用于机械零件的表面化学热处理的方法及其所用设备

摘要

本发明涉及一种用于机械零件的表面化学热处理的方法及其所用装置，包括上料储料台、前清洗机、预氧化炉、加热炉、转底式渗碳炉、转底式扩散炉、淬火降温炉、淬火保温室、淬火油槽、后清洗机、低温回火炉、风冷台、卸料台。上述各装置相对独立，通过传输机构连接在一起，完成从上料及备料→前清洗→预氧化→加热→渗碳→扩散→降温→保温→淬火→后清洗→回火→风冷→卸料及储料的生产工艺。该装置通过独立的强渗室与扩散室将渗碳工艺中的强渗与扩散分解开来分别执行，再通过两者不同处理时间的组合，实现了不同层深要求、不同材料零件的同炉批量化生产的要求，最大限度的发挥了设备效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种工件热处理的方法及其所用设备，尤其涉及一种用于机 械零件的表面化学热处理的方法及其所用设备。

背景技术

众所周知，机械零件通过表面化学热处理（渗碳，渗氮，碳、氮共渗等） 进行改性，可以获得所需要的性能，如高硬度，高耐磨性，抗咬合性能等。 渗碳（包括碳、氮共渗）是其中一种典型的、应用范围广的表面化学热处理 工艺。

机械零件（如齿轮）通过渗碳淬火处理，不但具有高的表面硬度和耐磨 性，且其疲劳寿命大幅度增加。零件典型的渗碳淬火过程如下：装炉升温— 强渗—扩散—降温缓冷+重新加热保温—淬火冷却+低温回火。

目前，零件的渗碳淬火处理采用的设备主要分为两类：（1）周期炉，（2） 连续炉。周期炉生产是将一批零件通过一个料盘装入炉中，按“升温—保温 —冷却”的工艺过程运行一个热处理周期后出炉，然后再装炉处理第二批零 件。典型的炉型有井式炉渗碳系统、箱式多用炉渗碳系统。该两种炉型占据 渗碳淬火炉型的80%以上。连续炉生产是将零件装在料盘中，多个料盘在连 续炉中运行，零件在炉中运行一个所需要的工艺过程后出炉。其特点是连续 生产，特别适合批量零件的处理。此类炉型有：可控气氛网带炉、可控气氛 棍底炉、可控气氛推盘炉、可控气氛环形炉等。

上述所有的渗碳炉型处理零件时，存在一个共同的弊端：渗碳层深度有 较大差别的零件不能同炉进行热处理，不同钢种的零件不能同炉进行热处 理。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于机械零件的表面化学热处 理的方法，克服了现有周期炉或者循环炉不能同炉进行热处理渗碳层深度有 较大差别的零件或者不同钢种的零件的缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于机械零件的表面化 学热处理的方法，包括以下操作过程：

送料，待处理工件装入放置在生产车间的空料盘内，通过车间的料盘输 送机构将装好工件的料盘放在上料台上，随后转移至上料储料台中，所述上 料储料台上的料盘检测装置对料盘实行检测、跟踪；

前清洗，上料储料台上的料盘检测装置检测到料盘，启动料盘转移机构 将料盘传输至前清洗机中通过碱液、清水进行清洗；所述前清洗分2个工位， 即碱水浸洗清洗，热水喷淋清洗。

预氧化，清洗后的工件经过传输机构送至预氧化炉内；所述预氧化炉共 有5个料盘位，分2区加热和控制。

加热，完成预氧化的工件由传输机构转移至底进料换气室，工件停留一 个周期的节拍时间进行换气，再转移至加热炉内，将工件加热至渗碳要求的 温度；所述加热炉加热炉有5个料盘位置，分2区加热和控制。

