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生料筐同瓷條粘連的問題，本文報告了粘連問題的發現、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。發生粘連時，連同鑲有數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、粘連問題的發現
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，檢查淬火區時沒有發現什么問題，中間隔熱門也沒有什么問題，當打開熱區維修門后，我們驚訝地發現：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://shengya888.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、粘連的客觀規律分析
3.1、現場調查
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，發現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，當料筐從熱區轉向淬火區的時候，將瓷條連同石墨條粘起帶入了淬火區，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現的，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系，將出現的問題通報給他們，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系，在聯系到的單位中，都沒有出現過類似的問題。同國內油淬真空爐制造廠家聯系，也沒有得到有用的信息。
3.2、客觀規律分析
在第一次粘連后的15 天中，每天都開爐，一直沒有發現粘連問題，運行狀態一直很好。第16天發生了第二次粘連，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 數量級的極限真空度。這21 天里熱處理了十幾爐工件，發生了兩次粘連。從這十幾爐熱處理參數看，發生粘連有如下幾條規律： 從溫度上看，850℃及以下的溫度的調整、時效、回火等從未發生過粘連，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，上節我們談到溫度、真空度對粘連的影響規律是溫度越高、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，都使金屬的蒸發越容易，蒸發的現象也就越嚴重，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 數量級，這種條件是滿足金屬Cr 的蒸發條件的，可以認為這次粘連是由蒸發作用造成的。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現象的，可事實上也產生了粘連，從這一點講粘連同金屬的蒸發作用沒有直接關系。另外從料筐與金屬工件從未發生過粘連的這一點來講，也可以認為粘連不是蒸發作用引起的。我們認為不能否認蒸發作用的存在，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象。真空擴散焊可使傳統的熔焊方法難以實現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，就是問題出現后，同美國公司聯系，將出現的問題通報給他們，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：化學工業出版社,2008.
[2] 莫衛紅. 真空熱處理中金屬元素的蒸發問題探討[J].金屬熱處理,2001,(1):27- 28.
