熱處理生產離不開工裝夾具，但各種類型加熱爐用夾具、料盤、料筐、料架等都要隨同工件一起加熱，有時它所帶走的熱量等于或大于工件的熱量，約占總熱量的18%~29%，這無疑增加了熱處理生產成本。

日本統計的各種類型電爐連續運轉時的熱效率如表1所示。從表1中的數據可以看出，井式爐吊具熱能消耗量最大，箱式爐和輸送帶式爐次之，輸送帶式爐的輸送帶很長，加熱后冷卻又重新入爐加熱，無效熱能損失大。而震底式爐的爐底板一直在爐膛做往復運動，因爐內不使用料盤，故沒有這方面損失。因此，盡可能用震底式爐、輥底式爐和網帶爐代替鏈板爐或鑄鏈爐，免除料盤的熱損失，降低成本。
表1? 各種類型電爐連續運轉時的熱效率
????? 爐型
規格與參數
箱式周
期爐
井式
爐
輸送
帶式爐
震底
式爐
正常處理量
/（kg·h-1）
160
（裝爐量
400kg）
220
（裝爐量
400kg）
200
200
電爐功率
/kW
63
90
110
80
實際用電
/kW·h
56
62
78
50
熱效率（%）
39
43
35
54
爐壁散熱（%）
31
23
37
36
夾具料盤余
熱消耗（%）
19
29
18
0
被處理件
熱消耗（%）
39
43
35
54
可控氣氛帶
走熱量（%）
6
4
4
10
其他熱損失
（%）
5
1
4
—
加熱溫度/℃
850
850
850
850
全加熱時間
/min
90
90
40
40
熱處理用料盤、夾具等耐熱構件與工件一起在爐內加熱，隨工件冷卻后，重新裝上工件再次加熱。這是必須付出的能量消耗，但在保證其強度和壽命的前提下，如能最大程度地減輕其重量，就可以減少用于料盤、夾具上的能源消耗，可多裝工件，提高效率，顯著降低能源。從這個角度，采用高級、較昂貴的耐熱合金鋼，甚至金屬間隙化合物材料、碳/碳復合材料、石墨材料使料盤、夾具輕量化還是經濟的。有采用高級合金減輕料盤、夾具重量有節電20%的記錄。

通過精心設計，選用多功能、輕質的工裝夾具，不僅可以減少工裝夾具費用支出，還可以節約加熱用能源，縮短生產周期，特別是批量生產的間歇式爐，整個爐子要經過加熱和冷卻的循環周期，因此爐子熱區工裝夾具的設計對于減少熱量損失是十分重要的，最典型的例子就是真空淬火爐。真空爐用鉬棒代替耐熱鋼可減少2/3的工裝重量，使加熱時間縮短25%。目前已有一些真空爐用碳/碳復合材料、石墨材料代替耐熱鋼制造工裝。

一、減輕工裝夾具重量的途徑
減輕工裝夾具重量的途徑，一是改善結構，二是選用優質材料。在對工裝夾具減重而不縮短壽命的條件下進行輕量化設計與制造，其具體措施與途徑如表2所示。
表2? 工裝夾具的輕量化及其材料優化措施與途徑
序號
措施與途徑
1
采取板狀焊接結構比鑄造結構有利，采取組合結構優于整體結構，并對工裝夾具結構進行充分的力學優化計算
2
設計通用的工裝夾具，避免對不同的工件制備兩三套夾具
3
改進工裝夾具設計，可使很多技術要求相近工件一起裝入工裝夾具同時進行熱處理
4
工裝夾具的設計與制造應有空氣、水、淬火油的進出通道，避免工裝夾具存留淬火油、水等
5
工裝夾具的設計應有利于提高料區溫度的均勻性、爐內氣氛的合理流動
6
當在750℃溫度下，可使用加工狀態的低碳鋼或奧氏體不銹鋼工裝夾具
7
當溫度超過750℃，最常用的兩種耐熱合金（質量分數）分別是37%Ni-18%Cr（最高使用溫度1000℃）和80%Ni-20%Cr（最高使用溫度1280℃）。這兩種合金比不銹鋼有明顯的優勢。熱強性高，高溫抗蠕變性好，熱疲勞性能好，使用壽命長，而且它們還能經受不同的熱處理氣氛（如氧化、滲碳、滲氮等）造成的脆化和其他因素的影響
8
用網帶代替鏈板節能效果顯著
盡量減少熱處理工裝夾具（料盤、料鉤等）在爐外停留的時間或設置防止過度降溫的保護措施，以減少其自爐內帶出的熱量損失。目前，市場上推廣了一種料筐不出爐膛的往返式推桿爐。這些爐子的所有加料、出料都在密封狀態下進行，因此具有減少熱能損耗、節約氣氛等優點。由于密封性好、爐氣穩定、單位面積生產率大大提高，兩排或三排導軌上可進行不同周期的熱處理，爐子加熱區外的機構得以簡化。

