汽车零件热处理技术及实用技术

2023-08-18 理论教育版权反馈

【摘要】：图10-2所示为外热式油淬真空热处理炉。真空炉及其应用情况见表10-2。疲劳强度提高100倍以上，冲击磨损和低温拉伸寿命分别提高1.5～2.4倍和1.6～3.5倍，显示了真空热处理的优势。

1.真空炉的分类

根据炉内真空度的高低不同，真空炉分为低真空、中真空和高真空三种。通常使用的为中真空和高真空状态，真空度分别为0.133～1.33Pa和1.33×10^－3～1.33×10^－2 Pa。

按照真空炉冷却时使用的冷却介质不同，真空炉可分为油冷真空炉、气淬-油冷真空炉、硝盐浴真空炉、水淬真空炉以及气冷真空炉几种；按结构形式分为单室、双室、三室和连续作业炉等。

图10-2 外热式油淬真空热处理炉

1—炉体 2—电热元件 3—工件 4—真空罐 5—隔热屏 6—淬火油槽 7—传动机构 8—冷却室

（1)外热式真空炉该类真空炉结构简单，炉罐不需要水冷，故称为热壁真空炉，零件放在已抽成真空的炉罐中，从外部间接加热。图10-2所示为外热式油淬真空热处理炉。该类真空炉的特点如下:操作维修方便，造价低；炉罐内无电热元件和隔热材料等，易于清理，容易获得真空；无气体放电和其他安全隐患，可靠性好。

（2)内热式真空炉内热式真空炉依靠内部电阻加热，其加热元件、隔热屏、炉床和其他构件等均装在加热室内，依靠电极的热辐射实现对零件的加热。电热元件在炉膛的中部构成一个加热区，确保零件的均匀加热，在加热元件的外部装有金属辐射屏或非金属隔热屏，炉床在加热区的中央。内热式真空炉的种类和形式很多，占国内外真空炉数量的80％以上，常用于退火、淬火、回火、烧结和钎焊等。同外热式真空炉相比，具有以下特点:炉子的热惯性小，加热速度和冷却速度快，热效率与生产率较高；无耐热炉罐，故炉膛与容量不受限制，炉内可达到更高的温度；炉温的均匀性好，可达±5℃，因此工件受热均匀，零件的变形小；零件加热期间不需要通入保护气体，提高了加热元件的使用寿命；炉内结构复杂，加热区受到一定的限制；炉体体积大，需要配备的真空系统的容量要增大。

目前国内双室真空炉的型号有ZC系列、WZ系列、VCQ系列等；单室气淬炉有VFC系列、VVFC系列、HPV系列高压气淬系列等。它们具有各自的加热和冷却特点，技术已经成熟，得到使用厂家的认可和肯定。图10-3所示为内热式真空炉常见炉型。

图10-3 ZC2系列内热式真空炉

1—淬火油槽 2—水平移动机构 3—整体式炉体 4—气冷风扇 5—翻板式中间门 6—中间墙 7—加热室 8—升降机构 9—油搅拌器

2.真空炉的特点

真空炉与其他热处理炉相比，具有以下优点:

1)设备自动化程度高，完全实现机械化操作，设备本身有自锁功能，保护真空炉的安全使用。

2)炉膛洁净，工件热处理变形小，仅为盐浴变形量的1/10～1/4，减少了零件的磨削加工余量。

3)具有除气和脱脂作用，显著提高了工件的力学性能，延长了零件的使用寿命。

4)节省电力和能源，蓄热损失小，污染气氛低于其他任何的保护气氛炉，无公害，操作安全可靠，工作环境好。

5)工件无氧化、脱碳，表面光亮，确保零件表面的化学成分和表面状态保持不变，减少了热处理表面缺陷，生产成本低。

6)零件无氢脆的危险。

3.真空炉的应用

真空炉在我国的发展时间不长，由于生产成本高和一次性投资大，因此其应用的范围也受到一定程度的限制。在国外工业发达国家真空炉的数量在23％以上，与可控气氛炉基本相当，发展很快，自动化程度和工艺水平更高，几乎可以实现金属材料的全部热处理工艺，如淬火、回火、退火、渗碳、渗氮、渗金属等热处理工艺，完成气淬、油淬、硝盐淬火和水淬等淬火处理。真空炉及其应用情况见表10-2。

表10-2真空炉及其应用情况

对工模具钢而言，在真空炉内加热时，减少了辐射换热，加热速度缓慢，零件各部分受热均匀，因此变形量很小。冷却后的零件表面处于压应力状态，故零件具有良好的综合力学性能，疲劳强度和抗拉强度明显提高，使用寿命比普通盐浴炉处理的零件提高2～10倍。

