CN106319436B - 真空渗碳炉及使用其的渗碳方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种真空渗碳炉及使用其的渗碳方法，涉及金属材料热处理技术领域，以解决现有的渗碳炉在负压及加压气冷时的密封效果不佳，且加热元件长期使用后容易造成积碳而导致渗碳炉发生短路故障的技术问题。本发明所述的真空渗碳炉，包括：卧式双室结构且包括炉体和炉门的真空炉主机；炉体的前室为冷却室，中间为真空密封隔热的闸阀，后室为加热渗碳室；冷却室和加热渗碳室、炉体和炉门的法兰凹槽之间设置有锁圈式密封结构；锁圈式密封结构与炉门之间设置有多个斜面自锁且为双气缸启动形式；加热渗碳室内设置有加热元件，其包括石墨加热管，电源由变压器通过铜质水冷电极、铜排或同载流量的铜质编织带、石墨电极与石墨加热管相连。

Description

真空渗碳炉及使用其的渗碳方法

技术领域

本发明涉及金属材料热处理技术领域，特别涉及一种真空渗碳炉及使用其的渗碳方法。

背景技术

渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低碳钢或低合金钢，具体方法是将工件置入具有活性渗碳介质中，加热到900—950℃的单相奥氏体区，保温足够时间后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。这是金属材料常见的一种热处理工艺，它可以使渗过碳的工件表面获得很高的硬度，提高其耐磨程度。

目前，渗碳炉是新型节能周期作业式热处理电炉，主要供钢制零件进行气体渗碳。实际应用中，渗碳炉主要由炉壳、炉衬、炉盖升降机构、炉用密封风机、马弗罐、加热元件及电控系统等组成。具体地，炉壳由钢板及型钢焊接而成；炉衬由高强度超轻质节能耐火砖、硅酸铝纤维、硅藻土保温砖及石棉板砌筑而成；炉盖升降机构由电机、齿轮泵等部件组成，为安全起见，在升降轴上装设有两个行程开关，当炉盖上升时，下部行程开关自动切断渗碳炉控制柜主回路电源，使加热元件断电停止工作，上部行程开关则限制升降轴升起的高度，以防升降抽升起过高而脱出；炉用密封风机装在炉盖上，供搅拌马弗罐内的气体并使之成分均匀，同时使炉温趋于均匀，在炉盖上还装有三根工艺管通向炉膛马弗罐内：一根套管顶端安装三头不锈钢滴注器，由三头滴注器向炉内滴注甲醇，煤油或其它有机液体，各种液体均可调节，该套管上的氨气孔可用来向炉内输送氨气作碳、氮共渗之用(不渗氮时可将此管口封闭)，一根套管为取样管，该套管上部的一管接头可与“U”型玻璃管压力计连接，用来监视炉马弗罐的作用是维护炉压，保证渗碳或碳、氮共渗的正常进行，它由耐热钢制成(铸件)；加热元件由电热合金丝绕成螺旋状，安装在炉衬内壁上，并通过引出捧引出炉外，渗碳炉温度由插入炉膛的热电偶，通过补偿导线将信号传送给自动控温柜，控温柜自动控制、调节并记录炉内的加热温度。

然而，本申请发明人发现，现有的渗碳炉通常在负压及加压气冷时的密封效果不佳，且加热元件长期使用后容易造成积碳而导致渗碳炉发生短路故障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空渗碳炉及使用其的渗碳方法，以解决现有的渗碳炉通常在负压及加压气冷时的密封效果不佳，且加热元件长期使用后容易造成积碳而导致渗碳炉发生短路故障的技术问题。

本发明提供一种真空渗碳炉，包括：真空炉主机，所述真空炉主机为卧式双室结构；所述真空炉主机包括炉体和炉门，所述炉体的前室为冷却室，中间为真空密封隔热的闸阀，后室为加热渗碳室；所述炉体和所述炉门之间设置有锁圈式密封结构，且所述锁圈式密封结构安装在所述炉门的法兰凹槽中；所述冷却室和所述加热渗碳室也均设置有所述锁圈式密封结构；所述锁圈式密封结构的启闭为双气缸启动形式，且所述锁圈式密封结构与所述炉门之间设置有多个斜面自锁；所述加热渗碳室内设置有加热元件，所述加热元件包括有石墨加热管，电源由变压器通过水冷电极、铜排或同载流量的铜质编织带、石墨电极与所述石墨加热管相连，且所述水冷电极为铜质水冷电极。

