常见的热加工设备的简单介绍

真空与等离子热处理炉的原理及其方法

摘要：真空与等离子热处理炉是机械两件进行真空热处理工艺和辉光离子渗入热处理工艺的设备。真空热处理及离子热处理的应用推广，可以解决用一般常规热处理方法不能满足有关氧化脱碳表面粗糙及尺寸精度等较高的工艺要求。近年来，因为真空与等离子热处理设备具有高效优质低耗和无污染等一系列优点，是近代热处理设备发展的热点之一。

关键词：真空等离子热处理离子轰击

一.真空系统及真空热处理：真空系统，通常是由真空泵，空阀门，真空测量仪表，管道等组成。真空热处理炉常见的真空系统主要有以下3种。

(1)低真空系统：该系统通常采用机械真空泵既能满足要求，如预抽井式真空炉多采用这个系统。对真空度要求稍高，抽气速率要求不大时，可以选用旋片式真空泵。如果真空度要求不高，抽气速率需要加大时，可选用滑阀式真空泵。（2）中真空系统：该系统一般由机械泵和压泵组成。机械泵常用滑阀泵或旋叶泵，增压泵可选用罗茨泵或油增压泵。罗茨泵的极限真空度比油增压泵稍低，但抽速比较大。工作时，先启动机械泵对真空炉预抽真空，当达到增压泵可以启动的压强时，在启用增压泵直抽到要求的真空度。这种系统在真空淬火炉中应用很广。

（3）高真空系统：该系统的主泵常采用油扩散泵，扩散泵与增压泵匹配应用的情况也常见。真空退火炉，真空钎焊炉多采用此系统。

真空系统的基本参数主要有工作真空度，极限真空度，臭气时间，抽气速度，及压升率等。真空炉在工作时需要保持的真空度称为工作真空度。空炉时所能达到的最高真空度称为极限真空度，它与泵的极限真空度和抽速有关，与炉内总放气量和漏气量成反比。抽气时间反映了抽气效率，是指炉子从某一压力开始抽到要求压力所需的时间。一般炉子的预抽时间为10min左右为宜。真空系统单位时间内所抽出的气体体积称为抽气速率。单位时间内渗漏入真空炉内的气体量是检验炉子密封性能的指标。国标规定用关闭法测量压升率，即系统抽到极限真空或某一压力后关闭真空炉体各个通气口阀门，如果只能机械泵抽空时应停泵，然后根据两次读数间的时间去除两次读数时真空室内压力之差，即得压升率。现在真空热处理以用于淬火，退火，回火，渗氮及其他表面硬化，表面合金化等工艺中。在淬火方面已经实现了气淬，油淬，硝盐淬等处理。

二.真空热处理炉的分类

（1）外热式真空热处理炉：外热式真空热处理炉通常称为马弗炉，是真空热

处理早期发展的炉型。外热式真空热处理炉，一般在工业上都作为真空退火炉用，可以对各种金属进行真空热处理，如钢丝、钢带的球状化退火和不锈钢、铜合金丝、铜合金带的光亮退火。近儿年，国内设计、制造了小型外热式油淬真空热处理炉，可以对合金钢、轴承钢等进行光亮淬火。采用耐热钢制造的真空罐放入井式或箱式电阻炉中，，根据真空热处理工艺的需要，配接适当的真空系统，即成为筒单的外热式真空热处理炉。图所示的就是外热式真空热处理炉简单组成，它是由井式电阻炉1，真空罐硬和真空泵9真空闷门6、真空计5等构成的真空系统共三部分组成的。从图中可以看出，外热式真空热处理炉的热源在真空雄的外部，也就是电热元件2设置在真空罐4的外部，工件a放在真空罐的内部，靠间接加热。

图简要地列出了几种外热式真空热处理炉的结构示意图。a是钟罩式结构。这种结构的真空缺座落在炉底上，整个炉底和真空罐可以借助于电动或液压传动升降，以完成装出料操作并能缩短冷却时间。也可以采取真空罐和炉底固定不动，罩式炉体升降的方法来完成进出料操作等，但是炉体升降较为复杂。采用哪一种方法，要根据现场实际情况而定。b)是双真空结构。这种结构不仅真空罐内部被抽成真空，而且真空罐外部的炉体部分也被抽成真空。这样，就可以减少真空镶承受的压力，避免真空罐外壁氧化和变形，延长了真空罐的使用寿命。c)是立式双室外热式真空热处理炉结构示意图。在真空罐的上部又增设了水冷夹层结构(或水冷却管结构)的冷却室。当金属材料在真空罐内加热完毕后，利用提升机构将被加热的金属材料传送到冷却室内冷却，这样，就可以提高冷却速度。d)是三室半连续外热式真空热处理炉组成示意图。这种炉子由预除气室、加热室和冷却室三部分组成的。金属材料从进料端进入预除气室内，清除吸留在金属材料表面上的气体和水蒸气，然后，进入加热室(真空罐)内加热，加热完毕，进入冷却室冷却，最后从出料端出料。整个热处理工艺过程是半连续进行的，因而生产效率较高

