第八章 真空热处理炉

1、第八章第八章 真空热处理炉真空热处理炉 我国第一台真空炉：我国第一台真空炉：1975年 主要产品：主要产品：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、离子渗碳(氮) 炉和真空连续炉等。 状况：状况：1998年约1500台，占热处理设备总量的1.21.5， 2005年，仅真空高压气淬炉需求量为300台/年以上。 优点：优点： 无氧化、无脱碳、脱气、脱脂、表面质量好、变形微小、热处理零件综合力学性能优异、使用寿命长、无污染无公害、自动化程度高。 缺点：缺点：炉内传热主要靠辐射进行，工件加热速度慢，加热均匀性差；设备一次性投资大。 应用：应用： 真空退火、真空

2、油气淬火、真空高压气体淬火、真空负压高流率气体淬火、真空渗碳(渗氮渗金属)、真空清洗、真空喷涂等。8 81 1 真空系统真空系统一、真空概念一、真空概念1 1、真空：、真空：在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。 2 2、真空度、真空度：真空状态下气体的稀薄程度，用压力表示；单位：1标准大气压1.013105Pa=9.710-1Kg/cm2；1bar（巴）105Pa0.9869标准大气压 1Torr 133Pa=1mmHg3 3、真空区域划及实现手段、真空区域划及实现手段低真空（1.3310313.3Pa）：机械泵或加机械增压泵（炉膛大）；中真空(13.31.310-2Pa)：机械泵机械增

3、压泵；高真空（1.310-2104Pa）：机械泵机械增压泵油扩散泵；超高真空（10-4Pa）：在上述基础上再增加分子泵或离子泵。 二、真空物理基础二、真空物理基础1、理想气体定律、理想气体定律 波义耳马略特定律波义耳马略特定律（温度维持不变） ： pVpV = = 常数常数 盖盖吕萨克定律吕萨克定律 ( (压力维持不变压力维持不变) ) ： V/T=V/T=常数常数 查理定律查理定律 ( (体积维持不变体积维持不变) ) ：p/T = p/T = 常数常数 道尔顿定律：道尔顿定律：( (不起化学作用不起化学作用) ) P = PP = P1 1 + P + P2 2+ + P+ Pn n (4

4、); (4); 2 2、蒸汽、蒸汽 永久气体永久气体：在临界温度以上的气体，不能通过等温压缩发生液化。 蒸汽：蒸汽：在临界温度以下的气体，靠单纯增加压力即能使其液化。 饱和蒸汽压饱和蒸汽压P Ps s：在汽、液共存的条件下，蒸发和凝结现象同时存在，若蒸发率等于凝结率，则处于饱和状态，此时空间蒸汽的压力称为对应平衡温度下的饱和蒸汽压。 物质的饱和蒸汽压随着温度的升高而增大。 真空加热条件下金属元素的蒸发：Zn、Mg、Mn、Al、Cr等的饱和蒸气压较高，易蒸发，造成表面合金元素的贫乏。 为保证工件的光亮度，又要使合金元素少蒸发，可将炉内先抽到较高的真空度，随即充入高纯氩气或氮气，使炉内压力维持在2

5、0026.6Pa下加热，便可得到两全其美的工艺效果。三、机械真空泵三、机械真空泵 真空泵：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。 抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空)从粗真空到10-12Pa以上的超高真空范围。 机械真空泵：是利用机械运动(转动或滑动)以获得真空的泵。 1 1、机械真空泵的分类、机械真空泵的分类 1 1）变容真空泵：）变容真空泵：利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气目的的真空泵。目的的真空泵。(1)往复式真空泵： 利用泵腔内活塞往复运动，将气体吸入、压缩

6、并排出。利用泵腔内活塞往复运动，将气体吸入、压缩并排出。 (2)旋转式真空泵：利用泵腔内转子部件的旋转运动将气体吸入、压缩并排利用泵腔内转子部件的旋转运动将气体吸入、压缩并排出。出。 1)油封式真空泵：利用真空泵油密封泵内各运动部件之间的间隙，减少利用真空泵油密封泵内各运动部件之间的间隙，减少泵内有害空间的一种旋转变容真空泵。泵内有害空间的一种旋转变容真空泵。 2)液环真空泵：带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。工作液体通常为水带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。工作液体通常为水或油，所以亦称为水环式真空泵或油环式真空泵。或油，所以亦称为水环式真空泵或油环式真空泵。 3)干式真空泵：它是一种泵内不用油

7、类它是一种泵内不用油类( (或液体或液体) )密封的变容真空泵。密封的变容真空泵。 4)罗茨真空泵：泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶形或多叶形的转泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶形或多叶形的转子。转子间、转子同泵壳内壁之间均保持一定的间隙。子。转子间、转子同泵壳内壁之间均保持一定的间隙。2动量传输泵：动量传输泵：依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口。气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口。 分子真空泵：分子真空泵：利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获利用高速旋转的转子

8、把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。1)牵引分子泵：牵引分子泵：气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。送到泵的出口。 2)2)涡轮分子泵：涡轮分子泵： 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。 3)3)复合分子泵复合分子泵它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种它是由涡轮式和牵引

9、式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。复合型的分子真空泵。机械泵的详细分类机械泵的详细分类2 2、描述机械真空泵性能的参量、描述机械真空泵性能的参量1 1）抽气速率）抽气速率( (体积流率体积流率)()(单位：单位：m m3 3s s-1-1；L Ls s-1-1) ) 在一定的压力、温度下，真空泵在单位时间内从被抽容器中抽走的气体体积。2 2）极限压力（极限真空）（单位：）极限压力（极限真空）（单位：PaPa） 真空泵的入口端经过充分抽气后所能达到的最低的稳定的压力。 3 3）起动压力）起动压力泵无损坏起动并有抽气作用的压力。4 4）前级压力）前级压力排气压力低于一个大气压力的真

