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)。對于同一類型的設(shè)備來說，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。對厚大工件來說，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內(nèi)時(shí)，對工件的質(zhì)量沒有影響，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)力沒有完全消失，會(huì)生成殘留應(yīng)力。如果熱應(yīng)力再大，超過了鋼的強(qiáng)度極限時(shí)，則工件在加熱過程中就會(huì)破裂，這時(shí)熱應(yīng)力對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)力可能超過鋼的強(qiáng)度極限，而造成工件的破裂。

(2)對于塑性好的金屬，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，對大的高碳鋼和合金鋼工件加熱要特別小心，而對薄材則可以任意速度加熱而不致發(fā)生開裂的危險(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)踐都說明，為了保證所要求的最終溫差而降低整個(gè)加熱過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)相對減小。

(2)合金鋼特別是高合金鋼的加熱速度不宜過快，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，極易引起開裂。所以，對這類鋼應(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)致工件開裂;而在溫度較高的情況下，由于鋼的塑性較好，可以通過塑性變形改變內(nèi)應(yīng)力的大小及分布而不致開裂。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

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