5.2 真空淬火设备
真空淬火炉是真空热处理炉的主要类型，品种多、数量大、结构复杂、发展迅速。
真空淬火炉分类方法较多，大致可划分为：① 按作业方式划分，可分为周期式、半连续式、连续式；② 按结构形式划分，可分为单室、双室、三室；③ 按炉子形态划分，可分为卧式、立式；④ 按照真空度划分，可分为低真空、高真空、超高真空；⑤ 按工作温度划分，可分为低温、中温、高温；⑥ 按热源种类划分，可分为电阻加热及高频感应、电子束、等离子体加热：⑦ 按冷却方式划分，可分为气冷、油冷、水冷。
气淬真空炉的结构如图 5-1 所示。图 5-1（a）、（b）是立式和卧式单室气淬真空炉，单室炉加热和冷却在同一炉室中进行，结构简单，操作维修方便，占地面积小，应用较多。图 5-1（c）、（d）是立式和卧式双室气淬真空炉，这种炉子加热室与冷却室由真空闸阀隔开，工件在冷却室进行冷却时，加热室不受影响，因此，工件冷却速度较单室真空气淬炉快，由于双室炉冷却气体只充入冷却室，加热室保持真空，因而缩短工件时间（抽真空、加热等），生产效率较单室真空炉提高 25%～30% 左右。图 5-1（e）是三室半连续式气淬真空炉，由进料室、加热室和冷却室组成，相邻两室间由真空闸阀隔开，连续式真空热处理炉生产效率高，节约能源，降低成本，适于连续生产和大生产运行，是今后真空热处理炉的发展方向。
加载中...
图 5-1 各种类型气淬真空炉
随着工业技术的进步和产品加工质量与技术要求的提高，真空热处理加工钢种、合金范围的扩大，近 20 余年来，高压气淬真空炉、高流率真空炉和高（负）压高流率真空炉得到迅速发展，其特点是通常冷却气体压力为 0.1～0.5MPa，有的高达 2MPa 甚至 4MPa 的高压气淬真空炉已投入运行，工件在高速气流下进行冷却。高压气淬炉多为单室炉，其结构形式可分为内循环方式和外循环方式，如图 5-2 所示。
加载中...
图 5-2 高压高流率气淬炉结构形式
真空淬火炉中油淬真空炉应用较广，种类齐全，各类油淬真空炉的结构如图 5-3 所示。图 5-3（a）是卧式单室油淬真空炉，工件在同一炉室进行加热与油淬，结构简单，制造容易，操作维修方便，造价也较低廉，缺点是在工件油淬时，产生油蒸气污染加热室，降低电热元件的使用寿命和绝缘材料的绝缘性能。图 5-3（b）、（c）是立式和卧式双室油淬真空炉，由于加热室与冷却油槽中间用真空隔热闸阀（门）隔开，可以防止工件油淬时产生油蒸气对加热室的侵入和污染，提高加热元件的使用寿命和绝缘件的绝缘性能。同双室油淬真空炉比，单室油淬真空炉生产效率高，节约能源，缺点是结构较复杂，制造加工要求较高。造价较高。图 5-3（e）为三室半连续式油淬真空炉。图 5-3（f）是连续式油淬真空炉。
加载中...
图 5-3 各类油淬真空炉结构
各类真空淬火炉的型号、结构特点和技术指标及示意图分述如下。
5.2.1 真空油气淬火炉
（1）WZ 系列双室油气真空淬火炉
① 主要技术性能指标。WZ 系列双室油气真空淬火炉的主要技术指标如表 5-1 所示。
② 设备结构与性能特点。WZC-20 型真空油气淬火炉结构示意图如图 5-4 所示。WZC-60 型双室真空油气淬火炉结构如图 5-5 所示。WZ 系列真空油气淬火炉为内热式双室卧式结构，由加热室、冷却室、真空系统、充气系统、水冷系统和控制系统所组成，其主要结构与性能特点概述如下。
加载中...
加载中...
图 5-5 WZC-60 型双室真空淬火炉的结构图
a.炉胆结构。其炉床结构设计有特色，在料台上部装有三角形截面的陶瓷棒，镶在两根带燕尾槽的石墨横梁上，下部设置六根石墨立柱。三角形陶瓷棒的作用是防止料筐与石墨构件直接接触，使料筐渗碳。为了隔热和不使外壳渗碳，在六根石墨与底板之间也装有陶瓷管。
WZC 型真空炉的发热体元件有两种形式，一种以碳带作发热体，采用厚 0.2mm、宽 55mm 的碳带，用石墨压板及螺钉固定于四根支撑电板上，其连接结构见图 5-6，碳带共有四组，为保证有效加热区内炉温均匀性及达到加热功率，各组碳带的层数可以不同，最右端（靠近热闸阀的一端）为多层，向左端（后炉门方向）可依次减少，使其符合技术要求指标。
加载中...
