一种提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置及方法

摘要

本发明涉及一种提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置及方法，属于钽及钽合金化学热处理技术领域，包括支撑系统、隔热系统、气源系统和抽气系统；隔热系统分别与气源系统和抽气系统相连接；支撑系统包括真空渗碳炉、支撑架和工作台，真空渗碳炉和工作台之间通过隔热系统相连接；隔热系统为隔热层；气源系统和抽气系统均与隔热层相连接；支撑架放置在工作台上，工作台放置在导轨上。本发明的装置及方法提高了复杂空腔结构工件以及带盲孔工件不同部位渗碳层均匀性，特别是改善工件内腔由于气体流动不充分而造成渗层较层薄的现象，提高了渗碳后工件的使用性能及服役寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置及方法，具体涉及一种提高具有空腔或盲孔钽制工件渗碳层均匀性的装置及方法，属于钽及钽合金化学热处理技术领域。

背景技术

钽及钽合金制品具有优异的耐高温性能和抗热震性，可用做高温化学过程需要的各种器具，包括熔炼模具、坩埚、搅拌棒等。对于有腐蚀性或对钽浸润性能好的熔融态金属，在化学处理过程常会粘附在钽容器的表面，在高温长时间接触中侵蚀容器材料的晶界，并沿晶界渗入，导致容器变脆，出现裂纹，严重情况下，发生破裂，导致容器报废，同时对物料造成污染。

目前，已通过真空渗碳热处理，对钽制容器进行表面渗碳，在工件表面形成具有阻挡性能的碳化物表面层，可以降低与目标金属的浸润性，同时具有抗热震性能及抗液态金属的高温腐蚀，渗碳处理后的容器材料可以循环使用多个周期。

但在渗碳过程中发现，对于具有复杂空腔结构或盲孔工件，在真空渗碳过程中，由于真空渗碳炉内进气孔的分布不均，工件外壁对气体的阻挡，空腔内气体流动性差，常出现工件的外表面不同位置、内外表面渗碳层厚度不均匀的情况，降低了实际工况条件下的使用性能。

因此，提供一种提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置及方法，改善内部气体的流动性，并结合复杂工件的特殊位置摆放，来解决渗碳过程工件内外渗层不均匀的问题，就成为该技术领域急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置，改善内部气体的流动性，并结合复杂工件的特殊位置摆放，来解决渗碳过程工件内外渗层不均匀的问题。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置，包括：支撑系统、隔热系统、气源系统和抽气系统；隔热系统分别与气源系统和抽气系统相连接；支撑系统包括真空渗碳炉、支撑架和工作台，真空渗碳炉和工作台之间通过隔热系统相连接；隔热系统为隔热层；气源系统和抽气系统均与隔热层相连接；支撑架放置在工作台上，工作台放置在导轨上。

优选地，所述支撑架为三角带支撑架。

优选地，所述三角带支撑架的中部设有弧状凹槽，以起到固定工件的作用。

优选地，所述隔热层处于真空渗碳炉内部的最外层。

优选地，所述隔热层由多层(2-6层，进一步优选3层)石墨毡等隔热材料构成，起到保护外壳，隔绝内部热量的作用。

优选地，所述气源系统包括送气管道、分支进气管道和可拆卸式延伸进气管道。

优选地，所述气源系统包括上下左右四个送气管道。

优选地，所述气源系统包括上、左、右三个可拆卸式延伸进气管道。

优选地，所述可拆卸式延伸进气管道设置有若干个分支进气管道。

优选地，所述气源系统还包括独立送气管道，流量可单独控制。

优选地，所述分支进气管道为120个，均匀分布在隔热层四周，外部气体通过送气管道进入真空渗碳炉，又通过与120个分支进气管道相连接的喷嘴均匀的进入真空渗碳炉腔体内各个部位。

优选地，所述可拆卸式延伸进气管道直接伸入工件内部，且其端部分别设置多个喷嘴，气体可均匀喷出，而避免在一处碳浓度过高。

优选地，所述抽气系统为抽气管道，设置在隔热层的一侧，外部直接连通真空泵，抽气管道另一端与可拆卸式延伸进气管道相连接，内部靠近工件的内腔，通过增加气体的定向流动提高气体的流通性。

