箱式正火炉是工业领域用于金属工件 “正火处理” 的核心设备，其工作原理围绕 **“加热 - 保温 - 空冷”** 三大核心环节展开，通过精准控制温度、保温时间和冷却速度，调整工件内部的金相组织，最终实现 “细化晶粒、均匀组织、改善力学性能” 的目标。其原理并非简单的 “加热 + 冷却”，而是基于金属学中 “固态相变” 的科学规律，结合箱式结构的特点（密闭炉膛、均匀加热），形成标准化的热处理流程，具体可拆解为以下 4 个核心维度：
一、核心目标：明确正火处理的 “组织与性能需求”
在解析工作原理前，需先明确正火的核心目的 —— 正火属于 “临界区热处理”（加热温度高于钢的临界点 Ac3 或 Accm），主要解决工件锻造 / 铸造后的 “组织缺陷”（如晶粒粗大、组织不均、内应力大），为后续加工（如切削、淬火）或直接使用提供优质组织基础，具体目标包括：
细化晶粒：消除锻造 / 铸造后因高温导致的 “粗大晶粒”，通过相变重构形成细小均匀的晶粒（晶粒尺寸从 5 级细化至 8-9 级，按 GB/T 6394 标准），提升工件的强度与韧性；
均匀组织：改善工件内部 “组织偏析”（如合金元素分布不均、局部珠光体 / 铁素体比例失衡），形成均匀的珠光体 + 铁素体（亚共析钢）或索氏体（过共析钢）组织，确保力学性能（如硬度、冲击韧性）的一致性；
降低硬度：部分淬火后的工件硬度过高（如 HRC50 以上），无法进行切削加工，正火可通过空冷形成珠光体组织，将硬度降至 HB180-250（适合铣削、钻孔等加工）；
消除内应力：锻造 / 铸造过程中，工件内部因冷却速度不均产生 “内应力”（可能导致后续变形或开裂），正火通过加热至相变温度、保温释放应力、缓慢空冷，可消除 60%-80% 的内应力。
箱式正火炉的所有工作环节，均围绕上述目标设计，确保每一步工艺参数（温度、时间、冷却速度）精准匹配工件材质（如 45 钢、20CrMnTi）和技术要求。
二、核心流程：“装炉 - 加热 - 保温 - 冷却 - 出炉” 的全周期原理
箱式正火炉的工作过程是一个 “闭环工艺周期”，每个环节均有明确的作用机制，且环节间相互关联，共同决定正火质量。
1. 第一步：工件装炉 —— 确保 “受热均匀” 的基础
装炉环节虽不涉及相变，但直接影响后续加热与保温的均匀性，其原理核心是 “合理布件，避免遮挡与堆叠”：
装炉方式：工件需放置在炉内的 “耐热钢支架” 或 “料盘” 上，避免直接接触炉底（炉底温度可能因散热略低）；细长件（如轴类）通常 “水平分层摆放”，层间保留 10-20mm 间隙（便于热气流流通）；大件（如齿轮毛坯）需 “单独或对称摆放”，避免局部遮挡导致受热不均。
箱式结构优势：箱式正火炉的炉膛为 “矩形密闭空间”，炉壁四周均布置加热元件，且部分配备 “顶部或侧部循环风机”，装炉时合理布件可让热气流在工件间隙中均匀流动，避免卧式炉 “一端温度高、一端低” 的问题，确保工件表面温差≤±5℃。
装炉量控制：装炉量需匹配炉膛容积（通常不超过炉膛有效容积的 70%），若装炉过满，热气流无法流通，会导致工件 “心部与表面温差过大”（超过 30℃），相变不完全，最终组织不均。
2. 第二步：加热升温 —— 实现 “固态相变” 的核心环节
加热是正火的关键，需将工件加热至 “相变临界温度以上”（Ac3 或 Accm），让工件内部的 “珠光体 + 铁素体” 完全转变为 “奥氏体”（亚共析钢）或 “奥氏体 + 渗碳体”（过共析钢），其原理基于 **“钢的相变点规律”** 和 “加热速度控制”：
（1）加热温度的确定：精准匹配钢种的相变点
不同钢种的临界相变温度（Ac1、Ac3、Accm）不同，正火加热温度需严格基于此设定，避免温度过高或过低导致缺陷：
亚共析钢（如 45 钢、Q235）：加热温度需高于 Ac3（45 钢 Ac3 约为 830℃），通常取Ac3+30-50℃（如 45 钢正火温度为 860-880℃），确保铁素体完全溶解，形成单一奥氏体组织（若温度低于 Ac3，铁素体未完全溶解，冷却后仍有粗大铁素体，影响强度）；
过共析钢（如 T12 钢、9SiCr）：加热温度需高于 Accm（T12 钢 Accm 约为 890℃），通常取Accm+30-50℃（如 T12 钢正火温度为 920-940℃），确保渗碳体完全溶解，避免冷却后形成 “网状渗碳体”（导致韧性下降）；
合金钢（如 20CrMnTi、40Cr）：因合金元素（Cr、Mn、Ti）会提高相变点，加热温度需适当提高，如 20CrMnTi 正火温度为 950-980℃（Ac3 约为 920℃），确保奥氏体充分均匀化。
箱式正火炉通过 “PID 温控系统”（比例 - 积分 - 微分控制）实现温度精准控制，升温速度可预设（如 5-15℃/min），避免因升温过快导致工件 “内外温差过大”（产生热应力，甚至开裂）。