10、空泵的出口压力。5 5）最大前级压力）最大前级压力超过了能使泵损坏的前级压力。6 6）最大工作压力）最大工作压力对应最大抽气量的入口压力。在此压力下，泵能连续工作而不恶化或损坏。7 7）抽气量（）抽气量（Q Q单位：单位：PaPam m3 3S S-1-1；PaPaL LS S-1-1）流经泵入口的气体流量。8 8）压缩比）压缩比泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。3 3、 机械真空泵的规格及型号表示法机械真空泵的规格及型号表示法 例：例：2X2X一一7070 2 2表示双级；表示双级； X X表示旋片式真空泵；表示旋片式真空泵； 7070表示抽气速率为表示抽气速率为70L70LS S。型型

11、 号号名名 称称型型 号号名名 称称W WWYWYWLWLSZSZSZBSZBSZZSZZX X往复式真空泵往复式真空泵移动阀式往复泵移动阀式往复泵立式往复泵立式往复泵水环泵水环泵悬臂式结构水环泵悬臂式结构水环泵直联式水环泵直联式水环泵旋片式真空泵旋片式真空泵H HYZYZZJZJZJKZJKF FD DXZXZ滑阀式真空泵滑阀式真空泵余摆线真空泵余摆线真空泵罗茨真空泵罗茨真空泵真空电机罗茨真空泵真空电机罗茨真空泵分子真空泵分子真空泵定片式真空泵定片式真空泵直联式旋片泵直联式旋片泵4 4、旋片式真空泵、旋片式真空泵 旋片式真空泵是目前使用最广，生产系列最全的泵种之一。1 1）单级旋片泵）单级旋

12、片泵 当转子在定子腔内旋转时周期性地将进气口方面容积逐渐扩大而吸入气体，同时逐渐缩小排气口一侧的容积将已吸入的气体压缩并从排气阀排出。 排气阀浸在油里以防止大气流入泵中。泵油通过油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有的运动表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔之间的密封。单级旋片泵一般极限压力只能达到1.3Pa(个别可达0.1Pa)，为什么极限压力不能再低呢？(1)泵的结构上存在有害空间，该空间中的气体是无法排除的。当旋片转过排气口后，这一部分气体又被压缩，经过转子与泵腔间的缝隙又回到吸气空间，所以每次总有些气体排不尽。(2)由于在泵工作时，泵腔的吸气空间与排气空间存在着一定的压力差。当排气空间的气体

13、被压缩得很小时，它的压力很高，会通过各种可能的途径突破到吸气空间去，使泵真空度下降。(3)泵油在泵体内循环流动过程中会溶解进大量气体和蒸气。在吸气侧，因为压力较低，溶解的气体又会跑出来，使泵的真空度不易提高。 2 2）双级旋片泵）双级旋片泵 泵由两个工作室组成。A是低真空级，B是高真空级，两室前后串联。 当泵开始工作，且吸入气体的压力较高时(例如从大气压力开始抽气)，气体经B室压缩，压力急增，则被压缩的气体的一部分直接从辅助排气阀(1)排出，另一部分则经由前级排出。 当泵工作一段时间后，B室吸入的气体压力较低时，虽经B室的压缩，压力也达不到一个大气压以上，排不开辅助排气阀(1)，则吸入的气体全

14、部进入前级A室，经A室的继续压缩，由排气阀(3)排出。 泵工作一段时间后，由于高真空级进气时压力大大降低，其出口压力也很小，这样B室进出气口的压力差也较小，被压缩气体返回的数量也相应减少；同时，后级泵中易蒸发的油分子不断被前级A室抽走，油蒸气的分压减少了，因而双级泵的油污染比单级小，极限真空度将大大提高。目前的双级旋片真空泵的极限压力可10-2Pa。3 3）高速直联旋片真空泵）高速直联旋片真空泵 高速直联旋片真空泵，简称直联泵。 老式的旋片泵结构简单，应用量大面广。但转速低，大都在400r/min左右。采用皮带传动减速，因而体积大，重量重。 当抽速一定时，欲使泵体小质轻，主要手段是提高泵的转速

15、。 欲提高真空泵的转速的主要关键是必须使泵体和旋片的材质及转子的结构适应转速提高后的工况。 直联旋片泵采取由电动机直接驱动泵转子，把转速提高到1400r/min以上。这样可使泵的结构紧凑；体积显著缩小；重量减轻；泵的抽气性能提高；振动和噪音大大降低。 国内的许多生产厂家从七十年代中期至今先后试制成功了不同型号的直联泵，目前已有抽速从0.5L/s15L/s的系列产品。 5 5、罗茨真空泵、罗茨真空泵 罗茨真空泵是一种旋转式容积真空泵，在 10 1000Pa 压力范围内具有大抽速。 分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵 ( 机械增压泵 ) 和高真空多级罗茨泵。国内用量最多的为中真空罗茨泵 (

16、以下简称罗茨泵 )。 罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点： (1)在较宽的压力范围内有较大的抽速；(2)转子具有良好的几何对称性，振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速； (3)泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染；(4)泵腔内无压缩，无排气阀。结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感； (5) 压缩比较低，对氢气抽气效果差；(6) 转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。1 1）罗茨泵的工作原理）罗茨泵的工作原理 罗茨泵的泵腔内，有二个“ 8 ”字形的转子相互垂直地安装在一对平行

17、轴上，由传动比为 1 的一对齿轮带动做彼此反向的同步旋转运动。 罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，压缩比很低，其极限真空除取决于泵本身结构和制造精度 外，还取决于前级泵的极限真空度。 罗茨泵的工作原理罗茨泵的工作原理既具有容积泵的工作原理，又有分子泵的抽气效应。由于转子的连既具有容积泵的工作原理，又有分子泵的抽气效应。由于转子的连续旋转，被抽气体从泵进气口吸入到下转子与泵壳之间的空间续旋转，被抽气体从泵进气口吸入到下转子与泵壳之间的空间 V V0 0 内，内，吸气后吸气后 V V0 0 空间是全封闭状态。随着转子的转动，封闭的空间是全封闭状态。随着转子的转动，封闭的 V V0 0 空间与排空间与排

