一种多元气体共渗强化系统及其工艺的制作方法

本发明属于工件热处理技术领域，具体地说，尤其涉及一种多元气体共渗强化系统及其工艺。

背景技术：

热处理行业涉及到氨基气氛的设备或生产线全部都是箱式或推杆式设备或生产线，但这类设备或生产线实现不了诸如公路灯杆、通讯塔杆等大型、超大型物件的热处理。同时目前低温热处理通常采取氮化、软氮化、碳化等方法，这些方法不仅渗入元素单一、渗透时间长、渗层较浅，综合性差，而且容易导致处理件防腐性、耐磨性以及硬度不佳。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供了一种环保性强、渗透效果佳、渗层复合多元化的多元气体共渗强化系统及其工艺。

为了实现上述技术目的，本发明多元气体共渗强化系统及其工艺采用的技术方案为：

一种多元气体共渗强化系统，包括顺序连接的进料单元、换气单元、升温预渗单元、多元气体共渗强化单元、冷却保护单元以及出料单元；

所述进料单元包括进料车架、设于进料车架下方的料车行走机构以及沿进料车架表面行进，贯穿各单元的多个传送辊；

所述换气单元包括置于升温预渗单元前部的前换气室和置于冷却保护单元后部的后换气室；

所述升温预渗单元包括加热炉，所述加热炉前后端分别设有密封的隔热中门和中门，靠近隔热中门处设有置于加热炉表面的第一防爆口，所述加热炉包括壳体、设于壳体内壁的第一保温层以及设于壳体内部上下端的第一加热元件，所述壳体表面连接有第一微波发生器，所述第一保温层表面嵌设有促渗球a，所述壳体表面连通有多个风机，所述壳体首尾端分别插设有热电偶；

所述多元气体共渗强化单元包括共渗室壳体，共渗室壳体前后端分别连接中门和密封中门，靠近密封中门处设有第二防爆口，所述共渗室壳体表面连接有第二微波发生器，所述共渗室壳体内壁填充有第二保温层，所述第二保温层表面及共渗室壳体底部嵌设有促渗球b，所述第二保温层底部沿延伸方向设有滑轨，所述滑轨内滑动连接有滑轮，所述滑轮通过连接环固定连接有联杆，所述联杆表面铺设有与传动齿轮相啮合的齿条，所述传动齿轮底部啮合有置于齿条表面的从动齿轮，所述从动齿轮一端设有转向传动轴，所述传动齿轮两侧分别设有联轴器，所述联轴器两端分别设有开口相背离的偏心式旋叶，所述旋叶表面均布有多个第二加热元件，所述联杆底部螺纹连接有定位座，所述定位座侧部设有驱使其沿联杆表面移动的微型电机；

所述冷却单元包括置于密封中门后端的第三内炉门，所述密封中门和第三内炉门之间设有冷却室壳体，所述冷却室壳体底部填充有保温衬层，所述冷却室壳体表面通过管道连接有管壳式换热器，所述管壳式换热器通过管道分别与加热炉和共渗室相连通；

所述出料单元包括出料车架、设于出料车架下方的料车行走机构以及沿出料车架表面行进，贯穿各单元的多个传送辊。

优选的，所述传送辊表面铺设有承载灯杆件的料盘，所述进料车架与换气单元连接处的侧部设有立架，所述立架上部设有灯杆件感应器，表面内嵌有竖向伺服模组，所述伺服模组表面设有阻挡工件行进的限位板，所述限位板底部设有与置于进料车架下方的电磁铁相吸合的磁铁。

优选的，所述前换气室包括设于前端的前炉门、设于尾端的第一内炉门以及连接前炉门和第一内炉门的前换气室壳体，所述传送辊自前炉门进入沿前换气室壳体内部延伸至第一内炉门，前换气室壳体表面设有促使前换气室壳体内部呈真空状的第一真空换气系统。

优选的，所述后换气室包括设于冷却保护单元后部的第二内炉门、设于末端的后炉门以及连接第二内炉门和后炉门的后换气室壳体，传送辊自第二内炉门进入沿后换气室壳体内部延伸至后炉门，后换气室壳体表面设有第二真空换气系统。

