真空热处理炉的发展概况

第四章　真空热处理炉

第一节　概述

一、我国真空热处理炉发展概况

我国真空热处理炉的设计研制和生产从20世纪70年代开始，经过引进、消化吸收、仿制直到自主开发，现已能够设计制造高水平系列真空炉，并向国外出口。目前，我国现有各类真空热处理炉5000余台，占我国热处理设备的3%左右。我国现有真空热处理设备生产厂家50余家，主要产品有真空油淬火炉、真空油气淬火炉、真空高压气淬火炉、真空高压高流率气淬火炉、真空退火炉、真空回火炉、真空渗碳炉、真空离子渗碳炉、真空渗氮炉等。在炉型上包括单室、双室、三室及半连续、连续真空热处理设备，形成了系列产品。国产真空炉的主要技术指标已达到或接近国际先进水平。如炉温均匀性达到美国MIL－F－80133D和MIL－80233B规定的指标，即在5.6℃以内;压升率指标一般均低于0.66Pa/h;设备最高工作温度和极限真空度以及PLC型智能化控制系统可满足用户需要。

随着我国科研、生产技术的迅速发展，真空热处理技术的应用近些年来明显增加，为我国真空炉行业的发展提供了大好机遇。

二、真空热处理炉的基本类型

表4－1列出了真空热处理炉的分类及类型。

表4-1　真空热处理炉的分类及类型

三、外热式和内热式真空热处理炉比较

表4－2列出了外热式和内热式真空热处理炉各自的优缺点。

表4-2　外热式和内热式真空热处理炉的比较

四、真空热处理炉的特殊技术要求及常用真空检漏法

真空热处理炉的特殊技术要求见表4－3，常用真空检漏法见表4－4。

表4-3　真空热处理炉特殊要求

续表

表4-4　常用真空检漏法

第二节　外热式真空炉

外热式真空热处理炉是带密封炉罐(马弗罐)的真空炉，其结构与普通箱式电阻炉类似，只是需要将安放工件的炉罐抽成真空并严格密封。

一、常用外热式真空热处理炉结构及典型炉型

常用的外热式真空热处理炉的结构示意图如图4－1所示。

图4-1　常用外热式真空热处理炉的结构

这类炉子的炉罐大多为筒形，见图4－1(c)和(d)，加工和装配装修均较方便，通常以水平或垂直方向置于炉膛中，炉罐可全部置于炉膛之内，见图4－1(c)和(d)，或部分伸出炉外，形成冷却室，见图4－1(a)。为了提高炉温，降低炉罐内外压力差以减少炉罐变形，可采用双重真空设计，即将炉膛之外的空间用另一套真空装置抽成低真空，见图4－1(b)。为提高生产率，可采用由装料室、加热室及冷却室三部分组成的半连续作业的真空炉，见图4－1(e)，该炉各室有单独的真空系统，室与室之间有真空闸门，为了实行快速冷却，在冷却室内可以通入惰性气体，并与换热器相连接，进行强制循环冷却。

外热式真空炉主要由加热炉、炉罐、炉盖、充气和冷却系统、真空泵(机组)和控制柜等组成，图4－2为一台典型的外热式井式预抽真空炉结构示意图，图4－3为外热式油淬真空热处理炉示意图。

图4-2　井式预抽真空炉结构示意图

图4-3　外热式油淬真空热处理炉

1．炉体　2．加热器　3．工件　4．真空罐　5．隔热屏　6．淬火油槽　7．中间室　8．进出料机构

目前，我国生产的外热式真空炉大多是带罐的，工件放入炉罐后，经抽真空和充入高纯N2，用一台空气下加热的井式炉、台车式炉或卧式炉，可以实现对碳钢、低合金结构钢、GCr15轴承钢、65Mn弹簧钢、高速工具钢等的少氧化或无氧化光亮退火、去应力回火，也可进行渗碳、碳氮共渗、液体氮碳共渗等热处理;对紫铜丝、棒、管材及型材、黄铜丝和带等半成品及成品的光亮退火，因而省去了处理后的酸洗、碱洗、水洗、烘干等工序。

外热式真空炉以低真空为多见，真空度一般为10～100Pa，当罐内真空度为13Pa时，剩余气体的含氧量为(13/105)× 21%=2.73×10－5，相对露点－50℃左右，相当于99.99%～99.999%高纯N2或Ar中氧气杂质的含量。在一个密封的炉罐抽成这样的真空度是很容易达到的，只需一台机械泵抽10min即可实现。这与一般气氛炉相比(用保护气氛置换炉内空气需5～6次才可达到炉内气氛相同的含氧量)，外热式预抽真空炉的用气量是很少的，为一般可控气氛炉的1/7～1/5，并缩短了换气时间。

与内热式真空炉相比，外热式真空炉结构简单，同等装载量下，其造价仅是内热式真空炉的1/3～1/2，从维护、使用寿命和可靠性上评价，更具有实用性。

这类炉型的额定温度受到炉罐材质的限制，目前生产的外热式真空炉多为550～750℃和750～950℃两类，前者采用1Cr18Ni9Ti，后者则采用Cr25Ni20Si2、Cr18Ni25Si2或3Cr24Ni17SiNRe等耐热钢板卷制焊接而成。