18、气口相通，由于排气侧气体压力较高，引起一部分气体反冲过来，使气口相通，由于排气侧气体压力较高，引起一部分气体反冲过来，使 V V0 0 空间内的气体压力突然空间内的气体压力突然增高。当转子继续转动时，增高。当转子继续转动时， V V0 0 空间内原来封入的气体连同反空间内原来封入的气体连同反冲的气体一起被排向泵外。这冲的气体一起被排向泵外。这时，上转子又从泵入口封入时，上转子又从泵入口封入 V V0 0 体积的气体。由于泵的连续运体积的气体。由于泵的连续运转，使两个转子不停地形成封转，使两个转子不停地形成封闭空间闭空间 V V0 0 又不停地将封闭空又不停地将封闭空间内的气体排出泵外，从而实间

19、内的气体排出泵外，从而实现了抽气的目的。现了抽气的目的。目前国内外的罗茨泵总体结构目前国内外的罗茨泵总体结构(1) (1) 立式；进、排气口水平设置，装配和连接管路都比较方便。但立式；进、排气口水平设置，装配和连接管路都比较方便。但泵的重心较高，在高速运转时稳定性差，多用于小泵。泵的重心较高，在高速运转时稳定性差，多用于小泵。(2) (2) 卧式；进气口在上，排气口在下。泵结构重心低，高速运转时卧式；进气口在上，排气口在下。泵结构重心低，高速运转时稳定性好。大、中型泵多采用此种结构。稳定性好。大、中型泵多采用此种结构。(3) (3) 泵的两个转子轴与水平面垂直安装。装配间隙容易控制，转子泵的两

20、个转子轴与水平面垂直安装。装配间隙容易控制，转子装配方便，泵占地面积小。但泵重心较高且齿轮拆装不便，润滑机构也装配方便，泵占地面积小。但泵重心较高且齿轮拆装不便，润滑机构也相对复杂。仅见于国外产品相对复杂。仅见于国外产品。6 6、分子真空泵、分子真空泵 分子真空泵是在分子真空泵是在 1911 1911 年由德国人盖德年由德国人盖德 (w (w Gaede Gaede) ) 首先发明。首先发明。 分子泵的抽气机理与容积式机械泵靠泵腔容积变化进行抽气的机理不同，分子泵的抽气机理与容积式机械泵靠泵腔容积变化进行抽气的机理不同，分子泵是在分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，分子泵是在

21、分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。的。 分子真空泵适应了对超高真空和无油真空环境的需求，特别是使得过去分子真空泵适应了对超高真空和无油真空环境的需求，特别是使得过去大量使用的扩散泵抽气系统已不能适应无油清洁超高真空的要求。大量使用的扩散泵抽气系统已不能适应无油清洁超高真空的要求。 1958 1958 年，德国人年，德国人 W W Becker Becker 提出了可在超高真空下工作的涡轮分子泵，提出了可在超高真空下工作的涡轮分子泵，使分子泵在结构上

22、有了重大的突破。使分子泵在结构上有了重大的突破。 涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成。每个叶轮上涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成。每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度。动片与定片倾角方向相反。主轴的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度。动片与定片倾角方向相反。主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动。从而实现抽气目的。气体分子使其产生定向运动。从而实现抽气目的。 涡轮分子泵的应用特点涡轮分子泵的应用特点 (1) (1) 工作压力范围宽，在工作压力范围

23、宽，在 1010-1-1 1010-8-8 pa pa 范围内具有稳定抽速；范围内具有稳定抽速； (2) (2) 起动时间短，能抽除各种气体和蒸气；起动时间短，能抽除各种气体和蒸气； (3) (3) 分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。四、蒸汽流真空泵四、蒸汽流真空泵 主要有：水蒸汽喷射泵和油扩散泵两类。主要有：水蒸汽喷射泵和油扩散泵两类。 油扩散泵靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的，工油扩散泵靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的，工作在高真空区域，其工作压强范围为作在高真空区域，其工作压强范围为10

24、10-2-21010-5-5PaPa。四、蒸汽流真空泵四、蒸汽流真空泵 油扩散泵的工作原理与结构油扩散泵的工作原理与结构当油蒸汽从伞形喷咀当油蒸汽从伞形喷咀( (如如I I级喷咀级喷咀) )以超音速喷出后，其以超音速喷出后，其速度逐渐增大，压力及密度逐速度逐渐增大，压力及密度逐渐降低，射流上边的被抽气体渐降低，射流上边的被抽气体因密度差要向蒸汽射流中扩散因密度差要向蒸汽射流中扩散并被射流携带到水冷的泵壁处，并被射流携带到水冷的泵壁处，在此处，工作蒸汽大部分被冷在此处，工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油锅中凝成油滴沿泵壁流回到油锅中循环使用，而被抽气体被堆积、循环使用，而被抽气体被堆积、压

25、缩，最后被下级射流携带走，压缩，最后被下级射流携带走，以达到逐级压缩，最后被前级以达到逐级压缩，最后被前级泵抽走。泵抽走。五、几种常用泵的比较五、几种常用泵的比较六、真空测量六、真空测量1 1、绝对真空计和相对真空计、绝对真空计和相对真空计绝对真空计：直接测量气体的压强；相对真空计：通过与气体压强有关的物理量来间接测量压强。2 2、常用真空计分类、常用真空计分类 1）静态变形真空计：利用与真空相连的容器表面上受到大气压的作用，以产生弹性变形来测量压强。 2）静态液体真空计：利用U形管两端的液面差来测量压强。 3）压缩式真空计：在U形管基础上，应用波义尔定律，即将一定的气体经过压缩，使其压强增加

