美國進口真空爐料筐同瓷條粘連問題的分析解決
本文就美國進口真空爐之料筐與瓷條粘連的問題進行了探討分析，在對每次粘連的客觀條件進行具體分析的基礎上，對可能造成粘連的各種影響因素進行了較為詳細的探討論述，對瓷條進行了巖相分析，制定了解決問題的改進措施，經過實踐解決了粘連問題。
我公司從美國進口的油淬氣冷多用真空爐在使用過程中多次發(fā)生料筐同瓷條粘連的問題，本文報告了粘連問題的發(fā)現(xiàn)、問題的分析、改進措施直到問題的解決。
1、真空爐料筐支撐結構
引進美國的油淬氣冷多用真空爐的外形圖見圖1。真空爐加熱室的真空外殼是臥式圓筒形的，在臥式圓筒殼體內固定一個長方體形的加熱室，加熱室的隔熱材料是石墨板，加熱室的上部和底部固定有數(shù)條石墨加熱元件，三排爐床支柱上各放有一條長有1.4 m 的支撐石墨條，支撐石墨條上部的燕尾槽中穿放著數(shù)十個短瓷條，短瓷條同金屬料筐的底部直接接觸。真空爐加熱室的結構見圖2，支撐石墨條和瓷條的結構見圖3。發(fā)生粘連時，連同鑲有數(shù)十個短瓷條的整個一條支撐石墨條帶走了。
圖1 引進的油淬氣冷多用真空爐的外形圖
圖2 真空爐加熱室結構 圖3 支撐石墨條和瓷條結構的參考圖
2、粘連問題的發(fā)現(xiàn)
美國進口真空爐的安裝、調試歷時一個多月，在安裝、調試完畢后，便立即投入了生產運行，僅20 天的時間就已運行了十七爐，運行狀況一直很好。為了安全運行和維護保養(yǎng)設備，在開第十八爐之前，我們降溫停爐對真空爐內部各部位進行全面檢查，檢查淬火區(qū)時沒有發(fā)現(xiàn)什么問題，中間隔熱門也沒有什么問題，當打開熱區(qū)維修門后，我們驚訝地發(fā)現(xiàn)：支撐工件的中間的那一條石墨條不見了，連同鑲在上面的數(shù)十個短瓷條也不見了，也沒有掉在隔熱室的爐底上，隔熱室的爐底也沒有損壞，熱區(qū)真空室的底部也沒有石墨條的痕跡。打開中間隔熱門，冷熱室貫通了也沒有找到任何痕跡。經過真空技術網(http://genius-power.com/)的專家分析認為只有一種可能，就是在淬火時由料筐將其通過中間門帶入了淬火油中，冷卻后脫離了料筐而留在了淬火油中。立即組織人員在淬火油中尋找，最后終于在淬火油中找到了石墨條，石墨條以及鑲在它上面的瓷條都是完整的，但瓷條的整個表面已經布滿了裂紋，瓷條的裂紋是在油中急冷造成的，說明瓷條是不能耐急冷的。石墨條是完整的，可以說明兩點，一可以說明石墨條是不怕油中急冷的，二可以說明料筐同瓷條的分離是在落入油中以后完成的。
3、粘連的客觀規(guī)律分析
3.1、現(xiàn)場調查
從油中取出石墨條后，我們對石墨條進行了認真的檢查，除了瓷條的整個表面已經布滿了裂紋外，在瓷條上瓷條同料筐接觸的部位留有灰色的金屬殘跡。接著我們對料筐進行了認真檢查，發(fā)現(xiàn)料筐底部同瓷條接觸的部位，有嚴重的被壓入的坑痕。初步確認:在高溫加熱時,料筐同瓷條的接觸部位粘連在一起了，當料筐從熱區(qū)轉向淬火區(qū)的時候，將瓷條連同石墨條粘起帶入了淬火區(qū)，粘連的情況還比較重，是在料筐落入油中或者在冷卻到一定溫度后才脫落的。雖然每爐都有記錄，但由于不知道是十七爐中第幾爐粘連的，是在什么條件下粘連的，原因也不好分析。在這期間我們做了如下三方面的工作：