二、外热式真空热处理炉技术参数

表4－5为某公司生产的真空化学热处理炉和预抽真空保护气氛炉的技术参数，表4－6为一般用途的外热式真空热处理炉技术参数。

表4-5　真空脉冲化学热处理炉、预抽真空保护气氛炉技术参数

续表

续表

表4-6　外热式真空炉技术参数

第三节　真空退火炉

真空退火炉应用最早，应用范围广泛。早期的外热式真空炉主要用于真空退火、消除内应力、固溶处理等，后来发展到用于其他热处理。内热式真空炉中，自冷式炉主要用于各类金属和磁性合金的退火、不锈钢等材质的钎焊、真空除去等处理。本节将介绍几种典型的内热式真空退火炉的结构、主要技术参数及应用等。

一、LZT－150型立式真空退火炉

1．主要技术参数

(1)有效加热区尺寸:φ1500mm×1200mm。

(2)最高加热温度:1320℃。

(3)炉温均匀性:580～650℃，±8℃;＞650℃，±10℃。

(4)加热室极限真空度:4.0×10－3Pa。

(5)压升率:0.6×10－1Pa/h。

(6)抽空时间:至1.33Pa，≤30min;至4×10－3Pa，≤1.5h。

(7)升温时间:室温至1320℃，≤1h。

(8)炉膛冷却速度≥22℃/min(至530℃空炉)。

(9)额定装炉量:1000kg。

(10)加热功率:480kW。

(11)整机总功率:＜530kW。

(12)总重量:27t。

(13)冷却水用量:10m3/h。

2．设备用途

LZT－150型立式真空退火炉主要用于马氏体不锈钢(Cr13 型)和沉淀硬化型不锈钢(17－4H等)材料的大型零部件的整体退火，还可用于固溶处理及钎焊等工艺加工。

3．设备结构特点

LZT－150型真空退火炉结构见图4－4。

图4-4　LZT-150型立式真空退火炉

1．真空系统　2．炉体　3．炉胆　4．上炉门　5．风冷系统6．支架　7．升降机构　8．充气系统　9．电控系统　10．下炉门

(1)设备为立式、单室结构，结构简单，占地面积小。全部热处理过程(包括加热和冷却)不用移动工件即可完成。设计采用高架式垂直升降底装料结构，设计了料台、炉门合为一体的活动料车，可以升降，亦可在导轨上纵向进出移动。装料方便，操作简单，炉门升降机构采用丝杠螺母传动，与国外同类真空炉机构相比结构简单，制造成本低(国外均采用滚珠丝杠)。

(2)炉胆隔热屏由二层钼片、四层不锈钢和一层碳毡组成复合式隔热屏，保温隔热性能好，节省能源。加热元件为厚1.2mm、宽55mm的钼带，在炉内均匀布置，钼片之间用钼螺钉连接，加热元件由特殊设计的陶瓷架支撑，安装拆卸方便，为防止金属元素挥发造成加热体对地短路，加热元件与隔热屏间设计了陶瓷绝缘珠。

(3)炉膛有效加热区分为上、中、下三区，分别由3个控温热电偶控制。输入电压由三台磁性调压器分别供给，以保证有效加热区内温度均匀性的要求，温控器采用E5TC91S智能化仪表，该仪表功能强，具有4条控温曲线，每条曲线可分为15个温度段。每条曲线可以设定一组P．I．D控制参数和输出限幅值，适应和满足钼加热元件的工作特性，满足了程序控制的技术要求。

(4)设备配备有容积2m3，压力为0.6MPa的充气储罐及充气气冷装置，当工件需快速冷却时，充气系统向炉内快速充入8×104Pa的Ar气强制冷却，同时，打开上下炉胆小门，开启离心风扇，使气体形成对流。炉内热量通过热交换器和炉体循环水冷却带走，加速了工件的冷却速度，可以满足工件固溶处理、钎焊等热处理工艺的技术要求。

(5)整个工艺过程既可进行自动程序控制，又可手动操作，并有连续安全保护(报警)装置。其温度测量和真空度测量采用智能化控制仪表，备有自动记录装置。

二、WZT－10型卧式真空退火炉

1．主要技术参数

(1)有效加热区尺寸:100mm×150mm×100mm。

(2)最高工作温度:1300℃。

(3)压升率:0.6×10－1Pa/h。

(4)极限真空度:6.6×10－3Pa。

(5)升温时间:室温至1300℃，30min。

(6)加热功率:10kW。

(7)整机功率:＜13kW。

(8)额定装炉量:5kg。

(9)总重量:0.8t。

(10)冷却水用量:0.5m3/h。

2．设备用途

WZT－10型卧式真空退火炉主要用于沉淀硬化型不锈钢(PH17－4等)和其他合金材料的固溶处理、时效硬化及退火处理等。由于设备较小，可作为实验用炉。

3．设备结构特点

WZT－10型卧式真空退火炉为单室卧式内热式真空炉，主要由炉门、炉壳、炉胆、真空系统、充气系统、水冷系统和电控系统组成，其结构见图4－5。

图4-5　WZT-10型退火炉示意图

1．后炉门　2．炉壳　3．真空规组件　4．炉胆　5．控温热电偶组件　6．前炉门　7．水冷电极　8．变压器柜

(1)炉胆。

炉胆是WZT－10型真空退火炉的核心部件，也是设计的技术关键，炉胆由外壳(框架)、隔热屏、料台及发热元件组成，其结构如图4－6所示。

图4-6　炉胆结构示意图

1．外壳体　2．隔热层　3．发热体　4．料筐　5．发热体支架　6．观察孔　7．滚轮　8．立柱　9．炉床　10．加强筋

炉胆因隔热材料不同，设计了两种结构。第一种炉胆结构采用碳纤维做隔热屏，因其隔热性能好且成本低，主要用于高温加热处理场合。由于碳纤维所夹存的气体不易排出，在加热温度低时，(＜650℃)炉内气氛呈微氧化气氛，因而，当工件时效硬化时，影响工件的表面质量。第二种炉胆结构全部采用不锈钢做隔热屏，可降低炉内材料在加热过程中的放气量，尽可能减少对工件的氧化。发热元件用7根φ12mm的石墨棒串联组成。

