3.1 真空热处理炉
3.1.1 真空热处理炉的分类方法
真空热处理炉的种类很多，为了便于分析比较与合理选择、使用，通常按以下几种特征进行分类。
按使用用途可分为：真空退火炉、真空淬火炉、真空回火炉、真空渗碳炉、真空钎焊炉和真空烧结炉。
按真空度可分为：低真空炉（1333～1.33×10-1Pa）、高真空炉（1.33×10-2～1.33×10-4Pa）和超高真空炉（1.33×10-4Pa以上）。
按工作温度可分为：低温炉（≤700℃）、中温炉（700～1000℃）、高温炉（>1000℃）。
按作业性质可分为：周期性真空炉、半连续式真空炉和连续式真空炉。
按炉体结构形式可分为：立式真空炉和卧式真空炉。
按热源可分为：电阻加热真空炉、感应加热真空炉、电子束加热真空炉、离子加热真空炉和燃气真空炉等。
通常，从炉子的结构和加热方式，将真空炉归为两大类：一类是外热式真空处理炉，也称作热壁式真空热处理炉；另一类是内热式真空热处理炉，也称作冷壁式真空热处理炉。表3-2列出了外热式和内热式两种真空热处理炉各自的优缺点。
表3-2 外热式和内热式真空热处理炉的比较
3.1.2 外热式真空炉
外热式真空热处理炉是带密封炉罐（马弗）的真空炉，其结构与普通箱式炉类似，只是需要将安放工件的炉罐抽成真空处理。
常用的外热式真空热处理炉的结构示意图如图3-1所示。
图3-1 常用的外热式真空热处理炉的结构
外热式真空炉以低真空为多见，真空度一般为10～100Pa，当罐内真空度为13Pa时，剩余气体的含氧量为（13/105）×21％=27.3×10-6，相对露点为-50℃左右，相当于99.99％～99.999％高纯N2或Ar中氧气杂质的含量。在一个密封的炉罐抽成这样的真空度是很容易达到的，只需一台机械泵抽10min即可实现。这与一般的气氛炉相比（用保护气氛置换炉内空气需5～6次才能达到炉内气氛相同的含氧量），外热式预抽真空炉的用气量是很少的，为一般可控气氛炉的1/5～1/7，并缩短换气时间。
这类炉型的额定温度受到炉罐材料的限制，目前国内生产的外热式真空炉多为550～750℃和750～950℃两个挡。外热式真空炉主要由加热炉、炉罐、炉盖、充气和冷却系统、真空泵（机组）和控制柜等组成。图3-2为一台典型的外热式井式预抽真空炉的结构示意图。
图3-2 外热式井式预抽真空炉的结构示意图
外热式真空炉炉罐材料由1Cr18Ni9Ti、Cr25Ni20Si2、Cr18Ni25Si2或3Cr4Ni17SiNRe等耐热钢板卷制焊接而成，其产品规格及主要技术参数见表3-3。
表3-3 外热式真空炉的规格及主要技术参数
注：★表示1Cr18Ni9Ti；★★表示Cr25Ni20Si2；J表示井式炉。
3.1.3 内热式真空炉
与外热式真空炉相比，内热式真空炉的结构和控制系统比较复杂，制造安装要求精度高，调试难度大，造价较贵。但是，内热式真空炉热惯性小，热效率高，可以实现快速加热和快速冷却，使用温度高，目前已有2200～2500℃的内热式真空炉研制成功并用于生产。同时，内热式真空炉可以大型化，便于连续作业，自动化程度高，生产效率高。近年来，内热式真空炉发展迅速，已成为当前真空热处理炉的主流炉型。
（1）真空退火炉 真空退火炉应用最早、最广泛。早期的外热式真空炉和抽空热处理炉主要用于真空退火、消除应力、固溶处理等，后来发展到其他用途。ZTR9型气冷退火回火真空炉的主要技术参数如下：
①最大装炉量/kg：600；
②最高工作温度/℃：900；
③炉温的均匀性/℃：±5；
④极限真空度/Pa：4×10-1；
⑤压升率/（Pa/h）：1.33；
⑥气冷压强/MPa：<0.1；
