CN103334078B - 离子氮化炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种渗氮设备，具体涉及一种离子氮化炉，属于热处理技术领域。其包括炉体、炉底盘、冷却装置和进气抽气系统，炉体与炉底盘扣合形成炉腔，炉腔内设置阴极盘，阴极盘通过底盘支柱连接炉底盘，阴极盘上设置阴极工装、阴极支柱，阴极盘上方设置阴极盖板，阴极盖板通过阴极支柱支撑。本发明有效增加氮化工作区的等温区，使径向与轴向温差大大减小；设置辅助保温盘和阴极工装，提高工件两端的氮化质量，使整体氮化均匀，提高工件使用寿命。

Description

离子氮化炉

技术领域

本发明涉及一种渗氮设备，具体涉及一种离子氮化炉，属于热处理技术领域。

背景技术

曲轴是内燃发动机中的关键零件之一，其在工作过程中，会不断承受很大的弯曲应力﹑扭转应力且受力情况异常复杂，所以对曲轴的抗拉强度﹑硬度﹑耐磨性﹑耐疲劳性以及冲击韧性等都有着严格要求。发动机曲轴材料主要有球墨铸铁和锻钢两类，球墨铸铁曲轴以其成本低（成本只有调质钢曲轴成本的1／3左右）、加工和热处理性能好在国内外得到了广泛应用。

渗氮是提高球墨铸铁曲轴硬度﹑耐磨性等性能的关键工艺之一，渗氮分为普通渗氮和离子渗氮。离子渗氮是在充以含氮气体的低真空炉体内把金属工件作为阴极，炉体为阳极，通电后介质中的氮氢原子在高压直流电场下被电离，在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击。离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。与普通渗氮相比，离子渗氮可缩短渗氮周期，节约能源。而现有离子氮化炉存在的问题在于：氮化炉内温差大，曲轴整体氮化效果不均匀，两端氮化质量低于中间，外圈氮化质量低于里圈，氮化质量相差很大，由于曲轴是高精度产品，氮化不均匀大大降低了曲轴的使用寿命。为解决这一问题，过去大多是提高保温温度来补偿的，但结果并不理想，且易出现变形、膨胀。

专利号CN1789477A公开了一种节能离子氮化炉，炉体设有保温屏和外冷却罩，保温屏为双层不锈钢密封绝热保温层，炉底盘上设有炉底隔热屏，渗氮气体进入管道沿保温屏外侧，由保温屏顶部进入炉体内的气体分散环。专利号CN202265601U公开了一种真空氮化炉，由炉体、底座和阴极盘构成，炉体活动安装在底座上，底座的中心部位装有阴极盘，阴极盘下方的底座上设置有抽真空装置，炉体内设置有隔热屏，炉体底部分别设置有氨气进口和冷却循环水出口，炉体下端设置有冷却循环水进口。上述专利在一定程度上提高了保温效果，增强了保温温度的补偿效果，但并未从根本上解决氮化炉氮化温差大、氮化效果不均的问题。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种离子氮化炉，使氮化工作区温度均匀，径向和轴向温差大大减小。

本发明所述的离子氮化炉包括炉体、炉底盘、冷却装置和进气抽气系统，炉体与炉底盘扣合形成炉腔，炉腔内设置阴极盘，阴极盘通过底盘支柱连接炉底盘，阴极盘上设置阴极工装、阴极支柱，阴极盘上方设置阴极盖板，阴极盖板通过阴极支柱支撑。

曲轴与阴极盘直接接触时，接触位置往往是辉光薄弱区，辉光温度低，通过设置阴极工装使曲轴底端与阴极盘产生加工间距，避免产生辉光死角，有利于曲轴底部氮化温度的提升。在曲轴上端温度相应薄弱处设置阴极盖板，扩充了氮化空间整体覆盖的有效等温区，消除辉光薄弱处，使曲轴整体氮化均匀，提高氮化质量。炉体顶部设置吊环，便于将炉体吊装到炉底盘上或提起，炉体与炉底盘之间设置密封装置，有利于保温。

所述的冷却装置包括夹层水胆，夹层水胆设置在炉体、炉底盘夹层内，炉体、炉底盘上分别设置进水口、出水口与夹层水胆相连，进水口设置强、中、弱三路进水。三路进水在升、保、降温中根据工艺阶段通过加大或减少其流量易于辅助性温控，冷却过程中产生的热水经处理后可供暖及用于职工洗浴，热量散失后的水再得到冷却循环利用，形成高温水到供暖散热再到高温水的低碳环保经济循环模式。

所述的进气抽气系统包括进气口、抽气管，抽气管一端连接炉底盘中部，另一端深入炉腔内且端部管口高于阴极盖板上表面，进气口设置在炉底盘上。

所述的进气抽气系统包括进气口、抽气口，进气口设置在炉体上部，抽气口设置在炉底盘中间部位。

所述的炉底盘与阴极盘之间设置气体分流屏，气体分流屏为中间开孔的圆盘。

氮化炉的炉腔内需保持一定的真空度，氮化前通过抽气管或抽气口连接的真空泵对炉腔内进行抽真空，再通过进气口通入离子氮化的气源即氨气和二氧化碳混合气，而氮化过程中产生的废气也需要经抽气管或抽气口抽出。以往进气口多设置在炉体上部，混合气进入工作区后尚未经充分反应就迅速沿中心的抽气口被抽出，造成能源的浪费，且抽出的气体含有大量氨气，对车间造成很大污染，严重影响职工身体健康。通过设置气体分流屏，大大延缓了混合气由进气口到出气口的速度，使混合气在工作区内充分反应，大大降低了废弃排出量，既节能又环保。

