3-1 真空热处理原理与设备

2020/1/261真空应用VacuumApplication主讲：王晓冬[e-mail]真空应用NEU2020/1/262课程内容与学时安排1真空应用概论(4学时)√2真空冶金（12学时）√3真空热处理（4学时）4真空技术与太阳能利用（2学时）5真空冷冻干燥（2学时）6真空绝热（2学时）7真空压力浸渍（2学时）8真空镀膜（2学时）考试（2学时）真空应用NEU2020/1/2633真空热处理3.1真空热处理原理及设备1）真空热处理的作用和特点2）真空热处理的工艺流程及分类3）真空热处理炉3.2真空电阻炉的工作原理与结构3.3真空电阻炉的设计计算及真空系统3.4电阻炉内部流动与传热的数值模拟真空应用NEU2020/1/2643.1真空热处理原理及设备改善材料的性能的主要两个途径调整化学成分—合金化进行热处理—结晶结构改变热处理工艺通过加热、保温、冷却的操作方法使材料的组织结构发生变化以获得所需性能真空应用NEU真空条件对热处理工艺的影响在外界压力变化时，固体金属相变温度、金相组织将发生变化；但相差一个大气压下的真空环境下，固体金属相变热力学、动力学等特性没有明显变化。可参照常压下固态相变原理进行真空热处理工艺。2020/1/265真空应用NEU2020/1/2661)真空热处理的作用和特点真空热处理的作用(1)保护作用防氧化、防脱碳、防增碳、防吸气、防腐蚀保持了金属表面原有化学成分和光泽，真空热处理称为光亮处理。(2)表面净化作用氧化物、氮化物、氢化物等杂质还原分解或挥发；获得光洁金属表面真空应用NEU2020/1/267真空热处理的作用2(3)真空除气作用物理吸附与脱附—对温度和压力都是可逆的；化学吸附与脱附—对压力可逆，对温度不可逆。(4)脱脂作用机械加工过程中使用的冷却剂和润滑剂在真空和加热条件下挥发或分解，得到光洁表面。真空应用NEU2020/1/268真空热处理的作用3(5)蒸发作用使零件之间、零件与料框之间发生粘接；使金属工件表面粗糙；金属中某些元素脱出（如铬），破坏工件表面特性；电极绝缘性能下降，易发生短路事故。为防止金属的蒸发，可充入保护气体，调节炉内压力。真空应用NEU2020/1/269真空热处理的特点(1)高质量工件不氧化、不脱碳、不增碳的光亮处理；工件变形量是普通热处理变形量的10%，显著减小。(2)低成本变形量小，减少下一道工序加工余量；减少废品率和加工费。(3)低能耗保温好，热损失少，电耗少。(4)无公害(环保)真空应用NEU2020/1/2610真空热处理的特点2真空热处理的缺点易产生蒸发现象；设备较复杂；设备成本较高。真空应用NEU2020/1/26112）真空热处理的工艺流程及分类加热(升温)—保温(使温度均匀)—冷却在上述处理过程中，材料组织结构发生变化，获得需要的性能。真空热处理工艺流程装料—抽空—加热—保温—冷却—出炉不同热处理要求不同的工艺条件，而不同的工件要求的工艺条件又有所差别，要指定具体的工艺曲线。真空应用NEU2020/1/2612真空热处理压力、温度随时间变化真空应用NEU2020/1/2613热处理的分类(1)普通热处理：退火，正火—消除应力，降低工件硬度，改善切削加工性能；淬火—提高硬度和耐磨性；回火—获得较好的韧性和塑性。(2)表面热处理表面淬火—火燃加热，感应加热；化学热处理—渗碳，渗氮，碳氮共渗。真空应用NEU2020/1/2614真空淬火(1)淬火原理将工件加热到奥氏体转化温度并保温一定时间使工件受热充分均匀再急速冷却，阻止奥氏体向珠光体的转变，转化为高硬度的马氏体使表面和内部获得高硬度和耐磨性。(2)淬火方法气体淬火油淬火水淬火冷却速度依次提高真空应用NEU2020/1/2615气淬冷却方式：内循环、外循环由充气循环装置、风机、换热器实现冷却。冷却速度慢，适用于小工件处理。冷却速度：与冷却气体的种类、压力、炉子结构、流量装炉量有关。随着气体压力的不断增加，处理能力大幅度提高。