CN1024144C - 氮化炉装置 - Google Patents

Abstract

本发明用一个可开闭的中心墙将炉子分成两部分，即一个预处理室和一个氮化室。当欲加以处理的工件在预处理室中经过预处理后，打开可开闭的中心墙，将经预处理的工件移入氮化室进行氮化。和工件在仅有一个氮化室的炉子中经过预处理后进行氮化相比，能大量节约处理用的气体。

Description

本发明涉及一种在钢材表面形成氮化层的氮化炉装置。

在钢材表面形成氮化层的技术，被广泛应用于增加钢材的表面硬度，以提高性能，例如提高其耐磨性。这种氮化的过程如下。经过预处理去除钝化了的表层，例如氧化层，以暴露出纯净的新鲜表面，在这种状态下，纯净的表面与含氮的气体，例如氨气接触，以渗透和扩散到钢的内部。对钢材，特别是对含有大量铬的钢材表面进行预处理，通常采用氢氟酸和硝酸混合剂，以获得纯净的钢表面。

然而，要去除不锈钢特别是奥氏体不锈钢表面顽固的钝化表层，即使采用氢氟酸和硝酸混合剂来净化，仍是很困难的，而且，纵然已经去除了钝化的表层，它也很可能在到达氮化的温度前被再度钝化。由于这个原因，在常规的氮化过程中仍留有钝化的表层，所以实际上不可能在钢材表面形成均匀的厚度足够的氮化层。必须作出改进。

本发明的发明者们在反复地研究了预处理中的核心问题后认识到，氮化前的预处理对氮化状态的影响很大。他们发现，将钢材放置于氟化气体的气氛中是相当有效的，所用的氟化气体是至少有一种放在惰性气体如N₂中的含氟气体，含氟气体从NF₃、BF₃、CF₄、HF、SF₆和F₂中选择。这样，当钢材被放置于上述气氛中加热时，在上述氟化气体中活化的F原子作用下，钢表面的钝化层转变成氟化层。这个氟化层被H₂、NH₃或少量的水所分解，露出了处于裸露状态的钢表面。由于裸露状态下的金属表面是纯净和活化的，所以氮化时N原子易于从钢的表面渗透或扩散到钢材内部。本发明人已经在日本提出了题为“钢的氮化方法”的专利申请，其日本专利申请号为NO.1177660。实施这种钢的氮化方法，要使用一种热处理炉，如图3所示，炉的内部有一个腔室。放在金属容器2中的钢材（图中未表示）装入上述热处理炉1中，并通过电加热器3将其加热到300℃～400℃。通过进气管4将在N₂气中含有NF₃的氟化气体输入炉1内。对钢材进行预处理。预处理完成后，将上述氟化气体经排气管5 排出，并释放到外面，然后，给加热器3通电加载，将钢材温度提高到400℃～600℃。在这种状态下，将混合气体（例如50%的NH₃，10%的CO₂，少量CO、少量H₂，其余为少量N₂）通过进气管4输入炉1以氮化钢材。这时，钢表面形成的氟化层被由H₂、NH₃等组成的上述混合气体破坏，暴露出金属的表面，NH₃中的N原子作用在已露出的金属活化表面上，并在钢材表面形成了一个均匀和厚的氮化层。但是，由于在这种结构的热处理炉1中，预处理和氮化在同一个炉内进行，因此带来了一些问题。在上述预处理过程中，氟化气体输入此炉1中。在氟化气体中为有效成分的NF₃，不仅作用在钢材表面，而且也作用在热处理炉1的内壁面上，并形成了氟化层。所形成的这一氟化层，在随后的氮化过程中被分解和去除，如同在钢材表面所进行的那样。因此，用于覆盖热处理炉1内壁面的NF₃将白白地浪费掉，因而是不经济的。从炉1的内壁分解和去除的氟化层，与用在氮化过程中的氨起化学反应最终形成NH₄F，并被排到外面去，不仅在钢表面的氟化层，而且在炉1内壁的氟化层，都将转化成NH₄F而被排出。因此，带来了这样一个问题，即热处理炉1的排气管5很容易被过多的NH₄F所 充满，并由于产生和NH₄F量太大而造成堵塞。还有，在上述氮化过程后必须在炉1内冷却氮化了的钢材，但这样做便会带来另一个问题，即由于整个炉子被氮化过程中所需要的热量所加热，所以钢材温度不容易降低，冷却它需要四个小时以上。在图3中，标号6表示绝热墙，标号7表示可开闭的门，8指鼓风机，9指机架，10是机架支柱，11是炉体支柱，12为真空泵，13是排气处理装置。

