低真空熱處理爐在 5Cr21Mn9Ni4N 鋼氣門熱處理中的應(yīng)用

1、低真空熱處理爐在 5Cr21Mn9Ni4N 鋼氣門熱處理中的應(yīng)用摘要 5Cr21Mn9Ni4N 奧氏體耐熱不銹鋼(簡稱21-4N)是常用的內(nèi)燃機排氣門材料 ,其固溶淬火溫度高達1150 1190。為減小加熱氧化 ,傳統(tǒng)的方法是用高溫鹽浴爐加熱。高溫鹽浴爐存在污染環(huán)境, 能耗高 ,工作條件惡劣的問題。高真空熱處理爐雖可勝任這樣的工作,但設(shè)備昂貴, 使用維護保養(yǎng)費用高, 增加了氣門的生產(chǎn)成本，而且要求工作人員有較高的技術(shù)水平, 因此在氣門行業(yè)很少采用。而常用的保護(可控)氣氛爐, 例如箱式多用爐其最高工作溫度一般低于1000。采用簡易保護氣氛高溫電阻爐(1200)對氣門進行熱處理, 但因爐門等部位

2、密封性較差, 工件氧化較嚴重。并且保護氣氛高溫電阻爐由于工作溫度高,發(fā)熱元件容易燒斷 ,需經(jīng)常停爐維護修理。因此往往因生產(chǎn)急需而被迫重開鹽浴爐。近幾年使用了國內(nèi)生產(chǎn)的低真空熱處理爐(以下簡稱 SLV 爐),較為滿意地解決了21-4N 氣門的熱處理問題。1 低真空熱處理爐的結(jié)構(gòu)特點SLV 爐的結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1 所示 。1.1 爐門結(jié)構(gòu) 保證爐子的氣密性是實現(xiàn)少無氧化加熱的關(guān)鍵,而爐門的密封很關(guān)鍵。SLV 爐采用了二重門、耐高溫橡膠圈及冷卻水套密封裝置等實現(xiàn)爐門密封 。仿照高真空爐的加熱室與冷卻室間分隔用的二重門, SLV 爐在爐內(nèi)近爐口處增加了一個二重門, 由電動推桿升降帶動該二重門的啟閉 。

3、二重門的面積稍大于爐口，它隔絕了爐子輻射到外爐門及相應(yīng)爐體前板的大部分熱量 ,使其溫升大大降低(指外爐門及相應(yīng)爐體前板保持低溫)。在爐體的外爐口處加工一回字型鋼板凸臺,大小與外爐門蓋相當。外爐門蓋內(nèi)部為輕質(zhì)磚 ,四周用約5mm鋼板包裹。外爐口凸臺鋼板和與之接觸的外爐蓋后平面鋼板均有相當高的光潔度和平整配合精度。外爐門蓋后鋼板平面近邊緣處加工有一截面為半圓的長方形槽, 上裝有高溫橡膠密封圈 。外爐蓋及爐口凸臺均有內(nèi)循環(huán)冷卻水道 , 以保證讓密封圈實際工作溫度遠低于其最高允許使用溫度, 用手觸摸爐蓋僅有微熱的感覺。另外,使用斜面楔形壓緊裝置 ,使爐蓋與外爐口凸臺有很大的預緊壓力, 以確保密封圈的高

4、密封性 。由于爐子在低真空狀態(tài)下工作 , 外爐門受負壓作用進一步壓緊外爐口凸臺 。在爐子升溫和抽真空過程中,需要經(jīng)常調(diào)整斜面楔塊以確保預緊壓力, 直到爐溫和爐壓穩(wěn)定。從以上分析可見, 爐口與爐蓋的密封性能比一般的保護或可控氣氛爐好得多。 圖 1SLV 型低真空熱處理爐示意圖1.真空泵 2.溫度控制柜 3.真空和保護氣氛控制柜4.爐氣冷卻器 5.內(nèi)爐門 6.液體滴注器 7.外爐門8.內(nèi)爐門升降機構(gòu)1.2 發(fā)熱元件接線柱的結(jié)構(gòu)SLV 爐接線柱為帶多個密封膠圈和冷卻水套的特殊結(jié)構(gòu),它可以方便地從爐體后板拆下 ,并在爐外用一特殊結(jié)構(gòu)連接電熱絲, 使之接觸良好而不因溫度波動或振動而“返松” ,從而避免因

5、接觸電阻陡升而使該處電阻絲溫度急升而熔斷。傳統(tǒng)的電阻爐、保護氣氛或可控氣氛電阻爐,常因爐氣從接線柱外溢而使炭黑或固體顆粒雜質(zhì)積聚其附近,造成電阻絲間短路熔斷。而SLV 爐因采用密封膠圈及冷卻水套結(jié)構(gòu), 杜絕了高溫爐氣外溢和外來空氣的侵入。 1.3 其它部分的結(jié)構(gòu)特點(1)爐外殼體高質(zhì)量焊接成型后, 作水壓試驗不泄漏 ,確保爐氣不能經(jīng)爐殼體外溢和外間大氣侵入 。(2)對二重門升降裝置 ,熱電偶孔,可控或保護氣氛介質(zhì)滴入孔, 都有相應(yīng)的密封圈及其冷卻水套裝置,以防止爐氣外溢和減少外來空氣入侵。(3)除爐兩側(cè)面外,爐底面和后面也布置電阻絲并用三相“”接法。使在相同功率下電阻絲圈間距加大,有利于圈間局