冷却介质：不与工件反应的气氛氢气、氦气、氮气、氩气等冷却能力依次降低真空应用NEU2020/1/2616气淬气体氢—冷却速度快，易爆炸，不能用于1058℃以上的热处理中；氦—冷却速度快，成本高（为氮气的100倍）,很少使用；氩—冷却速度慢，价格高于氮气，不宜使用；氮—价格便宜，安全，最多使用（高纯氮)。真空应用NEU2020/1/2617提高冷却速度的办法提高流量受到风机功率的限制;提高压力“加压气淬”，P=(6-9.3)*104Pa；“高压气淬”，P=(2-5)*105Pa。降低冷却介质的温度设置热交换器。真空应用NEU2020/1/2618油淬与水淬油淬冷却速度快，适用于大工件和淬透性差的工件由油池、冷却器、搅拌装置实现冷却。由于油的污染以及工件需清洁等原因，油淬的使用在减少。水淬生产中有需要，技术上有些问题有待研究。真空应用NEU2020/1/26193）真空热处理炉（1）炉型和作业方式立式、卧式、混合式周期式、半连续式、连续式（2）炉子组成加热室真空系统水冷系统电源电控系统风冷系统或油淬装置真空应用NEU真空热处理炉炉型结构12020/1/2620真空应用NEU真空热处理炉炉型结构22020/1/2621真空应用NEU真空热处理炉炉型结构32020/1/2622真空应用NEU2020/1/2623周期式真空热处理炉真空应用NEU2020/1/2624高压气淬炉真空应用NEU2020/1/2625半连续式真空热处理炉真空应用NEU2020/1/2626连续式真空热处理炉真空应用NEU2020/1/2627立式真空电阻炉真空应用NEU2020/1/2628卧式真空电阻炉真空应用NEU2020/1/2629连续式真空电阻炉真空应用NEU2020/1/2630真空钎焊炉真空应用NEU2020/1/2631（3）气淬风冷系统（a）结构组成—风机（一般为离心式）、气流循环管道、热交换器（内交换或外交换）（b）风机结构—真空风机或液压马达（c）风机参数风量：（m3/s）F—风道截面积；v—风速，v=10m/s。功率：H—风压；K—安全系数；η1—风机效率，η1=0.4-0.5；η2—机械效率，直联电机，η2=1。真空应用NEU2020/1/2632内循环风冷—真空风机真空应用NEU2020/1/2633内循环风冷—液压马达真空应用NEU外循环风冷系统12020/1/2634真空应用NEU外循环风冷系统22020/1/2635真空应用NEU外循环风冷系统32020/1/2636真空应用NEU2020/1/2637（4）淬火油槽槽体+淬火油+冷却装置+搅动装置+加热装置(1)油量：(8-14)倍工件质量(2)槽体高度：淬火油深度+(0.15-0.5)米淬火油深度料筐高度+(0.1-0.5)+(0.1-0.4)米(3)油的冷却:槽体外冷却水套或槽内(侧面和底部)冷却水管(4)油加热:提高流动性，采用管状加热器，直接插入油中，或插入槽体上的钢管中。真空应用NEU2020/1/2638淬火油槽—搅拌装置(5)搅拌装置促进油循环流动，均匀油温，加快冷却；电机(500转/分)+联轴器+叶轮(直径200-400毫米)+动密封；设置位置：底部，侧壁和上部。真空应用NEU2020/1/26396电阻炉真空系统1)低真空系统2)中真空系统罗茨泵+机械泵油增压泵+机械泵3)高真空系统扩散泵+罗茨泵+机械泵扩散泵+机械泵扩散泵+油增压泵+机械泵2020/1/2639真空应用NEU2020/1/2640中真空系统—罗茨泵+机械泵2020/1/2640真空应用NEU2020/1/2641中真空系统—油增压泵+机械泵2020/1/2641真空应用NEU2020/1/2642高真空系统—扩散泵+罗茨泵+机械泵2020/1/2642真空应用NEU2020/1/2643高真空系统—扩散泵+机械泵2020/1/26432020/1/2644第3章(a)结束3.1真空热处理原理及设备√3.2真空电阻炉的工作原理与结构3.3真空电阻炉的设计计算3.4电阻炉内部流动与传热的数值模拟