优选地，所述工作台为石墨材质，在工作台表面的不同位置设置若干等直径圆孔，使下部进气管道进入的气体通过圆孔进入到真空渗碳炉腔室及工件表面。

优选地，所述工作台有5-40个等直径的圆孔，进一步优选，有26个等直径的圆孔。

优选地，所述分支进气管道和可拆卸移动式延伸进气管道的口部均配有石墨塞。

优选地，所述可拆卸移动式延伸进气管道口部的上端部带有螺纹，通过螺纹与顶部相连接。

优选地，所述抽气管道的开口处设置隔热挡板，当不使用该抽气口时，用石墨塞封闭，减少通过抽气管道口的辐射传热。

优选地，所述抽气管道的外部直接连通真空泵口，可实现气体由抽气管道的定向抽出。

本发明的另一目的是提供一种提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的方法，改善内部气体的流动性，并结合复杂工件的特殊位置摆放，来解决渗碳过程工件内外渗层不均匀的情况。

本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：

一种提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的方法，其步骤如下：

(1)渗碳气体通过管路连接气源系统，通过气源系统进入真空渗碳炉内部，通过流动与工件表面接触；

(2)通过可拆卸移动式延伸进气管道直接进入工件内空腔；

(3)抽气系统的开启使内部气体充入的同时能快速被抽出，使内部气体保持流动并始终为新鲜气体。

优选地，当工件是具有复杂空腔结构工件时，开启独立送气管道的气阀，气流量与其他4路气流量相同。

优选地，当工件是带盲孔坩埚工件时，关闭左侧及上部的可拆卸移动式延伸进气管道，开启右侧可拆卸移动式延伸进气管道的气阀，独立送气管道的气流量设置大于其他4路气流量。

优选地，所述工作台表面的不同位置设置若干等直径圆孔，使下部进气管道进入的气体通过圆孔进入到真空渗碳炉腔室及工件表面。

优选地，所述支撑架为石墨三角带凹槽支撑架，可固定工件，防止左右偏移。

有益效果：

(1)本发明适用于具有复杂空腔结构及盲孔的复杂工件渗碳用炉，通过在上下左右平均布置无差别进气管道(喷嘴)，可以实现大型工件不同位置的渗碳均匀性；

(2)通过设置可移动式延伸进气管道及特定位置抽气管道，使气体更充分的进入到内腔，并通过改变进气管道的流量差，增加内腔气体的流动性，可实现外部不同位置通过渗碳生成的渗层均匀，内腔部位的渗碳层厚度及均匀性有明显改善；

(3)通过设置石墨三角带凹槽支撑架，可固定工件，防止左右偏移，工件与底部为线接触，减少对工件下表面的遮挡面积，提高渗碳均匀性；

(4)通过对具有复杂空腔结构工件进行特定位置摆放，气体更均匀的与工件内外表面接触，同时增加内腔气体的流动性，可改善内外表面渗碳均匀性。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置的结构示意图。

图2为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置实施例1中底部通透、上部带有通孔的圆形管状工件的摆放及延伸进气管道的布置示意图。

图3为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置实施例2中带盲孔坩埚工件的摆放及延伸进气管道的布置示意图。

图4为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置中多孔工作台的俯视图。

图5为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置中石墨三角带凹槽支撑架的结构示意图。

主要零部件名称：

101真空渗碳炉 102多孔工作台

103石墨三角带凹槽支撑架 201石墨毡隔热层

301主送气管道 302分支进气管道

303独立送气管道 304可拆卸移动式延伸进气管道

401抽气管道 5工件

501具有复杂空腔结构工件 502带盲孔坩埚工件

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置的结构示意图；如图2所示，为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置中底部通透、上部带有通孔的圆形管状工件的摆放及延伸进气管道的布置示意图；如图3所示，为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置实施例2中带盲孔坩埚工件的摆放及延伸进气管道的布置示意图；如图4所示，为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置中多工作台的俯视图；如图5所示，为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置中石墨三角带凹槽支撑架的结构示意图；其中，101为真空渗碳炉，102为多孔工作台，103为石墨三角带凹槽支撑架，201为石墨毡隔热层，301为主送气管道，302为分支进气管道，303为独立送气管道，304为可拆卸移动式延伸进气管道，401为抽气管道，5为工件，501为具有复杂空腔结构工件，502为带盲孔坩埚工件；

