為了提高產(chǎn)能和節(jié)約能源，在工業(yè)生產(chǎn)時(shí)要用到連續(xù)式真空爐。由于工件一直處于爐內(nèi)，因此工件的轉(zhuǎn)移和到位均需要使用傳感器(到位開關(guān))進(jìn)行控制。本文以雙室真空油淬爐為連續(xù)式真空爐的代表性爐型進(jìn)行分析說明，具體介紹了鋼在熱處理冷卻過程中的等溫轉(zhuǎn)變過程，以及傳感器(到位開關(guān))設(shè)置位置與靈敏度的重要性，最后舉例說明幾種開關(guān)的設(shè)置型式及特點(diǎn)比較。

　　鋼在熱處理冷卻過程中會(huì)發(fā)生奧氏體等溫轉(zhuǎn)變。對(duì)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(zhuǎn)移至油淬室進(jìn)行淬火，則鋼很容易發(fā)生等溫轉(zhuǎn)變而不能完全轉(zhuǎn)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(nèi)的工作位置均由傳感器(到位開關(guān))進(jìn)行檢測(cè)，如開關(guān)的設(shè)置型式或使用不當(dāng)，也會(huì)使工件不能及時(shí)淬火，這樣就凸顯了開關(guān)在淬火過程中的重要性。

1、奧氏體鋼的熱處理

　　1.1、鋼在加熱時(shí)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變，有過冷或過熱現(xiàn)象。如圖1，將鋼在加熱時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度分別用Ac1、Ac3和Accm表示，冷卻時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變稱為奧氏體化。奧氏體化后的鋼，以不同的冷卻方式進(jìn)行冷卻轉(zhuǎn)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(duì)臨界轉(zhuǎn)變溫度的影響

　　1.2、奧氏體等溫轉(zhuǎn)變

　　在熱處理中，通常有兩種冷卻方式，即等溫冷卻和連續(xù)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，在不同過冷度下等溫，測(cè)定奧氏體的轉(zhuǎn)變過程;連續(xù)冷卻是在不同冷卻速度過程中測(cè)定奧氏體的轉(zhuǎn)變過程。將這兩個(gè)轉(zhuǎn)變過程繪制成曲線，那么這兩種曲線能正確說明奧氏體的冷卻條件與組織轉(zhuǎn)變間的相互關(guān)系，這是對(duì)鋼材進(jìn)行熱處理的重要依據(jù)。

　　共析鋼在不同過冷度下奧氏體等溫轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)曲線圖是將經(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程中，繪制其轉(zhuǎn)變開始(左邊的一條曲線)到轉(zhuǎn)變終了(右邊的一條曲線) 的時(shí)間關(guān)系曲線圖，也稱TTT(Temperature Time Transformation) 曲線，因其形狀象字母C，所以又稱C 曲線。C 曲線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(wěn)定區(qū)域;A1 以下轉(zhuǎn)變開始線以左的區(qū)域奧氏體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間的孕育期(以轉(zhuǎn)變開始線與縱坐標(biāo)之間的距離來表示)，它將發(fā)生轉(zhuǎn)變。這種在孕育期暫時(shí)存在的、處于不穩(wěn)定狀態(tài)的奧氏體，稱為過冷奧氏體。過冷奧氏體在不同溫度下等溫轉(zhuǎn)變所需的孕育期是不同的，隨轉(zhuǎn)變溫度降低，孕育期先逐漸縮短，然后又逐漸變長，在550℃左右孕育期最短，過冷奧氏體最不穩(wěn)定，它的轉(zhuǎn)變速度最快，這里成為C 曲線的“鼻尖”。過冷奧氏體的穩(wěn)定性取決于相變驅(qū)動(dòng)力和擴(kuò)散這兩個(gè)因素。在“鼻尖”以上，過冷度越小，相變驅(qū)動(dòng)力也越小;在“鼻尖”以下，溫度越低，原子擴(kuò)散越困難，兩者都使奧氏體穩(wěn)定性增加，孕育期增長。

圖2 共析鋼的C 曲線

　　圖中A1 以下，轉(zhuǎn)變終了線以右的區(qū)域?yàn)檗D(zhuǎn)變產(chǎn)物區(qū)，轉(zhuǎn)變開始線與終了線之間為轉(zhuǎn)變區(qū)。Ms 線為馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度，Mf 線為馬氏體轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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)冷卻過程中并不需要都進(jìn)行快速冷卻。關(guān)鍵是在過冷奧氏體最不穩(wěn)定的C 曲線鼻尖附近，即在650～400℃的溫度范圍內(nèi)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?yàn)榇慊鹄鋮s中工件截面的內(nèi)外溫度差會(huì)引起熱應(yīng)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(zhuǎn)變將使工件的體積脹大，如冷卻速度較大，工件截面上的內(nèi)外溫度差將增大，使馬氏體轉(zhuǎn)變不能同時(shí)進(jìn)行而造成相變應(yīng)力。真空技術(shù)網(wǎng)（http://www.healwit.com.cn/）認(rèn)為冷卻速度越大，熱應(yīng)力和相變應(yīng)力越大，鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變過程中便容易引起變形與裂紋。

