專利名稱：離子滲氮爐的制作方法
技術領域：
本發明涉及離子滲氮的專用設備，屬于熱處理設備領域。
背景技術：
離子滲氮是一種可以顯著提高鋼鐵零件表面耐磨損、疲勞、腐蝕、抗高溫氧化和提高工件壽命的金屬表面強化工藝。它是將待處理的工件放在真空容器中，并充以133～1333pa低壓的含氮氣體，以工件作為陰極，真空容器的壁罩作為陽極或在容器內另設金屬陽極，在陰陽極之間加上數百伏直流電壓，兩極間的稀薄氣體被電離，從而產生輝光放電的工藝過程。當輝光被點燃后，由于容器中的氣體被電離，正離子向作為陰極的工件運動，電子將飛向陽極，這樣陰陽極間就有連續的電流通過，氮和氫的離子在高壓電場的作用下，以很大的能量轟擊工件表面，產生大量的熱量把工件加熱到所需要的溫度，同時氮的正離子在工件表面產生復合，化學反應和吸附、擴散的物理化學反應，較快的形成了高硬度的氮化層及多元素的化學層。用于完成這種工件表面強化工藝的專用設備，稱之為離子滲氮爐。
現有的離子滲氮爐有罩式爐、井式爐和通用式爐，根據離子滲氮工藝的要求，其整套設備包括真空爐體、真空系統、供氣系統和供電系統。
為了保證離子滲氮的質量，通常要求離子滲氮真空爐有①良好的氣密性，以適應爐內要達到133～1333pa真空度的要求。②良好的絕緣性，在陰陽極之間有500～1000伏的直流電壓時，保證陰極引線穿過爐體時與爐體絕緣。③由于爐體的密封絕緣材料耐熱溫度較低，一般只有60～90℃，而滲氮時爐溫為500～600℃，因此真空爐體要有良好的隔熱性。
在已有的技術中，最典型的為通用式離子滲氮爐。這種爐子主要由爐蓋、圓形爐筒、平板爐底座、通用爐體的底部與陰極盤之間的陰極輸電裝置、真空系統、供氣系統和供電系統構成。這種通用式離子滲氮爐適用于處理細長和粗短的工件，通用性強，但也存在著一些不足之處①真空爐體全部采用水冷，損耗能源極大。②工件冷卻時速度緩慢，不利于處理后工件的質量和工作效率。③處理長工件時，上下溫差大，溫度均勻性差。④陰極輸電裝置結構不合理，常出現密封性不好、屏蔽間隙破壞和打弧現象。⑤爐底座是平板結構，承載能力低，浪費材料，不利于氣體流動循環，常出現死角。⑥供氣系統、真空系統、水冷系統和供電系統都安置在爐底的下部，使維修保養工作很不方便。⑦冷卻水通過橡膠管與爐體各部相連，對吊扣爐體非常不便。⑧為使爐蓋、爐筒和爐底座工作時成為整體陽極，需用導線將它們互相聯接起來。
發明內容
為了解決現有技術上的不足，提供一種節能、工件冷卻時速度快、工件溫度均勻性好、陰極輸電裝置結構合理、密封性好、屏蔽間隙不被損壞、不產生打弧現象、承載能力高、節省材料、爐內氣體循環順暢、維修保養方便、吊扣爐體時不帶任何冷卻水接管和工作時整個爐殼自動成為陽極的離子滲氮爐，特提出本發明的技術解決方案一種離子滲氮爐，由爐體、爐蓋、爐底座和測溫裝置組成，其特征在于該爐還包括爐氣循環和爐溫快速冷卻系統，隔熱屏蔽系統，陰極板支撐系統，陰極輸電系統，空氣及冷卻水快速連接系統以及爐體陽極自動連接裝置。
所述的爐氣循環及爐溫快速冷卻系統由真空電機3，離心風扇1，壓力安全閥2，電接點壓力表5，熱交換器6，導流板7，隔熱板17，隔熱屏16和導向環板10組成，冷卻氣體經真空閥通過供氣管接頭23，進氣環管18進入爐內，在離心風扇作用下經導向環板10，隔熱屏16與圓形爐筒15間流動，帶走工件上的熱量，并通過熱交換器6實現循環冷卻；同時在真空層8的共同作用下實現爐氣的循環，保持爐溫的均勻性。
所述的隔熱屏蔽系統是指由爐體15及上下端法蘭所圍成的水冷層[9]，真空層8和隔熱屏6所組成的隔熱層，通過轉換器可對前述真空層8進行抽空或充氣。
