专利名称：一种新型离子轰击炉真空炉体的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到工件表面强化专用设备，属于热处理设备领域。
离子氮化以及离子多元共渗，是一种可以显著提高钢铁零件表面耐磨损、耐疲劳、耐腐蚀、抗高温氧化和提高工件寿命的一项新兴的金属表面强化工艺。它是把被处理的工件放在真空容器内，抽真空至66.7Pa，然后，充以稀薄的含氮气体及其他共渗气体，如氨气或氮氢混合气体至133～1333Pa。在阴极和阳极之间加上高压直流电后，气体被电离成为氮和氢的正离子及电子，此时，工件(阴极)由于受激后返回基态的氮和氢原子产生光辐射，因而在其表面被产生这种紫色的辉光所覆盖。氮和氢离子在高压电场作用下，以很大的能量轰击阴极(工件)的表面，产生大量的热量把工件加热到所需要的温度，同时，氮的正离子在工件表面产生复合，化学反应和吸附，扩散的物理、化学过程，较快的形成了高硬度的氮化层及多元素的化合层。
离子渗氮具有渗速快、渗层致密、热效率高、节约能源、工件变形小、无公害污染、劳动条件好、防渗容易、在真空中处理工件不氧化，不脱碳，处理后的工件表面质量好等优点。因此，近年来广被人们所重视。用于完成这种工件表面强化工艺的专用设备，一般称离子氮化炉，本实用新型称之为离子氮化轰击炉。它可以用来对碳钢、合金钢、不锈钢、热强钢、铸铁、球墨铸铁、钛及钛合金等进行离子渗氮、离子碳氮共渗(离子软氮化)、离子氮碳钛三元共渗、氮碳钛硫共渗等工艺处理。
现有的离子氮化炉，从其炉型来说，可有罩式炉、井式炉和通用式炉，根据离子氮化工艺的要求，其整套设备包括真空炉体[4]、真空获得系统[62]、供气系统[63]、供电系统[64]和冷却系统[65]。
为了保证离子氮化的质量，通常要求真空炉体有①良好的气密性，以适应离子氮化过程中气体电离所产生的离子在轰击工件时，炉内要达到133～1333Pa真空度的要求，②良好的绝缘性，离子氮化时，在阴、阳极之间有500～1000伏的直流电压，因此，将阴极引线穿过炉体时，必须与炉体绝缘才能把高压引进真空炉体的内腔，③由于炉体的密封绝缘材料耐热温度较低，一般只有60～90℃，而氮化时炉温为500～650℃，因此，炉体要有良好的隔热性。
在已有的技术中，最典型的离子氮化炉为通用式离子氮化炉。这种炉子主要是由弧形炉盖、园形炉筒、平板炉底、及设在炉盖上的吊挂阴极输电装置、通过炉底的底部而设在平板炉底和堆放工件用的阴极盘之间的堆放阴极输电装置、底座所构成的炉体[4]和真空系统[62]、供气系统[63]、供电系统[64]、和冷却系统[65]所构成。这种通用炉适用于处理细长和短粗的工件，通用性强，但还存在着一些不足之处①在炉盖上只设有一个阴极输电装置，因此，不能在一个炉内同时完成要求多种不同渗层厚度的工件，②真空系统、供气系统、供电系统和水冷却系统都要安设在炉底与底座之间，维修不方便，③炉体全部采用水冷，消耗极大的能源，④阴极输电装置，结构不合理，常出现刚性不足和打弧现象，⑤炉底是平板式结构，因此，承压能力低，浪费材料，不利于气体循环，常出现死角。
为了解决现有技术的上述不足，并提供一种便于维修、耐压能力高、炉内气体循环畅通、节能、阴极输电装置刚性强，不产生打弧，能在同一炉内同时处理不同渗层厚度要求的离子轰击炉的真空炉体(简称炉体，下同)，特提出本实用新型的技术解决方案。
