CO的分压稳定的情况下，测量气氛中的CO2分压，可以求得气氛对应的碳势。红外分析仪测定CO浓度原理；根据某些气体（如CO）对红外波段特定红外辐射的吸收本领，其吸收程度取决于被测气体的浓度。注意，碳势与CO2的浓度不是线性关系（表3-9）。特点：使用红外分析仪对气氛中CO2含量进行测定时，应注意碳黑对测量结果的影响，采取有效措施对炉气进行过滤；注意管路漏气、管路储存余气对测定结果的影响。式（2）和（3）表明，氧探头或红外仪单因素控制都受CO的含量波动的影响。但氧探头受pco的敏感度显然小于红外分析，因此氧探头单因素控制势的精度优于CO2单因素控制。如果采用多因素控制技术，如在碳势计算机动态控制中，将CO的分压变化考虑在内，则氧探头或红外仪在控制精度上已无明显差别（热姓理工艺学P416）。3、露点控制法在一定炉温下炉气反应达到相对平衡，且炉气的主要组分CO和鸟分压恒定，这时炉气中的CO2和h2o又有一定的制约关系一水煤气反应：CO2+H20CO+H2OPxP PxP上述反应的平衡常数K= 一^O， P=CO^OPxP CO2KxP该反应的平衡常数K与温度有关，查表可得。因此在炉气组分CO和鸟分压恒定的情下，组分CO2与鸟O的分压是对应关系，也就是只要控制CO卢H2O二者之一，就能达到控制碳势的目的。气氛的露点是指在一定的压力下，气氛中水蒸气含量达到饱和时的温度，即气氛中水蒸气开始出现结露现象的温度，水分越高，则露点越高，气氛的碳势就越低。测量露点方法有氯化锂露点仪等。必须指出，采用上述三种方法控制碳势时，气氛中的CH含量应小于1.5%，否则4ch4参与渗碳反应，测定的气氛碳势产生一定的互差。因此为了提高控制精度，可采用双参数或多参数控制法，如氧势-CO-炉温、CO-CO2-炉温三参数联合控制法，CO、CO2、CH4及炉温的计算机动态控制。三）可控气氛热处理炉1、可控气氛热处理炉主要类型及结构（P311〜318）町密封幡式炉箱构示章盹1一悴火油导流捞；4一升降机■淬火位］3-群火油带；4.8T降式支承输道；5-前室；1Mb7—内炉门、.9-顶峰金1卜外门亮升而轮；I—顶冷循环风如'『网炉口提升413-室气熟交换器《4根h14—加祓室楣环瓯宿：15-辐射管；I—咫瓷舒雄炉对；17f唱偶、翘探头$US-支承辗道；史袖搅拌制可控气氛密封多用炉1） 分类：三类单门进出型多用炉、贯通式多用炉和双加热式型多用炉三类。（图）2） 密封多用炉结构：气体冷宰、油槽、加热室和控制系统。加热室：炉墙、加热系统、炉气循环系统、承重炉底、中门及其他附件。工件在加热室内进行加热、渗碳，加热室温度的均匀性和气氛碳势的均性是恒量炉子先进水平的重要指标。气冷室：保护气氛冷却循环系统、淬火升降台、前门、废气排放装置、冷却室、冷却炉壁、负压保护系统等废气排放系统：由炉压控制装置、排放管、点火监察装置、防爆装置等组成，其功能是：当气体冷室出现负压和高压时，炉压控制装置应能保证关闭或打开，以防止空气进入气冷室或快速排放炉内高压气体，保持炉压恒定。点火监察装置应能保证炉内排除的废气被点燃，当废气不能点燃时，可燃气体不能通入炉内。当炉内压力增加时，防爆装置自动打开释放炉内压力。前门：有密封门和不密封门两种。密封门开门时先点燃火帘，然后开门，否则会发生爆炸；不密封门通常在门口处有常明火，使炉内排出的废气燃烧后排出。3）多用途功能1） 能自动完成多种类型热处理。热处理工艺的工序先后可以进行调整；2） 适用于多种热处理工艺。如渗碳、碳氮共渗、保护加热光亮淬火等；3） 多种操作功能。自动、半自动、手动等操作方式。3、可控气氛炉的安全操作使用的介质及裂解产物容易发生着火、爆燃、爆炸、中毒、窒息。