CN1936030A - 氢淬火单室真空炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种操作用氢冷却的硬化炉的方法，有以下方法步骤：将工件填入炉内腔；密封所述炉内腔；抽空所述炉内腔；以保护气体填充所述炉内腔；通过循环所述保护气体对所述工件进行对流加热；排空所述炉内腔；进一步通过辐射加热而加热所述工件并保持理论温度；停止加热并用高压氢填充所述炉内腔，并循环氢以冷却所述工件；抽空所述炉内腔；用保护气体填充所述炉内腔直至达到约为大气压力；打开所述炉并卸出所述工件。

Description

氢淬火单室真空炉

技术领域

本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分特征的操作具有单室真空炉的热处理设备的方法，以及涉及一种单室真空炉。

背景技术

在传统的气体淬火单室真空炉中，迄今已经进行了不同的热处理方法。这些方法包括对工具钢、高速钢、热和冷工作钢的退火、焊接、烧结、除气、硬化，以及零下冷却和回火。

将来，硬化低合金钢和真空气体渗碳的方法也会被加入到这些热处理方法中。扩展应用范围的需要源自热处理操作成本的显著增加。影响生产成本的最显著因素是炉设备每年的运行小时数。如果与客户已经签订了长期的合同，可以对上述的两种方法采用专用炉进行热处理操作。对于其余的业务，就仅仅是短期合同义务而言，需要很大的灵活性。这意味着如果可能的话，采用与已提及的标准方法用的炉相同的炉进行上述的两种方法。

迄今为止，低合金钢主要是在油淬火(所谓的密封式淬火)的受控大气炉中硬化。在专用的多室系统中进行真空气体渗碳，其中淬火采用了油槽或者具有氮或氦的高压淬火台。

因为当在气体中淬火时，被硬化材料的变形较小，不需要后续的清洁，因此气体淬火是优选的。通常在现有技术中为此所使用的多室炉非常昂贵，所述多室炉被特别开发用于汽车供应配件或类似配件的大批量生产。它们缺乏灵活性以适应于赋予它们的目标和任务的改变。此外，在单室炉的情况下，必须更好地控制和监控生产过程。这是因为在生产过程中，工件必须不被移动，因此必须使直接在工件上或工件中设置测量传感器是可能的，以能够记录它的实际温度。

当前，标准的单室真空炉是在10巴的氮淬火下操作的，并在结构钢螺栓的材料核(material core)中达到如下的lambda值：

对于20mmφ×40mm长的螺栓    Lambda＝0.35

对于40mmφ×80mm长的螺栓    Lambda＝0.65

对于80mmφ×160mm长的螺栓   Lambda＝1.50

对于120mmφ×240mm长的螺栓  Lambda＝2.35

在此，Lambda值是从800℃到500℃的冷却时间，以秒为单位，除以100。冷却速率的值比当在油槽中淬火时能达到的值慢得多。

在R.Hoffmann，H.Steinmann和D.Uschkoreit所作的“气体冷却的可能性和限制”，HTM47-1992，p.2ff.期刊文章中描述了当前的现有技术。对于硬化低合金钢和真空气体渗碳，必须将淬火速率大大增加到迄今被认为在单室炉中实现不了的值。

发明内容

为了扩展上述的单室真空炉的应用范围，本发明的目的是获得相应于在油槽中淬火的淬火速率。

该目的是通过具有权利要求1所述的特征的方法和具有权利要求8所述的特征的单室真空炉来实现的。

附图说明

参见如下示例的实施方式和附图对本发明进行描述。

图1示出温度、压力的基本时间曲线，以及在对工件气体渗碳时供应的气体的类型；

图2示出操作中的基本设备部件的空间布置的概略图；以及

图3示出适用于图1中方法的硬化炉从一侧的横截面。

具体实施方式

在图1中，示出了当执行根据本发明的方法时，在硬化炉内部的温度的时间曲线1。曲线2示出在执行该方法时在硬化炉内部的压力随时间变化的曲线。在此时间刻度—通常表示从处理开始到结束的5个小时期间—被设置在水平X轴上。温度刻度覆盖从0℃到1200℃的范围。压力刻度被设置在图表的右手侧，并以巴的绝对值表示压力，从0巴到10巴，0巴为真空。

