CN106048161A - 用于齿轮、轴、环及类似工件的真空渗碳和淬火的多室炉 - Google Patents

用于齿轮、轴、环及类似工件的真空渗碳和淬火的多室炉 Download PDF

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Abstract

用于齿轮、轴、环及类似工件的真空渗碳和淬火的多室炉具有至少两个(优选三个)并行连接的处理室，具有用于各个工件的连续给送机构。这些室有利地构造成垂直布置，第一个是加热室(2a)，第二个是渗碳室(2b)，第三个是扩散室(2c)，放置在具有气密分区的共用真空空间中，其中在每个室(2a，2b，2c)的端部处使加热室与隔热物、与石墨加热系统和合并在核心中用于各个工件的连续给送的步进给送机构(13a，13b，13c)合并。在那些室(2a，2b，2c)的端部处，该结构合并特征为装载和卸载系统X‑Y(7a和7b)的运输室(5和6)，其允许通过安装在室端部中的热和气密门与各个处理室协作，而到运输室的外部通路通过装载和卸载闸(8和14)确保。

Description

用于齿轮、轴、环及类似工件的真空渗碳和淬火的多室炉
技术领域
本发明是一种用于齿轮、轴、环及类似工件的真空渗碳和淬火的多室炉。
背景技术
存在设计用于执行真空渗碳工艺的分批式炉方案的记载的示例，其中设置在平托盘上的多个工件被同时地处理，这种设置乘以几个和约十几个托盘水平之间的任何数量。具有集成的高压气体淬火系统(HPGQ)的单室炉用于此目的，具有单独的HPGQ室的两室炉或方案允许淬火油中的冷却。
出于大规模生产的目的，模块化系统被制造为具有用于真空渗碳的多个处理室及用于给各个处理室加载工作负载/从各个处理室卸载工作负载的单独的室，包括用于HPGQ或油淬火的设备。存在具有直列式处理室布置或具有围绕上述淬火室的旋转轴线的环形布置的记载的炉结构。多种变化的模块化系统被应用于工业用途，包括那些允许一个处理室放置在另一个处理室之上的系统，如在专利说明书EP1319724B1中所述。所有这些系统的特征在于循环气体——例如高压(HPGQ)下的氮或氦——或淬火油中淬火的工作负载的体积法，由于淬火介质通过工作负载的非均匀性和不可重复的流动以及由于淬火介质沿着工件表面的不均匀的流动，各个工件在工作负载的不同区域中具有非均匀的淬火，其进一步转化为淬火应力和最终的不期望的变形。
与油淬火相比，在此情形中气体冷却的特征在于较高的变形统计再现性。
另一方面，专利说明书DE102009041041提出了一种设计用于针对具有受限尺寸的例如齿轮这样的工件的渗碳和淬火的模块化系统，允许快速气体加热和冷却，具有进一步减少变形和/或在一个工作负载内的那些变形的均匀性以及连续工作负载中的再现性的潜能。根据此专利，加热腔安装成垂直布置——在一个单独的真空室内从二到六个。在此系统中，工件装载仅在一个水平发生，工件布置在一个托盘的表面上，优选地由CFC复合材料制成。这使得在加热阶段期间暴露至来自腔室加热系统的良好辐射(没有屏蔽)的工件能够在更快的晶粒生长的范围内非常快地加热，其允许减少工件在高温水平下消耗的时间，并确保工件在温度约1050℃时消耗的安全(足够短)的处理时间。例如，该炉设计用于达到约0.6mm厚的层的渗碳。
由于冷却气体循环系统更简单的结构，设置在单个层中的工件的气体淬火允许使用具有高的再现性和一致性的HPGQ方法，均匀一致的气体流动到设置在托盘表面的工件上。利用与通过体积式工作负载的冷却气体的流相关的恰当的流速、压力和温度较容易实现高的一致性。设置在单个层中的工件的装载有利于工件装载和卸载操作的自动化，同时与实现变形的减少和再现性相关的进展允许将炉安装在用于齿轮粗加工的机器和用于精加工操作的机器之间的机床系统中，消除了工件至组织化的单独淬火车间的运输。
关于气体渗碳技术，对于复杂的工件(其中淬火油中的体积淬火导致较高的变形)，在淬火压机内应用单个工件的单独淬火，其中由操作者至压机的循环给送通常提供有机械手，或者在大规模生产中使用工业机器人。
另一方面，在非刚性轴承环的淬火技术中，存在对将环循环给送至冷却基体的装置的测试，使得利用气体或压缩气体的淬火具有通过相对于冷却表面恰当设置的喷嘴的合适的冷却介质流入，具有合适的压力，速度从50至100m/s，在距表面10mm的水平，其确保达到例如15℃/s的冷却速度——与油淬相当——与由100Cr6钢制成的钢环的淬火有关。[HTM53(1998)2“Fixturhartiwg von Walzlagerringen unter Verwendug vongasformigen Abschreckmedien”]。