由于美國真空爐不僅是我公司唯一的一臺進口熱處理設備，而且是唯一的一臺真空熱處理設備，單一的設備也不能停臺，該設備繼續(xù)生產運行。但我們采取了一條措施，要求設備操作者，在每次淬火時要從前門上的觀察孔觀察，料筐從熱室轉向冷區(qū)的過程，重點觀察石墨條是否被粘起了。以后的兩次粘連都是通過這種方法發(fā)現(xiàn)的，也證明了我們前面的分析是正確的。同美國的真空爐公司聯(lián)系，將出現(xiàn)的問題通報給他們，要求他們盡快來人或者提出解決問題的辦法，由于料筐不是引進設備時一起引進的，而是從國內廠家定做的，他們也沒有遇到這方面的問題。同國內有油淬真空爐的單位聯(lián)系，在聯(lián)系到的單位中，都沒有出現(xiàn)過類似的問題。同國內油淬真空爐制造廠家聯(lián)系，也沒有得到有用的信息。
3.2、客觀規(guī)律分析
在第一次粘連后的15 天中，每天都開爐，一直沒有發(fā)現(xiàn)粘連問題，運行狀態(tài)一直很好。第16天發(fā)生了第二次粘連，該爐裝的是兩個FV520B材質的DH 型葉輪，重量比較大，工序是溫度為1050℃的固溶化熱處理，該爐熱處理過程的真空度情況是這樣的，在850℃保溫臺階的真空度是10- 3 Pa 數(shù)量級的極限真空度，在1050℃高溫時采用的是分壓控制，真空度在1 Pa 數(shù)量級。
第三次粘連是在之后的第五天，該爐裝的是兩個X12Cr13 材質的H 型葉輪，重量相對比較輕，溫度是990℃淬火工序，真空度是10-3 Pa 數(shù)量級的極限真空度。這21 天里熱處理了十幾爐工件，發(fā)生了兩次粘連。從這十幾爐熱處理參數(shù)看，發(fā)生粘連有如下幾條規(guī)律： 從溫度上看，850℃及以下的溫度的調整、時效、回火等從未發(fā)生過粘連，盡管是極限真空度;從裝爐重量上看，裝入一個葉輪從未發(fā)生過粘連，裝兩個較小的葉輪也不易粘連;從真空度上看，真空度越高越容易粘連。粘連是由熱處理溫度、真空度、重量三者共同作用造成的，其客觀規(guī)律是：溫度越高越容易粘連;真空度越高越容易粘連;裝爐重量越大越容易粘連。第二次粘連，雖然采用分壓控制、真空度不高，但溫度高且裝爐量大。第三次粘連，雖然溫度不是最高、裝爐重量也不大，但真空度高。
4、粘連原因的理論分析
首先我們要明確粘連的雙方是什么，都是什么材料?一方是瓷條，一方是金屬料筐。瓷條的成分如何呢?我們對其進行了巖相分析，主晶體為剛玉晶體，屬于高鋁瓷條，幾乎接近純剛玉，抗壓強度和抗粘結性都比95 瓷好，從瓷條方面沒有改進的余地了。那么料筐呢?材料為1Cr18Ni9Ti，上節(jié)我們談到溫度、真空度對粘連的影響規(guī)律是溫度越高、真空度越高越容易引起粘連，這同由金屬元素的蒸發(fā)作用所引起的粘連是很相似的，因為溫度越高、真空度越高，都使金屬的蒸發(fā)越容易，蒸發(fā)的現(xiàn)象也就越嚴重，從而導致的粘連就越嚴重。料筐材料為1Cr18Ni9Ti，可以查圖4 的常用金屬元素的蒸汽壓曲線[2,3,4]，我們把料筐材料中三種元素在不同蒸汽壓下的平衡溫度列在表1。從表中我們可以看出，金屬Cr 的平衡溫度最低，即Cr 的蒸汽壓最高，也就是說Cr 是最容易蒸發(fā)的一種元素，Cr 在10-2 Pa 時的平衡溫度是992℃，第三次粘連時爐內溫度是990℃，真空度是10-3 Pa 數(shù)量級，這種條件是滿足金屬Cr 的蒸發(fā)條件的，可以認為這次粘連是由蒸發(fā)作用造成的。但對于第二次粘連的情況來看， 溫度1050℃的固溶處理、真空度是1 Pa 數(shù)量級，而鉻元素在1 Pa 真空度時的平衡溫度是1205℃，爐子的實際溫度遠低于金屬鉻的平衡溫度，在這種條件下是不存在蒸發(fā)現(xiàn)象的，可事實上也產生了粘連，從這一點講粘連同金屬的蒸發(fā)作用沒有直接關系。另外從料筐與金屬工件從未發(fā)生過粘連的這一點來講，也可以認為粘連不是蒸發(fā)作用引起的。我們認為不能否認蒸發(fā)作用的存在，但它不是引起料筐同瓷條粘連的主要原因。