日本日立建筑機械廠改進密封箱式爐的料盤結構，減小了重量，從原來每盤裝200個軸類件增加到300件，把以前的3臺爐子一個月開動20天改為2臺爐子每月開動24天，即可節電20%，每月少用電14800kW·h，節約丙烷氣約500kg。

二、優化工裝夾具設計
對各種類型的加熱爐，用在加熱工裝夾具所需的熱能比重為18%~29%。所以減輕工裝夾具重量對提高加熱效率有重要意義。減少重量的途徑之一是改善工裝夾具的結構。采用計算機軟件進行三維、模塊化設計，配以優質工裝夾具（新）材料，使工裝夾具獲得理想的結構與高溫強度，以減少熱量損失，增加裝爐量。用組合式結構取代傳統整體式結構，不僅可通過合理組合滿足多種產品的熱處理生產，而且減少了工裝夾具用量，如圖1所示。

三、Ni3Al金屬間化合物材料的應用
1.Ni3Al材料
美國新型爐內抗滲碳耐熱構件材料——Ni3Al金屬間化合物（IM），其材料成分為添加Cr、Zr、Mo、B的質量分數為8%~11%Al，81%~88%Ni，是一種陶瓷材料，具有出色的熱強性、抗蠕變、抗滲碳能力。

2.應用
可用于制造夾具、料盤、料筐、料架等（見圖2），Ni3Al構件壽命比耐熱鋼高一倍以上。采用Ni3Al構件還可以減少爐子維修次數，縮短工藝周期，提高滲碳溫度，節能效果顯著。

Ni3Al材料作為耐火、絕熱爐襯材料的陶瓷纖維板（塊）已獲得廣泛應用，產生了巨大的節能效果。

例如，汽車動力轉向系統零件的滲碳熱處理采用推桿式滲碳爐，將Ni3Al材料代替HP鑄造合金（質量分數為35%Ni、26%Cr）料盤、支撐座和夾具，雖然比Ni-Cr合金貴1.5~2倍，但壽命要長得多。Ni-Cr合金料盤只能用12~15個月，而Ni3Al料盤使用42個月未損壞。

新材料Ni3Al制造的料盤由于使用壽命的延長和質量的減輕，還可以提高10%的熱處理生產效率，使每臺爐子每年節約1.5~2.0萬美元。

四、碳/碳復合材料及其應用
1.金屬料盤缺陷
由于金屬制作的料盤笨重（如真空滲碳淬火爐用料盤）、熱容量大，導致淬火液溫度升高而降低其冷卻能力，且料盤反復加熱、滲碳淬火使用，其內部也會產生相變，引起組織應力，加上熱疲勞影響，使料盤出現裂紋，使用壽命大大降低。同時，金屬料盤重量大，熱容量大，增加了額外能源。

2.碳/碳復合材料及特點
（1）碳/碳（C/C）復合材料構成。它由兩個主要部分構成，即碳纖維和碳基體（或粘結劑）。碳纖維的碳原子組成的極細的絲，直徑通常僅為0.005~0.01mm。它們交織在一起，具有出色的力學強度、硬度和導熱性。將其封入其中的碳基體能夠均勻地減輕重量和耐受化學作用。

碳/碳復合材料熱容量小，高溫強度大，熱變形可忽略不計，凈重/皮重比對于料架的制作非常合適，能夠加快升溫和冷卻速度，增大承載部件的能力，減輕部件的變形。碳/碳復合材料還具有出色的抗熱疲勞性能，裂紋擴展情況大幅度減少。

（2）碳/碳復合材料特點。由于該材料具有耐高溫、抗燒蝕、重量輕、耐磨、抗腐蝕等特點。料架和爐內部件使用碳/碳復合材料制造，可提高工藝溫度、增大裝料量，提高生產能力，節約能源，降低總成本。