26、，根据体积和压强的关系计算出被测气体的压强。此类真空计使用普遍，是一种绝对真空计。 4）热传导真空计：利用真空中气体分子多少与热传导有关的原理，常用的有电阻真空计和热偶真空计。 5)电离真空计：其原理是利用气体稀薄时的电离现象，以离子电流与气体压强成正比测量离子电流，即可间接测出气体的压强。常用的有热阴极电离真空计，冷阴极磁控放电真空计及放射真空计等。 6）气体放电真空指示器：利用气体辉光放电的辉光厚度或颜色与压强有关的性质作成的指示器。此指示器仅能定性测量。 7)其它 还有利用气体的热辐射或内摩擦现象而制成的辐射真空计，动态真空计及声学真空计等。2 2）热导真空计）热导真空计 利用真空系统中

27、分子数与传导热量有关的原理，制成热导式真空计，有电阻真空计与热偶真空计两种。 热导式真空计特点：热导式真空计特点：优点：(1)可以测量总压强（气体和蒸气)；（2)能连续测量；（3)使用方便，可用导线进行远距离测量；（4)结构简单，易于制造。缺点：（1)读数与被测气体的种类有关，在空气中校准的曲线，不能直接用于其它气体，尤其是热导系数相差甚远的气体；（2)有热惯性，当压强变化很快时，反应滞后；（3)外界温度对测量结果有一定影响；（4)电阻丝表面情况改变，可造成零点飘栘，影响准确读数。 3 3）电离真空计）电离真空计 电离真空计是以气体的电离现象为基础测量真空度大小，分为热阴极电离真空计和磁控放电

28、真空计两类。 热阴极电离真空计特点：热阴极电离真空计特点：优点：（1）可测总压强；（2）可连续测量；（3）测量范围广，在很低的压强下，灵敏度仍然很高；（4）电离计规管体积小，可直接连通要测的位置，可远距离测量；（5）对机械振动不敏感，惯性小；（6）校准曲线是线性的。缺点：（1）读数与气体种类有关，不同气体要作不同的校准曲线；（2)灯丝是白炽状态，真空系统突然漏气或压强突然升高，会使灯丝损坏；（3）气体被吸附在阴极和收集极表面易产生测量误差：（4）在低压强时，规管外壳与电极放电现象影响读数：磁控放电真空计特点优点：（1）没有热阴极存在，不会因漏气损害灯丝，使用寿命长；（2)测量总压强，可连续测量

29、；（3)放电电流大，电路使用仪表简便；（4）结构牢固，对外界振动不敏感。缺点：在低压强条件下，它的灵敏度不及热阴极电离真空计高，对不同气体也需要不同的校准曲线。4 4、一些真空计的压力测量范围、一些真空计的压力测量范围 真空计名称真空计名称测量范围测量范围(Pa)(Pa)真空计名称真空计名称测量范围测量范围(Pa)(Pa)水银水银U U型管型管10105 51010高真空电离真空计高真空电离真空计1010-1-11010-5-5油油U U型管型管10104 41 1高压力电离真空计高压力电离真空计10102 21010-4-4光干涉油微压计光干涉油微压计1 11010-2-2B-AB-A计计1

30、010-1-11010-8-8压缩式真空计压缩式真空计( (一般型一般型) )1010-1-11010-3-3宽量程电离真空计宽量程电离真空计10101010-8-8压缩式真空计压缩式真空计( (特殊型特殊型) )1010-1-11010-5-5放射性电离真空计放射性电离真空计10105 51010-1-1弹性变形真空计弹性变形真空计10105 510102 2冷阴极磁放电真空计冷阴极磁放电真空计1 11010-5-5薄膜真空计薄膜真空计10105 51010-2-2磁控管型电离真空计磁控管型电离真空计1010-2-21010-11-11振膜真空计振膜真空计10105 51010-2-2热辐射

31、真空计热辐射真空计1010-1-11010-5-5热传导真空计热传导真空计( (一般型一般型) )10102 21010-1-1分压力真空计分压力真空计1010-1-11010-14-14热传导真空计热传导真空计( (对流型对流型) )10105 51010-1-1 七、真空检漏七、真空检漏1 1、常用的真空检漏方法有：压力检漏法和真空检漏法。、常用的真空检漏方法有：压力检漏法和真空检漏法。 2 2、检漏中常见故障判断、检漏中常见故障判断a)炉膛不漏气也不放气，真空上不去是因为泵工作状况不良；b)炉膛漏气，但炉内材料放气；c)炉膛只有漏气，没有放气；d)炉膛既漏气又存在放气。3、真空不合格常见

32、措施、真空不合格常见措施1）检查真空计的指示是否正确，真空炉是否漏气，真空泵的抽气能力是）检查真空计的指示是否正确，真空炉是否漏气，真空泵的抽气能力是否下降，然后采用相应措施加以解决。否下降，然后采用相应措施加以解决。2）先关闭所有的真空阀门及真空泵，观察真空度的变化情况，根据真空）先关闭所有的真空阀门及真空泵，观察真空度的变化情况，根据真空度的变化情况确定是漏气，还是放气，如是漏气，应应检查拆装部件度的变化情况确定是漏气，还是放气，如是漏气，应应检查拆装部件的密封情况。的密封情况。3）检查加热室时，首先检查控温热电偶的密封，真空规管的密封，其次）检查加热室时，首先检查控温热电偶的密封，真空规

