一种旋转阳极离子氮化炉的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种旋转阳极离子氮化炉，包括炉体、阳极网罩、水胆夹层、阴极架、炉门、炉门水阀、氨气进口、传感器、基座、抽排气口、环形布气管、排气管、阴极板、阳极移门和电机；所述的炉体为顶部有封头的圆筒形；封头正中设置有驱动电机，带动阳极网罩旋转；所述的阳极网罩对称设置有阳极移门，所述炉体内部设置有水胆夹层，炉体侧面设置有炉门，炉体上方设置有冷水出口和外传感器；炉体底部设置有冷水入口，氨气进口，抽排气口；所述阴极板通过阴极座连接到基座上，阴极板上设置有多个均布的阴极架、环形敢管和排气管；本实用新型炉内温度均匀，氮化效果好，渗氮层均匀；渗氮零部件表面的硬度、耐磨性等各项性能均符合要求。
【专利说明】一种旋转阳极离子氮化炉
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种金属零部件热处理技术与设备领域，具体涉及一种金属表面渗氮设备，特别涉及一种旋转阳极离子氮化炉。
【背景技术】
[0002]氮化处理可显著提高金属零部件及模具表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蚀性能和抗疲劳性能。由于渗氮温度较低，一般在500-650°C范围内进行，渗氮时零件或模具芯部没有发生相变，因此模具渗氮后变形较小；实践证明，经氮化处理后的零件或模具使用寿命显著提高，因此氮化处理已经在生产中得到广泛应用。
[0003]渗氮分为普通渗氮和离子渗氮，离子渗氮是在充以含氮气体的低真空炉体内把金属工件作为阴极，炉体为阳极，通电后介质中的氮氢原子在高压直流电场下被电离，在阴阳极之间形成等离子区。在等离子区强电场作用下，氮和氢的正离子以高速向工件表面轰击；离子的高动能转变为热能，加热工件表面至所需温度。由于离子的轰击，工件表面产生原子溅射，因而得到净化，同时由于吸附和扩散作用，氮遂渗入工件表面。与普通渗氮相比，离子渗氮可缩短渗氮周期，节约能源。而现有离子氮化炉存在的问题在于:氮化炉内温差大，金属零件或模具氮化效果不均匀，两端氮化质量低于中间，外圈氮化质量低于里圈，氮化质量相差很大，对于高精度零部件或模具来说，氮化不均匀会大大降低了零部件或模具的使用寿命。为解决这一问题，过去大多是提高保温温度来补偿的，但结果并不理想，且易出现变形、膨胀。
[0004]专利号CN1789477A公开了一种节能离子氮化炉，炉体设有保温屏和外冷却罩，保温屏为双层不锈钢密封绝热保温层，炉底盘上设有炉底隔热屏，渗氮气体进入管道沿保温屏外侧，由保温屏顶部进入炉体内的气体分散环。专利号CN202265601U公开了一种真空氮化炉，由炉体、底座和阴极盘构成，炉体活动安装在底座上，底座的中心部位装有阴极盘，阴极盘下方的底座上设置有抽真空装置，炉体内设置有隔热屏，炉体底部分别设置有氨气进口和冷却循环水出口，炉体下端设置有冷却循环水进口。上述专利在一定程度上提高了保温效果，增强了保温温度的补偿效果，但并未从根本上解决氮化炉氮化温差大、氮化效果不均的问题。
实用新型内容
[0005]为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种旋转阳极离子氮化炉，针对氮化过程中，零部件或模具表面温度不均匀、氮化效果不均匀的缺陷，设计合理的阳极旋转离子氮化炉结构，在空间上提供旋转的阳极，这样就会产生旋转的电场，而渗氮的零部件或模具固定不动，炉体也保持不动，因此使氮化炉内的温度与电场分布均一化，从而确保氮化过程的工艺要求，达到温度均匀和氮化效果均匀的目标。
[0006]为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下:一种旋转阳极离子氮化炉，包括炉体、阳极网罩、冷水出口、水胆夹层、阴极架、渗氮区、阳极接线、冷水入口、循环泵、炉门、阴极接线、炉门水阀、氨气进口、内传感器、基座、抽排气口、环形布气管、排气管、外传感器、阴极板、阳极移门、阴极座和电机，其特征在于:
