CN101565809B - 井式气体渗碳炉及工装工艺的改进 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种井式气体渗碳炉及工装工艺的改进。它是通过对传统井式气体渗碳炉的改造，将挡风板放置到料筐上，增大风扇和挡风板之间的距离。在以煤油、甲醇为渗剂对20Cr或20CrMnTi材质的工件进行渗碳时其渗碳工艺调整为强渗和扩散阶段的加热温度分别为930±10℃和900±10℃，强渗阶段渗碳剂的滴入量为煤油10.3±0.2ml/m 3/min、甲醇3.4±0.2ml/m 3/min，炉内碳势为1.05±0.05％；扩散阶段的煤油8.0±0.2ml/m 3/min、甲醇4.6±0.2ml/m 3/min，炉内碳势为0.95±0.05％；渗碳过程中炉内压力为1.0～1.5KPa。本发明利用传统设备就能够提高渗碳速度、节约渗碳时间、改善产品质量，渗剂被充分分解、吸收，在渗碳过程炉内几乎不产生炭黑，在渗碳层深度为0.9-1.25mm范围时效果最佳。
Description
技术领域
本发明涉及一种井式气体渗碳炉的改进，包括对在井式渗碳炉中使用的渗碳工装的改进和工艺的改进。
背景技术
传统的井式气体渗碳炉是上世纪六七十年代使用的主要渗碳设备，目前虽然有许多如连续渗碳炉、多用炉、真空渗碳炉等新设备，但井式渗碳炉在工厂还是被大量应用。它包括控温装置、带有加热元件的炉体，在炉体内设置有炉罐，炉罐上部有炉盖，炉盖上面安装有电机，电机与位于炉盖下面的风扇相连，工作时炉盖盖在炉罐上并密封，风扇在炉罐内旋转起到搅拌炉内气氛强制炉内气氛循环的作用。传统的井式气体渗碳炉的风扇下面设置有吊挂在炉盖下面的挡风板，炉内气氛的均匀循环由挡风板来保证，风扇吹出的气流沿挡风板流向四周炉罐内壁处，使气流在炉罐和料筐壁之间向下流动到炉罐底部，而风扇中心区域形成负压区，使到达炉罐底部的气流沿炉罐中心返回，这样可以防止气流直接吹到料筐及料筐内的工件上，造成炉内气氛有循环不到的地方，或者直接从料筐上方返回循环。
渗碳时，需要渗碳的工件是摆放在料筐内，工作过程中风扇旋转时风扇中心区域会形成负压区，渗碳气流会在炉罐和料筐壁之间向下流入底座的下部，然后从底座底部的透气孔、料筐底部的间隙向上流入料筐，与工件充分接触，然后再被吸入风扇负压区，重新进行新一轮循环。循环过程中炉内不应留有任何渗碳气氛流通不到的死角。
渗碳时不断向炉罐内滴入的煤油、丙酮、甲醇等渗剂，渗剂在高温下分解后随风扇搅拌的循环气流在炉内循环，循环气流不断将活性渗碳气氛带给工件并吸附在工件表面被工件所吸收，同时将停滞在工件表面上非活性气体层带走，以实现工件的渗碳过程。
炉内气流在风扇作用下强制循环，由于风扇和安装在炉盖下面的挡风板之间距离受设备的限制而十分狭小，气流在循环过程受阻，部分受阻气流沿挡风板边缘直接从进入料筐上方，在料筐和挡风板之间循环，另外还有一些受阻气流从料筐内部向下重新返回进入料筐，这部分气流和强制循环气流方向相反，会消弱强制循环的气流，其气流运动方向可参见附图2。这样料筐内四周部位与中间部位的气流循环速度不一致，使得炉内出现了气氛不均匀现象。
在井式渗碳炉中渗碳的过程一般分为排气阶段、强渗阶段和扩散阶段。在排气阶段，由于气流循环不均匀，在料筐内部四周部位强制气流相对较弱，这里的氧化性气氛不能被迅速排除出炉罐外，造成该部位工件表面产生氧化现象，氧化皮的存在会影响工件的渗碳速度，甚至使该部位的工件出现没有渗碳层的现象。很多工件部分表面渗碳后不再加工，氧化皮的存在会影响产品质量。