图 5-6 碳带发热体连接示意图
1—引出电极；2—连接电极；3—碳带
另一种形式以石墨棒为发热体，采用六根石墨棒经连接件串联而成。其结构如图 5-7 所示。棒与连接件的连接采用直孔插入式，拆卸更换方便。
加载中...
图 5-7 发热体连接示意图
1—引出棒；2—发热体；3—横梁；4—立柱
b.水冷电极及加热变压器。水冷真空密封电极是连接发热体引出端与变压器的过渡件。其主体是一根空心紫铜棒，可通水冷却，与炉体间设有绝缘套和密封装置。WZC-10 型、20 型、30G 型真空炉加热电源为双相时使用干式变压器。WZC-45 型、60 型真空炉加热电源为三相时使用磁性调压器，控温热电偶采用铠装热电偶，可直接用于真空密封，套管与炉壳上相应孔间采用过渡件密封连接。
c.冷却室结构。冷却室也称预备室，上部为气冷室，下部为油冷室（油槽）。冷却室由炉门、壳体、送料机构、淬火机构、油搅拌器及风冷系统等主要部件组成。
炉门结构及炉壳连接方式同加热室基体一样，门的中部设有照明灯和观察孔，可在工作时观察炉内的工作情况，壳体由上部气冷室与下部油冷室组焊而成，壳体为双层，中间通水冷却。
送料机构和淬火机构配合可完成送料、取料及淬火程序三个动作。
升降运动：由电动机通过凸轮减速器带动凸轮转动，将机构导轨升起或降下一段设定距离，送料前导轨处于高位，进入加热室时降低导轨，使料筐放在料台上，然后退车，完成送料程序。取料前导轨处于低位，进入加热室时导轨上升，使料筐脱离料台，然后退车将料拖回冷却室完成取料程序。
水平运动：由电动机通过减速器带动链轮、链条使料车沿导轨做水平运动，和凸轮机构配合完成取料动作。
分并叉运动：料车退至中位后，料车的铰链架与撞块相接触，链轮继续转动，料车后退，撞块推压顶杆和铰链架使料叉沿滚轮轴向外滑动，将料叉分开（张叉），料筐由淬火机构拖入油槽进行油淬。油淬结束后，淬火机构将料筐抬起，料车前行，铰链架和顶杆离开撞块，弹簧将料叉复位（并叉）。料车张、并叉机构示意图见图 5-8。
加载中...
图 5-8 料车张、并叉机构示意图
1—料筐；2—导轨；3—料叉；4—弹簧管；5—连杆；6—滚轮；7—弹簧；8—顶杆； 9—链条连接件；10—铰链架；11—链轮；12—链轮轴；13—装块；14—滚轮轴；15—固定板
淬火机构由驱动机构、链轮、链条、滚轮及拖架构成。拖架同链条固定在一起，拖架随链条沿导轨上下滑动，从而达到把工件拖入油槽淬火，然后提出油槽控油的目的。淬火机构示意图如图 5-9 所示。
加载中...
图 5-9 淬火机构示意图
1—料筐；2—料台；3—导轨； 4—滚轮；5—链条连接件；6—链条； 7—链轮；8—动力轴
油搅拌器和油加热器：油搅拌器的作用是加速油的循环，以利于油池散热，使各部位油温均匀一致，加速工件的冷却速度。采用双速电动机驱动叶轮，可满足不同强度搅拌要求。风冷系统由风扇、热交换器和导风罩组成。风冷系统位于冷却室上部，风扇有轴流式和离心式两种，其轴部附加了可靠的动密封装置，风扇电动机置于炉壳外部，既可使冷却室机构简化，又便于电动机的维修和保养。热交换器采用双金属系列翅片管，根据炉型大小，采用不同数量的翅片管串、并联组焊而成，其通水管径也有所区别。扇叶两侧有导风罩，使气流按要求的路线流动。当采用气淬处理时，启动风扇使炉内回充氮气高速循环流经通水冷却的热交换器，热交换器带走大量热量，提高气冷效果。
d.真空系统。WZC 系列真空炉的真空系统依据不同极限真空度的要求设计配制。典型的真空系统和充气系统示意图见图 5-10。真空系统由油扩散泵、罗茨泵和旋片式机械泵组成，抽气真空度达 10-2～10-4Pa。使用时先启动旋片机械泵，当炉内真空度达 100Pa 时，启动罗茨泵使真空度达 10Pa，再启动油扩散泵，使炉内真空度达到 10-2Pa。如果极限真空度要求在 1～10-1Pa 范围，可以采用旋片机械泵和罗茨泵真空机组。罗茨泵的抽速快，可在短时间内使炉内达到极限真空度要求。
加载中...
