專利名稱：氮化爐裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在鋼材表面形成氮化層的氮化爐裝置。
在鋼材表面形成氮化層的技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于增加鋼材的表面硬度，以提高性能，例如提高其耐磨性。這種氮化的過程如下。經(jīng)過預(yù)處理去除鈍化了的表層，例如氧化層，以暴露出純凈的新鮮表面，在這種狀態(tài)下，純凈的表面與含氮的氣體，例如氨氣接觸，以滲透和擴(kuò)散到鋼的內(nèi)部。對鋼材，特別是對含有大量鉻的鋼材表面進(jìn)行預(yù)處理，通常采用氫氟酸和硝酸混合劑，以獲得純凈的鋼表面。
然而，要去除不銹鋼特別是奧氏體不銹鋼表面頑固的鈍化表層，即使采用氫氟酸和硝酸混合劑來凈化，仍是很困難的，而且，縱然已經(jīng)去除了鈍化的表層，它也很可能在到達(dá)氮化的溫度前被再度鈍化。由于這個原因，在常規(guī)的氮化過程中仍留有鈍化的表層，所以實(shí)際上不可能在鋼材表面形成均勻的厚度足夠的氮化層。必須作出改進(jìn)。
本發(fā)明的發(fā)明者們在反復(fù)地研究了預(yù)處理中的核心問題后認(rèn)識到，氮化前的預(yù)處理對氮化狀態(tài)的影響很大。他們發(fā)現(xiàn)，將鋼材放置于氟化氣體的氣氛中是相當(dāng)有效的，所用的氟化氣體是至少有一種放在惰性氣體如N2中的含氟氣體，含氟氣體從NF3、BF3、CF4、HF、SF6和F2中選擇。這樣，當(dāng)鋼材被放置于上述氣氛中加熱時，在上述氟化氣體中活化的F原子作用下，鋼表面的鈍化層轉(zhuǎn)變成氟化層。這個氟化層被H2，NH3或少量的水所分解，露出了處于裸露狀態(tài)的鋼表面。由于裸露狀態(tài)下的金屬表面是純凈和活化的，所以氮化時N原子易于從鋼的表面滲透或擴(kuò)散到鋼材內(nèi)部。本發(fā)明人已經(jīng)在日本提出了題為“鋼的氮化方法”的專利申請，其日本專利申請?zhí)枮镹o.1177660。實(shí)施這種鋼的氮化方法，要使用一種熱處理爐，如圖3所示，爐的內(nèi)部有一個腔室。放在金屬容器2中的鋼材(圖中未表示)裝入上述熱處理爐1中，并通過電加熱器3將其加熱到300℃～400℃。通過進(jìn)氣管4將在N2氣中含有NF3的氟化氣體輸入爐1內(nèi)，對鋼材進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理完成后，將上述氟化氣體經(jīng)排氣管5排出，并釋放到外面，然后，給加熱器3通電加載，將鋼材溫度提高到400℃～600℃。在這種狀態(tài)下，將混合氣體(例如50%的NH3，10%的CO2，少量CO、少量H2，其余為少量N2)通過進(jìn)氣管4輸入爐1以氮化鋼材。這時，鋼表面形成的氟化層被由H2、NH3等組成的上述混合氣體破壞，暴露出金屬的表面，NH3中的N原子作用在已露出的金屬活化表面上，并在鋼材表面形成了一個均勻和厚的氮化層。但是，由于在這種結(jié)構(gòu)的熱處理爐1中，預(yù)處理和氮化在同一個爐內(nèi)進(jìn)行，因此帶來了一些問題。在上述預(yù)處理過程中，氟化氣體輸入此爐1中。在氟化氣體中為有效成分的NF3，不僅作用在鋼材表面，而且也作用在熱處理爐1的內(nèi)壁面上，并形成了氟化層。所形成的這一氟化層，在隨后的氮化過程中被分解和去除，如同在鋼材表面所進(jìn)行的那樣。因此，用于覆蓋熱處理爐1內(nèi)壁面的NF3將白白地浪費(fèi)掉，因而是不經(jīng)濟(jì)的。從爐1的內(nèi)壁分解和去除的氟化層，與用在氮化過程中的氨起化學(xué)反應(yīng)最終形成NH4F，并被排到外面去，不僅在鋼表面的氟化層，而且在爐1內(nèi)壁的氟化層，都將轉(zhuǎn)化成NH4F而被排出。因此，帶來了這樣一個問題，即熱處理爐1的排氣管5很容易被過多的NH4F所充滿，并由于產(chǎn)生的NH4F量太大而造成堵塞。還有，在上述氮化過程后必須在爐1內(nèi)冷卻氮化了的鋼材，但這樣做便會帶來另一個問題，即由于整個爐子被氮化過程中所需要的熱量所加熱，所以鋼材溫度不容易降低，冷卻它需要四個小時以上。在圖3中，標(biāo)號6表示絕熱墻，標(biāo)號7表示可開閉的門，8指鼓風(fēng)機(jī)，9指機(jī)架，10是機(jī)架支柱，11是爐體支柱，12為真空泵，13是排氣處理裝置。
