對舊電真空爐設(shè)備性能開發(fā)設(shè)計(jì)和改進(jìn)

劉 杰，王玉梅

（中國工程物理研究院電子工程研究所，綿陽 621900）

前言

電真空熱處理技術(shù)具有無氧化、無脫碳、脫氣脫脂、表面質(zhì)量好、變形量少、零件綜合力學(xué)性能優(yōu)異、使用壽命長、無污染、無公害等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、航空、電子、精密機(jī)械等行業(yè)的生產(chǎn)過程中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化電真空熱處理技術(shù)也迅猛發(fā)展。從國外的資料來看，越來越多的跡象表明，未來的金屬表面工程將更大的依賴于電真空技術(shù)和等離子技術(shù)，其前途十分廣闊。電真空設(shè)備是熱處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠性的基本保證。隨著我所電子產(chǎn)品新材料、新工藝和新器件的應(yīng)用增多，對電真空設(shè)備可靠性、多功能等方面的要求也越來越高，但往往受到設(shè)備單一性能的限制而受到影響。當(dāng)然生產(chǎn)是離不開生產(chǎn)設(shè)備的，要使電真空熱處理技術(shù)穩(wěn)妥可靠，具備多種功能為一體的設(shè)備來滿足科研生產(chǎn)的需要，就必須對舊電真空爐設(shè)備可靠性延伸重新進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)和必要的改進(jìn)。

1 舊電真空設(shè)備特點(diǎn)及產(chǎn)生的原因

我們所有多臺電真空設(shè)備，因購買時(shí)間較早，技術(shù)較落伍，其中型號為ZD464.032坑式真空爐，1979年由青島無線電專用設(shè)備廠生產(chǎn)的，其技術(shù)指標(biāo)為表1所示，在所里的生產(chǎn)過程中，隨著新材料、新工藝的應(yīng)用，出現(xiàn)了以下原因影響著產(chǎn)品的可靠性：

1.1 對設(shè)備的控溫精度提出了更高的要求

原設(shè)備控溫精度在±10℃左右，新產(chǎn)品要求溫控接近美國軍用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)±1℃，并要求產(chǎn)品各批次，產(chǎn)品同一性一致，但達(dá)不到要求。

1.2 對真空度有進(jìn)一步提高

原設(shè)備真空度在5×10-5毫米貢柱，而新產(chǎn)品和工藝要求加熱時(shí)真空度在1×10-3Pa…5×10-5Pa范圍內(nèi)，滿足不了工藝要求[1]。

表1

1.3 針對環(huán)保節(jié)能需要

冷卻速度達(dá)不到要求，抽真空速度過于緩慢，生產(chǎn)周期過長，造成操作人員過度疲勞。

1.4 對單一退火性能作改造開發(fā)

對循環(huán)水作改造。

2 分析產(chǎn)生的原因

2.1 設(shè)備太陳舊

此設(shè)備購于70年代末，各項(xiàng)技術(shù)元件較落后，設(shè)備的升降溫完全靠人工操作升降電流來控制，同時(shí)受不同人員、技術(shù)水平的影響，因此控溫范圍較大，產(chǎn)品的同一性因而達(dá)不到要求。

2.2 使用年限太長

由于所使用年限的增長和機(jī)械泵連接彎頭過多，設(shè)備的真空度達(dá)不到要求，造成產(chǎn)品的氧化現(xiàn)象。

2.3 硬件設(shè)備落后

該設(shè)備循環(huán)水進(jìn)出管道直徑小，因而嚴(yán)重影響真空設(shè)備的冷卻速度，致使產(chǎn)品的硬度達(dá)不到要求，一臺機(jī)械泵抽真空，所以速度較慢。

3 設(shè)備改進(jìn)的方案和結(jié)果

通過查閱大量的文獻(xiàn)資料和憑借多年的工作經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)退火爐的特點(diǎn)，對該設(shè)備進(jìn)行改造開發(fā)設(shè)計(jì)，對所需要的設(shè)備、功率等作出詳細(xì)的書面報(bào)告。經(jīng)所有關(guān)部門批準(zhǔn)和技保單位協(xié)作，在以下幾個(gè)方面作改造。

3.1 在控溫精度方面

采用目前較先進(jìn)的日本島電公司產(chǎn)微電腦溫控儀FP21，該儀表由PID進(jìn)行數(shù)字修正，分九組，每組分九段控溫，達(dá)到自動(dòng)升溫、時(shí)間、保溫降溫的設(shè)定，完全的自動(dòng)化，使產(chǎn)品在不同時(shí)間，不受不同操作人員的影響，保證產(chǎn)品出來后各項(xiàng)指標(biāo)一致化和控溫的精確性。