在图表下方，示出了在何时进入设备的何种气体，以及何时施加真空。在此后将对该图详细介绍。

首先描述在5小时的处理时间上的温度曲线。曲线1示出了开始于室温的曲线，其为温度曲线1的段1a。然后，开始加热，并沿着段1b将炉加热到约1050℃的温度。适合于该炉的不同的渗碳应用中所需的温度介于800℃到1100℃。

在此示例性实施方式中预定的1050℃的目标温度下，在段1c保持恒定的该炉温度。段1c约1小时长。在段1d中，炉在约20分钟时间内被迅速冷却。然后，温度保持恒定直到处理结束，即，直到卸出工件。此段用1e表示。

曲线2表示的压力曲线起初从1巴开始，即环境压力。这对应于当硬化炉被加载时炉内部的空气。在曲线的段2a中，炉抽空要约20分钟的时间。在开始加热之前除去炉中的空气，以便不会发生氧化。或者，在开始加热，即，在温度曲线的1a到1b的过渡处，向炉空间充入用作保护气体的约2巴的氮。保持该压力约2小时的时间，其对应于压力曲线上的段2b。炉充入的氮被保持至高达700℃的温度。在炉中的工件被对流加热至此温度范围。然后通过应用真空来抽空炉。段2c表示了相应的压力从2巴降低到0巴。进而，通过辐射加热实现工件从700℃加热到1050℃。

在炉空间中达到真空之后—用2d表示—在约30毫巴的压力下，含碳气体在短时间内被重复地导入炉空间中。该气体，例如乙炔，通过在时间间隔2e期间在工件表面的热分解，在表面加载碳。碳从表面扩散到工件中。为了在整个渗碳层的厚度上获得更均匀的碳浓度，在渗碳阶段2e之间提供了所谓的扩散阶段2f，在扩散阶段中通过施加真空将气体从炉空间中排出。工件表面吸收碳直到没有更多的碳能够扩散进入工件中。根据所需要的碳分布可重复阶段2e和2f。在此示例性实施方式中，共有四个渗碳阶段2e。该示例性实施方式包含可能适于薄壁工件的处理步骤，其可形成相对小的渗碳深度。

在最后的扩散阶段2f完成后，内炉空间被抽空直到所注入的氢气达到绝对压力10巴的点。同时，启动加热并一直升高温度，直到将曲线段1c的温度保持为恒定。由于沿曲线1d的氢冷却，温度迅速下降到环境温度。氢冷却段被标注为2g。用在炉内的高效风扇产生的氢气循环来帮助散热。由于同时冷却，使在冷却期间工件的变形(displacement)最小化，在炉空间中的氢气流被偏转若干次以便从若干侧用对工件施加冷却空气。当完成冷却到几乎为室温时，在段2h中从炉空间除去氢气直到达到真空。将氮充入内腔，使其从0巴一直到环境压力，以对内炉空间进行卸载，其以曲线段2i示出。然后如果开启炉，空气进入内空间，压力被设置为大气压力。用2k表示压力曲线的此段。

在有更多的实心工件的情况下，还可以制定规定以使淬火最初进行到马氏体起始线之上的一点，保持温度直到工件的边缘温度和核心温度相等。然后，还可以进一步地进行淬火直到大致达到室温。

所述的方法提供了如下可能性：在单室真空炉中，实现了只有在油淬火或水淬火期间才可能实现的冷却速率。冷却速率取决于在段1d中的曲线1的边缘陡度。虽然在硬化车间中用氢气冷却工件的方法为公知的，因为考虑到其安全问题不能够被经济地解决，实践中在单室真空炉中不使用此方法。