⑦加热功率/kW：210。
（2）真空回火炉 真空回火炉是真空淬火炉的孪生兄弟，真空回火炉的目的是将真空淬火的优势（工件不氧化、不脱碳、表面光亮、无腐蚀污染等）保持下来，如果真空淬火后仍用常规回火，则上述要求不能实现，但国内也有不少厂家，高速钢刀具真空淬火后选用硝盐浴回火，他们认为后者的回火质量比前者好，WZHA-60型真空回火炉的技术数据如下：
①有效加热区尺寸/mm：900×600×450；
②最大装炉量/kg：400；
③最高工作温度/℃：700；
④炉温均匀性/℃：≤±3；
⑤极限真空度/Pa：6.6×10-3；
⑥工作真空度/Pa：1.3×10-2；
⑦压升率/（Pa/h）：<6.6×10-1；
⑧加热功率/kW：80；
⑨装机总功率/kW：116.5；
⑩空炉升温时间/min：30（20～600℃）；
旋片式机械泵抽速/（L/s）：70；
罗茨泵抽速/（L/s）：600；
高真空抽扩散泵抽速/（L/s）：17000；
真空机组功率/kW：22.5；
冷却机功率/kW：11；
气体压强/MPa：0.12（90％N2+10％H2）；
冷却水消耗量/（m3/h）：加热时1.5；冷却时4.5；
N2消耗量/（m3/炉）：2.78；
H2消耗量/（m3/炉）：0.42；
总重量/t：≈4；
占地面积/m2：≈15。
（3）真空淬火炉 该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。
各类气淬真空炉的结构如图3-3所示。图3-3（a）、图（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中进行，结构简单、操作维修方便，占地面积小，应用较多。图3-3（c）、图3-3（d）是立式和卧式双室气淬真空炉，这种炉子的加热室与冷却室由真空闸阀隔开，工件在冷却室进行冷却，加热室不受影响。因此，工件的冷却速度较单室真空气淬炉快，由于双室冷却气体只充入冷却室，加热室保持真空，因而可缩短工作时间（抽真空、加热等），生产效率较单室真空炉提高25％～30％，图3-3（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，适用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。
图3-3 各种类型的气淬真空炉
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，近二十年来，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，其特点是冷却气体压强为0.1～0.5MPa，高达2MPa甚至4MPa的高压气淬炉已投入运行，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和外循环，如图3-4所示。
图3-4 高压高流率气淬炉的结构形式
真空淬火炉中，真空油淬火炉应用较广，种类齐全，各种油淬真空炉的结构如图3-5所示，图3-5（a）是单室卧式油淬真空炉，工件在同一室内进行加热与冷却，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，产生的油蒸气污染加热室，降低加热元件的使用寿命和绝缘性能。图3-5（b）、图3-5（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。同时，双室油淬真空炉的比单室油淬真空炉的生产效率高，节约能源，缺点是结构较复杂，制造加工要求高，造价高。图3-5（e）为三室半连续式油淬真空炉，图3-5（f）是连续式油淬真空炉。
