低真空热处理炉在 5Cr21Mn9Ni4N 钢气门热处理中的应用

1、低真空热处理炉在 5Cr21Mn9Ni4N 钢气门热处理中的应用摘要 5Cr21Mn9Ni4N 奥氏体耐热不锈钢(简称21-4N)是常用的内燃机排气门材料 ,其固溶淬火温度高达1150 1190。为减小加热氧化 ,传统的方法是用高温盐浴炉加热。高温盐浴炉存在污染环境, 能耗高 ,工作条件恶劣的问题。高真空热处理炉虽可胜任这样的工作,但设备昂贵, 使用维护保养费用高, 增加了气门的生产成本，而且要求工作人员有较高的技术水平, 因此在气门行业很少采用。而常用的保护(可控)气氛炉, 例如箱式多用炉其最高工作温度一般低于1000。采用简易保护气氛高温电阻炉(1200)对气门进行热处理, 但因炉门等部位

2、密封性较差, 工件氧化较严重。并且保护气氛高温电阻炉由于工作温度高,发热元件容易烧断 ,需经常停炉维护修理。因此往往因生产急需而被迫重开盐浴炉。近几年使用了国内生产的低真空热处理炉(以下简称 SLV 炉),较为满意地解决了21-4N 气门的热处理问题。1 低真空热处理炉的结构特点SLV 炉的结构示意图见图 1 所示 。1.1 炉门结构 保证炉子的气密性是实现少无氧化加热的关键,而炉门的密封很关键。SLV 炉采用了二重门、耐高温橡胶圈及冷却水套密封装置等实现炉门密封 。仿照高真空炉的加热室与冷却室间分隔用的二重门, SLV 炉在炉内近炉口处增加了一个二重门, 由电动推杆升降带动该二重门的启闭 。

3、二重门的面积稍大于炉口，它隔绝了炉子辐射到外炉门及相应炉体前板的大部分热量 ,使其温升大大降低(指外炉门及相应炉体前板保持低温)。在炉体的外炉口处加工一回字型钢板凸台,大小与外炉门盖相当。外炉门盖内部为轻质砖 ,四周用约5mm钢板包裹。外炉口凸台钢板和与之接触的外炉盖后平面钢板均有相当高的光洁度和平整配合精度。外炉门盖后钢板平面近边缘处加工有一截面为半圆的长方形槽, 上装有高温橡胶密封圈 。外炉盖及炉口凸台均有内循环冷却水道 , 以保证让密封圈实际工作温度远低于其最高允许使用温度, 用手触摸炉盖仅有微热的感觉。另外,使用斜面楔形压紧装置 ,使炉盖与外炉口凸台有很大的预紧压力, 以确保密封圈的高

4、密封性 。由于炉子在低真空状态下工作 , 外炉门受负压作用进一步压紧外炉口凸台 。在炉子升温和抽真空过程中,需要经常调整斜面楔块以确保预紧压力, 直到炉温和炉压稳定。从以上分析可见, 炉口与炉盖的密封性能比一般的保护或可控气氛炉好得多。 图 1SLV 型低真空热处理炉示意图1.真空泵 2.温度控制柜 3.真空和保护气氛控制柜4.炉气冷却器 5.内炉门 6.液体滴注器 7.外炉门8.内炉门升降机构1.2 发热元件接线柱的结构SLV 炉接线柱为带多个密封胶圈和冷却水套的特殊结构,它可以方便地从炉体后板拆下 ,并在炉外用一特殊结构连接电热丝, 使之接触良好而不因温度波动或振动而“返松” ,从而避免因

5、接触电阻陡升而使该处电阻丝温度急升而熔断。传统的电阻炉、保护气氛或可控气氛电阻炉,常因炉气从接线柱外溢而使炭黑或固体颗粒杂质积聚其附近,造成电阻丝间短路熔断。而SLV 炉因采用密封胶圈及冷却水套结构, 杜绝了高温炉气外溢和外来空气的侵入。 1.3 其它部分的结构特点(1)炉外壳体高质量焊接成型后, 作水压试验不泄漏 ,确保炉气不能经炉壳体外溢和外间大气侵入 。(2)对二重门升降装置 ,热电偶孔,可控或保护气氛介质滴入孔, 都有相应的密封圈及其冷却水套装置,以防止炉气外溢和减少外来空气入侵。(3)除炉两侧面外,炉底面和后面也布置电阻丝并用三相“”接法。使在相同功率下电阻丝圈间距加大,有利于圈间局

