CN1590578A - 离子渗氮炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子渗氮炉，属于金属热处理设备。该渗氮炉由弧形炉盖、圆形炉筒、弧形炉底座、快速冷冻系统、阴极输电装置和测温装置等构成。特点是弧形炉盖上设有快速冷冻系统，同时起到均匀炉温的作用，而阴极输电装置横卧于阴极盘下方，不承受重量，圆形炉筒用水冷层和真空层(空气层)所组成的隔热层与隔热屏共同隔热，炉底座为弧形，阴极输电装置和测温装置设置在其侧面。冷却水和真空层(空气层)接头采用快速接头，优点是冷却速度快、工件温度均匀性好、节能、维护保养方便和吊扣时不带有任何冷却水管和气管。尤其适于钢铁零件的渗氮处理和金属表面强化处理。

Description

离子渗氮炉

技术领域

本发明涉及离子渗氮的专用设备，属于热处理设备领域。

背景技术

离子渗氮是一种可以显著提高钢铁零件表面耐磨损、疲劳、腐蚀、抗高温氧化和提高工件寿命的金属表面强化工艺。它是将待处理的工件放在真空容器中，并充以133～1333pa低压的含氮气体，以工件作为阴极，真空容器的壁罩作为阳极或在容器内另设金属阳极，在阴阳极之间加上数百伏直流电压，两极间的稀薄气体被电离，从而产生辉光放电的工艺过程。当辉光被点燃后，由于容器中的气体被电离，正离子向作为阴极的工件运动，电子将飞向阳极，这样阴阳极间就有连续的电流通过，氮和氢的离子在高压电场的作用下，以很大的能量轰击工件表面，产生大量的热量把工件加热到所需要的温度，同时氮的正离子在工件表面产生复合，化学反应和吸附、扩散的物理化学反应，较快的形成了高硬度的氮化层及多元素的化学层。用于完成这种工件表面强化工艺的专用设备，称之为离子渗氮炉。

现有的离子渗氮炉有罩式炉、井式炉和通用式炉，根据离子渗氮工艺的要求，其整套设备包括真空炉体、真空系统、供气系统和供电系统。

为了保证离子渗氮的质量，通常要求离子渗氮真空炉有：①良好的气密性，以适应炉内要达到133～1333pa真空度的要求。②良好的绝缘性，在阴阳极之间有500～1000伏的直流电压时，保证阴极引线穿过炉体时与炉体绝缘。③由于炉体的密封绝缘材料耐热温度较低，一般只有60～90℃，而渗氮时炉温为500～600℃，因此真空炉体要有良好的隔热性。

在已有的技术中，最典型的为通用式离子渗氮炉。这种炉子主要由炉盖、圆形炉筒、平板炉底座、通用炉体的底部与阴极盘之间的阴极输电装置、真空系统、供气系统和供电系统构成。这种通用式离子渗氮炉适用于处理细长和粗短的工件，通用性强，但也存在着一些不足之处：①真空炉体全部采用水冷，损耗能源极大。②工件冷却时速度缓慢，不利于处理后工件的质量和工作效率。③处理长工件时，上下温差大，温度均匀性差。④阴极输电装置结构不合理，常出现密封性不好、屏蔽间隙破坏和打弧现象。⑤炉底座是平板结构，承载能力低，浪费材料，不利于气体流动循环，常出现死角。⑥供气系统、真空系统、水冷系统和供电系统都安置在炉底的下部，使维修保养工作很不方便。⑦冷却水通过橡胶管与炉体各部相连，对吊扣炉体非常不便。⑧为使炉盖、炉筒和炉底座工作时成为整体阳极，需用导线将它们互相联接起来。

发明内容

为了解决现有技术上的不足，提供一种节能、工件冷却时速度快、工件温度均匀性好、阴极输电装置结构合理、密封性好、屏蔽间隙不被损坏、不产生打弧现象、承载能力高、节省材料、炉内气体循环顺畅、维修保养方便、吊扣炉体时不带任何冷却水接管和工作时整个炉壳自动成为阳极的离子渗氮炉，特提出本发明的技术解决方案：

一种离子渗氮炉，由炉体、炉盖、炉底座和测温装置组成，其特征在于该炉还包括炉气循环和炉温快速冷却系统，隔热屏蔽系统，阴极板支撑系统，阴极输电系统，空气及冷却水快速连接系统以及炉体阳极自动连接装置。

