【正文】 費(fèi)了能源。 本文設(shè)計(jì) 了一 套 新型的保溫式離子熱處理 爐 ， 在真空室的外側(cè)設(shè)置了保溫層，大大提高了爐內(nèi)工件的溫度均勻性。另外，保溫式爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，節(jié)省能源，從而提高了工作效率。 關(guān)鍵詞： 保溫式；離子熱處理爐；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 臨沂大學(xué)本科專(zhuān)業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計(jì) 5 Abstract Plasma nitrogen seepage rate is faster, easier to control layer anizations, brittle deformation and small, nonpollution and other advantages, the plasma nit riding treatment of spare parts, its surface hardness, abrasion resistance, and fatigue and corrosion resistance and have A greater increase. Because plasma nit riding parts of the thermal and general access to traditional heating methods, relying on ion bombardment heating the surface, the work requirements of the furnace temperature uniform. At present the domestic plasma nit riding furnace there are many problems, of which the main issue is uneven temperature furnace parts, wasting a lot of heat. Is the key to these issues, domestic plasma nit riding furnace use a watercooled twotier approach, nit riding temperature in the furnace of about 600 ℃ , cooling water taken away furnace heat, the furnace temperature uneven. This nit riding furnace work, not only reduced the efficiency and a waste of energy. In this paper, a new type of plasma heattreatment furnace was designed. The furnace body was a vacuum chamber coved a layer of insulating material. The insulation furnace can greatly improve the temperature uniformity of the work pieces. In addition, the insulation type of plasma heattreatment furnace has the advances of simple structure, easy maintenance, energy saving and high efficiency. Key words: thermal insulation。 plasma heat treatment furnace。 structural design 臨沂大學(xué)本科專(zhuān)業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計(jì) 6 1 緒論 化學(xué)熱處理 所謂化學(xué)熱處理，是將工件置于含有某重滲入元素的活性介質(zhì)中，通過(guò)加熱、保溫和冷卻，使?jié)B入元素被吸附并擴(kuò)散滲入工件的表面層，以改變化學(xué)成分和組織，從而使其表面具有與心部不同的特殊性能的一種工藝。 化學(xué)熱處理的主要特征是：固態(tài)擴(kuò)散滲入 ，改變工件表面層的化學(xué)成分，既工件表面不僅有組織的變化，而且有化學(xué)成分的變化，滲層與基體 之間有擴(kuò)散層。