第6章 热处理炉的基本类型.docx

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第6章热处理炉的基本类型

南京工程学院教案【教学单元首页】

第13-14次课授课学时4教案完成时间：

2014.2

章、节

第六章热处理炉的基本类型；§6.1周期作业热处理炉；§6.2连续作业热处理炉；§6.3可控气氛热处理炉；§6.4真空热处理炉；§6.5流动粒子炉；§6.6离子轰击表面处理装置；

主要内容

周期作业热处理炉；连续作业热处理炉；

可控气氛热处理炉；

真空热处理炉；

流动粒子炉；

离子轰击表面处理装置；

目

的

与要求

目的：

了解工程中常用的各种热处理炉的结构和适用范围，为今后工作合理选择设备奠定必要基础。

要求：

了解各种热处炉的结构特点和适用范围。

重点与难点

重点：

台车式炉、推送式炉、网带炉、密封箱式炉、真空热处理炉结构特点及使用范围。

难点：

连续作业炉和真空热处理炉

教学方法与手段

板书与多媒体教学结合。

第六章热处理炉的基本类型

§6.1周期作业热处理炉

周期式炉指将一批工件装入炉内，经加热、保温后取出，再进行下批工件加热的炉子。

周期式炉是我国应用最广泛的炉子。

一.通用周期作业热处理炉

有关这方面的炉性在前面已作过介绍，主要包括以下几种：

RX系列：

包括高、中、低温箱式电阻炉。

RJ系列：

包括高、中、低温井式电阻炉。

二.处理大尺寸工件的周期作业炉

在箱式电阻炉基础上改进而来，主要有以下几种：

1.滚动底式炉

在箱式炉炉底上铺有两条带V型槽的耐热钢钢轨，V型槽内放有耐热钢钢球，料盘放在滚球上运动。

通常炉外配有装卸料台车，台车上也铺有导轨、并可与炉底导轨相接。

这种炉子主要用于大型和中型锻模加热。

2.台车式炉

由固定加热室和活动炉底组成，活动炉底是一个台车，可沿地面轨道进出运动。

常用于铸、锻件退火和正火，也用于固体渗碳。

侧倾式台车式炉

3.升降底式炉

炉体架空固定在支架上，炉口向下，炉底上下升降，炉底在地面装料后升入炉堂内并封闭炉口。

炉子密封性好，可通可控气氛，常用于可锻铸铁退火。

4.罩式炉

由开口向下的加热活动钟罩（炉罩）和几个炉底座组成，对放在不同炉底上的工件进行轮流加热和冷却。

炉子装料量较大，热效率较高，密封性好，装卸料方便，主要用于薄板、带钢、成卷型材等热处理。

三.处理小尺寸工件的周期作业炉

1.转筒式炉

炉堂内安装一筒状旋转炉罐，工件加热后，打开旋筒口盖，使炉体与转筒一起倾斜，将工件倒入淬火槽内。

炉子可通可控气氛，可供小尺寸零件渗碳、淬火和正火用。

2.翻转炉底板式炉

小型机械化周期作业炉，以耐热钢板作炉底，炉底板可以翻转（见图），炉膛一端下方与淬火槽相连，工件加热后，翻转炉底，将工件迅速倒入淬火槽内冷却。

四.周期作业化学热处理炉

1.井式气体渗碳炉

2.井式气体氮化炉

与井式气体渗碳炉类似。

只是炉罐常采用不锈钢制造，不能用普通钢板制造，因为普通钢板易吸氮、使表面龟裂，并对氨分解起催化作用，增加氨消耗量，且使氮化不稳定，甚至失去控制无法氮化。

3.罩式气体氮化炉

这种氮化炉很少见。

§6.2连续作业热处理炉

连续作业炉指连续或间歇进行装料出料，使工件顺序通过炉膛的炉子。

工件在炉内运行过程中完成加热、保温、有时甚至包括冷却在内的全部工艺操作，每个或每批工件的处理条件基本相同。

连续作业炉具有生产率高、产品质量稳定、生产成本低等优点，但设备费用较高，不易改变工艺，适用于品种单一的大批量生产。

常见的连续作业炉主要有以下几种：

1.推送式炉或推杆式炉（某汽车厂连续渗碳炉原理图）

工作流程：

1）炉门2开→推杆将预热区工件推入渗碳区，渗碳区工件进入扩散区，扩散区工件进热预冷区，预冷区工件进入淬火升降平台→升降平台工件进入清洗区传送带，推杆返回，炉门2关→炉门1打开，推杆将上料区工件推入预热区。

2）升降平台下降淬火，淬火结束后升降平台上升。

3）清洗区传送带上工件通过传送带将送入清洗区清洗→烘干→进入回火区传送带→在回火区进行回火。

4）回火结束后在传送带作用下进入下料区，冷却后在下料区卸下工件→料框返回装料区装料。

推杆式连续热处理炉主要用于工件化学热处理、淬火和回火等。

2.震底式炉

定义：

震底式炉是装有震动机构、能使装有工件的炉底板作往复运动而连续送料的炉子。

分类：

按震动机构不同，可把震底式炉分为电磁式震底炉、气动式震底炉和机械凸轮式震底炉三种。

电磁式震底炉适用于小零件热处理；气动和凸轮式震底炉适用于中小型、大批量工件如螺钉、螺母、垫圈、轴承套圈等淬火、回火和正火热处理。

震底式炉可通入各种保护气氛进行光亮热处理，如上海柴油机厂就有一台这种形式震底炉。

3.网带炉（P44表4-1）

炉综合了震底式炉和输送带式炉特点，广泛用于中小轴承、纺织针件、标准件、锯条锯片、丝攻等零件光亮淬火、回火、渗碳、碳氮共渗等热处理工艺，最高工作温度可达900℃左右。

