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選擇合適的特種真空爐
2024-07-18
涉及真空熱處理的應(yīng)用通常出于以下原因之一：
- 只能在真空中完成的過程;
- 從冶金角度來看，在真空中可以更好地完成的工藝;
- 從經(jīng)濟(jì)角度來看，在真空條件下可以更好地完成的工藝;
- 從表面光潔度的角度來看，在真空下可以更好地完成工藝。
所有常見(以及一些不常見)的熱處理工藝都可以在真空下進(jìn)行，從退火和釬焊到燒結(jié)和回火。許多目前外包真空熱處理的公司都在思考，在內(nèi)部建立這種能力是否更好。其他已經(jīng)擁有內(nèi)部熱處理部門的公司則想知道，轉(zhuǎn)向真空處理是否會為他們帶來競爭優(yōu)勢。本文將幫助解答這些問題。
真空爐通常以其裝載方式(水平或垂直)以及內(nèi)部裝載移動方式為特征，分為間歇式或連續(xù)式(即多室式)。各種爐子的尺寸、生產(chǎn)能力和功能配置幾乎無窮無盡，在其他地方有詳細(xì)介紹。由于大多數(shù)真空爐的預(yù)期壽命為 40-50 年，因此決定購買什么以及從誰那里購買變得非常重要。
特定真空爐運(yùn)行特定熱處理工藝所需的特性通常取決于希望實現(xiàn)的結(jié)果、要運(yùn)行的零部件的類型和幾何形狀、生產(chǎn)率要求、負(fù)載的物理尺寸、要達(dá)到的壓力和溫度以及用于冷卻負(fù)載的介質(zhì)(氣體或油)。重要的是要認(rèn)識到，為一種應(yīng)用設(shè)計的爐子在其使用壽命期間很可能用于許多其他應(yīng)用。因此，在功能和選項方面具有最大的靈活性是非?？扇〉?。
熔爐設(shè)計與建造
真空爐的主要部件有：
- 真空容器;
- 泵送系統(tǒng);
- 加熱室/熱區(qū);
- 淬火/冷卻系統(tǒng);
- 真空和溫度控制。
真空爐容器可分為所謂的熱壁和冷壁設(shè)計，后者是常見的。典型的熱壁爐有一個通常由金屬或陶瓷制成的蒸餾器，具體取決于溫度。加熱系統(tǒng)通常位于蒸餾器外部，由電阻加熱元件或感應(yīng)線圈組成。這種蒸餾器式爐的局限性在于加熱區(qū)的尺寸有限，金屬蒸餾器的溫度范圍有限，通常最高限制為 1100°C (2000°F)。對于冷壁爐，真空容器用冷卻介質(zhì)(通常是處理過的水)冷卻，并在高溫操作期間保持在接近環(huán)境溫度。
抽氣系統(tǒng)是真空系統(tǒng)的核心。大多數(shù)真空系統(tǒng)都配有機(jī)械泵，它們能夠抵抗大氣背壓，而增壓泵則用于提高抽氣速度以及可達(dá)到的真空度。擴(kuò)散泵是一種流行的選擇，有助于達(dá)到極低真空度，而其他類型的泵(渦輪分子泵、低溫泵)則用于達(dá)到超低真空范圍。
熱區(qū)設(shè)計因隔熱類型和建筑材料而異。一般可分為以下幾類：
- 全金屬(輻射屏蔽或屏蔽包)
- 組合(內(nèi)部金屬屏蔽由陶瓷或石墨絕緣層隔開或支撐)
- 全石墨(板、纖維、碳-碳復(fù)合材料)
- 全陶瓷纖維
數(shù)千小時的運(yùn)行服務(wù)已證實，石墨隔熱材料(氈或板)適用于幾乎所有高真空應(yīng)用，包括高級高溫合金的釬焊。當(dāng)與碳-碳復(fù)合材料的熱面結(jié)合時，可實現(xiàn)最大熱區(qū)壽命，尤其是在高壓氣淬和釬焊爐中。
絕緣層可能會破裂或產(chǎn)生縫隙，輻射能可能會從縫隙中泄漏。結(jié)構(gòu)必須簡單，并允許緊固系統(tǒng)避免傳導(dǎo)熱損失，同時保持組件的剛性。熱區(qū)上部結(jié)構(gòu)可以像鋼膨脹金屬網(wǎng)一樣簡單，也可以像實心不銹鋼外殼一樣復(fù)雜，后者具有不生銹和隨后不會排氣的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵因素是幫助確保工作負(fù)荷區(qū)域的溫度均勻性，并最大限度地減少外殼的熱量損失。
熱區(qū)設(shè)計中的另一個重要因素是熱膨脹和收縮，這在當(dāng)今的高壓氣體淬火設(shè)計中尤為重要。在設(shè)計階段必須仔細(xì)考慮膨脹率和溫度，以便在元件支撐、噴嘴或約束系統(tǒng)周圍留出適當(dāng)?shù)拈g隙，從而使絕緣層保持平坦，并盡量減少彎曲或開裂。