实际应用时，所述炉体为双壁水冷结构。

其中，所述炉体的内壁采用304不锈钢制造、外壁采用优质碳素钢板焊接而成。

具体地，位于所述冷却室的所述炉体的内壁涂刷有防蚀剂。

进一步地，所述炉体上设置有照明灯，且所述照明灯位于所述冷却室内。

更进一步地，位于所述加热渗碳室的所述炉体的内壁喷射有耐高温漆。

实际应用时，所述加热渗碳室设置有隔热层。

其中，所述隔热层包括碳毡层和复合硬毡层。

具体地，所述隔热层上还设置有隔热屏。

进一步地，所述隔热屏为固化硬石墨毡。

更进一步地，所述炉体上设置有加强筋板，且所述加强筋板位于所述加热渗碳室处。

再进一步地，所述炉体和所述炉门通过铰链连接，且所述铰链的主轴两端装设有轴承。

实际应用时，所述炉体与所述炉门之间设置有炉门调节机构。

其中，所述炉体包括炉壳和设置在所述炉壳内的炉胆，所述炉胆的底部设置有滚轮，所述炉壳内设置有与所述滚轮匹配的导轨。

具体地，所述炉门上设置有观察窗。

进一步地，所述真空炉主机还包括炉体支架，所述炉体支架位于所述炉体的底部。

更进一步地，所述石墨加热管沿所述隔热层均匀分布。

再进一步地，所述加热渗碳室内还设置有料台，所述料台由石墨炉床、石墨支柱和镶嵌在所述石墨炉床上的陶瓷隔条构成。

实际应用时，所述真空渗碳炉还包括：油冷却系统，所述油冷却系统包括：双壁水冷淬火油槽、油搅拌装置和油加热器；所述油搅拌装置包括：减速电机、叶轮、转向器、密封通道和导流板；所述油加热器设置在所述双壁水冷淬火油槽的底部，且所述油加热器由电加热管构成；所述油冷却系统由封闭式冷却塔通过控制独立的油箱水冷壁的水流量以实现油温控制。

其中，所述油冷却系统还包括：水平送取料机构和油淬火升降机构；

具体地，所述水平送取料机构通过滑线轴承实现料件的进出；

进一步地，所述油淬火升降机构设置有张紧轮。

实际应用时，所述油冷却系统还包括：风机组件；所述风机组件包括：高速离心式鼓风机、高流率叶轮、高效全铜制热交换器和导流风箱。

其中，所述导流风箱直接将气流吹向热工件。

具体地，所述炉体的破气口安装有消音器。

实际应用时，所述真空渗碳炉还包括：真空系统；所述真空系统包括：真空主机、真空阀门、真空管路及真空测量组件；所述真空主机由三级四泵组件构成，所述三级四泵组件包括：维持泵、旋片泵、罗茨泵和扩散泵；所述扩散泵配置有独立冷阱，所述旋片泵与所述罗茨泵之间、所述罗茨泵与所述扩散泵之间均设置有所述真空测量组件；所述真空阀门为气动高真空挡板阀，所述启动高真空挡板阀与控制器连接，且联动互锁；所述真空测量组件由数显电阻真空计和规管构成，所述数显电阻真空计能够实现测量过程中的量程自动转换和超程保护，并具有设定控制功能、数据输出功能及故障报警功能。

其中，所述真空主机的极限真空度为8.0×10^－4Pa。

具体地，所述炉体和所述扩散泵之间设置有过滤装置和炭黑收集装置。

实际应用时，所述真空渗碳炉还包括：回冲气体系统；所述回冲气体系统包括：充气机构、压强调节机构和安全阀；所述充气机构包括：大通径快充阀、微调阀、质量流量计和充气阀门；所述压强调节机构包括：压力传感器和调节仪；加热时，所述回冲气体系统能够对所述真空渗碳炉内的真空度进行调节和控制；冷却时，根据所述压力传感器的反馈使所述充气阀门开启，冷却气体进入所述真空渗碳炉内。

其中，所述压强调节机构能够具有分压功能和缓冲功能。

实际应用时，所述真空渗碳炉还包括：渗碳系统；所述渗碳系统包括：渗碳气供给机构和渗碳控制机构；所述渗碳气供给机构包括：多路送气机构、流量调节阀、流量计、电磁阀和喷嘴；所述多路送气机构包括：载气支路、渗碳气支路和氨气支路，所述载气支路、所述渗碳气支路和所述氨气支路上均依次设置有所述流量调节阀、所述流量计、所述电磁阀和所述喷嘴；所述渗碳系统能够对渗碳气体温度、渗碳气体时间、渗碳气体压力和渗碳气体流量进行控制。

