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間歇式真空爐和連續(xù)式真空爐用途和特點
2024-07-18
真空爐有間歇式和連續(xù)式兩種類型，目前使用的絕大多數(shù)真空爐都分為垂直式和水平式。在這篇由兩部分組成的文章中，我們將討論間歇式真空爐的用途和特點，并介紹連續(xù)式真空爐的設計。
為什么要使用真空?
讓我們簡單回顧一下真空技術對熱處理如此重要的原因。主要原因與空氣及其所含的反應性成分有關?？諝馐且环N氣態(tài)混合物，含有不同量的水蒸氣、氧氣、二氧化碳、氮氣和氫氣，空氣中的每種成分都與各種金屬發(fā)生反應。在室溫下，這些化學反應發(fā)生得太慢，不會造成問題，然而，在熱處理所需的高溫下，這些反應會大大加速。當加熱的金屬暴露在空氣中時，材料表面的微觀結構會發(fā)生變化。所經歷的變化可能是表面污染，也可能是比被熱處理部件內部更硬或更軟的薄外層。例如，一塊鋼在加熱到約 200°C (392°F) 以上時會變色，形成一層薄薄的氧化亞鐵層。當零件清潔度或外觀很重要的應用需要熱處理時，這會帶來挑戰(zhàn)。
解決此問題的一個方法是在熱處理之前從爐腔內除去空氣，從而消除任何污染源。這是真空爐技術背后的基本原理。在真空過程結束時，惰性氣體(如氮氣、氦氣、氬氣或氣體混合物)在高壓下注入爐子的加熱室，以在打開門之前冷卻負載。
間歇式真空爐適用的行業(yè)
批量真空爐幾乎用于所有行業(yè)，但主要用于航空航天、汽車和工具及模具制造行業(yè)。真空爐中熱處理的零件包括(按行業(yè))：
- 1. 航空航天——噴氣發(fā)動機部件、傳感器、齒輪、蜂窩材料、液壓系統(tǒng)部件、機身部件、高強度鈦部件。
- 2. 車輛與船舶——轉向和懸架部件、傳動小齒輪、齒輪和其他部件、催化轉換器芯、凸輪軸、正時齒輪、柴油噴射器。
- 3. 工具和模具——工具、模具、沖頭、切削工具、鉆頭。
- 4. 通信與電子——衛(wèi)星、半導體、熱交換器、鋰電池。
- 5. 能源——核反應堆設備、緊固件、泵部件。
- 6. 緊固件——建筑螺栓、微型高性能醫(yī)用螺釘、核反應堆用高溫合金螺栓。
- 7. 食品加工機械——刀片、切刀、齒輪。
- 8. 家居用品——運動器材、手動工具、銀器、剪刀、刀具。
- 9. 醫(yī)療與牙科——髖關節(jié)、膝關節(jié)和其他關節(jié)置換部件、手術器械、牙種植體、牙齒矯正牙套和固定器。
- 10. 動力傳輸 – 軸、鏈輪、齒輪和小齒輪。
- 11. 商業(yè)熱處理 – 以上所有。
以下是在批量式真空爐中執(zhí)行的一些較常見的工藝。
真空釬焊
間歇式真空爐最常見的用途之一是真空釬焊，它是一種在真空下進行的連接工藝，通過熔化填充金屬(稱為釬焊合金)來連接兩個或多個金屬部件。真空釬焊的優(yōu)點包括接頭強度高、與焊接相比，對基材性能的改變最小、無焊劑殘留、可連接不同金屬、殘余應力最小、接頭質量高且無空隙。該工藝可用于將鎳、銅、陶瓷連接到金屬上，并經常用于制造散熱器(圖 4)和油冷卻器。
釬焊連接的質量在很大程度上取決于加熱時間和溫度，隨著爐溫的升高，填充金屬的合金化和潤濕作用會增強。填充材料的熔點必須低于基材金屬，因為它需要先熔化，然后才能通過毛細作用流入接頭。一般來說，最低的成功釬焊溫度。填料熔點是確定爐溫時要考慮的主要因素，但不是唯一因素。較低的爐溫可最大限度地減少熱量增長和潛在變形，減少基材和填充材料之間的化學相互作用，并最大限度地延長夾具的使用壽命。除了降低溫度外，加熱時間(圖 5)也盡可能短。這具有與降低溫度相同的一些優(yōu)點，還可以降低運營成本。