化學(xué)熱處理的驅(qū)動(dòng)力是濃度梯度?；瘜W(xué)熱處理形成滲層的結(jié)構(gòu)遵守相圖，其結(jié)構(gòu)是連續(xù)的，屬于冶金結(jié)合。 化學(xué)熱處理按滲入元素可分為滲碳、滲氮、滲硼、滲鋁、碳氮共滲以及碳鉻復(fù)合滲等。滲入一種元素的稱(chēng)為單元滲；同時(shí)滲入兩種或兩種以上的元素的，稱(chēng)為二元或多元共滲；先后滲入兩種或兩種以上元素的，稱(chēng)為二元或多元復(fù)合滲?；瘜W(xué)熱處理的分類(lèi)放大較多，可根據(jù)工件的工作條件和對(duì)性能的要求，選用相應(yīng)的工藝處理方法。 按滲入元素的活性介質(zhì)所處狀態(tài)的不同分類(lèi)，有固體法、液體法、氣體法、離子轟擊法等。 本設(shè)計(jì)使用的是離子轟擊法 包括離子轟擊滲碳、離子轟擊氮化、離子轟擊滲金屬等。圖 11（ d）為離子轟擊法示意圖，采用 10～ 1000Pa 真空度，向真空罐里通入稀薄氣體，在高壓電場(chǎng)作用下引起輝光放電，使氣體電離，用所產(chǎn)生的正離子轟擊工件表面，正離子具有高動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱，能將工件加熱，并使表面點(diǎn)陣原子激活脫位、位錯(cuò)等晶體缺陷，變?yōu)辄c(diǎn)陣缺陷擴(kuò)散，大幅度縮短擴(kuò)滲時(shí)間、生產(chǎn)周期，節(jié)省電源和氣源，無(wú)公害，勞動(dòng)條件好，是一項(xiàng)發(fā)展較快的熱處理工藝。 離子轟擊熱處理是至于低壓容器內(nèi)的工件，在輝光放電的作用下，帶電離子轟擊工件表面，使其溫度升高，實(shí)現(xiàn)所需源 自滲擴(kuò)進(jìn)入工件表層的一張化學(xué)熱處理方法。與常規(guī)化學(xué)熱處理相比，離子化學(xué)熱處理具有許多突出的特點(diǎn)：滲層質(zhì)量好、工藝可控性強(qiáng)、工件變形?。惶幚頊囟确秶鷮?、易于實(shí)現(xiàn)局部防滲；滲速快、生產(chǎn)周期短，可節(jié)約時(shí)間 15%～ 50%；熱效率高、工作氣體耗量少，一般可節(jié)約能 30%以上、省氣 70%～ 90%；無(wú)煙霧、廢氣污染，處理后工件和夾具潔凈，工作環(huán)境好；柔性好、便于生產(chǎn)線組合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 [3][4]。 臨沂大學(xué)本科專(zhuān)業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計(jì) 7 圖 11各種化學(xué)熱處理技術(shù)示意圖 離子化學(xué)熱處理的基本原理 以離子滲氮為例，其基本過(guò)程如下：按圖 14 的裝 置，把工件（ 11）放在陰極托盤(pán)（ 13）上，蓋上真空鐘罩（ 6），由真空泵（ 22）進(jìn)行抽氣，直至爐內(nèi)真空達(dá) ，然后通過(guò)進(jìn)氣管通氨氣（滲氮?dú)夥眨┲翚鈮?66Pa 后，接通電源，在陰極（ 11 和 13）與陽(yáng)極（ 12）之間施加直流電壓，又零逐漸增大，至某一值后，爐內(nèi)工件上突然出現(xiàn)輝光，逐漸增加外加電壓，工件表面逐漸被輝光所覆蓋，直至所有陰極面積完全被度光所覆蓋后，進(jìn)一步增加兩極間電壓，輝光亮度增加，工件溫度上升，直至所需加熱溫度，并把爐內(nèi)氣壓及電參數(shù)調(diào)整至工藝要求值，開(kāi)始正常滲氮過(guò)程，直至保溫終了，切斷電源，處理完 畢。 臨沂大學(xué)本科專(zhuān)業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計(jì) 8 可見(jiàn)離子化學(xué)熱處理系利用稀薄氣體的輝光放電現(xiàn)象。在離子熱擴(kuò)滲中，欲滲元素的離子的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)都又低真空中氣體輝光放電的產(chǎn)生條件和輝光區(qū)的特點(diǎn)決定，因此有必要了解輝光放電的基本特性 [6]。 圖 14 離子滲氮裝置示意圖 動(dòng)圈式儀表 型真空計(jì) 19 閥 流電流 離子熱處理爐的主要結(jié)構(gòu) 真空爐體是離子轟擊熱處理工件的工作室，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與真空爐基本相同。