其中，所述喷嘴连接有气缸，所述气缸用于带动所述喷嘴伸缩移动。

具体地，所述喷嘴为球形喷头。

进一步地，所述喷嘴均匀分布在待处理工件的周围。

更进一步地，所述载气支路中通有氮气。

更进一步地，所述渗碳气之路中通有乙炔。

再进一步地，所述渗碳系统还包括：碳黑收集机构，所述碳黑收集机构用于收集过渗时产生的炭黑。

实际应用时，所述真空渗碳炉还包括：自动清理机构，所述自动清理机构用于清除绝缘件上的碳黑。

其中，所述真空渗碳炉的渗碳温度为900－1100℃。

具体地，所述真空渗碳炉的渗碳温度为980℃。

进一步地，所述真空渗碳炉的渗碳充气压力为0－3kPa，保压转换时间小于10s。

相对于现有技术，本发明所述的真空渗碳炉具有以下优势：

本发明提供的真空渗碳炉中，包括：真空炉主机，真空炉主机为卧式双室结构；真空炉主机包括炉体和炉门，炉体的前室为冷却室，中间为真空密封隔热的闸阀，后室为加热渗碳室；炉体和炉门之间设置有锁圈式密封结构，且锁圈式密封结构安装在炉门的法兰凹槽中；冷却室和加热渗碳室也均设置有锁圈式密封结构；锁圈式密封结构的启闭为双气缸启动形式，且锁圈式密封结构与炉门之间设置有多个斜面自锁；加热渗碳室内设置有加热元件，加热元件包括有石墨加热管，电源由变压器通过水冷电极、铜排或同载流量的铜质编织带、石墨电极与石墨加热管相连，且水冷电极为铜质水冷电极。由此分析可知，本发明提供的真空渗碳炉中，由于炉体和炉门之间设置有锁圈式密封结构，且锁圈式密封结构安装在炉门的法兰凹槽中，因此能够保证真空渗碳炉在负压和加压气冷时具有良好的密封效果；由于冷却室和加热渗碳室也均设置有锁圈式密封结构，因此在气源突然断开情况下能够具有自锁功能；由于锁圈式密封结构的启闭为双气缸启动形式，且锁圈式密封结构与炉门之间设置有多个斜面自锁，因此能够实现自动开启和锁紧，且操作简单，安全可靠；由于加热渗碳室内设置有加热元件，加热元件包括有石墨加热管，电源由变压器通过水冷电极、铜排或同载流量的铜质编织带、石墨电极与石墨加热管相连，且水冷电极为铜质水冷电极，因此能够保证在长期使用后不变形、寿命长且加热均匀，同时防止炭黑堆积造成漏电，以有效避免渗碳室内因碳黑产生的负面影响。综上所述，本发明提供的真空渗碳炉能够解决现有的渗碳炉在负压及加压气冷时的密封效果不佳，且加热元件长期使用后容易造成积碳而导致渗碳炉发生短路故障的技术问题。

本发明还提供一种使用上述任一项所述的真空渗碳炉的渗碳方法，包括如下步骤：制作试样，对所述试样进行清洗烘干并称重，重量为m1；对所述试样进行相同保温时间、不同保温温度的测试，并检测测试后所述试样的奥氏体晶粒度，以确定渗碳温度；或，对所述试样进行相同保温温度、不同保温时间的测试，并检测测试后所述试样的奥氏体晶粒度，以确定渗碳温度；在所述渗碳温度下，对所述试样进行不同压力和流量下的渗碳测试，渗碳时间分别为1分钟、2分钟和5分钟，观察所述试样的表面情况，以不产生炭黑为标准，确定渗碳压力和渗碳流量；在所述渗碳温度、所述渗碳压力和所述渗碳流量下，对所述试样进行1分钟和2分钟的强碳测试，测定渗碳后所述试样的重量m2，并求得渗碳前后的质量差，即m2－m1；通过所述质量差和渗碳时间，计算出所述试样的富化率；在所述渗碳温度、所述渗碳压力和所述渗碳流量下，对所述试样进行1分钟和2分钟的强碳测试，并进行15分钟的扩散测试，检测所述试样由表面至内心的硬度分布，反算出碳在所述试样中的扩散速率；通过所述富化率和所述扩散速率，计算出强渗时间和扩散时间；检测所述试样的硬度分布，并与预期结果进行对比；如有偏差，对上述步骤进行微调。

所述渗碳方法与上述真空渗碳炉相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的真空渗碳炉的主视结构示意图；

图2为本发明实施例提供的真空渗碳炉的右视结构示意图；

图3为本发明实施例提供的真空渗碳炉的左视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的真空渗碳炉的俯视结构示意图；

图5为本发明实施例提供的渗碳方法的流程示意图。

图中：

1－炉体； 2－炉门；

3－加热渗碳室； 4－冷却室；

5－真空密封隔热的闸阀； 6－水平取料机构；

7－水冷电极； 8－安全阀；

9－油冷却系统； 10－高速离心式鼓风机；

11－高流率叶轮； 12－高效全铜制热交换器；

13－导流风箱； 14－管路；

15－真空主机； 16－真空阀门；

17－真空管路； 18－真空测量组件；

19－充气机构； 20－压强调节机构；

21－渗碳气供给机构； 22－碳黑收集机构；

23－渗碳控制机构；

a－框架； b－隔热层；

c－加热元件； d－料台；

e－隔热门闸板； f－隔热层；

g－四连杆机构 i－减震装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的真空渗碳炉的主视结构示意图；图2为本发明实施例提供的真空渗碳炉的右视结构示意图；图3为本发明实施例提供的真空渗碳炉的左视结构示意图；图4为本发明实施例提供的真空渗碳炉的俯视结构示意图。