参考气体渗碳技术的经验——使用真空渗碳——已尝试设计用于体积式工作负载的大规模生产的炉，如上所述，但特征是工作负载通过炉的连续流动，其结构包括功能性的室用于：加热、真空渗碳、扩散、淬火前预冷却，以及如上所述具有室分离的淬火室(例如油淬火)，采用真空闸(vacuum lock)。这种系统已经在1996年的EP0735149、2004年的EP0828554、2004年的EP1482060的专利说明书中和20世纪90年代的技术文献中描述。令人遗憾的是这些技术并没有得到很高的普及，主要是由于变形的水平，在一个工作负载内及工作负载之间的那些变形的非一致性，以及由于维持系统的连续操作的难度。
特别地，已尝试建造一种连续操作的炉，意在用于被给送通过设计为用于加热、渗碳、扩散、预冷却和淬火的连续炉系统的各个工件的渗碳和淬火。举例来说，存在1990年的专利说明书US4938458(A)″Continuous ion-carburizing and quenching system″及1997年的专利说明书EP0811697(B1)″Method and apparatus for carburizing，quenchingand tempering″中描述的系统。此外，在20世纪90年代，制造了一种在滚筒上给送工作负载的连续炉结构，分为功能室(装载和卸载闸以及加热、渗碳、扩散和预冷却室)和HPGQ室，在HTM 2/2001的扉页提出“多室连续炉...”(除了别的之外)。这种结构的一个新特点是安装系统符合加工方案的可能性。
齿轮的制造总是包括粗加工和细加工的阶段——通常在软的状态下——以及热、化学处理后对各个齿轮的精加工阶段。因此各个工件连续流动以用于机加工后的进一步处理。假设直接淬火的真空渗碳技术提供与工件形状相关的变形和/或它们的再现性的重复限制的效果，在对应于热化学处理和精加工之前的粗加工的机加工循环的循环期间，存在对于各个齿轮的渗碳和硬化连续处理的需求。假设工件连续流动，各个工件在粗加工后的循环(连续)清洁不构成任何技术或经济上的挑战。
发明内容
构成本发明的多室炉的基本特征是其结构包含至少两个其中各个工件连续给送的处理室(并行连接)，构造成垂直或水平布置，且放置在具有气密分区的共用真空空间中，其中在那些室的端部处存在合并的运输室，所述运输室特征为装载和卸载系统，其允许通过安装在腔室端部中的热和气密门与各个处理室协作，而到运输室的外部通路通过装载和卸载闸确保。
有利的是，该炉特征为构造成垂直布置(一个在另一个之上)的三个处理室，即加热室、渗碳室和扩散室。
当在每个处理室中使加热室与隔热物、与石墨加热系统和合并在轴中用于各个工件的连续输送的步进给送机构合并时，则也是有利的。
此外，当步进机构提供定位各个工件的在2和100步之间的步骤、具有从0.1到60分钟的给送时间范围时，则是有利的。
有利的是，卸载闸应合并用于在炉操作循环内油淬各个工件的设备。
此外，当卸载闸合并用于在炉操作循环内在压机上或约束装置中油淬各个工件的设备时，则是有利的。
当卸载闸合并用于在炉操作循环内气体淬火各个工件的设备时，则也是有利的。
当用于各个零件的气体淬火的装置构成两部分的喷嘴收集器时，则也是有利的，其具有基座和迫使冷却气体以达到300m/s的速度流动的气体喷嘴系统，具有在一种构造中调节至各个零件的形状的喷嘴，具有与冷却的工件表面相距1至100mm之间的距离的喷嘴出口。
此外，当喷嘴收集器具有两个可移动部分时，则是有利的，其向着冷却的工件滑动，其中各个工件(通过装载机构)放置在基座上，并且定位在喷嘴收集器关闭冷却循环的标称位置中。
当该基座具有旋转驱动机构以便确保各个工件表面在冷却循环期间的均匀暴露时，则也是有利的。
单个处理室设计用于加热、低压渗碳和扩散均热循环。这种划分对于具有0.3至0.6mm范围的渗碳层的LPC(低压渗碳)是可能的，假设为高温渗碳，例如在1050℃。各个室具有单独供给的处理气体以用于进行连续的热-化学处理阶段，而如果腔室被区室之间相应的耐热气体门分开，则是有利的。出于可靠和紧凑设计的目的，三个处理室一个放置在另一个之上，其允许合并连接至三个区域的两个装载/卸载室，其中每个区域具有装载和卸载连接。每个室安装有连续的工件给送系统，有利地是步进类型。
对于利用高压气体淬火的由钢制成的齿轮及具有类似形状的工件(例如达到f＝200mm并且重量＝约1.5kg)的低压渗碳的炉的设计，使得能够短期暴露至约1050℃的温度，或者对典型的商业渗碳钢等级采用预氮化工艺，在根据专利说明书EP1980641、US7967920和PL210958中提出的工艺和方法的加热阶段中，其中渗碳层在0.25至1.0mm的范围中。该方法包括各个工件被装载(通过装载闸)至分为三个处理室(即，真空加热室、LPC(低压渗碳)室和扩散室)的炉，其中工件通过连续式炉的流动由沿着每个室的所谓的步进工件进给机构实现——从装载至卸载位置。
每个处理区被建造为具有真空壳的真空炉，有利地合并石墨隔热物和石墨加热元件。如上所述，加热室的底部壁合并通过加热室的步进工件给送机构——从装载区域至卸载位置。
