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选择合适的特种真空炉
2024-07-18
涉及真空热处理的应用通常出于以下原因之一：
- 只能在真空中完成的过程;
- 从冶金角度来看，在真空中可以更好地完成的工艺;
- 从经济角度来看，在真空条件下可以更好地完成的工艺;
- 从表面光洁度的角度来看，在真空下可以更好地完成工艺。
所有常见(以及一些不常见)的热处理工艺都可以在真空下进行，从退火和钎焊到烧结和回火。许多目前外包真空热处理的公司都在思考，在内部建立这种能力是否更好。其他已经拥有内部热处理部门的公司则想知道，转向真空处理是否会为他们带来竞争优势。本文将帮助解答这些问题。
真空炉通常以其装载方式(水平或垂直)以及内部装载移动方式为特征，分为间歇式或连续式(即多室式)。各种炉子的尺寸、生产能力和功能配置几乎无穷无尽，在其他地方有详细介绍。由于大多数真空炉的预期寿命为 40-50 年，因此决定购买什么以及从谁那里购买变得非常重要。
特定真空炉运行特定热处理工艺所需的特性通常取决于希望实现的结果、要运行的零部件的类型和几何形状、生产率要求、负载的物理尺寸、要达到的压力和温度以及用于冷却负载的介质(气体或油)。重要的是要认识到，为一种应用设计的炉子在其使用寿命期间很可能用于许多其他应用。因此，在功能和选项方面具有最大的灵活性是非常可取的。
熔炉设计与建造
真空炉的主要部件有：
- 真空容器;
- 泵送系统;
- 加热室/热区;
- 淬火/冷却系统;
- 真空和温度控制。
真空炉容器可分为所谓的热壁和冷壁设计，后者是常见的。典型的热壁炉有一个通常由金属或陶瓷制成的蒸馏器，具体取决于温度。加热系统通常位于蒸馏器外部，由电阻加热元件或感应线圈组成。这种蒸馏器式炉的局限性在于加热区的尺寸有限，金属蒸馏器的温度范围有限，通常最高限制为 1100°C (2000°F)。对于冷壁炉，真空容器用冷却介质(通常是处理过的水)冷却，并在高温操作期间保持在接近环境温度。
抽气系统是真空系统的核心。大多数真空系统都配有机械泵，它们能够抵抗大气背压，而增压泵则用于提高抽气速度以及可达到的真空度。扩散泵是一种流行的选择，有助于达到极低真空度，而其他类型的泵(涡轮分子泵、低温泵)则用于达到超低真空范围。
热区设计因隔热类型和建筑材料而异。一般可分为以下几类：
- 全金属(辐射屏蔽或屏蔽包)
- 组合(内部金属屏蔽由陶瓷或石墨绝缘层隔开或支撑)
- 全石墨(板、纤维、碳-碳复合材料)
- 全陶瓷纤维
数千小时的运行服务已证实，石墨隔热材料(毡或板)适用于几乎所有高真空应用，包括高级高温合金的钎焊。当与碳-碳复合材料的热面结合时，可实现最大热区寿命，尤其是在高压气淬和钎焊炉中。
绝缘层可能会破裂或产生缝隙，辐射能可能会从缝隙中泄漏。结构必须简单，并允许紧固系统避免传导热损失，同时保持组件的刚性。热区上部结构可以像钢膨胀金属网一样简单，也可以像实心不锈钢外壳一样复杂，后者具有不生锈和随后不会排气的优点。关键因素是帮助确保工作负荷区域的温度均匀性，并最大限度地减少外壳的热量损失。
热区设计中的另一个重要因素是热膨胀和收缩，这在当今的高压气体淬火设计中尤为重要。在设计阶段必须仔细考虑膨胀率和温度，以便在元件支撑、喷嘴或约束系统周围留出适当的间隙，从而使绝缘层保持平坦，并尽量减少弯曲或开裂。