一种多元气体共渗强化工艺，包括以下步骤：

(1)将待处理的灯杆件进行喷砂处理后，交叠放置于料盘内，经传送辊输送至各单元；

(2)传送辊将灯杆件输送至前换气室内，灯杆件感应器发出激光，根据激光返回时间与空白返回时间的对比计算出灯杆件总外径和，利用单个灯杆件外径历史数据，计算出灯杆件数量，并将讯号传递至电磁铁处，达到设定值时，竖向伺服模组下移，底部磁铁与电磁铁吸合，促使限位板迅速下移阻断灯杆件的输送，停止灯杆件的投放，随后磁铁与电磁铁相斥，限位板上移，传送辊继续输送灯杆件；

(3)启动第一真空换气系统对前换气室进行空气抽提，避免空气参与处理；

(4)待加热炉内温度达到400～460℃时，促渗球a内富勒烯经高温氧化后产生co2渗c气体，同时促进软氮化，传送辊将灯杆输送至加热炉内，微波辐射20min；

(5)共渗室内温度升至470～570℃时，通入氨气，保温微波辐射30min，再升温至570～590℃时，促渗球b内气态碳硫铬络合物逐步释放，使灯杆件表面形成混合渗层，组织厚度达到20～50um；

(6)传送辊将渗层后的灯杆件输送至冷却室壳体内，并向冷却室壳体内充入氮气对灯杆件进行保护，启动风机，使冷却室壳体内部温度快速下降至540℃以下后再逐步风冷降温；

(7)启动第二真空换气系统，对后换气室进行空气抽提，使后换气室呈真空状，传送辊将冷却后的灯杆件输送至后换气室，准备出料；

(8)传送辊将渗层冷却后灯杆件输送至出料车架，收集，存储。

优选的，所述步骤(4)中促渗球a制备方法包括以下步骤：1)将适量氧化物纤维和富勒烯溶解于四氯化碳溶液中，浸泡20～30min；2)将浸泡后混合物取出放置于co2气氛中冷干；3)在混合物表面涂布硅溶胶液，真空抽干，重复多次，直至混合物表面覆盖有硅胶层；4)烘箱烘干。

优选的，所述步骤(5)中促渗球b制备方法包括以下步骤：1)将重铬酸钾溶于浓硫酸中，加入去离子水稀释，再加入石墨充分搅拌，离心后洗涤至中性，保温干燥制得膨胀石墨；2)将一氧化硅和膨胀石墨加入到酚醛树脂溶剂中，分散，高温热解制得膨胀石墨/硅-二氧化硅/碳复合材料；3)将碳硫铬络合物填充入膨胀石墨/硅-二氧化硅/碳复合材料中，高温热处理后制得可缓慢释放气态碳硫铬络合物的促渗球b。

优选的，所述气态碳硫铬络合物为硫酸铬铵的二硫化碳溶液、硫酸铬铵甲酰胺溶液中的一种或两种与氯化铬形成的组合络合物。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本系统通过各单元的配合，代替传统的浸泡制取防腐层的工艺，避免产生大量废酸废液，造成环境污染；

2、本发明在整个系统的前后端分别设置换气单元，利用真空换气系统，使灯杆多元渗透过程无空气参与，提高多原子渗透的充分性，同时对氨气渗氮过程中产生的毒气进行抽提集中处理，避免对工作人员造成伤害，提升环保性能；

3、本发明在升温预渗单元设置促渗球a，同时结合微波辐射，改变灯杆表面组织结构，使表面形成一层微c层，加快后续氮元素、硫元素以及铬元素的渗入速度和深度，解决了因渗氮温度过高，缺乏缓冲阶段，从而导致灯杆表面发黑的问题；

4、本发明在多元气体共渗强化单元中设置联杆，联杆沿共渗室壳体轴向滑动，配合旋叶旋转，使加热元件产生的热量螺旋均匀分布于共渗室内部，从而便于氨气均匀吸热后均匀分散于灯杆件表面，实现渗层组织的均匀分布，提高灯杆件的质量；

5、本发明进行多元气体共渗强化处理时，先采用氨气气氛渗氮处理，再采用促渗球b释放气态碳硫铬络合物，实现渗碳、渗硫以及渗铬处理，令渗层组织复合多元化，大大提高灯杆件表面硬度、降低摩擦系数、提高耐疲劳强度，同时采用先后分段式渗透处理，不仅避免单纯氨气渗透时，初期氮势过高，灯杆件表面产生黑点，而且避免氨气气氛和气态碳硫铬络合物混合渗透时竞争渗入，令氮化物分解及脱氨，造成灯杆件表面产生黑洞，降低灯杆件渗透质量的问题。