每个区域在入口和出口处具有热和气密门，从而提供与具有在区域之间运输工件的机构的室的热和气体分离。这意味着一个室连接至卸载闸，其中运输机构循环地装载工件至渗碳区域，同时也从真空渗碳区域卸载它们并最终装载至扩散区域。连接至具有合并的冷却机构的室的运输机构用于从加热区域卸载工件并然后将它们装载至渗碳区域，同时还在扩散循环后卸载工件并将它们运输至冷却室。关于这种类型的运输机构，有利的是将一个区域室放置在另一个之上。
装载闸室安装有阀，使得能够在利用外部机构的装载过程之后对于每个零件去除空气，并且在通过内部机构接收工件前负责运输至加热区。装载和卸载闸安装有具有相应设备的气体淬火装置以用于基于喷嘴的气体冷却。
附图说明
根据本发明的炉将基于附图示例更加详细地描述，其中相应的附图代表：
图1-炉的3D视图，
图2-加热室的截面，
图3-允许工件在加热室内给送的步进机构的示意图，
图4-用于各个项目的气体冷却室的截面，
图5-真空泵系统和处理气体系统的示意图。
附图标记列表
1-真空壳
2a-加热室
2b-渗碳室
2c-扩散室
3-检修和安装门
4-热和气密门
5，6-运输室(包括用于将工件装载到各个处理室/从各个处理室卸载的装载和卸载机构)
7a，7b-装载和卸载机构X-Y
8-装载闸
10a，10b-锁定真空阀
11-真空阀
12-气体阀
13a，13b，13c-步进机构
14-卸载闸
15a，15b-真空压力阀
17-泵系统
18-喷嘴采集器基座
19，20-喷嘴采集器的可移动部分
21-用于喷嘴采集器冷却的气体喷嘴
22-缓冲罐
23-压缩机
24-换热器
25，26-冷却气体循环系统的阀。
具体实施方式
炉包括共用真空壳1的一组三个处理室，构造成垂直布置(一个在另一个之上)，其中上部的一个是加热室2a，中间的一个是渗碳室2b，底部的一个是扩散室2c，而它们中的每一个包括加热室。
在每个处理室的水平，真空壳安装有检修和安装门3(在加热室入口和出口处)并还安装有热和气密门4，其将处理室与真空运输室5和6分开，真空运输室5和6包括将工件装载到相应室2a、2b、2c和从相应室2a、2b、2c卸载的装载和卸载机构X-Y 7a和7b。
装载和卸载机构X-Y 7a、7b对于三个处理室2a、2b和2c垂直地操作，装载闸8对于室6和卸载闸14从室5也是如此。通过炉的工件的连续流动以预定的时间间隔(例如0.5-2分钟)实现。
预期要处理的工件通过外部装载装置放置在装载闸8的装载位置中。该闸安装有两个真空阀10a和10b，有利的是滑动直动阀类型，且其还连接至具有真空阀11的真空系统。如上所述在工件装载后，装载真空阀10b关闭并且随后是泵出循环直到达到0.1毫巴以下的真空。此外，在达到清洁真空水平之后，出口真空阀10a打开并且将工件给送至运输室5中的垂直运输机构7a。在关闭阀10a之后使气体(例如氮)通过气体阀12和运输机构X-Y 7a注入装载闸。通过上部加热室2a的打开的热和气密门将工件放置在该区域的起始位置。该室具有例如15个位置用于工件放置，其中工件通过合并到加热室的核心的步进机构13a逐渐地给送。
在工件被给送至加热室2a中的最终位置后，装载和卸载机构X-Y7b(放置在运输室6中)收集工件并将其放置在渗碳室2b的步进机构13b的第一位置中，其中在炉操作循环期间将工件从初始位置给送至最终位置。到达最终位置后，工件通过热和气密门4(在此时打开)被运输室5的装载/卸载机构7a收集并被放置在扩散室2c的第一位置中。
工件通过扩散室2c后，使用合并到加热室的步进机构13c，运输室6的装载/卸载机构X-Y 7b收集工件并将其放置在卸载闸14的冷却位置中。
卸载闸14配备有两个真空压力阀15a/15b——一个连接至运输室6，且另一个确保工件冷却后使用外部运输装置从炉内移除。在卸载闸14内(安装有连接至真空系统17的阀)，存在用于单独的气体冷却的设备，其如下操作：待冷却的工件放置在基座18上，且两部分的喷嘴收集器放置在工件周围，其中两个可移动部分(上部19和下部20)在冷却循环期间的给送和关闭过程期间向外滑动。收集器是可更换的，各自适合于工件的形状。可移动部分19和20安装有用于分配冷却气体至指向被冷却工件的表面的喷嘴系统21的系统，并位于距离表面很近的位置，具有工件表面的最大覆盖度和排出冷却气体的快速线速度。这种结构的特征还在于冷却到闸壳14的区域后膨胀气体容易排出。在工件的循环冷却期间，冷却气体以限定的压力从缓冲罐22供给至喷嘴21，其中压力水平由气体消耗和冷却气体的流出速度决定。
在流出喷嘴21并撞击工件表面后，气体膨胀且然后被压缩(通过合并的压缩机23)至期望的压力；然后其又被存储在缓冲罐22中。来自工件-气体热交换的热量在有利地放置在压缩机23和缓冲罐22之间的安装的换热器24处被去除。随着各个工件的循环冷却和具有高热交换系数的基于喷嘴的冷却，实现了冷却气体的完全闭环。
在以使得能够淬火的速度冷却工件后，以及在冷却气体再循环系统的阀25和26关闭后(如上所述)，真空/压力阀15b打开。渗碳和淬火的工件随后通过通道移除，并被给送至精加工操作。

