对旧电真空炉设备性能开发设计和改进

刘 杰，王玉梅

（中国工程物理研究院电子工程研究所，绵阳 621900）

前言

电真空热处理技术具有无氧化、无脱碳、脱气脱脂、表面质量好、变形量少、零件综合力学性能优异、使用寿命长、无污染、无公害等优点，广泛应用于航天、航空、电子、精密机械等行业的生产过程中。随着科学技术的发展，现代化电真空热处理技术也迅猛发展。从国外的资料来看，越来越多的迹象表明，未来的金属表面工程将更大的依赖于电真空技术和等离子技术，其前途十分广阔。电真空设备是热处理技术实现可靠性的基本保证。随着我所电子产品新材料、新工艺和新器件的应用增多，对电真空设备可靠性、多功能等方面的要求也越来越高，但往往受到设备单一性能的限制而受到影响。当然生产是离不开生产设备的，要使电真空热处理技术稳妥可靠，具备多种功能为一体的设备来满足科研生产的需要，就必须对旧电真空炉设备可靠性延伸重新进行开发设计和必要的改进。

1 旧电真空设备特点及产生的原因

我们所有多台电真空设备，因购买时间较早，技术较落伍，其中型号为ZD464.032坑式真空炉，1979年由青岛无线电专用设备厂生产的，其技术指标为表1所示，在所里的生产过程中，随着新材料、新工艺的应用，出现了以下原因影响着产品的可靠性：

1.1 对设备的控温精度提出了更高的要求

原设备控温精度在±10℃左右，新产品要求温控接近美国军用设备标准±1℃，并要求产品各批次，产品同一性一致，但达不到要求。

1.2 对真空度有进一步提高

原设备真空度在5×10-5毫米贡柱，而新产品和工艺要求加热时真空度在1×10-3Pa…5×10-5Pa范围内，满足不了工艺要求[1]。

表1

1.3 针对环保节能需要

冷却速度达不到要求，抽真空速度过于缓慢，生产周期过长，造成操作人员过度疲劳。

1.4 对单一退火性能作改造开发

对循环水作改造。

2 分析产生的原因

2.1 设备太陈旧

此设备购于70年代末，各项技术元件较落后，设备的升降温完全靠人工操作升降电流来控制，同时受不同人员、技术水平的影响，因此控温范围较大，产品的同一性因而达不到要求。

2.2 使用年限太长

由于所使用年限的增长和机械泵连接弯头过多，设备的真空度达不到要求，造成产品的氧化现象。

2.3 硬件设备落后

该设备循环水进出管道直径小，因而严重影响真空设备的冷却速度，致使产品的硬度达不到要求，一台机械泵抽真空，所以速度较慢。

3 设备改进的方案和结果

通过查阅大量的文献资料和凭借多年的工作经验，根据退火炉的特点，对该设备进行改造开发设计，对所需要的设备、功率等作出详细的书面报告。经所有关部门批准和技保单位协作，在以下几个方面作改造。

3.1 在控温精度方面

采用目前较先进的日本岛电公司产微电脑温控仪FP21，该仪表由PID进行数字修正，分九组，每组分九段控温，达到自动升温、时间、保温降温的设定，完全的自动化，使产品在不同时间，不受不同操作人员的影响，保证产品出来后各项指标一致化和控温的精确性。

3.2 在设备的硬件上进行改革

过去抽真空的软管由φ70的不锈钢管代替，并去除多余的弯道，变直通或波纹管来减少抽真空的损失，增加一台大功率罗茨增压泵来缩短抽真空时间，去除抽扩散泵，由抽速快而高的先进涡轮分子泵来代替，以提高真空度。其技术指标如表2所示[2]。

表2

3.3 同时提高对接头的密封性

把过去平面橡胶垫全部改成0型密封垫，提高密封性能。

3.4 增大循环水进出的管道直径

增加水压，循环水直排式作封闭循环再利用，使设备达到规定的冷却速度。

通过采用微电脑控温仪后，经国家二级计量单位院计量中心对设备的温差和控温精度作了具体的测量，设备原温差在10℃左右，经改进后温差在2℃，控温精度1℃，达到美国军用设备标准。用改变管道直径和增加罗茨泵的增加分子泵方法，大大提高了抽真空的速度。由过去抽真空1×10-3Pa需要3小时左右，提高到现在的2小时左右，而增加分子泵后，真空度提高到5×10-5Pa。并增大了冷水管，增加循环水的压力和流速，使冷却速度提高，目前900℃冷却到300℃只需要40分钟，满足了产品的需要。

4 功能开发产品实验

4.1 对真空时效功能的设计开发

旧真空炉因冷却能力不够，作真空时效时冷却时间过长产品出炉进行弹性实验，性能和技术指标达不到要求。经过冷却系统的改造再作真空时效处理完成。

4.2 实验材料

钴铬镍钼高弹合金3J22、Co40CrNiMoW作时效处理实践。

4.3 工艺要求

550℃真空时效，保温4个小时，真空度不低于1×10-3，保温结束后，快速冷却550℃冷至200℃，冷却时间不能超过30分钟。

4.4 拉伸试验样件6件，产品20件作试验

经改进的设备，实验时真空度满足了设计要求，元件光亮度十分满意，比抽真空时间较改造前节约1/3，冷却速度达到产品要求，各项指标完全合格。

实验的具体数据如表3。

表3

4.5 真空焊接功能的开发

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。真空焊接对真空炉温的均匀性要求很高，一般炉子焊接后由于炉温均匀性不高，会产生局部融化不均匀出现局部焊接不上的结果，使产品无法使用。

通过采用上述不同材料不同膨胀系数和导热系数，在经过改造后炉子作真空钎焊，用样件拉伸和探伤扫描以及断面分析，其结果完全满足工艺要求。

5 结论

在多年的工作实践中，根据我们的经验教训，对电真空设备在使用过程中所出现的问题作了具体分析，并以此作了大胆的电真空设备性能开发设计改造，通过多少次产品的实验，提高了电真空设备的可靠性和耐用性，因而满足了新材料、新工艺的新要求，并节约了大量资金（购买一台新设备需资金60多万元）和原材料，大大提高零件质量和工作效率。具备了时效回火退火电真空钎焊多功能的真空炉，成为大型试验和重要批生产指定设备，开发电真空钎焊多性能（在同行中做电真空钎焊，因炉溢出均匀性要求严格，必用真空钎焊炉）在设备成本上可节约一台30万元，目前钎焊零件已进入批生产。

另外，通过对冷却处理系统的改造和技保部门的监测废除了过去直排试，改为循环再利用（过去运行一天每小时需要排放自来水5T，一年耗1848 T）改造后的系统可节约了一笔资金，并大大降低了能耗，满足了环保的要求。

[1] 达道安.真空设计手册第三版[M].北京：国防工业出版社，2004.

[2] 中国机械工程学会热处理专业分会《热处理手册》编委会编.热处理手册第三版第三卷[M].北京：机械工业出版社，1997.