3.1 真空熱處理爐
3.1.1 真空熱處理爐的分類方法
真空熱處理爐的種類很多，為了便于分析比較與合理選擇、使用，通常按以下幾種特征進行分類。
按使用用途可分為：真空退火爐、真空淬火爐、真空回火爐、真空滲碳爐、真空釬焊爐和真空燒結爐。
按真空度可分為：低真空爐（1333～1.33×10-1Pa）、高真空爐（1.33×10-2～1.33×10-4Pa）和超高真空爐（1.33×10-4Pa以上）。
按工作溫度可分為：低溫爐（≤700℃）、中溫爐（700～1000℃）、高溫爐（>1000℃）。
按作業性質可分為：周期性真空爐、半連續式真空爐和連續式真空爐。
按爐體結構形式可分為：立式真空爐和臥式真空爐。
按熱源可分為：電阻加熱真空爐、感應加熱真空爐、電子束加熱真空爐、離子加熱真空爐和燃氣真空爐等。
通常，從爐子的結構和加熱方式，將真空爐歸為兩大類：一類是外熱式真空處理爐，也稱作熱壁式真空熱處理爐；另一類是內熱式真空熱處理爐，也稱作冷壁式真空熱處理爐。表3-2列出了外熱式和內熱式兩種真空熱處理爐各自的優缺點。
表3-2 外熱式和內熱式真空熱處理爐的比較
3.1.2 外熱式真空爐
外熱式真空熱處理爐是帶密封爐罐（馬弗）的真空爐，其結構與普通箱式爐類似，只是需要將安放工件的爐罐抽成真空處理。
常用的外熱式真空熱處理爐的結構示意圖如圖3-1所示。
圖3-1 常用的外熱式真空熱處理爐的結構
外熱式真空爐以低真空為多見，真空度一般為10～100Pa，當罐內真空度為13Pa時，剩余氣體的含氧量為（13/105）×21％=27.3×10-6，相對露點為-50℃左右，相當于99.99％～99.999％高純N2或Ar中氧氣雜質的含量。在一個密封的爐罐抽成這樣的真空度是很容易達到的，只需一臺機械泵抽10min即可實現。這與一般的氣氛爐相比（用保護氣氛置換爐內空氣需5～6次才能達到爐內氣氛相同的含氧量），外熱式預抽真空爐的用氣量是很少的，為一般可控氣氛爐的1/5～1/7，并縮短換氣時間。
這類爐型的額定溫度受到爐罐材料的限制，目前國內生產的外熱式真空爐多為550～750℃和750～950℃兩個擋。外熱式真空爐主要由加熱爐、爐罐、爐蓋、充氣和冷卻系統、真空泵（機組）和控制柜等組成。圖3-2為一臺典型的外熱式井式預抽真空爐的結構示意圖。
圖3-2 外熱式井式預抽真空爐的結構示意圖
外熱式真空爐爐罐材料由1Cr18Ni9Ti、Cr25Ni20Si2、Cr18Ni25Si2或3Cr4Ni17SiNRe等耐熱鋼板卷制焊接而成，其產品規格及主要技術參數見表3-3。
表3-3 外熱式真空爐的規格及主要技術參數
注：★表示1Cr18Ni9Ti；★★表示Cr25Ni20Si2；J表示井式爐。
3.1.3 內熱式真空爐
與外熱式真空爐相比，內熱式真空爐的結構和控制系統比較復雜，制造安裝要求精度高，調試難度大，造價較貴。但是，內熱式真空爐熱慣性小，熱效率高，可以實現快速加熱和快速冷卻，使用溫度高，目前已有2200～2500℃的內熱式真空爐研制成功并用于生產。同時，內熱式真空爐可以大型化，便于連續作業，自動化程度高，生產效率高。近年來，內熱式真空爐發展迅速，已成為當前真空熱處理爐的主流爐型。
（1）真空退火爐 真空退火爐應用最早、最廣泛。早期的外熱式真空爐和抽空熱處理爐主要用于真空退火、消除應力、固溶處理等，后來發展到其他用途。ZTR9型氣冷退火回火真空爐的主要技術參數如下：
①最大裝爐量/kg：600；
②最高工作溫度/℃：900；
③爐溫的均勻性/℃：±5；
④極限真空度/Pa：4×10-1；
