保護性氣氛真空熱處理技術應用研究

趙向東

（新疆眾和股份有限公司烏魯木齊 830013）

1 前言

真空熱處理技術是真空技術與熱處理技術相結合的熱處理技術，真空熱處理所處的真空環境指的是低于一個大氣壓的氣氛環境，包括低真空、中等真空、高真空和超高真空，熱處理工藝的全部和部分在真空狀態下進行，熱處理質量大大提高。

真空熱處理是功能性鋁加工產品生產工藝過程的重要環節。相比較基于鋁及鋁合金的強度、塑形、韌性、比強度等力學性能的結構材料，功能性鋁加工產品是基于鋁的低電阻率，主要是利用鋁及其氧化物特有介電特性。鋁在空氣環境下極易氧化，并生成一層致密的氧化膜，耐腐蝕性強，鋁的結構材料，如鋁合金門窗等，正是利用了這一特性而在日常生活中獲得了廣泛的應用。功能性鋁加工制品為了獲得特定優越的介電性能，必須進行熱處理，以使產品內部微量元素均勻分布，并調整內部組織結構。如果在空氣環境下進行熱處理，會使產品表面過度氧化，并嚴重影響到后續的生產工藝過程，因此，必須在真空環境下進行熱處理。

傳統的功能性鋁加工制品的真空熱處理是利用真空旋片泵和真空增壓泵、真空擴散泵將熱處理爐內的真空度抽至6.7×10-2Pa以上的高真空度，然后將爐內溫度通過電加熱方式升至工藝需要的溫度，在真空環境下通過輻射方式對鋁加工制品進行加熱和熱處理，熱處理工藝執行完畢后，停止加熱保溫，自然冷卻至工藝要求的溫度后出爐并進行后續工序的加工。

2 傳統真空退火技術的缺陷

加熱過程中熱量傳遞的方式有輻射、對流和傳導三種方式，真空環境下，熱量傳遞的方式為輻射方式，熱輻射方式的加熱效率相比熱對流和熱傳導兩種加熱方式很低，且材料的內外部溫差大，冷卻階段靠自然降溫耗時很長。總之，傳統的真空熱處理方式生產率低下，材料的內在質量一致性差，制約了功能性鋁加工制品的生產效率提升和產品質量提升。

經過監測和數據統計，傳統真空退火爐同爐次里產品退火過程中的溫差均在5～25℃之間，對產品品質的穩定性造成嚴重的影響，退火溫度低造成產品內在性能指標不合格，退火溫度高造成卷狀產品的出現，類似燒結粘連。

真空輻射加熱過程中，卷狀鋁產品的受熱方式為從端部向中心傳導，造成整個鋁箔卷受熱的不均勻；此外，輻射加熱方式的特點使得對加熱器的布局方式和加熱性能及鋁產品在爐內生產擺放位置的差異等都很敏感，這些情況也進一步加劇了退火過程中產品的溫度的不均勻。

傳統真空退火方式下，熱應力問題加上抽真空動力和卷狀鋁產品的層間軋制油氣揮發造成了層與層之間的竄層，熱脹冷縮問題造成了層與層之間的松層，以上的串層和松層現象會造成大量產品報廢。

傳統真空爐的爐膽保溫材料長時間在真空與常壓環境下交替工作，以及環境溫度的變化巨大（室溫至600℃之間），造成保溫材料塌陷，局部保溫性能下降，設備性能下降速度快。為獲得高真空需要，爐殼采用的是水冷套設計，高真空和高溫的雙重影響，造成爐體結構件易發生爐殼漏水、冷卻器漏水、爐殼腐蝕鼓包現象。以上現象，使傳統真空退火爐除了維修成本高之外，造成設備性能不穩定，進一步加劇了工藝過程的波動，最終影響到產品質量和生產效率。

3 保護性氣氛真空熱處理技術原理

保護性氣氛真空退火是利用由滑閥泵、羅茨泵、油擴散泵組成的三級抽真空系統將爐內抽至＜5×10-2Pa 的工作真空度（極限真空度可達到＜5×10-3Pa），然后充入純度為99.99%以上的高純惰性氣體（壓力范圍0.05～0.07Mpa），并在對流攪拌條件下升溫、保溫、冷卻，最終出爐。

保護氣氛退火爐的特征及生產過程為：外爐殼為鋼殼及保溫磚結構，加熱區為密封內鋼罐，加熱帶布置在內鋼罐外壁。生產方式如下：外爐殼與內鋼罐之間為大氣狀態——將鋁產品放入內鋼罐內，關閉內鋼罐門——對內鋼罐抽真空——抽真空完成后內鋼罐內充入保護氣氛——加熱帶通過加熱內鋼罐，進而加熱內鋼罐內保護氣氛——內鋼罐內裝有對流攪拌風機，將加熱的保護氣氛進行強烈的攪拌，使得爐內各個點的鋁產品得到均勻的加熱——達到工藝料溫要求后——強吹冷空氣通過爐殼內鋼罐之間冷卻內鋼罐，進而冷卻保護氣氛，再冷卻鋁產品，然后出爐。

4 保護性氣氛真空熱處理設備主要技術參數

保護性氣氛真空退火爐的主要設備包括真空系統、外加熱罐、內鋼罐、強制冷卻系統、工件輸送系統、水冷系統、壓縮空氣系統、保護氣體分壓控制系統、電氣控制系統。

系統過程控制采用PLC自動控制。加熱器電源采用可控硅調壓器，控溫表采用進口控溫儀。無紙化記錄儀負責記錄工作過程的真空度、溫度，控制超溫報警。真空閥門設掉電保護和安全聯鎖。水系統設壓強控制器。電氣控制柜上有設備運行過程的指示燈模擬顯示。分壓過程自動控制。等等。

5 結語

保護性氣氛真空熱處理設備主要技術參數匯總表

加熱過程中充保護氣氛及對流風機強對流攪拌加熱的方式，即避免了氧化對產品內外在質量的影響，同時，加熱效率和效果的提升改善，可使得爐內均溫性達到≤4℃，產品品質一致性大大提高，充保護氣體退火的方式，也使得傳統真空退火造成的松層、串層等問題得到了極大改善，生產效率得到極大提升。