专利名称:无外加热源真空离子渗碳的制作方法
本发明属于化学热处理，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。本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
实现本发明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，本发明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，本发明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。
本发明选用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，本发明系通过改变渗碳阶段和扩散阶段气氛比例来实现。
本发明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)。
本发明与现有技术相比的优点是1.由于本发明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.由于本发明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.本发明处理的工件变形小(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.本发明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是本发明的结构示意图。
图2是本发明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来取代。所说的金属套壁厚为5～10mm，径向尺寸比工件所占阴极盘面积的径向尺寸大10～20mm(如需快速升温，宜取下限)，纵向尺寸大于工件总装量高度10mm以上。所说金属套上交叉均布有φ10mm左右的通孔13，孔心间距为15～30mm。另外，凡工件需端部或其全部渗碳时，尚要在金属套12的顶上加一较其径向尺寸大5～10mm的有孔盖板，其孔心间距、孔的大小及其布置方法和其厚度均与金属套12条件相同。金属套12与工件9之间装有测量渗碳过程中工件温度的热电偶16。该热电偶测得的温度即为工件的温度。热电偶16距工件9为2～5mm。
阴极盘8通过伸出炉底板1的阴极导柱22与电源25的负极相连，阴极导柱22通有冷却水循环装置23。阴极盘8与炉底板1之间有绝缘座6，阴极盘8与绝缘座6之间有屏蔽盘5，屏蔽盘5与阴极盘8之间的间隙可用调整螺母7来实现，阴极导柱22与炉底板1用绝缘垫21隔开。
进气管19与环形散流管14由连接螺母18安装在一起，安装的方式要保证散流管14，既可以在水平位置上移开，又可以上下移动，散流管14上方有φ2.5mm的孔15，孔心间距为40mm，散流管14的环外径尺寸比阴极盘8的直径小50mm，管径为20mm。排气管24的上部接一环形管4，其上开有φ5mm的孔26，孔口向下，孔心间距为20mm;环形管4的环外径尺寸也较阴极盘8的直径小50mm;环形管4置于阴极盘8与炉底板1之间。
筒状阳极3与电源25的正极相连，它借助于绝缘材料95高铝瓷座2安装在炉底板1上，且离阴极盘8为50～60mm。阳极3可用铁丝网制做而成;也可以用钢板制成具有间隙10的双层套筒结构，间隙10可用硅酸铝陶瓷纤维棉填充。在阳极3的顶端可加设一具有通孔17的盖板11，通孔17为φ10～20mm。孔心间距为50mm。
所说的金属套12，阳极3顶部的盖板11均用耐热钢或者耐热铸铁(可用4Cr9Si2;RQTAl21Re;4Cr10Si2Mo等)制成。
下面结合图2说明本发明一个实施例的装炉方式和工艺效果。
图2中处理的3只(也可装3只以上)园柱形齿轮28是由20CrMnTi制成，其直径为φ220mm，齿宽为50mm，模数为3，所要求的渗层深度为1.2mm，硬度HRC为58～61。加设在齿轮28周围的仿形套13是用耐热钢4Cr9Si2制成，其壁厚为5mm，直径为240mm，高度为260mm;仿形套13上的通孔约为10mm，孔心间距为15mm，齿轮28的轴孔加一盖板27，齿轮28底部是放在阴极盘8上垫块30，29是防渗套，3是用铁丝网制做的筒状阳极，16是测温热电偶。
根据本发明的方案和图1所描述的条件对普通离子氮化炉进行改进后，按照图2把需渗碳的齿轮工件和与其相应的仿形套放好后，按常规离子氮化炉操作方法操作。
本实施例的工艺过程按本发明方案中所述的操作规程和工艺规范进行。
上例齿轮渗碳后，其渗层浓度分布为过共析区0.20mm，共析区为0.50mm，亚共析区为0.50mm，表层含碳量0.9～1.0%，含氮量为0.01～0.03%，此工件经后续淬火、回火处理后，硬度、疲劳强度和耐磨损性均符合设计要求。
权利要求
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，其特征在于在所说的炉底板〔1〕上，阴极盘〔8〕外装有能吊出、吊进的筒状阳极〔3〕，其上部置有盖板〔11〕，盖板〔11〕均布φ10～20mm的孔〔17〕，孔心间距为50mm。
5.按权利要求
4所述的能实现高温渗碳的离子氮化炉，其特征在于所说的筒状阳极〔3〕系由钢板制成具有间隙双层套筒结构，间隙〔10〕用硅酸铝陶瓷纤维棉填充。
6.按权利要求
1所述的能实现高温渗碳的离子氮化炉，其特征在于所说的阴极盘〔8〕、金属套〔12〕和阴极输电装置的屏蔽盘〔5〕均用耐热钢或耐热铸铁制成。
7.按权利要求
1所述的能实现高温渗碳的离子氮化炉，其特征在于在金属套〔12〕与工件〔9〕之间，且距工件〔9〕2～5mm处放置一测温热电偶〔16〕。
8.用权利要求
1所述的能实现高温渗碳的离子氮化炉进行渗碳的方法，其特征在于用96.5%的丙酮为渗碳气，99.9%的氨气为载气或稀释剂，丙酮与氨气在各个阶段的比例为在温度约500℃时，丙酮/氨气为 1/10 ;在温度为800℃时，丙酮/氨气为1/2，到达生产要求渗碳温度时，氨/丙酮为1∶(1～1.2);扩散阶段氨/丙酮为(1.2～1.5)∶1。
9.按权利要求
7所述的渗碳方法，其特征在于升温阶段的电流为3～4mA/cm2;保温阶段的电流为2～3mA/cm2;气压为5～15托。
专利摘要
本发明属于化学热处理，更具体地说是用于离子渗碳的设备和方法。
文档编号C23C8/36GK86102217SQ86102217
公开日1987年10月21日 申请日期1986年4月8日
发明者杨烈宇, 李国卿, 鲁济顺, 杨道正 申请人:大连海运学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan