离子化学热处理炉炉体及配套系统优化方案

1.炉体

离子化学热处理炉的炉体有冷壁炉和热壁炉两种类型。

冷壁炉的炉壁采用夹层通冷却水的结构，内置1层或2层隔热屏，以不锈钢板与铝合金板组合的双层隔热屏隔热效果最佳，可使加热功率节约55%左右，而且有利于提高炉内工件温度的均匀性。冷壁炉的最高工作温度可达650℃。

所谓热壁炉，是指除离子轰击加热外，在炉内另外配置电阻加热器件，二者同时加热工件，实现离子化学热处理。由于配置了加热元件，炉壁内必须加装石墨毡、硅酸铝纤维一类的保温层。增加低电压电阻加热装置后，可提高炉膛的温度均匀性，减少处理开始阶段对工件的溅射清理时间。而且，在保温阶段，可采用较小的辉光放电功率，减小弧光放电的可能性。由于热壁炉配有保温层，所以降低了工件的冷却速度，延长了生产周期，此外，工件处理完后冷却较慢，易造成Fe₄N相从固溶体中析出，降低渗氮层的耐蚀性。因此，热壁炉一般需配置冷却风扇。

2.阴极输电装置及阴极料盘支承柱

阴极输电装置是将高压电流穿过阳极炉壁输送到阴极的一套系统，是离子化学热处理设备的关键部件之一。它除应具备输电、绝缘、密封、防止弧光放电等特性外，还应具备高温下较长时间承载重量和承受一定冲击的能力。

图9-14 离子化学热处理自动控制流程图

图9-14 离子化学热处理自动控制流程图（续）

阴极输电装置和支承柱必须设置气隙保护以防止弧光放电。图9-15所示为气隙保护装置。其基本原理是在辉光放电时，阴极位降区宽度d_k小于一个额定距离，辉光将自行熄灭。一般缝隙a∶b=10∶1，b的宽度约1mm，当辉光蔓延到此缝隙时，辉光会在缝隙处或缝隙内1～2mm处熄灭，避免了弧光的产生。

图9-15 气隙保护装置

a）横向保护 b）纵向保护 c）综合保护

1—气隙块 2—绝缘体支柱 3—气隙套

图9-16、图9-17所示为国内常用的辉光放电阴极输电装置。对功率较大的设备，阴极输电装置还必须考虑水冷系统。在装炉量较大的设备中，为了防止工件对阴极的撞击，阴极输电装置与阴极料盘之间还应采用软连接。

图9-16 堆放阴极输电装置

1—阴极料盘 2—支柱 3—间隙调整外套 4—护隙调整内套 5—阴极柱 6—瓷管 7—托座 8—炉底板 9—密封圈 10—炉底外板 11—绝缘垫套 12—压紧螺母 13—绝缘筒套 14—滑环 15—输电极 16—固定螺母 17—O形密封圈 18—压环 19—压热偶螺母 20—热电偶

图9-17 吊挂阴极输电装置

1—接线护罩 2—紧定螺母 3—接线锥头 4—阴极 5—滑环 6—压紧套 7—绝缘卸荷垫 8—密封圈 9—压紧螺母 10—护盖外板 11—托座 12—护盖板 13—瓷管 14—间隙螺母 15—间隙套 16—小护环 17—承重螺母 18—大护环 19—阴极吊板

对较大的阴极料盘，需采用三点以上的支承，如图9-18所示。这些支承没有输电功能，仅作为支承面，但因辉光存在，也应具有气隙保护装置。

3.测温装置

离子化学热处理过程中，工件带有高电压，这给工件温度的测量带来许多困难。常用的测温方法有热电偶测温和红外光电温度计测温等。

（1）热电偶测温 采用热电偶测温的关键之处在于防止热电偶导电和弧光放电。目前，在离子化学热处理炉内，较准确的测温方法是将热电偶埋入带有护隙管套试样的封闭内孔中进行测温，如图9-19所示。图中d＞2mm，护隙的间隙≤1mm，热电偶插入的深度>30mm。由于实际生产时热电偶不可能插在工件中，须设计一种专用测温头，与工件或模拟件接触进行测温，此时，测温头的前帽将产生辉光。

事实上，在大规模的工业生产时，常常采用图9-16那样的模拟管测温装置。即将一个内置热电偶的不锈钢管（见图9-20）插入阴极，使两者带有同样的阴极电位，管壁外表面起辉加热，以测得近似的工作温度。

图9-18 阴极料盘支承(www.xing528.com)

1—阴极料盘 2—支铁 3—屏蔽帽 4—屏蔽螺栓 5—瓷件 6—调整螺栓 7—调整螺母 8—纯铜薄垫圈 9—纯铜厚垫圈 10—内层隔热屏 11—隔热屏支撑 12—外层隔热屏 13—定位柱