[0007]所述的旋转阳极离子氮化炉设计炉体为圆筒形，顶部为半球状封头；封头正中设置有驱动电机，所述电机通过驱动轴与旋转阳极网罩连接固定，并通过同轴传输与阳极通电连接；所述炉体内部设置有水胆夹层，炉体侧面设置有炉门，炉体上方设置有冷水出口和外传感器；炉体底部设置有冷水入口，氨气进口，抽排气口 ；所述旋转阳极与炉体形状相同，尺寸小于炉体，由轻质金属网状材料构造，所述旋转阳极侧面对称设置有二个阳极移门，其尺寸与所述炉门匹配；所述炉门和移门用于炉体内渗氮零部件的装炉和出炉，所述炉门内设置有冷水夹层，所述冷水夹层在炉门关闭后，通过炉门水阀与炉体水胆夹层连通，供水冷却，当打开炉门时，炉门水阀可关闭，炉门即可正常开启装炉或出炉。所述旋转阳极置于炉体内侧，在炉顶电机驱动下，做旋转运动；其运行方向双向可控，旋转速度可以调节；网状金属结构的阳极，在旋转状态下，电场发生旋转变化，从而影响阴极零部件的渗氮工艺工况，达到电场与温度均匀化的目标。
[0008]所述炉体与基座构成渗氮区，所述渗氮区内设置阴极板、阴极架、阴极座、环形布气管、内传感器和排气管；阴极板通过阴极座连接到基座上，阴极板上设置有多个均布的阴极架，用于放置待渗氮的零部件或模具；所述阴极板中心位置设置有排气管，所述排气管上端延伸至炉顶部，并水平设置有六角方向分布的排气管；所述基座与阴极板之间设置有氨气进管与抽排气管套装的管道，氨气进口管位于抽排气管道的内部，当氨气被送入时，外层套管中的抽排气体会预先对内管中的氨气进行加热；氨气进口管与设置在阴极板上方的环形布气管连通，环形布气管围绕在阴极板水平方向，均匀分布在中心排气管的四周，所述的布气管上设置有均匀分布的小孔，用于将氨气均匀分布在阴极板上；所述阴极板上设置有内传感器，其外面由护套管保护，与炉体上设置的外传感器共同检测炉体渗氮区的温度参数，所述的阴极板下方设置有阴极接线，并通过炉体下部的绝缘套管引出炉体外部。
[0009]在等离子放电渗氮过程中，阳极网罩做旋转运动，使炉内渗氮区的电场随着炉体的旋转而发生变化，在阳极旋转过程中，也会同时混合炉内的温度梯度差，从而提高渗氮区域内的温度均匀性和电场变化的均匀性，改善零部件或模具的渗氮效果。
[0010]冷却循环系统由冷却水胆夹层、冷水入口、冷水出口、冷却塔和循环泵构成；冷却水源从冷水入口进入炉体的水胆夹层中实施冷却，经过水胆夹层后，自炉体顶部的冷水出口流出，经过冷却塔与循环泵循环使用；所述冷水入口设置有节流阀可以调控溢流速度确保炉体水胆夹层的冷却效果；所述的循环水系统可以依据实际工艺要求，调控循环水的速度或流量，以便适应渗氮不同工艺条件的要求。
[0011 ] 所述氨气进口设置在炉体底部阴极板与基座夹层中，并与抽排气管套接形式同轴接入阴极板中心，氨气进口与阴极板上方的环形布气管相连接，所述环形布气管均匀环状分布，氨气进入后，在布气管的分布下，均匀分布到渗氮区域内，渗氮过程中产生的废气和多余气体，则从设置于炉体上部的多个排气管抽吸出炉体。
[0012]所述的阳极旋转离子氮化炉的炉腔内将保持一定的真空度，氮化前通过排气管连接的真空泵对炉腔内进行抽真空，再通过氨气进口通入离子氮化的气源即氨气，氨气从阴极底部通入有利于氨气的充分反应，并与待渗氮零部件进行离子渗透作用，也确保减少抽排出的气体含有过量氨气，对车间造成很大污染，严重影响职工身体健康。[0013]所述的阴极板上设置的阴极架，用于渗氮加工时吊挂或装置待渗氮零部件或模具，其结构与形状可以有多种，阴极架与阴极板通过卡接方式连接，不同形状的阴极架具有相同的卡接接口，可按照工艺要求随时更换不同的阴极架。
[0014]所述的阴极板上设置温度传感器，其外部用护套管加以保护，传感器深入到炉腔渗氮区中心部位，置于待渗氮零部件的中部区域，可以有效监测工件整体温度参数，便于调整控制，传感器信号经过阴极板与基座之间的夹层，经炉体底部绝缘套管导出炉外的检测设备。
