无外加热源真空离子渗碳制造技术

本发明专利技术属于化学热处理，更具体地说是用于离子渗碳的设备和方法．它是在现行的普通离子氮化炉中，在阴极盘上放置工件的周围设置与工件同电位的带孔金属套．来实现高温离子渗碳．对普离子氮化炉施用本发明专利技术后，不仅能够渗碳，而且仍能进行离子氮化．本发明专利技术具有对长杆、管件和局部渗碳件便于处理，渗碳质量高，耗电耗气省等优点．（*该技术在2006年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于化学热处理，更具体地说是用于离子渗碳的设备和方法。目前国内外采用的先进渗碳方法主要有气体渗碳，真空渗碳和真空离子渗碳。真空渗碳克服了气体渗碳的某些缺点，真空离子渗碳是目前优于气体渗碳和真空渗碳的一种渗碳技术。它是在真空炉内利用电阻热源的作用，先把工件加热到渗碳温度后，再向炉内通入渗碳气体，并在工件(阴极)和阳极之间施加直流电压，使气体电离，产生辉光放电实现渗碳的。人们曾探索过在本来无外加热源的普通离子氮化炉中实现工业用高温离子渗碳，但都未能突破。如日本山中久彦在“铸锻造与热处理”(见《最近热处理技术动向》1983.2，No423)和门·波兹(M.Both)在“(英文)金属热处理”(见《等离子渗碳的理论与实践》1983.2)文章中都曾指出，在普通离子氮化设备中，即使耗费大功率，单靠离子轰击加热，欲使工件达到渗碳温度是不可能的，即必须依靠有外加热源的真空炉才能实现。本专利技术正是在现行的普通离子氮化炉中不加外加热源实现了工业性高温离子渗碳。真空离子渗碳相对于真空渗碳而言具有渗速快，渗碳效率高，沟槽、细盲孔处理效果好，工艺参数容易控制和较为省电省气等优点。但它依然存在真空渗碳所具有的设备投资大，有效利用空间小，长大零件处理受限制以及生产成本较高等缺点。本专利技术的目的之一是在常用于650℃左右的普通离子氮化炉中，保持原炉功能，不附加任何外热源，只靠离子轰击来实现920～1050℃的工业用高温离子渗碳，提高渗碳速度。本专利技术的目的之二是克服有外加热源真空离子渗碳炉有效利用空间小，长大零件不便处理的缺点，同时又能做到不采取任何措施而实现工件的局部渗碳。本专利技术的目的之三是克服有外加热源真空离子渗碳设备投资大，耗电耗气量较大等缺点。实现本专利技术的方案是根据异常辉光放电叠加原理，在由阴极输电装置、阳极、进排气装置和炉底板以及炉壳组成的普通离子氮化炉中，在阴极输电装置的阴极盘上放置的被渗碳工件(以下简称工件)的周围置有一定形状的金属套，其上均布有通孔。为了现行的普通离子氮化炉的阴极输电装置能承受920～1050℃的渗碳温度，本专利技术将其导柱部位加设了水冷装置，绝缘瓶材料采用耐急冷急热的云母陶瓷，阴极承件盘及其下面的间隙屏蔽盘采用热强钢或耐热铸铁材料制成。阴极承件盘的厚度为20～40mm(视炉子的功率和最大装炉量选取)，屏蔽盘的厚度≥5mm。为保证渗碳质量，提高渗碳速度和节约渗剂，本专利技术在普通离子氮化炉进排气装置的进气管顶部接一可移开的带孔的散流环形管，孔的位置朝向炉的顶部，使进炉气氛不直接与工件接触，而是先由散流环形管上的孔将气氛喷到炉的顶部后，反射回来再到达工件。在阴极盘与炉底板之间装置一与普通离子氮化炉排气管制成一体的带孔的环形排气管，孔的位置朝向炉底板，即构成一下吸式排气管，使得废气经阴极盘四周均匀吸气后再集中排出。这样的进排气装置可保证渗碳气氛在放电地带有一最低临界停留时间，使渗碳气氛到达工件区域后，能迅速被电离以建立起高浓度梯度的活性碳势提高渗碳速度，同时保证消除气体在炉中出现涡流和死角，使渗碳气氛得到充分有效利用，以及使炉内温度和气压分布均匀。为保证尽可能隔热，不致造成高温工件的热损失，即节约能耗，可另制作能方便吊进吊出的夹层筒状阳极来取代现行普通离子氮化炉用炉壳作阳极。测温方法系采取在金属套与工件之间且靠近工件2～5mm处放置热电偶。本专利技术选用96.5%的丙酮为渗碳气，99.9%的氨气为载气或稀释剂。为满足工件表面的渗碳浓度和渗层深度以及渗层浓度分布的要求，本专利技术系通过改变渗碳阶段和扩散阶段气氛比例来实现。本专利技术的操作规程和工艺规范是1.按常规普通离子氮化炉操作方法，开泵抽真空度为5×10-2托时，送直流电，然后送入小于5托的低气压氨气，再将电压调至400～500V，电流调至1～2mA/cm2，进行离子轰击预升温。当温度到达500℃时，送入丙酮/氨＝ 1/10 的混合气;到达800℃时，调电压至700～800V，电流至3～4mA/cm2，送入丙酮/氨＝ 1/2 的混合气。到达渗碳温度后，按下列工艺参数进行1)气氛流量比-渗碳阶段氨(99.9%)/丙酮(96.5%)＝1∶(1～1.2);扩散阶段氨/丙酮＝(1.2～1.5)∶1。2)气压-5～15托。3)电流-升温时取3～4mA/cm2，保温时间取2～3mA/cm2。4)电压700～800V(视装炉量和渗碳温度的保温要求与电流、气压匹配调整而定)。