(2)真空系统。

为了迅速使真空炉内的真空度达到要求，并保证在加热过程中将工件及炉内结构件释放出的气体及时排出，WZT－10型真空退火炉配制了强抽气能力的真空系统。真空机组由K－200扩散泵、ZJ－30罗茨泵和2X－15旋片式机械泵及各种真空阀门及附属管路连接件等组成。真空系统如图4－7所示。

(3)充气系统。

充气系统的作用是在加热或冷却时向炉内充入中性和惰性气体。如加热温度在650℃以下，炉内处于微氧化状态，向炉内充入适量的H2(如采用90%N2+10%H2)，与炉内的微氧化气体中和，形成微还原性气氛，以保证工件在时效硬化处理后表面光亮。在工件冷却时，可向炉内快速充入中性或惰性气体，加速工件的冷却速度。充气系统由电磁充气阀、减压阀和储气罐组成，见图4－7。

图4-7　真空系统及充气系统示意图

1．机械泵　2．罗茨泵　3．电磁阀　4．手动蝶阀　5．扩散泵　6．减压阀　7．储气罐

三、国内几个生产厂家真空退火炉技术参数

北京机电研究所真空退火炉技术参数见表4－7，沈阳佳誉真空科技有限公司真空退火炉技术参数见表4－8。

表4-7　北京机电研究所真空退火炉技术参数

表4-8　沈阳佳誉真空科技有限公司真空退火炉技术参数

第四节　真空回火炉

真空回火的目的是将真空淬火的优势保持下来，如果真空淬火后采用常规回火，特别是中、高温回火，工件表面将发生氧化、不光亮等缺陷。

一、典型真空回火炉

1．WZHA－60真空回火炉技术参考(表4－9)

表4-9　WZHA-60型真空回火炉主要技术参数

续表

2．设备结构特点

WZHA－60真空回火炉结构见图4－8。

(1)加热室呈箱形结构，底部有车轮可前后移动，卸下风扇、热交换器、加热体部件及测温热电偶等，可将加热室拉出炉体，便于设备维修和调整更换部件。

(2)送料机构为导轨料车式送料方式，传动机构系丝杠导轮悬臂叉式升降机构，采用PC机控制料车行进及工位动作，实现装料、出料的半自动化操作。

(3)加热室采用石墨棒发热体元件，9根石墨棒分三组均布，炉温均匀性好，升温迅速，价格便宜，使用寿命长。

(4)加热室设有转速分两挡可调的电机风扇、用以改变气流方向与流量的导风板以及可升降的热交换器，有利于改变和调节循环气流。充气压力在加热时为0.6×105～0.7×105Pa，冷却时为1.2×105Pa，强力循环冷却，实现真空回火的快速加热和冷却，缩短工艺时间，节约能源和材料消耗，避免某些钢材的第二类回火脆性;可调节导风板方位，实现最佳的气流导向与分布，获得最优的炉温均匀性。

图4-8　WZHA-60真空回火炉结构及金属隔热屏结构

1．炉门　2．炉壳　3．风扇　4．风扇电机　5．有效加热区　6．热交换器汽缸　7．热交换器　8．加热体　9．真空机组接管　10．全金属隔热屏　11．支架　12．冷却水管　13．导风板　14．炉床　15．炉胆　16．加热室门　17．螺栓手柄

(5)极限真空度达6.6×10－3Pa，工作真空度为1.3×10－2 Pa，采用机械泵、罗茨泵、高真空油扩散泵机组。

(6)充入90%N2+10%H2的混合气体，使炉中气氛呈弱还原性，以中和炉内残存的氧化性气氛，N2纯度99.999%，充入的H2应除湿干燥，以获得回火光亮度达90%以上的最佳效果。

(7)炉温均匀性高，为±3℃;隔热屏为全金属五层不锈钢板，对提高回火光亮度有益，有利于获得硬度均匀的产品。

(8)采用微机控制，可实现对机械动作、工艺程序和技术参数的自动控制，实现WZHA－60型真空回火炉的半自动化操作。

WZHA－60型真空回火炉供氮系统示意图如图4－9所示。

图4-9　供氮系统示意图

1．LN2储槽　2．蒸发器(GN2为气热N2)　3．减压阀　4．储气罐5．WZHA－60炉

WZH型真空回火炉的另一种形式采用双气体循环系统设计，为卧式单室双循环气流真空回火炉，其特点如下所述。

(1)在炉胆顶部设置热风循环风扇，在加热时回充少量N2(约0.05MPa)，并启动风扇，使热气流经过加热器流向工件，形成对流加热，以确保工件加热的均匀性。

(2)在炉胆后部设置冷却循环风扇，冷却时回充0.12～0.13MPa的N2，需要时可加入一定比例的H2，以防止氧化，冷却气体经热交换器和导风板流向工件，形成强制对流循环冷却，由于冷却速度增加，从而避免了某些合金钢材的回火脆性，缩短了生产周期，提高了生产率。