本发明的目的是提供一种氮化炉装置，它可以减少和节省预处理过程中所需的氮化气体量，与此同时，不会发生由于炉子内壁所构成的氮化层分解形成NH₄F等产物堵塞排气管的情况，而且氮化后的钢材能得到迅速的冷却。

为达到上述目的，本发明提供了一种氮化炉装置，它有一个炉体，一个设在炉体内的加热装置，一根处理气体进气管和一根处理气体排气管，这种氮化炉装置的特点是，它还有一个可开闭的中心墙，用以将炉子内部一分为二，即一个氟化处理室和一个氮化室，此外还有一个支托被处理工件的支承架，它被设计成可在上述两个腔室之间移动。

也就是说，在这种氮化炉装置中，炉体被分为两部分：一个氟化处理室和一个氮化室。上面所说的氟化处理是在氟化处理室中进行的。因此，输入氟化处理室中的氟化气体有效成份NF₃，不仅在钢制工件表面而且也在氟化处理室的壁面起作用。尽管如此，由于氟 化层在氟化处理室中不再分解和去除，所以在第一次氟化处理过程中附着于壁面的氟化层将一直保持其原有状态。于是，在下一个氟化处理过程中，几乎不能在氟化处理室的壁上形成新的氟化层，而NF₃仅仅作用在要加以处理的钢材表面上，以便将其上的钝化表层转化为氟化层。其结果是，NF₃实际上只是消耗于与钢表面起作用，因此所需的氟化气体量大为减少。此外，由于第一次氟化处理过程中在氟化处理室壁面所形成的氟化层不再象上面所提到过的那样会被去除，因此，也就不会发生由壁面上的氟化层产生的NH₄F堵塞排气管的问题。接着，打开中心墙，将在氟化处理室中经过氟化处理的钢材送入氮化室，并闭中心墙后进行氮化。由于在氮化过程中氟化处理室未被加热，所以它本来就是冷的。通过打开和关闭中心墙，将氮化后的钢材重新送回到氟化处理室，并在那里进行冷却。由于氟化处理室处于冷态，那里的温度比氮化室的温度要低得多，所以在这种情况下可以缩短冷却时间。

图1表示按照本发明的一种实施例横剖面图，

图2表示本发明另一种实施例的横剖面图，以及

图3表示作为本发明基础的一种氟化处理炉横剖面图。

下面说明这些实施例。

图1表示了本发明的一种实施例，在此图中，标号21指的是有绝热墙的炉体，炉体内部由可开闭的中心墙22分隔成左室23和右室24两部分。中心墙22用来在封气和绝热的条件下分隔两个室 23、24。为了打开和关闭中心墙22，在图中中心墙22上下滑动。标号23表示氟化处理室，24表示氮化室。机架25用来在氟化处理室23和氮化室24中支托一个放置钢制工件的网状金属筐2。机架25上有一对左右轨道，网状金属筐2可在这些轨道上滑行，以进入氟化处理室23和氮化室24。标号26是指进气管，它将氟化气体输入氟化处理室23，标号27表示温度测量传感器。氟化处理室23的正面开口用一个可横向开闭的门打开或关闭。标号28是指将氮化气体输入氮化室24的氮化气体进气管。其余的部分和图3中的一样，因此用相同的标号来表示同样的部分。