所述的陰極支撐系統由調節螺栓48，螺母49，外屏蔽套50，定位套51和內屏蔽套52，支撐座53和底座54所組成，并在外屏蔽套50和內屏蔽套52之間形成規定尺寸的間隙保護層及在內屏蔽套52與支撐座53之間形成防濺射的氣體保護層。
所述的陰極輸電系統包括固裝在弧形底座11上的陰極導套69以及由導電插頭55，導電桿67，導電板45及螺母65組成的導電組件及套裝在該導電組件上的絕緣套56，絕緣壓套71，起防濺射作用的絕緣套68，防濺套60，絕緣定位套61，金屬內絕緣套62，金屬外絕緣套63，以及將導電構件與防濺絕緣件緊固在一起的壓板57，壓緊螺母58緊固螺釘70，通過導電板45與陰極支撐系統實現軟連接。
所述的空氣及冷卻水快速連接系統，系指在所述管路中采用快速連接的管接頭裝置，保證爐蓋吊扣時不拖帶供水供氣管路。
所述的爐體陽極自動連接裝置是指在弧形爐底座11的法蘭和圓形爐筒15的上法蘭設置通孔，內裝陽極柱76和彈簧77，下端帶緊固螺母78，陽極柱通過螺母與連接導線相連接，連通導線的另一端通過螺栓和螺母與圓形爐筒15和弧形爐底座11相連。
所述的離子滲氮爐，其特征在于所述的測溫裝置包括由熱電偶38，熱電偶絕緣套35、36、37和密封圈40組成的測溫組件，并通過壓緊螺母39和螺釘及隔熱絕緣套42和屏蔽套43將其裝在弧形底座11上的熱電偶套管41中。
本發明與已有技術相比，其技術性能差異見下表。主要優點是①爐體設計成真空隔熱層8，保溫性能好，可節省能源12％。②真空電機控制氣體流動，使處理的工件溫度均勻性好，上下溫差非常小。③陰極輸電裝置44結構合理，密封性好，構成氣隙保護層兩側的構件雖是金屬構件，但不產生“打弧”現象。④爐底座11設計成弧形，所以耐壓能力高，在同樣條件下可節省材料50％。⑤爐內氣體循環好，沒有死角。⑥由于臟物沉積在弧形爐底座11的最底部，而抽氣環管12高于底部，所以不會進入真空泵中。⑦爐體的陰極輸電裝置44、熱電偶測溫裝置和所需的抽氣管路出口設計在弧形爐底座11的側面，因此維護保養和維修很方便。⑧由于弧形爐蓋4上設有快速冷卻系統，故冷卻速度加快。⑨圓形爐筒15及其下法蘭處設有多個冷卻水快速接頭，吊扣時不帶有任何水管，方便工作。
本發明技術與已有技術性能比較
圖1是本發明所設計的離子滲氮爐正視剖面示意圖。
圖2是發明離子滲氮爐整套設備示意圖。
圖3是本發明所設計的圓形爐筒側壁結構的剖面示意圖。
圖4是弧形爐蓋的正視剖面示意圖。
圖5是弧形爐蓋的俯視示意圖。
圖6是本發明弧形爐底座結構正視剖面示意圖。
圖7是本發明弧形爐底座結構俯視剖面示意圖。
圖8是圖7A-A向視圖。
圖9是圖7B-B向視圖。
圖10是本發明陰極支撐裝置的正視剖面結構示意圖。
圖11是本發明所設計的陰極輸電裝置剖面結構示意圖。
圖12是本發明陽極自動連接裝置的剖面示意圖。
圖中0、爐體 1、離心風扇 2、安全閥 3、真空電機 4、爐蓋5、電接點壓力表 6、熱交換器 7、導流板 8、真空層 9、水冷層10、導向環板 11、弧形爐底座 12、抽氣環管 13、陰極支撐裝置14、陰極盤 15、圓形爐筒 16、隔熱屏 17、隔熱板 18、進氣環管19、熱交換器冷卻水進出口管接頭 20、爐蓋冷卻水進口管接頭21、爐蓋冷卻水出口管接頭 22、吊爐環 23、供氣管接頭 25、燕尾槽26、陰極座 29、O型密封圈 31、固定螺釘 32、真空排氣閥33、真空規管 34、聯接板 35、熱電偶絕緣套III 36、熱電偶絕緣套II37、熱電偶絕緣套I 38、熱電偶 39、壓緊螺母 40、密封圈41、熱電偶導套 42、隔熱絕緣套 43、屏蔽套 44、陰極輸電裝置45、導電板 46、螺母 47、螺栓 48、調節螺栓 49、螺母50、外屏蔽套 51、定位套 52、內屏蔽套 53、支撐座 54、底盤55、導電插頭 56、插頭絕緣套 57、壓板 58、壓緊蓋 59、密封圈60、防濺套 61、絕緣定位套 62、金屬內絕緣套 63、金屬外絕緣套64、墊圈 65、螺母 67、導電桿 68、絕緣套 69、陰極導套70、螺栓 71、絕緣壓套 72、供電系統 73、真空系統 74、供氣系統75、快速冷卻系統 76、陽極柱 77、彈簧 78、螺母
