真空热处理炉加热滞后时间的研究
关键字：真空热处理
1 前言
真空热处理以辐射加热为主，其特点是真空炉膛升温速度比工件升温速度快得多。一方面由于真空炉膛的隔热材料大多采用石墨软毡、石墨硬毡、陶瓷纤维和金属钼屏带，这类保温材料的热容量小，保温性能好，聚丙烯腈基石墨毡比黏胶基石墨毡强力大、抗氧化能力强，但柔性差、体积密度大、保温性能好。它们除了具备块状石墨的纯度高、耐高温、耐腐蚀、不熔融等特性外，还有有弹性、可任意折叠、剪裁和可用石墨纱缝合等优点。石墨毡主要用途是作为单晶硅冶炼炉的保温材料。在化学工业中可作为高纯度腐蚀性化学试剂的过滤材料。石墨毡在非氧化气氛条件下，使用温度可达3000℃左右。
石墨毡理化性能：
聚丙烯氰基石墨毡 黏基胶石墨毡
体积密度（g/cm?） 0.1~0.15 0.05~0.15
面密度（g/cm?） 600~1200 300~600
含碳量（%） ≥99 ≥99
灰分（%） 0.05~0.1 0.5~0.6
强度（N⊥） 60~70 5~10
(试样50×200 ∥) 150~200 10~20
热导率（W/m.k） 0.06（34.6℃）
聚丙烯氰基石墨毡 黏基胶石墨毡
体积密度（g/cm?） 0.1~0.15 0.05~0.15
面密度（g/cm?） 600~1200 300~600
含碳量（%） ≥99 ≥99
灰分（%） 0.05~0.1 0.5~0.6
强度（N⊥） 60~70 5~10
(试样50×200 ∥) 150~200 10~20
热导率（W/m.k） 0.06（34.6℃）
因此，真空炉膛的热惯性小，升温速度快。另一方面，由于真空炉内气体极为稀薄，加热元件对工件的传热方式以辐射传热为主，对流传热作用极其微弱，所以，工件的升温速度很慢。故存在加热滞后时间的问题。真空热处理加热保温时间实际上是由以下两部分组成的，一是工件透烧时间（即温度均匀化时间，也就是我们所讨论的加热滞后时间)；，二是组织转变的时间。任何方式的热处理加热保温时间实际上均是由这两部分构成的，只不过由于真空热处理的加热方式很特殊，所以使第一部分（即加热滞后时间）成为比较突出的问题。
2 影响加热滞后时间的主要因素
影响工件在真空炉中加热滞后时间的因素有工件的材料、尺寸、形状和表面光亮度，以及加热温度与加热方式、装炉量与装炉方式等。本试验是在真空炉上进行的。
2.1 加热温度的影响
40CrMnSiMoVA超高强度钢在加热温度分别为920℃、900℃、870℃，试样尺寸为φ50mmX150mm，仅装1件试样，且跟踪热电偶插在试样心部的试验条件下，由于加热元件的辐射能量与其绝对温度的四次方成正比，因此，温度越高，辐射效率越高，工件的加热滞后时间也就越短，工件的升温速度也就越快。
2.2 加热方式的影响
40CrMnSiMoVA超高强度钢在加热温度为920℃，试样尺寸为φ35mmX105mm，分装两层，且上、下两层的4号试样的上部与外表面分别固定一支跟踪热电偶。每层7件，共重10kg的试验条件下，采用不同加热方式获得的加热曲线。
无论预热或不预热，试样的升温速率均滞后于炉膛的升温速率；中心试样的升温速率滞后于外部试样的升温速率。采取预热方式，可减少工件截面上的温差以及工件与炉膛之间的温差，在其后的升温过程中，使工件的温度很快接近炉温，有利于减少热应力和变形。
根据真空加热的特点，导热性差的不锈钢、高温合金等材料和含碳量高于0.4%的结构钢、工模具钢等，截面厚度变化大或者有尖角及形状复杂的工件，硬度>35HRC的工件，为减少变形与开裂的危险，都应采取预热方式进行加热。加热温度低的，可采取650-700℃预热一次；加热温度高的可采取650-700℃和850-900℃二次预热。预热时间应保证工件有效截面达到加热温度，一般取保温时间的0.5-1倍，或者通过实测来决定。
2.3 尺寸的影响
40CrMnSiMoVA钢不同尺寸试样的单件加热曲线（加热温度为920℃）。直径越大，加热滞后时间就越长。因此真空热处理时，不同尺寸或形状的工件不宜混装在一起进行加热。需要混装时，应以有效厚度最大的工件到温为准，确定加热时间。
装炉量大的加热滞后时间比装炉量少的加热滞后时间长，因此，装炉量应适当，尽量散放，以减少工件加热时的互相屏蔽，使加热更均匀。
3 加热滞后时间的确定
由于工件在真空炉中加热的升温速率比在箱式空气炉中加热慢，比在盐浴炉中加热更慢，因此，不能沿用空气炉或盐浴炉的加热时间做为真空热处理的加热时间。只有在确定加热滞后时间后，再加上常规的组织均匀化时间，才可最终确定真空热处理的加热时间。加热滞后时间的确定办法如下所述。
3.1 在工件上直接连接跟踪热电偶（实测法）
这种办法可以准确地指示工件到温时间，即可准确地测定工件的加热滞后时间。它适用于在室温下装出炉的单室真空炉中进行的真空钎焊、退火、真空回火和真空正压气淬等工艺。
3.2 实际测定特定条件下的加热时间（模拟法）
实际测定几种具有代表性的工件厚度、加热温度、装炉量与装炉方式等的加热曲线，测定出相应的加热滞后时间。以后在生产中，根据工件的材料、厚度、加热温度、装炉方式与装炉量等因素来选用条件最相近（就高不就低）的实测加热曲线，确定加热滞后时间。
3.3 将空气炉的保温时间延长50%（经验法）
如果没有实测的加热曲线可供选用，那么，将空气炉的保温时间延长50%，作为对工件的加热滞后时间的补偿。如果工件是在7.5X104以上的充气压强下进行加热，则视同在空气中进行加热，时间不需补偿。
3.4采用真空炉、真空钎焊炉和热处理炉炉温跟踪仪、温度测试仪 炉窑黑匣子 炉温跟踪仪）具有测点多、精度高、软件好，彻底去除拖偶测温的烦恼！
真空炉炉炉温测试仪用于热处理炉过程的温度监测、焊接工艺调整和改进。炉温测试仪具有可靠性高、采样周期可选、仪器内部温度显示、温度曲线显示图可以任意拉动、测试报告格式美观漂亮、性能价格比极高等特点，是替代进口的首选产品。适合于板坯加热、管坯加热、方坯加热、钢锭加热、钢管热处理、车轮热处理、铝合金轮毂热处理、铜管热处理、真空钎焊、齿轮热处理、模具热处理、弹簧热处理、玻璃真空焊接等。
下面以长7米，宽2米高3米。12MP的大型空分换热器芯体来举例说明：
大型空分换热器芯体设置温度（芯体表面）和工件芯体中心温差在350度时一般不超过± 13905275926℃-13013744698℃。真空度要求，必须在：13905275926pa-13013744698pa以上。
大型空分换热器芯体设置温度（芯体表面）和工件芯体中心温差在400度时一般不超过± 13905275926℃-13013744698℃。真空度要求，必须在：13905275926pa-13013744698pa以上。
大型空分换热器芯体设置温度（芯体表面）和工件芯体中心温差在450度时一般不超过± 13905275926℃-13013744698℃。真空度要求，必须在：13905275926pa-13013744698pa以上。
大型空分换热器芯体设置温度（芯体表面）和工件芯体中心温差在520度时一般不超过± 13905275926℃-13013744698℃。真空度要求，必须在：13905275926pa-13013744698pa以上。
大型空分换热器芯体设置温度（芯体表面）和工件芯体中心温差在570度时一般不超过± 13905275926℃-13013744698℃。真空度要求，必须在：13905275926pa-13013744698pa以上。
大型空分换热器芯体设置温度（芯体表面）和工件芯体中心温差在590度时一般不超过± 13905275926℃-13013744698℃。真空度要求，必须在：13905275926pa-13013744698pa以上。
大型空分换热器芯体设置温度（芯体表面）和工件芯体中心温差在598度时一般不超过± 13905275926℃-13013744698℃。真空度要求，必须在：13905275926pa-13013744698pa以上。
大型空分换热器芯体设置温度（芯体表面）和工件芯体中心温差在真空钎焊结束时一般不超过±13905275926℃-13013744698℃。
真空度要求，必须在：13905275926pa-13013744698pa以上。
4 结论
（1）影响工件在真空炉中加热滞后时间的因素主要有加热温度、加热方式、装炉量及装炉方式等。
（2）真空热处理加热滞后时间的确定，可采用实测法、模拟法、黑匣子法和经验法。
（3）只有准确、合理地确定真空热处理加热滞后时间，才能保证真空热处理的工件质量满足相关技术文件的要求，而且可以提高经济效益。