本实用新型的基本构思是，炉底设计成弧形，与真空炉体相联接的各种管件，设计在弧形炉底的侧面，组成炉体的园形炉筒设计成多段，内侧保留隔热屏，侧壁采用水冷层与真空层、或与空气层、或与填料层，以及水冷层与真空层、空气层、或与空气层、填料层、或与真空层、填料层所组成的隔热法，采用多个吊挂阴极输电装置，增加吊挂阴极的刚性，堆放阴极改为卧式结构不承重，在气隙保护层的外部增加防溅机构。
本实用新型所设计的一种新型离子轰击炉炉体[4]，主要是由炉盖[3]、园形炉筒[5]、炉底[6]、吊挂阴极输电装置[1]、堆放阴极输电[11]和底座[2]而构成，其特征在于，在弧形炉盖[3]上设计有多个可以独立操作的吊挂阴极输电装置[1]；由双层钢板制作的圆形炉筒[5]，在其两层钢板中间夹有水冷层[21]与真空层[19]、或与空气层[20]、或与填料层[25]、以及水冷层[21]与真空层、空气层、或与空气层、填料层、或与真空层、填料层所构成的隔热层；炉底[6]设计成内侧具有多个阴极座[14]的弧形结构；通过弧形炉底[6]的侧面，设计有堆放阴极输电装置[11]、真空系统接头[8]、供气管接头[10]、冷却水管接头[7]和热电偶[9]；阴极盘[16]通过阴极支承架[15]的支承，安放在阴极座[14]上；吊挂阴极输电装置[1]和堆放阴极输电装置[11]，在其伸进炉内端的端部均设计有导电架[47]。
其进一步的特征在于，在弧形炉盖[3]上，沿其轴线装设有一个吊挂阴极输电装置[1]，在它的周围绕该轴线对称地还设有多个吊挂阴极输电装置[1]，它们一般呈等距离分布；组成炉体[4]的每节炉筒[5]，在其上端面还设计有可安装“O”密封圈[26]的燕尾槽[23]和可安装用弹簧[29]支承阳极连接柱[30]的阳极柱孔眼[24]；在弧形炉底[6]内侧的底部，设有三个互成120°角的并通过阴极支承架[15]来支承阴极盘[16]用的阴极座[14]；吊挂阴极输电装置[1]是一个用金属联接螺母[45]通过十字阴极导电杆[40]端部的螺纹，将阴极导套[32]，十字阴极导电杆[40]、包围十字阴极导电杆[40]的绝缘层(包括外绝缘垫[35]、上压垫[37]、上绝缘垫[39]、绝缘座[41]、下绝缘座[42]和定位绝缘座[43])、防溅套[50]、密封垫[38]和气隙保护层[46]紧固在一起而形成一个整体刚性结构；吊挂阴极输电装置[1]的气隙保护层[46]结构，是由增加刚性作用的金属联接螺母[45]与金属屏蔽套[44]所构成，在其外侧加有防溅套[50]；堆放阴极输电装置[11]，在其金属内屏蔽套[51]和金属屏蔽套[44]之间所形成的气隙保护层[46]结构的外部，加有防溅套[50]；堆放阴极输电装置[11]，通过孤形炉底[6]的侧面横置于阴极盘[16]的下方一定距离，它不承受工件和阴极盘[16]的重量；放在阴极座[14]上面的阴极支承架[15]，设计有支承螺栓[58]，以备调节阴极盘[16]的水平度，该阴极支承架{15]用支承座[60]与作为阳极的孤形炉底[6]绝缘的防溅构件。
本实用新型与已有技术相比，其技术性能差异列入表1。主要优点是①由于炉体所需的管路设计在弧形炉底的外部的侧面。因此，维修方便，②由于炉底设计成弧形，所以耐压能力高，在同样条件下可节省材料50％，③由于脏物沉积在弧形炉底的最底部，所以不会进入抽气泵中，④炉内气体循环没有死角，⑤炉体保温性能好，可节省能源15％，⑥由于构成气隙保护层两侧的构件，均是金属构件，因此，不产生“打弧”现象，⑦由于炉盖上设计有多个可以独立操作的吊挂阴极输电装置，故可在同一炉内，一次可完成多种渗层要求的工件。