表3-11可控气氛炉上应有的安全措施：由于750r以下可燃气与空气以一定比例混合后遇到明火易发生爆炸，所以加热室炉温低于750r时，可燃气电磁阀自动锁死，氮气电磁阀自动打开，向炉内通入氮气；炉温高于750r时，可燃气电磁阀才能打开，向炉内供气。废气排放口点火嘴未点燃时，可燃气电磁阀自动锁死；废气排放口点火嘴保持燃烧，让炉内排放出的废气燃烧后排放。防止人员中毒和爆炸。气冷室必须安装防爆装置，在装出炉时释放来自加热室的高压废气（氢和一氧化碳等），但无法排出猛烈爆炸产生的瞬间压力；安装负压保护，在出炉和淬火时，气冷室一旦产生负压，就进行高压充氮或吸入燃料废气补偿，为防止空气进入气冷室引起爆炸。开门与关门：供气时，加热室与冷却室之间的中炉门应关闭，而冷却室门（前门）应打开，当中门排气口的废气点燃后才能关闭前门。停电时可控气氛多用炉的操作程序：可燃气电磁阀自动关闭，氮气电磁阀自动打开，向炉内通入氮气。如果没有氮气时，必须气冷室门前设置一个点燃的火炬，开门时使炉内气氛立即点燃，防止与空气混合后发生爆炸。⑥进炉检修时的注意事项：在进炉检修前，应打开所有炉门，关闭所有气阀，拆下供气管道上防泄漏装置，使用风扇有效地给炉内扇入新鲜空气，防止淬火油、炉衬内吸附的h2和co等的释放引起中毒和窒息；如油糟需要焊接，应有效清除油糟内的油，并准备灭火装置，防止焊接时发生火灾。五、真空热处理（P321）一）真空度及真空加热的特点真空一指在特定空间里，低于一个大气压的气体状态。真空度一真空状态下气体的稀薄程度，通常用压力值表示。国际单位为“帕（Pa）”，即牛顿/米2（N・m-2）标准大气压（1atm）Q1.013X105Pa真空度划分：低真空一105〜102Pa；中真空一102〜10-1Pa；高真空一10-1〜10-5Pa；超高真空＜10-5目前真空热处理炉使用的真空度通常在103〜10-5Pa的范围内真空加热的特点：防止氧化作用；钢在含有氧、水蒸气和二氧化碳的气氛中加热到一定温度时会产生氧化和脱碳，其反应式为xM+2O2=Mo，但真空加热时氧的分解压低于氧化物的分解压时，反应向左进行，因此真空加热不仅可以防止氧化，而且使钢表面已有的氧化物还原。脱气作用；在常压下溶入钢中气体，如氢、氧、氮等，在负压时溶解度降低，因而从钢的内部向表面扩散逸出，真空度愈高，脱气效果愈好。脱脂作用；工件表面的切削冷却液、润滑油、防锈油等在真空加热时分解成氢、水蒸气和二氧化碳，在抽气过程中排出。

合金元素蒸发在真空加热时，当炉内的压力比钢中的某些合金元素的蒸发压低时，这些元素会从工件表面逸出。为克服这个不利因素通常采取措施：在保证工件真空热处理质量前提下尽可能选择较低的真空度；工件在真空加热时先抽至较高的真空度，随即充入高纯氩气和氮气，使炉压维持在较低的真空度下加热（200〜26Pa）。二）真空炉的类型和主要应用领域真空炉的主要类型：真空炉的应用范围广大，种类多（P324），一般归结为外热式真空热处理炉、内热式真空热处理炉及预抽真空热处理炉三大类。困8-1有抵式直空也阻炉示育图门＞只在炉■内抽成真空困8-1有抵式直空也阻炉示育图门＞只在炉■内抽成真空■内外均抽成直空1.炉村，丸州撬充4,炉昼，困粉？无携式真空电阻炉及凡真空系统示意图1.炉理！L庵却水管13.工件.L*惜Mlh5•反始叭虬啊hT.机校新痕茨*0•旁瞬mil算空啊nt心群，热处理真空炉的主要应用领域：淬火、回火、退火、渗碳、氮化、渗金属及真空镀膜、钎焊、烧结等。真空热处理技术具有无氧化脱碳、变形小、热处理零件综合性能好和使用寿命长、无污染无公害、自动化程度高，而且对热处理工艺的适宜强等优点，近年来发展迅速，是最有发展前途的热处理技术。