在渗碳阶段，由于气流循环不均匀，不同部位的工件所接触的渗碳气氛的浓度和碳势的不同，直接导致渗速不同，结果是同一渗碳炉生产出的工件的渗碳层、表面碳浓度有差异，甚至同一工件的不同部位渗碳层也不一致。为了保证渗碳速度缓慢部位工件渗碳层合格，必须要延长渗碳时间，而其它活性碳原子浓度高的区域的工件会产生粗大的碳化物组织甚至渗碳层深度超差。
围绕渗碳周期时间长，生产效率低下这一现象，人们长时间以来进行了广泛的研究，提出了许多提高渗碳速度的方法如：提高炉内碳势、提高渗碳温度、渗剂中增加催渗剂、增大炉内压力等方法。这些对于传统的井式渗碳炉来说，由于炉内气氛不均匀，这些提高工件的渗碳速度的方法所取得的效果并不十分明显。
由于炉内气氛的不均匀，活性气氛高的部位活性碳原子不能完全被工件吸收，碳浓度高部位的活性碳原子会部分形成炭黑覆盖在工件表面，严重阻碍工件对活性碳原子的吸收，从而影响渗碳速度，造成渗碳周期时间延长，生产效率低，造成电能浪费；还有部分活性碳原子随废气排除炉外，造成渗剂浪费。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种对传统井式渗碳炉的改进方案及对井式渗碳炉所使用的工装的改进方案，并结合此改进而提供一种合适的渗碳工艺，从而提高传统井式渗碳炉的渗碳速度，节约渗碳时间，改善产品质量。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种井式渗碳炉，包括在炉体内设置的炉罐、炉罐上部的炉盖、安装在炉盖下面的与电机相连的风扇、安装在炉盖上面的排气管、风扇下面的挡风板，挡风板与炉盖为分离设置，挡风板独立设置在盛放工件的料筐的上面，并将原有炉盖上吊装的挡风板拆除；排气管上面安装有压力调节阀及测定炉内压力的压力计，压力计可以是U型水柱压力计。通过调节压力阀来增大或者减小炉内压力，U型压力计实现压力显示。
料筐为与井式渗碳炉的炉罐的内壁相应的筒式结构，料筐壁的外侧设置吊装用的挂钩，料筐的底部为带通风孔的隔栅，隔栅与料筐活动配合连接；需渗碳的工件装在料筐内，料筐壁相当于导风循环筒，挡风板放置在料筐上。挡风板的中心带有通风孔，挡风板的通风孔的大小与风扇形成的负压区对应，料筐边缘设置有卡爪，挡风板的外径及卡爪与料筐的外径配合，挡风板扣放在料筐上。
一种适用于上述井式渗碳炉及工装的渗碳工艺，所用设备为经过上述方法改造的设备，所用工装为上述结构的料筐，所用渗剂为煤油、甲醇，强渗阶段的加热温度为930±10℃，炉内碳势为1.05±0.05％，渗碳剂的滴入量为煤油10.3±0.2ml/m3/min、甲醇3.4±0.2ml/m3/min；扩散阶段的温度为900±10℃，炉内碳势为0.95±0.05％，渗碳剂的滴入量为煤油8.0±0.2ml/m3/min、甲醇4.6±0.2ml/m3/min；强渗阶段和扩散阶段的整个渗碳过程中炉内压力为1.0～1.5Kpa，本工艺适用的材料为20Cr或20CrMnTi。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得的技术进步在于：
本发明对传统的井式渗碳炉及在渗碳炉内的工装进行改造后，再结合实际情况对渗碳工艺进行调整，使渗碳速度大大提高，渗碳时间缩短，如同样达到渗碳层深度1.10mm，传统渗碳方法所需的渗碳时间为517min，而采用本发明的方法则只需340min。因此本发明的方法比传统方法节约渗碳时间34.2％，生产效率提高34.2％，直接节电34.2％、渗剂约44.2％。
