對舊電真空爐設備性能開發設計和改進

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

電真空熱處理技術具有無氧化、無脫碳、脫氣脫脂、表面質量好、變形量少、零件綜合力學性能優異、使用壽命長、無污染、無公害等優點，廣泛應用于航天、航空、電子、精密機械等行業的生產過程中。隨著科學技術的發展，現代化電真空熱處理技術也迅猛發展。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和等離子技術，其前途十分廣闊。電真空設備是熱處理技術實現可靠性的基本保證。隨著我所電子產品新材料、新工藝和新器件的應用增多，對電真空設備可靠性、多功能等方面的要求也越來越高，但往往受到設備單一性能的限制而受到影響。當然生產是離不開生產設備的，要使電真空熱處理技術穩妥可靠，具備多種功能為一體的設備來滿足科研生產的需要，就必須對舊電真空爐設備可靠性延伸重新進行開發設計和必要的改進。

1 舊電真空設備特點及產生的原因

我們所有多臺電真空設備，因購買時間較早，技術較落伍，其中型號為ZD464.032坑式真空爐，1979年由青島無線電專用設備廠生產的，其技術指標為表1所示，在所里的生產過程中，隨著新材料、新工藝的應用，出現了以下原因影響著產品的可靠性：

1.1 對設備的控溫精度提出了更高的要求

原設備控溫精度在±10℃左右，新產品要求溫控接近美國軍用設備標準±1℃，并要求產品各批次，產品同一性一致，但達不到要求。

1.2 對真空度有進一步提高

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

表1

1.3 針對環保節能需要

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

1.4 對單一退火性能作改造開發

對循環水作改造。

2 分析產生的原因

2.1 設備太陳舊

此設備購于70年代末，各項技術元件較落后，設備的升降溫完全靠人工操作升降電流來控制，同時受不同人員、技術水平的影響，因此控溫范圍較大，產品的同一性因而達不到要求。

2.2 使用年限太長

由于所使用年限的增長和機械泵連接彎頭過多，設備的真空度達不到要求，造成產品的氧化現象。

2.3 硬件設備落后

該設備循環水進出管道直徑小，因而嚴重影響真空設備的冷卻速度，致使產品的硬度達不到要求，一臺機械泵抽真空，所以速度較慢。

3 設備改進的方案和結果

通過查閱大量的文獻資料和憑借多年的工作經驗，根據退火爐的特點，對該設備進行改造開發設計，對所需要的設備、功率等作出詳細的書面報告。經所有關部門批準和技保單位協作，在以下幾個方面作改造。

3.1 在控溫精度方面

采用目前較先進的日本島電公司產微電腦溫控儀FP21，該儀表由PID進行數字修正，分九組，每組分九段控溫，達到自動升溫、時間、保溫降溫的設定，完全的自動化，使產品在不同時間，不受不同操作人員的影響，保證產品出來后各項指標一致化和控溫的精確性。

3.2 在設備的硬件上進行改革

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間，去除抽擴散泵，由抽速快而高的先進渦輪分子泵來代替，以提高真空度。其技術指標如表2所示[2]。

表2

3.3 同時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 增大循環水進出的管道直徑

增加水壓，循環水直排式作封閉循環再利用，使設備達到規定的冷卻速度。

通過采用微電腦控溫儀后，經國家二級計量單位院計量中心對設備的溫差和控溫精度作了具體的測量，設備原溫差在10℃左右，經改進后溫差在2℃，控溫精度1℃，達到美國軍用設備標準。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小時左右，提高到現在的2小時左右，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，滿足了產品的需要。

4 功能開發產品實驗

4.1 對真空時效功能的設計開發

舊真空爐因冷卻能力不夠，作真空時效時冷卻時間過長產品出爐進行彈性實驗，性能和技術指標達不到要求。經過冷卻系統的改造再作真空時效處理完成。

4.2 實驗材料

鈷鉻鎳鉬高彈合金3J22、Co40CrNiMoW作時效處理實踐。

4.3 工藝要求

550℃真空時效，保溫4個小時，真空度不低于1×10-3，保溫結束后，快速冷卻550℃冷至200℃，冷卻時間不能超過30分鐘。

4.4 拉伸試驗樣件6件，產品20件作試驗

經改進的設備，實驗時真空度滿足了設計要求，元件光亮度十分滿意，比抽真空時間較改造前節約1/3，冷卻速度達到產品要求，各項指標完全合格。

實驗的具體數據如表3。

表3

4.5 真空焊接功能的開發

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，會產生局部融化不均勻出現局部焊接不上的結果，使產品無法使用。

通過采用上述不同材料不同膨脹系數和導熱系數，在經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，其結果完全滿足工藝要求。

5 結論

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

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

[1] 達道安.真空設計手冊第三版[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2] 中國機械工程學會熱處理專業分會《熱處理手冊》編委會編.熱處理手冊第三版第三卷[M].北京：機械工業出版社，1997.