離子熱處理爐的主要構(gòu)件有： （ 1）爐體 等離子熱處理爐爐體分為冷壁和熱壁兩類(lèi)，傳統(tǒng)的離子滲氮爐，一般溫度均在 650℃以下，大都采用爐壁夾層通水冷卻的冷壁爐，采用脈沖電源，可以滿足離子轟擊件單位面積上功率的需要。熱壁爐是指除離子轟擊形式的加熱外，在爐內(nèi)另行設(shè)置加熱器件，它們同時(shí)（或預(yù)熱后）加熱工件，進(jìn)行離子轟擊處理。熱壁爐有利于提高爐內(nèi)溫度均勻度和減少處理開(kāi)始期的“打弧”。 （ 2）隔熱屏 在離子爐內(nèi)設(shè)置隔熱 屏有顯著的節(jié)能效果。測(cè)試表明，有一層不銹鋼隔熱屏比無(wú)隔熱屏的節(jié)省功率 40%，再加上一層鋁合金隔熱屏，節(jié)省功率可達(dá) 55%。 臨沂大學(xué)本科專(zhuān)業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計(jì) 9 隔熱屏也作為輝光放電的陰極，可以單獨(dú)引線，成與爐壁共接陽(yáng)極。隔熱屏內(nèi)壁應(yīng)平整光滑。無(wú)焊點(diǎn)、鉚釘頭之類(lèi)的突點(diǎn)，或則會(huì)在突點(diǎn)尖銳部位形成陽(yáng)極輝光集中亮點(diǎn)。 隔熱屏是真空熱處理爐的重要部件，它起隔熱、保溫的作用，也時(shí)常作為固定加熱器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，隔熱屏結(jié)構(gòu)型式和材料，對(duì)爐子加熱功率有很大的影響，它除應(yīng)滿足爐子的耐火度、絕熱、抗熱沖擊和抗腐蝕等要素外，還應(yīng)有良好的熱透性，能夠盡快脫氣。 （ 3） 陰 極輸電裝置與支承 陰極輸電裝置起支承工件并將電流輸入爐內(nèi)的作用。離子滲氮的陰極輸電裝置也可將引入加熱室的部分采用非金屬耐熱制品，它既支承爐床，又作為電流傳導(dǎo)的陰極輸電柱，常用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度石墨制作，其防止弧光放電的護(hù)隙結(jié)構(gòu)與金屬陰極類(lèi)似。 對(duì)于一個(gè)陰極作為支承的較大工作盤(pán)采用三點(diǎn)以上的支承，它僅作支承面無(wú)輸電的功能，但因有輝光存在，所以仍必須有與輸電陰極相同的護(hù)隙結(jié)構(gòu) 。 （ 4） 測(cè)工件溫度的裝置 由于在離子轟擊處理過(guò)程中，工件帶有高壓電位，給準(zhǔn)確測(cè)溫帶來(lái)困難。在離子轟擊輝光放電爐內(nèi)，最準(zhǔn)確的測(cè)溫方法是采用封閉內(nèi) 孔帶有護(hù)隙套管的熱電偶埋入試樣內(nèi)，用電位差計(jì)或高精度數(shù)字電壓表讀出毫狀值。其他測(cè)溫方法都應(yīng)與埋偶測(cè)溫進(jìn)行比較 ，以確定其測(cè)溫精度。 （ 5）觀察窗 通常通過(guò)觀察窗來(lái)監(jiān)視真空容器內(nèi)部生產(chǎn)情況（如觀測(cè)溫度、試料狀態(tài)等）或傳輸光源。根據(jù)密封型式，觀察窗可分為可拆連接和不可拆連接。前者用于高真空和低真空，后者用于超高真空系統(tǒng)。在不可拆連接中，用無(wú)氧高導(dǎo)銅和玻璃的不匹配封接或者使用可伐與玻璃的匹配封接，兩者都能承受 300～ 450℃高溫烘烤。真空度要求不太高的地方，可用透明有機(jī)玻璃板代替玻璃板。傳播光線的觀察窗材料可采用光 學(xué)玻璃或熔石英等。石英玻璃用在高溫爐上，為了預(yù)防橡膠密封圈過(guò)熱，法蘭要用水冷卻。為了防止某些金屬蒸鍍到玻璃片上，可裝設(shè)擋片或擦拭片 [12]。 離子熱處理設(shè)備的發(fā)展和現(xiàn)狀 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中 ，為滿足零件的大批量處理、零件的體積和重量大，滲氮表面質(zhì)量要求高的需求，離子滲氮設(shè)備采用了新型電子元件以及微機(jī)控制技術(shù) [14]。近年來(lái)，工業(yè)上應(yīng)用的大型離子滲氮設(shè)備的最大直流電流達(dá) 500 安，甚至 10 兆安。離子滲氮設(shè)備采用 品閘管元件 制成可調(diào)整流電源，隨著 品閘管、 GT0電力電子器件 的應(yīng)用，加大了功率，方便了控制，而 IGBT器 件 的應(yīng)用，使電源和控制得到了進(jìn)一步提高。 臨沂大學(xué)本科專(zhuān)業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計(jì) 10 脈沖電源的發(fā)展，解決了帶有小孔、窄縫的零件的離子滲氮的困難。由于電子器件的改進(jìn)，系統(tǒng)的可靠性大大提高，目前脈沖頻率可高達(dá)幾萬(wàn)赫茲，最大電流可達(dá) 400A。