箱式正火爐是工業領域用于金屬工件 “正火處理” 的核心設備，其工作原理圍繞 **“加熱 - 保溫 - 空冷”** 三大核心環節展開，通過精準控制溫度、保溫時間和冷卻速度，調整工件內部的金相組織，最終實現 “細化晶粒、均勻組織、改善力學性能” 的目標。其原理并非簡單的 “加熱 + 冷卻”，而是基于金屬學中 “固態相變” 的科學規律，結合箱式結構的特點（密閉爐膛、均勻加熱），形成標準化的熱處理流程，具體可拆解為以下 4 個核心維度：
一、核心目標：明確正火處理的 “組織與性能需求”
在解析工作原理前，需先明確正火的核心目的 —— 正火屬于 “臨界區熱處理”（加熱溫度高于鋼的臨界點 Ac3 或 Accm），主要解決工件鍛造 / 鑄造后的 “組織缺陷”（如晶粒粗大、組織不均、內應力大），為后續加工（如切削、淬火）或直接使用提供優質組織基礎，具體目標包括：
細化晶粒：消除鍛造 / 鑄造后因高溫導致的 “粗大晶粒”，通過相變重構形成細小均勻的晶粒（晶粒尺寸從 5 級細化至 8-9 級，按 GB/T 6394 標準），提升工件的強度與韌性；
均勻組織：改善工件內部 “組織偏析”（如合金元素分布不均、局部珠光體 / 鐵素體比例失衡），形成均勻的珠光體 + 鐵素體（亞共析鋼）或索氏體（過共析鋼）組織，確保力學性能（如硬度、沖擊韌性）的一致性；
降低硬度：部分淬火后的工件硬度過高（如 HRC50 以上），無法進行切削加工，正火可通過空冷形成珠光體組織，將硬度降至 HB180-250（適合銑削、鉆孔等加工）；
消除內應力：鍛造 / 鑄造過程中，工件內部因冷卻速度不均產生 “內應力”（可能導致后續變形或開裂），正火通過加熱至相變溫度、保溫釋放應力、緩慢空冷，可消除 60%-80% 的內應力。
箱式正火爐的所有工作環節，均圍繞上述目標設計，確保每一步工藝參數（溫度、時間、冷卻速度）精準匹配工件材質（如 45 鋼、20CrMnTi）和技術要求。
二、核心流程：“裝爐 - 加熱 - 保溫 - 冷卻 - 出爐” 的全周期原理
箱式正火爐的工作過程是一個 “閉環工藝周期”，每個環節均有明確的作用機制，且環節間相互關聯，共同決定正火質量。
1. 第一步：工件裝爐 —— 確保 “受熱均勻” 的基礎
裝爐環節雖不涉及相變，但直接影響后續加熱與保溫的均勻性，其原理核心是 “合理布件，避免遮擋與堆疊”：
裝爐方式：工件需放置在爐內的 “耐熱鋼支架” 或 “料盤” 上，避免直接接觸爐底（爐底溫度可能因散熱略低）；細長件（如軸類）通常 “水平分層擺放”，層間保留 10-20mm 間隙（便于熱氣流流通）；大件（如齒輪毛坯）需 “單獨或對稱擺放”，避免局部遮擋導致受熱不均。
箱式結構優勢：箱式正火爐的爐膛為 “矩形密閉空間”，爐壁四周均布置加熱元件，且部分配備 “頂部或側部循環風機”，裝爐時合理布件可讓熱氣流在工件間隙中均勻流動，避免臥式爐 “一端溫度高、一端低” 的問題，確保工件表面溫差≤±5℃。
裝爐量控制：裝爐量需匹配爐膛容積（通常不超過爐膛有效容積的 70%），若裝爐過滿，熱氣流無法流通，會導致工件 “心部與表面溫差過大”（超過 30℃），相變不完全，最終組織不均。
2. 第二步：加熱升溫 —— 實現 “固態相變” 的核心環節