附图说明

图1是本发明整体布置示意图；

图2是本发明中进料单元的结构示意图；

图3是本发明中前换气室的结构示意图；

图4是本发明中升温预渗单元的结构示意图；

图5是本发明中多元气体共渗强化单元的结构示意图；

图6是本发明中冷却单元的结构示意图；

图7是本发明中后换气室的结构示意图；

图8是本发明中出料单元的结构示意图。

图中：1.进料车架；2.料车行走机构；3.传送辊；4.前换气室；5.后换气室；6.隔热中门；7.中门；8.第一防爆口；9.壳体；10.第一保温层；11.第一加热元件；12.第一微波发生器；13.风机；14.热电偶；15.共渗室壳体；16.密封中门；17.第二防爆口；18.第二微波发生器；19.第二保温层；20.滑轨；21.滑轮；22.连接环；23.联杆；24.传动齿轮；25.齿条；26.从动齿轮；27.转向传动轴；28.联轴器；29.旋叶；30.第二加热元件；31.定位座；32.微型电机；33.第三内炉门；34.冷却室壳体；35.保温衬层；36.管壳式换热器；37.出料车架；38.料盘；39.立架；40.灯杆件感应器；41.伺服模组；42.限位板；43.电磁铁；44.磁铁；401.前炉门；402.第一内炉门；403.前换气室壳体；404.第一真空换气系统；501.第二内炉门；502.后炉门；503.后换气室壳体；504.第二真空换气系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进一步说明：

如图1—图8所示，一种多元气体共渗强化系统，包括顺序连接的进料单元、换气单元、升温预渗单元、多元气体共渗强化单元、冷却保护单元以及出料单元；

所述进料单元包括进料车架1、设于进料车架1下方的料车行走机构2以及沿进料车架1表面行进，贯穿各单元的多个传送辊3；

所述换气单元包括置于升温预渗单元前部的前换气室4和置于冷却保护单元后部的后换气室5；

所述升温预渗单元包括加热炉，所述加热炉前后端分别设有密封的隔热中门6和中门7，靠近隔热中门6处设有置于加热炉表面的第一防爆口8，所述加热炉包括壳体9、设于壳体9内壁的第一保温层10以及设于壳体9内部上下端的第一加热元件11，所述壳体9表面连接有第一微波发生器12，所述第一保温层10表面嵌设有促渗球a，所述壳体9表面连通有多个风机13，所述壳体9首尾端分别插设有热电偶14；

所述多元气体共渗强化单元包括共渗室壳体15，共渗室壳体15前后端分别连接中门7和密封中门16，靠近密封中门16处设有第二防爆口17，所述共渗室壳体15表面连接有第二微波发生器18，所述共渗室壳体15内壁填充有第二保温层19，所述第二保温层19表面及共渗室壳体15底部嵌设有促渗球b，所述第二保温层19底部沿延伸方向设有滑轨20，所述滑轨20内滑动连接有滑轮21，所述滑轮通过连接环22固定连接有联杆23，所述联杆23表面铺设有与传动齿轮24相啮合的齿条25，所述传动齿轮24底部啮合有置于齿条25表面的从动齿轮26，所述从动齿轮22一端设有转向传动轴27，所述传动齿轮24两侧分别设有联轴器28，所述联轴器28两端分别设有开口相背离的偏心式旋叶29，所述旋叶29表面均布有多个第二加热元件30，所述联杆23底部螺纹连接有定位座31，所述定位座31侧部设有驱使其沿联杆表面移动的微型电机32；

所述冷却单元包括置于密封中门16后端的第三内炉门33，所述密封中门16和第三内炉门33之间设有冷却室壳体34，所述冷却室壳体34底部填充有保温衬层35，所述冷却室壳体34表面通过管道连接有管壳式换热器36，所述管壳式换热器36通过管道分别与加热炉和共渗室相连通；