图3-5 各类油淬真空炉的结构
油淬真空炉在模具淬火领域应用十分普遍，也很成熟，但在高速钢刀具上还有待改进，若油淬，解决渗碳等问题难。为了解决此问题，高压高流率气淬真空炉、高压气淬真空炉应运而生。
ZQ型高压高流率气淬真空炉的结构原理如图3-6所示，其产品技术规格见表3-4。
图3-6 ZQ型高压高流率气淬真空炉结构原理图
表3-4 ZQ型高压高流率气淬真空炉的技术规格
ZQ型真空炉由炉体、加热室、高压大功率通风机、内循环喷射式冷却系统、电气系统、真空系统、氮气系统等组成。其主要特点是：①采用石墨管加热，硬化石墨毡隔热，确保加热过程安全可靠；②采用高压大风量通风，确保大截面高速钢可以淬透；③除在加热室周围和长度方向上配制一定数量的喷嘴外，在加热室后壁上也装有许多喷嘴，更进一步提高气淬的均匀性。
H型高压高流率气淬真空炉的结构原理如图3-7所示。该炉有两种规格，如表3-5所示，其特点与ZQ型炉相近。
图3-7 H型高压高流率气淬真空炉示意图
1—气体循环道；2—水套容器；3—热交换器；4—马达壳；5—冷却风扇马达；6—冷却立体风扇区
表3-5 H型高压高流率气淬真空炉的技术规格
VRK型立式双气流高压高流率气淬真空炉。图3-8展示了HubwagenVRK型立式底装料高压双气流气淬炉。该炉的特点是设置了双气流循环（加热和冷却）装置，可以在高真空下处理工件，亦可加压到0.6MPa冷却淬火，其有效尺寸为ф1500mm×1800mm。冷却模式为沿轴向从下往上，又沿轴向从上往下，瞬时的温度依赖轴向变化的冷量调节。径向气流通过喷嘴以及径向和轴向气流的联合作用综合完成热处理程序。
图3-8 VRK型立式底装料高压双气流循环真空炉结构图
1—冷却气体导风罩提升装置；2—对流换热的热气体风扇；3—冷却气体导风罩顶部；4—加热元件；5—径向冷却气体进口；6—喷嘴；7—炉体；8—喷嘴加压强气流冷却；9—冷却气体导风罩底部；10—热交换器；11—冷却气体风扇；12—冷却气体流；13—热气体流
气体压力可以从0.1～0.6MPa（绝对的）范围内选择，同时，给出最佳的气流方向（导风罩结构），其调节装置使气流冷却可满足不同热处理程序的要求。
VRK型气淬炉可用于拉刀的瞬时延迟淬火、压铸模、挤压模淬火等。
高压气淬真空炉是由单室气淬真空炉发展起来的，单室气淬真空炉充气压力一般在0.25MPa以内，可按常规容器制造，而高压气淬炉一般多为5～6bar（1bar=105Pa）充气压力，近年来已有2～4MPa的高压气淬真空炉用于生产，简述如下。
①卧式单室高压气淬真空炉。HZQ型卧式单室高压气淬真空炉见图3-9，VFC型卧式单室高压气淬炉见图3-10。
图3-9 HZQ型卧式单室高压气淬炉
图3-10 VFC型卧式单室高压气淬炉
1—可收缩冷却门；2—冷却风扇；3—炉体；4—热屏蔽层板；5—工件料筐；6—油扩散泵；7—可收缩冷却门；8—冷却管组；9—加热元件；10—高压炉壳；11—观察孔；12—铰接热室门；13—冷却气体屏蔽室；14—炉底板
卧式单室高压气淬炉的技术数据见表3-6。
表3-6 沈阳佳誉真空科技有限公司卧式单室高压气淬炉（10bar）的技术数据
②立式单室高压气淬真空炉。VVFC型立式单室高压气淬真空炉的结构简图见图3-11、技术参数见表3-7。HZQL型立式单室底装料高压气淬真空炉的结构示意图见图3-12、技术参数见表3-8。
图3-11 VVFC型立式单室高压气淬真空炉
1，5—冷却门；2—炉床；3—加热室；4—电热元件；6—气冷风扇；7—冷却管组；8—接油扩散泵
