低真空变压热处理技术的特点及其发展

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作者简介：戈茂庆（1931-），男，无锡人，高级工程师，曾在上海工具厂、莫斯科斯大林汽车制造厂、长春第一汽车制造厂、北京齿轮厂、上海立新船厂从事工具钢材的试验研究、工具的热处理、模具的热处理、高速钢工具的低压氧氮共渗技术的试验研究、低温镀铁后具有高硬度的机理探索、低真空变压热处理设备的设计、试制、试验及推广等工作。联系电话：0757-82210798，82122223。



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        高质量、低能耗、无污染、高效益是热处理行业长期奋斗目标，陈旧的热处理设备、落后的热处理工艺是实现这些目标的障碍。众所周知，热处理质量取决于热处理工艺，正确完成热处理工艺取决于热处理设备。先进的热处理设备不仅能正确完成热处理工艺，而且兼有节能和防止污染的特点，因此，改革热处理设备、改进热处理工艺是实现上述目标的主攻方向。

        20世纪40~50年代的“老三炉”（在空气中加热的老式箱式、井式和盐浴炉的简称）现在仍占领我国大部分热处理领域，数量达5~6万台；在全国年产9000台热处理设备中，“老三炉”的结构仍占80%左右，先进的真空炉、可控气氛炉（包括保护气氛炉）的产量不超过10%[6.7]，因此，难以迅速改变我国热处理行业工艺技术落后的局面。在进入WTO的今天，我国正面临着外国技术经济集团乘机入侵鲸吞大量中小热处理设备制造厂和热处理服务厂点的威胁。因此，提供一种热处理质量好，节能、防止污染、经济效益高且投资较少、符合国情的热处理设备是急需解决的课题。

        上世纪50年代中期，作者在工具钢的试验研究过程曾进行了真空加热（真空度为10-4乇）；80年代初研制高速钢工具的低压氧氮共渗处理技术（包括设备和工艺）；90年代后期综合主、客观的实践经验，并结合我国实际情况，研制成功低真空变压热处理技术（包括设备和配套工艺），用此技术制造的热处理设备在98、99年北京国际热处理展览会上被誉为具有中国特色的热处理技术。

        低真空变压热处理专利技术的本身是热处理行业“老三炉”的新陈代谢和常规热处理工艺的吐故纳新，是把低真空热处理的优点和变压热处理的优点结合在一起的创新技术。实践表明，此项技术是质量型、节能型、环保型、安全型和经济型的热处理工艺装备，既符合国情又迎合更精、更洁、更省的发展潮流。不断完善，广泛推广、应用此项新技术，可缩短同发达国家的差距，可增加被鲸吞的抗力，有助于实现“十五”规划和2015年发展设想。

        1 低真空变压热处理技术的特点

        用低真空变压原理制造的SLV型和WLV型炉，可克服“老三炉”（老式箱式炉、井式炉和盐浴炉）存在的缺点，拥有真空炉和可控气氛炉的一些优点，可实现无氧化加热，又可实现可控气氛加热，售价低、维修易。此外，此项技术还拥有自动改变炉压的功能，从而达到快速排气和提高渗碳、渗氮速度之目的。现把其特点介绍如下：

        1.1 工作原理

        上世纪80年代初，在研制高速钢工具氧氮共渗技术时，开始用低真空原理制造设备和试验配套工艺（即低压氧氮共渗技术），工件在设定的低真空上限下限范围内自行循环加热，炉气在设定的时间周期内自行反复吐故纳新，解决了工件在渗氮、渗碳过程的密装生产、炉气老化、渗层均匀性等难题；根据适当增加炉压可增加N、C原子渗速[2~4]，在低真空变压的基础上增加正压变压的工艺过程。这种先在低真空范围变压加热，接着进行正压变压加热的工艺及其设备称为低真空变压热处理技术。炉膛在低真空至正压大范围变压加热，以中性气体迅速置换炉膛中的空气、水分等氧化物质，而后充以工艺规定的渗剂，使工件在设定的气氛中加热，加热后如果在炉内冷却即可实现无氧化、无脱碳淬火；如果加热后在炉外冷却，则工件从炉中取出时同空气接触，产生少量氧化而实现少无氧化加热。

        1.2 工艺特点

        低真空变压热处理炉可实现优良的热处理工艺，并具有清洁、节能、少无氧化、密装生产、快速、高效等优点。

        （1）加热过程的低真空变压，可借助中性气体迅速排除炉膛中的空气，而后再以少量的有机液体或液化气消除炉膛中残余氧和水蒸气，实现工件的少无氧化加热。辅料消耗比常规的可控气氛炉（或保护气氛炉）减少50%以上。