(3)为保证工件回火后的表面质量和光亮度，真空系统采用高真空扩散泵、罗茨泵及旋片式机械真空泵真空机组，实现工艺要求的真空度。

二、国内一些生产厂家真空回火炉技术参数

北京机电研究所真空回火炉技术参数见表4－10，沈阳佳誉真空科技有限公司真空回火炉技术参数见表4－11，南京光英炉业公司真空回火炉技术参数见表4－12，其他厂家真空回火炉技术参数见表4－13。

表4-10　北京机电研究所真空回火炉技术参数

表4-11　沈阳佳誉真空科技有限公司真空加压回火炉(2bar)技术参数

续表

表4-12　南京光英炉业公司真空回火炉技术参数

表4-13　其他厂家真空回火炉技术参数

续表

第五节　真空气淬炉

真空气淬炉近些年来发展很快，冷却室气体压力从2bar发展到6bar(高压气淬真空炉)、10bar(超高压气淬真空炉)，并向20bar、40bar的更高压方向发展，此外，带对流加热真空炉及高压高流率真空炉、负(高)压高流率真空炉也得到了迅速的发展。

一、高压气淬的淬硬能力及应用

1．淬硬能力

(1)6bar压力氮气中淬火。

φ25～φ100mm合金钢工件松散装炉时的传热系数λ=1.0～3.0。M2高速钢件φ70～φ100mm可以淬透到HRC64以上。H11 和H13热作模具钢可淬透到HRC54。DIN1.2080(Cr12)φ80～φ100mm冷作模具钢件可淬透到HRC64。DIN1.2842 (9Mn2CrV)油淬钢φ25～φ40mm工件，DIN1.2550(60CrW2V) φ20mm工件可淬硬到HRC60。有限截面的马氏体不锈钢件淬火和18－8型奥氏体不锈钢件的固溶处理都可以在此条件下施行。

(2)10bar压力氮气中淬火。

φ25～φ100mm合金钢件密集装炉(比6bar气淬装炉密度大30%～40%)时的λ=8.0～2.0，高速钢件的截面和装炉密度几乎不受限制，高、中、低合金热作模具钢件都可在此条件下淬火。有限截面的高、中合金结构钢，如AISI01、02、06、07、4140、4340等，都可在此条件下施行强韧处理，AISI4140钢件离子渗碳后亦可在此条件下淬火。

(3)20bar压力氦和氦+氮气中淬火。

φ25～φ100mm合金钢件在比6bar淬火装炉密度大80%～150%条件下的λ=0.4～1.0，高速钢，高、中、低合金热作模具钢，高、中、低合金冷作模具钢，油淬合金钢的强韧处理，包括离子渗碳和氮碳共渗后的淬火冷却。

2．应用

(1)2bar气淬炉。

2bar真空气淬炉广泛用于对冷速要求不高的高速钢、冷热作模具钢和有限截面尺寸的奥氏体不锈钢。把工件以大间隔放置在料盘上，以保证均匀加热，使气流在工件间均匀流通，获得均一的淬火质量。采用高压气淬，开创了扩大合金钢可淬硬截面的可能性。

(2)6bar气淬炉。

到目前为止，处理工模具最理想、使用最多的是6bar真空气淬炉。和一般大气压下淬火的设备比较，其淬火冷却烈度可提高3.5～4倍。在松散装料条件下，这种炉子几乎能保证较大截面、各种高合金工模具钢件的淬火效果。但是，采取密集装料方式时，6bar炉子显然就难以满足要求了。

(3)10～20bar气淬炉。

氮气压力从6bar增加到10bar可使冷却传热系数λ增加140%。在20bar的氮气中冷却，与6bar氮气中冷却比较，此系数可增加300%。如此高的气压可使所有高速钢、热作模具钢、冷作模具钢、Cr13钢以及一些油淬合金钢，包括任何截面尺寸的ASTM02钢，都能在密集装料条件下进行淬硬处理。10bar高压气淬炉能使工具钢和小截面的低合金钢获得最高的淬火硬度。同一种材料在整盘料中，甚至是不同截面尺寸的工件都能获得均一的硬度。在65mm以下截面尺寸的零件允许尺寸差别比率在1∶10以内，在168mm截面尺寸以内的零件允许装料尺寸差别比率在1∶5以内，此时都可得到均一的硬度。

二、气淬真空炉的结构类型

各种类型的气淬真空炉的结构示于图4－10，图4－10(a) 和(b)是卧式和立式单室气淬真空炉，气淬真空炉其加热与冷却在同一个真空室内进行。因此，结构比较简单，操作维修方便，占地面积小，是目前广泛采用的炉型。图4－10(c)和(d)是双室气淬真空炉，其加热室与冷却室由中间真空隔热门隔开，工件在加热室加热，在冷却室冷却。这种炉型，由于冷却气体只充入冷却室，加热室仍保持真空状态，所以，可缩短再次开炉的抽真空和升温时间，且有利于工件冷却。图4－10(e)是三室半连续式气淬真空炉，由进料室、加热室和冷却室等部分组成，相邻两个室之间设真空隔热门。该炉生产效率较高，能耗较低。