耐热钢、不锈钢等零件经真空退火后，表面光洁，提高了零件表面的耐蚀性和对晶粒间腐蚀的抵抗能力；另外，可实现真空堆焊、软化退火、真空镀膜等。这是其他热处理设备是无法比拟的。

高强度螺栓等重要零件的材料为30CrMnSiA、30CrMnSiNi2A，经过真空热处理后，抗拉强度提高，而塑性和韧性没有发生明显的变化，断裂韧度降低而低温的冲击韧度较高。疲劳强度提高100倍以上，冲击磨损和低温拉伸寿命分别提高1.5～2.4倍和1.6～3.5倍，显示了真空热处理的优势。

4.真空炉的主要技术参数

真空炉的各项技术指标与其他热处理设备有相似之处，但因其炉膛必须能承受负压的作用，并能保证加热零件无氧化、脱碳，因此有些技术要求相对比较严格，主要技术参数归纳如下。

①额定功率（kW)和电压（V)。

②电极相数。

③炉膛的有效加热区尺寸（mm)。

④额定工作温度（℃)。

⑤炉温的均匀性（℃)。

⑥最大装炉量（kg)。

⑦极限真空度（Pa)。

⑧工作真空度（Pa)。

⑨压升率（Pa/min或Pa/h)。

⑩空炉抽空时间（min)。

⑪空炉升温时间（min)。

⑫工件转移时间（min)。

⑬气体的消耗量（m³/炉)。

⑭冷却水的消耗量（m³/h)。

⑮外形结构尺寸（m)。

⑯炉体总质量（kg)。

在上述技术参数中，最重要的有极限真空度、工作真空度和压升率，它们是整个真空炉的关键特性参数，是衡量设备技术水平的硬指标。这些指标如果达不到要求，则根本无法实现真空热处理的目的。压升率是指真空炉达到极限真空度后关闭所有的阀，单位时间内炉内压力的上升情况，它是检验真空炉气密性的指标。通常极限真空度小于1.33×10^－2 Pa，而工作真空度为1.33～13.3Pa，压升率不大于0.67Pa/h。

5.真空炉的结构和元件

（1)真空炉的结构真空炉是由炉体、真空机组、液压系统、控制系统、冷却系统等几部分组成的。气冷真空炉要具备氮气储气罐，为防止停水或水压不足等，要备有高空水槽，防止因停水而烧坏或烧蚀密封件、电极等。

真空炉的炉体和炉门由高强度钢板焊接而成，具有双层水套结构形式。炉门由齿轮、齿条传动开启和关闭，灵活方便。

加热室是圆形结构，石墨管状加热器和冷却气体喷嘴沿加热室的周围成360°均匀分布，高级碳毡及柔性石墨纸作为保温材料，结构轻巧固定。

（2)真空炉的加热元件真空炉的加热元件有金属和非金属之分。

1)金属加热元件。金属加热元件通常分为两种，一种为贵重金属如钼、铂、钨、钽等；另一类为一般金属如镍铬耐热合金、铁铬铝合金、钼钨合金等。

2)非金属加热元件。非金属加热元件分为石墨和化合物两种，而化合物有碳化硅、硅化钼、二氧化钼等。其中碳化硅在高温下易粘结、分解，而二氧化钼在1300℃时会软化，只有石墨具有加工性能好、耐高温、耐急冷急热、塑性好、辐射面积大、抗热冲击性能好等特点，适于制作加热元件。

目前真空炉的加热元件常选用石墨棒（或管)或加热管等，具有膨胀系数小、发热性好、易于加工的特点，可做成棒状、板状、管状和带状等。在真空状态下，它们产生的热量通过辐射传递给工件，因此该类真空炉的加热速度慢，大型零件应进行充分的预热，必要时进行分段加热，既能克服加热后的内外温差，又能减小加热时零件的变形，有利于保证零件的热处理质量。

（3)隔热屏（炉衬) 它是加热室内主要的组成部分，其作用为使加热元件与炉壳分开，确保加热室的尺寸和有效加热区范围，通过隔热屏的隔热和保温，减少热损失，使零件在加热过程中温度分布均匀。考虑到所用材料应具有耐火性、绝缘性、抗热冲击性和耐蚀性以及良好的热透性等，一般有三种，即多层金属隔热屏、石墨毡隔热屏和夹层复合隔热屏。温度在1100℃以下的真空炉，使用不锈钢炉衬；而1100℃以上的真空炉则采用钼等高温合金、石墨毡以及陶瓷等材料。石墨毡作为一种新型的隔热材料，具有密度小、热导率小、无吸热性、耐热冲击性好和易于加工等特点。

（4)真空炉的冷却系统根据零件材料的淬透性确定合理的冷却方法，同正常的热处理淬火一样，真空冷却有强制风（气)冷、油冷、气转油冷、硝盐冷却和水冷等几种方法，一般对具体的真空炉而言，其冷却方式是固定的。风冷系统由鼓风机、高效换热器、导流管和喷嘴组成，采用炉内循环形式的结构，具有冷却速度快的特点。

