钢在热处理中加热速度的确定

孙 光，侯海龙

(黑龙江省冶金研究所，哈尔滨150040)

钢在热处理中的加热速度是指钢在加热时单位时间内其表面温度升高的度数，单位为(℃/min)。有时也用加热单位厚度钢件所需的时间(min/cm)，或单位时间内加热钢件的厚度(cm/min)来表示。

生产中为了提高生产效率，总是希望快速加热工件，以提高炉子的单位生产率，使钢坯的氧化、脱碳减少，单位燃料消耗量降低。快速加热是提高炉子各项指标的重要措施之一，但在生产实践中，加热速度受到技术上可能达到的加热速度及具体工件所允许的加热速度这两个因素的限制。

1 加热设备的类型及功率的影响

热处理中使用的加热设备不同，加热速度也不同。浴炉的加热速度大于箱式炉的速度(大约快1倍)，而火焰炉的加热速度又大于电阻炉的加热速度(大约快1/3)。对于同一类型的设备来说，功率越大，即单位时间内可以供给的热量越多，其加热速度也将越大。此外，感应加热及穿透电流加热要比一般热处理炉的加热速度大得多。

2 工件尺寸的影响

在操作中如果加热速度控制不当，造成工件的内外温差过大，在工件的内部将产生较大的热应力，从而使工件出现变形或裂纹。对厚大工件来说，不仅受炉子供热能力的限制，而且还受到工件本身所允许的加热速度的限制。这种限制可归纳为在加热初期断面上温差的限制，在加热末期断面上烧透程度的限制和因炉温过高造成的加热缺陷的限制。

2.1 加热初期工件断面上温差的限制

在加热初期，工件表面与中心产生温差。表面的温度高，热膨胀较大;中心的温度低，热膨胀较小。而表面与中心是一个不可分割的金属整体，所以膨胀较小的中心部分将限制表面的膨胀，使工件表面承受压应力;同时，膨胀较大的表面部分将强迫中心部分一起膨胀，使中心受到拉应力。这种应力称为热应力。从断面上的应力分布可以看出，在表面与中心处的热应力都是最大的，在表面与中心之间的某个位置上的金属则既不受到压应力也不受到拉应力。

加热速度越大，内外温差越大，产生的热应力也越大。当热应力在钢的弹性极限以内时，对工件的质量没有影响，因为随着温度差的减小和消除，应力会自然消失。当热应力超过钢的弹性极限时，工件易发生塑性变形。当温差消除后热应力没有完全消失，会生成残留应力。如果热应力再大，超过了钢的强度极限时，则工件在加热过程中就会破裂，这时热应力对于工件中心的危害性更大，因为中心受的拉应力。一般钢的抗拉强度远低于其抗压强度，所以工件中心的热应力容易造成内裂。

根据上述分析，可概括出以下结论:

(1)在加热初期，限制加热速度的实质其实是减少热应力。加热速度越快，表面与中心的温度差越大，热应力越大，这种应力可能超过钢的强度极限，而造成工件的破裂。

(2)对于塑性好的金属，热应力只能引起塑性变形，危害不大。因此，低碳钢在500～600℃以上温度加热时，可以不考虑热应力的影响。

(3)允许的加热速度还与金属的物理性质(特别是导热性)、几何形状和尺寸有关，因此，对大的高碳钢和合金钢工件加热要特别小心，而对薄材则可以任意速度加热而不致发生开裂的危险。

2.2 加热末期工件断面上烧透程度的限制

在加热末期，工件断面同样具有温度差。加热速度越大，则形成的内外温度差越大。这种温度差可能超过所要求的烧透程度，而造成压力加工上的困难。因此，所要求的烧透程度往往限制了工件加热末期的加热速度。

但是，理论和实践都说明，为了保证所要求的最终温差而降低整个加热过程的加热速度是不合算的。因此，往往是用比较快的速度加热以后，为了减少温差可以降低加热速度或进行保温，以求得到内外温度均衡。

上述两个温差(加热初期为避免裂纹和开裂所允许的内外温差和加热末期因烧透程度要求的内外温差)都对加热速度有所限制，准确地控制工件达到所要求的加热温度需要一定的加热时间。一般低碳钢大都可以进行快速加热而不会给产品带来什么影响。但是，加热高碳钢和合金钢时，其加热速度就要受到一些限制。高碳钢和合金钢在500～600℃以上温度时易产生裂纹，所以加热速度的限制是很重要的。

3 实际生产中对加热速度的控制

实际生产中希望加热速度大一些，这样不仅可以节约热能，提高生产率，还可减少氧化、脱碳程度。在考虑钢件的加热速度时一般应注意以下几点:

(1)塑性好的钢材加热速度可大一些，反之，脆性大的钢材加热速度应相对减小。

(2)合金钢特别是高合金钢的加热速度不宜过快，在生产中常用预热的方式进行加热。

(3)大型工件断面大，所以工件内部存在偏析、夹杂、组织不均匀等缺陷以及残留应力的可能性也越大，故加热时多数采用阶梯式加热或缓慢加热，以限制加热速度。

(4)断面厚薄相差悬殊及形状复杂的工件由于易产生应力集中，难以做到均匀加热，所以要缓慢加热。

(5)若加热前工件存在较大的残留应力如铸锻件等，当加热产生的热应力与内应力方向一致时，容易导致工件变形开裂，因此，加热速度应小一些。

(6)固体渗碳、退火等工艺由于工艺本身及设备特点的限制，通常不采用快速加热。

(7)如果钢中成分偏析严重、夹杂物较多，可造成组织不均匀，导致钢中各部位导热性不一致，尤其是大块夹杂物与尖角状夹杂物，其尖端正是热应力所在之处，极易引起开裂。所以，对这类钢应缓慢加热。

(8)低于500℃加热时，钢的塑性较差，热应力及残留应力最易导致工件开裂;而在温度较高的情况下，由于钢的塑性较好，可以通过塑性变形改变内应力的大小及分布而不致开裂。所以，控制低温区的加热速度是很重要的。以50～100℃/min的速度加热时，实际上温差较小。预热也是一项有效的措施。

4 结语

虽然热处理中总是希望尽可能提高加热速度，但是在确定加热速度之前，除了要了解技术上可能达到的加热速度之外，还要掌握各具体工件所允许的加热速度这个重要因素，才能最终确定合理的加热速度。

［1］刘宗昌，赵莉萍等编著，《热处理工程师必备理论基础》，机械工业出版社