        （2）化学热处理时借助低真空变压，渗剂可定向流动的特点，在迅速排除工件周围的老化气氛后，新鲜渗剂立即迅速扩散到炉膛各处，工件上的小孔、盲孔孔壁及压紧面均可得到满意的渗层，从而实现工件密装生产。

        （3）可将单一元素的炉气迅速改变为两类元素（强化型元素和润滑型元素）的多元素共渗气氛，并在质量上和数量上予以精控（质量上控制就是控制炉气各成分的百分比，数量上控制就是控制炉气的总压力）。由于几种元素同时渗入的互相促进作用，渗速加快，工艺周期明显缩短。

        （4）因炉压适当提高可缩短渗氮和渗碳时间[2~4]，低真空变压设备可随时迅速把炉压调至渗速最高的范围，从而缩短工艺周期，实现快速、高效和低耗的化学热处理。

        （5）低真空变压处理过程，可随意改变炉气成份，实现可控气氛加热。

        （6）处理过程可随时打开炉盖取出试样或工件检查硬度和金相，合格出炉，不合格继续处理，从而保证每一炉的质量。

        2 低真空变压热处理设备

        2. 1  SLV-Ⅰ型低真空变压少无氧化加热炉

        此炉最高加热温度1150℃（分箱式和井式两种炉型），采用无罐式结构，耐火炉衬砌在炉壳内，并与侧壁脱离，是一种特殊结构的冷壁式炉，不必像真空炉那样整个炉壳通水冷却，只在炉门密封处通水冷却，使水耗和电耗显著减少；安装自动换气装置，实现自动进排气。炉门同炉体接触处用橡胶密封，炉衬采用装配式结构，多用陶瓷纤维，尽量少用耐火砖，并在其外表涂多晶矿化黑陶瓷涂料；增设内炉门，炉底中部安装布气盘，让中性、惰性等气体自行定量、定时地进入炉膛，也可从炉顶滴入有关保护液，使工件加热后达到少、无氧化的要求。后墙和炉顶配装热电偶，分别用于控制和记录炉膛温度。采用智能化程序控温，具有超温报警，超温断电，自动复位及输出功率自动调整等功能。中温炉的电热元件为螺旋管形，高温炉用弓形丝或带，对于炉膛表面积小者采用低压供电。

        同常规高温炉（RX3，RJ2）比较，SLV-Ⅰ型炉有如下特点：

        （1）在箱式炉后墙和炉顶安装电热丝，加上内炉门挡热，使炉温均匀度达到圆形炉膛的水平。井式炉的炉盖为双层，上层为密封盖，下层用来绝热。

        （2）炉子不漏气，工件进炉后，高效率的低压变压排气充气系统可很快排除炉膛中的空气和水蒸气，而后自行注入适量有机液体，彻底消除炉膛中的残余氧和水份，工件即使长期加热也无氧化皮产生。

        （3）炉衬采用特殊形状的轻质搁丝垛，尽可能少用耐火砖，陶瓷纤维占整个炉衬材料的1/2以上，炉子蓄热和散热少、升温快、保温好、热效率高。

        （4）采用智能化仪表控温，输出功率自动调节，保温时的功率只须额定功率的1/3~1/4；具有超温报警、超温断电、自动复位功能，控温精度达±1℃。按用户要求对于大型模具可用电脑进行程序控温。

        （5）用途广，柔性大。除了替代在空气中加热的箱式电阻炉外，可用来处理各类模具（指热处理后需要磨加工的模具），而不用真空炉和盐浴炉，显著降低生产成本，比真空炉产量提高一倍，处理成本降低1/2~2/3，节约电耗和防止污染，比盐浴炉电耗降低50%左右。

        2.2  SLV-Ⅱ型低真空变压少无氧化加热炉

        此炉型的外形和SLV-Ⅰ型相似，是在SLV-Ⅰ型基础上改进的一项新专利技术，用电阻发热体，除保留SLV-Ⅰ型原来的优点外，还具有以下新的特点：

        （1）不用电阻丝或电阻带，采用电阻发热体，此电阻发热体既作为炉膛壁，又是发热源。

        （2）发热体的外壁直接用高质量陶瓷纤维包裹绝热，使炉的外形尺寸缩小，占地面积小，热损失小，重量轻。

        （3）电阻发热体用36V以下的电压供电，安全性好。整个炉壁发热，升温快（10~16℃/min），从室温升至800℃仅需1h左右。

        （4）从炉底微孔布风装置通入一种或多种所需气氛，可进行无氧化加热及化学热处理，炉子具有多用性。

        （5）此炉型是盐浴炉的理想代用品，把盐浴炉原有的变压器及温控装置，少加改动便可。电耗降低3/4，无污染，工作场地清洁，工件加热过程无氧化脱碳。

        可替代流动粒子炉，既适于单件生产，又能进行批量生产，碳钢、合金钢及高合金钢（加热温度≤1100℃）工件均可进行无氧化无脱碳加热。大部分模具均可用此炉型加热淬火，而不必用真空炉或盐浴炉加热，降低了热处理成本，比真空炉成本降低4/5左右，可实现绿色热处理。