加熱是正火的關鍵，需將工件加熱至 “相變臨界溫度以上”（Ac3 或 Accm），讓工件內部的 “珠光體 + 鐵素體” 完全轉變為 “奧氏體”（亞共析鋼）或 “奧氏體 + 滲碳體”（過共析鋼），其原理基于 **“鋼的相變點規律”** 和 “加熱速度控制”：
（1）加熱溫度的確定：精準匹配鋼種的相變點
不同鋼種的臨界相變溫度（Ac1、Ac3、Accm）不同，正火加熱溫度需嚴格基于此設定，避免溫度過高或過低導致缺陷：
亞共析鋼（如 45 鋼、Q235）：加熱溫度需高于 Ac3（45 鋼 Ac3 約為 830℃），通常取Ac3+30-50℃（如 45 鋼正火溫度為 860-880℃），確保鐵素體完全溶解，形成單一奧氏體組織（若溫度低于 Ac3，鐵素體未完全溶解，冷卻后仍有粗大鐵素體，影響強度）；
過共析鋼（如 T12 鋼、9SiCr）：加熱溫度需高于 Accm（T12 鋼 Accm 約為 890℃），通常取Accm+30-50℃（如 T12 鋼正火溫度為 920-940℃），確保滲碳體完全溶解，避免冷卻后形成 “網狀滲碳體”（導致韌性下降）；
合金鋼（如 20CrMnTi、40Cr）：因合金元素（Cr、Mn、Ti）會提高相變點，加熱溫度需適當提高，如 20CrMnTi 正火溫度為 950-980℃（Ac3 約為 920℃），確保奧氏體充分均勻化。
箱式正火爐通過 “PID 溫控系統”（比例 - 積分 - 微分控制）實現溫度精準控制，升溫速度可預設（如 5-15℃/min），避免因升溫過快導致工件 “內外溫差過大”（產生熱應力，甚至開裂）。
（2）加熱速度的控制：平衡效率與工件質量
加熱速度并非越快越好，需根據工件材質、尺寸和形狀調整：
低碳鋼 / 小件（如厚度＜20mm 的 45 鋼鋼板）：導熱性好，可采用 “快速升溫”（10-15℃/min），縮短工藝周期；
高碳鋼 / 大件（如直徑＞100mm 的 T12 鋼軸）：導熱性差，需采用 “慢速升溫”（5-8℃/min），避免心部溫度滯后表面過多，導致 “表面先相變、心部未相變” 的不均問題；
復雜形狀件（如帶孔的齒輪毛坯）：局部壁厚差異大（如齒部薄、輪轂厚），需采用 “階梯升溫”（先慢速升至 600-700℃，保溫 10-20min，再快速升溫至正火溫度），平衡不同部位的溫度差。
箱式正火爐的加熱元件（通常為電阻絲、電阻帶或硅碳棒）功率可分段調節，配合溫控系統實現 “按需升溫”，確保加熱速度與工件特性匹配。
3. 第三步：保溫階段 —— 確保 “組織均勻化” 與 “應力釋放”
保溫的核心目的是 “讓工件心部與表面溫度一致，奧氏體組織充分均勻化，并釋放內應力”，其原理基于 “原子擴散” 和 “組織重構”：
（1）保溫時間的確定：基于 “工件有效厚度” 和 “鋼種擴散速度”
保溫時間并非固定值，需根據工件 “有效厚度”（最大散熱厚度，如軸類取直徑、板材取厚度）和鋼種調整，通用計算公式為：保溫時間（min）= 有效厚度（mm）× 系數（1.5-2.5 min/mm）
低碳鋼 / 小件（有效厚度＜30mm）：系數取 1.5-2.0 min/mm（如 20mm 厚的 45 鋼鋼板，保溫時間 = 20×2=40min）；