圖3 鋼的理想淬火冷卻曲線圖4 雙室真空油淬爐結(jié)構(gòu)示意圖

3、幾種傳感器(到位開關(guān))的型式及特點(diǎn)比較

　　3.1、接觸式行程開關(guān)

　　接觸式行程開關(guān)是一種常用的小電流主令電器。利用生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的碰撞使其觸頭動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)接通或分?jǐn)嗫刂齐娐罚�達(dá)到一定的控制目的。通常，這類開關(guān)被用來限制機(jī)械運(yùn)動(dòng)的位置或行程，使運(yùn)動(dòng)機(jī)械按一定位置或行程自動(dòng)停止、反向運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)或自動(dòng)往返運(yùn)動(dòng)等。

　　如圖5，行程開關(guān)設(shè)置于工件位于加熱室與油淬室時(shí)的兩個(gè)工作位置，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)撞柱移動(dòng)至這兩個(gè)位置時(shí)，撞柱觸發(fā)行程開關(guān)產(chǎn)生信號(hào)檢測(cè)工件的運(yùn)行位置。

　　此種方式雖能實(shí)際反映工件位置，但限于開關(guān)本身為機(jī)械結(jié)構(gòu)，故存在響應(yīng)速度低、精度差、反復(fù)撞擊容易損壞及壽命短等缺點(diǎn)，而且開關(guān)置于爐內(nèi)，增加了開關(guān)接線處的密封結(jié)構(gòu)，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 接觸式行程開關(guān)設(shè)置于爐內(nèi)

　　3.2、感應(yīng)式接近開關(guān)

　　感應(yīng)式接近開關(guān)是一種無需與運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行機(jī)械直接接觸而可以操作的位置開關(guān)，當(dāng)物體接近開關(guān)的感應(yīng)面到動(dòng)作距離時(shí)，不需要機(jī)械接觸及施加任何壓力即可使開關(guān)動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)直流電器或給計(jì)算機(jī)裝置提供控制指令。

圖6 感應(yīng)式接近開關(guān)設(shè)置于爐外

　　如圖6，減速機(jī)通過傳動(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(zhuǎn)，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)至接近開關(guān)處，從而使接近開關(guān)產(chǎn)生信號(hào)檢測(cè)工件的運(yùn)行位置。

　　此種方式開關(guān)位于爐外，又置于保護(hù)罩內(nèi)，不會(huì)被油蒸汽及粉塵污染，密封結(jié)構(gòu)少(僅有傳動(dòng)軸一處)，結(jié)構(gòu)緊湊美觀。不足之處在于工件實(shí)際位置通過減速機(jī)傳遞，故輸出信號(hào)與實(shí)際位置有一定偏差;而感應(yīng)式開關(guān)本身也會(huì)受周圍溫度、物體以及開關(guān)之間的相互影響。

　　不過接近開關(guān)由于能克服接觸式行程開關(guān)的缺點(diǎn)，真空技術(shù)網(wǎng)（http://www.healwit.com.cn/）認(rèn)為在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)可以成為接觸式行程開關(guān)的理想替代品。

　　3.3、光電開關(guān)

　　光電開關(guān)(光電傳感器)是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體的有無。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。

　　如圖7，光電開關(guān)發(fā)射器與接收器分置于爐體兩側(cè)，當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)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(hào)檢測(cè)工件的運(yùn)行位置。光電開關(guān)能夠克服接觸式行程開關(guān)及感應(yīng)式接近開關(guān)各自本身的缺點(diǎn)，又具有體積小、功能多、壽命長、精度高、響應(yīng)速度快、檢測(cè)距離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，如果未來其價(jià)格具有優(yōu)勢(shì)，則其將具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

圖7 光電開關(guān)發(fā)射器與接收器

4、結(jié)論

　　在(3)中詳細(xì)介紹了幾種到位開關(guān)的設(shè)置方式及特點(diǎn)：接觸式行程開關(guān)由于其需要接觸的特性已經(jīng)逐漸被感應(yīng)式接近開關(guān)所取代，而在用感應(yīng)式接近開關(guān)時(shí)，也需注意克服其缺點(diǎn)，如避免在強(qiáng)磁場(chǎng)中使用，以及將兩開關(guān)設(shè)置較遠(yuǎn)防止互相干擾等。而光電開關(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(jié)果的最優(yōu)性是其使用的一個(gè)重要因素。