        2.3  WLV-Ⅰ型低真空变压表面处理多用炉

        此炉最高加热温度650℃，不漏气，靠大气压力差压紧炉盖，无须机械锁紧装置；在负压下渗剂自动扩散到各处，无须风扇；深井炉从炉罐两端定时交替通气；可同时吸入2种气体和3种液体，实现多元共渗；温控方式采用智能化程序控制，多区控温，输出功率自动调整，超温报警，超温断电，自动复位；最高控温精度可达±1℃，主回路采用过零和移相互换，对电网干扰较小；炉衬采用新的绝热材料，内壁涂红外辐射涂料、升温快、电耗少。真空泵抽出的废气经水处理后排出，从而避免大气污染，属清洁热处理。采用陶瓷纤维搁丝垛炉衬，升温快，电耗少。炉气采用静态自动控制，其他工艺参数全部自动控制。对于渗层厚度和硬度要求严格的产品，可以安装密封电机和氮势控制仪。

        2.4  WLV-Ⅱ型低真空变压渗碳炉

        WLV-Ⅱ型炉是从WLV-Ⅰ型发展而成，外形及结构相似，不同处是加热温度较高（950℃），炉罐和装料筐用耐热钢（Cr25Ni20Si2）制造。此炉型主要用来对机械零件及某些模具配件进行渗碳和碳氮共渗处理，也可用作碳钢和合金钢工件的无氧化、无脱碳加热（加热温度≤1050℃）。

        WLV-Ⅱ型炉同常规渗碳炉比较，有如下不同处：

        （1）服役过程炉压是变化的。采用抽气量大的通水真空泵，迅速排除工件周围不利于渗碳的老化气氛，而后在设定的时间内自动注入设定数量的渗剂（气体或液体），进入炉膛（炉罐）的渗剂迅速变成过热气体，并自动扩散到各处，无死角，即使是工件上的小孔、盲孔及压紧面，渗剂原子也能进入。

        （2）当渗剂进入炉罐并自动扩散的同时，炉压自行升高，并在设定的压力范围保持规定的时间，加速碳原子的渗入；当炉气将处于老化时，抽气阀自动开启，又迅速排除老化气氛，而后再自动进入规定数量的新鲜渗剂并保持在设定的炉压范围内，如此自行循环运行至工艺规定的周期为止。

        （3）工件可密装，可快速排除炉罐内的空气（排气时间缩短3/4），由于炉子不漏气，防止了内氧化，不产生黑色组织，提高了渗层质量；碳氮共渗时无碳黑，渗碳时碳黑很少。

        （4）若装炉量固定（按工件的表面积计算），只要按工艺规定，定时、定量自行吸（或注）入新鲜渗剂便可控制炉气成份，只要渗剂的成份固定并把碳势保持在高于γ区极限固溶碳量，便可控制渗层质量。这种简单易行的控制方法叫做碳势的静态控制，同正压恒压渗碳炉应用微机、氧探头等仪器对流动状态的渗剂进行动态控制比较，静态控制可以减少设备投资费80%以上，而且控制系统经久耐用，维修费用极低。对于渗层质量要求高的产品，可安装碳势自控仪精控碳势。

        （5）废气经真空泵抽出进入循环水箱，由循环水箱中的化学物质（硫酸亚铁等）消除可能存在的氰根后排出，不污染大气和水源，无明火，工作场地清洁。

        （6）除低真空变压使炉气自行流动外，炉盖上安装密封电机带动炉罐中的风叶，进一步提高炉气及炉温的均匀度。采用装料筐，不用导流筒，增加装炉量。

        3 低真空变压热处理技术的使用情况

        根据低真空变压热处理的特点，结合我国热处理行业的现状，行家预测，此项技术可能是迅速改变我国当前热处理设备和工艺落后状态的捷径，符合多快好省的精神，还能增加入世后中、小热处理企业抵御国际资本鲸吞的抗力。