33、管的密封，其次是热闸阀是否关好，水冷电吸的密封和观察孔隔热屏的转动杆密封是是热闸阀是否关好，水冷电吸的密封和观察孔隔热屏的转动杆密封是否可靠，真空系统放气阀密封垫是否损坏。否可靠，真空系统放气阀密封垫是否损坏。4）如果发现冷却室油雾过大，首先检查放气阀是否关好，充气阀是否在）如果发现冷却室油雾过大，首先检查放气阀是否关好，充气阀是否在关闭状态，真空规管密封是否可靠，其次检查五个减速器的静、动密关闭状态，真空规管密封是否可靠，其次检查五个减速器的静、动密是否损坏如有损坏，必须更换新的密封件不可凑合使用。是否损坏如有损坏，必须更换新的密封件不可凑合使用。5） 如果扩散泵按操作规程启动后炉室升不到高

34、真空，首先应考虑扩散泵如果扩散泵按操作规程启动后炉室升不到高真空，首先应考虑扩散泵油及扩散泵内各级喷嘴是否氧化，扩散泵油氧化后呈棕褐色或黑色，油及扩散泵内各级喷嘴是否氧化，扩散泵油氧化后呈棕褐色或黑色，铝制喷嘴亦呈棕褐色。这时应将各级喷嘴卸下，逐件用金相砂纸擦铝制喷嘴亦呈棕褐色。这时应将各级喷嘴卸下，逐件用金相砂纸擦试直至擦出铝的本色并换油。扩散泵重装好并启动扩散泵后，真空试直至擦出铝的本色并换油。扩散泵重装好并启动扩散泵后，真空度仍上不去，此时就应考虑前级泵的油是否太脏或油里有水，如有水度仍上不去，此时就应考虑前级泵的油是否太脏或油里有水，如有水或油不清洁，清洗机械泵并更换新油，一般情况下，

35、扩散泵很快将达或油不清洁，清洗机械泵并更换新油，一般情况下，扩散泵很快将达到要求的工作真空度。到要求的工作真空度。8 82 2 真空热处理炉设计基础真空热处理炉设计基础从炉子结构和加热方式，基本上可以归纳为两大类从炉子结构和加热方式，基本上可以归纳为两大类: : 一、即外热式真空热处理炉一、即外热式真空热处理炉 二、内热式真空热处理炉。二、内热式真空热处理炉。这两大类炉子又可分为多种炉型。这两大类炉子又可分为多种炉型。 1 1、油冷式真空热处理炉、油冷式真空热处理炉 2 2、气冷式真空热处理炉、气冷式真空热处理炉 3 3、其他类型真空热处理炉（多功能真空炉、高效能真空回火炉、真空渗碳炉、其他类

36、型真空热处理炉（多功能真空炉、高效能真空回火炉、真空渗碳炉、连续式真空炉、双重抽气外热式真空电阻炉、化学热处理真空炉、真空钎焊）连续式真空炉、双重抽气外热式真空电阻炉、化学热处理真空炉、真空钎焊） 4 4、抽空热处理炉、抽空热处理炉 5 5、真空等离子炉、真空等离子炉重点发展真空高压气淬炉重点发展真空高压气淬炉bar(0.6-1MPa)bar(0.6-1MPa)一、真空炉炉型结构一、真空炉炉型结构1、外热式真空热处理炉、外热式真空热处理炉优点：优点： 结构简单，制造容易；结构简单，制造容易； 容易密封，抽气量小，容易达到所要求的真空度，不受耐火、绝容易密封，抽气量小，容易达到所要求的真空度，不

37、受耐火、绝 缘材料及电热材料放气的影响；缘材料及电热材料放气的影响； 不存在真空放电问题，工件加热质量高，生产安全可靠。不存在真空放电问题，工件加热质量高，生产安全可靠。缺点：缺点： 由于热源在炉罐外，热惰性大、热效率低、加热速度慢、生产周由于热源在炉罐外，热惰性大、热效率低、加热速度慢、生产周期长；期长； 由于炉罐材料高温强度所限，炉子尺寸小，使用温度低由于炉罐材料高温强度所限，炉子尺寸小，使用温度低11001100；合金钢或耐热钢罐价格昂贵，不易加工；合金钢或耐热钢罐价格昂贵，不易加工；仅适用于合金的退火、真空除气、真空渗金属等。仅适用于合金的退火、真空除气、真空渗金属等。2 2、内热式真

38、空热处理炉、内热式真空热处理炉 内热式真空热处理炉：将整个加热装置(加热元件、耐火材料)及欲处理的工 件均放在真空容器内，而不用炉罐的炉子。优点：1）可以制造大型高温炉，而不受炉罐的限制； 2）易于实现全过程的自动化，工作中无污染、环境好、操作安全； 3）炉子热惯性小，加热和冷却工序循环短，热效率较高，生产率也较高； 4）炉温均匀性好，可达5，工件加热均匀，变形微小，产品质量好；缺点：1）炉内结构复杂，造价高，电气绝缘性要求高； 2）炉内各种构件表面均吸附大量气体需配大功率抽气系统；3）考虑真空放电和电气绝缘性，要低电压大电流供电，需配套系统。 提高冷却效率的措施：通气道上设置水冷热交换器；提

39、高冷却效率的措施：通气道上设置水冷热交换器； 移走电热元件和隔热屏。移走电热元件和隔热屏。二、加热功率计算与电热元件设计二、加热功率计算与电热元件设计（一）热平衡法热功计算与功率确定（一）热平衡法热功计算与功率确定1 1、热平衡方程、热平衡方程2 2、有效热消耗的计算、有效热消耗的计算3 3、无功热损失的计算、无功热损失的计算(1) (1) 通过隔热屏辐射给冷壁的热损失通过隔热屏辐射给冷壁的热损失Q Q1 1通过金属反辐射屏热损失的计算通过金属反辐射屏热损失的计算 电热元件的温度按高于炉子工作温度100150计算，第一层辐射屏温度与炉温相等，第二层以后各层辐射屏逐层降低，如为钼辐射屏令其逐层降

