連續式真空爐傳動(dòng)系統到位開(kāi)關(guān)的幾種型式
為了提高產(chǎn)能和節約能源，在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)要用到連續式真空爐。由于工件一直處于爐內，因此工件的轉移和到位均需要使用傳感器(到位開(kāi)關(guān))進(jìn)行控制。本文以雙室真空油淬爐為連續式真空爐的代表性爐型進(jìn)行分析說(shuō)明，具體介紹了鋼在熱處理冷卻過(guò)程中的等溫轉變過(guò)程，以及傳感器(到位開(kāi)關(guān))設置位置與靈敏度的重要性，最后舉例說(shuō)明幾種開(kāi)關(guān)的設置型式及特點(diǎn)比較。
鋼在熱處理冷卻過(guò)程中會(huì )發(fā)生奧氏體等溫轉變。對于雙室真空油淬爐，由于鋼在高溫時(shí)溫度衰減極快，如不能及時(shí)將其轉移至油淬室進(jìn)行淬火，則鋼很容易發(fā)生等溫轉變而不能完全轉換成淬火希望得到的馬氏體，從而降低材料的硬度及耐磨性等性能，失去淬火的效果。而工件在爐內的工作位置均由傳感器(到位開(kāi)關(guān))進(jìn)行檢測，如開(kāi)關(guān)的設置型式或使用不當，也會(huì )使工件不能及時(shí)淬火，這樣就凸顯了開(kāi)關(guān)在淬火過(guò)程中的重要性。
1、奧氏體鋼的熱處理
1.1、鋼在加熱時(shí)的轉變
在Fe-Fe3C相圖中，A1、A3和Acm是碳鋼在極緩慢地加熱或冷卻時(shí)的轉變溫度，因此A1、A3和Acm點(diǎn)都是平衡臨界點(diǎn)。但在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，加熱和冷卻并不是極緩慢的，因此不可能在平衡臨界點(diǎn)進(jìn)行組織轉變，有過(guò)冷或過(guò)熱現象。如圖1，將鋼在加熱時(shí)的實(shí)際轉變溫度分別用Ac1、Ac3和Accm表示，冷卻時(shí)的實(shí)際轉變溫度分別用Ar1、Ar3和Arcm表示。鋼進(jìn)行熱處理時(shí)首先要加熱，任何成分的碳鋼加熱到A1點(diǎn)以上時(shí)，其組織都要發(fā)生珠光體向奧氏體的轉變，這種轉變稱(chēng)為奧氏體化。奧氏體化后的鋼，以不同的冷卻方式進(jìn)行冷卻轉變，便可得到不同的組織，從而使鋼獲得不同的性能。
圖1 加熱和冷卻對臨界轉變溫度的影響
1.2、奧氏體等溫轉變
在熱處理中，通常有兩種冷卻方式，即等溫冷卻和連續冷卻。如圖2，等溫冷卻是把鋼加熱奧氏體化后，快速冷卻到A1 以下，在不同過(guò)冷度下等溫，測定奧氏體的轉變過(guò)程;連續冷卻是在不同冷卻速度過(guò)程中測定奧氏體的轉變過(guò)程。將這兩個(gè)轉變過(guò)程繪制成曲線(xiàn)，那么這兩種曲線(xiàn)能正確說(shuō)明奧氏體的冷卻條件與組織轉變間的相互關(guān)系，這是對鋼材進(jìn)行熱處理的重要依據。
共析鋼在不同過(guò)冷度下奧氏體等溫轉變動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)圖是將經(jīng)奧氏體化的共析碳鋼急冷到A1以下，在各不同溫度下的保溫過(guò)程中，繪制其轉變開(kāi)始(左邊的一條曲線(xiàn))到轉變終了(右邊的一條曲線(xiàn)) 的時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)圖，也稱(chēng)TTT(Temperature Time Transformation) 曲線(xiàn)，因其形狀象字母C，所以又稱(chēng)C 曲線(xiàn)。C 曲線(xiàn)是利用熱分析等方法獲得的。