具體實施例方式
如圖所示。其中圖1是本發明所設計的離子滲氮爐的正視剖面結構示意圖。它是由弧形爐蓋4、快速冷卻系統、圓形爐筒15、弧形爐底座11及橫置于弧形爐底座11側面的陰極輸電裝置44和熱電偶測溫裝置所構成。快速冷卻系統由真空電機3、離心風扇1、壓力安全閥2、電接點壓力表5、熱交換器6、導流板7、隔熱板17、隔熱屏16和導向環板10等組成。冷卻氣體經真空閥通過供氣管接頭23、進氣環管18進入爐內，在真空電機3帶動的離心風扇1吹動下，通過隔熱板17與處理的工件接觸帶走熱量，經過導向環板10的導向，在隔熱屏16與圓形爐筒15內層鋼板間流動，再通過導流板7，在離心風扇1的吹動下，經過熱交換器6的冷卻(帶走熱量)，循環地冷卻工件。當需使工件溫度均勻時，打開真空電機3帶動離心風扇1，吹動滲氮氣體在處理的工件上下不斷的循環(與冷卻氣體流動方向一致)，在與真空層8的共同作用下，達到很好的溫度均勻性。
圖2是發明離子滲氮爐整套設備示意圖。該離子滲氮爐整套設備是由離子滲氮爐體0、及公知的真空獲得系統73、供氣系統74、供冷卻水系統75和供電系統72所構成。
圖3是本發明所設計的圓形爐筒15側壁結構形式的剖面結構示意圖。其外面是水冷層9，向內是真空層(空氣層)8，最里面是隔熱層16。在圓形爐筒15的上端面的法蘭上，設有燕尾槽25，以備安裝“O”型密封圈29，并設有安放陽極自動連接裝置的T型通孔，以使弧形爐蓋4、圓形爐筒15、弧形爐底座11三者相連接，成為離子滲氮爐0的陽極。
圖4是弧形爐蓋4的正視剖面圖。它由真空電機3、離心風扇1、壓力安全閥2、電接點壓力表5、熱交換器6、導流板7、供氣管接頭23、進氣環管18、熱交換器冷卻水進出接頭19、爐蓋冷卻水進、出接頭20、21和吊爐環22等組成。本技術方案中，爐蓋冷卻水層結構對爐體密封圈和真空電機密封圈起保護作用，導流板7同時起到規定氣體流動方向和弧形爐蓋4隔熱屏作用。
圖5是弧形爐蓋4的俯視示意圖。其上面處于爐體0軸線位置設有真空電機3，該軸線對稱地還設有系統的安全裝置-電接點壓力表5和壓力安全閥2。弧形爐蓋上方有熱交換器冷卻水管接頭19，爐蓋冷卻水進、出口管接頭20、21和供氣管接頭23。弧形爐蓋4的頂部設有互成120度的吊爐環22。
圖6是本發明弧形爐底座11結構正視剖面圖。弧形爐底座11里面設有三個陰極座26。陰極盤14由放置在其上面的陰極支撐裝置13支撐，在法蘭上面設有燕尾槽25。其內安放“O”型密封圈29，在弧形爐底座11最底部設計有抽氣環管12。弧形爐底座11的中央設計有排氣管，其上在爐內裝有抽氣環管12，并有固定螺絲31，爐外裝有真空排氣閥32和真空規管33，在弧形爐底座11法蘭上有與圓形爐筒15相連接的連接板34。
圖7是本發明弧形爐底座4結構俯視示意圖。在環形燕尾槽內有“O”型密封圈29，在爐底座的側面相距15度，分別設計有A-A的熱偶測溫裝置和B-B的陰極輸電裝置44。陰極輸電裝置44從弧形爐底座11的側面伸進爐膛內，而處于陰極盤14的下方。