數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用改變了原來(lái)比較煩瑣的調(diào)試，增加了電源的穩(wěn)定性和可靠性， 離子滲氮爐爐體也有新的發(fā)展，除已經(jīng)廣泛使用的水冷爐壁外，還出現(xiàn)了多種保溫、加熱、交換氣體冷卻和可控空氣強(qiáng)迫冷卻等各種形式的爐體，進(jìn)一步提高了離子滲氮均勻性和表面質(zhì)量。 T 形爐體的出現(xiàn)，方便了零件的吊掛和長(zhǎng)件內(nèi)孔的處理。 我國(guó)于 1967 年開(kāi)始試用離 子滲氮， 1971 年后，一些科研單位、大專(zhuān)院校和工廠先后投人人力物力，開(kāi)展離子滲氮方面的研究和應(yīng)用。 1977 年 4 月當(dāng)時(shí)的第一機(jī)械工業(yè)部組織召開(kāi)了全國(guó)離子滲氮交流會(huì)，促進(jìn) r 離子滲氮技術(shù)在中國(guó)的迅速發(fā)展。我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)，通過(guò)企業(yè)的重組和根據(jù)市場(chǎng)的要求，逐漸形成了為數(shù)不多的幾家離子滲氮設(shè)備生產(chǎn)廠，不少城市調(diào)整布局，停用了一些設(shè)備，開(kāi)設(shè)一些專(zhuān)業(yè)離子滲氮處理工廠，承接此類(lèi)工藝處理業(yè)務(wù)同時(shí)也有引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和資金，成立了等離子技術(shù)的合資公司，生產(chǎn)微機(jī)控制全自動(dòng)離子滲氮設(shè)備，并對(duì)各種零件進(jìn)行離子滲氮處理，促進(jìn)了我國(guó)離 子滲氮技術(shù)的發(fā)展臨沂大學(xué)本科專(zhuān)業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計(jì) 11 2 真空保溫式熱處理爐的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 保溫式離子熱處理爐主要特點(diǎn) 本裝置采用保溫式反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，反應(yīng)室內(nèi)的工件采用離子轟擊加熱，反應(yīng)室的外壁用保溫材料覆蓋，反應(yīng)室僅在密封膠圈、電極等必須冷卻的部位采取局部水冷。反應(yīng)室經(jīng)過(guò)絕熱處理后，除節(jié)電、節(jié)水外，還提高了反應(yīng)室內(nèi)工件的溫度均勻性，擴(kuò)大了反應(yīng)室內(nèi)的有效使用空間。為了使處理后的工件在冷卻過(guò)程中加快冷卻速度，在保溫層和反應(yīng)室外壁之間有水冷或風(fēng)冷通道。 與水冷式爐體結(jié)構(gòu)相比，絕熱式爐體結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)： (1) 爐內(nèi)空間溫度高：解決了離子熱處 理的測(cè)溫問(wèn)題。 (2) 爐體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理：爐內(nèi)有效裝載空間增加 30%。 (3) 節(jié)能效果好：節(jié)電 50％、節(jié)水 80%。 (4) 具有多功能：可用于氮化、滲硫、軟氮化加氧化和 PCVD 等處理。 圖 21 保溫式離子熱處理裝置示意圖 筒體的設(shè)計(jì) 筒體材料的選擇 離子滲氮時(shí)的溫度在 600℃以下，考慮到保溫式爐體在該溫度下所要達(dá)到的性能和設(shè)計(jì)壽命，以及對(duì)高溫蠕變的考慮，決定采用高溫強(qiáng)度和抗高溫氧化性都比較好的奧氏體不銹鋼 1Cr18Ni9Ti。另外，奧氏體不銹鋼還具 有較好的塑韌性、耐蝕性、冷加工成形性、可焊性等一系列優(yōu)點(diǎn)。雖然奧氏體不銹鋼價(jià)格是普通低碳鋼的 2 倍，但用于水冷式臨沂大學(xué)本科專(zhuān)業(yè)職業(yè)生涯設(shè)計(jì) 12 爐體由于要考慮水的腐蝕、水垢等因素的影響從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看選用不銹鋼作爐體成本要低于低碳鋼作爐體的成本。 筒體外形及厚度的確定 大多數(shù)真空室的殼體都是圓筒形的，原因是制造容易而強(qiáng)度好。真空室除用板材制