如圖2 所示，A1 以上是奧氏體穩定區域;A1 以下轉變開(kāi)始線(xiàn)以左的區域奧氏體處于不穩定狀態(tài)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的孕育期(以轉變開(kāi)始線(xiàn)與縱坐標之間的距離來(lái)表示)，它將發(fā)生轉變。這種在孕育期暫時(shí)存在的、處于不穩定狀態(tài)的奧氏體，稱(chēng)為過(guò)冷奧氏體。過(guò)冷奧氏體在不同溫度下等溫轉變所需的孕育期是不同的，隨轉變溫度降低，孕育期先逐漸縮短，然后又逐漸變長(cháng)，在550℃左右孕育期最短，過(guò)冷奧氏體最不穩定，它的轉變速度最快，這里成為C 曲線(xiàn)的“鼻尖”。過(guò)冷奧氏體的穩定性取決于相變驅動(dòng)力和擴散這兩個(gè)因素。在“鼻尖”以上，過(guò)冷度越小，相變驅動(dòng)力也越小;在“鼻尖”以下，溫度越低，原子擴散越困難，兩者都使奧氏體穩定性增加，孕育期增長(cháng)。
圖2 共析鋼的C 曲線(xiàn)
圖中A1 以下，轉變終了線(xiàn)以右的區域為轉變產(chǎn)物區，轉變開(kāi)始線(xiàn)與終了線(xiàn)之間為轉變區。Ms 線(xiàn)為馬氏體轉變開(kāi)始溫度，Mf 線(xiàn)為馬氏體轉變終了溫度。
1.3、淬火工藝
淬火是將鋼加熱到Ac3 或Ac1 以上(圖1)，保溫一段時(shí)間，使其奧氏體化，然后以大于臨界冷卻速度的冷速快速冷卻，從而進(jìn)行馬氏體轉變的熱處理工藝。淬火要得到馬氏體，淬火的冷卻速度就必須大于臨界冷卻速度。由圖2 可知，淬火鋼在整個(gè)冷卻過(guò)程中并不需要都進(jìn)行快速冷卻。關(guān)鍵是在過(guò)冷奧氏體最不穩定的C 曲線(xiàn)鼻尖附近，即在650～400℃的溫度范圍內要快速冷卻。而從淬火溫度到650℃之間以及400℃以下，特別是300～200℃以下并不希望快冷。因為淬火冷卻中工件截面的內外溫度差會(huì )引起熱應力。另外，由于鋼中的比容(單位質(zhì)量物質(zhì)的體積)不同，其中馬氏體的比容最大，奧氏體的比容最小，因此，馬氏體的轉變將使工件的體積脹大，如冷卻速度較大，工件截面上的內外溫度差將增大，使馬氏體轉變不能同時(shí)進(jìn)行而造成相變應力。真空技術(shù)網(wǎng)（http://likelearn.cn/）認為冷卻速度越大，熱應力和相變應力越大，鋼在馬氏體轉變過(guò)程中便容易引起變形與裂紋。
圖3 鋼的理想淬火冷卻曲線(xiàn)圖4 雙室真空油淬爐結構示意圖
3、幾種傳感器(到位開(kāi)關(guān))的型式及特點(diǎn)比較
3.1、接觸式行程開(kāi)關(guān)
接觸式行程開(kāi)關(guān)是一種常用的小電流主令電器。利用生產(chǎn)機械運動(dòng)部件的碰撞使其觸頭動(dòng)作來(lái)實(shí)現接通或分斷控制電路，達到一定的控制目的。通常，這類(lèi)開(kāi)關(guān)被用來(lái)限制機械運動(dòng)的位置或行程，使運動(dòng)機械按一定位置或行程自動(dòng)停止、反向運動(dòng)、變速運動(dòng)或自動(dòng)往返運動(dòng)等。
如圖5，行程開(kāi)關(guān)設置于工件位于加熱室與油淬室時(shí)的兩個(gè)工作位置，當傳動(dòng)系統帶動(dòng)撞柱移動(dòng)至這兩個(gè)位置時(shí)，撞柱觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)產(chǎn)生信號檢測工件的運行位置。
此種方式雖能實(shí)際反映工件位置，但限于開(kāi)關(guān)本身為機械結構，故存在響應速度低、精度差、反復撞擊容易損壞及壽命短等缺點(diǎn)，而且開(kāi)關(guān)置于爐內，增加了開(kāi)關(guān)接線(xiàn)處的密封結構，又容易被油蒸汽污染，所以此種方式已經(jīng)逐漸被其他方式所取代。
圖5 接觸式行程開(kāi)關(guān)設置于爐內
3.2、感應式接近開(kāi)關(guān)