如图1－图4所示，本发明实施例提供一种真空渗碳炉，包括：真空炉主机，真空炉主机为卧式双室结构；真空炉主机包括炉体1和炉门2，炉体1的前室为冷却室4，中间为真空密封隔热的闸阀5，后室为加热渗碳室3；炉体1和炉门2之间设置有锁圈式密封结构，且锁圈式密封结构安装在炉门2的法兰凹槽中；冷却室4和加热渗碳室3也均设置有锁圈式密封结构；锁圈式密封结构的启闭为双气缸启动形式，且锁圈式密封结构与炉门2之间设置有多个斜面自锁；加热渗碳室3内设置有加热元件c，加热元件c包括有石墨加热管，电源由变压器通过水冷电极7、铜排或同载流量的铜质编织带、石墨电极与石墨加热管相连，且水冷电极7为铜质水冷电极。

相对于现有技术，本发明实施例所述的真空渗碳炉具有以下优势：

本发明实施例提供的真空渗碳炉中，如图1－图4所示，包括：真空炉主机，真空炉主机为卧式双室结构；真空炉主机包括炉体1和炉门2，炉体1的前室为冷却室4，中间为真空密封隔热的闸阀5，后室为加热渗碳室3；炉体1和炉门2之间设置有锁圈式密封结构，且锁圈式密封结构安装在炉门2的法兰凹槽中；冷却室4和加热渗碳室3也均设置有锁圈式密封结构；锁圈式密封结构的启闭为双气缸启动形式，且锁圈式密封结构与炉门2之间设置有多个斜面自锁；加热渗碳室3内设置有加热元件c，加热元件c包括有石墨加热管，电源由变压器通过水冷电极7、铜排或同载流量的铜质编织带、石墨电极与石墨加热管相连，且水冷电极7为铜质水冷电极。由此分析可知，本发明实施例提供的真空渗碳炉中，由于炉体1和炉门2之间设置有锁圈式密封结构，且锁圈式密封结构安装在炉门2的法兰凹槽中，因此能够保证真空渗碳炉在负压和加压气冷时具有良好的密封效果；由于冷却室4和加热渗碳室3也均设置有锁圈式密封结构，因此在气源突然断开情况下能够具有自锁功能；由于锁圈式密封结构的启闭为双气缸启动形式，且锁圈式密封结构与炉门2之间设置有多个斜面自锁，因此能够实现自动开启和锁紧，且操作简单，安全可靠；由于加热渗碳室3内设置有加热元件c，加热元件c包括有石墨加热管，电源由变压器通过水冷电极7、铜排或同载流量的铜质编织带、石墨电极与石墨加热管相连，且水冷电极7为铜质水冷电极，因此能够保证在长期使用后不变形、寿命长且加热均匀，同时防止炭黑堆积造成漏电，以有效避免渗碳室内因碳黑产生的负面影响。综上所述，本发明实施例提供的真空渗碳炉能够解决现有的渗碳炉在负压及加压气冷时的密封效果不佳，且加热元件长期使用后容易造成积碳而导致渗碳炉发生短路故障的技术问题。

实际应用时，如图1－图4所示，上述炉体1为双壁水冷结构；其中，炉体1的内壁采用304不锈钢制造、外壁采用优质碳素钢板焊接而成。具体地，位于冷却室4的炉体1的内壁涂刷有防蚀剂，从而具有较好地防腐蚀性能。进一步地，炉体1上设置有照明灯，且该照明灯位于冷却室4内；并且，炉门2上设置有观察窗，从而通过该观察窗可直观地显示设备的运行状态，包括进取料动作都可以清晰可见。更进一步地，位于加热渗碳室3的炉体1的内壁喷射有耐高温漆。实际应用时，上述加热渗碳室3设置有隔热层b；其中，该隔热层b可以包括30mm碳毡层和20mm复合硬毡层。具体地，隔热层b上还可以设置有隔热屏；进一步地，该隔热屏为固化硬石墨毡，且可以安装在最内层表面，从而防止加压气流及渗碳气的冲刷。更进一步地，炉体1上设置有加强筋板，且该加强筋板位于加热渗碳室3处；此外，加热渗碳室3的炉体1也可以采用304不锈钢制造。再进一步地，炉体1和炉门2通过铰链连接，且该铰链的主轴两端装设有轴承。实际应用时，炉体1与炉门2之间设置有炉门调节机构，从而在炉门2长时间使用后发生下沉现象时，能够及时进行调节。其中，炉体1包括炉壳和设置在炉壳内的炉胆，且炉胆的底部设置有滚轮，炉壳内设置有与滚轮匹配的导轨，从而炉胆能够沿炉壳内的导轨移动，进而保证炉胆的自由膨胀，同时便于将炉胆拉出进行维修。进一步地，真空炉主机还包括炉体支架，该炉体支架位于炉体1的底部，从而起到支撑炉体1的作用。更进一步地，上述石墨加热管沿隔热层b均匀分布，并且可以采用99瓷绝缘固定。再进一步地，加热渗碳室3内还设置有框架a和料台d，该料台d由石墨炉床、石墨支柱和镶嵌在石墨炉床上的陶瓷隔条构成。此外，石墨加热管单区加热、单区控制，使加热渗碳室3具有温升速度快，温度均匀性好并且加热元件c使用寿命长的优点；并且，各组加热元件c可单独拆卸，更换、维修方便。