（2）内热式真空炉热处理：内热式真空热处理炉，由于可以实现快速加热、快速冷却，因此，也称为无热惯性炉。图是内热式真空热处理炉的典型结构示意图。从图中可以看出，这种炉子由电热元件和隔热层构成的加热室，全部放置在水冷夹层结构的真空炉壳内，被处理工作靠电热元件直接辐射加热。根据真空热处理工艺要求的温度、真空度、处理精度等条件，电热元件的材料可选用镍铬合金、铁铬铝合金、相、担、钨和石墨等:隔热材料可选用不锈钢、钼片组成的全金属辐肘屏，耐火纤维和石墨毡等。内热式真空热处理炉与外热式真空热处理炉相比，构造比较复杂，制造、安装精度要求高，调试较难，造价较贵。但是，内热式真空热处理炉可以实现快速加热、快速冷却，使用温度高，可以大型化，便于连续作业，生产效率高。所以，这种型式的真空热处理炉得到迅速发展，成为口前真空退火、真空淬火、真空回火、真空钎焊和真空烧结的主要用炉。

（3）气冷真空热处理炉：利用气体作为冷却介质的炉子称为气冷真空热处理炉。可充入炉内作为工件淬火冷却介质的气体，主要有:氢、氦、氮和氩等。如果从冷却速度的观点出发，对上述气体的冷却时间进行比较，假如以氢的冷却时间为1，则红为1.2,氮为1.5,氩为1.75。可以看出，氢的冷却速度最快，可是，从安全的角度来看，氢有爆炸的危险，并不理想，氦的冷却速度较快，但是价格昂少，不合算，冠的价格也很贵，而且冷却速度低，因此，一般多采用高纯氮，作为工件淬火的冷却介质。当然，也要根据被处理工件材料的要求，如铁合金与氮接触有氮化的危险，则应采川氛气作为冷却介质。

（3）连续式真空热处理护:以上介绍的气冷和油淬真空热处理炉均属周期作业炉。周期式真空热处理护的生产效率和经济效果都较低。为了提高生产效率，提高经济效果，近几年采用连续式真空热处理护日渐增多。三室半连续式气冷真空热处理护。三室半连续式油淬真空热处理炉。它们都是由进料室、加热室和冷却室组成的，相邻两个室由中间真空闸门隔开。三室炉的操作程序是:工件在加热室内加热后，打开中间真空闸门，通过传送机构将工件移至冷却室内进行冷却，立即通过传送机构将进料室内的工件送至加热室内进行加热，再从炉外将下一批工件送入进料室，冷却后的工件，从冷却室出炉，这样重复进行，可形成半连续作业。

三.等离子炉的工作原理

等离子热处理炉又称为离子轰击加热装置，最初用于氮化处理，即离子氮化炉，随后得到很大的发展。该加热装置时依靠真空中的辉光和离子轰击的方法来获得活性离子并加热工件，使氮，碳或其他元素渗入工件表面的化学热处理的一种装置。与普通的气体氮化炉相比，它具有渗入速度快，表面相结构容易控制，零件畸变小，能源节省及无污染等优势。但是，离子氮化炉用于小孔或小槽内壁的氮化处理比较困难。

等离子热处理炉工作原理是弓箭放入炉内作为阴极，炉体作为阳极，真空抽到13.3pa到1.33pa后再通入少量氨，氮或氮氩混合气体，使炉内压力达到133pa 到1333pa，然后在两极间施加一定电压使氮电离，氮电离后即以高速冲击工件，离子的动能转化为热能将工件加热至渗氮温度。轰击表面的一部分氮夺得电子后直接渗入工件的表面，在工件表面上形成含氮很好的呈蒸发状态的FeN，并不断向工件内部扩散从而达到渗氮的目的

四.总结

真空热处理炉和等离子炉都是较为先进的热处理炉子，用它们处理一些性能要求比较高的构件，如航空航天军事等方面可以用到着两个炉子，对技术人员的能力要求也比价高。利用这两种炉子的热处理方法前途很广，如果能够普遍运用于机械加工业的话可以解决很多表面上粗超，组织经过热处理后不均匀等缺陷。