所述的炉气循环及炉温快速冷却系统由真空电机3，离心风扇1，压力安全阀2，电接点压力表5，热交换器6，导流板7，隔热板17，隔热屏16和导向环板10组成，冷却气体经真空阀通过供气管接头23，进气环管18进入炉内，在离心风扇作用下经导向环板10，隔热屏16与圆形炉筒15间流动，带走工件上的热量，并通过热交换器6实现循环冷却；同时在真空层8的共同作用下实现炉气的循环，保持炉温的均匀性。

所述的隔热屏蔽系统是指由炉体15及上下端法兰所围成的水冷层[9]，真空层8和隔热屏6所组成的隔热层，通过转换器可对前述真空层8进行抽空或充气。

所述的阴极支撑系统由调节螺栓48，螺母49，外屏蔽套50，定位套51和内屏蔽套52，支撑座53和底座54所组成，并在外屏蔽套50和内屏蔽套52之间形成规定尺寸的间隙保护层及在内屏蔽套52与支撑座53之间形成防溅射的气体保护层。

所述的阴极输电系统包括固装在弧形底座11上的阴极导套69以及由导电插头55，导电杆67，导电板45及螺母65组成的导电组件及套装在该导电组件上的绝缘套56，绝缘压套71，起防溅射作用的绝缘套68，防溅套60，绝缘定位套61，金属内绝缘套62，金属外绝缘套63，以及将导电构件与防溅绝缘件紧固在一起的压板57，压紧螺母58紧固螺钉70，通过导电板45与阴极支撑系统实现软连接。

所述的空气及冷却水快速连接系统，系指在所述管路中采用快速连接的管接头装置，保证炉盖吊扣时不拖带供水供气管路。

所述的炉体阳极自动连接装置是指在弧形炉底座11的法兰和圆形炉筒15的上法兰设置通孔，内装阳极柱76和弹簧77，下端带紧固螺母78，阳极柱通过螺母与连接导线相连接，连通导线的另一端通过螺栓和螺母与圆形炉筒15和弧形炉底座11相连。

所述的离子渗氮炉，其特征在于所述的测温装置包括由热电偶38，热电偶绝缘套35、36、37和密封圈40组成的测温组件，并通过压紧螺母39和螺钉及隔热绝缘套42和屏蔽套43将其装在弧形底座11上的热电偶套管41中。

本发明与已有技术相比，其技术性能差异见下表。主要优点是：①炉体设计成真空隔热层8，保温性能好，可节省能源12％。②真空电机控制气体流动，使处理的工件温度均匀性好，上下温差非常小。③阴极输电装置44结构合理，密封性好，构成气隙保护层两侧的构件虽是金属构件，但不产生“打弧”现象。④炉底座11设计成弧形，所以耐压能力高，在同样条件下可节省材料50％。⑤炉内气体循环好，没有死角。⑥由于脏物沉积在弧形炉底座11的最底部，而抽气环管12高于底部，所以不会进入真空泵中。⑦炉体的阴极输电装置44、热电偶测温装置和所需的抽气管路出口设计在弧形炉底座11的侧面，因此维护保养和维修很方便。⑧由于弧形炉盖4上设有快速冷却系统，故冷却速度加快。⑨圆形炉筒15及其下法兰处设有多个冷却水快速接头，吊扣时不带有任何水管，方便工作。

本发明技术与已有技术性能比较

炉体结构	炉壁入水温度(℃)	炉壁出水温度(℃)	升温时间(H)	炉温均匀性
					无隔热层	17	55	4.5	不好
真空层(空气层)	17	38	2.2	好
					备注	当处理工件表面积相同、工艺条件相同条件下，采用隔热时，热效率可提高30％。