实际应用时，如图1－图4所示，本发明实施例提供的真空渗碳炉还包括：油冷却系统9，该油冷却系统9可以包括：双壁水冷淬火油槽、油搅拌装置和油加热器；油搅拌装置包括：减速电机、叶轮、转向器、密封通道和导流板，从而在淬火过程中能够充分均匀地将工件降低到设定温度；油加热器设置在双壁水冷淬火油槽的底部，采用导热油作为传热介质，此种设置无需抽油即可完成更换检修，因此能够起到便于更换检修的作用；并且油加热器由电加热管构成，通过电加热管对油进行加热，以使油温达到最佳冷却温度；油冷却系统9由封闭式冷却塔通过控制独立的油箱水冷壁的水流量以实现油温控制，该油箱可以预留有循环系统进出口DN50。其中，上述油冷却系统9还可以包括：水平送取料机构6和油淬火升降机构；具体地，水平送取料机构6通过滑线轴承实现料件的进出；进一步地，油淬火升降机构设置有张紧轮。此种设置，水平送取料机构6的结构简单、动作少，从而故障率低、操作维修简单；并且，选用进口电机驱动垂直及水平运动，使用滑线轴承使料件在进出加热渗碳室3时运行平稳，进料料架收回到冷却室4的过程时间小于15s；油淬火升降机构应实现升降台动作平稳，入油快，提高淬火效果；升降传动间增设张紧轮，来消除链条的误差，同时也便于安装调试；水平送取料机构能够实现水平动作平稳，启停速度快，运送工件时间短。实际应用时，上述油冷却系统9还可以包括：风机组件；该风机组件包括：高速离心式鼓风机10、高流率叶轮11、高效全铜制热交换器12和导流风箱13及管路14。其中，导流风箱13直接将气流吹向热工件，从而能够有效避免垂向油面。具体地，炉体1的破气口还可以安装有消音器。

当工件加热完毕后进行气冷时，先向炉内充入大约1bar(绝对压力)的惰性气体(与大气基本平衡)以保护电机启动，强冷风机最低启动压力小于0.08MPa(绝对压力)；工件冷却时，充入高纯氮气，在高速风机驱动下，形成强制循环有序对流冷却；电机正常运转后再继续向炉内充气到需要的压力，气流从风机高速吹向工件实现工件快速降温，经过工件的热气流沿风机轴回到热交换器进行冷却，通过热交换器冷却后的气体又被风机压向导风板和工件，形成一个循环回路；同时利用炉壳的水冷夹层可以使循环对流的惰性气体进一步充分冷却，以加快工件的冷却速度。根据淬火工艺不同，气冷压强通过压力传感器和电器控制系统在2bar(绝对压力)范围内任意可调；其结构要有气流风速大，气流面积大等特点，提高工件的冷却效果，缩短工件出炉时间；离心式鼓风机为特殊设计，具有耐温耐压性能在热交换器前设有导流板，以使气体顺畅流动。在加热室与油淬室之间设有插板式真空隔热门装置，该装置由隔热门闸板e、隔热层f、气缸带动的四连杆机构g、导向轨和减震装置i等组成，克服了中间门上升或下降动作不平稳，这样更安全可靠，稳定性强；隔热门采用整体封盖隔热框结构，使用硅橡胶圈密封，中间加工成水冷腔。

实际应用时，如图1－图4所示，本发明实施例提供的真空渗碳炉还包括：真空系统；该真空系统可以包括：真空主机15、真空阀门16、真空管路17及真空测量组件18；该真空主机15由三级四泵组件构成，三级四泵组件可以包括：维持泵、旋片泵、罗茨泵和扩散泵；扩散泵配置有独立冷阱，以有效降低返油率，旋片泵与罗茨泵之间、罗茨泵与扩散泵之间均设置有真空测量组件18，从而起到便于真空检漏的作用；真空阀门16为气动高真空挡板阀，启动高真空挡板阀与控制器连接，且联动互锁，从而断电时阀门自动关闭以保证炉内真空度，进而避免工件氧化；真空测量组件18由数显电阻真空计和规管构成，数显电阻真空计能够实现测量过程中的量程自动转换和超程保护，并具有设定控制功能、数据输出功能及故障报警功能。其中，真空主机15的极限真空度为8.0×10－4Pa。具体地，炉体1和扩散泵之间设置有过滤装置和炭黑收集装置，从而在不渗碳时，由大通径管路通过，以提高抽气速度的同时，还能大大提高真空泵的使用寿命。

实际应用时，如图1－图4所示，本发明实施例提供的真空渗碳炉还包括：回冲气体系统；该回冲气体系统可以包括：充气机构19、压强调节机构20和安全阀8；充气机构19可以包括：大通径快充阀、微调阀、质量流量计和充气阀门；压强调节机构20可以包括：压力传感器和调节仪；加热时，回冲气体系统能够对真空渗碳炉内的真空度进行调节和控制，从而将真空度调节在设定范围内，以满足特殊材料工艺需要，防止因炉内真空度过高而造成某些低蒸汽压元素的挥发；冷却时，根据压力传感器的反馈使充气阀门开启，冷却气体进入真空渗碳炉内。其中，压强调节机构20能够具有分压功能和缓冲功能。