本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置，包括真空渗碳炉101，多孔工作台102，石墨三角带凹槽支撑架103，石墨毡隔热层201，主送气管道301，分支进气管道302，独立送气管道303，可拆卸移动式延伸进气管道304，抽气管道401，以及工件5；本实施例中，具有复杂空腔结构工件501为底部通透、上部带有通孔的圆形管状工件，如图2所示，为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置实施例1中底部通透、上部带有通孔的圆形管状工件的摆放及延伸进气管道的布置示意图；多孔工作台102搭接在石墨导轨(或者金属导轨)上，石墨三角带凹槽支撑架103平行的放置在多孔工作台102的两侧，具有复杂空腔结构工件501置入石墨三角带凹槽支撑架103上，具有复杂空腔结构工件501下部与石墨三角带凹槽支撑架103接触，一是确保减少支架对工件的遮挡，而凹槽可以稳定工件，避免左右滑动；

石墨三角带凹槽支撑架103的材料为等静压高纯石墨，内部含有凹槽，多孔工作台102置于石墨导轨上，两个石墨三角带凹槽支撑架103平行地放置在多孔工作台102上；

石墨毡隔热层201为三层，处于真空渗碳炉101内部的最外层，由三层石墨毡隔热材料构成，起到保护真空渗碳炉101，隔绝内部热量的作用；

石墨毡隔热层201的四周设有主送气管道301，其中，上部的主送气管道301连接有12个分支进气管道302和一个可拆卸移动式延伸进气管道304，下部的主送气管道连接有13个分支进气管道302；左侧的主送气管道301连接有6个分支进气管道302，左侧设有一个可拆卸移动式延伸进气管道304；右侧的主送气管道301连接有6个分支进气管道302，右侧设有一个可拆卸移动式延伸进气管道304；左侧还设有一个独立送气管道303，右侧设有抽气管道401；

将具有复杂空腔结构工件501的轴向管口朝向左右摆放，径向通孔开口向上摆放，左右两侧及上部的可拆卸移动式延伸进气管道304分别伸入具有复杂空腔结构工件501通透管路及上部半盲孔中，开启独立送气管道303的气阀，气流量与其他4路气流量相同，使内腔气体流动增大，内腔能够更多的接触渗碳气体，使工件内腔与气体反应更加充分，抽气管道401正对右侧管口，工作条件下保持抽气管道401处连接泵体并持续工作；

工作时，渗碳气体通过管路连接主送气管道301，在通过分支进气管道302及独立送气管道303进入真空渗碳炉101内部，通过分支进气管道302进入的气体通过流动与具有复杂空腔结构工件501的表面接触，而通过可拆卸移动式延伸进气管道304进入的气体在下部通透管路及上部通孔中充分流动，直接进入工件内空腔，抽气管道401的开启使内部气体充入的同时能快速被抽出，使内部气体保持流动并始终为新鲜气体，通过喷嘴均匀的通入，具有复杂空腔结构工件501外部上下左右每个位置都能与气体接触；可拆卸移动式延伸进气管道304直接进入内腔，确保内部气体充分供应，同时，分支进气管道302均匀布置的多个喷嘴使内腔气体与工件均匀接触，反应更充分；

如图4所示，为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置中多孔工作台的俯视图；多孔工作台102的材料为等静压高纯石墨，内部有26个等直径的圆孔；

如图5所示，为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置中石墨三角带凹槽支撑架的结构示意图；石墨三角带凹槽支撑架103减少工件底部与多孔工作台102的接触面积，降低多孔工作台102对工件的遮挡，使气体在底部能充分流动，同时确保工件在送入及取出过程中的稳定性，避免左右滑动；

分支进气管道302和可拆卸移动式延伸进气管道303的口部均配有石墨塞，石墨塞可拆卸，可拆卸移动式延伸进气管道303的上端部带有螺纹，可拆卸移动式延伸进气管道303通过螺纹与顶部相连接；

为了减少通过抽气管道401的辐射传热，可在抽气管道401的对应位置设置隔热挡板，当不使用该抽气管道401时，用石墨塞封闭；

主送气管道与外部气瓶相连接，为保证真空渗碳炉内高真空，主送气管道分若干路供气，每路供气也可以分为10～30个分支进气管道，喷嘴均匀分布在石墨毡隔热层内的四壁。

有益效果：用普通渗碳炉对具有复杂空腔结构工件501渗碳时，工件底部常因遮挡而渗碳层较薄，腔体内壁渗层厚度比外壁渗碳层厚度低50％左右；与普通渗碳炉相比，通过对气源的重新布置及工件的特殊位置摆放，在相同工艺条件下，工件外壁渗碳层厚度差≤15％，腔体内壁渗层厚度与外壁渗碳层厚度差≤20％，内、外壁渗碳层厚度均匀性明显改善。

