钛合金交变循环控压快速渗氮装置的制作方法

本实用新型涉及一种钛合金渗氮装置，尤其涉及一种钛合金交变循环控压快速渗氮装置；属于金属材料热处理装置。

背景技术：

钛合金具有高的比强度、耐腐蚀性好、耐高温以及生物相容性好等优点，广泛应用于航空航天、船舶、机械、石油化工和生物工程等领域。但钛合金表面硬度不高，不耐磨及耐疲劳性能差等缺点，因而其使用范围受到了极大的限制。在所有的合金元素中，氮是影响钛硬度最大的元素，钛的氮化物具有很高的硬度、优良的化学稳定性、低的摩擦系数、优异的生物兼容性及良好的导电性等优点，钛合金表面渗氮是提高其表面硬度、改善耐磨性能、延长使用寿命，进而扩大使用范围的最有效措施。目前，主要采用离子渗氮、激光气体渗氮及普通气体渗氮的方法对钛合金进行表面渗氮处理。

离子渗氮可明显提高钛合金的表面硬度及耐磨性，但存在工艺要求严格，影响因素较为复杂，渗氮层不易控制，渗氮层不均匀，渗氮后表面较为粗糙，疲劳强度会大幅度下降等不足。激光渗氮所形成的渗氮层与基体结合紧密、强度高，但由于高能密度激光束的快速加热和基体的激冷作用，使熔覆层渗氮层中产生极大的热应力，易形成裂纹，使其在实际生产中无法使用。

一般而言，无论是离子渗氮还是激光渗氮，均不能对形状复杂的工件进行处理。作为传统的化学热处理，气体渗氮不依赖零件的几何形状，具有工艺简单、成本低、渗氮均匀等优点而得到广泛应用。但由于有钛合金极易氧化，即便在室温下也能在表面形成致密的氧化物保护膜，使渗氮较难进行。另外，钛与氮具有很强的亲和力，氮难于向内扩散。因此，现有的钛合金气体渗氮技术存在处理时间长、渗层薄以及渗层脆性大等缺点，不能满足实际使用的需要。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述缺陷，本实用新型旨在提供一种适应各种复杂形状的工件，且可缩短渗氮时间、增加渗层厚度和硬度、减小脆性和磨损的钛合金交变循环控压快速渗氮装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：它包括加热系统、真空系统及供气系统；所述加热系统由固定于炉体炉膛中的反应罐、位于该反应罐与所述炉膛之间且均匀分布的若干电热元件、固定于炉体上并伸入炉膛中的热电偶、固定于反应罐罐口处的法兰盘、固定在该法兰盘上并将所述罐口密闭的炉门构成；所述真空系统由与反应罐连通的抽气口、通过管道与该抽气口连通的抽气泵构成；所述供气系统由固定于反应罐中并通过供气管与氮气瓶连通的进气管构成，反应罐上固定有压力表。

法兰盘与炉门之间有密封圈，沿法兰盘的表面开设有环形凹槽，该环形凹槽中盘绕有循环冷却水管；反应罐中固定有抽气管，进气管、抽气管上均分布有若干小孔；所述管道与抽气泵之间连接有冷凝器；在反应罐上靠近所述罐口的位置固定有与反应罐内部连通的泄压阀；炉体上固定有控制仪，电热元件、热电偶、压力表、抽气泵均分别与控制仪电连接；所述供气管、所述管道上均安装有电磁阀，各电磁阀分别与控制仪电连接。

与现有技术比较，本实用新型方法由于采用了上述技术方案，因此具有以下优点：

1）由于在炉膛中增加了密封的反应罐，在该反应罐中增加了与氮气瓶连通的进气管、与抽气泵连通的抽气口，因此能够根据实际需要交替实现充气、抽气、再充气的循环操作，从而可实现工件真空预热处理、压力交变循环渗氮处理、真空扩散处理等操作。

2）在法兰盘上增加了循环冷却水管，因此能够降低炉门温度，避免密封圈快速老化、延长使用寿命。

3）在进气管、抽气管上设置了若干小孔，既可实现反应罐内各部分的气体进行更换，促进充气体分流动、避免出现死角或盲区，同时又能通过气体流动来均匀罐内各部分反应温度、保证温度均衡。

4）在反应罐上增加泄压阀，因此能够快速开启炉盖、取出工件。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：炉体1、电热元件2、热电偶3、反应罐4、进气管5、压力表6、冷却水管7、法兰盘8、炉门9、泄压阀10、电磁阀11、冷凝器12、氮气瓶13、抽气泵14、抽气管15、控制仪16。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，加热系统由固定于炉体1炉膛中的反应罐4、位于该反应罐与所述炉膛之间且均匀分布的若干电热元件2、固定于炉体1上并伸入炉膛中的热电偶3、固定于反应罐4罐口处的法兰盘8、固定在该法兰盘上并通过钩型螺栓（图中未示出）将所述罐口密闭的炉门9构成；真空系统由与反应罐4连通的抽气口（图中未示出）、通过管道（图中未标示出）与该抽气口连通的抽气泵14构成；供气系统由固定于反应罐4中并通过供气管（图中未标示出）与氮气瓶13连通的进气管5构成，反应罐4上固定有压力表6。