3.用碳/碳復合制作真空爐滲碳淬火料盤的特點
特點見表3。
表3? 用碳/碳復合制作真空爐滲碳淬火料盤的特點
序號
特點
1
用碳繩編織成網格狀結構，然后用化學氣相滲工藝制成碳/碳材料，它具有重量輕、透氣性好、抗燒蝕、抗腐蝕、耐磨損、高溫強度大、承載能力強、不變形、保證工件尺寸穩定等特點
2
料盤重量輕，蓄熱量小，對淬火液溫度影響不大，保證了淬火液的冷卻能力。同時，大大減輕勞動強度
3
料盤熱容量小，升溫快，降溫快，大大縮短工藝周期
4
碳/碳材料沒有組織轉變，在急冷急熱過程中不會因相變應力而變形，料盤壽命長
5
無污染，無任何氣體放出
6
產品性價比優于金屬材料制造的料盤
4.國內外碳/碳復合材料的應用
（1）美國使用碳/碳復合材料代替耐熱鋼制作料架，不僅減輕了料架的重量，而且降低了能耗。料架和柵格的常用制作方法包括結構組合（見圖3）和壓接（見圖4）。碳/碳材料和合金料筐或絲網混合使用也常見。

測試用真空高壓氣淬爐，爐子的有效工作空間為1270mm（長）×915mm（寬）×915mm（高），碳/碳料架組件（見圖4）和合金料架組件（見圖5）的總重量分別為275kg和572kg。

使用碳/碳料架時，爐料達到規定溫度（857℃）的時間比使用合金料架縮短了35min；冷卻速度快10min（冷卻到65℃）。

表4為合金料架和碳/碳料架電耗和成本的比較。使用碳/碳料架因節省用電而使用電成本降低1.33美元；若真空爐成本以每小時187美元計算，則因縮短生產時間（節省總周期時間45min）而使每爐次節省了140美元。
表4? 合金料架和碳/碳料架電耗和成本的比較
材料
電耗/kW
成本/美元
加熱
均熱
合計
碳/碳
101
50
151
10.57
合金
123
47
170
11.90
??????????????????????? 注：電價為0.07美元/kW·h。
（2）德國西格里碳素集團（SGL? CARBON GROUP）西格里特種石墨（上海）有限公司使用碳/碳復合材料代替耐熱鋼制作料架，不僅減輕了料架的重量，節省了能源消耗，而且提高了使用壽命。圖7為用碳/碳復合材料代替耐熱鋼制作的真空爐料架。

（3）中國科學院金屬研究所生產的碳/碳材料制真空滲碳淬火爐用料盤（見圖7）已用于生產，因其重量輕，節省了額外能源消耗。

5.用碳/碳復合材料代替耐熱鋼制造真空釬焊爐料盤減輕重量方法
中國科學院金屬研究所生產900mm（長）×650mm（寬），厚度10~30mm范圍內的各種碳/碳材料制真空釬焊爐用料架，已經大量用于生產，因其重量輕，減少了額外能源消耗。其特點如表5所示。
表5? 用碳/碳復合材料代替耐熱鋼制造真空釬焊爐料盤的特點
序號
特點
1
強度高、性能穩定，經1200℃長時間反復使用料盤不變形，保證了釬焊產品形狀穩定，提高了產品質量
2
料盤使用壽命達兩年以上不用更換，產品性能價格比遠優于目前所用的一切金屬材料
3
料盤重量輕，每塊料盤重量僅4kg左右，操作十分方便，大大減輕勞動強度
4
料盤熱容量小，升溫快，降溫快，隨爐溫變化不滯后，大大縮短工藝周期，節省了能源，便于自動控制，提高了生產率
5
無污染，無任何氣體放出，提高了處理產品的質量
6
料盤尺寸可根據用戶需求訂做
五、石墨材料及其應用
在高溫下（1200℃）使用合金材料制作的真空爐用工裝夾具，其使用壽命較短。石墨材料具有耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、高溫強度大的等特點，對此可采用石墨材料制造。例如，使用易普森真空爐（工作區尺寸：1200mm × 1200mm × 1800mm）在高溫下進行蝸輪葉片固溶、退火處理時，設計、制造一種組合式結構石墨材料真空爐料盤（見圖9），每層可放置200個葉片，共有5層，各層間距100mm，共可放置1000個葉片，不僅增加了產量，而且獲得了理想的使用壽命。

六、鉬棒材料及其應用
?鉬棒是用鉬金屬制成的棒狀產品，鉬棒在高溫下，具有耐高溫氧化、高溫強度好、耐腐蝕、熱傳導率大、熱膨脹系數小等優點。美國TRW公司，在真空熱處理時的工件（噴氣式發動機葉片，單件重量56kg）和料盤的重量比，經改進后達到 300%。該廠過去用耐熱鋼制作的真空爐用料盤和立柱共重630kg，改用鉬棒制造后僅重225kg，重量減輕60%以上，使整盤料的加熱時間由8h減為6h。料盤使用壽命較耐熱鋼顯著提高。