渗碳，料盘经过传输机构转移到环形转底渗碳炉中，通过设置不同的渗 碳时间，从而完成相同可控气氛下的不同层深的渗碳要求；所述转底渗碳炉 内设置有多个料盘工位，工位的多少可以根据所需处理工件渗碳的时间及转 底渗碳炉底盘的大小进行确定，如10至20个。当工件所需要的渗碳时间大 于料盘在转底渗碳炉的底盘上的工位停留的时间时，料盘检测装置输送料盘 信号至PLC模块并通过控制系统控制料盘进行下一个工艺步骤；

扩散，达到工件设定的强渗工艺时间后，料盘通过传输机构转移至转底 扩散炉，转底扩散炉按照设定的工艺参数进行扩散；所述转底扩散炉上设置 有多个料盘工位，工位的多少可以根据所需处理工件渗碳的时间及转底渗碳 炉底盘的大小进行确定，如5至15个；所述转底扩散炉内设置有多个料盘 工位。当工件所需要的渗碳时间大于料盘在转底扩散炉的底盘上的工位停留 的时间时，料盘检测装置输送料盘信号至PLC模块并通过控制系统控制料盘 进行下一个工艺步骤；

降温，达到工件设定的扩散工艺时间后，料盘通过传输机构转移至淬火 降温炉内进行降温；

保温，由淬火降温炉内的传输机构转移至淬火保温室内进行保温；

淬火，工件经淬火保温室内的传输机构转移至淬火油槽的升降台，通过 所述升降台浸入到淬火油中进行淬火冷却，保持一定时间后完成淬火过程；

后清洗，通过碱液清洗、清水清洗后烘干；所述后清洗通过式单室清洗 机分为碱液清洗、清水清洗和烘干3个工位。工件在每1个工位上均停留一 个周期的时间，料盘等距离的移动依靠输送机构完成。

回火，通过传输机构将料盘推送至推杆式回火炉对工件进行低温回火；

风冷，工件回火后，料盘通过传输机构转移到风冷台上进行风冷却；

卸料储料，将经过风冷的工件经传输机构转移至卸料储料台上。

上述步骤的中的装置独立实现个工艺参数，所述传输机构包括料车、推 杆及链传动装置。

本发明的有益效果是：在热处理工艺中，通过独立的强渗室与扩散室将 渗碳工艺中的强渗与扩散分解开来分别执行，再通过两者不同处理时间的组 合，实现了不同层深要求、不同材料零件的同炉批量化生产的要求，具有非 常柔性的生产特点，对组织生产提供了非常便利的条件，当工艺变换时无须 推空盘来置换工艺，最大限度的发挥了设备效率。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述预氧化炉内的温度350～550℃。

本发明还提供一种用于机械零件的表面化学热处理的设备，包括上料储 料台、前清洗机、预氧化炉、加热炉、转底式渗碳炉、转底式扩散炉、淬火 降温炉、淬火保温室、淬火油槽、后清洗机、低温回火炉、风冷台、卸料台， 所述上料储料台、所述前清洗机、所述预氧化炉、所述加热炉、所述转底式 渗碳炉、所述转底式扩散炉、所述淬火降温炉、所述淬火保温室、所述淬火 油槽、所述后清洗机、所述低温回火炉、所述风冷台、所述卸料台之间依次 通过传输机构连接；所述转底式渗碳炉和转底式扩散炉均为环形。

本发明的有益效果是：由于上述各装置相对独立，通过传动机构（料车、 推杆及链传动）有机连接在一起，由于通过独立的强渗室与扩散室将渗碳工 艺中的强渗与扩散分解开来分别执行，再通过料盘检测装置、PLC模块及控 制系统控制两者不同处理时间的组合，实现了不同层深要求、不同材料零件 的同炉批量化生产的要求。

进一步，还包括料盘检测装置，所述料盘检测装置设置在所述上料储料 台上，所述料盘检测装置纪录料盘的位置信号输送至PLC模块，所述PLC模 块通过控制系统对工艺参数进行控制或对传输机构的运动进行控制。

