2.1 工具用鋼的加熱

2.1.1 加熱方式

加熱是熱處理第一大環(huán)節(jié)，采用何種方式加熱應(yīng)根據(jù)具體情況而定。工具鋼常用的加熱方式有以下幾種。

1.空氣加熱

在空氣中加熱的設(shè)備主要有箱式電阻爐、井式電阻爐、網(wǎng)帶爐等，可進(jìn)行退火、正火、調(diào)質(zhì)、淬火等熱處理。

2.鹽浴加熱

與空氣加熱比較，鹽浴加熱有突出的優(yōu)點(diǎn)：工件的氧化脫碳少，高溫加熱性能好；加熱速度快；可對(duì)工件施行局部加熱。鹽浴爐爐溫均勻性較好；熱容量大且爐溫波動(dòng)性小，易實(shí)現(xiàn)恒溫加熱；可進(jìn)行滲碳、滲硼、滲金屬等化學(xué)熱處理；它不僅加熱性能好，而且還是目前熱處理工藝中等溫淬火及分級(jí)淬火的唯一常規(guī)冷卻設(shè)備。

3.真空加熱

真空加熱具有無氧化、無脫碳、脫氣、脫脂、表面質(zhì)量好、畸變小、熱處理工件綜合力學(xué)性能優(yōu)異、使用壽命長(zhǎng)、無污染無公害、自動(dòng)化程度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，幾十年來一直是熱處理加熱設(shè)備發(fā)展的熱點(diǎn)。真空熱處理爐可用于淬火、回火，以及滲碳等化學(xué)熱處理。

4.感應(yīng)加熱

感應(yīng)加熱按頻率分為高頻感應(yīng)加熱、中頻感應(yīng)加熱、超音頻感應(yīng)加熱、工頻感應(yīng)加熱四種，主要用于淬火加熱。

5.火焰加熱

火焰加熱主要用于淬火，也可用于退火及快速回火。火焰淬火屬于表面淬火工藝之一。熱源是燃燒著的火焰，加熱方式是用火焰噴嘴加熱工件表層，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、方法靈活、投資少、對(duì)工作場(chǎng)地要求不高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)單件、小批量、多品種、淬硬層深度要求深的工件，利用火焰淬火能獲得滿意的效果。

6.可控氣氛加熱

在可控氣氛中加熱，可以極大地提高工模具的熱處理質(zhì)量，其突出的優(yōu)點(diǎn)可以概括為：可以進(jìn)行無氧化和無脫碳加熱，實(shí)現(xiàn)光亮淬火；能實(shí)現(xiàn)可控的碳氮共滲等多種化學(xué)熱處理；對(duì)于已微脫碳的工件可進(jìn)行補(bǔ)碳處理；也可進(jìn)行脫碳退火（應(yīng)用于硅鋼帶）；機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力和熱處理質(zhì)量的穩(wěn)定性大為提高。

7.高能束加熱

高能束熱處理是指供給工件表面不小于10³W/cm²的功率密度的熱處理加熱方式。采用的熱源有激光、電子束、離子束、電火花、太陽(yáng)能和同步輻射等。

2.1.2 加熱時(shí)間的計(jì)算

加熱時(shí)間包括從室溫到爐溫儀表指示達(dá)到所需溫度的升溫時(shí)間、工件表面和心部溫度均勻所需的均溫時(shí)間，以及工件內(nèi)外達(dá)到溫度后為了完成相變所需的保溫時(shí)間三個(gè)部分。

1.加熱時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

為了計(jì)算方便，生產(chǎn)實(shí)踐中經(jīng)常采用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算加熱時(shí)間，計(jì)算的依據(jù)是工件的有效厚度。工件有效厚度的確定方法為：①圓柱形工件按直徑計(jì)算。②管形（空心圓柱件）工件：當(dāng)高度/壁厚≥1.5時(shí)，以1.5×壁厚計(jì)算；高度/壁厚≤1.5時(shí)，以高度計(jì)算；當(dāng)外徑/內(nèi)徑>7時(shí)，以實(shí)心圓柱體計(jì)算。③空心內(nèi)圓錐體以外徑×0.8計(jì)算。