所述出料单元包括出料车架37、设于出料车架37下方的料车行走机构2以及沿出料车架37表面行进，贯穿各单元的多个传送辊3。

本发明中进料单元采用料车行走机构2驱动表面传送辊3行走，进而带动长型灯杆件输送，提升传输效率。在进行升温预渗单元前部设置换气单元，进行炉气换气处理，不仅保证了后续渗透处理气氛的纯度，而且避免前端气氛的泄露，提升整体的安全性能。利用升温预渗单元对灯杆件进行表面预处理，同时生成co2作为后期软氮化处理催化剂，先行软化灯杆件表面组织，便于后期氮元素、硫元素以及铬元素的渗入。多元气体共渗强化单元通过联杆23沿滑轨20的轴向滑动，同时配合联轴器28的圆周运动，实现第二加热元件热量的均匀传递，从而令氨气气氛均匀分散，令灯杆件表面渗氮层厚度及深度趋于一致，而且多元气体共渗强化单元利用氨气气氛先行渗氮，再利用促渗球b实现渗硫、渗铬，使灯杆件表面渗层复合化，令表面防腐性、硬度等均得到大幅提升。

所述传送辊3表面铺设有承载灯杆件的料盘38，所述进料车架1与换气单元连接处的侧部设有立架39，所述立架39上部设有灯杆件感应器40，表面内嵌有竖向伺服模组41，所述伺服模组41表面设有阻挡工件行进的限位板42，所述限位板42底部设有与置于进料车架1下方的电磁铁43相吸合的磁铁44。利用灯杆件感应器40准确计算灯杆件投放量，实现灯杆件的周期性处理，保证渗透过程的有序进行，利用电磁铁43和磁铁44的吸合性，实现伺服模组41上下移动的自如性和准确性。

所述前换气室4包括设于前端的前炉门401、设于尾端的第一内炉门402以及连接前炉门401和第一内炉门402的前换气室壳体403，所述传送辊3自前炉门401进入沿前换气室壳体403内部延伸至第一内炉门402，前换气室壳体403表面设有促使前换气室壳体403内部呈真空状的第一真空换气系统404。利用真空换气系统404抽提前换气室4内空气，避免空气进入后端，影响后续渗氮、渗硫以及渗铬效果，同时通过设置前换气室4，避免灯杆件热处理进出时有毒气体外溢，提高环保性。

所述后换气室5包括设于冷却保护单元后部的第二内炉门501、设于末端的后炉门502以及连接第二内炉门501和后炉门502的后换气室壳体503，传送辊3自第二内炉门501进入沿后换气室壳体503内部延伸至后炉门502，后换气室壳体503表面设有第二真空换气系统504。通过设置后换气室5，避免灯杆件经传送辊3输送至后端时，有毒气体逸出，造成人员伤害的问题。

本发明工作时，将待处理灯杆件交叠放置于料盘38内，启动第一真空换气系统404，对前换气室4内空气进行抽提，使前换气室4成真空状，启动料车行走机构2，灯杆件经传送辊3传送至前换气室4内，同时灯杆件感应器40发出激光，根据激光返回时间与空白返回时间的对比计算出灯杆件总外径和，利用单个灯杆件外径历史数据，计算出灯杆件数量，并将讯号传递至电磁铁43处，达到设定值时，竖向伺服模组41下移，底部磁铁44与电磁铁43吸合，促使限位板42迅速下移阻断灯杆件的输送，停止灯杆件的投放，随后磁铁44与电磁铁43相斥，限位板42上移，传送辊3继续输送灯杆件至前换气室4，升温预渗单元的加热元件11加热升温至工艺温度，同时微波辐射20min，促渗球a中富勒烯氧化为二氧化碳，对灯杆件表面进行初步渗c处理，同时形成后期渗氮催化剂，打开中门7，部分二氧化碳进入共渗室内；

加热炉加热的同时共渗室内微型电机32驱动，驱使定位座31下移至传送辊3表面，随着传送辊3的运行，带动联杆23沿滑轨20滑动，旋叶29在联轴器8驱动下旋转运动，其表面第二加热元件30加热，使整个共渗室内温度均匀一致，共渗室表面设有进气管道，由进气管道内通入氨基气氛，令氨气均匀发散，形成稳定、均匀氨基气氛，达到工艺温度后，反向启动微型电机32，微型电机32驱使定位座31沿联杆23上移动，启动转向传动轴27，驱使从动齿轮26旋转，进而带动传动齿轮24沿齿条25移动，令整体上移至上部，从而便于前端灯杆件的输送，灯杆件氨基气氛处理1～3h后，升高温度，促渗球b中态碳硫铬络合物逐步释放，微波辐射30min，实现快速渗硫、渗铬，令渗层组织多元化；