为了增加密闭性能，法兰盘8与炉门9之间安装有密封圈（图中未标示出），沿法兰盘8的表面开设有环形凹槽（图中未标示出），该环形凹槽中盘绕有循环冷却水管7。

为了促进罐内气体充分流动、避免存在盲区死角，反应罐4中固定有抽气管15，该抽气管上均分布有若干小孔；与此类似，为了保证罐内各个部位能够均匀供气，进气管5均分布有若干小孔（图中未标示出）。

为了避免抽气泵14进水，所述管道与抽气泵14之间连接有冷凝器12；为了提高真空度，抽气泵14采用由旋片式真空泵和分子泵构成的二级泵。

为了便于开启炉门9，在反应罐4上靠近所述罐口的位置固定有与反应罐4内部连通的泄压阀10。

为了便于控制，炉体1上固定有控制仪16，电热元件2、热电偶3、压力表6、抽气泵14均分别与控制仪16电连接。

为了使用方便，所述供气管、所述管道上均安装有电磁阀11，各电磁阀11分别与控制仪16电连接。

工作原理：

开启与进气管5连通的电磁阀11，打开氮气瓶13向反应罐4充气已排出罐内的空气；将工件放入反应罐4内、关闭炉门9，然后利用抽气泵14并通过抽气管15将罐内抽真空至预定负压、将炉温升至预定温度，保温一定时间；完成工件预热处理。

将炉温升至渗氮温度、并打开氮气瓶13向反应罐4充入氮气至预定高压，保温一定时间；然后关闭氮气瓶13、利用抽气泵14并通过抽气管15将罐内氮气抽出直至达到预定低压，保温一定时间。按照高压-低压-高压的往复循环方式即可实现对钛合金工件的压力交变循环渗氮处理。

渗氮结束后，将罐内氮气抽出，直至达到预定的真空度，然后按照预定时间进行真空扩散。

真空扩散结束后将工件随炉冷却至室温，然后开启泄压阀10、打开炉门9，将工件取出即可。

技术特征：

1.一种钛合金交变循环控压快速渗氮装置，包括加热系统、真空系统及供气系统；其特征在于：所述加热系统由固定于炉体（1）炉膛中的反应罐（4）、位于该反应罐与所述炉膛之间且均匀分布的若干电热元件（2）、固定于炉体（1）上并伸入炉膛中的热电偶（3）、固定于反应罐（4）罐口处的法兰盘（8）、固定在该法兰盘上并将所述罐口密闭的炉门（9）构成；所述真空系统由与反应罐（4）连通的抽气口、通过管道与该抽气口连通的抽气泵（14）构成；所述供气系统由固定于反应罐（4）中并通过供气管与氮气瓶（13）连通的进气管（5）构成，反应罐（4）上固定有压力表（6）。

2.根据权利要求1所述的钛合金交变循环控压快速渗氮装置，其特征在于：法兰盘（8）与炉门（9）之间有密封圈，沿法兰盘（8）的表面开设有环形凹槽，该环形凹槽中盘绕有循环冷却水管（7）。

3.根据权利要求1所述的钛合金交变循环控压快速渗氮装置，其特征在于：反应罐（4）中固定有抽气管（15），进气管（5）、抽气管（15）上均分布有若干小孔。

4.根据权利要求1所述的钛合金交变循环控压快速渗氮装置，其特征在于：所述管道与抽气泵（14）之间连接有冷凝器（12）。

5.根据权利要求1所述的钛合金交变循环控压快速渗氮装置，其特征在于：在反应罐（4）上靠近所述罐口的位置固定有与反应罐（4）内部连通的泄压阀（10）。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的钛合金交变循环控压快速渗氮装置，其特征在于：炉体（1）上固定有控制仪（16），电热元件（2）、热电偶（3）、压力表（6）、抽气泵（14）均分别与控制仪（16）电连接。

7.根据权利要求6所述的钛合金交变循环控压快速渗氮装置，其特征在于：所述供气管、所述管道上均安装有电磁阀（11），各电磁阀（11）分别与控制仪（16）电连接。

技术总结
本实用新型公开了一种钛合金交变循环控压快速渗氮装置，属于热处理装置。旨在提供一种可快速渗氮、增加渗层厚度和硬度、减小脆性的钛合金渗氮装置。它包括加热系统、真空系统及供气系统；加热系统由固定于炉膛中的反应罐（4）、位于该反应罐与所述炉膛之间的电热元件（2）、伸入炉膛中的热电偶（3）、将所述罐口密闭的炉门（9）构成；真空系统由通过抽气口与反应罐（4）连通的抽气泵（14）构成；供气系统由固定于反应罐（4）中并通过供气管与氮气瓶（13）连通的进气管（5）构成，反应罐（4）上固定有压力表（6）。利用本实用新型处理的钛合金工件，其表面硬度可达1100HV以上，且硬度梯度平缓；是一种金属材料表面热处理装置。

技术研发人员：杨闯;雷伦福;王正芹;高雨琪;吴什二;潘文美;赵应飞;刘选文;张茂
受保护的技术使用者：贵州师范大学
技术研发日：2020.07.26
技术公布日：2020.12.29