真空热处理加热滞后时间的研究

wanglinyou

真空热处理加热滞后时间的研究
摘要：简要介绍了真空热处理加热滞后时间的计算方法，为准确、合理地确定真空热处理加热保温时间提供了理论基础。
关键词：真空热处理；加热滞后时间

1 前言

真空热处理以辐射加热为主，其特点是炉膛升温速度比工件升温速度快得多。一方面由于炉膛的隔热材料大多采用石墨毡和陶瓷纤维，这类材料的热容量小，保温性能好，因此，炉膛的热惯性小，升温速度快。另一方面，由于炉内气体极为稀薄，加热元件对工件的传热方式以辐射传热为主，对流传热作用极其微弱，所以，工件的升温速度很慢。故存在加热滞后时间的问题。真空热处理加热保温时间实际上是由以下两部分组成的，一是工件透烧时间（即温度均匀化时间，也就是我们所讨论的加热滞后时间；，二是组织转变的时间。任何方式的热处理加热保温时间实际上均是由这两部分构成的，只不过由于真空热处理的加热方式很特殊，所以使第一部分（即加热滞后时间）成为比较突出的问题。

2 影响加热滞后时间的主要因素

影响工件在真空炉中加热滞后时间的因素有工件的材料、尺寸、形状和表面光亮度，以及加热温度与加热方式、装炉量与装炉方式等。本试验是在WZC-30G真空炉上进行的。

2.1 加热温度的影响

40CrMnSiMoVA超高强度钢在加热温度分别为920℃、900℃、870℃，试样尺寸为φ50mmX150mm，仅装1件试样，且跟踪热电偶插在试样心部的试验条件下，采用的加热曲线示于图1。由于加热元件的辐射能量与其绝对温度的四次方成正比，因此，温度越高，辐射效率越高，工件的加热滞后时间也就越短，工件的升温速度也就越快。


2.2 加热方式的影响

40CrMnSiMoVA超高强度钢在加热温度为920℃，试样尺寸为φ35mmX105mm，分装两层，如图2所示，且上、下两层的4号试样的上部与外表面分别固定一支跟踪热电偶。每层7件，共重10kg的试验条件下，采用不同加热方式获得的加热曲线示于图3-图5。


无论预热或不预热，试样的升温速率均滞后于炉膛的升温速率；中心试样的升温速率滞后于外部试样的升温速率。采取预热方式，可减少工件截面上的温差以及工件与炉膛之间的温差，在其后的升温过程中，使工件的温度很快接近炉温，有利于减少热应力和变形。








根据真空加热的特点，导热性差的不锈钢、高温合金等材料和含碳量高于0.4%的结构钢、工模具钢等，截面厚度变化大或者有尖角及形状复杂的工件，硬度>35HRC的工件，为减少变形与开裂的危险，都应采取预热方式进行加热。加热温度低的，可采取650-700℃预热一次；加热温度高的可采取650-700℃和850-900℃二次预热。预热时间应保证工件有效截面达到加热温度，一般取保温时间的0.5-1倍，或者通过实测来决定。

2.3 尺寸的影响

40CrMnSiMoVA钢不同尺寸试样的单件加热曲线（加热温度为920℃）示于图6。图6表明：直径越大，加热滞后时间就越长。因此真空热处理时，不同尺寸或形状的工件不宜混装在一起进行加热。需要混装时，应以有效厚度最大的工件到温为准，确定加热时间。


比较图3与图6可以看出：装炉量大的加热滞后时间比装炉量少的加热滞后时间长，因此，装炉量应适当，尽量散放，以减少工件加热时的互相屏蔽，使加热更均匀。

3 加热滞后时间的确定

由于工件在真空中加热的升温速率比在箱式空气炉中加热慢，比在盐浴炉中加热更慢，因此，不能沿用空气炉或盐浴炉的加热时间做为真空热处理的加热时间。只有在确定加热滞后时间后，再加上常规的组织均匀化时间，才可最终确定真空热处理的加热时间。加热滞后时间的确定办法如下所述。

3.1 在工件上直接连接跟踪热电偶（实测法）

这种办法可以准确地指示工件到温时间，即可准确地测定工件的加热滞后时间。它适用于在室温下装出炉的单室真空炉中进行的真空退火、真空回火和真空正压气淬等工艺。

3.2 实际测定特定条件下的加热时间（模拟法）

实际测定几种具有代表性的工件厚度、加热温度、装炉量与装炉方式等的加热曲线，测定出相应的加热滞后时间。以后在生产中，根据工件的材料、厚度、加热温度、装炉方式与装炉量等因素来选用条件最相近（就高不就低）的实测加热曲线，确定加热滞后时间。

3.3 将空气炉的保温时间延长50%（经验法）

如果没有实测的加热曲线可供选用，那么，将空气炉的保温时间延长50%，作为对工件的加热滞后时间的补偿。如果工件是在7.5X104以上的充气压强下进行加热，则视同在空气中进行加热，时间不需补偿。

4 结论

（1）影响工件在真空炉中加热滞后时间的因素主要有加热温度、加热方式、装炉量及装炉方式等。
（2）真空热处理加热滞后时间的确定，可采用实测法、模拟法和经验法。
（3）只有准确、合理地确定真空热处理加热滞后时间，才能保证真空热处理的工件质量满足相关技术文件的要求，而且可以提高经济效益。