在此，所述的方法中发现了一个新的解决安全问题的方案。当用氢充填炉内腔时爆炸的风险增加了，因为，一方面，在炉内提供了点燃源，即，工件被保持在1000℃以上；另一方面，氢气作为可氧化的气体存在。为消除爆炸的风险，所有的氧气必须被排除在炉内腔以外。这在根据本发明的方法中是这样实现的：在炉加载后通过抽空而在起初在段2a将存在的空气几乎完全地清除。然后建立了氮保护气氛(2b)，其之后在处理过程中也被抽走。然后，用氮气将来自大气的或者由于给工件除气而残余的任何氧气冲走。最后，将不与氧气反应的渗碳气体注入到炉中。此气体被反复地抽吸，等于对炉内腔的进一步冲洗。

如果在段2g将氢气注入到内腔，就不会再有任何的氧气存在。因此就完全地消除了爆炸的风险。在冷却阶段，也不会有氧进入炉内腔。然后通过排出阀将氢排出进入烟道，当达到大气压力时，通过真空泵将残余的氢气抽出炉内腔(段2h)。然后在段2i充入氮而将存在的残余氢稀释，直到无论如何不会形成进一步的可燃混合物。在那时，炉内腔里也没有点燃源，因为整个炉已经被冷却到接近室温。风扇的驱动马达和加热装置被无电流开启。在段2k中的打开炉—用于卸出其中残存物—并不是完全关键的。在打开期间进入的空气被认为既不是点燃源也不会产生足以建立爆炸条件的氢浓度。

在段2h被泵出的氢通过烟道穿过气密管和真空管排出到操作建筑物外面的大气中。在氢被泵出后，用氮完全地冲洗烟道17以确保没有能够形成可燃混合物的氢气留在里面。

图2示出了操作建筑物的更多细节。

图2示出用于执行如上所述的方法的操作建筑物的概略图。所述操作建筑物10设计为一个车间，其中通过内在的公知方法安装有硬化炉11。在所述建筑物的外侧设有氢存储罐12。另外，将气态氮的存储罐13设置成邻近液态氮的另一个存储罐14。用于气态供应的两个存储罐12和13被连接管15、16连接到硬化炉11。

硬化炉11还提供有烟道17，其从建筑物导入大气。在此情况下，烟道17被设计为高于建筑物的脊线10。

硬化炉11在其左前侧设有密封盖18，其能够被开启以装载和卸载硬化炉11。在密封盖18的平面之后示出了阴影区20，其中采用了特殊措施预防对外部增加的部件和管道的机械损伤。机械地保护阴影区20使得例如叉车等机器穿过硬化炉10的附近的区域是不可能的。由于安装有影响起重机控制的适当的机械装置或电预防措施，龙门起重机也不可能穿过阴影区20。为此目的，可以设置屏障、导向板或者甚至笼。这些安全预防措施防止带有氢的管道15、17、相关的阀装置和泵、以及硬化炉本身被损坏而使得氢逃逸到操作建筑物10内。

硬化炉11的密封盖18还设有周边密封，其在操作期间通过保护性气体的超压(excess pressure)安全封闭地密封。这防止了在操作阶段发生的从真空到超压过渡时发生泄漏，如图1的曲线2所示。

由于所述的安全预防措施，为防止爆炸设计阴影区20并不必要。相对于在硬化操作中氢冷却的现有技术概念，这导致了设备和操作成本的降低。

最后，图3示出硬化炉11的放大示意图。所述炉被设计为带有风扇的单室真空炉，所述风扇的旋转轴与炉的中心轴相同。炉门18被特别地配置以防止在真空和超压之间的过渡期间发生泄漏。在已公开的来自同一个申请人的专利申请的说明书WO2004/096427A1中有更详细地描述。它还提到了建立垂直单室炉并在与炉外壳连接的外部壳体中安装冷却风扇和热交换器。