图9-19 埋偶试样

1—护隙 2—耐热填充剂 3—试样 4—石英管 5—铠装热电偶

图9-20 模拟管测温装置

1—热电偶 2—石英管 3—起辉外套管 4—密封圈

由于离子化学热处理炉测温的热电偶可能出现带电的风险，故二次仪表应与地隔离或采用隔离变压器，还应注意不得与人接触，以保证设备及人身安全。

（2）红外光电温度计测温 红外光电温度计是一种非接触式测温仪表。它是采用反射原理测量物体表面辐射能量来确定温度的，配套的仪表带有定值电接点装置，可进行温度的自动控制。但红外光电温度计的测量值受观察窗的清洁程度、空间介质、工件的表面状态等多种因数的影响，应经常进行调整补偿。为消除工件表面状态和空间介质对测量值的影响，可采用双波段比色温度计，以提高测量精度。

4.炉压测量

目前，离子化学热处理设备中使用较多的炉压测量仪表是热偶真空计和电阻真空计。由于这两种真空计均属于热传导型，测量值受气体种类影响较大，很难准确测定离子化学热处理工作阶段的真空度，因此，它们主要用来测量极限真空度。U形管水银压力计是一种绝对真空计，测量值不受气体种类的影响，可用来测量工作时的炉压。近年来，膜片式真空计得到广泛应用，特别是在自动控制型设备中较好地解决了炉压测量不准的问题。

由于阴极位降区的宽度d_k与气体的压力有关，且便于观测，所以在实际操作中，常用目测d_k值的方法推算炉压。例如：氨气在辉光放电时，当P=1333Pa时，d_k=0.5mm；当P=133Pa时，d_k=5mm；当P=13.3Pa时，d_k=50mm。

5.真空获得系统

离子化学热处理所需的低压环境靠真空泵来实现。离子渗氮炉工作在低真空范围，采用机械真空泵即可达到6.7Pa的极限真空度，而对具有真空淬火功能的离子渗碳炉，则须配置罗茨真空泵才能达到所需的极限真空度。

真空室的容积、极限真空度等决定了所需真空泵的有效抽气速度，在真空管道不太长、管道弯头较大（即不会产生较大的气阻）时，有效抽气速度可近似等于真空泵的抽气速度。因此，可用下式计算真空泵的抽气速度：

式中，v_n为真空泵的抽气速度（L/s）；V为工作室的容积（L）；t为达到所需真空度要求的时间（s）；p₁为大气压力（Pa）；p₂为抽到的所需真空度值（Pa）。

离子化学热处理工作过程处在一个真空系统的动态平衡之中，导入的工作气体量与排出的气体量相等，这就需要一定抽气速度的真空泵来维持。各种气体在真空室内参加反应后，体积会发生变化，不能简单地以进气量来选择维持泵。以氨气进行离子渗氮为例，因有2NH₃→N₂+3H₂，反应后体积增加一倍。在此特定条件下，维持泵的抽气速度v（L/s）应为

式中，K为泵的性能系数，133Pa时为1.15；Q为进入炉内氨气的实际流量（L/s）；p₁为大气压力（Pa）；Δp为真空室的压升率（Pa/s）；V为真空室的容积（L）；p为渗氮工作时的压力（Pa）。

在实际使用中，维持泵的选择取一大概值即可。一般离子化学热处理炉配置1或2台真空泵，可将（较小的）一台作为维持泵用，通过调节蝶阀的开启程度来调整实际抽气速度。

此外，真空获得系统中还须配置电磁真空带充气阀、高真空蝶阀、电磁真空阀、真空挡板阀、真空三通阀等真空元器件。

6.供气系统

离子化学热处理设备的供气系统由气源（气瓶）、减压阀、氨分解炉、稳压干燥罐、流量计和调节阀组成。

无论是采用氮、氢气，或是氨气、丙烷气，都须减压后使用。由于氨气会腐蚀铜件，应注意选用专用的氨气减压阀。氮气、氢气的纯度应大于99.9%；氨气的纯度要高，含水量及成分变化要小，且须干燥后使用，可用分子筛、粉笔、红砖头等作为氨气的干燥介质。

气体的流量用流量计测定。目前使用较多的是玻璃转子流量计。这种流量计的规格较多，使用方便，价格便宜，但误差大，气密性差，测量值受气体种类、进出口压差影响大，为了提高调节精度和稳定性，可在管路中配装微调真空阀，以提高使用效果。

质量流量计测量精度高，测量值不受气体种类及进出口压差的影响，易于实现自动控制，是一种先进的气体流量测控仪器，现已在部分离子化学热处理设备上使用。其缺点是价格较高。