真空热处理技术设备现状和发展趋势

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一、概述

    真空热处理技术具有无氧化、无脱碳、脱气、脱脂、表面质量好、变形微小、综合力学性能优异、无污染、无公害及自动化程度高等一系列突出优点，50余年来始终是国际热处理技术发展的热点，近20余年来在我国也得到迅速发展。我国真空热处理工艺的研究和应用已遍及真空退火、真空油(气)淬火、真空高压气体淬火、真空渗碳、真空渗氮、真空回火、真空烧结、真空钉焊、真空渗金属、真空离子渗碳(渗氟、渗金属)、真空涂敷及真空清洗等广阔领域，取得了长足的进展。据资料介绍和统汁估算，我国现有各类真空热处理设备约4500台套，占我国热处理设备的3.75％左右。我国现有专业性真空热处理设备生产厂家约50余家，主要产品有真空油（气）淬火炉、真空高压气淬炉、真空回火炉、真空钎焊炉、真空烧结炉、真空渗碳炉、真空渗氮炉、氮炉、离子渗碳(氮)炉和真空连续炉等真空热处理设备。全国从事真空热处理技术研究、设计、制造、开发和应用的职工总数约为6000人。现在，真空热处理技术已经进入技术领域不断扩大，工艺水平逐渐提高，真空热处理设备不断完善和日益多样化、智能化，新技术接连涌现的稳定发展阶段。

    二、真空热处理工艺

    20世纪70年代真空热处理技术在我国发展初期，人们主要研究探讨真空热处理的基本性质、加热特点、金属蒸发问题和金属在真空下加热的基本规律以及变形问题，同时开展了典型热处理工艺的研究，进行了真空油淬火和真空气淬的工艺研究和应用。为真空热处理工艺的研究和应用奠定了基础。80年代以来，真空热处理技术在我国迅速发展，引进先进设备增多，真空热处理工艺应用日广。许多单位着手真空油、气淬火技术的开发应用，开发了负压高流率淬火技术，以及在引进设备上开发高压气淬工艺的应用实践，真空渗碳技术、真空烧结、真空钎焊、真空离子渗碳(氮、金属)的研究和应用相继展开，真空热处理技术开始从研究试验和少量生产走向工业生产领域。随着技术的进步，进入90年代以来，真空热处理工艺技术出现了许多新技术、新特点，高压气淬和超高压气淬的应用，真空加热的热风(气流)循环和快速冷却技术，真空(脉冲)渗氮技术，真空低压渗碳高压气淬技术，真空清洗技术、真空表面涂敷技术和真空喷涂技术，真空热处理工艺与设备智能控制系统，燃气式真空炉及智能系统，真空等温热处理技术及智能系统，真空离子渗碳(氮、金属、多元共渗等)技术蓬勃开展。在美国、德国、英国、法国和日本等国成为新技术发展的热点。我国在上述领域跟踪国际先进技术，结合国情，积极研究、开发我国的真空热处理新技术、新设备。如高压气淬工艺与设备，真空回火热风循环与快冷处理，连续炉真空热处理和真空渗碳工艺等；同时在真空清洗技术、真空渗氮工艺与设备、真空热处理工艺与设备的智能化控制系统以及高温离子热处理技术等领域也在进行研究探索和工业开发的应用试验；并且将研发新技术设备应用于生产。真空热处理工艺的发展方兴未艾，前景美好。

三、真空热处理设备

    1．真空热处理设备关键技术研究开发

    由于我国真空热处理设备技术的研制工作是从零开始，因而我国真空热处理设备的研制是在仿制国外产品的同时，集中力量研究攻克真空热处理设备的关键技术，以使国产真空热处理设备在设计、结构、性能、自动化水平和寿命等方面追赶国际先进技术水平。经过20多年的不懈努力和研究探索，逐步攻克了真空热处理设备研制的关键技术，掌握了真空热处理设备设计、结构、关键部件、设备材料与元器件、传感器、电器组件和自动化控制系统等核心技术，为我国真空热处理设备的研制开发奠定了基础。主要技术有：
(1)真空抽气技术和真空机组。