高压高流率气淬真空炉有内循环和外循环两种结构，如图4－11所示。内循环是指风扇、热交换器均安装在炉壳内，形成强制对流循环冷却，而外循环的风扇、热交换器安置在炉壳外进行循环冷却。

真空炉内的传热主要为辐射传热，很少对流换热，工件在真空炉内的加热速度相对较慢。为缩短加热时间，改善加热质量，提高加热效率，近年来又开发出带对流加热装置的气淬真空炉，后者有两种形式的结构。图4－12(a)所示为单循环风扇结构，即对流加热循环和对流冷却循环共用一套风扇装置。图4－12 (b)所示为双循环风扇结构，即对流加热循环和对流冷却循环各自有独立的风扇装置。在高温(＞1000℃)下，搅拌风扇的材料可采用高强度复合碳纤维，它轻便、又有足够的高温强度和抗耐高温气体冲刷性能。这类炉子可用于真空高压气等温淬火。

图4-10　各种类型的气淬真空炉

三、高压气淬真空炉

1．卧式单室高压气淬真空炉

HZQ型卧式单室高压气淬真空炉见图4－13，VFC型卧式单室高压气淬真空炉见图4－14。

图4-11　高压高流率气淬真空炉结构

图4-12　带对流加热的气淬真空炉结构

图4-13　HZQ卧式单室型高压气淬真空炉

图4-14　VFC型卧式单室气淬真空炉

1、7．可收缩冷却门　2．气冷风扇　3．炉体　4．热屏蔽层板　5．工件料筐6．油扩散泵　8．冷却管组　9．加热元件　10．高压炉壳　11．观察孔　12．铰接热室门　13．冷却气体屏蔽室　14．炉底板

卧式单室高压气淬真空炉的技术参数见表4－14～表4－18。

表4-14　沈阳佳誉真空科技有限公司卧式单室高压气淬真空炉(6bar)技术参数

表4-15　沈阳佳誉真空科技有限公司卧式单室高压气淬真空炉(10bar)技术参数

表4-16　南京光英炉业公司卧式单室高压气淬真空炉(10bar)技术参数

表4-17　国内其他厂家卧式单室高压气淬真空炉技术参数

表4-18　VFC型卧式单室气淬真空炉技术规格

注:取自Abar－Ipsen公司样本。

2．立式单室高压气淬真空炉(www.chuimin.cn)

VVFC型立式单室高压气淬真空炉见图4－15，VVFC型立式单室高压气淬真空炉技术参数见表4－19。

图4-15　VVFC型立式单室高压气淬真空炉

1、5．冷却门　2．炉床　3．加热室　4．电热元件　6．气冷风扇　7．冷却管组　8．接油扩散泵

表4-19　VVFC型立式单室气淬真空炉技术参数

注:取自Abar－Ipsen公司产品。

HZQL型立式单室底装料高压气淬真空炉见图4－16，其技术参数见表4－20。

图4-16　HZQL型立式气淬真空炉

表4-20　HZQL型立式气淬真空炉技术参数

注:选自北京华翔公司产品。

3．卧式双室、立式双室及卧式三室高压气淬真空炉

国产卧式双室高压气淬真空炉的型号有ZCGQ2、WZJQ、HZQ2、ZC2等，图4－17为卧式双室高压气淬真空炉结构示意图，一些厂家卧式双室高压气淬真空炉的技术参数见表4－21。

FH·V－GH型立式双室高压气淬真空炉结构见图4－18，其技术参数见表4－22。

图4-17　卧式双室气淬真空炉结构示意图

表4-21　卧式双室气淬真空炉技术参数

图4-18　FH·V-GH型立式双室气淬真空炉

表4-22　FH·V系列真空炉技术参数

注:选自日本真空技术株式会社产品。

FH·H－PHG型卧式三室气淬真空炉结构见图4－19。

图4-19　FH·H-PHG型三室气淬真空炉

4．带有对流加热装置的高压气淬真空炉

图4－20为VKNQ型带对流加热装置的高压气淬炉结构图，表4－23为其技术参数。图4－21为VKSQ型带对流加热装置的高压气淬炉结构图，表4－24为其技术参数。沈阳佳誉真空科技有限公司VHQC系列对流加热高压气淬真空炉技术参数见表4－25。

图4-20　VKNQ型带对流加热装置的高压气淬炉

表4-23　VKNQ型真空炉技术参数

注:选自德国LEYBOLD公司样本。

图4-21　VKSQ型真空炉

表4-24　VKSQ型真空炉技术参数

注:选自德国莱宝(LEYBOLD)公司样本。

表4-25　沈阳佳誉真空科技有限公司VHQC系列对流加热高压气淬真空炉技术参数

5．负(高)压高流率真空气淬炉

图4－22为WZQ－60负压高流率真空气淬炉结构图。WZQ型真空炉为双室卧式内热式结构，主要由加热室、冷却室、真空系统、充气系统、淬火风冷系统及控制系统等组成。WZQ系列设备主要技术参数见表4－26。