表1 金屬元素在不同蒸汽壓下的平衡溫度
圖4 某些金屬元素的蒸氣壓曲線
另一種現(xiàn)象必須引起我們的高度重視，就是料筐底部同瓷條接觸的部位有嚴重的被壓入的坑痕，以及瓷條同料筐接觸的部位留有灰色的金屬殘跡，這說明了料筐的高溫強度低。料筐的高溫強度低，而料筐同瓷條的接觸面積又很小，這樣工件的重量越大，接觸部位的受力就越大，料筐被壓入的坑痕就越深，從而料筐和瓷條的接觸就越緊密，粘連的結合力就越大。當兩者接觸的特別緊密時，甚至可能存在原子間或分子間力的作用而粘連到一起，有可能存在高溫、高真空下的擴散焊現(xiàn)象。真空擴散焊可使傳統(tǒng)的熔焊方法難以實現(xiàn)的金屬和陶瓷焊接在一起，擴散焊是指在一定的溫度和壓力下，被連接表面相互接觸，通過使界面局部發(fā)生微觀朔性變形而擴大被連接表面的物理接觸，然后界面原子間經過一定時間的相互擴散，形成整體可靠連接的過程[1]通過以上分析，我們認為：料筐同瓷條的粘連是由于料筐高溫強度低、真空度高、熱處理溫度高、相對裝爐重量大等多因素共同作用造成的。其主要原因是料筐的高溫強度低，產生了擴散焊。
還有一點需要陳述的，就是問題出現(xiàn)后，同美國公司聯(lián)系，將出現(xiàn)的問題通報給他們，要求他們盡快來人或者提出解決問題的辦法。外商也沒有積極配合，這里有一個原因就是前面提到的，料筐不是買設備帶來的，為了省錢，料筐是我們國內定做的。
料筐同瓷條的粘連問題是一個很嚴重的問題。假如石墨條被粘起后脫落在冷熱區(qū)中間隔熱門的部位，當中間隔熱門落下后將損壞設備;在爐子處于高溫條件下中間隔熱門長時間關不上，又增加了著火和爆炸的危險性。所以我們針對粘連的分析原因，立即多方面采取了措施。
5、改進措施的設想與實施
為了解決粘連的問題，我們可以在溫度、真空度、裝爐量、料筐材料、瓷條材料、石墨條的固定(機械分離的辦法)、減小親和力以及其它的機械分離的辦法等多方面來想辦法。
熱處理的溫度是由工件的材料決定的，是不能改變的，所以從爐子溫度這方面想辦法是不行的。真空度方面，降低真空度可以大大地降低粘連的機會，但是降低真空度也是有限度的，再說1050℃用的已經是分壓控制了。降低裝爐量是可以解決問題的，但也不是長久之策。最大裝爐量600 多公斤的爐子也不能只裝100 多公斤。在問題沒有得到根本解決之前，可以采用降低裝爐量來避免粘連。瓷條材料方面，我們已經做了巖相分析，從瓷條方面沒有改進的余地了。
所以，我們的改進工作分兩步走，第一步的應急措施有兩個：一是控制裝爐量，立即施行。二是更換料筐材料，換用高溫強度高的材料，國內目前真空爐料筐的材料大多都是1Cr18Ni9Ti，但他們的裝爐量遠比我們的少，我們的設備是國內最大的油淬真空爐。
如果第一步的應急措施解決不了問題。我們還設想了第二步的解決措施，主要有如下兩個方面：第一、石墨條固定法，將料筐的支撐石墨條同下面的支撐柱用機械的方法固定在一起，當料筐抬起的時候，石墨條在固定力的作用下而不被粘起，將兩者的粘連分離開。
第二、減小親和力的辦法，可以選擇或者研制一種涂料，減小瓷條同料筐的親和力，避免粘連在一起。解決問題的根本方法是更換料筐材料，但定做料筐有一個時間問題，以上是我們在新料筐制造出來前的措施和設想。
6、結論
控制裝爐量后，在新的料筐做出來之前，一直沒有再發(fā)生粘連問題，新的料筐制造出來應用后，沒有特意限制裝爐量的情況下也沒有再發(fā)生粘連。
參考文獻
[1] 李亞江，王娟，夏春智. 特種焊接技術及應用[M]. 北京：化學工業(yè)出版社,2008.
[2] 莫衛(wèi)紅. 真空熱處理中金屬元素的蒸發(fā)問題探討[J].金屬熱處理,2001,(1):27- 28.