    (2)真空加热发热体材料和结构的选择。

    (3)真空绝热材料和结构的选择。

    (4)真空动、静密封技术。

    (5)真空炉的充气冷却技术。

    (6)真空淬火油的选择。

    (7)真空阀门结构设计、制造与装配。真空炉为了提高生产率和改善处理质量，出现了双室、三室或多室真空热处理炉，室与室间安置真空闸阀，使各室允许有不同的压力、温度和加工处理与工作气氛，从而保证加热始终处于要求的工作温度、真空度及工作气氛，而不受装入新料和取出工件的影响。研制的真空炉热闸阀是一种既能密封又能隔热的插板式复合闸门。一种典型的WZ型真空炉热闸阀采用阀板和阀框双水冷却结构，四连杆压紧装置，四连杆机构的弹簧装置和齿轮齿条传动机构以及闸阀真空密封和隔热复合结构。

    (8)真空炉发热体引出棒密封技术。

    (9)真空炉电绝缘技术。

    (10)真空下温度传感和控制技术。

    (11)真空回火及高压气淬气流(热风)循环技术。众所周知，传热系数α(w/m2.K)与气体压力P和气体速度v的关系有下式：

α=A（Pv）m

    其中，P为气体压力，v为气体流速，A和m是常数，它们是炉子结构、炉料和冷却气体物理性能的函数，m一股为0.6～0.8。

    根据冷却机理分析，研制了真空回火炉双气流循环的强制对流换热技术和设计结构；研制设计了负压高流率冷却技术并研制了WZ型高效率负压高流率真空淬火炉。

    (12)真空热处理炉自动控制技术。

    2．真空热处理设备的技术特点

    (1)我国研制生产的真空热处理设备品种型式多样，功能齐全，基本满足了国内生产技术的需求，挡住了进口。

    (2)我国研制生产的真空热处理炉采用国际通用技术参数和指标及检测方式，技术指标先进，结构和制作优良，节能效果显著，无公害清洁生产达到国际90年代末技术水平。

    (3)真空热处理设备采用PL型可编程序控制器，智能化控温仪表与真空仪表、传感器、执行元件相结合，实现了对真空系统、机构传动、充气系统和工艺参数的自动控制。运行可靠，控温精度高，具有故障显示和报警功能，达到国际90年代末真空热处理设备先进水平。

    (4)我国真空热处理设备的研制材料、传感器、真空泵和阀类元器件、测试仪表等实现了国产化，制造技术和检测技术独立开发，形成了国产化真空热处理设备研制生产体系，因而设备成本较低廉，适合国情，发展前景广阔。

　3．我国真空热处理设备研制开发特点

    (1)通过引进真空热处理炉消化吸收，国内已具有能够自主开发设计制造高水平系列真空炉的能力。目前我国已研制生产各类真空热处理炉、离子渗碳(氮、金属)炉、烧结炉、钎焊炉、真空镀膜及溅射设备等多种类型。在炉型上包括单室、双室、三室、半连续式及连续式真空热处理设备，已经形成了国产真空热处理炉系列。

    (2)国产真空炉的主要技术指标已达到或接近国际先进设备的水平。如炉温均匀性达到美国军标MIL-80233A规定的指标，即在±5.6℃以内；压升率指标一般均达到<1.33Pa/h．设备最高工作温度及极限真空度也都满足用户要求。国产真空退火炉、真空油气淬火炉等主要炉种已基本站稳了国内市场，满足了各行业的迫切需求。

    (3)国产真空炉与国外先进设备存在的主要差距是设备质量有待稳定。我国应该从系统工程角度出发，协同真空泵、阀门、仪器仪表、石墨加热元件及制品、电子元器件等制造厂家共同努力，提高其产品质量及使用寿命，进而提高国产真空热处理设备的整体水平。

(4)进一步完善和提高国产高压气淬炉和高流率气淬炉的质量水平，并形成批量生产规模。同时，开发研制具有低温对流加热和等温淬火功能的高压气淬炉，以及高温高压真空炉和连续型或组合式往复多用真空热处理炉生产线及智能控制系统，是我国当前真空热处理设备研制开发的主要方向。