下面是本实用新型的
图1是本实用新型所设计的离子轰击炉其真空炉体[4]正视半剖面结构示意图。它是由炉盖[3]、圆形炉筒[5]、弧形炉底[6]、底座[12]及安装在炉盖[3]上的多个吊挂阴极输电装置[1]和横置于弧形炉底[6]侧面的堆放阴极输电装置[11]所构成，圆形炉筒[5]是根据工件大小的要求组装在一起的多段结构形式，完成离子轰击工件用的真空接头[8]、供气接头[10]、热电偶[9]、冷却水接头[7]、堆放阴极输电装置[11]均设在弧形炉底[6]的侧面，在炉盖[3]的上方及每节炉筒[5]的侧面均设计有观察窗[2]，真空炉体[4]的炉筒[5]采用由水冷层[21]、空气层[20]和真空层[19]结构，在炉膛内仍设有隔热屏[22]，工件[17]被吊挂在吊挂阴极输电装置[1]的挂钩上，炉盖[3]、炉筒[5]、炉底[6]间，通过法兰[18]吊装在一起。阴极盘[16]由放置在阴极座[14]上的阴极支承架[15]所支承，排气管[13]设在炉底[6]的底部。
图2是本实用新型离子轰击炉整套设备示意图。该离子轰击炉整套设备是由真空炉体[4]、真空获得系统[62]、供气系统[63]、供电系统[64]、冷却系统[65]所构成。
图3是炉盖[3]正视剖面结构示意图。本实用新型技术方案中，仍保留炉盖[3]的水冷层[21]结构和内侧的隔热屏[22]结构。但在炉盖[3]上通过水冷层[21]却设置有多个吊挂阴极输电装置[1]。法兰[18]将用于与炉筒[5]通过螺栓相联接。
图4是炉盖[3]的俯视示意图。其上面设有六个与炉体轴线对称的吊挂阴极输电装置[1]，一个处于炉体轴线位置，它们呈等距离分布。炉盖的上方设有观察窗[2]和冷却水管接头[7]及供气管接头[10]。
图5是本实用新型所设计炉筒[5]侧壁结构另一种形式的剖面结构示意图，其外面是水冷层[21]，向内是空气层[20]、真空层[19]，最里面仍保留隔热屏[22]。在炉筒[5]的上端面的法兰[18]上，设有燕尾槽[23]。以备安设“O”型密封圈，并设有安放弹簧和阳极连接柱用的阳极柱孔眼[24]，以使各节炉笥[5]能联通而成为离子轰击炉炉体的阳极，在炉筒[5]端面还设有与炉盖，与炉底或炉筒联接的法兰[18]。
图6是本实用新型所设计的炉筒[5]侧壁又一种形式的剖面结构示意图。最外层是保温填料层[25]，在其两个端部设有水冷层[21]，填料层[25]向内是已有技术的隔热屏[22]，其它符号同图5。
图7是本实用新型弧形炉底[6]结构正视剖面示意图。炉底[6]里面设有多个阴极座[14](一般为三个)，其上面放置有支承阴极盘[16]用的阴极支承架[15]，在法兰[18]上面设有环形燕尾槽[23]，其内安放有“O”型密封圈[26]。堆放阴极输电装置[11]从弧形炉底[6]的侧面伸进炉膛内，而处于阴极盘[16]的下方，其端部的导电架[47]被连接在阴极盘[16]上，阴极盘[16]上面可以按要求放置工件。在炉底[6]的最底部设计有排气管[13]，它通过底座[12]伸向他处。
图8是本弧形炉底[6]俯视示意图。在环形燕尾槽[23]内置有“O”型密封圈[26]，在炉底[6]各相距120°角设置有三个阴极座[14]，在炉底的最底部的中心处设计有排气管[13]，在炉底[6]侧面，通过侧壁大约相距15°角距离，分别设计有阳极接头[27]、堆放阴极输电装置[11]、热电偶[9]、真空接头[8]、供气接头[10]、冷却管接头[7]和在炉底[6]的上端面设计的阳极连接柱[30]，阴极盘[16]就在阴极座[14]的上面。由阴极支承架支承着。