加熱時(shí)間的計(jì)算公式為t=aKD

式中t——加熱時(shí)（min或s）；

a——加熱系數(shù)（min/mm或s/mm），見表2-1；

K——工件裝爐修正系數(shù)，通常取1～1.5；

D——工件有效厚度（mm）。

表2-1 加熱系數(shù)（單位：min/mm）

2.加熱時(shí)間的簡(jiǎn)易計(jì)算

常用的加熱時(shí)間簡(jiǎn)易計(jì)算表見表2-2。

表2-2 常用的加熱時(shí)間簡(jiǎn)易計(jì)算表

（續(xù)）

注：當(dāng)爐溫達(dá)到工藝溫度時(shí)入爐，開始計(jì)算加熱時(shí)間。

2.1.3 鹽浴加熱

鹽浴加熱時(shí)，由于工件與空氣隔絕，可以有效地防止工件氧化和脫碳。此外，鹽浴加熱還有加熱速度快、加熱均勻、變形小、加熱溫度范圍寬、可局部加熱等特點(diǎn)，適于多品種、小批量生產(chǎn)。常用鹽浴成分、特點(diǎn)及用途見表2-3。

表2-3 常用鹽浴成分、特點(diǎn)及用途

（續(xù)）

2.1.4 真空加熱

真空加熱比鹽浴加熱工藝系數(shù)要復(fù)雜些，制訂真空加熱工藝時(shí)考慮的主要工藝參數(shù)如下：

1.真空度

真空熱處理時(shí)，工作真空度要根據(jù)所處理的工件材料和加熱溫度來選擇，首先要滿足無氧化加熱所需的工作真空度，再綜合考慮表面光亮度、除氣和合金元素蒸發(fā)等因素。常用工具鋼在真空熱處理時(shí)推薦的真空度見表2-4。

表2-4 常用工具鋼在真空熱處理時(shí)推薦的真空度

2.溫度

真空加熱是以輻射傳熱為主，在700℃以下輻射效率很低，工件的溫度滯后于爐膛的溫度。因此，真空加熱需通過多段預(yù)熱來減少工件溫度的滯后，特別對(duì)形狀復(fù)雜的大尺寸工件，進(jìn)行多段預(yù)熱尤為重要。淬火加熱溫度一般取鹽浴處理溫度的中下限。真空淬火加熱及預(yù)熱溫度見表2-5。

表2-5 真空淬火加熱及預(yù)熱溫度

3.時(shí)間

在周期作業(yè)的真空爐中，影響加熱時(shí)間的因素比較多，如爐膛結(jié)構(gòu)尺寸、裝爐量、工件形狀和尺寸、加熱溫度、加熱速度以及預(yù)熱工藝等。一般都通過試驗(yàn)方法得出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。

根據(jù)爐溫和被加熱工件表面與心部的溫度曲線可知，在周期作業(yè)真空爐中總的加熱時(shí)間為

t_總=t_升+t_均+t_保

式中t_升——工件加熱時(shí)，爐膛到達(dá)工藝溫度指示所需的時(shí)間；

t_均——工件均熱時(shí)間，可按經(jīng)驗(yàn)公式t_均=a′D估算（a′為透熱系數(shù)，見表2-6，D為有效厚度）；

t_保——合金元素在奧氏體中充分溶解的時(shí)間。

表2-6 真空加熱透熱系數(shù)a′的確定

注：若不經(jīng)預(yù)熱直接加熱時(shí)，透熱系數(shù)a′應(yīng)增大15%～20%。

t_保取決于鋼的成分、原始組織及特殊工藝的要求等。碳鋼加熱到溫并均勻化后，就基本上完成了奧氏體轉(zhuǎn)變，在該溫度下僅需停留幾分鐘甚至零保溫也可淬火（加熱溫度需取中上限）。合金鋼特別是高合金鋼，則需一定的保溫時(shí)間（30min左右）。真空回火加熱需要充分的保溫，一般需1h即可使碳化物充分析出。

為了提高真空熱處理的生產(chǎn)率，克服真空爐在低溫預(yù)熱階段升溫速度慢的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外真空爐多數(shù)設(shè)有可對(duì)流的加熱裝置，可使生產(chǎn)周期縮短1/3～1/2。