图4-22　WZQ-60型真空气淬炉示意图

1．冷却室门　2．送料机构　3．冷却室壳体　4．淬火冷却系统　5．料筐　6．热闸阀　7．热电偶　8．炉胆　9．加热室壳体　10．加热室门

表4-26　WZQ系列主要技术参数

图4－23为ZQ型高压高流率气淬真空炉结构图。

ZQ型真空炉由炉体、加热室、高压大功率通风机、内循环喷射式冷却系统、电气系统、真空系统、氮气系统等组成。其主要特点是:采用石墨管加热，硬化石墨毡隔热，确保加热过程安全可靠;采用高压大风量风机，确保大截面高速钢工件可以淬透;除在加热室周围和长度方向上配置一定数量的喷嘴外，在加热室后壁上也装有许多喷嘴，更进一步提高气淬的均匀性。

图4-23　ZQ型高压高流率气淬真空炉示意图

ZQ型高压高流率气淬真空炉技术参数见表4－27。

表4-27　ZQ型高压高流率气淬真空炉的技术参数

注:北京华翔电炉技术公司产品。

第六节　油淬及油气淬真空炉

油淬真空炉应用较早，使用较为广泛，但近些年来逐渐被油气淬真空炉所取代。

一、油淬真空炉结构类型

图4－24是各种类型的油淬真空炉的结构简图。

图4－24(a)是单室卧式油淬真空炉，工件在同一炉室进行加热与油淬，结构简单，制造容易，操作维修方便，造价也较低廉，缺点是在工件油淬时，产生油蒸气污染加热室，降低了电热元件的使用寿命和绝缘材料的绝缘性能。图4－24(b)和(c)是立式和卧式双室油淬真空炉，加热室与冷却油槽中间用真空隔热闸阀(门)隔开，可以防止工件油淬时产生油蒸气对加热室的侵入和污染，提高加热元件的使用寿命和绝缘件的绝缘性能。同时，双室油淬真空炉比单室油淬真空炉生产效率高，节约能源，缺点是结构较复杂，制造加工要求较高，造价较高。图4－24(d)为带有气冷风机的油淬气冷真空炉，图4－24(e)为三室半连续油淬真空炉，图4－24(f)为连续式油淬真空炉。

图4-24　各类油淬真空炉结构简图

二、双室油气真空淬火炉

国产型号有ZC2、WZC、HZC2、VOQ、VOG等。

1．典型双室油气真空淬火炉

(1)ZC2系列双室油气真空淬火炉。

ZC2系列炉是卧式双室真空炉，图4－25是ZC2型双室油气真空淬火炉的结构示意图。

图4-25　ZC2系列双室油气真空淬火炉

1．整体式炉体　2．翻板式真空隔热门　3．中间墙　4．加热室　5．多位油缸升降机构　6．水平机构　7．淬火冷却油槽　8．油搅拌器　9．气冷风扇

该炉主要用于工具钢、模具钢、高速钢、轴承钢、弹簧钢、不锈钢以及磁性材料的光亮淬火。

该炉加热室隔热屏采用混合毡结构，即由20mm厚的石墨毡与20mm厚的硅酸铝纤维毡组成。加热元件采用石墨布。因此，该炉热效率高，炉温均匀性好，可以实现快速加热和快速冷却。该炉采用了整体式炉体和翻板式真空隔热门等结构。整体式炉体是将加热室炉体、冷却室炉体、密封中间墙和淬火冷却油槽制成一个整体结构，有利于炉室的真空获得与维持。翻板式真空隔热门由石墨毡与不锈钢板组成的隔热屏、门体、摇臂、滑块、导向轨等构成。工作时，摇臂转动带动门体转动，使滑块沿导轨方向移动，将门体翻转完成开闭动作。该门不需限位机构，没有振动和噪声，结构简单、紧凑。

(2)WZC系列油气真空炉。

WZC系列油气真空炉为卧式双室真空炉。图4－26为WZC－20油气真空炉的结构示意图。

图4-26　WZC-20油气真空淬火炉示意图

1．加热室门　2．加热室壳体　3．炉门吊挂　4．真空规管　5．炉胆　6．控温热电偶　7．热闸阀　8．风扇　9．料筐　10．送料机构　11．冷却室门　12．冷却室壳体　13．淬火机构　14．油加热器　15．油温测量热电偶　16．油搅拌器　17．加热变压器　18．变压器柜　19．凸轮机构　20．水冷电极

WZC系列油气真空炉最高工作温度1300℃，炉温均匀性±5℃，极限真空度＜6.6×10－3Pa，压升率＜6.6×10－1Pa/h，淬火充气压力8.7×104Pa。这类真空炉主要用于高速钢、工模具钢、轴承钢、弹簧钢、不锈钢及磁性材料的淬火。

(3)日本海斯公司VCQ系列卧式双室油气真空炉。

VCQ型油气真空炉的结构见图4－27。

图4-27　VCQ型真空淬火炉

1．工件传送机构　2．气冷风扇　3．隔热门　4．加热室　5．炉体　6．电热元件　7．真空系统　8．升降机构　9．淬火冷却油槽　10．油搅拌器

VCQ型炉主体由加热室、冷却区和淬火油槽组成，其间不设置中间真空闸门，这种炉型的优点是结构简单，操作维修方便，造价较低;缺点是工件淬火时油蒸气对加热室造成污染，使电热元件对炉壳间的绝缘电阻下降。该炉的工件传送机构由水平运动机构和竖直升降机构组成。水平运动机构由电动机、减速器、传动链和工件小车构成，工件小车本身也是炉床，由六根矩形钼棒制成。由于工件上车的滚道在加热室外侧，因而隔热屏下部开两条长口，以便于工件顺利地进出加热室。为使隔热屏开口处热量不直接向外辐射，在工件小车的两侧装有金属反射屏。