所述的设备和方法的初始试验示出在结构钢螺栓的材料核中能够实现以下的lambda值：

Lambda＝0.10，对于20mmφ×40mm长的螺栓

Lambda＝0.26，对于40mmφ×80mm长的螺栓

Lambda＝0.72，对于80mmφ×160mm长的螺栓

Lambda＝1.30对于120mmφ×240mm长的螺栓

这些值对应于在油中淬火。

为了进一步地提高可达到的冷却速率，可以提供存储若干立方米的保持在约3℃-5℃低温的冷却水，以在冷却过程的前30-60秒注入到热交换器中。这有利地影响自保持温度1c的初始淬火的极端临界时间段。

工件的质量还通过在硬化过程期间发生的变形确定。为了降低在用气体淬火的炉中仍然存在的变形问题，几年前已成功地将方向经常逆转的气体流引导到真空炉中。现在，本发明提供了一种对此问题的新的、补充性的解决方案。

根据本发明的方法和设备，可以达到某特定的lambda值。在此，完全的氢气压力被引入炉用于淬火。取决于炉的不同，此压力可以是10巴但也可以是20巴或40巴。冷却速率——其必须被设定为达到某lambda值——通过空气流量并最终通过在炉内的循环来控制。循环风扇是速度受控的，提供了控制范围为从最大速度的10％直到达到最大的速度。

此装置的技术效果意味着冷却速率受三个因素影响，即，气体类型、气体压力和气体的流量。迄今为止，在该技术领域内的意见是此三个因素是同等重要的。就所能够达到的硬度而言，这可能是真的。但是，由于工件的位移，情况会不同。例如，所使用的冷却气体的类型影响暴露给冷却空气的工件的所有表面。这同样适用于气体压力，其在整个炉的处理区为相同的。但是，根据气体流的获得方式，冷却气体的流量对工件表面有不同的影响。

在很高的压力下使用氢气建立了两个首先提到的点。现在，当为了实现比全风扇功率下可能的lambda值更低的lambda值时，循环风扇的功率被降低，参数“冷却气体的流量”适应实际需求。由于气体循环随之变慢，获得比在风扇的全功率下操作的情况下低的已处理工件的变形，并且其他参数之一会被改变。

作为调节风扇功率的备选方案，还可以采用扭转节流阀或类似装置来影响流量。

Claims (10)

1.一种对氢冷却的单室真空硬化炉进行操作的方法，具有以下方法步骤：

a)将工件填入炉内腔；

b)密封所述炉内腔；

c)抽空所述炉内腔；

d)加热所述工件并保持理论温度；

e)将高压氢充入所述炉内腔，停止加热并循环所述氢以冷却所述工件；

f)排出氢并抽空所述炉内腔；

g)将惰性保护气体充入所述炉内腔直至达到大致大气压力；

h)打开所述炉并卸出所述工件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤c)之后提供如下步骤：

c1)用保护气体填充所述炉内腔；

c2)通过循环保护气体对所述工件对流加热；

c3)抽空所述炉内腔。

3.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，在步骤c2)和/或步骤g)中的保护气体是氮气。

4.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，在段f)中，氢通过烟道(17)排出操作建筑物之外(10)。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，烟道(17)高于操作建筑物(10)的顶部高度。

6.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，在方法步骤d)期间和/或方法步骤d)之后，将含碳气体充入所述炉内腔。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在方法步骤e)之前再次将气体泵出。

8.如前述权利要求6或7的任一项所述的方法，其特征在于，所述气体是乙炔，如果需要可在其中加入运载气体。

9.如前述权利要求的任一项所述的方法，其特征在于，至少在步骤e)中，能够调节用于循环氢的风扇的速度。

10.一种用于执行前述权利要求的任一项所述的方法的装置，其特征在于，所述硬化炉被安全区(20)环绕，除了由机械或电动装置开启的前侧(18)之外，所述安全区防止在紧靠炉(11)附近的区域行走或穿行。

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