进一步，所述环形转底式渗碳炉包括设备基座、外炉体、内炉体、转台、 密封刀、密封油槽，驱动装置、前门及中门，所述外炉体、内炉体、密封油 槽及驱动装置均安装在所述设备基座上；所述外炉体为环形，所述内炉体为 圆柱形；所述转台为环形且设置在所述外炉体与所述内炉体之间，安装在所 述驱动装置上；所述密封油刀为环形，且由一组内环油刀和一组外环油刀组 成，所述一组内环油刀其中一个固定在内炉体外侧下部，另一个固定在所述 转台外侧的下部；所述一组外环油刀其中一个固定在所述外炉体内侧下部， 另一个固定在所述转台外侧的下部；所述密封油槽为环形且设置在所述密封 油刀下方，；所述前门及中门设置在所述外炉体直径方向的两端，所述前门 与所述加热炉连接，所述中门与所述转底式扩散炉连接。所述的密封油刀插 入密封油槽的油中用于密封炉膛内的气氛。

进一步，所述环形转底式扩散炉包括设备基座、外炉体、内炉体、用于放置 料盘的转台、密封刀、密封油槽，驱动装置、后门，所述外炉体、内炉体、 密封油槽及驱动装置均安装在所述设备基座上；所述外炉体为环形，所述内 炉体为圆柱形；所述转台为环形且设置在所述外炉体与所述内炉体之间，安 装在所述驱动装置上；所述密封油刀为环形，且由一组内环油刀和一组外环 油刀组成，所述一组内环油刀其中一个固定在内炉体外侧下部，另一个固定 在所述转台外侧的下部；所述一组外环油刀其中一个固定在所述外炉体内侧 下部，另一个固定在所述转台外侧的下部；所述密封油槽为环形且设置在所 述密封油刀下方；所述后门设置在所述外炉体直径方向与所述中门相对的一 端，所述后门与所述淬火降温炉连接。所述的密封油刀插入密封油槽的油中 用于密封炉膛内的气氛。

所述外炉体及内炉体均包括炉壳及炉衬，所述所述加热炉、所述环形转 底式渗碳炉、所述转底式扩散炉及所述淬火降温炉的壳体一体形成。

所述的前门、中门及后门用于隔绝所述加热炉、所述环形转底式渗碳炉、 所述转底式扩散炉及所述淬火降温炉的热量及气氛，由电机驱动。

所述密封油槽通过安装在所述密封油槽下方的丝杆做支撑。

进一步，所述环形转底式渗碳炉、所述转底式扩散炉均还包括用于测定 炉膛内温度的热电偶及用于测定炉膛内碳势的氧探头，所述热电偶及氧探头 穿过外炉体的顶部插入炉膛内，所述热电偶及氧探头外部分别连接温度控制 仪和碳控仪。

所述热电偶有主控温电偶、从控温电偶，主控温电偶用于控制工艺温度 的检测和控制；从控温电偶用与超温检测和超温切断加热控制，每个电偶连 接温度控制仪，使之形成动态变量实时采集和自动闭合控制。

所述氧探头通过炉顶的密封管座伸入炉膛内，与气氛充分接触，来测量 炉内的碳势，并通过控制系统PLC程序和碳控仪来实现碳势的控制。

所述环形转底式渗碳炉、转底式扩散炉内设置有三个温度检测点和两个 碳势监测点，可以确保炉内的温度和碳势的一致性。

进一步，所述环形转底式渗碳炉、所述转底式扩散炉均还包括用于均匀 炉膛内气氛的的气氛循环装置，所述气氛循环装置安装在炉膛的顶部。所述 的气氛循环装置包括电机驱动装置及风扇。