尤其是发明所得到的产品质量及产品质量的一致性大大提高，例如使用本发明的设备和方法，碳化物级别完全能够控制到小于1级以内(而原来的设备一般都在2、3级之间)，碳化物级别散差为0级(而原来的设备一般都在2级左右)，同炉不同部位的工件的碳化物级别几乎没有差别；同炉不同部位工件的渗层深度的差别只有0.05mm(原来的设备的同炉内工件的渗碳层散差为0.2mm)，渗碳层散差减小75％；同一炉内工件表面碳浓度散差为0.03％(而原来的碳浓度散差为0.063-0.065％)，减小54％。而其它渗碳层的指标如过渡区深度、表层碳浓度、马氏体级别、淬火后表面硬度完全能够达到传统的方法的要求。
挡风板加装在料筐上面，增大了风扇和挡风板之间气流的流通空间，由于挡风板直接盖在料筐上，风扇吹出的气流不会直接进入挡风板和料筐之间，渗碳时炉内气氛在旋转风扇的作用下到达炉罐内壁处并从料筐外壁和炉罐之间向下流动，当炉气到达炉罐底部时改变方向，透过底座的透气孔、料筐通气孔、工件间隙流向风扇下面形成的负压区，在循环风扇的作用下重新循环。在循环过程中，被挡风板挡住的气流，改变流动方向，流向负压区。通过旋转风扇、料筐壁和挡风板导向作用，实现了炉内气氛的均匀循环。
排气阶段不断滴入炉膛内的甲醇在炉内分解，均匀循环的气流能够迅速将甲醇裂解气氛输送到炉内各个部位并将氧化性气氛排出炉膛，因此使排气过程工件不产生氧化。
渗碳过程分为渗剂的分解、吸收和扩散三个过程。在渗碳阶段滴入炉膛内的渗剂(煤油、甲醇)在滴注孔下方迅速分解成活性气体，并被风扇迅速搅拌均匀，随循环气流输送到炉罐的各个部位，只有循环气流通畅，才不会使渗碳气氛停滞聚集在某个部位而形成积炭；均匀循环的气流还有利于煤油的充分分解，炉内压力的增大有利于活性C的析出，而活性C析出是消耗CO、CH4的过程，CO、CH4的减少则有利于煤油的裂解，同样，煤油裂解越充分，越不容易形成炭黑。
料筐挡风板的安装使炉内各区域气流循环均匀一致，一方面给炉内各处工件均匀输送活性碳原子，保证气膜层表面的活性碳原子的吸附量；另一方面将工件表面气膜层的废气CO2、H2、H2O均匀带走；根据兰格缪尔吸附理论--炉内压力的增加加速了炉内气体循环，提高气膜层表面的活性C的吸附量；同时压力的增加促进中间气膜层的破裂，减小气膜层对活性碳原子的阻力，使活性C能够被充分吸附到工件表面，增加了活性C进入工件金属内部的几率。由于工件表面所吸附的C数量的增加，提高了工件表面活性C的浓度，从而使工件表面和工件内部碳浓度梯度增加；根据菲克第一定律--扩散速度与浓度梯度成正比，工件表面和工件内部碳浓度梯度的增加促进了活性C在工件内的扩散；在温度、材料一定的情况下，当增大压力时，炉内气体的密集程度增大，碰撞工件表面的C的数量增加，作用在工件表面的压强增大，从而加速了C在工件内的扩散速度。
挡风板上的卡爪是为了防止挡风板在装炉出炉过程中移动，或者在渗碳过程中被风扇吹动。挂钩设置在料筐的外圆上，不但方便吊装，而且有利于料筐的上下面配合，可以将料筐重叠放置，增加料筐在渗碳炉中渗碳时的稳定性和密封性。筐底部的隔栅与料筐活动连接，便于更换隔栅。
附图说明
图1是本发明的设备及工装的结构示意图及炉内气流的循环示意图；
图2是原有设备、工装及炉内气流循环的示意图；
图3是图1中的挡风板的仰视图。