实际应用时，如图1－图4所示，本发明实施例提供的真空渗碳炉还包括：渗碳系统；该渗碳系统可以包括：渗碳气供给机构21和渗碳控制机构23；渗碳气供给机构21可以包括：多路送气机构、流量调节阀、流量计、电磁阀和喷嘴；多路送气机构可以包括：载气支路、渗碳气支路和氨气支路，载气支路、渗碳气支路和氨气支路上均依次设置有流量调节阀、流量计、电磁阀和喷嘴；渗碳系统能够对渗碳气体温度、渗碳气体时间、渗碳气体压力和渗碳气体流量进行控制，从而能够使渗碳工件得到最小的渗碳渗层深度误差，合理的金相组织分布形态，进而有效地避免了碳黑的产生。其中，喷嘴连接有气缸，气缸用于带动喷嘴伸缩移动；具体地，喷嘴为球形喷头；进一步地，喷嘴均匀分布在待处理工件的周围，从而对工件进行均匀渗碳；此外，在真空渗碳、碳氮共渗热处理工艺中，对于装炉量大、工件密排、有效区中央渗碳不均匀等问题，专门设计此移动式喷气系统，能够有效解决以上问题；该移动式喷气系统可以在高真空高温条件下，依靠气缸的动力，推动渗碳气体沿着喷管移动杆自动的上下伸缩移动，最后通过球形喷头以喷淋的方式均匀的喷入待渗工件中。更进一步地，载气支路中通有氮气；更进一步地，渗碳气之路中通有乙炔。

压力调整系统工作方法可以为：气体面板上配有进口质量流量计，保证渗碳流量的精确控制。渗碳时渗碳压力处于流动平衡状态，通过西门子变频器可以调节罗茨泵的转速，从而调整出口气体的抽速，实现渗碳压力的稳定(渗碳压力变送器采用美国丹纳赫产品，用来控制渗碳室内的渗碳压力)。

再进一步地，如图1－图4所示，上述渗碳系统还可以包括：碳黑收集机构22，该碳黑收集机构22用于收集过渗时产生的炭黑，从而防止在需要过渗时产生的炭黑进入各系统。

实际应用时，本发明实施例提供的真空渗碳炉还可以包括：自动清理机构，该自动清理机构用于清除绝缘件上的碳黑，从而有效减少绝缘件发生短路现象。

真空渗碳中，使用渗碳气体容易造成设备内部碳黑聚集，影响电极引出棒、电极支撑棒、绝缘瓷管的绝缘、清理也不方便，该碳黑自动清理系统专门清理积与加热电极引出棒、支撑棒、绝缘瓷管上的碳黑。该系统主要特点有：能及时有效清除碳黑，不影响生产；采用脉冲式吹气、抽气，自动化程度高；清理后的碳黑进入碳黑专用过滤器，减少对环境的污染，属于环保型系统；采用耐高温喷头，能够在高温条件下进行。自洁系统需要源源不断的脉冲式吹气和抽气，吹气可以及时的清理积累在瓷管上的炭黑，抽气是将炭黑及时的排出炉外，抽气吹气的过程需要整套抽气系统共同完成，抽气系统由储气罐、手动截止阀、减压阀、充气阀、冷却器、抽气阀、过滤器和真空泵组成，吹气时由储气罐抽出来的气体，经减压阀和充气阀进入炉体自动炭黑清理系统进气孔，对渗碳瓷管进行吹气，携带炭黑的气体随后。通过冷却器、抽气阀经过过滤器过滤后通过真空泵排出炉外，整个过程有效的清洁了炭黑，减少了设备的污染损坏。自洁系统以缠绕发热电极棒的方式，以字母P型置于电极瓷管的上方，自洁喷管上开有若干直径很小的吹气小孔，从储气罐过来的气源在压力的作用下直接喷射电极瓷管内壁，起到清除炭黑并绝缘的作用，有效的减少了炭黑的沉积。

实际应用中，由于渗碳温度对渗碳速度有很大影响，随着渗碳温度的提高，渗碳速度显著提高，因此本发明实施例提供的真空渗碳炉的渗碳温度可以为900－1100℃。具体地，所述真空渗碳炉的渗碳温度可以优选为980℃。

进一步地，脉冲方式渗碳是一种将渗碳气体以脉冲方式送入炉内，保压一定时间后，随后排出，又开始另一个循环的渗碳方式。脉冲周期由充气时间+保压时间+抽气时间构成，充气时间和抽气时间相对固定，保压时间可以调解，脉冲抽气越长，渗碳能力越弱；本发明实施例提供的真空渗碳炉的渗碳充气压力可以为0－3kPa，保压转换时间小于10s。