进一步，所述转台上设置有光栅开关，用检测转台转动的位置。

进一步，所述加热炉、所述环形转底式渗碳炉、所述转底式扩散炉及所 述淬火降温炉之间的传输机构为侧高温推链。

附图说明

图1为本发明用于机械零件的表面化学热处理的方法流程示意图；

图2为本发明用于机械零件的表面化学热处理的设备示意图；

图3为图2A-A方向示意图；

图4为图2A-A方向示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、上料储料台，2、前清洗机，3、预氧化炉，4、加热炉，5、环形 转底渗碳炉，6、环形转底扩散炉，7、淬火降温炉，8、淬火油槽，9后清洗 机，10、回火炉，11、风冷台，12、卸料过度台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示本发明用于机械零件的表面化学热处理的方法流程示意图， 包括送料，将待处理工件装入放置在生产车间的空料盘内，通过车间的料盘 传输机构—叉车将装好工件的料盘放入生产线上的上料台上，此时工艺生产 线上的双向转移小车将装好工件的料盘取出并转移至上料储料台中，所述上 料储料台上的料盘检测装置对料盘实行检测、跟踪；

前清洗，上料储料台上的料盘检测装置检测到料盘，启动料盘传输机构 将料盘料盘从上料储料台转通过双向转移小车移到前清洗机，前清洗分2个 工位，即碱水浸洗清洗，热水喷淋清洗。

预氧化，清洗后的工件通过传输机构—推杆推到预氧化炉。预氧化炉共 有5个料盘位，分2区加热和控制，使用温度范围为350-550℃；根据工艺 要求，预氧化炉将工件预热到350-550℃之间。

加热，将完成预氧化的工件由推链机构转移到底进料换气室的升降台上， 升降台带着料盘及工件上升到推杆式加热炉室的轨道高度。底进料换气室是 一个密封的炉室，炉内大量废气通过该室的排放管排出，同时工件在该室停 留一个周期的节拍时间进行换气，使工件进入加热室可以完全处在保护气氛 中；再通过底进料换气室的电动推杆将料盘由底进料换气室转移到推杆式加 热炉。推杆式加热炉有5个料盘位置，分2区加热和控制。在该区域将工件 加热到渗碳要求的温度。

渗碳，料盘经由侧高温推链将料盘由推杆式加热炉转移到环形转底渗碳 炉中进行强渗处理。通过设置不同的渗碳时间，从而完成相同可控气氛下的 不同层深的渗碳要求。环形转底渗碳炉炉中料盘的步进由齿轮电机带动转底 来完成，并通过光栅开关来检测转底转动的位置。光栅开关将检测到转底转 动位置的模拟信号输送给料盘跟踪系统，料盘跟踪系统将将模拟信号转化为 数值信号输送给控制系统，控制系统控制齿轮电机的运动，进而对独立的环 形转底渗碳炉渗碳按设定的渗碳工艺参数（温度和碳势）进行控制。同时为 了便于检测炉内各区域个位置的温度和碳势的一致性，在环形炉膛内设置了 3个温度检测2个碳势检测点，这些检测点互为监控，当任何一个检测点超 过规定的偏差值时，系统将发出声光报警。如主控点超差时，将自动切换到 未超差的辅控检测点上。

所述环形转底渗碳炉转底上设置有12个工位，工位的多少可以根据产 品的渗碳时间确定。

达到工件设定的强渗工艺时间后，料盘通过传输机构转移至环形转底扩 散炉，环形转底扩散炉按照设定的工艺参数进行扩散；达到扩散工艺时间后， 料盘跟踪系统将料盘检测装置检测的模拟信号输送给料盘跟踪系统，料盘跟 踪系统将模拟信号转化为控制信号输送给控制系统，控制系统控制环形转底 渗碳炉的出料机构，将料盘转移至环形转底扩散炉。

扩散，料盘通过传输机构转移至环形转底扩散炉，环形转底扩散炉按照 设定的工艺参数进行扩散；达到工件设定的扩散工艺时间后，料盘跟踪系统 将料盘检测装置检测的模拟信号输送给料盘跟踪系统，料盘跟踪系统将模拟 信号转化为控制信号输送给控制系统，控制系统控制环形转底扩散炉的出料 机构，将料盘转移至淬火降温炉。