6、部散热及减小炭黑或固体杂质颗粒积聚而造成短路的可能性 。(4)采用特殊形状的轻质搁丝垛尽可能少用耐火砖,陶瓷纤维占整个炉衬材料的2/3以上,炉子蓄热和散热少,升温快 ,保温好, 热效率高。以上炉子结构特点使炉气散热大大减小 ,炉子升温快,保温性能好,并使电热丝温度稍高于设定温度1160 , 大大低于铁铬铝电阻丝最高允许使用温度1400 ,加之循环抽真空而减少炭黑、杂质微粒在电热丝圈间积聚, 使圈间短路而熔断的几率减小 ,明显延长炉子维修周期。2 真空装置及相关工艺的特点真空炉一般用旋片机械泵、罗次泵甚至油扩散泵或离子泵组成真空系统 ,真空度达10-3Pa而SLV 炉仅采用水环式真空泵 ,其原理

7、近似普通水泵, 真空度约104Pa , 远低于高真空炉。然而其巧妙的抽空工艺及配套的简单控制装置 ,可以使炉内氧浓度大大降低。当21-4N 气门出炉淬火后, 炉温尚有 900, 这时可将已烘干预热的气门工件从预热炉取出 , 装入 SLV 炉中。降下二重门并关好外炉门后, 一边通电升温, 一边用水环式真空泵抽走炉内空气。炉内真空度在不足1min 便降至 104Pa , 此时通过真空表的控制电接点开关关闭真空阀、接通工业纯氮气通入阀门,这样就大大稀释了炉内残存氧的浓度。当炉内气压接近于 1 ×105Pa(1atm)时 , 又切换到水环式真空泵抽气、关闭氮气。如此循环抽真空充纯氮气过程。由

8、气体方程 PV =n RT 可知 , 如果忽略纯氮气中氧气和炉衬 、工件等释放的氧气, 每循环一次 , 氧浓度降低约 90%。这样,循环操作几次,约几分钟, 虽然炉内真空度不高 ,仅104Pa , 但氧浓度可接近高真空炉的氧浓度。炉内残余氧气与工件反应 ,在工件表面生成极薄的可忽略不计的氧化膜。抽气完成后灌入工业纯氮气 , 其压力略低于大气压 ,使炉子处于负压工作状态,炉门受大气压作用其密封圈紧压炉口前板凸台平面 。由于炉体优良的密封性 ,在 21-4N 气门从装炉到出炉约45min时间内,甚至可以认为气门是在无氧化条件下加热。气门工件出炉后无论水冷、油冷或空冷 ,仅需要简单清洗其表面便相当光

9、洁。在 45min 加热时间内炉子在负压状态下工作,炉门盖在大气压作用下紧密贴住炉口凸台, 密封胶圈严密地阻止了外来空气的渗入。因此这种低真空电阻炉更准确更贴切的定义是低(无)氧浓度保护气氛炉。在相同功率、工艺时间下 ,用盐浴炉仅能处理一筐气门 ,而用低真空炉可处理六筐气门 ,生产率高 ,节能而环保。3 使用高温低真空炉的注意事项为了保证炉子正常运行, 尽量延长维修周期, 如下几点要特别注意 :(1)任何时候都要保证冷却水和水环式真空泵用水的供应 ,最好有专用的循环水池 ,这样能节约用水。(2)经常检查炉盖与炉口凸台接触面的接触情况,保证高的光洁度和平整接合精度。因炉温变化或工件装卸碰撞而使接触面质量下降 ,甚至挠曲变形时,需及时进行维修 。(3)每次装炉前均需要认真观察炉盖密封橡胶圈质量状况 ,并硬性规定定期(约 3 个月)换上质量完好的新胶圈 。(4)在炉子维修时, 对二重门升降机构、接线柱、热电偶插入孔等部位的密封胶圈全部更换并涂上真空脂,检查冷却水套是否正常工作,水环式真空泵及其电接点压力表、切换开关等也要进行例行检查与维护。4 讨论与结语(1)一般高温电阻炉因密封性、保温性能差,电阻丝长期处于氧化气氛下高负荷运行, 或加入简易保护气氛而造成炭黑等杂质微粒积累在电阻丝圈间造成短路,使电