本發(fā)明的目的是提供一種氮化爐裝置，它可以減少和節(jié)省預(yù)處理過程中所需的氮化氣體量，與此同時，不會發(fā)生由于爐子內(nèi)壁所構(gòu)成的氮化層分解形成NH4F等產(chǎn)物堵塞排氣管的情況，而且氮化后的鋼材能得到迅速的冷卻。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種氮化爐裝置，它有一個爐體，一個設(shè)在爐體內(nèi)的加熱裝置，一根處理氣體進(jìn)氣管和一根處理氣體排氣管，這種氮化爐裝置的特點(diǎn)是，它還有一個可開閉的中心墻，用以將爐子內(nèi)部一分為二，即一個氮化室和一個預(yù)處理室，此外還有一個支托被處理工件的支承架，它被設(shè)計成可在上述兩個腔室之間移動。
也就是說，在這種氮化爐裝置中，爐體被分為兩部分一個預(yù)處理室和一個氮化室。上面所說的預(yù)處理是在預(yù)處理室中進(jìn)行的。因此，輸入預(yù)處理室中的氟化氣體有效成分NF3，不僅在鋼制工件表面而且也在預(yù)處理室的壁面起作用。盡管如此，由于氟化層在預(yù)處理室中不再分解和去除，所以在第一次預(yù)處理過程中附著于壁面的氟化層將一直保持其原有狀態(tài)。于是，在下一個預(yù)處理過程中，幾乎不能在預(yù)處理室的壁上形成新的氟化層，而NF3僅僅作用在要加以處理的鋼材表面上，以便將其上的鈍化表層轉(zhuǎn)化為氟化層。其結(jié)果是，NF3實(shí)際上只是消耗于與鋼表面起作用，因此所需的氟化氣體量大為減少。此外，由于第一次預(yù)處理過程中在預(yù)處理室壁面所形成的氟化層不再象上面所提到過的那樣會被去除，因此，也就不會發(fā)生由壁面上的氟化層產(chǎn)生的NH4F堵塞排氣管的問題。接著，打開中心墻，將在預(yù)處理室中經(jīng)過預(yù)處理的鋼材送入氮化室，關(guān)閉中心墻后進(jìn)行氮化。由于在氮化過程中預(yù)處理室未被加熱，所以它本來就是冷的。通過打開和關(guān)閉中心墻，將氮化后的鋼材重新送回到預(yù)處理室，并在那里進(jìn)行冷卻。由于預(yù)處理室處于冷態(tài)，那里的溫度比氮化室的溫度要低得多，所以在這種情況下可以縮短冷卻時間。


圖1表示按照本發(fā)明的一種實(shí)施例橫剖面圖，圖2表示本發(fā)明另一種實(shí)施例的橫剖面圖，以及圖3表示作為本發(fā)明基礎(chǔ)的一種處理爐橫剖面圖。
下面說明這些實(shí)施例。
圖1表示了本發(fā)明的一種實(shí)施例。在此圖中，標(biāo)號21指的是有絕熱墻的爐體，爐體內(nèi)部由可開閉的中心墻22分隔成左室23和右室24兩部分。中心墻22用來在封氣和絕熱的條件下分隔兩個室23、24。為了打開和關(guān)閉中心墻22，在圖中中心墻22上下滑動。標(biāo)號23表示預(yù)處理室，24表示氮化室。機(jī)架25用來在預(yù)處理室23和氮化室24中支托一個放置鋼制工件的網(wǎng)狀金屬筐2。機(jī)架25上有一對左右軌道，網(wǎng)狀金屬筐2可在這些軌道上滑行，以進(jìn)入預(yù)處理室23和氮化室24。標(biāo)號26是指進(jìn)氣管，它將氟化氣體輸入預(yù)處理室23，標(biāo)號27表示溫度測量傳感器。預(yù)處理室23的正面開口用一個可橫向開閉的門打開或關(guān)閉。標(biāo)號28是指將氮化氣體輸入氮化室24的氮化氣體進(jìn)氣管。其余的部分和圖3中的一樣，因此用相同的標(biāo)號來表示同樣的部分。
在這種結(jié)構(gòu)中，氮化室24內(nèi)部的溫度增加到400℃～600℃，并在這種狀態(tài)下，將裝在網(wǎng)狀金屬筐2中的鋼材置入此室中，可開閉的中心墻22被關(guān)閉，鋼材保持在此室中，直至其溫度達(dá)到300℃～400℃。然后將中心墻22打開，裝有鋼制工件的網(wǎng)狀金屬筐2被移送到預(yù)處理室23，在這種狀態(tài)下向預(yù)處理室23輸入氟化氣體進(jìn)行處理15～20分鐘。在氮化前真空泵12應(yīng)將預(yù)處理室23中含有的O2和H2O排出;進(jìn)行氮化時，要適當(dāng)保持室23內(nèi)的壓力。預(yù)處理過程全部結(jié)束后，預(yù)處理室23中的氣體被排出，然后打開中心墻22，裝有鋼制工件的網(wǎng)狀金屬筐2被移入溫度為400℃～600℃的氮化室24中，并關(guān)閉墻22。