        此项技术已被成功地应用于处理各种性能要求较高的工、模、量具及其它特殊零件。如高速钢剃齿刀、万吨挤压机（挤压铝合金）模具、大型高精度模具、用不锈钢制造的出口量具、高应力冲模、高速钢丝锥、用中碳合金钢制造的大中型打桩机、大型活塞环、大型铸钢齿轮及用于摩托车、轿车配套件中的薄壁零件等。已为国内兄弟企业解决了一些生产中的难题，效果明显，受到赞同。

        4 低真空变压热处理技术的发展

        低真空变压热处理设备和工艺是综合实践经验，结合我国实际情况研制成功的，尚处于发展阶段，还需不断完善。这项技术还存在很大的潜力和发展空间，结合热处理行业的“十五”规划和“2015”年发展设想，可再进一步发展此项技术。

        （1）发展大型工件的少无氧化加热  在少无氧化加热方面，主要发展大型工件的少无氧化加热，例如超过5吨重的模具和工程机械用的大型锤头的淬火和表面强化。这类产品采用低真空变压加热炉，可采用加大容量或多台联合使用真空泵，使炉膛达到规定的真空度要求，实现少无氧化加热。用该项技术可以实现超大型模具、巨型工程机械要求耐磨的零件和船用大型曲轴等氮化、氧氮共渗、氮碳共渗等表面强化处理。

        （2）进一步提高加热温度  现在炉子的最高加热温度为1100~1150℃。低真空变压热处理炉要提高加热温度，其关键是炉用材料，要求它们在低真空条件下具有足够的高温强度、抗腐蚀和抗渗碳能力，而且要经济。努力争取逐步研制在1200℃、1220℃、1250℃、1280℃温度下的长期工作的炉用材料，可进一步提高炉子的加热温度。

        （3）实现炉内冷却  现在的少无氧化加热炉是炉内加热炉外冷却，尽管加热过程不形成氧化皮，但在冷却时仍需和空气接触而产生少量氧化脱碳，对于热处理后需磨加工的模具是适用的，但对于高精度形状复杂的模具必需在无氧条件下冷却。制造炉内冷却的低真空变压热处理炉是我们的计划内容之一。

        （4）探索缩短渗碳时间  缩短渗碳时间是热处理工作者的普遍愿望，实践早已证明，渗碳温度提高到1050℃，只需45min，20CrMnTi钢的后桥齿轮的渗碳层深度可达0.8~1.2mm，而当加热温度≤1050℃时20CrMnTi钢的晶粒不会长大。因此，提高20CrMnTi钢的渗碳温度，从而缩短渗碳时间是可能的。在SLV-Ⅱ型炉上试验证明，20CrMnTi钢在1020℃渗碳60min后其渗层深度为0.75~0.8mm。研制最高加热温度1050℃并能适用于实际生产的炉子结构，是今后要做的难度很大的科研工作。

        （5）精控炉气  精控炉气是为了精控热处理工件表层的显微组织。低真空变压热处理炉，可以随时快速调整炉气成分，按产品质量最佳标准来生产；用静态控制法控制炉气，可生产多数工模具和机械零件。对于质量要求高的产品可以安装碳势、氮势自控仪，精控产品表层的显微组织。

        按现代热处理设备的发展方向——清洁、精密、节能和质量控制等4个方面来衡量[9]，低真空变压热处理设备是可实现绿色热处理的清洁设备；是炉温均匀度≤±5℃、可精控炉气从而可精控氮势、碳势，热效率高，并可精密控制热处理质量。此外，它是一种既符合国情又符合发展方向的热处理设备。

        参考文献

        [1] 胡明娟、潘健生等•低压脉冲氮化的基础研究[C]•全国第四届化学热处理学术会议论文集（三）,1989

        [2] 陈涛，陈彬南•加压气体渗氮和氮碳共渗研究[J]•金属热处理1998（3）

        [3] 叶铁军、凌国平•高炉压大剂量滴注式气体渗碳（HG）技术[J]•金属热处理，2000（8）P36

        [4] 翟宝隆•增压气体渗氮探讨[J]•金属热处理，1998,23（8）;27

        [5] 樊东黎•热处理的昨天今天与明天[M]，1999

        [6] 李茂山等•我国热处理的现状及发展方向[C]•中国热处理行业协会第四次会员大会资料汇编，2002

        [7] 刘恩珠等•真空渗碳在喷油咀上的应用[C]•全国第四届化学热处理学术会议论文集（一），1989

        [8] 戈茂庆•工具热处理诸问题的论述[C]•上海市虹口区科协热处理年会论文，1990

        [9] 樊东黎•热处理设备的现状与展望[J]，机械工人（热加工），2002（9）