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间歇式真空炉和连续式真空炉用途和特点

2024-07-18

真空炉有间歇式和连续式两种类型，目前使用的绝大多数真空炉都分为垂直式和水平式。在这篇由两部分组成的文章中，我们将讨论间歇式真空炉的用途和特点，并介绍连续式真空炉的设计。

为什么要使用真空?

让我们简单回顾一下真空技术对热处理如此重要的原因。主要原因与空气及其所含的反应性成分有关。空气是一种气态混合物，含有不同量的水蒸气、氧气、二氧化碳、氮气和氢气，空气中的每种成分都与各种金属发生反应。在室温下，这些化学反应发生得太慢，不会造成问题，然而，在热处理所需的高温下，这些反应会大大加速。当加热的金属暴露在空气中时，材料表面的微观结构会发生变化。所经历的变化可能是表面污染，也可能是比被热处理部件内部更硬或更软的薄外层。例如，一块钢在加热到约 200°C (392°F) 以上时会变色，形成一层薄薄的氧化亚铁层。当零件清洁度或外观很重要的应用需要热处理时，这会带来挑战。

解决此问题的一个方法是在热处理之前从炉腔内除去空气，从而消除任何污染源。这是真空炉技术背后的基本原理。在真空过程结束时，惰性气体(如氮气、氦气、氩气或气体混合物)在高压下注入炉子的加热室，以在打开门之前冷却负载。

间歇式真空炉适用的行业

批量真空炉几乎用于所有行业，但主要用于航空航天、汽车和工具及模具制造行业。真空炉中热处理的零件包括(按行业)：

  • 1. 航空航天——喷气发动机部件、传感器、齿轮、蜂窝材料、液压系统部件、机身部件、高强度钛部件。
  • 2. 车辆与船舶——转向和悬架部件、传动小齿轮、齿轮和其他部件、催化转换器芯、凸轮轴、正时齿轮、柴油喷射器。
  • 3. 工具和模具——工具、模具、冲头、切削工具、钻头。
  • 4. 通信与电子——卫星、半导体、热交换器、锂电池。
  • 5. 能源——核反应堆设备、紧固件、泵部件。
  • 6. 紧固件——建筑螺栓、微型高性能医用螺钉、核反应堆用高温合金螺栓。
  • 7. 食品加工机械——刀片、切刀、齿轮。
  • 8. 家居用品——运动器材、手动工具、银器、剪刀、刀具。
  • 9. 医疗与牙科——髋关节、膝关节和其他关节置换部件、手术器械、牙种植体、牙齿矫正牙套和固定器。
  • 10. 动力传输 – 轴、链轮、齿轮和小齿轮。
  • 11. 商业热处理 – 以上所有。

以下是在批量式真空炉中执行的一些较常见的工艺。

真空钎焊

间歇式真空炉最常见的用途之一是真空钎焊，它是一种在真空下进行的连接工艺，通过熔化填充金属(称为钎焊合金)来连接两个或多个金属部件。真空钎焊的优点包括接头强度高、与焊接相比，对基材性能的改变最小、无焊剂残留、可连接不同金属、残余应力最小、接头质量高且无空隙。该工艺可用于将镍、铜、陶瓷连接到金属上，并经常用于制造散热器(图 4)和油冷却器。

钎焊连接的质量在很大程度上取决于加热时间和温度，随着炉温的升高，填充金属的合金化和润湿作用会增强。填充材料的熔点必须低于基材金属，因为它需要先熔化，然后才能通过毛细作用流入接头。一般来说，最低的成功钎焊温度。填料熔点是确定炉温时要考虑的主要因素，但不是唯一因素。较低的炉温可最大限度地减少热量增长和潜在变形，减少基材和填充材料之间的化学相互作用，并最大限度地延长夹具的使用寿命。除了降低温度外，加热时间(图 5)也尽可能短。这具有与降低温度相同的一些优点，还可以降低运营成本。

为了实现高质量的接头，必须小心地安装零件，以尽量减少它们之间的间隙。基材金属通常使用化学或研磨清洁来准备，因为它们必须无污染且无氧化物。在研磨清洁的情况下，必须达到特定的表面粗糙度，以使填充材料的毛细作用正常发生。在真空铝钎焊中，镁用作填充金属或基材金属的添加剂，这有两个目的。在约 570°C (1058°F) 开始蒸发后，镁会吸引氧气和水蒸气，充当吸气剂，这会增加炉内环境的纯度并提供更好的接头。镁添加剂还可以减少铝表面的氧化铝，从而改善填料和接头表面之间的粘附性。

真空淬火

间歇式真空炉的另一种常见工艺是真空淬火。钢及其合金在淬火之前，硬度不足以满足许多用途。最常见的真空淬火钢类型是含铬、钨、钼的工具钢以及高速和热加工钢合金。真空炉中的钢淬火包括将零件加热到奥氏体范围，然后在油或高压惰性气体中快速淬火。淬火剂的选择取决于钢的冶金学以及被淬火材料的形状和应用。为了使钢淬火，必须先将钢加热到其淬火温度，该温度由平衡图确定。此时，钢处于奥氏体相。淬火过程中的快速冷却使钢的结构从奥氏体变为非常坚硬的状态，称为马氏体(图 6)。在马氏体状态下，钢具有针状(又称针状)晶粒结构。

钢需要至少 0.3% 的碳才能成功硬化，而最硬的钢大约需要 0.9%(图 7)。为了成功淬火，冷却速度必须足够快，以使钢中的碳原子没有时间从晶体结构中扩散出足够多的碳。如果冷却速度不够快，钢将从奥氏体转变为更软的铁素体，导致工艺失败。

连续真空炉

虽然大多数真空炉采用批量配置，但对于某些应用来说，连续设计可能更有利。连续真空炉以半连续方式运行，其中负载依次通过多个加热区进行处理，并且通常使用推进器系统将负载从一个室移动到下一个室。连续真空炉由以串联方式连接的不同模块组成：负载模块、加热模块、冷却或淬火模块和卸载模块。每个模块都通过真空密封门与其他模块隔开。

第一个模块(称为负载模块)接收传入的冷负载。门关闭后，在包含未加热负载的负载模块上抽真空。接下来，负载从负载模块转移到加热模块以执行加热过程。典型的连续炉使用一到六个加热模块。在负载进入之前，加热模块处于真空状态，因此在转移过程中负载不会暴露在工厂大气中。

经过加热模块处理后，负载进入卸载模块，卸载模块的工作原理与负载模块类似，使用中间门将其与加热模块隔离。有些炉子在负载进入卸载模块之前采用油或气淬，提供与间歇炉类似的淬火能力。另一种设计是在保持真空的同时在冷却模块中冷却负载。在这种设计中，水冷套冷却冷却模块的外壳，负载通过辐射热损失释放热量。

由于需要物料处理系统和多个模块，连续真空炉的价格比批量设计更高，但可以提供更高的生产率。只有在生产大量相同或类似尺寸的零件时，这些成本和复杂性才是合理的。由于资本要求高、占地面积大，连续真空炉在小批量或中批量生产线中并不经济。此外，如果设备发生故障或维护，用户很容易停机。这与使用多个批量炉来处理相同负载量的情况形成了鲜明对比，一个炉子的故障不会导致整个热处理线停止。连续真空炉的一些应用包括高速钢的淬火、烧结和低压渗碳。

概括

无论您选择的是间歇式还是连续式炉，了解设计的各种特点、优点和局限性对于成功运行都至关重要。每种设计都有其独特的维护要求，因此最终的决定应基于应用和生产力。

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