图9是图8的A-A断面向视图。在炉底上端的法兰[18]上设有环形燕尾槽[23]和阳极柱孔眼[24]内装有弹簧[29]，其阳极连接柱[30]就装在它的上面，通过定位销[31]的作用而不能外出。
图10是本实用新型所设计的吊挂阴极输电装置[1]剖面结构示意图。在通过用水冷层[21]冷却的炉盖[3]上焊有阴极导套[32]，绝缘座[41]就安放在其内部，然后，通过绝缘座[41]的中心再安装十字阴极导电杆[40]，上绝缘垫[39]，并加密封垫[38]，之后，安装上压垫[37]，在十字阴极导电杆[40]顶部安装外绝缘垫[35]，最后，用压紧螺母[36]与阴极导套[32]紧固在一起，处在炉盖[3]内侧一端的阴极导套[32]其端部安装有防溅套[50]、下绝缘垫[42]、定位绝缘垫[43]、屏蔽套[44]，最后，用金属联接螺母[45]，通过十字阴极导电杆[40]上的螺纹紧固在一起，而形成一个整体刚性结构，在金属联接螺母[45]与屏蔽套[44]之间形成一个规定的气隙保护层[46]，在十字阴极导电杆[40]下端。通过联接吊杆[48]与金属联接螺母[45]上的螺纹，把导电架[47]和联接吊杆[48]紧固在金属联接螺母[45]上。
图11是本实用新型所设计的堆放阴极输电装置[11]剖面结构示意图。在通过用水冷层[21]冷却的弧形炉底[6]的侧面，固接有阴极导套[32]，在阴极导套[32]里沿其轴线安装有绝缘座[41]、十字阴极导电杆[40]、防溅套[50]、屏蔽垫[49]、金属内屏蔽套[51]、定位绝缘垫[43]和金属屏蔽套[44]，然后，用螺帽[52]压紧，在金属内屏蔽套[51]与金属屏蔽套[44]之间，便形成了一个规定的气隙保护层[46]，之后，再用螺帽[52]将导电架[47]紧固在十字阴极导电杆[40]上，导电架[47]将与工件或阴极盘相连接。再通过阴极导套[32]伸出弧形炉底[6]外侧的一端，向其内安装密封垫[53]、内绝缘套[54]、垫圈[55]、螺母[56]、绝缘板[57]，而后，在十字阴极导电杆[40]的端头安装电源插头[33]、外绝缘垫[35]，插入电源线[34]，最后，用压紧螺帽[36]紧固，这样，电流便经过电源线[34]、电源线插头[33]、十字阴极导电杆[40]、导电架[47]最后达到工件上去了。
图12是本实用新型所设计的阴极支承架[15]正视剖面结构示意图。它置于阴极盘[16]和固定在弧形炉底[6]上的阴极座[14]之间，阴极支承架[15]是由可调节阴极盘[16]高度的支承螺栓[58]、外屏蔽套[59]、定位绝缘垫[43]、内屏蔽套[51]、支承座[60]、防溅支承座[61]所构成，在外屏蔽套[59]与内屏蔽套[51]之间，形成规定尺寸的气隙保护层[46]。
本实用新型结合实施例进一步说明如下实施例1以38CrMoAl材料制作的模具表面要求有0.2mm厚的氮化层，使用本实用新型设备进行处理，按下列步骤进行①设备检查。
用1000伏兆欧表检查阴、阳极绝缘度不低于10兆欧才可装工件。在合上外部电源前，电控柜与控制盒面板上各开关应处于“断”的位置。
②工件准备。
工件要严格除毛刺，锈迹漆痕、油污等打弧根源，用清洗剂清洗，清水冲净、擦干，堵塞防渗的孔、眼、沟槽等部位。
③装炉氮化。