所述的阴极工装为上圆柱体、下圆柱体组成，上圆柱体与下圆柱体同轴，且上圆柱体直径小于下圆柱体，上圆柱体外径与安装在阴极工装上的曲轴大头轴颈中心孔内径匹配，使安装稳定。

所述的阴极盖板与阴极盘之间设置环形辅助保温盘，环形辅助保温盘安装在曲轴小头轴径上。辅助保温盘套在曲轴小头颈与第一主轴颈中间，减少曲轴端部与中间部位的温差，使得辉光在整体更加的收缩集中，电流密度合理均匀性提高。

所述的阴极盖板上设置圆柱形凸起，消除辉光死区。

所述的阴极工装分内圈、中圈、外圈环向均匀布置在阴极盘上，分布在内圈阴极工装之间的间距及中圈阴极工装之间的间距大于分布在外圈阴极工装之间的间距。工作区外圈温度散失速度大于中圈和内圈，遵循外密内疏的原则布置，可有效降低径向温差，提高内、外圈曲轴的氮化均匀度，使各曲轴氮化效果较为一致，提高产品合格率。

所述的炉底盘上设置热电偶探头，热电偶探头深入到炉腔氮化区中间部位。将探头安装位置居于工件摆放层次的中圈；探头有效监测点延伸到工件高度的1/2有效的得知整体参数，便于调整控制，热电偶探头外部设置护套。

工作时，通入氨气和二氧化碳混合气后，被加速的带电离子碰撞含氮的气体的分子，使其电离和分解产生氮化所需的氮元素，辉光放电中不断产生新的带电粒子，电子跑向阳极，具有很大的动能的带正电的离子，则冲击作为阴极的工件表面，产生热量，把工件加热到所需要的氮化温度，辉光层沿工件的轮廓而形成，使其表面受到均匀的氮化。

本发明与现有技术相比所具有的有益效果是：

本离子氮化炉有效增加氮化工作区的等温区，使径向与轴向温差大大减小；设置辅助保温盘和阴极工装，提高工件两端的氮化质量，使整体氮化均匀，提高工件使用寿命；工件布置外紧内疏，使内外圈的工件氮化均匀，提高产品合格率；降低氮化保温时间，降低能耗；氮化质量高，氮化曲轴抗疲劳度综合指数在380℅以上，在硬度耐磨、耐高温、耐蚀性、抗咬合、抗粘结、去除加工应力、时效应力、弯曲应力﹑扭转应力上及在发动机内真实运行负荷环境中的破坏性试验参数上，综合性能显著提升；设置气体分流屏，使混合气充分反应，大大降低废气排出量，降低源气消耗，节能环保；冷却水可供职工供暖、洗浴等，可循环利用，低碳经济；热电偶由底部深入炉腔，可得到更加有效地整体参数，便于调整控制。

附图说明

图1是本发明实施例1结构示意图；

图2是实施例1曲轴分布俯视图；

图3是实施例2阴极盖板结构示意图；

图4是阴极工件结构示意图；

图5是实施例3辅助保温盘装配图；

图6是实施例4结构示意图。

图中：1、炉体；2、夹层水胆；3、阴极盖板；4、护套；5、热电偶探头；6、阴极工装；6.1、上圆柱体；6.2、下圆柱体；7、阴极盘；8、阳极接头；9、炉底盘；10、进水口；11、底盘支柱；12、进气口；13、阴极接头；14、出水口；15、气体分流屏；16、阴极支柱；17、抽气管；18、曲轴；19、辅助保温盘；20、抽气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

实施例1：

如图1、2、4所示，本实施例1包括炉体1、炉底盘9，炉体1顶部有吊钩，方便吊装炉体1，炉体1与炉底盘9扣合形成炉腔，炉腔内设置阴极盘7，阴极盘7通过底盘支柱11连接炉底盘9，底盘支柱11为云母材质，阴极盘7上设置阴极工装6、阴极支柱16，阴极工装由上圆柱体6.1、下圆柱体6.2组成，上圆柱体6.1与下圆柱体6.2同轴，且上圆柱体6.1直径小于下圆柱体6.2，上圆柱体6.1外径与安装在阴极工装6上的曲轴18大头轴颈中心孔内径匹配，阴极盘7上方设置阴极盖板3，阴极盖板3通过阴极支柱16支撑，阴极盖板3尺寸小于或等于阴极盘7尺寸，炉体1底部设置阳极接头8，与其相连导电部件做为阳极，阴极盘7连接阴极接头13，安装在其上的曲轴18工件等作为阴极。

