氮化爐的改造及效果分析

尹國武

（中國重汽集團大同齒輪有限公司， 山西 大同 037005）

引言

氮化爐被廣泛應用于金屬熱處理的工藝環節中，其主要任務是強化金屬表面的熱處理效果。經氮化爐處理后的工件具有變形小、氮化層脆性低，且氮化處理后工件的耐磨性、抗腐蝕性以及抗疲勞強度特性均得到了顯著的提升。當前，應用于金屬件熱處理工藝效果最好的氮化爐類型為離子氮化爐[1]。鑒于離子氮化爐獨特的工作特性，在實際運行過程中

由于其陰極的結構存在缺陷導致打弧現象的發生，從而影響金屬件最終的熱處理效果。經調研可知，傳統離子氮化爐的陰極及測溫偶普遍被安裝于氮化爐的底盤上且氮化爐的均勻性較差，這是導致氮化爐工作受阻及工件返工率高的關鍵原因。據此，對氮化爐進行改造。

1 離子氮化爐的工作原理

離子氮化爐的主要任務是完成對金屬件的熱處理，以提升金屬件的耐腐蝕、耐磨性等性能。離子氮化系統的組成如圖1 所示。

圖1 離子氮化系統結構組成示意圖

離子氮化爐是基于氣體導電性的原理研制而的。在實際應用中，將需熱處理的金屬件置于存在高壓直流電源的真空室中，并將帶熱處理的工件與直流電源負極的陰極盤相連，與此同時將工件的外圈與直流電源的陽極相連[2]。當真空室內的真空度滿足要求時向其中注入一定的氨氣。氨氣在高壓的作用下分解為氨氣正離子和氨氣負離子，在“異性相吸”的作用下，氨氣正離子流向工件的陰極，并在高溫的作用下，氨氣正離子還原為氨原子覆蓋于工件表面形成一層耐腐蝕性、耐磨以及耐疲勞的膜。

2 離子氮化爐陰極盤的改造

2.1 離子氮化爐陰極盤現狀

1）離子氮化爐陰極盤結構不合理。離子氮化爐的陰極盤由三個小盤狀陰極組成。在實際氮化處理工藝過程中，三個小陰極盤會同時與陽極起作用從而達到起輝的目的[3]。三個小陰極盤同時動作很大程度上增加了打弧現象發生的可能性。熱處理過程中的打弧現象不僅會對工件造成損傷，還會加速滅弧裝置被損壞。此外，三個陰極盤之間的間隙防輝存在極大的不可靠性，導致在陰極盤和防輝盤之間可能出現打弧現象。

2）離子氮化爐密封性能存在缺陷。由于離子氮化爐的陰極盤和測溫偶均安裝于設備的底盤上，導致設備的密封點較多，一定程度上增加了氮化爐泄露的影響，進而影響爐內的真空度。若離子氮化爐內的真空度不達要求將會直接金屬工件的熱處理效果。

2.2 離子氮化爐陰極盤的改造

根據2.1 中的對當前氮化爐陰極盤結構不合理所導致各類問題的原因分析，對其陰極盤結構做出如下頁圖2 所示的改造。

如圖2 所示，離子氮化爐的陰極盤仍然安裝于設備的底盤上，為解決其密封效果不佳的問題，將陰極盤供電系統更改為中間引電柱，并在離子氮化爐和引電柱之間加設水冷卻裝置和多道密封；為解決陰極盤與防輝盤產生打弧現象的問題，將三個小陰極盤由均勻布置的陰極作為陰極盤的支撐。

圖2 改造后陰極盤的結構

2.3 改造效果

將以往三個小陰極盤設計為一個整體陰極盤，并將其供電由以往的三路供電更改為一路供電，從而從結構上對陰極盤的打弧現象進行了一定的改善；將測溫偶安裝于陰極的引電柱內，此舉將測溫偶和導電柱合為一體不僅能夠提升對離子氮化爐內溫度的測量精確度的提升，而且還從一定程度上減少了密封點，從而提升了設備的密封性能；對設備各個部件的引電柱增設了防輝帽[4]。

3 針對離子氮化爐內溫度均勻性差的整改

3.1 現狀分析

經分析可知，基于當前離子氮化爐所采用的水冷卻方式，由于冷卻水的進口位于離子氮化爐的底部，導致設備底部的溫度維持在20 ℃左右；而對于離子頂部而言，在水蒸氣的作用下其溫度可達70℃。因此，基于上述分析初步判斷：可能導致離子氮化爐內溫度均勻性差的原因為其冷卻水均勻性差[5]。

當裝爐量較大時，此時待熱處理加工的金屬件與氨氣進口位置之間的距離相對較小。實際熱處理時所采用的氨氣為液體氨，使得處于氨氣進口處金屬件的溫度降低，嚴重低于整個金屬件的溫度，進而導致工件在熱處理過程中出現軟點的現象。

3.2 改造方案

針對離子氮化爐冷水卻結構及氨氣進氣口位置與工件距離小的問題，特對其水冷卻結構進行改造：

1）將冷卻水進口位置由原先距離底盤100 mm 的位置更改為距離底板580 mm，并將冷卻水入口個數由原先的1 個增加為3 個；

2）在氨氣進口的位置處加設一個擋板，該擋板的主要作用為防止進入離子氮化爐內的氨氣直接作用與金屬工件。此外，在進入離子氮化爐的氨氣管道上加設相應的穩壓閥，以確保氨氣以恒定的壓力進入設備，避免造成沖擊。

3.3 改造效果

1）將冷卻水進水位置的提升，縮短了冷卻水進水口和出水口之間的距離，從而減小了冷卻水在進水口和出水口的溫差，對離子氮化爐內溫度的均勻性有了一定的改善；

2）在離子氮化爐內增設一個隔熱屏，能夠將離子氮化爐內的溫度均勻性更進一步地提高；

3）在氨氣管道上加設穩壓閥，確保氨氣進入離子氮化爐時壓力處于相對穩定狀態，且進入離子氮化爐內氨氣溫度也處于恒定狀態。此外，在氨氣進口處加設擋板避免氨氣對金屬工件進行直吹，從而避免由于氨氣直吹所導致的工件溫度不均勻的現象，進而克服了金屬工件在熱處理過程中出現軟點的問題。

4 結論

經改造后，離子氮化爐陰極盤在絕緣、密封以及防止打弧等方面得到了顯著改善，離子氮化爐內溫度均勻性也得到了顯著提升，從而提升了金屬工件的氮化效果，提升了產品的合格率。