三）真空炉结构特点主要结构：加热系统（炉膛和加热元件等）、真空系统、淬火系统、工件转移机构等组成。1、 外热式真空热处理炉：将工件放在预抽真空的炉罐中，用外热源加热炉罐，再将炉罐的热量通过辐射加热工件。（P325）。2、 内热式真空热处理炉：电热元件、隔热屏、炉床和其它构件均安装在真空炉的加热室炉壳内。主要靠电热元件的直接热辐射加热工件。炉壳一般通过双层水套冷却，所以又称冷壁式真空炉（P325）。内热式真空热处理炉的特点（与外热式真空热处理炉比较）1） 因无耐热炉罐，加热温度范围广,可达到1300〜2200°C；2） 炉子结构复杂造价高，但易实现自动化，工作环境好，操纵安全；3） 热惯性小，热效率高，生产效率高；4） 炉温均匀好，工件加热变形小；5） 加热期间通常不用保护气体，保护气氛消耗少；6） 电热元件和隔热屏障等构件在真空高温下放出大量气体，需要配备的真空系统容量大。3、预抽真空热处理炉：先抽真空再充可控气氛的热处理炉（要求炉壳和炉门的密封性好）。兼有真空炉和气氛炉的优点。节约用气，设备造价低（用气量仅一般气氛炉的1/10，造价是真空炉的1/2〜1/3）。可用于光亮退火和正火。现可用作渗碳、碳氮共渗和氮碳共渗等。5、真空渗碳炉：在加热室内附上渗碳气体的供给和调节装置。实例：ICBP系列低压渗碳多用炉结构及工艺简介（法国ECM公司）ICBPTG-200结构示意图图5-35ICBPtg~200木意图1—通道罐j2一装卸料室，3—加热渗碳室；4一气淬室$5一装卸料台（可根据工件的形状、特点和要求，将其悬吊在专用夹具上）渗碳工艺简介工艺流程：工件入装料台―进入通道罐一上升至装卸料室后抽真空一转移工件至渗碳室加热工件并进行渗碳一向下移入绝热室后输送至气淬室进冷却一出炉。操作要点：（1） 装卸料室：装卸料室进入工件后，将其抽真空达6X102Pa，当该室与通道罐压力相等时，打开真空密封阀，升降机将工件下降转移到通道罐压内，并传送到渗碳室。（2） 加热渗碳室及渗碳工艺：渗碳温度920〜970°C（最高温度达1250°C）。工件在炉内转动（夹具）速度为2转/分。通过耐热钢喷头向炉内脉冲交替通入喷入CH及N，CH裂解后形成[C]+H。（一38 2 38 2般在强渗期通C3H8时间为1〜4min,通凡扩散时间为2〜6min，随后强渗期逐渐缩短，扩散期逐渐延长，具体见表）。渗碳过程（包括渗碳和扩散过程）采用温度、时间、C3H8及凡的流量和压力四个参数控制。根据工件的技术要求，采用计算机模拟确定各项技术参数，实现渗碳过程的自动化控制（发展动态控制技术）（3）气淬采用可调的（1〜20）X105Pa高纯N2在炉内形成一个冷却通道对工件进行冷却。6、真空离子渗碳炉：真空渗碳炉内安装电极与高压直流电源，充入渗碳气氛，使其辉光放电，产生碳离子，向工件表面冲击而渗入金属表层。四） 真空淬火介质气淬：当加热工件达到工艺规定的温度和保温时间后往炉内通入惰性或中性气体（氢H2、氦He、氩Ar、氮凡），启动风机进行强迫冷却称为气淬。其中鸟的导热能力最好，但安全性差，He和Ar成本高，因此虽然N2的导热能力较低，但安全性能好，使用较普遍。当气淬冷速不能满足的则用油淬。油淬：对淬火油的要求：低的饱和蒸汽压、高的热稳定性和良好的光亮性。淬火槽有搅拌器、热交换器、温控装置和传动装置等。但油不是清洁淬介质。五） 真空系统的选用真空系统是由真空容器（炉体）和真空泵、真空元件（阀、管、密封件等）、真空测量仪表等组成。真空系统的衡量指标及对真空炉性能的影响：1、极限真空度一真空炉所能达到的最高真空度。全面衡量真空炉制造水平的重要指标2、 工作真空度一真空炉工作期间要保持的真空度。为降低真空炉的造价，在工艺允许的前提下尽量选择低的工作真空度。