感應式接近開(kāi)關(guān)是一種無(wú)需與運動(dòng)部件進(jìn)行機械直接接觸而可以操作的位置開(kāi)關(guān)，當物體接近開(kāi)關(guān)的感應面到動(dòng)作距離時(shí)，不需要機械接觸及施加任何壓力即可使開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而驅動(dòng)直流電器或給計算機裝置提供控制指令。
圖6 感應式接近開(kāi)關(guān)設置于爐外
如圖6，減速機通過(guò)傳動(dòng)軸將工件位置傳遞到輸出軸上，輸出軸帶動(dòng)接近裝置旋轉，在工件位于加熱室與油淬室兩個(gè)工作位置時(shí)，接近裝置移動(dòng)至接近開(kāi)關(guān)處，從而使接近開(kāi)關(guān)產(chǎn)生信號檢測工件的運行位置。
此種方式開(kāi)關(guān)位于爐外，又置于保護罩內，不會(huì )被油蒸汽及粉塵污染，密封結構少(僅有傳動(dòng)軸一處)，結構緊湊美觀(guān)。不足之處在于工件實(shí)際位置通過(guò)減速機傳遞，故輸出信號與實(shí)際位置有一定偏差;而感應式開(kāi)關(guān)本身也會(huì )受周?chē)鷾囟�、物體以及開(kāi)關(guān)之間的相互影響。
不過(guò)接近開(kāi)關(guān)由于能克服接觸式行程開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，真空技術(shù)網(wǎng)（http://likelearn.cn/）認為在實(shí)際應用中已經(jīng)可以成為接觸式行程開(kāi)關(guān)的理想替代品。
3.3、光電開(kāi)關(guān)
光電開(kāi)關(guān)(光電傳感器)是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體的有無(wú)。物體不限于金屬，所有能反射光線(xiàn)的物體均可被檢測。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線(xiàn)的強弱或有無(wú)對目標物體進(jìn)行探測。
如圖7，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器與接收器分置于爐體兩側，當傳動(dòng)系統帶動(dòng)遮擋柱移動(dòng)至加熱室和油淬室兩個(gè)工作位置時(shí)，遮擋柱便擋住了發(fā)射器發(fā)出的光束，從而產(chǎn)生信號檢測工件的運行位置。光電開(kāi)關(guān)能夠克服接觸式行程開(kāi)關(guān)及感應式接近開(kāi)關(guān)各自本身的缺點(diǎn)，又具有體積小、功能多、壽命長(cháng)、精度高、響應速度快、檢測距離遠以及抗光、電、磁干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)，如果未來(lái)其價(jià)格具有優(yōu)勢，則其將具有更加廣泛的應用前景。
圖7 光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器與接收器
4、結論
在(3)中詳細介紹了幾種到位開(kāi)關(guān)的設置方式及特點(diǎn)：接觸式行程開(kāi)關(guān)由于其需要接觸的特性已經(jīng)逐漸被感應式接近開(kāi)關(guān)所取代，而在用感應式接近開(kāi)關(guān)時(shí)，也需注意克服其缺點(diǎn)，如避免在強磁場(chǎng)中使用，以及將兩開(kāi)關(guān)設置較遠防止互相干擾等。而光電開(kāi)關(guān)雖然擁有眾多優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格較高，考慮其價(jià)格與結果的最優(yōu)性是其使用的一個(gè)重要因素。