5)渗碳时间，根据不同工件的渗碳要求，在920～940℃条件下，其时间分别为层深为0.5～0.6mm时，时间为1小时;层深为0.6～1mm时，时间为1.5～2.0小时;层深为0.8～1.2mm时，时间为2.0～2.5小时;层深为1.5～2mm时，时间为3.5～4.0小时;层深为2～2.5mm时，时间为4.0～6.0小时。保温时间足够后，可直接出炉淬火，也可加大冷却水，随炉冷却到常规的适当的温度后出炉。注意事项(1).渗碳时必须严格控制气氛比例，当丙酮过多或者通入过早时，炉内工件上或者阴极盘上会产生碳黑，有时可能引起打弧，影响正常渗碳或者会使渗层浓度过高，甚至产生网状碳化物。(2).当丙酮含量过低(例如氨/丙酮大于4)时，会出现渗不上碳的情况，甚至会因氨分解出过多的氢，产生脱碳层。(3).两段法渗碳时，扩散阶段炉内气压可在5～15托内变动调节，扩散时间为1.5～2.0小时(视渗层深度而定)。本专利技术与现有技术相比的优点是1.由于本专利技术是在现行的普通离子氮化炉中不附加任何热源，而只是靠工件周围的有孔金属套来实现离子轰击加热渗碳的，所以大大地低于常规有外加热源真空离子渗碳设备的造价，同时扩大了现行普通离子氮化炉的功能及其应用范围，从而显著提高了对它们的利用率。2.由于任何现行普通离子氮化炉炉膛有效空间远比有外加热源的大(几倍到几十倍)，炉体高度可以极方便的调整，不变动功率，直径大小也可以任意简易改装，金属套依据被渗碳工件的几何形状和尺寸制做方便，所以便于对长杆、管件和大件以及工件的局部进行渗碳。3.由于本专利技术能用控制介质比例和其它工艺参数来精确地控制渗碳阶段和扩散阶段的过程，所以渗层质量高。同时，由于有适量比例氨气电离后的氮离子存在能使渗碳层中有一定N量渗入，故表面耐磨性好，接触疲劳强度高和多冲接触抗力强。所以可显著提高工件使用寿命。4.本专利技术处理的工件变形小(一般在0.02mm以内)表面光洁度高，无须考虑预留磨量和后续磨削加工。5.本专利技术与目前广泛采用的气体渗碳，真空渗碳和有外加热源真空离子渗碳三种方法在主要技术指标方面的对比见下表。几种渗碳方法主要技术指标对比表 接上页表 注(1)是20CrMnTi钢的渗碳;(2)是18Cr2Ni4WA的渗碳。图1是本专利技术的结构示意图。图2是本专利技术的一个实施例的工件装炉方式示意图。如图1所示，其中工件9通过垫20放置在阴极盘8上，所说的工件可以是一个，也可以根据阴极盘8大小和工件尺寸放置多个或者多个叠放。工件9的周围加设与其四周均等距且同电位的金属套12，它与工件9之间的距离为10～20mm;所说金属套可以仿照被渗碳工件或者其需渗碳部位几何形状制成;也可以采取在阴极盘上放置内外套的办法，把多个形状相同、尺寸相近的工件均匀放在两金属套之间，其中内套可用均匀放置的尺寸相同的工件本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能实现高温渗碳的离子氮化炉，它由阴极输电装置、阳极、进排气装置和炉底板及炉壳组成，其特征在于：在所说的阴极输电装置的阴极盘〔８〕上设置一个与工件〔９〕同电位，且带有通孔〔１３〕的金属套〔１２〕；所说的进排气装置的进气管〔１９〕的顶部接一带孔〔１５〕的散流环形管〔１４〕，孔〔１５〕朝向炉的顶部，在排气管〔２４〕的顶部接一带孔〔２６〕的环形管〔４〕，环形管〔４〕上孔〔２６〕朝向炉底板〔１〕。

【技术特征摘要】
1.一种能实现高温渗碳的离子氮化炉，它由阴极输电装置、阳极、进排气装置和炉底板及炉壳组成，其特征在于在所说的阴极输电装置的阴极盘[8]上设置一个与工件[9]同电位，且带有通孔[13]的金属套[12]；所说的进排气装置的进气管[19]的顶部接一带孔[15]的散流环形管[14]，孔[15]朝向炉的顶部，在排气管[24]的顶部接一带孔[26]的环形管[4]，环形管[4]上孔[26]朝向炉底板[1]；2.按照权利要求1所述的能实现高温渗碳的离子氮化炉，其特征在于所说的阴极输电装置的导柱〔22〕通有冷却水循环装置〔23〕，在阴极盘〔8〕与炉底板〔1〕之间的绝缘柱〔6〕是用云母陶瓷制做;所说的阴极盘〔8〕用耐热钢或耐热铸铁制成。3.按权利要求1所述的能实现高温渗碳的离子氮化炉，其特征在于所说的金属套〔12〕与工件〔9〕之间的距离为10～20mm，其上的通孔〔13〕均交叉布置，孔径均为φ10mm，孔心间距为15～30mm;所说的散流环形管〔14〕上孔〔15〕的孔径为φ2.5mm，孔心间距为40mm;所说的环形管〔4〕上的孔〔26〕的孔径为φ2.5mm，孔心间距为20mm;散流管〔14〕和环形管〔4〕均用钢管制做。4.按权利要求1所述的能实现高温渗碳的离子氮化炉，其特征在于在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨烈宇，李国卿，鲁济顺，杨道正，
申请(专利权)人：大连海运学院，
类型：发明
国别省市：21[中国|辽宁]