3、 抽气时间一该炉子从某一压力开始抽到要求压力所需的时间。反应抽气速率的参数。4、 抽气速率一单位时间内抽出的气体体积。是真空泵的重要参数。5、 漏气率一处于高压或高浓度下的气体在单位时间内通过漏孔流入低压的炉内的气体量。衡量真空炉制造质量中密封性能的检验指标。六）真空炉的安全操作在真空淬火时，当炽热工件淬入油中时，大量挥发的油蒸汽是可燃性气体，如与空气混合后遇到火源，会产生爆炸。防爆措施：工件入油冷却过程中在冷却室内充氮；工件出油度高时，应先抽真空，去除油雾后关闭真空阀，然后打开放气阀，待压力平衡后再开启炉门。六、感应加热设备感应加热的特点：高效率、能耗少、无污染、易于自动化、适合大批量生产等。感应加热技术属于在热处理领域内推广和发展的绿色热处理技术。感应加热设备主要包括变频电源、感应器、淬火机床以及实现负载匹配的淬火变压器、电容、连接电缆等，还包括冷却系统和淬火介质循环系统。感应加热的基本原理：根据当闭合回路在交变磁场中会产生感应电流的原理（P162图），在感应圈中通以一定频率的交变电流时产生交变磁场，同时在感应圈内部的金属材料工件表面产生与感应圈频率相同而方向相反的电流（涡流）一集肤效应，并转变成热能。工件表面交变电流透入深度§与频率的关系为：8=5.03x104（mm）Wf式中f一电流频率；日一工件材料的导磁率；P一工件材料的电阻另外，§不仅与f有关，而且与工件的日和P有关。工件的电阻随着加热温度的升高而增加，导磁率日随着加热温度的升高而降低，温升至770°C（居里点）时失去磁性，加热深度明显增加。根据考虑多种因素的影响，将淬硬深度与感应加热频率对应关系可由经验公式表示：（二"〈f〈（祟XT）Hd Hd式中Hd为要求的淬硬层深度（mm）；f为频率（kHz）。（公式可用作在规定工件淬硬深度时选择感应加热频率的依据。参考P163和P337）目前热处理采用的感应加热频率可分为四类：工频、中频、超音频、高频。钢材加热时不同电流频率及淬硬层深度分别列于表中采用不同电源频率加热钢材（800°C）与淬硬层深度的关系频率分类输出电流频率淬硬层深度热处理应用场合工频50Hz>10mm〜15mm深层淬火、透热中频1kHz〜10kHz2mm〜8mm表面淬火超音频10kHz〜100kHz高频100kHz〜1000kHz0.2mm〜2mm表面淬火感应加热电源的分类和原理：根据电源频率调制摸式的不同，感应加热电源装置分为：工频感应加热；机械式变频机组（中频发电机组）；固态（静态）变频器：可控硅中频电源；晶体管中、高频电源；电子管高频电源等。一）工频电源工频感应加热配电线路一采用50Hz的工业频率电流（或经过简单倍的频的100Hz、150Hz）通过感应器加热工件的工艺方法。结构：电源变压器、功率补偿电容、工频感应器、电流保护装置和控制线路。优点：不需要变频装置，设备回路简单，电流透入深度深（可达70mm），因此适用于大截面零件的淬火和透热。缺点：功率因素低，需要大量的补偿电容（P336图3-29）,由于通常使用的功率很大，所以配电回路的电力器件容量很大。二）机械式（发电机式）变频机组通过电动机带动中频发电机转子的旋转以切割励磁绕组而产生交变磁场。电流频率约在1KHz〜10KHz。结构：变频机组（电动机、发电机等）、控制启动柜、电容器柜、配电柜操作台及淬火变压器等。优点：维护简单、负载适应能力强、性能可靠等。缺点：效率低、占地面积大、运转噪音大，启动停机操程序麻烦等（目前被固态变频器取代）。三）固态（静态）变频器固态变频器是指采用电子元件及线路将工频电源调制为感应加热工艺所需要频率（中频或高频）的单向电源装置。根据逆变器中采用的电子元件不同又分为：可控硅（晶闸管）中频电源、晶体管中高频电源和电子管高频电源。