3.2 在設(shè)備的硬件上進(jìn)行改革

過去抽真空的軟管由φ70的不銹鋼管代替，并去除多余的彎道，變直通或波紋管來減少抽真空的損失，增加一臺大功率羅茨增壓泵來縮短抽真空時(shí)間，去除抽擴(kuò)散泵，由抽速快而高的先進(jìn)渦輪分子泵來代替，以提高真空度。其技術(shù)指標(biāo)如表2所示[2]。

表2

3.3 同時(shí)提高對接頭的密封性

把過去平面橡膠墊全部改成0型密封墊，提高密封性能。

3.4 增大循環(huán)水進(jìn)出的管道直徑

增加水壓，循環(huán)水直排式作封閉循環(huán)再利用，使設(shè)備達(dá)到規(guī)定的冷卻速度。

通過采用微電腦控溫儀后，經(jīng)國家二級計(jì)量單位院計(jì)量中心對設(shè)備的溫差和控溫精度作了具體的測量，設(shè)備原溫差在10℃左右，經(jīng)改進(jìn)后溫差在2℃，控溫精度1℃，達(dá)到美國軍用設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。用改變管道直徑和增加羅茨泵的增加分子泵方法，大大提高了抽真空的速度。由過去抽真空1×10-3Pa需要3小時(shí)左右，提高到現(xiàn)在的2小時(shí)左右，而增加分子泵后，真空度提高到5×10-5Pa。并增大了冷水管，增加循環(huán)水的壓力和流速，使冷卻速度提高，目前900℃冷卻到300℃只需要40分鐘，滿足了產(chǎn)品的需要。

4 功能開發(fā)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)

4.1 對真空時(shí)效功能的設(shè)計(jì)開發(fā)

舊真空爐因冷卻能力不夠，作真空時(shí)效時(shí)冷卻時(shí)間過長產(chǎn)品出爐進(jìn)行彈性實(shí)驗(yàn)，性能和技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到要求。經(jīng)過冷卻系統(tǒng)的改造再作真空時(shí)效處理完成。

4.2 實(shí)驗(yàn)材料

鈷鉻鎳鉬高彈合金3J22、Co40CrNiMoW作時(shí)效處理實(shí)踐。

4.3 工藝要求

550℃真空時(shí)效，保溫4個(gè)小時(shí)，真空度不低于1×10-3，保溫結(jié)束后，快速冷卻550℃冷至200℃，冷卻時(shí)間不能超過30分鐘。

4.4 拉伸試驗(yàn)樣件6件，產(chǎn)品20件作試驗(yàn)

經(jīng)改進(jìn)的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)時(shí)真空度滿足了設(shè)計(jì)要求，元件光亮度十分滿意，比抽真空時(shí)間較改造前節(jié)約1/3，冷卻速度達(dá)到產(chǎn)品要求，各項(xiàng)指標(biāo)完全合格。

實(shí)驗(yàn)的具體數(shù)據(jù)如表3。

表3

4.5 真空焊接功能的開發(fā)

采用材料H62和Tc4以及2Cr13作基材，焊接采用HYAG72作焊接材料作三明治法焊接。真空焊接對真空爐溫的均勻性要求很高，一般爐子焊接后由于爐溫均勻性不高，會(huì)產(chǎn)生局部融化不均勻出現(xiàn)局部焊接不上的結(jié)果，使產(chǎn)品無法使用。

通過采用上述不同材料不同膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)，在經(jīng)過改造后爐子作真空釬焊，用樣件拉伸和探傷掃描以及斷面分析，其結(jié)果完全滿足工藝要求。

5 結(jié)論

在多年的工作實(shí)踐中，根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對電真空設(shè)備在使用過程中所出現(xiàn)的問題作了具體分析，并以此作了大膽的電真空設(shè)備性能開發(fā)設(shè)計(jì)改造，通過多少次產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)，提高了電真空設(shè)備的可靠性和耐用性，因而滿足了新材料、新工藝的新要求，并節(jié)約了大量資金（購買一臺新設(shè)備需資金60多萬元）和原材料，大大提高零件質(zhì)量和工作效率。具備了時(shí)效回火退火電真空釬焊多功能的真空爐，成為大型試驗(yàn)和重要批生產(chǎn)指定設(shè)備，開發(fā)電真空釬焊多性能（在同行中做電真空釬焊，因爐溢出均勻性要求嚴(yán)格，必用真空釬焊爐）在設(shè)備成本上可節(jié)約一臺30萬元，目前釬焊零件已進(jìn)入批生產(chǎn)。

另外，通過對冷卻處理系統(tǒng)的改造和技保部門的監(jiān)測廢除了過去直排試，改為循環(huán)再利用（過去運(yùn)行一天每小時(shí)需要排放自來水5T，一年耗1848 T）改造后的系統(tǒng)可節(jié)約了一筆資金，并大大降低了能耗，滿足了環(huán)保的要求。

[1] 達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊第三版[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)熱處理專業(yè)分會(huì)《熱處理手冊》編委會(huì)編.熱處理手冊第三版第三卷[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.