其中：1、电机，2、风扇，3、压力调节阀，4、炉盖，5、压力计接口，6、挡风板，7、料筐，8、循环气流，9、隔栅，10、炉罐，11、底座，12、反向气流，13、通风孔，14、卡爪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种井式渗碳炉，包括炉体和在炉体内壁上设置的加热元件，还包括配电柜等温度控制装置。在炉体内设置有炉罐10，在炉罐10的上部有炉盖4，在炉盖4上面安装有电机1，在炉盖下面安装有与电机1相连的风扇2，风扇下面不再设置与炉盖连接的挡风板；在炉盖4上还安装有排气管和滴入渗碳剂的滴注器，排气管上安装有压力调节阀3，在压力调节阀3下面的排气管上还设置有连接压力计的压力计接口5，此处的压力计为U型水柱压力计，用来显示炉罐10内的压力。
在炉罐10内底部放置有底座11，在底座11的上面摞放三层料筐7，每个料筐7内盛放需渗碳的工件。料筐7为圆筒状，每个料筐7的底部设置有隔栅9，隔栅9与料筐壁活动连接，隔栅9上设置有通风孔。在最上层料筐7的顶部放置有挡风板6，挡风板6的中心带有通风孔13，边缘设置有卡爪14，挡风板6的外径及卡爪14与料筐7的外径配合，挡风板扣放在最上层的料筐上；料筐7的外壁上设置吊装料筐用的挂钩。
井式渗碳炉及其工装经过上述方法改造后，用煤油、甲醇对材料为20CrMnTi或者20Cr的工件渗碳时其渗碳工艺再做如下调整：强渗温度为930±10℃，炉内碳势为1.05±0.05％，煤油滴入量为10.3ml/m3/min、甲醇为3.4ml/m3/min；扩散温度为900±10℃，碳势为0.95±0.05％，煤油滴入量为8.0ml/m3/min，甲醇为4.6ml/m3/min。渗碳过程中炉内压力为1.0～1.5Kpa。
下面结合生产实例对本发明做进一步详细描述。
本生产实例所用的设备为RJ-9-9井式气体渗碳炉，其炉膛尺寸约为Φ780mm×1470mm，容积约为0.7m3设备和工装都按照上述结构进行改进，即将原炉盖下面的挡风板拆掉，在原排气管上安装上压力调节阀及压力计接口，压力计接口与U型压力计连接；所用的工装90KW料筐，料筐为圆筒状，其外径尺寸与炉罐内径相应，料筐的底部设置有隔栅，隔栅与料筐壁活动连接，隔栅上设置有通风孔，炉罐内摞装3只料筐，在最上层料筐的顶部扣放有挡风板。实例中所需渗碳的工件为活塞销，其材质为20CrMnTi，技术要求为渗碳层深度1.05～1.20mm，其中过渡区为50％～70％，表面硬度≥62HRC，表面碳浓度为0.8％～1.1％，马氏体级别不大于4级，碳化物级别不大于2级；所用的渗剂为煤油、甲醇。其渗碳工艺为：
一、空炉升温，到900℃装炉，并升温、排气，所需时间为40～60min，此时的渗剂滴入量为甲醇150滴，煤油关闭，压力调节阀完全打开；
二、强渗阶段，加热温度为930±10℃，炉内碳势为1.05±0.05％，渗碳剂的滴入量为煤油滴入量为7.2ml/min，甲醇为2.4ml/min，调整压力调节阀，使炉罐内的压力为1.0～1.5KPa，强渗时间为250分钟；
三、扩散阶段，加热温度为900±10℃，炉内碳势为0.95±0.05％，渗碳剂的滴入量为煤油5.6ml/min、甲醇3.2ml/min，调整压力调节阀，炉罐内的压力为1.0～1.5Kpa，扩散时间约为90分钟；
四、冷却，取随炉试样，并观察渗碳层深度达到1.10mm时，出炉并在淬火油中冷却。