图 5-10 真空系统和充气系统示意图
1—旋片机械泵；2—电磁真空带充气阀；3—罗茨泵；4—气动角阀； 5—手动放气阀；6—油扩散泵；7—冷凝器；8—电磁充气阀
e.充气系统。充气系统的主要用途有两个：一是为气冷淬火提供气源；二是在真空淬火条件下，不同钢种在真空淬火油中淬火具有不同的临界淬火压力。因此在油淬时，常采用向冷却室充填 4×104～7×104Pa 氮气，以维持真空淬火时的液面压力为临界压力，从而可获得接近大气压下的冷速。同时，提高气压还可避免因油本身瞬时升温造成的挥发损失和对设备的污染，真空炉加热时为防止合金工模具钢的某些合金元素的高温挥发现象，向炉内回充高纯度惰性气体。充气系统有两条支路，一路通过电磁阀对冷却室充气；另一路经电磁阀向加热室充气，同时通过旁路电磁阀对冷却室充气。充气压力由电接点压力表控制，可按要求设置。储气罐上安装有压力表和安全阀，压力一般控制在 0.6～1MPa 内，可保证在 1～2min 内使冷却室达到要求的充气压力。
f.水冷系统。WZC 系列油气淬火真空炉水冷却系统对相关部件进行水冷循环，即加热室壳体和炉门、热交换器、水冷电极、冷却室壳体、油槽、热闸阀、机械泵和油扩散泵。冷却水先流入分水器，分水器上安装有水压表，经分水器水流分配到各个冷却部位，经循环冷却返回水斗。在水斗处可观察各部位水流是否畅通并可测量水温。
g.电控系统。WZC 型真空炉电控系统主要由温度控制系统和机械动作控制系统组成。WZC-10、WZC-20、WZC-30 型真空炉的湿度控制系统采用变压器、可控硅-计算机控温仪系统方式；WZC-45、WZC-60 型真空炉采用磁性调压器-计算机温控仪匹配方式控制。通过计算机温控仪可设定、存储多条控温曲线，每条曲线可分多段控制，可实现手动或自动操作。机械动作控制系统通过可编程序控制器（PLC）完成手动、自动操作，机械动作定位控制采用霍尔开关执行控制，动作准确可靠。设备主要系统的工作状态由设备运行模拟屏显示，清楚直观，加热室和冷却室的真空度可由一台复合式真空计测量。加热室真空度和温度瞬时值由双笔记录仪记录，电控系统还具有故障诊断及报警功能，当设备出现超温、电流过载、断水等故障时，有声光报警等安全措施。
（2）ZC2系列双室真空油淬气冷真空炉。ZC2系列炉是卧式双室油淬气冷真空炉。图 5-11 是 ZC2型双室真空淬火炉结构示意图。其技术规格指标如表 5-2 所示。
加载中...
图 5-11 ZC2型双室真空淬火炉
1—整体式炉体；2—翻板式真空隔热板；3—密封中间墙；4—加热室；5—多位油缸升降机构； 6—水平机构；7—淬火冷却油槽；8—油搅拌器；9—气冷风扇
表 5-2 ZC2系列双室真空淬火炉技术规格
加载中...
该炉主要用于工具钢、模具钢、高速钢、轴承钢、弹簧钢、不锈钢以及磁性材料的光亮淬火。
该炉加热室隔热板采用混合毡结构，即由 20mm 厚的石墨毡与 20mm 厚的硅酸铝纤维毡组成，加热元件采用石墨布。因此，该炉热效率高，炉温均匀性好，可以实现快速加热和快速冷却。该炉采用了整体式炉体和翻板式真空隔热板等结构。整体式炉体将加热室炉体、冷却室炉体、密封中间墙和淬火冷却油槽制成一个整体结构，有利于炉室的真空获得与维持。翻板式真空隔热板由石墨毡与不锈钢板组成的隔热板和门体、摇臂、滑块、导向轨等构成。工作时，摇臂转动带动门体转动，使滑块沿导轨方向移动，将门体翻转完成开闭动作。该门不需限位机构，没有振动和噪声，结构简单、紧凑。
（3）VCQ 型油淬气冷真空炉。VCQ 型炉是卧式油淬气冷真空炉，图 5-12 是其结构示意图，VCQ 型真空淬火炉的技术规格如表 5-3 所示。
加载中...
图 5-12 VCQ 型真空淬火炉
1—工件传送机构；2—气冷风扇；3—隔热门；4—加热室；5—炉体；6—电热元件； 7—真空系统；8—升降机构；9—淬火冷却油槽；10—油搅拌器
表 5-3 VCQ 型真空淬火炉技术规格
加载中...