目前机械发电机式和电子管感应加热电源逐步被可控硅式、晶体管式逆变电源所代替。固态变频器的主要结构：整流、逆变、负载匹配和控制等部分（图）。控制系统图3-50静忐变频器的境理框图固态变频器工作过程：从电网输送来的380V/50Hz电力，通过整流元件将交流转换成直流电源，然后进入逆变部分将直流电源调制为所需要的频率的交流电源，以适应不同场合的需要，然后诵过负载匹配将功率高效地输出。而所有过程中控制部分进行控制。1、 整流部分：通过一个整流单元，将交流电压转化为直流电压。整流器有三种形式：不可控整流器；相位控制整流器；带有开关调节器的可控整流器.整流管是其中主要元件，它是只允许电流单向流动的半导体件，也称二极管。常用的整流管有：可控硅（晶闸管）和晶体管。2、 逆变部分：利用回路中开关元件的反复开、关速将直流转变为交变电流（图3-22、23）,也可以用晶闸管或晶体管组成桥路，以震荡回路的谐振频率开、关，把直流转换成交流电源。可控硅（晶闸管）一种仅给在以门极触发信号或阳压下才能单向导通的半导体器件。它只有在供给电流停止后的某一短崭时间后才能关断和封闭电流。该时间成为关断时间。（关断电流受到限制）。晶体管一种采用一个门极或基极信号控制从输入端到输出端电流的二极管。由于晶体管电路匹配简单，随时能关断，可以在谐振点工作，输出功率因素为1，功率最大限度地从直流电源传递到负载，并且在电流为0时换流，开关损耗极少，效率高，优于晶闸管。在有电容和电感组成的震荡回路中，电流与电压之间产生相位差，相位角的余弦值cos中称为“功率因素”。容抗和感抗的矢量和为零时的频率（当开关转换速度和负载回路的固定有频率一致时）称为“谐振”，此时功率因素为1，对于含有电阻的电容和电感的并联电路中，阻抗值最大，有功功率最大。功率因素也是功率值千瓦与产生该功率所需要的电源伏安值的比率，因此它对感应加热用户的意义很大。感抗是由一个纯电感引起的对交流电流的阻力（“容抗”是由一个纯电容引起的对交流电流的阻力）。“品质因素Q”是感应器感抗和电阻之比，是指当外加信号频率偏离电路的谐振频率时，Q值越高，频偏电流下降越快，谐振曲线越尖锐，电路的选择性越好。3、负载匹配部分：调谐与负载匹配：为了高效加热工件而利用元件调节电路电容、电感与阻抗的过程。逆变电源的额定电压和额定电流（按设计定）之比称为电源的有效阻抗，要使电源的能量最大限度地化到负载上，则电源和负载两者的阻抗尽可能接近，必需进行负载匹配。负载匹配包括阻抗匹配和谐振匹配。阻抗匹配：逆变电源通过选择负载变压器（也称淬火变压器）的抽头调整匝比n/n使电源和感应器阻抗R/R相匹配：n/n=（R/R）21 2 2 1 1 2 2 1谐振匹配：为使逆变电路尽可能接近谐振，通过调整震荡回路中电容和电感线圈的匝比来实现，称为调谐，使其功率因素接近1，这时从电源输出的功率输入工件的效率最高。4、控制部分（略）效率：电源或感应器的实际功率与所输入功率的比值固态（静态）变频器的优缺点1）、晶闸管（可控硅）中频电源结构：整流、逆变（振荡）、负载匹配、控制和保护、水冷系统等。优点：效率高、体积小重量轻、启动方便、便于实现自动控制和功率调节范围大、设备制造成本低。缺点：元件的过载能力差，需要复杂的保护线路，对维修人员的技术水平要求较高，负载匹配较困难。2）、晶体管中、高频电源结构：类同晶闸管（可控硅）中频电源。优点：（克服可控硅电源的缺点）晶体管可以通过门极或基极控制通断，电源起动不受负载的影响，负载匹配比可控硅简单；它不需要关断时间，因此可以在谐振点工作，输出功率因素为1，功率最大限度地从直流电源传递到负载；并且在电流为另时换流，使开关损耗极少，效率提