所述环形转底扩散炉转底上设置有8个工位。

降温，达到工件设定的扩散工艺时间后，料盘通过传输机构转移至淬火 降温炉内进行降温；

保温，由淬火降温炉内的传输机构转移至淬火保温室内进行保温；

淬火，工件经淬火保温室内的传输机构转移至淬火油槽的升降台，通过 所述升降台浸入到淬火油中进行淬火冷却，保持一定时间后完成淬火过程；

后清洗，通过碱液清洗、清水清洗后烘干；

回火，通过传输机构将料盘推送至推杆式回火炉对工件进行低温回火；

风冷，工件回火后，料盘通过传输机构转移到风冷台上进行风冷却；

卸料储料，将经过风冷的工件经过传输机构转移至卸料储料台上。

实施例1：

以汽车齿轮进行渗碳淬火为例。设定有三种齿轮的热处理要求如下表1； 根据表1的要求，编制相应的热处理工艺如表2：

表1.三种齿轮的热处理要求

表2热处理工艺参数

上述三种汽车齿轮经过上料及备料→前清洗→预氧化→加热工艺后执行 渗碳和扩散的工艺过程：工艺生产线上在环形转底渗碳炉渗碳和环形转底扩 散炉的每个工位停留时间为15-35min，强渗炉12个工位，扩散炉8个工位 置。设定生产节拍为30min。

3种齿轮分别装在料盘上进炉后，通过上料储料台上的料盘检测装置及 PLC程序控制工艺参数及环形转底渗碳炉渗碳和环形转底扩散炉运转或传输 装置运行。

A齿轮在环形转底渗碳炉停留660/30=22个工位（运转一周后进入再循 环），转入扩散，在扩散炉停留360/30=12个工位（运转一周后进入再循环）， 转入降温淬火炉淬火，然后进入已设定好的回火炉1（温度为180℃）进行 回火。

B齿轮在环形转底渗碳炉停留300/30=10个工位，转入扩散，在扩散炉 停留150/30=5个工位，转入降温淬火炉淬火，然后进入已设定好的回火炉2 （温度为200℃）进行回火。

C齿轮在环形转底渗碳炉停留540/30=18个工位（运转一周后进入再循 环），转入扩散，在扩散炉停留300/30=10个工位（运转一周后进入再循环）， 转入降温淬火炉淬火，然后进入已设定好的回火炉1（温度为180℃）进行 回火。

上述三种齿轮分别经过渗碳和扩散工艺时间后，进入降温→保温→淬火 →后清洗→回火→风冷→卸料及储料，完成工艺流程。

图2为本发明用于机械零件的表面化学热处理的设备示意图，包括上料 储料台1、前清洗机2、预氧化炉3、加热炉4、转底式渗碳炉5、转底式扩 散炉6、淬火降温炉7、淬火保温室8、淬火油槽9、后清洗机10、低温回火 炉11、风冷台12、卸料台13、料盘检测装置，所述上料储料台1、所述前 清洗机2、所述预氧化炉3、所述加热炉4、所述转底式渗碳炉5、所述转底 式扩散炉6、所述淬火降温炉7、所述淬火保温室8、所述淬火油槽9、所述 后清洗机10、所述低温回火炉11、所述风冷台12、所述卸料台13之间依次 通过传输机构连接；所述上料储料台1上设置有料盘检测装置。所述转底式 渗碳炉5和转底式扩散炉6均为环形。所述料盘检测装置纪录料盘的位置信 号输送至PLC模块，所述PLC模块通过控制系统对工艺参数进行控制或对传 输机构的运动进行控制。