圖8是圖7A-A向視圖，本發明所設計的測溫裝置剖面結構示意圖。通過用水冷層冷卻的弧形爐底座11的側面，固接有熱電偶導套41，在導套41里沿其軸線，熱電偶38安裝在熱電偶絕緣套(I)37、熱電偶絕緣套(II)36、熱電偶絕緣套(III)35中，其上安裝有絕緣套40，將它們放入熱電偶導套41里，擰緊壓緊螺母39密封，再將隔熱絕緣套42穿過熱電偶38，擰緊在熱電偶導套41爐內一端，最后將屏蔽套43穿過熱電偶38靠螺釘固定在隔熱絕緣套42上，形成間隙保護層。在爐外部只須將熱電偶引線插頭插入，即完成測溫。
圖9是圖7B-B向視圖，本發明所設計的陰極輸電裝置44與陰極盤連接結構示意圖。陰極盤由螺栓47、螺母46在兩邊固定，再通過導電板45與陰極輸電裝置44連接。
圖10是本發明陰極支撐13的正視剖面結構示意圖。它由調節螺栓48、螺母49、外屏蔽套50、定位套51、內屏蔽套52、支撐座53和底盤54組成。調節螺栓48、螺母49可調節陰極盤14的高度，外屏蔽套50與內屏蔽套52之間，形成規定尺寸的間隙保護層；內屏蔽套52和支撐座53之間有氣隙保護層，起到防濺作用。
圖11是本發明所設計的陰極輸電裝置44剖面示意圖。在通過用水冷層冷卻的弧形爐底座11的側面，固接有陰極導套69，在陰極導套69里沿其軸線安裝有通過密封圈與其密封的絕緣套68、通過密封圈59與絕緣套68密封的導電桿67、防濺套60、絕緣定位套61和金屬外絕緣套63，用螺母65通過墊圈64壓緊，在金屬內絕緣套62和金屬外絕緣套63之間，便形成了一個規定的間隙保護層，再將將導電板66緊固在導電桿67上，導電板66與陰極盤相連接，再通過陰極導套69伸出弧形爐底座外側的一端，向其內安裝絕緣壓套71、壓板57，用螺栓70緊固，在導電桿67的端頭安裝導電插頭55、插頭絕緣套56，最后用壓緊蓋58緊固，這樣電流便通過電源線、導電插頭55、導電桿67和導電板66到達陰極盤14上了。
圖12是本發明陽極自動連接裝置的剖面示意圖。在弧形爐底座11的法蘭和圓形爐筒15的上法蘭設有通孔，內裝有陽極柱76和彈簧77、下端緊固螺母78。陽極柱通過螺母78與連通導線相連接，連通導線的另一端通過螺栓和螺母與圓形爐筒15和弧形爐底座11相連。
本發明具體實施方式
還包括對38CrMoAl缸套進行氮化處理，氮化層厚度要求為0.2mm，本發明的離子滲氮爐中滲氮的工藝過程按下述步驟進行①設備檢查用1000伏兆歐表檢查陰陽絕緣度不低于10兆歐情況下裝載工件，在接通外部電源前，電控柜和控制面板各開關處于“斷”的位置。
②工件準備工件須嚴格去除毛刺、鐵跡漆痕、油污等疵病，用清洗劑清洗，清水沖洗、擦干、堵塞防滲的孔、溝槽等部位。
③裝爐滲氮將缸套堆放在陰極盤上，工件間相距20mm，陰陽極之間保持在50mm左右的距離，然后扣合爐體，通過陽極自動連接裝置，使整個爐體帶陽極電位，工件為陽極，接好所有快速接頭，關閉放氣閥，將爐筒的隔熱層轉換閥轉至“抽真空”位置，合上外部電源開關，全部停止按鈕信號燈亮(即紅燈亮)，開通電阻真空計，預熱半小時，調整好電阻真空計的零點，檢查供氣系統，向爐體、真空泵送水冷卻，再啟動真空泵抽真空，測量真空度大于6.7Pa后，接通直流電源，調升高壓起輝打弧，待輝光逐漸穩定后，調節供氣閥門，控制氣壓在1090Pa，電壓在800V，電流密度為2.0Ma/cm2，然后逐步升溫至600℃，期間幾次打開真空電機進行均勻缸套溫度，到溫后保溫8小時。
④快速冷卻出爐停止直流電源，各開關恢復至零位。將爐筒的隔熱層轉換閥轉至“放空氣”位置，關閉滲氮氣體，打開冷卻氣體，開動快速冷卻系統，使工件快速冷卻至150℃以后，停真空泵，打開放氣閥，放掉爐中氣體，吊起爐蓋和爐筒，取出工件檢查。
⑤質量檢查金相檢查滲層厚度為0.12mmm，滲層由表面向心部金相組織為ε→ε+γ′→γ′+α→α，其平均硬度為Hv1050，均超過要求。
權利要求