大多数真空炉都是电加热的。电阻加热元件由各种样式的金属或石墨制成。以下元件材料很常见：不锈钢合金(300 系列)，温度可达 760°C (1400°F);镍/铬和铁铝基合金，温度可达 900°C (1650°F);Inconel ®和其他镍合金，温度可达 1150°C (2100°F);碳化硅 (SiC)，工作温度可达 1090°C (2000°F);钼，温度可达 1700°C (3100°F);石墨，温度可达 2000°C (3630°F);钽，通常可达 2400°C (4350°F);钨，温度可达 2800°C (5075°F)。
加热元件材料的选择在很大程度上取决于工作温度。对于铝钎焊或真空回火等低温操作，可以使用廉价的不锈钢或镍铬合金作为加热元件。对于淬火或钎焊等高温通用热处理应用，石墨或钼是元件材料的流行选择。轻质、弯曲的石墨元件在真空炉中越来越受欢迎。这些元件具有热质量较低和结构完整性极佳的优势。对于 1480°C (2700°F) 以上的特殊热处理应用，石墨或难熔金属(钽、钨)是流行选择。其他工艺(例如低压真空渗碳)使用石墨或碳化硅元件。
淬火(冷却)系统通常为油或(高压)气体。许多公司使用油淬火来实现一致且可重复的机械和冶金性能以及可预测的变形模式。油淬火如此受欢迎的原因在于其在各种操作条件下具有出色的性能结果和稳定性。油淬火通过控制淬火过程中的热传递来促进钢的硬化，并且它增强了淬火过程中钢的润湿性，以最大限度地减少不良热和转变梯度的形成，这可能会导致变形和开裂增加。
近年来，气压淬火越来越受欢迎，其成功与否在很大程度上取决于许多因素，包括材料、部件几何形状、负载、净负载与总负载比、气体参数和设备设计。无论使用何种气体，压力范围都涵盖亚大气压、低压、中压、高压和超高压(商业实践中最高可达 25 巴)。
真空控制在很大程度上取决于真空系统的类型和所需的工作真空度。对于每个操作范围，需要不同的真空计，通常相互组合，以准确确定和/或控制任何给定时刻的腔室真空度。选择真空计的标准取决于各种条件，例如：
- 需要检测的真空范围;
- 气体成分(惰性、反应性、腐蚀性);
- 所需的准确度和重复性;
- 环境条件。
根据工作压力，真空计可分为三个基本类别。这些类别包括绝对压力计、可用于低至约 0.001 mbar(1 微米)的真空计以及可用于低于 0.001 mbar(1 微米)的真空计。
二手设备
购买真空炉需要投入大量资金。因此，购买二手炉的成本通常低于购买新炉是一个相当普遍的问题。大多数二手炉都是按原样出售的，没有制造商保修。要评估的最重要的问题之一是真空室水套的状况。在炉冷却系统连接到未经处理的水源的情况下，水套因矿物质堆积而堵塞的情况非常常见，而移动炉子会引发难以言喻的问题。对外壳进行超声波检测是一个很好的第一步，同样重要的是检查是否有变色或起泡的油漆，这是过热的明显迹象。
还必须考虑热区、加热元件、泵送系统和真空控制装置的状况。彻底的目视检查通常是该过程的第一步，咨询系统组件的各个供应商也是第一步。例如，在查看热区状况时，绝缘材料变形、变色或破碎、元件或炉床轨道弯曲或断裂、元件绝缘体缺失以及其他损坏的硬件都是需要修复工作的迹象。全金属热区的维修费用通常更高。
控制系统是评估二手炉时另一个重要的考虑因素。拥有先进的控制系统是人们所迫切需要的，而随着技术以极快的速度淘汰，即使是 10 年前的控制系统也可能存在问题。
综上所述
合适的真空炉能够以最高的正常运行时间生产率和不打折扣的质量执行预期应用。虽然必须做出一系列业务决策来证明花费的合理性，但令人欣慰的是，当今的真空炉提供了炉子设计方面的最新技术进步(热区材料、控制包和淬火系统)，并提供了许多操作和性能改进。通常建议寻找在热处理和炉子制造方面都具有丰富经验的公司。这种知识将缩短学习曲线。
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