[0015]阳极旋转离子氮化炉运行时，通入氨气后，被加速的带电离子碰撞含氮的气体的分子，使其电离和分解产生氮化所需的氮元素，辉光放电中不断产生新的带电粒子，带负电荷的电子向阳极运动，带正电荷的氮离子和氢离子向阴极运动，高速运动并撞击阴极工件表面，产生热量，把工件加热到所需要的氮化温度；在驱动电机带动下，阳极以一定速度旋转，使炉内渗氮区也随之发生旋转变化，造成炉内温度梯度区域和电场梯度区域也随之变化，从而使整个渗氮过程中，炉内的温度与电场处于均匀混合变化之中，辉光层沿工件的轮廓而形成，不同的零部件边角棱均会得到有效的、均匀的渗氮加工处理，使其表面受到均匀的氮化。[0016]所述的渗氮区工作温度为≤650°C ;
[0017]所述的渗氮区有效工作尺寸为Φ 600*8001600*2000 ；
[0018]所述的零部件表面积为3m220m2 ；
[0019]所述的离子氮化旋转炉装炉量为300kg4000kg ；
[0020]所述的传感器精度为± 1°C。
[0021]所述阳极采用轻质金属网制造，所述网状结构的阳极均匀置于氮化炉体内侧，以便通过旋转改变电磁场的结构，从而影响到零部件或模具表面的渗氮工艺效果。
[0022]采用炉顶水冷却循环控制系统，炉顶部设置有冷水出口，通过导入冷却水，冷却炉体内壁，控制渗氮区温度；冷却水在炉体夹层中流动，在循环泵的驱动下，经过炉体外侧的循环集水箱，经冷却塔循环使用。
[0023]通过上述技术方案，本实用新型技术方案的有益效果是:通过氮化炉阳极的旋转，使整体电场分布在变化之中，相对于零部件而言，作用于其表面的电磁场分布也会随着移动变化，因此，通过阳极旋转的氮化炉，渗氮的零部件或模具表面氮化质量高，效果好，渗氮层均匀；零部件或模具表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蚀性能和抗疲劳性能均符合要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1为本新型实施例所公开的一种旋转阳极离子氮化炉结构示意图；
[0026]图2为本新型实施例所公开的一种旋转阳极离子氮化炉俯视示意图；
[0027]图3为本新型实施例所公开的一种旋转阳极离子氮化炉内部结构俯视图示意图。[0028]图中数字和字母所表示的相应部件名称:
[0029]1.炉体2.阳极网罩3.冷水出口4.水胆夹层
[0030]5.阴极架6.渗氮区7.阳极接线8.冷水入口
[0031]9.循环泵10.炉门11.阴极接线12.炉门水阀
[0032]13.氨气进口14.内传感器15.基座16.抽排气口
[0033]17.环形布气管18.排气管19.外传感器20.阴极板
[0034]21.阳极移门22.阴极座23.电机
【具体实施方式】
[0035]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0036]根据图1、图2和图3，本实用新型提供了一种旋转阳极离子氮化炉，包括炉体1、阳极网罩2、冷水出口 3、水胆夹层4、阴极架5、渗氮区6、阳极接线7、冷水入口 8、循环泵9、炉门10、阴极接线11、炉门水阀12、氨气进口 13、内传感器14、基座15、抽排气口 16、环形布气管17、排气管18、外传 感器19、阴极板20、阳极移门21、阴极座22和电机23，其特征在于:
[0037]所述的旋转阳极离子氮化炉设计炉体I为圆筒形，顶部为半球状封头；封头正中设置有驱动电机23，所述电机23通过驱动轴与旋转阳极网罩2连接固定，并通过同轴传输与阳极通电连接；所述炉体I内部设置有水胆夹层4，炉体I侧面设置有炉门10，炉体I上方设置有冷水出口 3和外传感器19 ;炉体I底部设置有冷水入口 8，氨气进口 13，抽排气口16 ;所述旋转阳极网罩2与炉体I形状相同，尺寸小于炉体，由轻质金属网状材料构造，所述旋转阳极网罩2侧面对称设置有二个阳极移门21，其尺寸与所述炉门10匹配；所述炉门10和阳极移门21用于炉体内渗氮零部件的装炉和出炉，所述炉门10内设置有冷水夹层，所述冷水夹层在炉门10关闭后，通过炉门水阀12与炉体水胆夹层4连通，供水冷却，当打开炉门10时，炉门水阀12可关闭，炉门10即可正常开启装炉或出炉。所述旋转阳极网罩2置于炉体I内侧，在炉顶电机23驱动下，做旋转运动；其运行方向双向可控，旋转速度可以调节；网状金属结构的阳极，在旋转状态下，电场发生旋转变化，从而影响阴极零部件的渗氮工艺工况，达到电场与温度均匀化的目标。