附图说明

图1是本发明所设计的离子渗氮炉正视剖面示意图。

图2是发明离子渗氮炉整套设备示意图。

图3是本发明所设计的圆形炉筒侧壁结构的剖面示意图。

图4是弧形炉盖的正视剖面示意图。

图5是弧形炉盖的俯视示意图。

图6是本发明弧形炉底座结构正视剖面示意图。

图7是本发明弧形炉底座结构俯视剖面示意图。

图8是图7A-A向视图。

图9是图7B-B向视图。

图10是本发明阴极支撑装置的正视剖面结构示意图。

图11是本发明所设计的阴极输电装置剖面结构示意图。

图12是本发明阳极自动连接装置的剖面示意图。

图中：0、炉体  1、离心风扇  2、安全阀  3、真空电机  4、炉盖5、电接点压力表  6、热交换器  7、导流板  8、真空层  9、水冷层10、导向环板  11、弧形炉底座  12、抽气环管  13、阴极支撑装置14、阴极盘  15、圆形炉筒  16、隔热屏  17、隔热板  18、进气环管19、热交换器冷却水进出口管接头  20、炉盖冷却水进口管接头21、炉盖冷却水出口管接头  22、吊炉环  23、供气管接头  25、燕尾槽26、阴极座  29、O型密封圈  31、固定螺钉  32、真空排气阀33、真空规管  34、联接板  35、热电偶绝缘套III  36、热电偶绝缘套II37、热电偶绝缘套I  38、热电偶  39、压紧螺母  40、密封圈41、热电偶导套  42、隔热绝缘套  43、屏蔽套  44、阴极输电装置45、导电板  46、螺母  47、螺栓  48、调节螺栓  49、螺母50、外屏蔽套  51、定位套  52、内屏蔽套  53、支撑座  54、底盘55、导电插头  56、插头绝缘套  57、压板  58、压紧盖  59、密封圈60、防溅套  61、绝缘定位套  62、金属内绝缘套  63、金属外绝缘套64、垫圈  65、螺母  67、导电杆  68、绝缘套  69、阴极导套70、螺栓  71、绝缘压套  72、供电系统  73、真空系统  74、供气系统75、快速冷却系统  76、阳极柱  77、弹簧  78、螺母

具体实施方式

如图所示。其中图1是本发明所设计的离子渗氮炉的正视剖面结构示意图。它是由弧形炉盖4、快速冷却系统、圆形炉筒15、弧形炉底座11及横置于弧形炉底座11侧面的阴极输电装置44和热电偶测温装置所构成。快速冷却系统由真空电机3、离心风扇1、压力安全阀2、电接点压力表5、热交换器6、导流板7、隔热板17、隔热屏16和导向环板10等组成。冷却气体经真空阀通过供气管接头23、进气环管18进入炉内，在真空电机3带动的离心风扇1吹动下，通过隔热板17与处理的工件接触带走热量，经过导向环板10的导向，在隔热屏16与圆形炉筒15内层钢板间流动，再通过导流板7，在离心风扇1的吹动下，经过热交换器6的冷却(带走热量)，循环地冷却工件。当需使工件温度均匀时，打开真空电机3带动离心风扇1，吹动渗氮气体在处理的工件上下不断的循环(与冷却气体流动方向一致)，在与真空层8的共同作用下，达到很好的温度均匀性。

图2是发明离子渗氮炉整套设备示意图。该离子渗氮炉整套设备是由离子渗氮炉体0、及公知的真空获得系统73、供气系统74、供冷却水系统75和供电系统72所构成。

图3是本发明所设计的圆形炉筒15侧壁结构形式的剖面结构示意图。其外面是水冷层9，向内是真空层(空气层)8，最里面是隔热层16。在圆形炉筒15的上端面的法兰上，设有燕尾槽25，以备安装“O”型密封圈29，并设有安放阳极自动连接装置的T型通孔，以使弧形炉盖4、圆形炉筒15、弧形炉底座11三者相连接，成为离子渗氮炉0的阳极。

图4是弧形炉盖4的正视剖面图。它由真空电机3、离心风扇1、压力安全阀2、电接点压力表5、热交换器6、导流板7、供气管接头23、进气环管18、热交换器冷却水进出接头19、炉盖冷却水进、出接头20、21和吊炉环22等组成。本技术方案中，炉盖冷却水层结构对炉体密封圈和真空电机密封圈起保护作用，导流板7同时起到规定气体流动方向和弧形炉盖4隔热屏作用。

图5是弧形炉盖4的俯视示意图。其上面处于炉体0轴线位置设有真空电机3，该轴线对称地还设有系统的安全装置-电接点压力表5和压力安全阀2。弧形炉盖上方有热交换器冷却水管接头19，炉盖冷却水进、出口管接头20、21和供气管接头23。弧形炉盖4的顶部设有互成120度的吊炉环22。