VCQ 型炉主体由加热室、冷却区和淬火油槽组成，其间不设置中间真空闸门。这种炉型的优点是结构简单、操作维修方便、造价较低；缺点是工件淬火时油蒸气对加热室造成污染，使电热元件对炉壳间的绝缘电阻下降。该炉的工件传送机构由水平运动机构和竖直升降机构组成。水平运动机构由电动机、减速器、传动链和工件小车构成，工件小车本身也是炉床，由六根矩形钼棒制成，由于工件上车的滚道在加热室外侧，因而隔热门下部开两条长口，以便工件顺利地进出加热室。为使隔热门开口处热量不直接向外辐射，在工件小车的两侧装有金属反射屏。
（4）VG/VO 半连续式油气淬火真空炉。VG/VO 半连续式油气淬火真空炉结构如图 5-13 所示，其产品技术规格见表 5-4。这种炉子可用于淬火及渗碳淬火，其生产率比一般间歇式炉可提高 35%。
加载中...
图 5-13 VG/VO 半连续式油气淬火真空炉结构示意图
表 5-4 VG/VO 半连续式油气淬火真空炉技术规格
加载中...
（5）VG-PH/VO-PH 连续式油气淬火真空炉。VG-PH/VO-PH 连续式油气淬火真空炉的结构如图 5-14 所示，其产品技术规格见表 5-5。
加载中...
图 5-14 VG-PH/VO-PH 连续式油气淬火真空炉结构示意图
表 5-5 VG-PH/VO-PH 连续式油气淬火真空炉的技术规格
加载中...
（6）CFQ 三室油气淬火真空炉。CFQ 三室油气淬火真空炉由加热室、气淬室和油淬室组成，可以由两端进出料，也可由一端进料一端出料。其结构示意图如图 5-15 所示。其加热室由隔热门密封，在第二批装料时炉温不会下降，热损失减少。气淬室有压力淬火循环风扇，淬火油槽装有加热元件，油泵循环。通过程序控制器可自动控制温度、气氛和作业工序，可自动化生产。其产品技术规格见表 5-6。
加载中...
图 5-15 CFQ 三室油气淬火真空炉结构示意图
1—冷却挡板；2—内冷却器；3—压力淬火循环风扇；4—隔热门；5—加热元件；6—炉底板； 7—油淬升降机；8—底盘；9—内室；10—炉底板升降机构；11—油加热器；12—油喷嘴
表 5-6 CFQ 三室油气淬火真空炉的技术规格
加载中...
（7）SSVF 三室油气淬火真空炉。SSVF 三室真空淬火炉与上述 CFQ 型炉相近，在其气淬室底部多设置了一个冷却风扇，在气淬时有上、下风扇加强气流搅动，其油淬室上部也设有冷却风扇和热交换器，油槽设置油搅拌器。图 5-16 是其结构示意图，其产品技术规格如表 5-7 所示。
加载中...
图 5-16 SSVF 三室油气淬火真空炉结构示意图
1，16—热交换器；2—真空泵；3，12—隔热层；4，13—发热体；5—炉床；6，10，14—电动机； 7，11，15—冷却风扇；8—观察窗；9—导流板；17—提升机；18—搅拌器；19—淬火油槽
表 5-7 SSVF 三室油气淬火真空炉技术规格
加载中...
（8）CVCQ 连续式油（气）淬火真空炉。CVCQ 型炉是多工位连续式油淬真空炉。图 5-17 是其结构示意图，表 5-8 是 CVCQ 连续式真空炉技术规格。
加载中...
图 5-17 CVCQ 连续式真空炉结构示意图
1—装料室；2—中间真空门；3—隔热门；4—加热室；5—电热元件； 6—工件；7—油淬出料室；8—顶盖；9—出炉卸料装置；10—油搅拌器； 11—动力装置；12—传送装置；13—入炉推料装置
表 5-8 CVCQ 连续式真空炉技术规格
加载中...
该炉由装料室、多工位加热室和油淬卸料室组成。除装料和卸料外，其他操作完全自动化，工艺周期（出料）15min。加热室炉体由内圆筒外包围矩形水套构成冷壁式结构。隔热门采用 25mm 厚的高纯度石墨毡，加上 25mm 厚的高纯度硅酸铝纤维组合成混合毡结构。电热元件为管状石墨布，分上、下两排安装在炉床上、下方。油淬卸料室为垂直放置的圆筒形水冷夹层结构，顶部为水冷夹层封头盖，可以打开以使进入炉内进行维修操作。装料室为单层圆筒壳体。该炉的特点是其加热室可以同时容纳 3 个料筐（或 6 个料筐，双层）连续生产，生产效率高，节省能源，产品成本低。