在这种结构中，氮化室24内部的温度增加到400℃-600℃，并在这种状态下，将装在网状金属筐2中的钢材置入此室中，可开闭的中心墙22被关闭，钢材保持在此室中，直至其温度达到300℃-400℃。然后将中心墙22打开，装有钢制工件的网状金属筐2被移送到氟化处理室23，在这种状态下向氟化处理室23输入氟化气体进行处理15-20分钟。在氮化前真空泵12应将氟化处理室23中含有的O₂和H₂O排出;进行氮化时，要适当保持室23内的压力。氟化处理过程全部结束后，氟化处理室23中的气体被排出，然后打开中心墙22，装有钢制工件的网状金属筐2被移入温度为400℃-600℃的氮化室24中，并关闭墙22。下一步，将NH₃、N₂、H₂、CO和CO₂混合气组成的氮化气体输入氮化室24，进行四至五个小时的氮化。然后，室内的温度降到350℃-450℃。在这种状态下，通过H₂和 N₂混合气流或N₂、H₂和CO混合气流对钢材进行表面净化。当氮化室24中的气体被排出去以后，打开中心墙22，装有钢制工件的网状金属筐2置入氟化处理室23，此时关闭中心墙，使钢制工件在室23内冷却。在这种状况下，冷却是通过由进气管26将氮化气体流入氟化处理室23来实施的。因此，经过这样处理的钢材表面，形成了一个均匀和厚的氮化层。

图2所示的是本发明的另一个实施例。在这种实施例中，在氟化处理室23中也设有一个加热器3，并为氮化室24设置了一个后盖6′，它被设计成象氟化处理室23的门那样横向开启。除了上面提到的以外，其它部分实际上与第一种实施例中的相同。与第一种实施例相同或相应的部分，均用相同的标号来表示。

采用上述结构，钢材可在氟化处理室23中加热到能够在那里面对钢材进行氟化处理的程度。氟化处理后，钢材在氮化室24中进行氮化。成品钢材经横向开启式的后盖6′送出室24外。因此，可以在同一时间内在氟化处理室23中进行氟化处理和在氮化室中进行氮化，从而可以实现连续操作。

在第二种实施例中，可以在氮化室24的底部设置一个可开闭的门，门的下面可以设置一个油冷槽，以便在氮化之后，钢制工件能立即在此油冷槽中冷却。

如上所述，在按照本发明的氮化炉装置中，炉体被分成氟化处理室和氮化室两部分。用氟化气体来进行的氟化处理在氟化处理室 中进行，氮化过程则在氮化室中进行。这样，在第一次处理时附着在氟化处理室壁面上的氟化层，因为没有被分解和去除而保持原状，所以在下一次的处理过程中，氟化气体不再吸附于壁面，而只吸附于钢件的表面。其结果是，减少和节省了大量氟化气体消耗量。由于被排出的气体，例如由氟化层分解而产生的NH₄F，仅来自钢材表面的氟化层，所以排气管被大量NH₄F堵塞的现象不再发生。此外，由于可以将在氮化室中完成了氮化过程的钢材送入由可开闭的中心墙隔开的、其温度比氮化室为低的氟化处理室中进行冷却，所以可以节省冷却时间，并因而缩短了氮化时间。在将结构设计成钢材能直接从氮化室取出的情况下，可以进行连续操作，并还能适应于那种需强迫冷却，如油冷的钢材。

Claims (2)

1、一种氮化炉装置，它有一个炉体，一个设置在炉体内的加热装置，一些处理气体的进气管和处理气体的排气管，其特征是，该装置中还设有一个可开闭的，将炉体内部一分为二的中心墙；即分成一个在氮化前用氟化气体在加热状态下将钢表面的印化层转变成氟化层以及在氮化后冷却钢材的氟化处理室(23)，和一个氮化经氟化处理后的钢材的氮化室(24)；并设有一个支托被处理工件的支承机架，此机架被设计成可在上述两个腔室之间移动；上述氟化处理室(23)包括一个设置在该室顶部，在钢材氟化时将氟化气体输入该室(23)的并且在经氮化后的钢材进行冷却期间将氮化气体输入该室(23)的进气管(26)，在一侧的门(7)以及上述氮化室(24)包括一个设置在该室(24)顶部并将氮化气体输入该室(24)的氮化气体进气管(28)；以及设有在两个室(23，24)底部分别安装的，与真空泵(12)连接的排气管(5)。

2、按照权利要求1所述的氮化炉装置，其特征为，该装置中的加热装置被分别设置在氮化室氟化处理室中。

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