39第八章 真空热处理炉

第八章真空热处理炉我国第一台真空炉：1975年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：1998年约1500台，占热处理设备总量的1.2～1.5％，2005年，仅真空高压气淬炉需求量为300台/年以上。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：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：真空退火、真空油气淬火、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。§8－1真空系统一、真空概念1、真空：在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态。2、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≈1.013×105Pa=9.7×10-1Kg/cm2；1bar（巴）＝105Pa＝0.9869标准大气压1Torr≈133Pa=1mmHg3、真空区域划及实现手段低真空（1.33×103～13.3Pa）：机械泵或加机械增压泵（炉膛大）；中真空(13.3～1.3×10-2Pa)：机械泵＋机械增压泵；高真空（1.3×10-2～10－4Pa）：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1、理想气体定律波义耳～马略特定律（温度维持不变）：pV=常数盖·吕萨克定律(压力维持不变)：V/T=常数查理定律(体积维持不变)：p/T=常数道尔顿定律：(不起化学作用)P=P1+P2+····+Pn(4);2、蒸汽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：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Ps：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200－26.6Pa下加热，便可得到两全其美的工艺效果。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、机械真空泵的分类1）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类(或液体)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：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。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：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。2)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实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。3)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复合型的分子真空泵。机械泵的详细分类2、描述机械真空泵性能的参量1）抽气速率(体积流率)(单位：m3·s-1；L·s-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）极限压力（极限真空）（单位：Pa）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）起动压力泵无损坏起动并有抽气作用的压力。4）前级压力排气压力低于一个大气压力的真空泵的出口压力。5）最大前级压力超过了能使泵损坏的前级压力。6）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）抽气量（Q单位：Pa·m3·S-1；Pa·L·S-1）流经泵入口的气体流量。8）压缩比泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。3、机械真空泵的规格及型号表示法例：2X一702——表示双级；X——表示旋片式真空泵；70——表示抽气速率为70L／S。型号名称型号名称WWYWLSZSZBSZZX往复式真空泵移动阀式往复泵立式往复泵水环泵悬臂式结构水环泵直联式水环泵旋片式真空泵HYZZJZJKFDXZ滑阀式真空泵余摆线真空泵罗茨真空泵真空电机罗茨真空泵分子真空泵定片式真空泵直联式旋片泵4、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）单级旋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）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）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。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/s～15L/s的系列产品。5、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(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）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V0内，吸气后V0空间是全封闭状态。随着转子的转动，封闭的V0空间与排气口相通，由于排气侧气体压力较高，引起一部分气体反冲过来，使V0空间内的气体压力突然增高。当转子继续转动时，V0空间内原来封入的气体连同反冲的气体一起被排向泵外。这时，上转子又从泵入口封入V0体积的气体。由于泵的连续运转，使两个转子不停地形成封闭空间V0又不停地将封闭空间内的气体排出泵外，从而实现了抽气的目的。目前国内外的罗茨泵总体结构(1)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。(2)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。(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。6、分子真空泵分子真空泵是在1911年由德国人盖德(w·Gaede)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，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。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。1958年，德国人W·Becker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(1)工作压力范围宽，在10-1～10-8pa范围内具有稳定抽速；(2)起动时间短，能抽除各种气体和蒸气；(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。四、蒸汽流真空泵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，工作在高真空区域，其工作压强范围为10-2～10-5Pa。四、蒸汽流真空泵油扩散泵的工作原理与结构当油蒸汽从伞形喷咀(如I级喷咀)以超音速喷出后，其速度逐渐增大，压力及密度逐渐降低，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、压缩，最后被下级射流携带走，以达到逐级压缩，最后被前级泵抽走。五、几种常用泵的比较六、真空测量1、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、常用真空计分类1