2．油气真空炉技术参数

表4－28列出了ZC2、WZC、HZC2、VOG、VOQ及VCQ型真空炉的技术参数。

表4-28　ZC2、WZC、HZC2、VOG、VOQ及VCQ型双室油气淬真空炉的技术参数

续表

三、三室油气淬真空炉

1．北京华翔公司HZC3型油气淬真空炉

HZC3型炉是卧式三室油淬高压气淬(5bar)真空炉，由双室炉体、高压炉体、油淬火室、高压气淬室、风冷装置、工件传送机构、真空系统、电气控制系统、回充气体系统及水冷系统等部分组成。加热室用石墨毡与硅酸铝纤维毡制作，加热元件为石墨布。温度与机械动作采用自动程序控制。该炉把油淬和高压气淬组合在同一炉内，且有半连续操作的功能，适用于批量生产，也可用于小批量多品种生产。

HZC3型三室油淬高压气淬真空炉的结构见图4－28，技术参数见表4－29。

表4-29　HZC3型三室真空炉技术参数

图4-28　HZC3型三室油淬高压气淬真空炉

2．CFQ三室油气淬真空炉

CFQ三室油气淬火真空炉由加热室、气淬室和油淬室组成，可以由两端进出料，也可一端进料一端出料。其结构图如图4－29所示。加热室由隔热门密封，在第二批装料时炉温不会下降，减少了热损失。气淬室有压力淬火循环风扇，淬火油槽装有加热器，用油泵循环。通过程序控制器，可自动控制温度、气氛和作业工序，可自动化生产。其产品系列规格见表4－30。

图4-29　CFQ型三室油气淬火真空炉结构示意图

1．冷却挡板　2．内冷却器　3．压力淬火风扇　4．隔门　5．加热元件　6．炉底板　7．油淬升降机　8．底盘　9．内室　10．炉底板升降机构　11．油加热器　12．油喷嘴

表4-30　CF-Q型三室油气淬火真空炉的技术规格

注:摘自日本中外炉公司样本。

四、连续油(气)淬真空炉

1．ZCL－75－13型连续油(气)淬真空炉

图4－30是西安电炉研究所设计、制造的连续式油(气)淬火真空炉的结构图。炉子额定功率75kW，最高炉温1300℃，炉温均匀度±3℃。采用石墨带发热体，石墨毡隔热屏，进料室和出料室与加热室之间有真空闸阀，保证进出料时不破坏加热室的真空度，进出料和淬火操作用液压传动。

图4-30　ZCL-75-13型连续式真空热处理炉结构示意图

1．进料室　2．真空系统　3．真空闸阀　4．加热室　5．出料室　6．淬火油槽

2．CVCQ型连续式油(气)淬火真空炉

该炉由装料室、多工位加热室和油淬卸料室组成。除装料和卸料外，其他操作完全自动化，工艺周期(出料)15min。加热室炉体由内圆筒外包围矩形水套，构成冷壁式结构。隔热屏采用25mm厚的高纯度石墨毡，加上25mm厚的高纯度硅酸铝纤维毡，组合成混合毡结构。电热元件为管状石墨布，分上下两排安装在炉床上下方。油淬卸料室为垂直放置的圆筒形水冷夹层结构，顶部为水冷夹层封头盖，可以打开，以便于进入炉内进行维修操作。装料室为单层圆筒壳体。该炉的特点是其加热室可以同时容纳3个料筐(或6个料筐，双层)连续生产，生产效率高，节省能源，产品成本低。

CVCQ型真空炉结构见图4－31，其技术参数见表4－31。

图4-31　CVCQ型连续式真空热处理炉

1．装料室　2．中间真空门　3．隔热门　4．加热室　5．电热元件　6．工件　7．油淬出料室　8．顶盖　9．出炉卸料装置　10．油搅拌器　11．动力装置　12．传送装置　13．入炉推料装置

表4-31　CVCQ型连续式真空热处理炉技术规格

注:取自日本海斯公司样本。

第七节　水淬真空炉及多用途真空炉

一、水淬真空炉

WZSC、HZSC型双室水淬真空炉，由炉体、加热室、淬火水槽、中间真空隔热闸门、工件传送机构、真空机组、回充气体系统、电控系统及水冷系统等部分组成。加热室、淬火水槽分别设置真空机组。淬火水槽真空机组须防止水蒸气大量挥发。该炉有严格的操作规程。该炉结构可参照图4－32，技术参数见表4－32。

表4-32　WZSC、HZSC型双室水淬真空炉

二、多用途真空炉

1．HZCD型三室多用途真空炉

HZCD型卧式三室多用途真空炉由加热室、淬火油槽、淬火水槽、风冷装置等部分组成，可完成油淬、水淬、气淬，以及回火、退火、钎焊等多种热处理工艺。该炉结构见图4－32，其技术参数见表4－33。

2．立式多用途真空炉

立式多用途真空炉(或称真空热处理联合电炉)由加热室、准备室、淬火油槽、硝盐槽及气冷罐等部分组成，主要用于油淬、硝盐淬火和气淬。表4－34为其技术参数，图4－33为其组合机组示意图。