[0038]所述炉体I与基座15构成渗氮区6，所述渗氮区6内设置阴极板20、阴极架5、阴极座22、环形布气管17、内传感器14和排气管18 ;阴极板20通过阴极座22连接到基座15上，阴极板20上设置有多个均布的阴极架5，用于放置待渗氮的零部件或模具；
[0039]优选的，所述的阴极架5分三层设置，每层设置有数量为六根、12根和24根。
[0040]所述阴极板5中心位置设置有排气管18，所述排气管18上端延伸至炉顶部，优选的，所述的排气管18水平设置，并按六角方向分布8。
[0041]所述基座15与阴极板20之间设置有氨气进口 13管与抽排气口 16管套装的管道，氨气进口 13管位于抽排气管道的内部，当氨气被送入时，外层套管中的抽排气体会预先对内管中的氨气进行加热；氨气进口 16管与设置在阴极板20上方的环形布气管17连通，环形布气管17围绕在阴极板20水平方向，均匀分布在中心排气口 16管的四周，所述的环形布气管17上设置有均匀分布的小孔，用于将氨气均匀分布在阴极板20上；所述阴极板20上设置有内传感器14，其外面由护套管保护，与炉体I上设置的外传感器19共同检测炉体I渗氮区6的温度参数，所述的阴极板20下方设置有阴极接线11，并通过炉体I下部的绝缘套管引出炉体I外部。
[0042]在等离子放电渗氮过程中，所述的阳极网罩2做旋转运动，使炉内渗氮区6的电场随着阳极网罩的旋转而发生变化，在阳极旋转过程中，也会同时混合炉内的温度梯度差，从而提高渗氮区域内的温度均匀性和电场变化的均匀性，改善零部件或模具的渗氮效果。
[0043]冷却循环系统由冷却水胆夹层4、冷水入口 8、冷水出口 3、冷却塔和循环泵9构成；冷却水源从冷水入口 8进入炉体I的水胆夹层4中实施冷却，经过水胆夹层4后，自炉体I顶部的冷水出口 3流出，经过冷却塔与循环泵9循环使用；所述冷水入口 8设置有节流阀可以调控溢流速度确保炉体I的水胆夹层4的冷却效果；所述的循环水系统可以依据实际工艺要求，调控循环水的速度或流量，以便适应渗氮不同工艺条件的要求。
[0044]所述氨气进口 13设置在炉体底部阴极板20与基座15夹层中，并与抽排气口 16管套接形式同轴接入阴极板20中心，氨气进口 13与阴极板20上方的环形布气管17相连接，所述环形布气管17均匀环状分布，氨气进入后，在布气管17的分布下，均匀分布到渗氮区6域内，渗氮过程中产生的废气和多余气体，则从设置于炉体上部的多个排气管18抽吸出炉体I。
[0045]所述的阳极旋转离子氮化炉的炉腔内将保持一定的真空度，氮化前通过排气管18连接的真空泵对炉腔内进行抽真空，再通过氨气进口 13通入离子氮化的气源即氨气，氨气从阴极板20底部通入有利于氨气的充分反应，并与待渗氮零部件进行离子渗透作用，也确保减少抽排出的气体 含有过量氨气，对车间造成很大污染，严重影响职工身体健康。
[0046]所述的阴极板20上设置的阴极架5，用于渗氮加工时吊挂或装置待渗氮零部件或模具，其结构与形状可以有多种，阴极架5与阴极板20通过卡接方式连接，不同形状的阴极架5具有相同的卡接接口，可按照工艺要求随时更换不同的阴极架5。
[0047]所述的阴极板20上设置温度内传感器14，其外部用护套管加以保护，传感器14深入到炉腔渗氮区6中心部位，置于待渗氮零部件的中部区域，可以有效监测工件整体温度参数，便于调整控制，传感器14信号经过阴极板20与基座15之间的夹层，经炉体I底部绝缘套管导出炉外的检测设备。
[0048]所述的阳极旋转离子氮化炉运行时，通入氨气后，被加速的带电离子碰撞含氮的气体的分子，使其电离和分解产生氮化所需的氮元素，辉光放电中不断产生新的带电粒子，带负电荷的电子向阳极网罩运动，带正电荷的氮离子和氢离子向阴极零售部件运动，高速运动并撞击阴极工件表面，产生热量，把工件加热到所需要的氮化温度；在驱动电机23带动下，阳极网罩以一定速度旋转，使炉内渗氮区6的电场也随之发生旋转变化，造成炉内温度梯度区域和电场梯度区域也随之变化，从而使整个渗氮过程中，炉内的温度与电场处于均匀混合变化之中，辉光层沿工件的轮廓而形成，不同的零部件边角棱均会得到有效的、均匀的渗氮加工处理，使其表面受到均匀的氮化。