所述加热炉4、所述环形转底式渗碳炉5、所述转底式扩散炉6及所述 淬火降温炉7之间的传输机构为侧高温推链。

所述环形转底式渗碳炉5、转底式扩散炉6内设置有三个温度检测点和 两个碳势监测点，可以确保炉内的温度和碳势的一致性。

图3为图2A-A方向剖面示意图；如图3所示的环形转底式渗碳炉5结 构包括所述环形转底式渗碳炉5包括设备基座18、外炉体504、内炉体502、 转台509、密封刀、密封油槽505，驱动装置508、前门14及中门15，所述 外炉体504、内炉体502、密封油槽505及驱动装置508均安装在所述设备 基座18上；所述外炉体504为环形，所述内炉体502为圆柱形；所述转台 510为环形且设置在所述外炉体504与所述内炉体502之间，安装在所述驱 动装置508上；所述密封油刀506为环形，且由一组内环油刀5061和一组 外环油刀5062组成，所述一组内环油刀5061其中一个固定在内炉体502外 侧下部，另一个固定在所述转台509外侧的下部；所述一组外环油刀5062 其中一个固定在所述外炉体504内侧下部，另一个固定在所述转台509外侧 的下部；所述密封油槽505为环形且设置在所述密封油刀506下方；所述前 门14及中门15设置在所述外炉体504直径方向的两端，所述前门14与所 述加热炉4连接，所述中门15与所述转底式扩散炉6连接。

图4为图2A-A方向剖面示意图；如图3所示的环形转底式扩散炉6结 构包括设备基座18、外炉体604、内炉体602、用于放置料盘的转台609、 密封刀606、密封油槽605，驱动装置608、后门16，所述外炉体604、内炉 体602、密封油槽605及驱动装置608均安装在所述设备基座18上；所述外 炉体604为环形，所述内炉体602为圆柱形；所述转台为环形且设置在所述 外炉体604与所述内炉体602之间，安装在所述驱动装置608上；所述密封 油刀为环形，且由一组内环油刀6061和一组外环油刀6062组成，所述一组 内环油刀6061其中一个固定在内炉体602外侧下部，另一个固定在所述转 台609外侧的下部；所述一组外环油刀6062其中一个固定在所述外炉体604 内侧下部，另一个固定在所述转台609外侧的下部；所述密封油槽605为环 形且设置在所述密封油刀下方；所述后门16设置在所述外炉体604直径方 向与所述中门15相对的一端，所述后门16与所述淬火降温炉7连接。

所述所述环形转底式渗碳炉5的外炉体及内炉体及所述转底式扩散炉6 的外炉体及内炉体均包括炉壳5031、6031及炉衬5032、6032，所述加热炉 4、所述环形转底式渗碳炉5、所述转底式扩散炉6及所述淬火降温炉7的壳 体一体形成，其之间的传输机构为侧高温推链机构17。

所述的前门14、中门15及后门16用于隔绝所述加热炉4、所述环形转 底式渗碳炉5、所述转底式扩散炉6及所述淬火降温炉7的热量及气氛，由 电机驱动。所述密封油槽605通过安装在所述密封油槽605下方的丝杆做支 撑。

所述环形转底式渗碳炉5、所述转底式扩散炉6均还包括用于测定炉膛 507、607内温度的热电偶及用于测定炉膛507、607内碳势的氧探头，所述 热电偶及氧探头穿过外炉体的顶部插入炉膛内，所述热电偶及氧探头外部分 别连接温度控制仪和碳控仪。

所述热电偶有主控温电偶、从控温电偶，主控温电偶用于控制工艺温度 的检测和控制；从控温电偶用与超温检测和超温切断加热控制，每个电偶连 接温度控制仪，使之形成动态变量实时采集和自动闭合控制。

所述氧探头通过炉顶的密封管座伸入炉膛内，与气氛充分接触，来测量 炉内的碳势，并通过控制系统PLC程序和碳控仪来实现碳势的控制。

所述环形转底式渗碳炉5、所述转底式扩散炉6均还包括用于均匀炉膛 内气氛的的气氛循环装置501、601，所述气氛循环装置安装在炉膛的顶部。 所述的气氛循环装置包括电机驱动装置及风扇。

所述转台509、609上设置有光栅开关，用检测转台转动的位置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明 的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。