为了确定本发明的效果，我们还进行了两组对比试验，其中方法1是传统的渗碳设备及方法，即渗碳炉的挡风板连接在对应风扇的炉盖的下面，排气管上不安装压力调节阀和压力计，属于自然压力状态，所用工装为料筐，但料筐上面不加设挡风板；方法2所用的设备与方法1相比只是在排气管上增加了压力调节阀和U型压力计；方法3是本发明所述的方法。三种方法的渗剂滴量、炉压及渗碳时间等主要工艺参数列于表1(三种渗碳方法均采用送检炉前样来确定出炉时间)，三种方法所用的材料、工件及技术要求等指标均相同。三种方法均采用九点试样法分别检测炉内不同部位渗碳渗层深度、过渡区深度、同一炉内渗碳层散差、渗碳层表面碳浓度、碳浓度散差及用相同的淬火参数对九点试样进行淬回火，并检测试样所获得的马氏体级别、碳化物级别、表面硬度等。
三种方法的生产检测结果列于表2。
通过表1的渗碳时间栏的数据可知，要达到同样的渗碳层深度，方法2比方法1节约渗碳时间10.2％；方法3比方法1节约渗碳时间34.2％；方法3比方法1、2节省煤油44.2％。
表1三种方法的工艺参数对比表
表2按上述各方法加工结果对比表
从表2结果可以看出获得同样的渗碳层深度，用方法1、2同炉内的渗碳层散差为0.2；碳浓度散差为0.063-0.065％；碳化物级别散差为2，而用方法3渗碳，同炉内渗碳层散差为0.05；碳浓度散差为0.03％；碳化物级别散差为0；从表中马氏体级别和表面硬度对比结果看，三种渗碳方法无明显差别。通过对比我们发现用方法3渗碳所获得的产品质量明显优于方法1、2。
Claims (3)
1.一种井式渗碳炉，包括在炉体内设置的炉罐、炉罐上部的炉盖、安装在炉盖下面的与电机相连的风扇、安装在炉盖上面的排气管、放置于炉罐内的料筐、挡风板，其特征在于：排气管上面安装有压力调节阀及测定炉内压力的压力计；料筐为与井式渗碳炉的炉罐的内壁相应的筒式结构，料筐的底部为带通风孔的隔栅；挡风板与炉盖分离设置在料筐的上面，挡风板的边缘设置有卡爪，中心带有通风孔，挡风板的通风孔的大小与风扇形成的负压区对应，挡风板的外径及卡爪与料筐的外径配合，挡风板扣放在最上层料筐上面。
2.根据权利要求1所述的井式渗碳炉，其特征在于：所述料筐底部的隔栅与料筐活动配合连接；料筐的外圆上设置有吊装料筐用的挂钩。
3.利用权利要求1所述的一种井式渗碳炉的渗碳工艺，在对20Cr或20CrMnTi材质的工件进行渗碳时其渗碳工艺主要包括以煤油、甲醇为渗剂，强渗阶段的加热温度为930±10℃，扩散阶段的温度为900±10℃，其特征在于：强渗阶段渗碳剂的滴入量为煤油10.3±0.2ml/m3/min、甲醇3.4±0.2ml/m3/min，炉内碳势为1.05±0.05％；扩散阶段渗碳剂的滴入量为煤油8.0±0.2ml/m3/min、甲醇4.6±0.2ml/m3/min，炉内碳势为0.95±0.05％；强渗阶段和扩散阶段的整个渗碳过程中炉内压力为1.0～1.5Kpa。
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Assignee: Shijiazhuang Xu Xu Power Technology Co., Ltd. Assignor: Jingang IC Enging Part Group Co., Ltd., Shijiazhuang Contract record no.: 2013130000022 Date of cancellation: 20140115 |
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Granted publication date: 20110601 Termination date: 20170609 |