40、低250左右，如为不锈钢辐射屏今其逐层降低150；水冷夹层内壁的温度一般不高于150。 对于圆筒壁对于圆筒壁圆筒壁导来辐射系数的计算圆筒壁导来辐射系数的计算 对于平壁对于平壁平壁导来辐射系数的计算平壁导来辐射系数的计算各层辐射屏温度的验算各层辐射屏温度的验算验算结果与设定温度相近，则满意；验算结果与设定温度相近，则满意；否则重新设定，在验算，至结果满意。否则重新设定，在验算，至结果满意。通过非金属隔热层热损失的计算通过非金属隔热层热损失的计算对于单层圆筒壁对于单层圆筒壁对于单层平壁对于单层平壁常用碳纤维毡和硅酸铝纤维毡的热导率和温度的关系常用碳纤维毡和硅酸铝纤维毡的热导率和温度的关系按封闭空间

41、内两表面的辐射换热计算按封闭空间内两表面的辐射换热计算Q辐辐计算结果如不满足计算结果如不满足Q Q1 1Q Q传传Q Q辐辐，则需重新计算，则需重新计算， 直至计算结果使直至计算结果使Q Q传传Q Q辐辐为止；为止；（2 2）水冷电极传导的热损失）水冷电极传导的热损失Q Q2 2根据一些单位的设计经验，一个水冷电极消耗功率根据一些单位的设计经验，一个水冷电极消耗功率0.51Kw。（3 3）热短路损失）热短路损失Q Q3 3 包括隔热层支撑件与炉壁联接热传导损失炉床或工件支承架短路传导损失以及其它热短路损失等。这部分热损失很难精确计算，根据经验，这部分热损失大约为Q1的510。即Q Q3 3（5

42、 51010） Q Q1 1（4 4）其它热损失）其它热损失 如热电偶导出装置真空管道、观察孔风扇装置等的热损失。这部分的热损失也很难精确计算，根据经验，这部分热损失大约为Q1的3一5左右，即Q Q4 4(3(35 5)Q)Q1 14 4、结构蓄热量的计算、结构蓄热量的计算 炉子结构蓄热消耗是指炉子从室温加热至工作温度，并达到稳定状态即热平衡时炉子结构件所吸收的热量。对于周期式炉，此项消耗是相当大的，它直接影响炉子的升温时间。 炉子结蓄热量是隔热层、炉床、炉壳内壁等热消耗总和。4 4、炉子总功率的确定、炉子总功率的确定1 1）热平衡法确定炉子总功率）热平衡法确定炉子总功率依据电热相等原则，适当

43、增加安全系数（1.11.3）。2 2）电热元件计算）电热元件计算包括：加热体尺寸确定、加热体表面负荷验算、加热体安装尺寸的确定等相关内容，与其他电炉设计相似。（二）经验计算法电热元件功率计算（二）经验计算法电热元件功率计算1 1、面积负荷法、面积负荷法 根据隔热屏内表面每平方米负荷来确定炉子功率。根据隔热屏内表面每平方米负荷来确定炉子功率。炉温高、表面积大，布置功率大。炉温高、表面积大，布置功率大。一般：炉温一般：炉温13001300，布置功率，布置功率151525kw/m25kw/m2 2；炉温炉温850850，布置功率，布置功率8 812kW/m12kW/m2 2。2 2、容积负荷法、容积

44、负荷法 3 3、回归分析法估算功率、回归分析法估算功率 内热式真空电阻炉额定功率内热式真空电阻炉额定功率P P与有效工作空间外表面积与有效工作空间外表面积F F及额定温度及额定温度T T之间有如下关系：之间有如下关系： 上式通过国内外数百台金属辐射屏与非金属隔热屏式的真空电阻炉的上式通过国内外数百台金属辐射屏与非金属隔热屏式的真空电阻炉的P P、F F、T T数据，利用数理统计多元回归分析法得出其计算式如下：数据，利用数理统计多元回归分析法得出其计算式如下： 4 4、热效率估算法、热效率估算法 一台待设计的真空炉，其被处理的炉料重量是已知的，加上估算的科一台待设计的真空炉，其被处理的炉料重量是

45、已知的，加上估算的科筐重量，便是总的处理量，这样便可求出有效的功率值。目前真空炉的热筐重量，便是总的处理量，这样便可求出有效的功率值。目前真空炉的热效率大约在效率大约在35351010之间。炉子的额定功率之间。炉子的额定功率P(kwP(kw) )，可按下式计算，可按下式计算， 对于大型炉和非金属隔热屏的炉子，其热效率要比小型炉和金属辐射对于大型炉和非金属隔热屏的炉子，其热效率要比小型炉和金属辐射屏式的炉子热效率要高一些。屏式的炉子热效率要高一些。 （三）电热元件设计（三）电热元件设计1 1、正确选择电热元件材料、正确选择电热元件材料一般电热元件的温度应考虑比炉子额定温度高一般电热元件的温度应考

46、虑比炉子额定温度高100100200200为宜；为宜；炉子额定温度炉子额定温度10001000时，选用镍铬合金铁铬铝合金；时，选用镍铬合金铁铬铝合金；炉子额定温度在炉子额定温度在1000100012001200，一般选用钼石墨纤维编织物。，一般选用钼石墨纤维编织物。炉子额定温度在炉子额定温度在1200120016001600范围内，选用钼钽、石墨和钨：范围内，选用钼钽、石墨和钨：炉子额定温度炉子额定温度16001600以上时远用钨和石墨。以上时远用钨和石墨。 有些被处理的工件在高温下，不允许有碳的存在，此时电热元件和隔热有些被处理的工件在高温下，不允许有碳的存在，此时电热元件和隔热 屏材料就不