图5为本发明实施例提供的渗碳方法的流程示意图。

如图5所示，本发明实施例还提供一种使用上述任一项所述的真空渗碳炉的渗碳方法，包括如下步骤：步骤S1、制作(φ10mm＊15mm的圆柱)试样，对试样进行清洗烘干并称重，重量为m1；步骤S2、对试样进行相同保温时间、不同保温温度的测试，并检测测试后试样的奥氏体晶粒度，以确定渗碳温度；或，对试样进行相同保温温度、不同保温时间的测试，并检测测试后试样的奥氏体晶粒度，以确定渗碳温度；步骤S3、在渗碳温度下，对试样进行不同压力和流量下的渗碳测试，渗碳时间分别为1分钟、2分钟和5分钟，观察试样的表面情况，以不产生炭黑为标准，确定渗碳压力和渗碳流量；步骤S4、在渗碳温度、渗碳压力和渗碳流量下，对试样进行1分钟和2分钟的强碳测试，测定渗碳后试样的重量m2，并求得渗碳前后的质量差，即m2－m1；步骤S5、通过质量差和渗碳时间，计算出试样的富化率；步骤S6、在渗碳温度、渗碳压力和渗碳流量下，对试样进行1分钟和2分钟的强碳测试，并进行15分钟的扩散测试，检测试样由表面至内心的硬度分布，反算出碳在试样中的扩散速率；步骤S7、通过富化率和扩散速率，计算出强渗时间和扩散时间；步骤S8、检测试样的硬度分布，并与预期结果进行对比；步骤S9、如有偏差，对上述步骤进行微调。

本发明实施例提供的真空渗碳炉及使用其的渗碳方法，能够实现真空渗碳、油淬和加压气冷等热处理工艺；采用卧式真空渗碳方式来实现真空油淬和气淬；采用双室加热室，气淬室和油淬室，以及脉冲及高温渗碳，能够实现一次强渗碳、脉冲渗碳等渗碳方式；能够有效地避免碳黑产生和尖角过渗现象；运用渗碳专家系统合理制定工艺制度配合高级智能控制系统，能够实现渗碳后产品的精确控制，具有渗碳渗层深度误差小，表面碳浓度控制精确高的特点。

本发明实施例再提供一种低压渗碳层碳浓度分布控制系统，包括：低压渗碳炉、控制器、压力传感器、热电偶、氮气调节阀、氮气输入管、渗碳气体调节阀、渗碳气体输入管、真空系统和抽气管。其中：压力传感器与低压渗碳炉的炉膛相连，压力传感器的信号输出段与控制器的数据采集单元相连接并传输低压渗碳炉炉内压力信息，热电偶的热端置于低压渗碳炉炉膛内，热电偶的冷端与控制器的数据采集单元相连接并传输炉内温度的信息，氮气输入管通向低压渗碳炉膛，氮气调节阀设置于氮气输入管上并与控制器的调节控制单元连接接收控制指令，渗碳气体谁管通向低压渗碳炉的炉内压力信息，热电偶的热端置于低压渗碳炉炉膛内，热电偶的冷端与控制器的数据采集单元相连接并传输炉内温度的信息，氮气输入管通向低压渗碳炉膛，氮气调节阀设置于氮气输入管上并与控制器的调节控制单元连接接收控制指令，渗碳气体输入管通向低压渗碳炉的炉膛，渗碳气体调节阀设置于渗碳气体输入管上并与控制器的调节控制单元连接接收控制指令，抽气管的两端分别于真空系统和低压渗碳炉的炉膛相连，真空系统的信号接收端与控制器的调节控制单元连接并接收启动指令。

控制器可以包括：数据输入与存储单元、数据采集单元、数值模拟单元和调节控制单元，其中：数据采集单元与调节控制单元连接传递低压渗碳炉炉膛内压力变化信息和温度变化信息，数控输入及存储单元与数值模拟单元相连接传递材料特性数据和渗碳工件的设计指标，数据模拟单元与调节控制单元连接传递低压渗碳炉膛内的压力变化信息和温度变化信息，数据输入及存贮单元与数值模拟单元相连接传递材料特性数据和渗碳工件的设计指标，数据模拟单元与调节控制单元连接传输优化控制参数，调节控制单元分别与低压脉冲渗碳炉、渗碳气体调节阀、氮气调节阀以及真空系统相连接并传输控制指令信息。

为了解决以上的问题再抽真空的管路上设计了双重过滤器，在渗碳的过程中抽真空系统先经过干过滤器将一些碳黑颗粒先期过滤掉，然后气体中的粉尘再经过油过滤器将其基本过滤干净，从而方能保证真空机组的正常运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种真空渗碳炉，其特征在于，包括：真空炉主机，所述真空炉主机为卧式双室结构；

所述真空炉主机包括炉体和炉门，所述炉体的前室为冷却室，中间为真空密封隔热的闸阀，后室为加热渗碳室；所述炉体和所述炉门之间设置有锁圈式密封结构，且所述锁圈式密封结构安装在所述炉门的法兰凹槽中；所述冷却室和所述加热渗碳室也均设置有所述锁圈式密封结构；所述锁圈式密封结构的启闭为双气缸启动形式，且所述锁圈式密封结构与所述炉门之间设置有多个斜面自锁；