⑤壓升率/（Pa/h）：1.33；
⑥氣冷壓強/MPa：<0.1；
⑦加熱功率/kW：210。
（2）真空回火爐 真空回火爐是真空淬火爐的孿生兄弟，真空回火爐的目的是將真空淬火的優勢（工件不氧化、不脫碳、表面光亮、無腐蝕污染等）保持下來，如果真空淬火后仍用常規回火，則上述要求不能實現，但國內也有不少廠家，高速鋼刀具真空淬火后選用硝鹽浴回火，他們認為后者的回火質量比前者好，WZHA-60型真空回火爐的技術數據如下：
①有效加熱區尺寸/mm：900×600×450；
②最大裝爐量/kg：400；
③最高工作溫度/℃：700；
④爐溫均勻性/℃：≤±3；
⑤極限真空度/Pa：6.6×10-3；
⑥工作真空度/Pa：1.3×10-2；
⑦壓升率/（Pa/h）：<6.6×10-1；
⑧加熱功率/kW：80；
⑨裝機總功率/kW：116.5；
⑩空爐升溫時間/min：30（20～600℃）；
旋片式機械泵抽速/（L/s）：70；
羅茨泵抽速/（L/s）：600；
高真空抽擴散泵抽速/（L/s）：17000；
真空機組功率/kW：22.5；
冷卻機功率/kW：11；
氣體壓強/MPa：0.12（90％N2+10％H2）；
冷卻水消耗量/（m3/h）：加熱時1.5；冷卻時4.5；
N2消耗量/（m3/爐）：2.78；
H2消耗量/（m3/爐）：0.42；
總重量/t：≈4；
占地面積/m2：≈15。
（3）真空淬火爐 該爐是真空熱處理爐的主要類型，品種多，數量大，結構復雜，發展迅速。
各類氣淬真空爐的結構如圖3-3所示。圖3-3（a）、圖（b）是立式和臥式單室氣淬真空爐，單室爐加熱和冷卻在同一爐中進行，結構簡單、操作維修方便，占地面積小，應用較多。圖3-3（c）、圖3-3（d）是立式和臥式雙室氣淬真空爐，這種爐子的加熱室與冷卻室由真空閘閥隔開，工件在冷卻室進行冷卻，加熱室不受影響。因此，工件的冷卻速度較單室真空氣淬爐快，由于雙室冷卻氣體只充入冷卻室，加熱室保持真空，因而可縮短工作時間（抽真空、加熱等），生產效率較單室真空爐提高25％～30％，圖3-3（e）是三室半連續式氣淬真空爐，由進料室、加熱室和冷卻室組成，相鄰兩室由真空閘閥隔開，連續式真空熱處理爐生產效率高，節約能源，降低成本，適用于連續生產和大生產運行，是今后真空熱處理爐的發展方向。
圖3-3 各種類型的氣淬真空爐
隨著工業技術的進步和產品加工質量與技術要求的提高，真空熱處理加工鋼種、合金范圍的擴大，近二十年來，高壓氣淬真空爐、高流率真空爐和高（負）壓高流率真空爐得到迅速發展，其特點是冷卻氣體壓強為0.1～0.5MPa，高達2MPa甚至4MPa的高壓氣淬爐已投入運行，工件在高速氣流下進行冷卻，高壓氣淬爐多為單室爐，其結構形式可分為內循環和外循環，如圖3-4所示。
圖3-4 高壓高流率氣淬爐的結構形式
真空淬火爐中，真空油淬火爐應用較廣，種類齊全，各種油淬真空爐的結構如圖3-5所示，圖3-5（a）是單室臥式油淬真空爐，工件在同一室內進行加熱與冷卻，結構簡單，制造容易，操作維修方便，造價也較低廉。缺點是在工件油淬時，產生的油蒸氣污染加熱室，降低加熱元件的使用壽命和絕緣性能。圖3-5（b）、圖3-5（c）是立式和臥式雙室油淬真空爐。由于加熱室與冷卻油槽中間用真空隔熱閘閥（門）隔開，可以防止工件油淬時油蒸氣對加熱室的侵入和污染，提高加熱元件的使用壽命和絕緣件的絕緣性能。同時，雙室油淬真空爐的比單室油淬真空爐的生產效率高，節約能源，缺點是結構較復雜，制造加工要求高，造價高。圖3-5（e）為三室半連續式油淬真空爐，圖3-5（f）是連續式油淬真空爐。