大多數(shù)真空爐都是電加熱的。電阻加熱元件由各種樣式的金屬或石墨制成。以下元件材料很常見：不銹鋼合金(300 系列)，溫度可達(dá) 760°C (1400°F);鎳/鉻和鐵鋁基合金，溫度可達(dá) 900°C (1650°F);Inconel ®和其他鎳合金，溫度可達(dá) 1150°C (2100°F);碳化硅 (SiC)，工作溫度可達(dá) 1090°C (2000°F);鉬，溫度可達(dá) 1700°C (3100°F);石墨，溫度可達(dá) 2000°C (3630°F);鉭，通?？蛇_(dá) 2400°C (4350°F);鎢，溫度可達(dá) 2800°C (5075°F)。
加熱元件材料的選擇在很大程度上取決于工作溫度。對于鋁釬焊或真空回火等低溫操作，可以使用廉價的不銹鋼或鎳鉻合金作為加熱元件。對于淬火或釬焊等高溫通用熱處理應(yīng)用，石墨或鉬是元件材料的流行選擇。輕質(zhì)、彎曲的石墨元件在真空爐中越來越受歡迎。這些元件具有熱質(zhì)量較低和結(jié)構(gòu)完整性極佳的優(yōu)勢。對于 1480°C (2700°F) 以上的特殊熱處理應(yīng)用，石墨或難熔金屬(鉭、鎢)是流行選擇。其他工藝(例如低壓真空滲碳)使用石墨或碳化硅元件。
淬火(冷卻)系統(tǒng)通常為油或(高壓)氣體。許多公司使用油淬火來實現(xiàn)一致且可重復(fù)的機(jī)械和冶金性能以及可預(yù)測的變形模式。油淬火如此受歡迎的原因在于其在各種操作條件下具有出色的性能結(jié)果和穩(wěn)定性。油淬火通過控制淬火過程中的熱傳遞來促進(jìn)鋼的硬化，并且它增強(qiáng)了淬火過程中鋼的潤濕性，以最大限度地減少不良熱和轉(zhuǎn)變梯度的形成，這可能會導(dǎo)致變形和開裂增加。
近年來，氣壓淬火越來越受歡迎，其成功與否在很大程度上取決于許多因素，包括材料、部件幾何形狀、負(fù)載、凈負(fù)載與總負(fù)載比、氣體參數(shù)和設(shè)備設(shè)計。無論使用何種氣體，壓力范圍都涵蓋亞大氣壓、低壓、中壓、高壓和超高壓(商業(yè)實踐中最高可達(dá) 25 巴)。
真空控制在很大程度上取決于真空系統(tǒng)的類型和所需的工作真空度。對于每個操作范圍，需要不同的真空計，通常相互組合，以準(zhǔn)確確定和/或控制任何給定時刻的腔室真空度。選擇真空計的標(biāo)準(zhǔn)取決于各種條件，例如：
- 需要檢測的真空范圍;
- 氣體成分(惰性、反應(yīng)性、腐蝕性);
- 所需的準(zhǔn)確度和重復(fù)性;
- 環(huán)境條件。
根據(jù)工作壓力，真空計可分為三個基本類別。這些類別包括絕對壓力計、可用于低至約 0.001 mbar(1 微米)的真空計以及可用于低于 0.001 mbar(1 微米)的真空計。
二手設(shè)備
購買真空爐需要投入大量資金。因此，購買二手爐的成本通常低于購買新爐是一個相當(dāng)普遍的問題。大多數(shù)二手爐都是按原樣出售的，沒有制造商保修。要評估的最重要的問題之一是真空室水套的狀況。在爐冷卻系統(tǒng)連接到未經(jīng)處理的水源的情況下，水套因礦物質(zhì)堆積而堵塞的情況非常常見，而移動爐子會引發(fā)難以言喻的問題。對外殼進(jìn)行超聲波檢測是一個很好的第一步，同樣重要的是檢查是否有變色或起泡的油漆，這是過熱的明顯跡象。
還必須考慮熱區(qū)、加熱元件、泵送系統(tǒng)和真空控制裝置的狀況。徹底的目視檢查通常是該過程的第一步，咨詢系統(tǒng)組件的各個供應(yīng)商也是第一步。例如，在查看熱區(qū)狀況時，絕緣材料變形、變色或破碎、元件或爐床軌道彎曲或斷裂、元件絕緣體缺失以及其他損壞的硬件都是需要修復(fù)工作的跡象。全金屬熱區(qū)的維修費(fèi)用通常更高。
控制系統(tǒng)是評估二手爐時另一個重要的考慮因素。擁有先進(jìn)的控制系統(tǒng)是人們所迫切需要的，而隨著技術(shù)以極快的速度淘汰，即使是 10 年前的控制系統(tǒng)也可能存在問題。
綜上所述
合適的真空爐能夠以最高的正常運(yùn)行時間生產(chǎn)率和不打折扣的質(zhì)量執(zhí)行預(yù)期應(yīng)用。雖然必須做出一系列業(yè)務(wù)決策來證明花費(fèi)的合理性，但令人欣慰的是，當(dāng)今的真空爐提供了爐子設(shè)計方面的最新技術(shù)進(jìn)步(熱區(qū)材料、控制包和淬火系統(tǒng))，并提供了許多操作和性能改進(jìn)。通常建議尋找在熱處理和爐子制造方面都具有豐富經(jīng)驗的公司。這種知識將縮短學(xué)習(xí)曲線。
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