高碳鋼 / 大件（有效厚度＞50mm）：系數取 2.0-2.5 min/mm（如 100mm 直徑的 T12 鋼軸，保溫時間 = 100×2.5=250min）；
合金鋼：因合金元素原子擴散速度慢，需適當延長保溫時間（通常比同類碳鋼長 20%-30%），如 100mm 直徑的 40Cr 軸，保溫時間 = 100×2.5×1.2=300min。
保溫時間不足會導致：奧氏體未完全均勻化（冷卻后組織不均）、內應力未充分釋放（后續易變形）；保溫時間過長則會導致：奧氏體晶粒粗大（冷卻后珠光體晶粒也粗大，強度下降）、能源浪費。
（2）保溫過程的組織變化：奧氏體均勻化與應力釋放
組織均勻化：保溫階段，工件心部溫度逐漸升至正火溫度，殘留的鐵素體（亞共析鋼）或滲碳體（過共析鋼）完全溶解到奧氏體中，同時合金元素（如 Cr、Mn）在奧氏體內充分擴散，形成成分均勻的奧氏體組織（成分偏差≤0.1%）；
內應力釋放：加熱至高溫時，金屬原子熱運動加劇，可通過 “位錯滑移” 和 “晶界遷移” 釋放鍛造 / 鑄造過程中產生的內應力，保溫時間越長，應力釋放越充分（但需控制在合理范圍）。
箱式正火爐的爐膛密封性好（爐門配備耐高溫密封圈），保溫階段爐內溫度波動可控制在 ±1℃以內，確保奧氏體組織均勻化穩定進行。
4. 第四步：冷卻階段 —— 決定 “最終組織與性能” 的關鍵
正火與退火的核心區別在于 “冷卻速度”：正火采用 “空冷”（在空氣中自然冷卻，冷卻速度約 10-30℃/min），退火采用 “隨爐冷”（冷卻速度約 1-5℃/min），不同冷卻速度決定最終組織與性能，其原理基于 **“奧氏體等溫轉變曲線（C 曲線）”**：
（1）空冷的組織轉變過程
保溫結束后，將工件從箱式正火爐中取出，在空氣中冷卻，奧氏體在冷卻過程中按以下路徑轉變：
冷卻至 Ac3 以下（亞共析鋼）或 Accm 以下（過共析鋼）：奧氏體開始不穩定，逐漸析出鐵素體（亞共析鋼）或滲碳體（過共析鋼）；
冷卻至 Ar1 以下（約 727℃）：剩余奧氏體快速轉變為 “珠光體”（鐵素體與滲碳體的層片狀混合物）；
室溫時：亞共析鋼最終組織為 “細小珠光體 + 少量鐵素體”，過共析鋼為 “細小珠光體 + 少量粒狀滲碳體”。
空冷的冷卻速度較快（比隨爐冷快 5-10 倍），可抑制奧氏體晶粒長大，同時讓珠光體片層更細密（形成 “索氏體”，片層間距＜0.5μm），相比退火組織（珠光體片層粗，間距＞1μm），正火組織的強度和硬度更高（如 45 鋼正火后硬度 HB220-250，退火后 HB180-220），韌性也更優。
（2）箱式爐的冷卻輔助設計
為確保空冷均勻，箱式正火爐通常配備以下輔助結構：
爐門快速開啟機構：部分大型箱式爐采用 “氣動 / 液壓爐門”，可在 10-20 秒內完全打開，避免工件在爐內滯留導致局部冷卻緩慢；
工件擺放平臺：爐外設有 “耐熱鋼平臺”，工件取出后可均勻平鋪在平臺上，避免堆疊導致中心部位冷卻慢（形成粗大組織）；
強制空冷裝置（可選）：對于大件（如有效厚度＞150mm 的工件），單純空冷可能導致心部冷卻慢，可配備 “移動式風扇”，對工件表面進行強制空冷，確保心部與表面冷卻速度差異≤5℃/min，避免組織不均。