将模具堆放在阴极盘[16]上，工件间相距20mm。然后，将炉筒[5]吊在炉底[6]上，共装两节炉筒，用法兰[18]通过螺栓紧固在一起，炉筒作为阳极，工件作为阴极，阴阳极之间保持50mm左右的距离。堆放阴极输电装置[11]上的导电架[47]连接到阴极盘[16]上。合上炉盖[3]，接好冷却水管，关闭放气阀。合上外电源开关，全部停止按钮内信号灯亮(即红灯亮)。启动电阻真空计电源开关，预热半小时，再调正好电阻真空计的零点。检查供气系统，向炉体、泵体送水冷却。再起动真空泵，抽真空，测量真空度大于6.7Pa后，接通直流电源，调升直流高压起辉打弧，待辉光逐渐稳定后，调节供气阀门，控制气压为1090Pa，电压为800V，电流密度为2.0mA/cm2，然后，逐步升温至620℃，到温后，保温120分钟。
④冷却出炉。
关闭供气系统阀门，停止直流电源，各开关恢复到零位，工件随炉冷却到150℃以后，放掉炉中的气体，吊起炉盖、炉筒，取出工件检查。
⑤质量检查。
金相检查其渗层厚度为0.22mm，渗层由表面向心部金相组织为ε→ε+γ′→γ′+α→α，其平均硬度为Hv1050，均达到要求。
实施例245钢制作的车床丝杠Ф50mm，长4000mm，要求总渗层0.1mm，Hv450～500，35CrMo钢制作的车机丝杠Ф150mm，长2500mm，要求总渗层0.3±0.1mm，要求Hv＞500。38CrMoAl钢制作的塑料挤塑机螺杆，要求总渗层≥0.6mm，Hv≥900。采用本实用新型进行C-N共渗工艺处理。
上述三种材料的零件，有着不同的渗层厚度和硬度要求，但由于要求的保温时间不同(因为渗层厚度不同)用已有技术只能分三炉处理。现采用本实用新型设备，可一次将三种不同渗层要求的零件按工艺要求，装入同一炉内进行处理，一次完成，步骤如下①准备工作。
同实施例1。
②装炉。
根据工件的三种不同渗层厚度的要求，分三组，分别吊挂在吊挂阴极输电装置[1]的挂钩上，每组阴极导线均与供电接触器相通。按要求，三种材料的处理温度相同(630℃)，根据渗层厚度的要求，它们的保温时间分别为45钢为1小时，35CrMo钢为10小时，而38CrMoAl则为20小时。
③不同渗层厚度的控制。
当炉温达到580℃时，向炉内通入氨气和丙酮混合气体，其比例为8∶2，炉内压力维持在1090Pa，电压维持在850V，电流维持在2.0mA/cm2，当炉温达到630℃时开始保温。
当保温1小时时，吊挂有45钢丝杠的吊挂阴极输电装置[1]的交流接触器断电，吊挂在上面的丝杠停止离子渗工艺，工件待随炉冷却，此时，炉内其余两种工件仍在进行离子渗，当保温时间达到10小时时，联接在吊挂有35CrMo丝杠的吊挂输电装置的接触器断电，而38CrMoAl塑料挤塑机螺杆仍在继续保温进行离子渗，当温度达到20小时后，对吊挂有38CrMoAl塑料挤塑机螺杆的吊挂阴极输电装置也停电了，到此，三种零件均处理完毕，按实施1的顺序准备出炉。
④检查。
权利要求1.一种新型离子轰击炉真空炉体[4]，主要是由弧形炉盖[3]、圆形炉筒[5]、炉底[6]、吊挂阴极输电装置[1]、堆放阴极输电装置[11]和底座[12]而构成，其特征在于a)在弧形炉盖[3]上，设计有多个可以独立操作的吊挂阴极输电装置[1]，b)由双层钢板制作的圆形炉筒[5]，在其两层钢板中间夹有水冷层[21]与真空层[19]、或与空气层[20]、或与填料层[25]，以及水冷层[21]与真空层、空气层、或与空气层、填料层、或与真空层、填料层所构成的隔热层，c)炉底[6]设计成内侧具有多个阴极座[14]的弧形结构，d)堆放阴极输电装置[11]，通过弧形炉底[6]的侧壁而横置于阴极盘[16]的下方一定距离，不承受重量，e)阴极盘[16]通过阴极支承架[15]的支承，安放在阴极座[14]上，f)真空接头[8]、供气管接头[10]、冷却水管接头[7]和热电偶[9]，均设计在弧形炉底[6]的侧面。