图6是本发明弧形炉底座11结构正视剖面图。弧形炉底座11里面设有三个阴极座26。阴极盘14由放置在其上面的阴极支撑装置13支撑，在法兰上面设有燕尾槽25。其内安放“O”型密封圈29，在弧形炉底座11最底部设计有抽气环管12。弧形炉底座11的中央设计有排气管，其上在炉内装有抽气环管12，并有固定螺丝31，炉外装有真空排气阀32和真空规管33，在弧形炉底座11法兰上有与圆形炉筒15相连接的连接板34。

图7是本发明弧形炉底座4结构俯视示意图。在环形燕尾槽内有“O”型密封圈29，在炉底座的侧面相距15度，分别设计有A-A的热偶测温装置和B-B的阴极输电装置44。阴极输电装置44从弧形炉底座11的侧面伸进炉膛内，而处于阴极盘14的下方。

图8是图7A-A向视图，本发明所设计的测温装置剖面结构示意图。通过用水冷层冷却的弧形炉底座11的侧面，固接有热电偶导套41，在导套41里沿其轴线，热电偶38安装在热电偶绝缘套(I)37、热电偶绝缘套(II)36、热电偶绝缘套(III)35中，其上安装有绝缘套40，将它们放入热电偶导套41里，拧紧压紧螺母39密封，再将隔热绝缘套42穿过热电偶38，拧紧在热电偶导套41炉内一端，最后将屏蔽套43穿过热电偶38靠螺钉固定在隔热绝缘套42上，形成间隙保护层。在炉外部只须将热电偶引线插头插入，即完成测温。

图9是图7B-B向视图，本发明所设计的阴极输电装置44与阴极盘连接结构示意图。阴极盘由螺栓47、螺母46在两边固定，再通过导电板45与阴极输电装置44连接。

图10是本发明阴极支撑13的正视剖面结构示意图。它由调节螺栓48、螺母49、外屏蔽套50、定位套51、内屏蔽套52、支撑座53和底盘54组成。调节螺栓48、螺母49可调节阴极盘14的高度，外屏蔽套50与内屏蔽套52之间，形成规定尺寸的间隙保护层；内屏蔽套52和支撑座53之间有气隙保护层，起到防溅作用。

图11是本发明所设计的阴极输电装置44剖面示意图。在通过用水冷层冷却的弧形炉底座11的侧面，固接有阴极导套69，在阴极导套69里沿其轴线安装有通过密封圈与其密封的绝缘套68、通过密封圈59与绝缘套68密封的导电杆67、防溅套60、绝缘定位套61和金属外绝缘套63，用螺母65通过垫圈64压紧，在金属内绝缘套62和金属外绝缘套63之间，便形成了一个规定的间隙保护层，再将将导电板66紧固在导电杆67上，导电板66与阴极盘相连接，再通过阴极导套69伸出弧形炉底座外侧的一端，向其内安装绝缘压套71、压板57，用螺栓70紧固，在导电杆67的端头安装导电插头55、插头绝缘套56，最后用压紧盖58紧固，这样电流便通过电源线、导电插头55、导电杆67和导电板66到达阴极盘14上了。

图12是本发明阳极自动连接装置的剖面示意图。在弧形炉底座11的法兰和圆形炉筒15的上法兰设有通孔，内装有阳极柱76和弹簧77、下端紧固螺母78。阳极柱通过螺母78与连通导线相连接，连通导线的另一端通过螺栓和螺母与圆形炉筒15和弧形炉底座11相连。

本发明具体实施方式还包括对38CrMoAl缸套进行氮化处理，氮化层厚度要求为0.2mm，本发明的离子渗氮炉中渗氮的工艺过程按下述步骤进行：

①设备检查

用1000伏兆欧表检查阴阳绝缘度不低于10兆欧情况下装载工件，在接通外部电源前，电控柜和控制面板各开关处于“断”的位置。

②工件准备

工件须严格去除毛刺、铁迹漆痕、油污等疵病，用清洗剂清洗，清水冲洗、擦干、堵塞防渗的孔、沟槽等部位。

③装炉渗氮

将缸套堆放在阴极盘上，工件间相距20mm，阴阳极之间保持在50mm左右的距离，然后扣合炉体，通过阳极自动连接装置，使整个炉体带阳极电位，工件为阳极，接好所有快速接头，关闭放气阀，将炉筒的隔热层转换阀转至“抽真空”位置，合上外部电源开关，全部停止按钮信号灯亮(即红灯亮)，开通电阻真空计，预热半小时，调整好电阻真空计的零点，检查供气系统，向炉体、真空泵送水冷却，再启动真空泵抽真空，测量真空度大于6.7Pa后，接通直流电源，调升高压起辉打弧，待辉光逐渐稳定后，调节供气阀门，控制气压在1090Pa，电压在800V，电流密度为2.0Ma/cm²，然后逐步升温至600℃，期间几次打开真空电机进行均匀缸套温度，到温后保温8小时。