6、部散熱及減小炭黑或固體雜質(zhì)顆粒積聚而造成短路的可能性 。(4)采用特殊形狀的輕質(zhì)擱絲垛盡可能少用耐火磚,陶瓷纖維占整個爐襯材料的2/3以上,爐子蓄熱和散熱少,升溫快 ,保溫好, 熱效率高。以上爐子結(jié)構(gòu)特點使爐氣散熱大大減小 ,爐子升溫快,保溫性能好,并使電熱絲溫度稍高于設(shè)定溫度1160 , 大大低于鐵鉻鋁電阻絲最高允許使用溫度1400 ,加之循環(huán)抽真空而減少炭黑、雜質(zhì)微粒在電熱絲圈間積聚, 使圈間短路而熔斷的幾率減小 ,明顯延長爐子維修周期。2 真空裝置及相關(guān)工藝的特點真空爐一般用旋片機械泵、羅次泵甚至油擴散泵或離子泵組成真空系統(tǒng) ,真空度達10-3Pa而SLV 爐僅采用水環(huán)式真空泵 ,其原理

7、近似普通水泵, 真空度約104Pa , 遠低于高真空爐。然而其巧妙的抽空工藝及配套的簡單控制裝置 ,可以使爐內(nèi)氧濃度大大降低。當21-4N 氣門出爐淬火后, 爐溫尚有 900, 這時可將已烘干預熱的氣門工件從預熱爐取出 , 裝入 SLV 爐中。降下二重門并關(guān)好外爐門后, 一邊通電升溫, 一邊用水環(huán)式真空泵抽走爐內(nèi)空氣。爐內(nèi)真空度在不足1min 便降至 104Pa , 此時通過真空表的控制電接點開關(guān)關(guān)閉真空閥、接通工業(yè)純氮氣通入閥門,這樣就大大稀釋了爐內(nèi)殘存氧的濃度。當爐內(nèi)氣壓接近于 1 105Pa(1atm)時 , 又切換到水環(huán)式真空泵抽氣、關(guān)閉氮氣。如此循環(huán)抽真空充純氮氣過程。由氣體方程 P

8、V =n RT 可知 , 如果忽略純氮氣中氧氣和爐襯 、工件等釋放的氧氣, 每循環(huán)一次 , 氧濃度降低約 90%。這樣,循環(huán)操作幾次,約幾分鐘, 雖然爐內(nèi)真空度不高 ,僅104Pa , 但氧濃度可接近高真空爐的氧濃度。爐內(nèi)殘余氧氣與工件反應(yīng) ,在工件表面生成極薄的可忽略不計的氧化膜。抽氣完成后灌入工業(yè)純氮氣 , 其壓力略低于大氣壓 ,使爐子處于負壓工作狀態(tài),爐門受大氣壓作用其密封圈緊壓爐口前板凸臺平面 。由于爐體優(yōu)良的密封性 ,在 21-4N 氣門從裝爐到出爐約45min時間內(nèi),甚至可以認為氣門是在無氧化條件下加熱。氣門工件出爐后無論水冷、油冷或空冷 ,僅需要簡單清洗其表面便相當光潔。在 45

9、min 加熱時間內(nèi)爐子在負壓狀態(tài)下工作,爐門蓋在大氣壓作用下緊密貼住爐口凸臺, 密封膠圈嚴密地阻止了外來空氣的滲入。因此這種低真空電阻爐更準確更貼切的定義是低(無)氧濃度保護氣氛爐。在相同功率、工藝時間下 ,用鹽浴爐僅能處理一筐氣門 ,而用低真空爐可處理六筐氣門 ,生產(chǎn)率高 ,節(jié)能而環(huán)保。3 使用高溫低真空爐的注意事項為了保證爐子正常運行, 盡量延長維修周期, 如下幾點要特別注意 :(1)任何時候都要保證冷卻水和水環(huán)式真空泵用水的供應(yīng) ,最好有專用的循環(huán)水池 ,這樣能節(jié)約用水。(2)經(jīng)常檢查爐蓋與爐口凸臺接觸面的接觸情況,保證高的光潔度和平整接合精度。因爐溫變化或工件裝卸碰撞而使接觸面質(zhì)量下降 ,甚至撓曲變形時,需及時進行維修 。(3)每次裝爐前均需要認真觀察爐蓋密封橡膠圈質(zhì)量狀況 ,并硬性規(guī)定定期(約 3 個月)換上質(zhì)量完好的新膠圈 。(4)在爐子維修時, 對二重門升降機構(gòu)、接線柱、熱電偶插入孔等部位的密封膠圈全部更換并涂上真空脂,檢查冷卻水套是否正常工作,水環(huán)式真空泵及其電接點壓力表、切換開關(guān)等也要進行例行檢查與維護。4 討論與結(jié)語(1)一般高溫電阻爐因密封性、保溫性能差,電阻絲長期處于氧化氣氛下高負荷運行, 或加入簡易保護氣氛而造成炭黑等雜質(zhì)微粒積累在電阻絲圈間造成短路,使電