图4-32　HZCD型三室多用途真空炉

表4-33　HZCD型三室多用途真空炉

注:选自北京华翔公司产品

表4-34　真空热处理联合电炉技术参数

续表

注:选自航空工业规划设计研究院产品。

图4-33　立式多用途真空炉

第八节　内热式真空渗碳炉

真空渗碳时，气氛碳氢化合物裂解后直接给渗碳，炉内产生炭黑无法避免，因而，真空渗碳炉要求能够排除和烧掉炭黑，无论从工艺或装备上，排除炭黑都是十分必要的。

近年来，国外出现了热壁式真空渗碳炉。热壁式真空渗碳炉不仅解决了炭黑问题，而且适用范围广，如吸热式气氛渗碳、氮基气氛渗碳等。

真空渗碳炉炉型有ZCT、WZST、HZTC、ZT2、VSQ、VC型等。这里只介绍WZST和VC两种类型的真空渗碳炉。

一、WZST型真空渗碳炉

1．ZCT、WZST、HZTC型真空渗碳炉技术参数(表4－35)

表4-35　ZCT、WZST、HZTC型真空渗碳炉技术参数

2．WZST型真空渗碳炉结构及特点

WZST型真空渗碳炉是在WZC真空炉基础上增加了渗碳机构及附件研制开发的真空炉新产品。

众所周知，炭黑是由于渗碳气体(C3H8)的裂解而产生的，被处理工件渗碳时，渗碳气体最好仅存在于加热室炉胆隔热层以内。渗碳时，往炉胆绝热层内充入渗碳气体的同时，在炉胆隔热层外壁和炉壳内壁间的空间充入高纯N2，这样，可以减少炭黑在炉壳内壁和隔热屏处的积存。其结构(炉膛)如图4－34所示。

图4-34　炉膛结构示意图

1．排气泵　2、11．阀　3．过滤器　4．排气管　5．风扇　6．进气管　7．工件　8．绝热层　9．炉壳　10．流量计　12．N2入口　13．隔离板

渗碳炉喷嘴的设计如图4－35所示。

图4-35　真空渗碳炉喷嘴的分布

1．主喷嘴　2．辅助喷嘴　3．风扇

渗碳炉喷嘴分主喷嘴和辅助喷嘴，主喷嘴有两个，分布在炉膛底部，辅助喷嘴有6个，分布在炉膛两侧，如图4－35所示。为了控制喷嘴的气体流量，各喷嘴和流量计的配置见图4－36。该结构使进入炉内的渗碳气分布均匀，无气体短路现象，并使炉膛四周的流量可分别自由调节，可使工件获得较好的渗碳均匀性。

图4-36　喷嘴和流量计的配置

1，3．主喷嘴　2、4．辅助喷嘴　5．流量计　6．阀

真空渗碳时，由泵排出的气体含极细的炭黑颗粒，进入泵内将污染真空泵油，使泵的排气能力下降，性能和寿命降低，为避免此类弊病，研制了炭黑过滤器装置，其原理见图4－37。在渗碳时，关闭排气阀2，开启排气阀3，使含炭黑的渗碳气体先经过干过滤器5，再经过油过滤器4，可以获得良好的过滤效果。

此外，为使渗碳气体流动，提高渗速，加热室设计有搅拌风扇。搅拌风扇轴为钼制，耐高温;扇体扇叶为高强度石墨制，可分解，安装拆卸方便。

二、VC型真空渗碳炉

VC型真空渗碳炉的结构见图4－38，其技术参数见表4－36。

图4-37　炭黑过滤器工作原理

1．泵　2、3．排气阀　4．油过滤器　5．干过滤器

图4-38　VC型真空渗碳炉结构示意图

1、8．加热器　2．搅拌器　3．提升缸　4．冷却管　5．操纵器　6．冷却风扇　7．循环风扇　9．排气口

表4-36　VC型真空渗碳炉技术参数

注:选自日本中外炉公司产品。

第九节　真空淬火炉的操作、维护及常见故障排除方法

一、真空淬火炉的操作

操作步骤见表4－37。

表4-37　真空淬火炉的操作

注:摘自简明热处理手册

二、真空炉的维护与保养

(1)停炉后，炉内需保持在6.65×104Pa以下的真空状态。

(2)炉内有灰尘或不干净时，应用酒精或汽油浸湿过的绸布擦拭干净，并使其干燥。

(3)炉体上的密封结构、真空系统等零部件拆装时，应用酒精或汽油清洗干净，并经过干燥后涂上真空油脂再组装上。

(4)炉子外表面应经常擦拭，保持清洁干净。

(5)工件、料筐、工件车等需清洗干燥后方可进入炉内，以防止水分、污物进入炉内。

(6)各传动件发现卡位、限位不准及控制失灵等现象时，应立即排除，不要强行操作，以免损坏机件。

(7)机械传动件按一般设备要求定期加油或换油。

(8)真空泵、阀门、测量仪器、热工仪表及电器元件等配套件，均应按产品技术说明书进行使用、维修和保养。

(9)维修操作应在停电情况下进行，在带电情况下进行维修工作时，必须保证操作人员、维修人员及设备的绝对安全。

三、真空炉常见故障及其排除方法(表4－38)

表4-38　真空炉常见故障及其排除方法

续表

续表

注:摘自热处理手册3版3卷。