47、能选择石墨和碳毡。屏材料就不能选择石墨和碳毡。2 2、电热元件电压的合理选择、电热元件电压的合理选择 内热式直空炉电热元件的电压如选择太高，会导致炉内的真空放电或辉光放电，致使电热元件受到损坏；如果电压选择得太低就会增大电热元件的电流，致使电热元件的联接结构困难而复杂，并且增加电损耗。 一般选择100V供电，目前通常采用单相或三相磁调变压器供电，输出电压范围为570V。3、电热元件表面负荷的确定用镍铬合金或铁铬铝合金制成电热元件的允许表面功率W允，如线状时，一般为1.41.8W/cm2；对用钨、钼、钽制成的电热元件允许表面功率，当使用温度高于1800时，为1020W/cm2；低于1800时，为

48、2040W/cm2。石墨电热元件的表面负荷值都很大，约为40 60W/cm2 ，在真空热处理炉中采用的石墨布、石墨棒、板等电热元件的辐射面积都较大，其表面负荷值均较低，因此在设计计算石墨电热元件时，可不考虑表面负荷的限制。根据允许表面功率W允，可算出电热元件的表面温度丁，这一温度不得超过该电热元件所用材料的最高使用温度。4 4、电热元件的布置、电热元件的布置 是保证炉温均匀性的最主要手段；是保证炉温均匀性的最主要手段； 长度大的真空炉分段多区独立控温；长度大的真空炉分段多区独立控温； 大型真空六面加热；大型真空六面加热； 中小型炉四面加热，电热元件布置长度为有效加热区的中小型炉四面加热，电热元

49、件布置长度为有效加热区的1.51.52 2倍；倍； 被加热工件与电热元件距离一般被加热工件与电热元件距离一般5050100mm100mm，以防止过热；，以防止过热；5 5、石墨加热器设计、石墨加热器设计1 1）石墨加热器设计要点）石墨加热器设计要点 石墨加热元件的使用寿命决定于其氧化和蒸发速度。当真空度为石墨加热元件的使用寿命决定于其氧化和蒸发速度。当真空度为1.31.310101 110102 2PaPa时，其极限使用温度为时，其极限使用温度为22002200；真空度低于；真空度低于1.3Pa1.3Pa或或在炉内充入中性气体，使用温度可达在炉内充入中性气体，使用温度可达24002400； 石

50、墨电热元件的电阻系数相当大，可以采用较大的截面积，在几十伏的石墨电热元件的电阻系数相当大，可以采用较大的截面积，在几十伏的低电压下工作；低电压下工作； 石墨电热元件的电阻温度系数较小，并且在石墨电热元件的电阻温度系数较小，并且在800800以下是负值，超过以下是负值，超过800800又变为正值；又变为正值； 在在25002500以下，石墨的机械强度随温度的上升而不断提高，所以将石墨以下，石墨的机械强度随温度的上升而不断提高，所以将石墨电热元件水平放置不会折断；电热元件水平放置不会折断； 石墨的性能根据牌号的不同其差别很大，设计时应注意选择；石墨的性能根据牌号的不同其差别很大，设计时应注意选择；

51、 石墨在低温时导热性良好，在高温时下降为低温的几分之一，故造成其石墨在低温时导热性良好，在高温时下降为低温的几分之一，故造成其表面和心部温度差，使断面伸长不一致产生热应力；导致石墨电热元件表面和心部温度差，使断面伸长不一致产生热应力；导致石墨电热元件损坏。所以设计石墨电热元件时应计算其所产生的应力。损坏。所以设计石墨电热元件时应计算其所产生的应力。石墨电热元件尺寸的确定石墨电热元件尺寸的确定 通常是根据加热室的形状和尺寸，首先确定石墨棒的有效加热段通常是根据加热室的形状和尺寸，首先确定石墨棒的有效加热段的长度，再根据安装、布置情况选定根数。电热元件根数过多在加热的长度，再根据安装、布置情况选定

52、根数。电热元件根数过多在加热室内不好安装布置；过少又不易保证炉温均匀性，要合理地选择确定室内不好安装布置；过少又不易保证炉温均匀性，要合理地选择确定加热元件的根数。加热元件的根数。 计算石墨电热元件的截面尺可时，应使它的电阻与所采用的电压计算石墨电热元件的截面尺可时，应使它的电阻与所采用的电压相适应：相适应：石墨棒或板的界面尺寸确定：石墨棒或板的界面尺寸确定： 求出截面积求出截面积F F后，就可以确定石墨棒直径或石墨板的厚度和宽度。后，就可以确定石墨棒直径或石墨板的厚度和宽度。 对于棒状石墨管应首先选择内径或外径，然后按等截面公式求外对于棒状石墨管应首先选择内径或外径，然后按等截面公式求外径或

53、内径，计算公式如下：径或内径，计算公式如下： 计算结果应满足：计算结果应满足：石墨棒、管的连接石墨棒、管的连接三、隔热屏结构形式及应用特点三、隔热屏结构形式及应用特点 隔热屏是真空热处理炉加热室的主要组成部分，其主要作用是隔热、隔热屏是真空热处理炉加热室的主要组成部分，其主要作用是隔热、保温及减少损失。保温及减少损失。 一般隔热屏的内表面与加热器之间的距离约为一般隔热屏的内表面与加热器之间的距离约为5050100mm100mm；加热器与工；加热器与工件件( (或夹具、料筐或夹具、料筐) )之间的距离为之间的距离为0 0100mm100mm。隔热屏每端应大干有效加。隔热屏每端应大干有效加热区约热