為了實現(xiàn)高質量的接頭，必須小心地安裝零件，以盡量減少它們之間的間隙?；慕饘偻ǔＪ褂没瘜W或研磨清潔來準備，因為它們必須無污染且無氧化物。在研磨清潔的情況下，必須達到特定的表面粗糙度，以使填充材料的毛細作用正常發(fā)生。在真空鋁釬焊中，鎂用作填充金屬或基材金屬的添加劑，這有兩個目的。在約 570°C (1058°F) 開始蒸發(fā)后，鎂會吸引氧氣和水蒸氣，充當吸氣劑，這會增加爐內環(huán)境的純度并提供更好的接頭。鎂添加劑還可以減少鋁表面的氧化鋁，從而改善填料和接頭表面之間的粘附性。
真空淬火
間歇式真空爐的另一種常見工藝是真空淬火。鋼及其合金在淬火之前，硬度不足以滿足許多用途。最常見的真空淬火鋼類型是含鉻、鎢、鉬的工具鋼以及高速和熱加工鋼合金。真空爐中的鋼淬火包括將零件加熱到奧氏體范圍，然后在油或高壓惰性氣體中快速淬火。淬火劑的選擇取決于鋼的冶金學以及被淬火材料的形狀和應用。為了使鋼淬火，必須先將鋼加熱到其淬火溫度，該溫度由平衡圖確定。此時，鋼處于奧氏體相。淬火過程中的快速冷卻使鋼的結構從奧氏體變?yōu)榉浅杂驳臓顟B(tài)，稱為馬氏體(圖 6)。在馬氏體狀態(tài)下，鋼具有針狀(又稱針狀)晶粒結構。
鋼需要至少 0.3% 的碳才能成功硬化，而最硬的鋼大約需要 0.9%(圖 7)。為了成功淬火，冷卻速度必須足夠快，以使鋼中的碳原子沒有時間從晶體結構中擴散出足夠多的碳。如果冷卻速度不夠快，鋼將從奧氏體轉變?yōu)楦浀蔫F素體，導致工藝失敗。
連續(xù)真空爐
雖然大多數(shù)真空爐采用批量配置，但對于某些應用來說，連續(xù)設計可能更有利。連續(xù)真空爐以半連續(xù)方式運行，其中負載依次通過多個加熱區(qū)進行處理，并且通常使用推進器系統(tǒng)將負載從一個室移動到下一個室。連續(xù)真空爐由以串聯(lián)方式連接的不同模塊組成：負載模塊、加熱模塊、冷卻或淬火模塊和卸載模塊。每個模塊都通過真空密封門與其他模塊隔開。
第一個模塊(稱為負載模塊)接收傳入的冷負載。門關閉后，在包含未加熱負載的負載模塊上抽真空。接下來，負載從負載模塊轉移到加熱模塊以執(zhí)行加熱過程。典型的連續(xù)爐使用一到六個加熱模塊。在負載進入之前，加熱模塊處于真空狀態(tài)，因此在轉移過程中負載不會暴露在工廠大氣中。
經過加熱模塊處理后，負載進入卸載模塊，卸載模塊的工作原理與負載模塊類似，使用中間門將其與加熱模塊隔離。有些爐子在負載進入卸載模塊之前采用油或氣淬，提供與間歇爐類似的淬火能力。另一種設計是在保持真空的同時在冷卻模塊中冷卻負載。在這種設計中，水冷套冷卻冷卻模塊的外殼，負載通過輻射熱損失釋放熱量。
由于需要物料處理系統(tǒng)和多個模塊，連續(xù)真空爐的價格比批量設計更高，但可以提供更高的生產率。只有在生產大量相同或類似尺寸的零件時，這些成本和復雜性才是合理的。由于資本要求高、占地面積大，連續(xù)真空爐在小批量或中批量生產線中并不經濟。此外，如果設備發(fā)生故障或維護，用戶很容易停機。這與使用多個批量爐來處理相同負載量的情況形成了鮮明對比，一個爐子的故障不會導致整個熱處理線停止。連續(xù)真空爐的一些應用包括高速鋼的淬火、燒結和低壓滲碳。
概括
無論您選擇的是間歇式還是連續(xù)式爐，了解設計的各種特點、優(yōu)點和局限性對于成功運行都至關重要。每種設計都有其獨特的維護要求，因此最終的決定應基于應用和生產力。
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