圖3-5 各類油淬真空爐的結構
油淬真空爐在模具淬火領域應用十分普遍，也很成熟，但在高速鋼刀具上還有待改進，若油淬，解決滲碳等問題難。為了解決此問題，高壓高流率氣淬真空爐、高壓氣淬真空爐應運而生。
ZQ型高壓高流率氣淬真空爐的結構原理如圖3-6所示，其產品技術規格見表3-4。
圖3-6 ZQ型高壓高流率氣淬真空爐結構原理圖
表3-4 ZQ型高壓高流率氣淬真空爐的技術規格
ZQ型真空爐由爐體、加熱室、高壓大功率通風機、內循環噴射式冷卻系統、電氣系統、真空系統、氮氣系統等組成。其主要特點是：①采用石墨管加熱，硬化石墨氈隔熱，確保加熱過程安全可靠；②采用高壓大風量通風，確保大截面高速鋼可以淬透；③除在加熱室周圍和長度方向上配制一定數量的噴嘴外，在加熱室后壁上也裝有許多噴嘴，更進一步提高氣淬的均勻性。
H型高壓高流率氣淬真空爐的結構原理如圖3-7所示。該爐有兩種規格，如表3-5所示，其特點與ZQ型爐相近。
圖3-7 H型高壓高流率氣淬真空爐示意圖
1—氣體循環道；2—水套容器；3—熱交換器；4—馬達殼；5—冷卻風扇馬達；6—冷卻立體風扇區
表3-5 H型高壓高流率氣淬真空爐的技術規格
VRK型立式雙氣流高壓高流率氣淬真空爐。圖3-8展示了HubwagenVRK型立式底裝料高壓雙氣流氣淬爐。該爐的特點是設置了雙氣流循環（加熱和冷卻）裝置，可以在高真空下處理工件，亦可加壓到0.6MPa冷卻淬火，其有效尺寸為ф1500mm×1800mm。冷卻模式為沿軸向從下往上，又沿軸向從上往下，瞬時的溫度依賴軸向變化的冷量調節。徑向氣流通過噴嘴以及徑向和軸向氣流的聯合作用綜合完成熱處理程序。
圖3-8 VRK型立式底裝料高壓雙氣流循環真空爐結構圖
1—冷卻氣體導風罩提升裝置；2—對流換熱的熱氣體風扇；3—冷卻氣體導風罩頂部；4—加熱元件；5—徑向冷卻氣體進口；6—噴嘴；7—爐體；8—噴嘴加壓強氣流冷卻；9—冷卻氣體導風罩底部；10—熱交換器；11—冷卻氣體風扇；12—冷卻氣體流；13—熱氣體流
氣體壓力可以從0.1～0.6MPa（絕對的）范圍內選擇，同時，給出最佳的氣流方向（導風罩結構），其調節裝置使氣流冷卻可滿足不同熱處理程序的要求。
VRK型氣淬爐可用于拉刀的瞬時延遲淬火、壓鑄模、擠壓模淬火等。
高壓氣淬真空爐是由單室氣淬真空爐發展起來的，單室氣淬真空爐充氣壓力一般在0.25MPa以內，可按常規容器制造，而高壓氣淬爐一般多為5～6bar（1bar=105Pa）充氣壓力，近年來已有2～4MPa的高壓氣淬真空爐用于生產，簡述如下。
①臥式單室高壓氣淬真空爐。HZQ型臥式單室高壓氣淬真空爐見圖3-9，VFC型臥式單室高壓氣淬爐見圖3-10。
圖3-9 HZQ型臥式單室高壓氣淬爐
圖3-10 VFC型臥式單室高壓氣淬爐
1—可收縮冷卻門；2—冷卻風扇；3—爐體；4—熱屏蔽層板；5—工件料筐；6—油擴散泵；7—可收縮冷卻門；8—冷卻管組；9—加熱元件；10—高壓爐殼；11—觀察孔；12—鉸接熱室門；13—冷卻氣體屏蔽室；14—爐底板
臥式單室高壓氣淬爐的技術數據見表3-6。
表3-6 沈陽佳譽真空科技有限公司臥式單室高壓氣淬爐（10bar）的技術數據
②立式單室高壓氣淬真空爐。VVFC型立式單室高壓氣淬真空爐的結構簡圖見圖3-11、技術參數見表3-7。HZQL型立式單室底裝料高壓氣淬真空爐的結構示意圖見圖3-12、技術參數見表3-8。
圖3-11 VVFC型立式單室高壓氣淬真空爐
1，5—冷卻門；2—爐床；3—加熱室；4—電熱元件；6—氣冷風扇；7—冷卻管組；8—接油擴散泵