Claims (10)

1.一种用于齿轮、轴、环及类似工件的真空渗碳和淬火的多室炉，其特征在于，所述炉包括至少两个其中各个工件连续给送的处理室(并行连接)，构造成垂直或水平布置，且放置在具有气密分区的共用真空空间中，其中在那些室的端部处存在合并的运输室，所述运输室特征为装载和卸载系统，其允许通过安装在室端部中的热和气密门与各个处理室协作，而到所述运输室的外部通路通过装载和卸载闸确保。
2.根据权利要求1所述的炉，其特征在于，所述炉包括三个处理室，构造成垂直布置，一个在另一个之上，其中一个是加热室(2a)，另一个是渗碳室(2b)，且第三个是扩散室(2c)。
3.根据权利要求2所述的炉，其特征在于，所述炉在每个处理室(2a，2b，2c)中将加热室与隔热物、与石墨加热系统和合并在轴中用于各个工件的连续给送的步进给送机构(13a，13b，13c)合并。
4.根据权利要求3所述的炉，其特征在于，所述步进机构(13a，13b，13c)提供定位各个工件的在2和100步之间的步骤，具有从0.1到60分钟的给送时间范围。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的炉，其特征在于，所述卸载闸(14)合并用于在炉操作循环内油淬各个工件的设备。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的炉，其特征在于，所述卸载闸(14)合并用于在炉操作循环内在压机上或约束装置中油淬各个工件的设备。
7.根据权利要求1到4中任一项所述的炉，其特征在于，所述卸载闸(14)合并用于在炉操作循环内气体淬火各个工件的设备。
8.根据权利要求7所述的炉，其特征在于，用于各个零件的气体淬火的装置构成两部分的喷嘴收集器(19，20)，具有基座(18)和迫使冷却气体以达到300m/s的速度流动的气体喷嘴(21)的系统，具有在一种构造中调节至各个零件的形状的喷嘴，具有与冷却的工件表面相距1至100mm之间的距离的喷嘴出口。
9.根据权利要求7或8所述的炉，其特征在于，所述喷嘴收集器具有两个可移动部分(19和20)，向着冷却的工件滑动，其中各个工件通过装载机构(7b)放置在所述基座(18)上，并定位在喷嘴收集器(19，20)关闭冷却循环的标称位置中。
10.根据权利要求9所述的炉，其特征在于，所述基座(18)具有旋转驱动机构以便确保各个工件表面在所述冷却循环期间的均匀暴露。
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