阴极工装6及其上的曲轴18工件遵循外紧内疏的原则设置在阴极盘7上，分内圈、中圈、外圈环向均匀布置在阴极盘7上，分布在内圈阴极工装6之间的间距及中圈阴极工装6之间的间距大于分布在外圈阴极工装6之间的间距，保证内圈、中圈及外圈散热速度一致。

冷却装置包括夹层水胆2，夹层水胆2设置在炉体1、炉底盘9夹层内，炉体1、炉底盘9上分别设置进水口10、出水口14与夹层水胆2相连，进水口10设置强、中、弱三路进水，可根据实际工况调节进水量，便于控制炉内温度，炉体1的进水口10设置在底部，出水口14设置在顶部，使炉体1得到充分冷却。

进气抽气系统包括进气口12、抽气管17，抽气管17一端连接炉底盘9中心部位，另一端深入炉腔内且端部管口高于阴极盖板3上表面，进气口12设置在炉底盘9上，可设置多个进气口12，保证进气量，炉底盘9与阴极盘7之间设置气体分流屏15，气体分流屏15为中间开孔的圆盘。

炉底盘上设置热电偶探头5，热电偶探头5深入到炉腔内，约在曲轴18的1/2处，更加有效地检测整体温度，便于调整控制，热电偶探头5外部设置护套，保护热电偶探头5不被炉内气氛影响。

实施例2：

如图3所示，本实施例2阴极盘7上设置圆柱形凸起，圆柱形凸起与曲轴18的布置相对应，使曲轴18与阴极盘7隔开一定距离，增强辉光氮化效果。

实施例3：

如图5所示，本实施例3曲轴18小头轴径与第一主轴颈中间安装环形辅助保温盘19，减少曲轴18端部与中间部位的温差，使得辉光在整体更加的收缩集中，电流密度合理均匀性提高。

实施例4：

如图6所示，本实施例4的进气抽气系统包括进气口12、抽气口20，进气口12设置在炉体1上部，可设置多个，抽气口20设置在炉底盘9中间部位，炉底盘9与阴极盘7之间设置气体分流屏15，抽气口20也可以设置为抽气管17，管口在气体分流屏15下方，使混合气经充分反应后经气体分流屏15侧面被排出。

工作时，将待加工曲轴18放置在阴极工装6上，将炉体1吊装到炉底盘9上，通过抽气管17或抽气口20将炉腔内空气抽出，通过进气口12通入氨气与二氧化碳混合气，接通电源，带电离子在外部电场作用下被加速，碰撞含氮的气体的分子，使其电离和分解产生氮化所需的氮元素，带正电的离子冲击作为阴极的工件表面，产生热量，把工件加热到所需要的氮化温度，辉光层沿工件的轮廓而形成，使其表面受到均匀的氮化，抽气管17或抽气口20将反应后的废气抽出，控制氮化时间使氮化层达到需要的深度，完成氮化过程。

Claims (5)

1.一种离子氮化炉，包括炉体(1)、炉底盘(9)、冷却装置和进气抽气系统，炉体(1)与炉底盘(9)扣合形成炉腔，其特征在于：炉腔内设置阴极盘(7)，阴极盘(7)通过底盘支柱(11)连接炉底盘(9)，阴极盘(7)上设置阴极工装(6)、阴极支柱(16)，阴极盘(7)上方设置阴极盖板(3)，阴极盖板(3)通过阴极支柱(16)支撑；

所述的进气抽气系统包括进气口(12)、抽气管(17)，抽气管(17)一端连接炉底盘(9)中部，另一端深入炉腔内且端部管口高于阴极盖板(3)上表面，进气口(12)设置在炉底盘(9)上；

所述的炉底盘(9)与阴极盘(7)之间设置气体分流屏(15)，气体分流屏(15)为中间开孔的圆盘；

所述的阴极工装为上圆柱体(6.1)、下圆柱体(6.2)组成，上圆柱体(6.1)与下圆柱体(6.2)同轴，且上圆柱体(6.1)直径小于下圆柱体(6.2)；

所述的阴极盖板(3)上设置圆柱形凸起。

2.根据权利要求1所述的离子氮化炉，其特征在于：所述的冷却装置包括夹层水胆(2)，夹层水胆(2)设置在炉体(1)、炉底盘(9)夹层内，炉体(1)、炉底盘(9)上分别设置进水口(10)、出水口(14)与夹层水胆(2)相连，进水口(10)设置强、中、弱三路进水。

3.根据权利要求1所述的离子氮化炉，其特征在于：所述的阴极盖板(3)与阴极盘(7)之间设置环形辅助保温盘(19)。

4.根据权利要求1所述的离子氮化炉，其特征在于：所述的阴极工装(6)分内圈、中圈、外圈环向均匀布置在阴极盘(7)上，分布在内圈阴极工装(6)之间的间距及中圈阴极工装(6)之间的间距大于分布在外圈阴极工装(6)之间的间距。

5.根据权利要求1所述的离子氮化炉，其特征在于：所述的炉底盘上设置热电偶探头(5)，热电偶探头(5)深入到炉腔氮化区中间部位。