（2）加热速度的控制：平衡效率与工件质量
加热速度并非越快越好，需根据工件材质、尺寸和形状调整：
低碳钢 / 小件（如厚度＜20mm 的 45 钢钢板）：导热性好，可采用 “快速升温”（10-15℃/min），缩短工艺周期；
高碳钢 / 大件（如直径＞100mm 的 T12 钢轴）：导热性差，需采用 “慢速升温”（5-8℃/min），避免心部温度滞后表面过多，导致 “表面先相变、心部未相变” 的不均问题；
复杂形状件（如带孔的齿轮毛坯）：局部壁厚差异大（如齿部薄、轮毂厚），需采用 “阶梯升温”（先慢速升至 600-700℃，保温 10-20min，再快速升温至正火温度），平衡不同部位的温度差。
箱式正火炉的加热元件（通常为电阻丝、电阻带或硅碳棒）功率可分段调节，配合温控系统实现 “按需升温”，确保加热速度与工件特性匹配。
3. 第三步：保温阶段 —— 确保 “组织均匀化” 与 “应力释放”
保温的核心目的是 “让工件心部与表面温度一致，奥氏体组织充分均匀化，并释放内应力”，其原理基于 “原子扩散” 和 “组织重构”：
（1）保温时间的确定：基于 “工件有效厚度” 和 “钢种扩散速度”
保温时间并非固定值，需根据工件 “有效厚度”（最大散热厚度，如轴类取直径、板材取厚度）和钢种调整，通用计算公式为：保温时间（min）= 有效厚度（mm）× 系数（1.5-2.5 min/mm）
低碳钢 / 小件（有效厚度＜30mm）：系数取 1.5-2.0 min/mm（如 20mm 厚的 45 钢钢板，保温时间 = 20×2=40min）；
高碳钢 / 大件（有效厚度＞50mm）：系数取 2.0-2.5 min/mm（如 100mm 直径的 T12 钢轴，保温时间 = 100×2.5=250min）；
合金钢：因合金元素原子扩散速度慢，需适当延长保温时间（通常比同类碳钢长 20%-30%），如 100mm 直径的 40Cr 轴，保温时间 = 100×2.5×1.2=300min。
保温时间不足会导致：奥氏体未完全均匀化（冷却后组织不均）、内应力未充分释放（后续易变形）；保温时间过长则会导致：奥氏体晶粒粗大（冷却后珠光体晶粒也粗大，强度下降）、能源浪费。
（2）保温过程的组织变化：奥氏体均匀化与应力释放
组织均匀化：保温阶段，工件心部温度逐渐升至正火温度，残留的铁素体（亚共析钢）或渗碳体（过共析钢）完全溶解到奥氏体中，同时合金元素（如 Cr、Mn）在奥氏体内充分扩散，形成成分均匀的奥氏体组织（成分偏差≤0.1%）；
内应力释放：加热至高温时，金属原子热运动加剧，可通过 “位错滑移” 和 “晶界迁移” 释放锻造 / 铸造过程中产生的内应力，保温时间越长，应力释放越充分（但需控制在合理范围）。
箱式正火炉的炉膛密封性好（炉门配备耐高温密封圈），保温阶段炉内温度波动可控制在 ±1℃以内，确保奥氏体组织均匀化稳定进行。
4. 第四步：冷却阶段 —— 决定 “最终组织与性能” 的关键
正火与退火的核心区别在于 “冷却速度”：正火采用 “空冷”（在空气中自然冷却，冷却速度约 10-30℃/min），退火采用 “随炉冷”（冷却速度约 1-5℃/min），不同冷却速度决定最终组织与性能，其原理基于 **“奥氏体等温转变曲线（C 曲线）”**：
（1）空冷的组织转变过程
保温结束后，将工件从箱式正火炉中取出，在空气中冷却，奥氏体在冷却过程中按以下路径转变：
冷却至 Ac3 以下（亚共析钢）或 Accm 以下（过共析钢）：奥氏体开始不稳定，逐渐析出铁素体（亚共析钢）或渗碳体（过共析钢）；
冷却至 Ar1 以下（约 727℃）：剩余奥氏体快速转变为 “珠光体”（铁素体与渗碳体的层片状混合物）；
室温时：亚共析钢最终组织为 “细小珠光体 + 少量铁素体”，过共析钢为 “细小珠光体 + 少量粒状渗碳体”。
空冷的冷却速度较快（比随炉冷快 5-10 倍），可抑制奥氏体晶粒长大，同时让珠光体片层更细密（形成 “索氏体”，片层间距＜0.5μm），相比退火组织（珠光体片层粗，间距＞1μm），正火组织的强度和硬度更高（如 45 钢正火后硬度 HB220-250，退火后 HB180-220），韧性也更优。
（2）箱式炉的冷却辅助设计
为确保空冷均匀，箱式正火炉通常配备以下辅助结构：
炉门快速开启机构：部分大型箱式炉采用 “气动 / 液压炉门”，可在 10-20 秒内完全打开，避免工件在炉内滞留导致局部冷却缓慢；
工件摆放平台：炉外设有 “耐热钢平台”，工件取出后可均匀平铺在平台上，避免堆叠导致中心部位冷却慢（形成粗大组织）；
强制空冷装置（可选）：对于大件（如有效厚度＞150mm 的工件），单纯空冷可能导致心部冷却慢，可配备 “移动式风扇”，对工件表面进行强制空冷，确保心部与表面冷却速度差异≤5℃/min，避免组织不均。