一种用于金属表面强化的离子轰击炉制造技术

金属热处理领域表面强化用的一种新型离子轰击炉，由以炉盖（３）、炉筒（５）、炉底（６）组成的炉体（４）和真空（６２）、供气（６３）、供电（６４）和冷却系统（６５）所构成。其特点是，在炉盖上设有多个吊挂阴极输电装置，炉筒是用真空层、空气层和填料层隔热，炉底呈弧形，各管线接头均在侧面，阴极输电装置是用金属构件与金属构件所构成的“气隙保护”间隙，在“气隙保护”间隙外侧加有防溅套。优点是，一炉内可同时完成多种元素、多种渗层厚度要求的工件，节能、不打弧、方便维修。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到工件表面强化用设备，属于热处理领域。离子渗氮以及离子多元共渗，是一种可以显著提高钢铁零件表面耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀、抗高温氧化和提高工件寿命的一项新兴金属表面强化工艺，它是把被处理的工件放在真空容器内，抽真空至6.7Pa，然后，充以稀薄的含氮气体及其他共渗气体，如氨气或氮氢混合气体至133～1333Pa，在阴极和阳极之间加上高压直流电后，气体被电离成为氮和氢的正离子及电子，此时工件(阴极)由于受激后返回基态的氮和氢原子产生的光辐射，因而在其表面被产生这种紫色的辉光所覆盖。氮和氢的正离子在高压电场作用下，以很大的能量轰击阴极(工件)的表面，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、化学过程，较快地形成了高硬度的氮化层及多元素的化合层。离子渗氮具有渗速快，渗层微密，热效率高，节约能源，工件变形小，无公害污染，劳动条件好，防渗容易，在真空中处理工件不氧化，不脱碳，处理后的工件表面质量好等优点，因此，近年来广被人们所重视。用于完成这种工件表面强化工艺的专用设备，称之为离子氮化炉。本专利技术称之谓离子轰击炉，它可以用来对碳钢、合金钢、不锈钢、热强钢、铸铁、球墨铸铁、钛及钛合金等进行离子渗氮、离子氮碳共渗(离子软氮化)、离子氮碳钛三元共渗、氮碳钛硫共渗等工艺处理。现有的离子氮化炉，从其炉型来说，可有罩式炉、井式炉和通用式炉。根据离子氮化工艺的要求，其整套设备包括真空炉体、真空获得系统、供气系统、供电系统和冷却系统。为了保证离子氮化的质量，对离子轰击炉应有下列要求，对炉体来说，①要有良好的气密性，以适应离子氮化时气体电离产生的离子轰击工件过程，炉内要达到133～1333Pa真空度的要求，②要有良好的绝缘性，离子氮化时，工件接阴极，炉体为阳极(或另加阳极)，两极之间有500～1000伏的直流电压，阴极引线穿过炉体，要求与炉体绝缘，才能将这个高电压引进真空室中，③隔热性好，由于炉体的密封绝缘材料耐热温度较低，一般只有60～70℃，而氮化时炉温为500～650℃，因此，要求炉体有良好的隔热性，通常采用在炉体内侧加辐射隔热屏以及用双层钢板制作的炉子壳体中间通水冷却来实现。应特别强调说明的是，安装在炉盖上或安装在炉底上的阴极输电装置，即导电杆。离子氮化炉当有强电流输电时，在绝缘材料与导电杆之间的界面上，易发生弧光放电。虽采用间隙保护(或称气隙保护，简称“护隙”)，因温度变化和炉内真空度变化或由于溅射等因素，使“护隙”失去作用而发生打弧，因此，阴极输电装置的结构是否合理，就成为该设备是否能正常工作的关键。在设计上要求有可靠的防止弧光放电的“护隙”，足够的绝缘性能，防止高电压击穿。使用中要有较好的真空密封性且不受高温影响。通常为使密封和绝缘良好，除炉底或炉盖水冷外，阴极接线柱还采取水冷结构。用瓷管套使阴极接线产生辉光部分隔离阳极炉底或炉盖，以防阴极溅射而致短路，并且瓷管、气隙保护环可组成横向与纵向气隙保护，以防产生辉光部分与瓷管接触处打弧现象。气隙保护层的间隙要均匀，间隙厚度要小于1mm，间隙深度应大于10mm。真空系统是用来获得炉内真空与维持炉内真空的保证，是由机械真空泵、电磁带放气真空阀、真空蝶阀、真空截止阀、电阻真空计及电动执行器等所组成。离子氮化的气源主要是氨气、氨分解气以及氮氢混合气或其他分解气。供气系统包括气瓶、流量计、干燥罐、混合罐、减压阀、稳压罐、压力表、调节阀等。供电系统必须满足①连续可调的直流或脉冲直流电，输出电压可调到1000伏，②尽可能抑制辉光放电向弧光放电骤变，一旦出现弧光放电能立即自动灭弧，随后又能自动起辉，准确自动控制氮化温度。现有技术中，最典型的就是通用式离子氮化炉，这种炉子主要是由弧形炉盖、圆形炉筒、平板炉底及设在炉盖上的吊挂阴极输电装置、设在平板炉底和堆放工件用的阴极盘之间的堆放阴极输电装置所组成的炉体和真空系统、供气系统、供电系统和冷却系统所构成。