所述加热渗碳室内设置有加热元件，所述加热元件包括有石墨加热管，电源由变压器通过水冷电极、铜排或同载流量的铜质编织带、石墨电极与所述石墨加热管相连，且所述水冷电极为铜质水冷电极；

还包括：油冷却系统，所述油冷却系统包括：双壁水冷淬火油槽、油搅拌装置和油加热器；所述油搅拌装置包括：减速电机、叶轮、转向器、密封通道和导流板；所述油加热器设置在所述双壁水冷淬火油槽的底部，且所述油加热器由电加热管构成；所述油冷却系统由封闭式冷却塔通过控制独立的油箱水冷壁的水流量以实现油温控制；所述油冷却系统还包括：水平送取料机构和油淬火升降机构；所述水平送取料机构通过滑线轴承实现料件的进出；所述油淬火升降机构设置有张紧轮。

2.根据权利要求1所述的真空渗碳炉，其特征在于，还包括：真空系统；所述真空系统包括：真空主机、真空阀门、真空管路及真空测量组件；

所述真空主机由三级四泵组件构成，所述三级四泵组件包括：维持泵、旋片泵、罗茨泵和扩散泵；所述扩散泵配置有独立冷阱，所述旋片泵与所述罗茨泵之间、所述罗茨泵与所述扩散泵之间均设置有所述真空测量组件；

所述真空阀门为气动高真空挡板阀，所述气动高真空挡板阀与控制器连接，且联动互锁；

所述真空测量组件由数显电阻真空计和硅管构成，所述数显电阻真空计能够实现测量过程中的量程自动转换和超程保护，并具有设定控制功能、数据输出功能及故障报警功能。

3.根据权利要求1所述的真空渗碳炉，其特征在于，还包括：回冲气体系统；所述回冲气体系统包括：充气机构、压强调节机构和安全阀；

所述充气机构包括：大通径快充阀、微调阀、质量流量计和充气阀门；所述压强调节机构包括：压力传感器和调节仪；

加热时，所述回冲气体系统能够对所述真空渗碳炉内的真空度进行调节和控制；冷却时，根据所述压力传感器的反馈使所述充气阀门开启，冷却气体进入所述真空渗碳炉内。

4.根据权利要求1所述的真空渗碳炉，其特征在于，还包括：渗碳系统；所述渗碳系统包括：渗碳气供给机构和渗碳控制机构；

所述渗碳气供给机构包括：多路送气机构、流量调节阀、流量计、电磁阀和喷嘴；所述多路送气机构包括：载气支路、渗碳气支路和氨气支路，所述载气支路、所述渗碳气支路和所述氨气支路上均依次设置有所述流量调节阀、所述流量计、所述电磁阀和所述喷嘴；

所述渗碳系统能够对渗碳气体温度、渗碳气体时间、渗碳气体压力和渗碳气体流量进行控制。

5.根据权利要求4所述的真空渗碳炉，其特征在于，所述喷嘴连接有气缸，所述气缸用于带动所述喷嘴伸缩移动。

6.根据权利要求1－5任一项所述的真空渗碳炉，其特征在于，所述真空渗碳炉的渗碳温度为900－1100℃。

7.根据权利要求6所述的真空渗碳炉，其特征在于，所述真空渗碳炉的渗碳充气压力为0－3kPa，保压转换时间小于10s。

8.一种使用上述权利要求1－7任一项所述的真空渗碳炉的渗碳方法，其特征在于，包括如下步骤：

制作试样，对所述试样进行清洗烘干并称重，重量为m1；

对所述试样进行相同保温时间、不同保温温度的测试，并检测测试后所述试样的奥氏体晶粒度，以确定渗碳温度；或，对所述试样进行相同保温温度、不同保温时间的测试，并检测测试后所述试样的奥氏体晶粒度，以确定渗碳温度；

在所述渗碳温度下，对所述试样进行不同压力和流量下的渗碳测试，渗碳时间分别为1分钟、2分钟和5分钟，观察所述试样的表面情况，以不产生炭黑为标准，确定渗碳压力和渗碳流量；

在所述渗碳温度、所述渗碳压力和所述渗碳流量下，对所述试样进行1分钟和2分钟的渗碳测试，测定渗碳后所述试样的重量m2，并求得渗碳前后的质量差，即m2－m1；

通过所述质量差和渗碳时间，计算出所述试样的富化率；

在所述渗碳温度、所述渗碳压力和所述渗碳流量下，对所述试样进行1分钟和2分钟的渗碳测试，并进行15分钟的扩散测试，检测所述试样由表面至内心的硬度分布，反算出碳在所述试样中的扩散速率；

通过所述富化率和所述扩散速率，计算出强渗时间和扩散时间；

检测所述试样的硬度分布，并与预期结果进行对比；

如有偏差，对上述步骤进行微调。