实施例2

其中与实施例1相同，不同之处在于：具有复杂空腔结构工件501替换为带盲孔坩埚工件502；

如图3所示，为本发明提高空腔工件渗碳层厚度均匀性的装置实施例2中带盲孔坩埚工件的摆放及延伸进气管道的布置示意图；将带盲孔坩埚工件502的开口朝向右侧主送气管道301和抽气管道401位置，关闭左侧及上部的可拆卸移动式延伸进气管道304，开启右侧可拆卸移动式延伸进气管道304的气阀，右侧可拆卸移动式延伸进气管道304设有20个喷嘴，并将独立送气管道303气流量设置大于其他4路气流量，抽气管道401正对坩埚开口处，工作条件下保持抽气管道处连接泵体并持续工作。

工作时，渗碳气体通过管路连接主送气管道301，通过分支进气管道302及右侧可拆卸移动式延伸进气管道304进入真空渗碳炉内部，通过分支进气管道302进入的气体通过流动与工件表面接触，而通过可拆卸移动式延伸进气管道304进入的气体直接进入工件内空腔，由于可拆卸移动式延伸进气管道304处气体流量大于分支进气管道302处气体流量，在盲孔内气体的流速大于外部气体的流速，抽气管道401的开启使内部气体充入的同时能快速被抽出，使内部气体保持流动并始终为新鲜气体，通过喷嘴均匀的通入，工件外部上下左右每个位置都能与气体接触；右侧可拆卸移动式延伸进气管道304直接进入内腔，确保内部气体充分供应，可拆卸移动式延伸进气管道304的端部又设置多个(20个)喷嘴，保证气体的均匀喷出，同时气体的快速流动使内部内腔气体与工件接触完全，反应更充分。

有益效果：在相同工艺条件下，通过对气源位置的改进以及改变工件摆放方位，与普通渗碳炉相比，工件底部减少与支撑架的接触面积，增大下部工作台通气量，工件外壁渗碳层厚度差≤15％，腔体内壁渗层厚度与外壁渗碳层厚度差≤20％，内、外壁渗碳层厚度均匀性明显改善。

通过采用本发明，在相同条件下，提高了工件的内外部渗碳质量和使用性能，寿命也得到了提高。

本发明的装置中，工件根据形状可以分为管状通透部件、坩埚等含盲孔及半盲孔部件，对于管状通透部件，内腔轴向摆放指向左右两侧通气孔方向，并将延伸进气管道置于内腔，使气体能充分进入内腔室，径向有开口位置的内腔向上摆放，指向上部进气管道，将上部延伸进气管道置于内腔室中，以实现内外内腔室与外部表面与气体均匀接触；对于坩埚类含盲孔的工件，将工件开口方向指向右边，延伸进气管道伸入至顶部，且流量要大于外部进气管道，同时开启右侧定向抽气管道，是内腔的气体流动及更新大于外部，使内部更充分的接触活性气体。

本发明针对不同形状的工件对真空渗碳炉内气源及工件进行特定的布置和摆放，并利用抽气系统提高炉腔内的气体流动性，同时对工件底部支撑架进行改进，提高复杂空腔结构工件以及带盲孔工件不同部位渗碳层均匀性，特别是改善工件内腔由于气体流动不充分而造成渗层较层薄的现象，提高了渗碳后工件的使用性能及服役寿命。

本发明的技术方案方涉及真空渗碳炉外部进气孔的布置及使用方法、真空渗碳炉内部出气口的布置、工件摆放方法、抽气孔的设计与使用、进气压力分配等几个方面，本发明涉及的空腔结构工件包括腔体贯通部件和坩埚等含盲孔工件。根据工件的形状及大小，适当调整可移动式延伸进气管道及抽气管道的位置和流量，通过提高真空渗碳炉内部气体的活性及流动性，来提高工件内外部表面渗碳的均匀性。底部石墨三角带凹槽支撑架上可摆放底部任意形状的工件，均可平稳固定。多孔工作台不仅起到支撑作用，同时从下部气源进入的气体通过工作台圆孔均匀进入真空渗碳炉。本发明针对不同形状的工件对真空渗碳炉内气源及工件进行特定的布置和摆放，并利用抽气系统提高炉腔内的气体流动性，同时对工件底部支撑架进行改进，提高复杂空腔结构工件以及带盲孔工件不同部位渗碳层均匀性，特别是改善工件内腔由于气体流动不充分而造成渗层较层薄的现象，提高了渗碳后工件的使用性能及服役寿命。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。