54、区约150150300mm300mm，或更长一些。从传热学的角度看，圆筒形的隔热，或更长一些。从传热学的角度看，圆筒形的隔热屏热损失最小，应尽量采用。屏热损失最小，应尽量采用。 隔热屏基本上分为金属隔热屏和非金属隔热屏两类。其结构型式一般隔热屏基本上分为金属隔热屏和非金属隔热屏两类。其结构型式一般有四种形式；全金属隔热屏、夹层式隔热屏、石墨毡隔热屏和混合毡有四种形式；全金属隔热屏、夹层式隔热屏、石墨毡隔热屏和混合毡隔热屏。隔热屏。1 1、全金属隔热屏、全金属隔热屏金属隔热屏的设计要点：金属隔热屏的设计要点：材料选择：保证在工作温度下隔热屏能正常工作，并且翘曲变形小。靠近电热元材料选择：保证在工

55、作温度下隔热屏能正常工作，并且翘曲变形小。靠近电热元件的件的12层用耐高温材料，外面几层可选用稍差的材料，以降低成本。层用耐高温材料，外面几层可选用稍差的材料，以降低成本。提高黑度。黑度低，反辐射效果好。黑度与材料本身的表面状况有关，粗糙的表提高黑度。黑度低，反辐射效果好。黑度与材料本身的表面状况有关，粗糙的表面与磨光的表面黑度相差很大，因而隔热屏在装配前均需进行表面加工或处理。面与磨光的表面黑度相差很大，因而隔热屏在装配前均需进行表面加工或处理。例如钼片、钽片、钨片可用酸洗，不锈钢可进行抛光或镀镍处理。例如钼片、钽片、钨片可用酸洗，不锈钢可进行抛光或镀镍处理。材料厚度的确定：在工作条件允许的

56、情况下，隔热屏应尽量薄些。一般中小型材料厚度的确定：在工作条件允许的情况下，隔热屏应尽量薄些。一般中小型炉为炉为0.20.5mm，大型炉为，大型炉为.51mm。隔热屏层数的确定：层数越多，热损失越小；但是，层数多时，消耗材料多，炉隔热屏层数的确定：层数越多，热损失越小；但是，层数多时，消耗材料多，炉内结构繁杂结构表面增多，吸附面增大，气体下易放出，尤其在湿热天气条件内结构繁杂结构表面增多，吸附面增大，气体下易放出，尤其在湿热天气条件下真空度不易达到要求。下真空度不易达到要求。金属隔热屏的设计要点：金属隔热屏的设计要点： 层与层间的距离应尽量小。加大距离对隔热效果并不显著，反而增加层与层间的距离

57、应尽量小。加大距离对隔热效果并不显著，反而增加炉子的结构尺寸，消耗材料和耗能增大，设备成本增高。但同时应保炉子的结构尺寸，消耗材料和耗能增大，设备成本增高。但同时应保证在长期使用中层与层不致因热应力变形而互相接触，证在长期使用中层与层不致因热应力变形而互相接触，般按炉膛般按炉膛大小，选用大小，选用5 510mm10mm间距为宜。间距为宜。 几层辐射板连接时，接触面积不能太大，以减少热短路，造成辐射屏几层辐射板连接时，接触面积不能太大，以减少热短路，造成辐射屏热效率降低。热效率降低。 隔热屏应设计成可拆卸的，同时要考虑热涨冷缩的影响，以防止其不隔热屏应设计成可拆卸的，同时要考虑热涨冷缩的影响，以

58、防止其不应有的损坏。应有的损坏。 金属隔热屏具有热容量小，热惯性小，可以实现快速加热和冷却，除金属隔热屏具有热容量小，热惯性小，可以实现快速加热和冷却，除气容易等优点，但是，全金属隔热屏消耗大量贵重金属，热损失比较气容易等优点，但是，全金属隔热屏消耗大量贵重金属，热损失比较大，炉子造价高，制造较复杂等是其缺点。大，炉子造价高，制造较复杂等是其缺点。 目前多用于处理清洁度要求高的精密零件和特殊合金处理目前多用于处理清洁度要求高的精密零件和特殊合金处理( (如要求无如要求无碳气氛等碳气氛等) )的高真空热处理炉上。的高真空热处理炉上。2、石墨毡隔热屏、石墨毡隔热屏 石墨毡隔热屏是由多层石墨毡用石墨

59、绳或钼丝捆扎固定于钢板网上构石墨毡隔热屏是由多层石墨毡用石墨绳或钼丝捆扎固定于钢板网上构成的。成的。 结构简单，制造容易，成本低廉，不怕渗碳气氛和还原性气氛，同时结构简单，制造容易，成本低廉，不怕渗碳气氛和还原性气氛，同时具有高温性能好，隔热效果好，便于快速加热和冷却等优点。具有高温性能好，隔热效果好，便于快速加热和冷却等优点。 这种隔热屏使用寿命通常为这种隔热屏使用寿命通常为56年，更换时，只需换下里面的年，更换时，只需换下里面的12层。层。 铺装石墨毡时，要注意各层石墨毡对缝要交错排列，防止热短路，同铺装石墨毡时，要注意各层石墨毡对缝要交错排列，防止热短路，同时每一对缝应用石墨绳缝起来。一

60、般厚度时每一对缝应用石墨绳缝起来。一般厚度3240mm(1300)。 石墨毡纤维细小，柔软，断头易到处飞扬，容易在大面积上造成加热石墨毡纤维细小，柔软，断头易到处飞扬，容易在大面积上造成加热器与炉体间的短路。有时绝缘电阻仅有十几欧姆，很难检查和排除。器与炉体间的短路。有时绝缘电阻仅有十几欧姆，很难检查和排除。 为防止上述弊端，在隔热屏内铺设一层柔性石墨板（或耐高温纸制为防止上述弊端，在隔热屏内铺设一层柔性石墨板（或耐高温纸制品），同时在安装时要特别注意不要到处揉搓碰撞石墨毡。品），同时在安装时要特别注意不要到处揉搓碰撞石墨毡。 另一种方法是在石墨纤维毡内外表面喷沬保护层保护。国外真空炉制另一种