鋼在熱處理中加熱速度的確定

孫 光，侯海龍

(黑龍江省冶金研究所，哈爾濱150040)

鋼在熱處理中的加熱速度是指鋼在加熱時(shí)單位時(shí)間內(nèi)其表面溫度升高的度數(shù)，單位為(℃/min)。有時(shí)也用加熱單位厚度鋼件所需的時(shí)間(min/cm)，或單位時(shí)間內(nèi)加熱鋼件的厚度(cm/min)來(lái)表示。

生產(chǎn)中為了提高生產(chǎn)效率，總是希望快速加熱工件，以提高爐子的單位生產(chǎn)率，使鋼坯的氧化、脫碳減少，單位燃料消耗量降低?？焖偌訜崾翘岣郀t子各項(xiàng)指標(biāo)的重要措施之一，但在生產(chǎn)實(shí)踐中，加熱速度受到技術(shù)上可能達(dá)到的加熱速度及具體工件所允許的加熱速度這兩個(gè)因素的限制。

1 加熱設(shè)備的類(lèi)型及功率的影響

熱處理中使用的加熱設(shè)備不同，加熱速度也不同。浴爐的加熱速度大于箱式爐的速度(大約快1倍)，而火焰爐的加熱速度又大于電阻爐的加熱速度(大約快1/3)。對(duì)于同一類(lèi)型的設(shè)備來(lái)說(shuō)，功率越大，即單位時(shí)間內(nèi)可以供給的熱量越多，其加熱速度也將越大。此外，感應(yīng)加熱及穿透電流加熱要比一般熱處理爐的加熱速度大得多。

2 工件尺寸的影響

在操作中如果加熱速度控制不當(dāng)，造成工件的內(nèi)外溫差過(guò)大，在工件的內(nèi)部將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而使工件出現(xiàn)變形或裂紋。對(duì)厚大工件來(lái)說(shuō)，不僅受爐子供熱能力的限制，而且還受到工件本身所允許的加熱速度的限制。這種限制可歸納為在加熱初期斷面上溫差的限制，在加熱末期斷面上燒透程度的限制和因爐溫過(guò)高造成的加熱缺陷的限制。

2.1 加熱初期工件斷面上溫差的限制

在加熱初期，工件表面與中心產(chǎn)生溫差。表面的溫度高，熱膨脹較大;中心的溫度低，熱膨脹較小。而表面與中心是一個(gè)不可分割的金屬整體，所以膨脹較小的中心部分將限制表面的膨脹，使工件表面承受壓應(yīng)力;同時(shí)，膨脹較大的表面部分將強(qiáng)迫中心部分一起膨脹，使中心受到拉應(yīng)力。這種應(yīng)力稱(chēng)為熱應(yīng)力。從斷面上的應(yīng)力分布可以看出，在表面與中心處的熱應(yīng)力都是最大的，在表面與中心之間的某個(gè)位置上的金屬則既不受到壓應(yīng)力也不受到拉應(yīng)力。

加熱速度越大，內(nèi)外溫差越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力也越大。當(dāng)熱應(yīng)力在鋼的彈性極限以?xún)?nèi)時(shí)，對(duì)工件的質(zhì)量沒(méi)有影響，因?yàn)殡S著溫度差的減小和消除，應(yīng)力會(huì)自然消失。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)鋼的彈性極限時(shí)，工件易發(fā)生塑性變形。當(dāng)溫差消除后熱應(yīng)力沒(méi)有完全消失，會(huì)生成殘留應(yīng)力。如果熱應(yīng)力再大，超過(guò)了鋼的強(qiáng)度極限時(shí)，則工件在加熱過(guò)程中就會(huì)破裂，這時(shí)熱應(yīng)力對(duì)于工件中心的危害性更大，因?yàn)橹行氖艿睦瓚?yīng)力。一般鋼的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，所以工件中心的熱應(yīng)力容易造成內(nèi)裂。

根據(jù)上述分析，可概括出以下結(jié)論:

(1)在加熱初期，限制加熱速度的實(shí)質(zhì)其實(shí)是減少熱應(yīng)力。加熱速度越快，表面與中心的溫度差越大，熱應(yīng)力越大，這種應(yīng)力可能超過(guò)鋼的強(qiáng)度極限，而造成工件的破裂。

(2)對(duì)于塑性好的金屬，熱應(yīng)力只能引起塑性變形，危害不大。因此，低碳鋼在500～600℃以上溫度加熱時(shí)，可以不考慮熱應(yīng)力的影響。