（5)真空系统真空系统由机械泵、增压泵和扩散泵组成。炉体上装有真空计等测量仪表，随时观察炉体内的真空度，确保零件在真空状态下实现无氧化热处理。机械泵、增压泵组成的真空系统可获得中真空状态，机械泵、增压泵和扩散泵组成的真空系统能够满足高的真空度要求。

（6)炉内传动机构为将零件推进和推出真空炉，必须有专门的装置，通常有链传动、气动、液压传动等。对双室或三室真空炉来说，炉内传动机构既要能保证室与室之间零件的传送，又必须不阻碍隔热挡板（门)的密封。

（7)电气控制系统由磁性调压器、可控硅半控整流桥自耦调压器、微机控温仪等组成，实现了设备的自动化和机械化。设备具有自锁功能，任何错误的操作和指令都不会对真空炉造成危害，因此真空炉的安全性很高。

6.真空回火炉的发展、结构形式和主要技术指标

（1)真空回火炉的发展概况真空热处理技术的迅速发展，为零件热处理工艺水平的提高奠定了基础，真空淬火炉和真空回火炉已经成为不可缺少的关键设备。真空淬火炉处理的零件具有表面无氧化脱碳、表面光亮和无腐蚀、无污染等优点，而如果采用盐浴炉、空气电阻炉、硝盐炉等设备进行回火则丧失了真空淬火的特性和意义。

（2)目前真空炉存在的问题根据真空回火炉的工作特点可知，其在生产过程中存在下列问题:炉内的真空度偏低，零件表面的颜色变深，影响了外观质量；内部零件加热不均，造成回火后的硬度有变化；炉内气体的冷却速度有待提高。

图10-4 WZH型真空回火炉炉体结构

1—炉胆体及发热元件 2—炉胆后小门 3—换热器 4—冷却循环风扇 5—料筐 6—炉胆前壁（即导风口) 7—前炉门 8—炉门 9—炉壳 10—加热循环风扇

（3)真空回火炉的一般结构

这里以WZH-45、TS-45等类型真空回火炉为例介绍其炉体的结构特点。图10-4所示为WZH型真空回火炉炉体结构。整体分为炉壳、炉膛、加热室用加热循环风扇、冷却循环风扇、真空系统、充气系统、水冷系统、出装炉架和加热室供电、电控系统等部分，该类炉的主体为卧式圆筒形结构。

1)炉壳由炉体和炉门组成。炉体是双层圆筒，具有中空结构，内部通冷却水。炉体与炉门一般是嵌入式结构，采用压紧式形式，也可采用铰链连接，以确保炉门的密封。炉门为双层碳素钢结构，通水冷却。

2)炉膛由隔热屏、加热元件、加热搅拌风机、料台、导风板等组成。由双层不锈钢板制成隔热屏。使用的加热元件为0Cr25Al5电阻带（0Cr25Al5合金在生产和使用过程中出现的脆断与氢有关，而晶粒不均匀和内应力的存在又使材料的氢脆敏感性增加，更易出现脆断，因此要特别注意)或06Cr20Ni20金属带等。炉膛的上方装有加热循环风扇，保证零件在回火过程中受热均匀，料台可做成活动式的，以便于抽出。

3)炉内的换热器、导风板和离心风扇的叶轮或叶轮与电极等，均布置在炉壳的后面，风扇对着换热器。

4)真空系统是为了保证零件经真空回火后表面颜色合格，产品质量稳定，配备有罗茨泵、机械泵，与气动蝶阀、气动角阀等共同组成真空系统。

5)充气系统的作用是避免零件在加热过程中氧化，在零件加热时充入低于一个大气压的高纯度氮气（99.999％)，在冷却时氮气压力应高于大气压。为防止某些材料在加热的过程中氧化，一般充入体积分数约为10％的纯度为99.9％的氢气。充气系统由储气罐、手动蝶阀、减压阀、气动蝶阀、电磁阀和管路等组成。

6)水冷系统的作用为保证炉体各部分正常工作，炉门、炉壳、换热器、电极柄部、真空泵等都要进行水冷，同时为了防备因停水造成对上述部件的影响，必须备有单独的水塔或水箱。

7)电控系统采用PC机等对真空炉的加热系统、冷却系统进行程序控制，进行温度控制的自动化仪表的可靠性要高。

总结国内外真空炉的结构形式，吸收国外先进的技术，我国目前自主开发了许多类型的真空回火炉，主要的特点为:加热和冷却均采用了强制气体内部循环的技术；在炉膛的顶部装有加热循环风扇，形成对流来加热零件；炉膛后面的冷却循环风扇使冷却气体经过换热器和导风板，在零件的表面形成强制对流冷却。

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