表3-7 VVFC型立式單室氣淬真空爐的技術參數（摘自Abar-Ipsen公司廣告）
圖3-12 HZQL型立式氣淬真空爐
表3-8 HZQL型立式氣淬真空爐的技術參數（摘自北京華翔公司）
③臥式雙室、立式雙室及臥式三室高壓氣淬真空爐。國產臥式雙室高壓氣淬爐的型號有ZCGQ2、WZJQ、HZQ2、ZC2等。圖3-13為臥式雙室高壓氣淬真空爐的結構示意圖，國內一些廠家生產的臥式雙室高壓氣淬真空爐的技術數據見表3-9；FH-V-GH型立式雙室高壓氣淬真空爐的結構簡圖見圖3-14，技術參數見表3-10。
圖3-13 臥式雙室氣淬真空爐
表3-9 臥式雙室氣淬真空爐的技術參數
圖3-14 FH-V-GH型立式雙室氣淬真空爐
表3-10 FH-V系列氣淬真空爐的技術參數（摘自日本真空技術株式會社產品）
FH-H-PHG型臥式三室氣淬真空爐的結構示意圖如圖3-15所示。
圖3-15 FH-H-PHG型臥式三室氣淬真空爐
④帶有對流加熱裝置的高壓氣淬真空爐。VTC型真空爐淬火時氣流從頂部的氣流分配器分散穿過爐料到底部，熱氣流被渦輪鼓風機吸收經熱交換器冷卻降溫，再送入爐頂部，氣流循環流動，如圖3-16所示，由于氣體的壓力提高到5×105Pa，冷卻速度提高，不僅適用于中小型零件，同樣適用于大截面的高速鋼工模具的氣冷淬火。
圖3-16 VTC型高壓氣淬真空爐的結構示意圖
1—氣體分配器；2—上蓋；3—加熱元件；4—裝卸料門；5—底蓋；6—真空高壓容器殼；7—渦輪鼓風機；8—電動機；9—熱交熱器
VVTC型爐為單室臥式雙氣流循環高壓氣淬真空爐，其結構示意圖如圖3-17所示。該爐分別在加熱室頂部和底部采用可擺動氣體（流）分配器，氣流以40m/s的速度噴出，氣淬壓力為0.5MPa。采用微機交替控制自上而下和自下而上雙對流循環冷卻，使工件得到均勻的淬火冷卻。
圖3-17 VVTC型單室臥式高壓氣淬爐的結構示意圖
1—下底盤；2—裝卸料門；3—觀察窗；4—加熱元件；5—頂蓋；6—高壓氣分配門；7—渦輪鼓風機；8—電動機；9—熱交換器；10—真空高壓容器殼
VKUQgy型高壓氣淬冷卻裝置的結構示意圖如圖3-18所示，其主要技術參數見表3-11。該爐型為臥式圓筒形，壁爐及爐蓋均為水冷夾層結構。加熱器由若干石墨夾子和支架固定的石墨管組成，各石墨管的端部采用層壓石墨板連接。加熱室用硬化石墨氈絕熱，石墨氈固定在多孔金屬框上，其氣體快速冷卻裝置由電動機驅動的幅式風扇、充氣系統、噴嘴系統和冷卻器組成，冷卻氣體是通過加熱室圓周和長度方向的噴嘴從360°方向上以高速噴向工件，噴嘴的數量隨爐型尺寸的增大而增加，由于高速氣流從各個方向上與工件形成均勻的噴射，保證工件冷卻相對均勻。
圖3-18 VKUQgy型高壓氣淬爐截面圖
1—水冷容器；2—循環式冷卻系統；3—石墨隔熱層；4—加熱器；5—爐料；6—石墨梁；7—氣體噴嘴
表3-11 VKUQgy型高壓氣淬真空爐的技術參數
HPV-200型高壓氣淬真空爐的爐體結構簡圖如圖3-19所示，其基本結構與上述VKUQgy型爐相似，主要技術規格如下：
圖3-19 HPV-200型高壓氣淬真空爐的結構簡圖
1—爐門；2—爐體；3—加熱器；4—電極；5—熱交換器；6—風扇；7—電動機；8—噴管
有效加熱區尺寸/mm：600×400×400；
最高溫度/℃：1350；
極限真空度/Pa：1.3×10-3；
加熱功率/kW：100；
氣淬壓強/Pa：5×105。
德國LEYBOLD公司VKNQ型帶對流加熱裝置的高壓氣淬真空爐的技術參數見表3-12。
表3-12 VKNQ型真空爐的技術數據