(3)允許的加熱速度還與金屬的物理性質(zhì)(特別是導(dǎo)熱性)、幾何形狀和尺寸有關(guān)，因此，對(duì)大的高碳鋼和合金鋼工件加熱要特別小心，而對(duì)薄材則可以任意速度加熱而不致發(fā)生開(kāi)裂的危險(xiǎn)。

2.2 加熱末期工件斷面上燒透程度的限制

在加熱末期，工件斷面同樣具有溫度差。加熱速度越大，則形成的內(nèi)外溫度差越大。這種溫度差可能超過(guò)所要求的燒透程度，而造成壓力加工上的困難。因此，所要求的燒透程度往往限制了工件加熱末期的加熱速度。

但是，理論和實(shí)踐都說(shuō)明，為了保證所要求的最終溫差而降低整個(gè)加熱過(guò)程的加熱速度是不合算的。因此，往往是用比較快的速度加熱以后，為了減少溫差可以降低加熱速度或進(jìn)行保溫，以求得到內(nèi)外溫度均衡。

上述兩個(gè)溫差(加熱初期為避免裂紋和開(kāi)裂所允許的內(nèi)外溫差和加熱末期因燒透程度要求的內(nèi)外溫差)都對(duì)加熱速度有所限制，準(zhǔn)確地控制工件達(dá)到所要求的加熱溫度需要一定的加熱時(shí)間。一般低碳鋼大都可以進(jìn)行快速加熱而不會(huì)給產(chǎn)品帶來(lái)什么影響。但是，加熱高碳鋼和合金鋼時(shí)，其加熱速度就要受到一些限制。高碳鋼和合金鋼在500～600℃以上溫度時(shí)易產(chǎn)生裂紋，所以加熱速度的限制是很重要的。

3 實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)加熱速度的控制

實(shí)際生產(chǎn)中希望加熱速度大一些，這樣不僅可以節(jié)約熱能，提高生產(chǎn)率，還可減少氧化、脫碳程度。在考慮鋼件的加熱速度時(shí)一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)塑性好的鋼材加熱速度可大一些，反之，脆性大的鋼材加熱速度應(yīng)相對(duì)減小。

(2)合金鋼特別是高合金鋼的加熱速度不宜過(guò)快，在生產(chǎn)中常用預(yù)熱的方式進(jìn)行加熱。

(3)大型工件斷面大，所以工件內(nèi)部存在偏析、夾雜、組織不均勻等缺陷以及殘留應(yīng)力的可能性也越大，故加熱時(shí)多數(shù)采用階梯式加熱或緩慢加熱，以限制加熱速度。

(4)斷面厚薄相差懸殊及形狀復(fù)雜的工件由于易產(chǎn)生應(yīng)力集中，難以做到均勻加熱，所以要緩慢加熱。

(5)若加熱前工件存在較大的殘留應(yīng)力如鑄鍛件等，當(dāng)加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力方向一致時(shí)，容易導(dǎo)致工件變形開(kāi)裂，因此，加熱速度應(yīng)小一些。

(6)固體滲碳、退火等工藝由于工藝本身及設(shè)備特點(diǎn)的限制，通常不采用快速加熱。

(7)如果鋼中成分偏析嚴(yán)重、夾雜物較多，可造成組織不均勻，導(dǎo)致鋼中各部位導(dǎo)熱性不一致，尤其是大塊夾雜物與尖角狀?yuàn)A雜物，其尖端正是熱應(yīng)力所在之處，極易引起開(kāi)裂。所以，對(duì)這類(lèi)鋼應(yīng)緩慢加熱。

(8)低于500℃加熱時(shí)，鋼的塑性較差，熱應(yīng)力及殘留應(yīng)力最易導(dǎo)致工件開(kāi)裂;而在溫度較高的情況下，由于鋼的塑性較好，可以通過(guò)塑性變形改變內(nèi)應(yīng)力的大小及分布而不致開(kāi)裂。所以，控制低溫區(qū)的加熱速度是很重要的。以50～100℃/min的速度加熱時(shí)，實(shí)際上溫差較小。預(yù)熱也是一項(xiàng)有效的措施。

4 結(jié)語(yǔ)

雖然熱處理中總是希望盡可能提高加熱速度，但是在確定加熱速度之前，除了要了解技術(shù)上可能達(dá)到的加熱速度之外，還要掌握各具體工件所允許的加熱速度這個(gè)重要因素，才能最終確定合理的加熱速度。

［1］劉宗昌，趙莉萍等編著，《熱處理工程師必備理論基礎(chǔ)》，機(jī)械工業(yè)出版社