④快速冷却出炉

停止直流电源，各开关恢复至零位。将炉筒的隔热层转换阀转至“放空气”位置，关闭渗氮气体，打开冷却气体，开动快速冷却系统，使工件快速冷却至150℃以后，停真空泵，打开放气阀，放掉炉中气体，吊起炉盖和炉筒，取出工件检查。

⑤质量检查

金相检查渗层厚度为0.12mmm，渗层由表面向心部金相组织为ε→ε+γ′→γ′+α→α，其平均硬度为Hv1050，均超过要求。

Claims (8)

1、一种离子渗氮炉，由炉体、炉盖、炉底座和测温装置组成，其特征在于该炉还包括炉气循环和炉温快速冷却系统，隔热屏蔽系统，阴极板支撑系统，阴极输电系统，空气及冷却水快速连接系统以及炉体阳极自动连接装置。

2、根据权利要求1所述的离子渗氮炉，其特征在于所述的炉气循环及炉温快速冷却系统由真空电机(3)，离心风扇(1)，压力安全阀(2)，电接点压力表(5)，热交换器(6)导流板(7)，隔热板(17)，隔热屏(16)和导向环板(10)组成，冷却气体经真空阀通过供气管接头(23)，进气环管(18)进入炉内，在离心风扇作用下经导向环板(10)，隔热屏(16)与圆形炉筒(15)间流动，带走工件上的热量，并通过热交换器(6)实现循环冷却；同时在真空层(8)的共同作用下实现炉气的循环，保持炉温的均匀性。

3、根据权利要求1或2所述的离子渗氮炉，其特征在于所述的隔热屏蔽系统系指由炉体(15)及上下端法兰所围成的水冷层(9)，真空层(8)和隔热屏(6)所组成的隔热层，通过转换器可对前述真空层(8)进行抽空或充气。

4、根据权利要求1或2所述的离子渗氮炉，其特征在于所述的阴极支撑系统由调节螺栓(48)，螺母(49)，外屏蔽套(50)，定位套(51)和内屏蔽套(52)，支撑座(53)和底座(54)所组成，并在外屏蔽套(50)和内屏蔽套(52)之间形成规定尺寸的间隙保护层及在内屏蔽套(52)与支撑座(53)之间形成防溅射的气体保护层。

5、根据权利要求1或2所述的离子渗氮炉，其特征在于所述的阴极输电系统包括固装在弧形底座(11)上的阴极导套(69)以及由导电插头(55)，导电杆(67)，导电板(45)及螺母(65)组成的导电组件及套装在该导电组件上的绝缘套(56)，绝缘压套(71)，起防溅射作用的绝缘套(68)，防溅套(60)，绝缘定位套(61)，金属内绝缘套(62)，金属外绝缘套(63)，以及将导电构件与防溅绝缘件紧固在一起的压板(57)，压紧螺母(58)紧固螺钉(71)，通过导电板(45)与阴极支撑系统实现软连接。

6、根据权利要求1或2所述的离子渗氮炉，其特征在于所述的空气及冷却水快速连接系统，系指在所述管路中采用快速连接管接头装置，保证炉盖吊扣时不拖带供水供气管路。

7、根据权利要求1或2所述的离子渗氮炉，其特征在于所述的炉体阳极自动连接装置是指在弧形炉底座(11)的法兰和圆形炉筒(15)的上法兰设置通孔，内装阳极柱(76)和弹簧(77)，下端带紧固螺母(78)，阳极柱通过螺母与连接导线连接，连通导线的另一端通过螺栓和螺母与圆形炉筒(15)和弧形炉底座(11)相连。

8、根据权利要求1所述的离子渗氮炉，其特征在于所述的测温装置系统由热电偶(38)，热电偶绝缘套(35)、(36)、(37)和密封圈(40)组成的测温组件，并通过压紧螺母(39)和螺钉及隔热绝缘套(42)和屏蔽套(43)将其装在弧形底座(11)上的热电偶套管(41)中。

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