工装轻量化及材料优化

各种类型加热炉用工夹具、料盘、料筐、料架等都随同工件一起加热，有时它所带走的热量等于或大于工件的热量，约占总热量的18%～29%。

从表3-4中的数据可以看出，井式炉吊具热能消耗量最大，箱式炉和输送带式炉次之；输送带式炉的输送带很长，加热后冷却又重新入炉加热，无效热能损失大；而振底式炉的炉底板一直在炉膛做往复运动，因炉内不使用料盘，故没有这方面损失。因此，尽可能用振底式炉、辊底式炉和网带式炉代替链板炉或铸链炉，以免除料盘的热损失。

热处理用料盘、夹具等耐热构件与工件一起在炉内加热，随工件冷却后，重新装上新工件再次加热。这些工装的反复加热是必须付出的能量消耗，但在保证其强度和寿命的前提下，如能最大限度地减轻其重量，就可以减少用于料盘、夹具上的能源消耗，可多装工件，提高效率，显著节约能源。从这个角度考虑，采用高级、较昂贵的耐热合金钢，甚至金属间隙化合物材料、碳/碳复合材料以使料盘、夹具轻量化还是经济的。有数据证实，采用高级合金减轻料盘、夹具重量，可节电20%。

通过精心设计，选用多功能、轻质的夹具，不仅可以减少夹具费用支出，还可以节约加热用能源，缩短生产周期，特别是批量生产的间歇式炉，整个炉子要经过加热和冷却的循环周期，因此炉子热区夹具的设计对于减少热量损失十分重要，最典型的例子就是真空淬火炉。真空炉用钼棒代替耐热钢可减少2/3的工装重量，使加热时间缩短25%。目前已有一些真空炉用碳/碳复合材料代替耐热钢制造工装。

1.减轻工装夹具重量的途径

减轻工装夹具重量的途径，一是改善结构，二是选用优质材料。在对夹具减重而不缩短寿命的条件下进行轻量化设计与制造，可达到节能效果。其具体措施与途径见表3-9。

表3-9 工装的轻量化及其材料优化措施与途径

（续）

目前，市场上推广了一种料筐不出炉膛的往返式推杆炉。这些炉子的所有加料、出料都在密封状态下进行，因此其具有减少热能损耗、节约气氛等优点。由于密封性好，炉气稳定，因此单位面积生产率大大提高，两排导轨上可进行不同周期的热处理，炉子加热区外的机构得以简化。

日本日立建筑机械厂改进密封箱式炉的料盘结构，减小了重量，从原来每盘装200个轴类件增加到300个，把以前的3台炉子一个月开动20天改为2台炉子每月开动24天，即可节电20%，每月少用电14800kW·h，节约丙烷500kg。

2.Ni₃Al金属间化合物材料的应用

（1）Ni₃Al材料 美国新型炉内抗渗碳耐热构件材料——Ni₃Al金属间化合物（IM），其材料主要成分（质量分数）为8%～11%Al，81%～88%Ni，并添加了Cr、Zr、Mo、B。该材料是一种陶瓷材料，具有出色的热强性、抗蠕变、抗渗碳能力。

（2）应用及效果 可用于制造夹具、料盘、料筐等，Ni₃Al构件寿命比耐热钢高一倍以上。采用Ni₃Al构件还可以减少炉子维修次数，缩短工艺周期，提高渗碳温度，节能效果显著。

Ni₃Al材料作为耐火、绝热炉衬材料的陶瓷纤维板（块）已获得广泛应用，产生了巨大的节能效果。

（3）应用实例 汽车动力转向系统零件的渗碳热处理采用推杆式渗碳炉，以Ni₃Al材料代替HP铸造合金（质量分数为35%Ni，26%Cr）来制造该炉的料盘、支撑座和夹具，虽然其材料贵1.5～2倍，但寿命要长得多。Ni-Cr合金料盘只能用12～15个月，而Ni₃Al料盘使用42个月未损坏。

新材料Ni₃Al制造的料盘由于使用寿命延长和重量减轻，还可以提高10%的热处理生产率，使每台炉子每年节省1.5～2.0万美元。

3.碳/碳复合材料及其应用

（1）金属料盘的缺陷 由金属制作的料盘笨重（如真空渗碳淬火炉用料盘、料架）、热容量大，导致淬火液温度升高而降低其冷却能力，且料盘、料架反复加热、渗碳淬火使用，其内部也会产生相变，引起组织应力，加上热疲劳影响，使料盘、料架出现裂纹，寿命大大降低。同时，金属料盘、料架重量大，热容量大，增加了额外能源。

（2）碳/碳（C/C）复合材料及特点(www.xing528.com)

1）碳/碳复合材料构成。它由两个主要部分构成，即碳纤维和碳基体（或黏结剂）。碳纤维是碳原子组成的极细的丝，直径通常仅为0.005～0.01mm。用碳丝编织成网格状结构，然后用化学气相渗工艺制成的碳/碳材料，具有出色的强度、硬度和导热性。

2）碳/碳复合材料特点。①重量轻，透气性好，抗烧蚀，耐蚀，耐磨损，高温强度大，承载能力强，不变形，保证工件尺寸稳定；②制件重量轻，蓄热量小，对淬火液温度影响微小，保证了淬火液的冷却能力，同时，大大减轻了劳动强度；③制件热容量小，升温快，降温快，大大缩短工艺周期；④碳/碳材料没有组织转变，在急冷急热过程中不会因相变应力而变形，制件寿命长；⑤无污染，无任何气体放出；⑥具有出色的疲劳性能，裂纹扩展情况大幅度减少；⑦产品性价比优于金属材料制件。

（3）碳/碳复合材料的应用 热处理用料架和炉内构件使用碳/碳复合材料制造，能够加快升温和冷却速度，增强承载部件的能力，减轻部件的变形，可提高工艺温度和生产能力，节约能源，降低总成本。

1）美国使用碳/碳复合材料代替耐热钢制作料架，不仅减轻了料架的重量，而且降低了能耗。测试用真空高压气淬炉，炉子的有效工作空间为1270mm（长）×915mm（宽）×915mm（高），碳/碳料架组件（见图3-2）和合金料架组件（见图3-3）的总重量分别为275kg和572kg。

图3-2 碳/碳料架组件和测试样品

图3-3 合金料架组件和测试样品

使用碳/碳料架时炉料达到规定温度（857℃）的时间比使用合金料架时的缩短了35min；冷却速度快10min（冷却到65℃）。

表3-10为合金料架和碳/碳料架电耗和成本的比较。使用碳/碳料架因节省用电而使用电成本降低1.33美元；若真空炉成本以每小时187美元计算，则因缩短生产时间（节省总周期时间45min）每炉次节省了140美元。

表3-10 合金料架和碳/碳料架电耗和成本的比较

注：电价为0.07美元/（kW·h）。

2）德国西格里碳素集团（SGLCARBONGROUP）西格里特种石墨（上海）有限公司使用碳/碳复合材料代替耐热钢制作料架，不仅减轻了料架的重量，节省了能源消耗，而且提高了使用寿命。图3-4为用碳/碳复合材料代替耐热钢制作的真空炉料架。

图3-4 德国用碳/碳复合材料代替耐热钢制作的料架

图3-5 碳/碳材料制作的真空渗碳淬火炉用料架

3）中国科学院金属研究所用碳/碳材料制作的真空渗碳淬火炉用料架（见图3-5）已用于生产，因其重量轻，节省了额外能源消耗，并延长了料盘的使用寿命。