1.一種離子滲氮爐，由爐體、爐蓋、爐底座和測溫裝置組成，其特征在于該爐還包括爐氣循環和爐溫快速冷卻系統，隔熱屏蔽系統，陰極板支撐系統，陰極輸電系統，空氣及冷卻水快速連接系統以及爐體陽極自動連接裝置。
2.根據權利要求1所述的離子滲氮爐，其特征在于所述的爐氣循環及爐溫快速冷卻系統由真空電機(3)，離心風扇(1)，壓力安全閥(2)，電接點壓力表(5)，熱交換器(6)導流板(7)，隔熱板(17)，隔熱屏(16)和導向環板(10)組成，冷卻氣體經真空閥通過供氣管接頭(23)，進氣環管(18)進入爐內，在離心風扇作用下經導向環板(10)，隔熱屏(16)與圓形爐筒(15)間流動，帶走工件上的熱量，并通過熱交換器(6)實現循環冷卻；同時在真空層(8)的共同作用下實現爐氣的循環，保持爐溫的均勻性。
3.根據權利要求1或2所述的離子滲氮爐，其特征在于所述的隔熱屏蔽系統系指由爐體(15)及上下端法蘭所圍成的水冷層(9)，真空層(8)和隔熱屏(6)所組成的隔熱層，通過轉換器可對前述真空層(8)進行抽空或充氣。
4.根據權利要求1或2所述的離子滲氮爐，其特征在于所述的陰極支撐系統由調節螺栓(48)，螺母(49)，外屏蔽套(50)，定位套(51)和內屏蔽套(52)，支撐座(53)和底座(54)所組成，并在外屏蔽套(50)和內屏蔽套(52)之間形成規定尺寸的間隙保護層及在內屏蔽套(52)與支撐座(53)之間形成防濺射的氣體保護層。
5.根據權利要求1或2所述的離子滲氮爐，其特征在于所述的陰極輸電系統包括固裝在弧形底座(11)上的陰極導套(69)以及由導電插頭(55)，導電桿(67)，導電板(45)及螺母(65)組成的導電組件及套裝在該導電組件上的絕緣套(56)，絕緣壓套(71)，起防濺射作用的絕緣套(68)，防濺套(60)，絕緣定位套(61)，金屬內絕緣套(62)，金屬外絕緣套(63)，以及將導電構件與防濺絕緣件緊固在一起的壓板(57)，壓緊螺母(58)緊固螺釘(71)，通過導電板(45)與陰極支撐系統實現軟連接。
6.根據權利要求1或2所述的離子滲氮爐，其特征在于所述的空氣及冷卻水快速連接系統，系指在所述管路中采用快速連接管接頭裝置，保證爐蓋吊扣時不拖帶供水供氣管路。
7.根據權利要求1或2所述的離子滲氮爐，其特征在于所述的爐體陽極自動連接裝置是指在弧形爐底座(11)的法蘭和圓形爐筒(15)的上法蘭設置通孔，內裝陽極柱(76)和彈簧(77)，下端帶緊固螺母(78)，陽極柱通過螺母與連接導線連接，連通導線的另一端通過螺栓和螺母與圓形爐筒(15)和弧形爐底座(11)相連。
8.根據權利要求1所述的離子滲氮爐，其特征在于所述的測溫裝置系統由熱電偶(38)，熱電偶絕緣套(35)、(36)、(37)和密封圈(40)組成的測溫組件，并通過壓緊螺母(39)和螺釘及隔熱絕緣套(42)和屏蔽套(43)將其裝在弧形底座(11)上的熱電偶套管(41)中。
全文摘要
本發明公開了一種離子滲氮爐，屬于金屬熱處理設備。該滲氮爐由弧形爐蓋、圓形爐筒、弧形爐底座、快速冷凍系統、陰極輸電裝置和測溫裝置等構成。特點是弧形爐蓋上設有快速冷凍系統，同時起到均勻爐溫的作用，而陰極輸電裝置橫臥于陰極盤下方，不承受重量，圓形爐筒用水冷層和真空層(空氣層)所組成的隔熱層與隔熱屏共同隔熱，爐底座為弧形，陰極輸電裝置和測溫裝置設置在其側面。冷卻水和真空層(空氣層)接頭采用快速接頭，優點是冷卻速度快、工件溫度均勻性好、節能、維護保養方便和吊扣時不帶有任何冷卻水管和氣管。尤其適于鋼鐵零件的滲氮處理和金屬表面強化處理。
文檔編號C23C8/06GK1590578SQ200410049420
公開日2005年3月9日 申請日期2004年6月7日 優先權日2004年6月7日
發明者劉偉 申請人:大連海事大學