2.根据权利要求1所述的一种新型离子轰击炉真空炉体[4]，其特征在于，在弧形炉盖[3]上，沿其轴线装设有一个吊挂阴极输电装置[1]，在它的周围绕该轴线对称地还设计有多个吊挂阴极输电装置[1]，它们一般呈等距离分布。
3.根据权利要求1所述的一种新型离子轰击炉真空炉体[4]，其特征在于，组成炉体[4]的每节炉筒[5]，在其上端面法兰[18]上，还设计有可装“O”型密封圈[26]的燕尾槽[23]和可装有弹簧[29]支承阳极连接柱[30]的阳极柱孔眼[24]。
4.根据权利要求1所述的一种新型离子轰击炉真空炉体[4]，其特征在于，在弧形炉底[6]内侧的底部，设计有三个互成120°角并通过阴极支承架[15]来支承阴极盘[16]用的阴极座[14]。
5.根据权利要求1所述的一种新型离子轰击炉真空炉体[4]，其特征在于，堆放阴极输电装置[11]，在其金属内屏蔽套[51]和金属屏蔽套[44]之间所形成的气隙保护层[46]结构的外部，加有防溅套[50]。
6.根据权利要求1或2所述的一种新型离子轰击炉真空炉体[4]，其特征在于，吊挂阴极输电装置[1]，是一个用金属联接螺母[45]，通过十字阴极导电杆[40]端部的螺纹，将阴极导套[32]、十字阴极导电杆[40]、包围十字阴极导电杆[40]的绝缘层、防溅套[50]、密封垫[38]和气隙保护层[46]紧固在一起，形成一个整体刚性结构。
7.根据权利要求1或2所述的一种新型离子轰击炉真空炉体[4]，其特征在于，吊挂阴极输电装置[1]的气隙保护层[46]结构，是由增加刚性作用的金属联接螺母[45]与金属屏蔽套[44]所构成，在其气隙保护层[46]的外侧加有防溅套[50]。
8.根据权利要求1或4所述的一种新型离子轰击炉真空炉体[4]，其特征在于，放在阴极座[14]上面的阴极支承架[15]，设计有支承螺栓[58]，以备调节阴极盘[16]的水平度，该阴极架[15]是用支承座[60]与作为阳极的弧形炉底[6]绝缘的防溅构件。
9.根据权利要求1或2或5所述的一种新型离子轰击炉真空炉体[4]，其特征在于，吊挂阴极输电装置[1]和堆放阴极输电装置[11]，其伸进炉内端的端部，均设计有导电架[47]。
专利摘要金属热处理领域表面强化用的一种离子轰击炉真空炉体(4)，由炉盖(3)、炉筒(5)、炉底(6)、底座(12)及吊挂阴极输电装置(1)和堆放奶极输电装置(11)所构成，特点是，炉盖上设有多个能独立操作的吊挂阴极输电装置，而堆放阴极输电装置横卧于阴极盘下方，不承重，它们均加有防溅套，炉筒用水冷层、空气层、真空层和填料层隔热，炉底为弧形，各种管接头，均安置于炉底的侧面，优点是在同一炉内，一次可同时完成多种渗层厚度要求的工件，节能、不打弧、方便维修。
文档编号C21D9/00GK2240531SQ9523138
公开日1996年11月20日 申请日期1995年6月7日 优先权日1995年6月7日
发明者刘承仁, 刘伟, 许彬, 高学敏, 王天贵, 王亮, 聂建涛 申请人:大连海事大学