一种奥氏体不锈钢细长管的低温离子硬化处理装置

摘要

本发明公开了一种奥氏体不锈钢细长管的低温离子硬化处理装置，欲处理的不锈钢管(10)悬挂在炉内阴极盘(4)上，阴极盘与直流电源(2)的负极相接，直流电源的正极接炉壳，并接地保护。阴极盘上还悬挂一根插有n+1支(n为外辅助加热区的数量)铠装热电偶的不锈钢管(5)，热电偶的输出端接隔离放大器(1)后再与温度控制仪表(8)相接。一支热电偶插在不锈钢管的中部，用于调节直流辉光放电电源的输出功率；其余的n支热电偶插入深度与外辅助加热区的高度相同，这些热电偶与炉壳(6)外的外辅助加热器(7)、外冷风机(9)、温控仪表(8)等构成温度闭环控制系统，通过控制炉壁的温度，使炉内不锈钢管的轴向温度保持一致。

说明书

技术领域

本发明属于一种金属材料表面离子化学热处理装置，更具体地说它是一种用于奥氏体不锈钢细长管的低温离子硬化处理装置。

背景技术

奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性，被广泛地应用在石油、化工、医药、食品等工业中。但是，由于奥氏体不锈钢的硬度低(～230HV)、耐磨性差，所以用奥氏体不锈钢制造的机械零件，尤其是在一些需要耐磨的零件就难以满足使用要求，大大地降低了这些机械零件的机械性能和使用寿命。

为了提高奥氏体不锈钢表面的硬度和耐磨性，传统的办法是在～550℃温度下进行离子渗氮，使奥氏体不锈钢表面形成一层含CrN的硬化层，以此来提高奥氏体不锈钢的表面硬度和耐磨性。但是，经过～550℃高温离子渗氮后的不锈钢表面硬化层内，自由Cr的含量低于不锈钢最低含Cr量要大于13％的基本要求，所以奥氏体不锈钢高温离子渗氮后虽然提高了不锈钢表面的硬度，但却降低了不锈钢表面的耐蚀性能。

自上世纪八十年代起，国外研究人员陆续发现奥氏体不锈钢可以在低温下进行渗氮、渗碳和氮碳共渗的表面硬化处理，在某一处理温度范围(渗氮420℃～450℃，渗碳450℃～550℃，氮碳共渗420℃～450℃)，氮或(和)碳原子可以渗入奥氏体不锈钢的内部，在奥氏体不锈钢表面形成一层氮或(和)碳的过饱和固溶体，没有铬的氮化物或(和)碳化物析出，这样就可以实现在不降低不锈钢表面耐蚀性能的前提下，大幅度提高奥氏体不锈钢的表面硬度和耐磨性。

奥氏体不锈钢低温硬化处理最关键的工艺参数是处理温度，如果处理温度高于上限温度，硬化层内就会有氮化铬或碳化铬析出，使不锈钢管表面耐蚀性能下降；如果处理温度偏低，会造成硬化层薄且渗速过慢。

目前奥氏体不锈钢低温硬化处理的方法主要有离子化学热处理法、气体化学热处理法和盐浴化学热处理法三种。其中，离子化学热处理法具有处理速度快、硬化层质量高、无污染等优点。但是，离子化学热处理技术也存在一些较难解决的技术难题，如工件测控温难和炉内工件温度均匀性差等，炉子尺寸越大，温度均匀性越差。

目前我国生产的离子化学热处理设备都是水冷式(冷壁式)炉体结构，工件是靠离子轰击加热到化学热处理温度。受炉体结构和离子轰击加热特点的影响，炉内工件轴向和径向温差较大，无法满足奥氏体不锈钢细长管表面低温离子硬化处理的需要。

发明内容

本发明的目的是要提供一种带有外辅助加热功能的热壁式离子化学热处理装置，用于奥氏体不锈钢细长管表面的低温离子硬化处理，它能有效地解决炉内不锈钢细长管的轴向和径向温度均匀性差的问题，提高不锈钢管表面低温硬化层的质量，并在处理过程中不会对设备和环境造成污染。

本发明的目的是这样实现的：该处理装置是由几个有独立加热和冷却功能的炉外辅助加热器组成，真空炉内顶部固定一个阴极盘，阴极盘与直流电源的负极相接，直流电源的阳极接炉外壳，并接地保护。欲处理的奥氏体不锈钢细长管悬挂在阴极盘上，其中一根管内插有与炉外辅助加热器数量相等的铠装热电偶，铠装热电偶的插入深度与对应的外辅助加热器在同一高度上。

在奥氏体不锈钢低温离子硬化处理的初始阶段，先开启外辅助加热器并将炉内抽至真空，当不锈钢管被加热到某一温度过后向炉内通入氢气，开启直流电源，不锈钢管开始辉光放电。在辉光放电的作用下，不锈钢管继续升温至临近低温硬化处理温度，这时可以通过炉内热电偶控制炉外辅助加热器，直至炉内所有的铠装热电偶的温度均达到硬化处理温度，这时可以按工艺要求向炉内通入一定比例的氢气、氮气、甲烷等反应气体，开始进入奥氏体不锈钢管的低温离子硬化处理的保温阶段。待硬化层的厚度达到要求后，切断直流电源和气源，不锈钢管在真空中冷却至低温，打开炉盖取出不锈钢管。

本发明具有如下的优点：①由于采用了带有外辅助加热功能的热壁式炉体结构，在处理过程中，炉壁始终保持在较高的温度，减小了炉内工件径向的温差。②由炉内铠装热电偶、外辅助加热器、外冷风机和温控仪表共同组成的炉壁温度闭环控制系统，可以根据炉内不锈钢管某一高度的实际温度值与硬化处理工艺需要的温度的差值，通过温控仪表自动调整改变相应区的炉壁温度，使炉内不锈钢管轴向温度均匀一致。③虽然炉内铠装热电偶与直流高压电源的负极相接，但由于在热电偶的出线口串接了隔离放大器，将直流高压电与温控仪表隔离，保证了控制系统和操作者的安全性。

附图说明

附图1是本发明结构示意图。

下面结合附图详细说明依据本发明提出的具体装置细节及工作情况。

图中(6)为带有外辅助加热器(7)的离子化学热处理炉的炉壳，欲处理的奥氏体不锈钢管(10)悬挂在炉内阴极盘(4)上，阴极盘与直流电源(2)的负极相接，直流电源的正极接炉壳，并接地保护。阴极盘上还悬挂一根插有n+1支(n—外辅助加热区的数量)铠装热电偶的不锈钢管(5)，其中1支铠装热电偶为本装置的主控热电偶，经隔离放大器(1)与直流电源的控制系统相接，用于调整直流电源的输出功率，控制不锈钢管辉光加热温度；另外n支铠装热电偶的插入深度与外辅助加热区的高度相等，铠装热电偶的炉外引出端经过隔离放大器(1)与温控仪表(8)相接，用于控制该区域的外辅助加热温度。如果不锈钢管某一区的温度超过某一上限温度，该区对应的外冷风机(9)会自动启动，通过降低炉壁的温度降低炉内不锈钢管这个区间的温度。离子化学热处理所需的工作气体通过供气系统(3)送入真空室内。真空系统(11)保证离子化学热处理是在一定的压强范围内进行。当硬化处理结束后，开启所有的外冷风机(9)，将炉内工件降至低温。

具体实施方式

实施例：本发明奥氏体不锈钢细长管低温离子硬化处理装置的有效工作尺寸为φ1100mm×5000mm(直径×高度)，炉外分6区加热，炉内悬挂了220支直径φ10mm，长4m，壁厚0.5mm的AISI 316L奥氏体不锈钢管，以及一支插有7支铠装热电偶的不锈钢管，其中6支铠装热电偶控制六区炉壁的温度，1支用于控制直流电源的输出功率。用氢气、氮气和甲烷气作为奥氏体不锈钢管的离子氮碳共渗硬化处理的工作气体。将清洗干净的不锈钢管吊挂在阴极盘上，盖上炉盖预抽真空至5Pa，开启外辅助加热器，将不锈钢管加热至300℃，通入1000mL/min氢气，开启直流电源，不锈钢管开始辉光放电。当不锈钢管加热到420℃时，根据炉内不锈钢管六个区域的温度高低，通过相应的温控表控制相应的外辅助加热区的加热温度或冷却风机使六区温度保持一致。譬如，若炉内不锈钢管某区温度偏高，则启动该区的外冷风机降低该区的炉壳温度；若不锈钢管某区的温度偏低，则开启该区的外辅助加热器升高该区的炉壳温度。当炉内不锈钢管六区温度一致并达到热平衡后，根据工艺要求向炉内通入一定比例和数量的氢气、氮气和甲烷气，开始进入硬化处理的保温阶段。在整个保温过程中，仍由炉内铠装热电偶控制炉壳温度，以保证在整个处理过程中不锈钢管的轴向温度均匀性。