[0049]优选的，所述的渗氮区6工作温度为≤6500C ；
[0050]优选的，所述的渗氮区6有效工作尺寸为1000*2000 ；
[0051]优选的，所述的零部件表面积为12m2 ；[0052]优选的，所述的离子氮化旋转炉装炉量为1200kg;
[0053]优选的，所述的内传感器和外传感器精度为±1°C。
[0054]所述阳极网罩采用轻质金属网制造，优选的，所述的轻质金属网为:铜网。
[0055]所述网状结构的阳极均匀置于氮化炉体内侧，以便通过旋转改变电磁场的结构，从而影响到零部件或模具表面的渗氮工艺效果。
[0056]采用炉顶水冷却循环控制系统，优选的，所述的冷水出口 3设置为三个，通过导入冷却水，冷却炉体内壁，控制渗氮区6温度；冷却水在炉体I的水胆夹层4中流动，在循环泵9的驱动下，经过炉体I外侧的循环集水箱，经冷却塔循环使用。
[0057]本实用新型的实施，通过氮化炉阳极的旋转，使整体电场分布在变化之中，相对于零部件而言，作用于其表面的电磁场分布也会随着移动变化，因此，通过阳极旋转的氮化炉，渗氮的零部件或模具表面氮化质量高，效果好，渗氮层均匀；零部件或模具表面的硬度、耐磨性、抗咬合性、抗腐蚀性能和抗疲劳性能均符合要求。
[0058]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【权利要求】
1.一种旋转阳极离子氮化炉，其特征在于，包括炉体、阳极网罩、冷水出口、水胆夹层、阴极架、渗氮区、阳极接线、冷水入口、循环泵、炉门、阴极接线、炉门水阀、氨气进口、内传感器、基座、抽排气口、环形布气管、排气管、外传感器、阴极板、阳极移门、阴极座和电机；所述的炉体为圆筒形，顶部为半球状封头；封头正中设置有驱动电机，所述电机通过驱动轴与旋转阳极网罩连接固定，并通过同轴传输与阳极通电连接；所述炉体内部设置有水胆夹层，炉体侧面设置有炉门，炉体上方设置有冷水出口和外传感器；炉体底部设置有冷水入口，氨气进口，抽排气口 ；所述阴极板上设置有内传感器，所述的阴极板下方设置有阴极接线，并通过炉体下部的绝缘套管引出炉体外部；所述阴极板通过阴极座连接到基座上，阴极板上设置有多个均布的阴极架；所述阴极板中心位置设置有排气管，所述排气管上端延伸至炉顶部，并水平设置有多个分布的排气管。
2.根据权利要求1所述的一种旋转阳极离子氮化炉，其特征在于，所述旋转阳极网罩置于炉体内侧，在炉顶电机驱动下，做旋转运动，其旋转方向与速度可控；所述阳极网罩与炉体形状相同，尺寸小于炉体，材质为铜网、铝网、铝合金网、钛网中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种旋转阳极离子氮化炉，其特征在于，所述旋转阳极网罩侧面对称设置有二个阳极移门，其尺寸与所述炉门匹配，所述炉门和阳极移门用于炉体内渗氮零部件的装炉和出炉。
4.根据权利要求1所述的一种旋转阳极离子氮化炉，其特征在于，所述炉门内设置有冷水夹层，所述冷水夹层在炉门关闭后，通过炉门水阀与炉体水胆夹层连通，供水冷却，当打开炉门时，炉门水阀可关闭。
5.根据权利要求1所述的一种旋转阳极离子氮化炉，其特征在于，6、根据权利要求1所述的一种旋转阳极离子氮化炉，其特征在于，所述所述基座与阴极板之间设置有氨气进口管与抽排气口管套装的管道，氨气进口管位于抽排气管道的内部，外层套管对内管中的氨气预热。
6.根据权利要求1所述的一种旋转阳极离子氮化炉，其特征在于，所述氨气进口管与设置在阴极板上方的环形布气管连通，所述布气管水平设置并设置有均匀分布的小孔。
【文档编号】C23C8/36GK203754792SQ201420006251
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】沈业清, 沈业录, 金伟才 申请人:昆山尤特威热处理有限公司