表3-7 VVFC型立式单室气淬真空炉的技术参数（摘自Abar-Ipsen公司广告）
图3-12 HZQL型立式气淬真空炉
表3-8 HZQL型立式气淬真空炉的技术参数（摘自北京华翔公司）
③卧式双室、立式双室及卧式三室高压气淬真空炉。国产卧式双室高压气淬炉的型号有ZCGQ2、WZJQ、HZQ2、ZC2等。图3-13为卧式双室高压气淬真空炉的结构示意图，国内一些厂家生产的卧式双室高压气淬真空炉的技术数据见表3-9；FH-V-GH型立式双室高压气淬真空炉的结构简图见图3-14，技术参数见表3-10。
图3-13 卧式双室气淬真空炉
表3-9 卧式双室气淬真空炉的技术参数
图3-14 FH-V-GH型立式双室气淬真空炉
表3-10 FH-V系列气淬真空炉的技术参数（摘自日本真空技术株式会社产品）
FH-H-PHG型卧式三室气淬真空炉的结构示意图如图3-15所示。
图3-15 FH-H-PHG型卧式三室气淬真空炉
④带有对流加热装置的高压气淬真空炉。VTC型真空炉淬火时气流从顶部的气流分配器分散穿过炉料到底部，热气流被涡轮鼓风机吸收经热交换器冷却降温，再送入炉顶部，气流循环流动，如图3-16所示，由于气体的压力提高到5×105Pa，冷却速度提高，不仅适用于中小型零件，同样适用于大截面的高速钢工模具的气冷淬火。
图3-16 VTC型高压气淬真空炉的结构示意图
1—气体分配器；2—上盖；3—加热元件；4—装卸料门；5—底盖；6—真空高压容器壳；7—涡轮鼓风机；8—电动机；9—热交热器
VVTC型炉为单室卧式双气流循环高压气淬真空炉，其结构示意图如图3-17所示。该炉分别在加热室顶部和底部采用可摆动气体（流）分配器，气流以40m/s的速度喷出，气淬压力为0.5MPa。采用微机交替控制自上而下和自下而上双对流循环冷却，使工件得到均匀的淬火冷却。
图3-17 VVTC型单室卧式高压气淬炉的结构示意图
1—下底盘；2—装卸料门；3—观察窗；4—加热元件；5—顶盖；6—高压气分配门；7—涡轮鼓风机；8—电动机；9—热交换器；10—真空高压容器壳
VKUQgy型高压气淬冷却装置的结构示意图如图3-18所示，其主要技术参数见表3-11。该炉型为卧式圆筒形，壁炉及炉盖均为水冷夹层结构。加热器由若干石墨夹子和支架固定的石墨管组成，各石墨管的端部采用层压石墨板连接。加热室用硬化石墨毡绝热，石墨毡固定在多孔金属框上，其气体快速冷却装置由电动机驱动的幅式风扇、充气系统、喷嘴系统和冷却器组成，冷却气体是通过加热室圆周和长度方向的喷嘴从360°方向上以高速喷向工件，喷嘴的数量随炉型尺寸的增大而增加，由于高速气流从各个方向上与工件形成均匀的喷射，保证工件冷却相对均匀。
图3-18 VKUQgy型高压气淬炉截面图
1—水冷容器；2—循环式冷却系统；3—石墨隔热层；4—加热器；5—炉料；6—石墨梁；7—气体喷嘴
表3-11 VKUQgy型高压气淬真空炉的技术参数
HPV-200型高压气淬真空炉的炉体结构简图如图3-19所示，其基本结构与上述VKUQgy型炉相似，主要技术规格如下：
图3-19 HPV-200型高压气淬真空炉的结构简图
1—炉门；2—炉体；3—加热器；4—电极；5—热交换器；6—风扇；7—电动机；8—喷管
有效加热区尺寸/mm：600×400×400；
最高温度/℃：1350；
极限真空度/Pa：1.3×10-3；
加热功率/kW：100；
气淬压强/Pa：5×105。
德国LEYBOLD公司VKNQ型带对流加热装置的高压气淬真空炉的技术参数见表3-12。
表3-12 VKNQ型真空炉的技术数据