灯杆件多元共渗后经传送辊3输送至冷却室降温，管壳式换热器36吸收余热后将热量传递至前端加热炉和共渗室，不仅有效利用能源，而且降低加热元件11损耗；

随后灯杆件输送至经第二真空换气系统504抽提后的后换气室5内进一步冷却后输送至出料车架37，收集，存储。

一种多元气体共渗强化工艺，包括以下步骤：

(1)将待处理的灯杆件进行喷砂处理后，交叠放置于料盘内，经传送辊输送至各单元；

(2)传送辊将灯杆件输送至前换气室内，灯杆件感应器发出激光，根据激光返回时间与空白返回时间的对比计算出灯杆件总外径和，利用单个灯杆件外径历史数据，计算出灯杆件数量，并将讯号传递至电磁铁处，达到设定值时，竖向伺服模组下移，底部磁铁与电磁铁吸合，促使限位板迅速下移阻断灯杆件的输送，停止灯杆件的投放，随后磁铁与电磁铁相斥，限位板上移，传送辊继续输送灯杆件；

(3)启动第一真空换气系统对前换气室进行空气抽提，避免空气参与处理；

(4)待加热炉内温度达到400～460℃时，促渗球a内富勒烯经高温氧化后产生co2渗c气体，同时促进软氮化，传送辊将灯杆输送至加热炉内，微波辐射20min；

(5)共渗室内温度升至470～570℃时，通入氨气，保温微波辐射30min，再升温至570～590℃时，促渗球b内气态碳硫铬络合物逐步释放，使灯杆件表面形成混合渗层，组织厚度达到20～50um；

(6)传送辊将渗层后的灯杆件输送至冷却室壳体内，并向冷却室壳体内充入氮气对灯杆件进行保护，启动风机，使冷却室壳体内部温度快速下降至540℃以下后再逐步风冷降温；

(7)启动第二真空换气系统，对后换气室进行空气抽提，使后换气室呈真空状，传送辊将冷却后的灯杆件输送至后换气室，准备出料；

(8)传送辊将渗层冷却后灯杆件输送至出料车架，收集，存储。

本发明在升温预渗单元，利用促渗球a氧化生成co2后对灯杆件进行初步渗c处理，同时将co2气体传输至多元气体共渗强化单元，催化氨气渗氮进程，在多元气体共渗强化单元中采取先后渗氮和渗硫、渗铬过程，由于促渗球b的设置减少氨气投入量，避免了初期氮势过高，造成灯杆件表面产生黑点的问题，同时多元气体共渗，令灯杆件渗层组织复合化，硬度和防腐性得到显著提高，通过分段式渗入方式，避免多元气体共渗时多元素竞争渗入，致使渗层厚度不一，降低产品质量的问题。

所述步骤(4)中促渗球a制备方法包括以下步骤：1)将适量氧化物纤维和富勒烯溶解于四氯化碳溶液中，浸泡20～30min；2)将浸泡后混合物取出放置于co2气氛中冷干；3)在混合物表面涂布硅溶胶液，真空抽干，重复多次，直至混合物表面覆盖有硅胶层；4)烘箱烘干。

本发明通过在升温预渗单元设置促渗球a代替直接通入co2，避免了co2先期通入多元气体共渗强化单元，以及后期通入多元气体共渗强化单元通入量的不可控。

所述步骤(5)中促渗球b制备方法包括以下步骤：1)将重铬酸钾溶于浓硫酸中，加入去离子水稀释，再加入石墨充分搅拌，离心后洗涤至中性，保温干燥制得膨胀石墨；2)将一氧化硅和膨胀石墨加入到酚醛树脂溶剂中，分散，高温热解制得膨胀石墨/硅-二氧化硅/碳复合材料；3)将碳硫铬络合物填充入膨胀石墨/硅-二氧化硅/碳复合材料中，高温热处理后制得可缓慢释放气态碳硫铬络合物的促渗球b。

本发明在多元气体共渗强化单元设置促渗球b，形成以铁氮化合物为基体，内部溶入其他原子的复合防腐化合物层，同时避免多原子之间的竞争渗入，提高灯杆件渗层组织质量。

所述气态碳硫铬络合物为硫酸铬铵的二硫化碳溶液、硫酸铬铵甲酰胺溶液中的一种或两种与氯化铬形成的组合络合物。

综上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。