这种通用炉适于处理细长和短粗的工件，通用性强，但还存在着一些不足之处①只有一个阴极输电装置，因而不能在一个炉内同时完成要求多种不同渗层厚度的工件，②真空系统、供气系统、供电系统和水冷系统都安设在炉底与底座之间的空间内，维修不方便，③炉体全部采用水冷，能源耗量较大，④阴极输电装置结构不够合理，经常出现刚性不足而不能工作或出现打弧现象，⑤炉底是一个平板式结构，因此，承压能力低，浪费材料，炉底的沉积物易被抽入泵中，并且不利于气体的循环，在侧面与底面接触附近有死角。为了解决现有技术的上述不足，并提供一种便于维修，耐压能力强，炉膛气体循环无死角，节能、阴极输电装置刚性强，不产生打弧，能在同一炉内同时处理不同渗层厚度要求工件的离子轰击炉，特设计本专利技术的技术解决方案。本专利技术基本构思是，炉底设计成弧形，与真空炉体相联接的各种管件，设计在弧形炉底的侧面，组成炉体的圆形炉筒设计成多段，内侧仍保留隔热屏，侧壁采用水冷层与真空层、或与空气层、或与填料层，以及水冷层与真空层、空气层、或与真空层、填料层、或与空气层、填料层所构成的隔热法，采用多个阴极输电装置，设计防溅机构，将“气隙保护”结构移向低温区，不采用横向“气隙保护”结构，构成“气隙保护”层两侧的构件均改为金属构件，增加吊挂阴极输电装置的刚性及采用堆放阴极输电装置不承重的合理结构。本专利技术所设计的一种新型离子轰击炉，主要是由以弧形炉盖、圆形炉筒、炉底、吊挂阴极输电装置、堆放阴极输电装置、和底座所构成的炉体及真空系统、供气系统、供电系统及冷却系统所构成，其特征在于，在弧形炉盖上，设计有多个可以独立操作的，吊挂阴极输电装置；由双层钢板制作的圆形炉筒，在其两层钢板中间夹有水冷层与真空层、或与空气层、或与填料层，以及水冷层与真空层、空气层、或与真空层、填料层、或与空气层、填料层所构成的隔热层；炉底设计成内侧具有多个阴极座的弧形结构；通过弧形炉底的侧面，横置有堆放阴极输电装置、真空系统接头、供气管接头、冷却管接头和热电偶；阴极盘通过阴极架的支承安放在阴极座上；在吊挂阴极输电装置和堆放阴极输电装置，其伸进炉内端的端部均设计有导电架；构成阴极输电装置气隙保护层两侧的构件，均是金属构件。其进一步的特征在于，在弧形炉盖上，沿其轴线装设有一个吊挂阴极输电装置，在它的周围绕该轴线对称地还装设有多个吊挂阴极输电装置，它们一般呈等距离分布；组成炉体的每节炉筒，在其上端面还设计有可安装“O”型密封圈的燕尾槽和可安装用压力弹簧支承阳极连接柱的阳极柱孔眼；在弧形炉底内侧的底部，设计有三个互成120°角的并通过阴极架来支承阴极盘用的阴极座；通过弧形炉底侧面而横置于阴极盘下方一定距离的堆放阴极输电装置，在其金属内屏蔽套和金属屏蔽套之间所形成的“气隙保护”层结构的外部，加有防溅套；吊挂阴极输电装置，是一个用金属联接螺母通过十字阴极杆端部的螺纹，将阴极导套、十字阴极杆、包围十字阴极杆的绝缘层(包括外绝缘垫、上压垫、上绝缘垫、绝缘座、下绝缘座和定位绝缘座)、防溅套、密封垫和气隙保护层紧固在一起而形成一个整体刚性结构；吊挂阴极输电装置的“气隙保护”层结构，是由增加刚性作用的金属联接螺母与金属屏蔽套所构成，在其外侧加有防溅套；堆放阴极输电装置，通过炉底的侧面横置于阴极盘的下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型离子轰击炉，主要是由以弧形炉盖［３］、圆形炉筒［５］、炉底［６］、吊挂阴极输电装置［１］、堆放阴极输电装置［１１］、底座［１２］而构成的炉体［４］和真空系统［６２］、供气系统［６３］、供电系统［６４］及冷却系统［６５］所构成，其特征在于：ａ）在弧形炉盖［３］上，设计有多个可以独立操作的吊挂阴极输电装置［１］。ｂ）由双层钢板制作的圆形炉筒［５］，在其两层钢板中间夹有水冷层［２１］与真空层［１９］、或与空气层［２０］、或与填料层［２５］，以及水冷层［２１］与真空层 、空气层、或与空气层、填料层、或与真空层、填料层所组成的隔热层。ｃ）炉底［６］设计成内侧具有多个阴极座［１４］的弧形结构。ｄ）堆放阴极输电装置［１１］，通过炉底的侧壁而横置于阴极盘［１６］的下方一定距离，不承受重量，ｅ）阴极盘［ １６］通过阴极架［１５］的支承，安放在阴极座［１４］上。ｆ）真空接头［８］、供气管接头［１０］、冷却管接头［７］和热电偶［９］，均设计在弧形炉底［６］的侧面。ｇ）构成阴极输电装置气隙保护层［４６］两侧的构件，均是金属构件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘承仁，刘伟，许彬，高学敏，王天贵，王亮，聂建涛，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：21[中国|辽宁]