下一步，將由NH3、N2、H2、CO和CO2混合氣組成的氮化氣體輸入氮化室24，進(jìn)行四至五個小時的氮化。然后，室內(nèi)的溫度降到350℃～450℃，在這種狀態(tài)下，通過H2和N2混合氣流或N2、H2和CO混合氣流對鋼材進(jìn)行表面凈化。當(dāng)?shù)?4中的氣體被排出去以后，打開中心墻22，裝有鋼制工件的網(wǎng)狀金屬筐2置入預(yù)處理室23，此時關(guān)閉中心墻，使鋼制工件在室23內(nèi)冷卻。在這種狀況下，冷卻是通過由進(jìn)氣管26將氮化氣體流入預(yù)處理室23來實(shí)施的。因此，經(jīng)過這樣處理的鋼材表面，形成了一個均勻和厚的氮化層。
圖2所示的是本發(fā)明另一種實(shí)施例。在這種實(shí)施例中，在預(yù)處理室23中也設(shè)有一個加熱器3，并為氮化室24設(shè)置了一個后蓋6′，它被設(shè)計成象預(yù)處理室23的門那樣橫向開啟。除了上面提到的以外，其它部分實(shí)際上與第一種實(shí)施例中的相同。與第一種實(shí)施例相同或相應(yīng)的部分，均用相同的標(biāo)號來表示。
采用上述結(jié)構(gòu)，鋼材可在預(yù)處理室23中加熱到能夠在那里面對鋼材進(jìn)行預(yù)處理的程度。預(yù)處理后，鋼材在氮化室24中進(jìn)行氮化。成品鋼材經(jīng)橫向開啟式的后蓋6′送出室24外。因此，可以在同一時間內(nèi)在預(yù)處理室23中進(jìn)行預(yù)處理和在氮化室中進(jìn)行氮化，從而可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)操作。
在第二種實(shí)施例中，可以在氮化室24的底部設(shè)置一個可開閉的門，門的下面可以設(shè)置一個油冷槽，以便在氮化之后，鋼制工件能立即在此油冷槽中冷卻。
如上所述，在按照本發(fā)明的氮化爐裝置中，爐體被分成預(yù)處理室和氮化室兩部分。用氟化氣體來進(jìn)行的預(yù)處理在預(yù)處理室中進(jìn)行，氮化過程則在氮化室中進(jìn)行。這樣，在第一次處理時附著在預(yù)處理室壁面上的氟化層，因?yàn)闆]有被分解和去除而保持原狀，所以在下一次的處理過程中，氟化氣體不再吸附于壁面，而只吸附于鋼件的表面。其結(jié)果是，減少和節(jié)省了大量氟化氣體消耗量。由于被排出的氣體，例如由氟化層分解而產(chǎn)生的NH4F，僅來自鋼材表面的氟化層，所以排氣管被大量NH4F堵塞的現(xiàn)象不再發(fā)生。此外，由于可以將在氮化室中完成了氮化過程的鋼材送入由可開閉的中心墻隔開的、其溫度比氮化室為低的預(yù)處理室中進(jìn)行冷卻，所以可以節(jié)省冷卻時間，并因而縮短了氮化時間。在將結(jié)構(gòu)設(shè)計成鋼材能直接從氮化室取出的情況下，可以進(jìn)行連續(xù)操作，并還能適應(yīng)于那種需強(qiáng)迫冷卻，如油冷的鋼材。
權(quán)利要求
1.一種氮化爐裝置，它有一個爐體、一個設(shè)置在爐體內(nèi)的加熱裝置、一些處理氣體的進(jìn)氣管和處理氣體的排氣管，其特征為該裝置中還設(shè)有一個可開閉的中心墻，它用于將爐體內(nèi)部一分為二，即分成一個氮化室和一個預(yù)處理室，并設(shè)有一個支托被處理工件的支承機(jī)架，此機(jī)架被設(shè)計成可在上述兩個腔室之間移動。
2.按照權(quán)利要求1所述之氮化爐裝置，其特征為該裝置中的加熱裝置被分別設(shè)置在氮化室和預(yù)處理室中。
全文摘要
本發(fā)明用一個可開閉的中心墻將爐子分成兩部分，即一個預(yù)處理室和一個氮化室。當(dāng)欲加以處理的工件在預(yù)處理室中經(jīng)過預(yù)處理后，打開可開閉的中心墻，將經(jīng)預(yù)處理的工件移入氮化室進(jìn)行氮化。和工件在僅有一個氮化室的爐子中經(jīng)過預(yù)處理后進(jìn)行氮化相比，能大量節(jié)約處理用的氣體。
文檔編號C23C8/02GK1052704SQ9010739
公開日1991年7月3日 申請日期1990年9月1日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月22日
發(fā)明者田原正昭, 仙北谷春男, 北野憲三, 溱輝男 申請人:大同酸素株式會社