4.传送带式炉

通过送料机构将工件送入炉膛内传送带上，通过传送带使工件在炉内运动和加热，最后落入淬火槽淬火处理。

5.步进式炉

步进式炉炉底留有槽隙，其中装有能由电动机构或液压装置驱使作上下进退往复运动的活动梁，运动时，活动梁先向上升起，突出在槽隙上，把放在炉底上的工件抬起，再向炉子出料口方向移动，然后向下落入槽隙中，再向后平移，恢复到原来位置。

当活动梁下降时，工件重新落到炉底板上，但已移到更接近出料口的新位置，这样，工件一步一步地在炉内向前移动。

步进式炉常用于型材、钢管、板簧等较大型工件的热处理。

§6.3可控气氛热处理炉（P133）

可控气氛热处理炉也称保护气氛热处理炉，是实现工件无氧化、无脱碳加热的热处理炉，是上世纪80－90年代重点推广的热处理炉，周期式可控气氛热处理炉主要有井式炉和密封箱式炉（又称多用炉），适用于多品种小批量生产，可用于光亮淬火、光亮退火、渗碳和碳氮共渗等热处理；连续式炉主要有推杆式炉、转底式炉及各种形式的连续式可控气氛渗碳生产线等，适用于大批量生产，可进行光亮淬火、回火、渗碳和碳氮共渗等。

一.可控气氛炉特点

1.炉膛密封良好

炉膛密封主要有炉体密封和炉罐密封两种形式。

炉体密封主要包括炉壳、炉门、电热元件引出孔、热电偶孔、风扇轴孔、推料机械伸出炉外的孔洞等部位的密封。

采用炉罐（金属或陶瓷罐）隔离密封效果比较好，但存在降低传热效果，增加炉罐材料消耗和炉子工作温度受限等不足。

2.炉内保持正压

炉内应保持正压，防止空气侵入引起爆炸和保证炉内气氛稳定。

具体措施：

1）以一定压力供入足够的可控气氛，确保可控气氛充满炉膛；2）对全密封炉子，在废气排出口设水封，控制炉内压力；3）炉门设置装料前室及火帘装置，以隔绝空气侵入和防止炉气外溢。

3.炉内气氛均匀：

通过安装风扇，强制炉气循环运动，确保炉内气氛和炉温均匀。

4.装设安全装置：

可控气氛多数有毒和有爆炸危险，除要求正确操作外，炉上应有防爆孔，还应设安全装置，如管路上设单向伐、截止伐、火焰逆止伐、压力测定器、安全报警器等。

5.炉内构件抗气氛侵蚀

吸热型可控气氛炉炉衬应使用抗渗碳砖，热电偶热结点不能暴露于可控气氛中等。

二.密封箱式炉结构及特点

以RM－75－9型密封式箱式保护气氛炉为例说明（P135图10-11）。

组成：

前室、加热室、淬火装置、推拉料机构和可控气氛系统等组成。

工作流程：

装料台装工件→打开前室门，将工件送入前室→前室门关→打开后室门，将工件送入后室→后室门关→加热结束后打开后室门，将工件送入前室→后室门关→工件在前室预冷后淬火或直接淬火→打开前室门，将工件送回装料台。

根据上述工作流程可见，该类炉子具有以下特点：

1）工件在可控气氛中加热、渗碳，并在同一设备内淬火，克服了加热和淬火分别在两个设备中进行的缺点，既保证产品质量，又改善劳动条件和减少环境污染；2）炉子可实现机械化和自动化操作。

§6.4真空热处理炉（P105）

真空热处理炉是随着精密机械制造业、国防等尖端工业发展而发展起来的新型热处理炉。

我国1975年研制成功第一台真空热处理炉，随后在工业中获得了一定应用，除用于难熔金属和活泼金属的热处理外，已逐渐应用到钢铁材料的淬火、回火、退火、渗碳、渗氮、渗金属等领域。

真空热处理炉特点：

优点：

1）不氧化、不脱碳，处理后可保持表面光亮和原有光泽；2）热处理后表面通常可以不加工；3）热处理变形小；4）对工件有脱脂、脱气作用。

缺点：

1）工件加热速度慢，因为仅靠辐射传热；2）加热均匀性较差；3）设备一次性投资大。

一.真空系统

1.基本概念

真空：

指低于一个大气压的空间。

真空度：

指真空状态下气体的稀薄程度。

目前真空炉真空度大多在103-10-4Pa范围，真空度在105-102Pa范围称为低真空，在102-10-1Pa范围称为中真空，在10-1－10-5Pa范围称为高真空。

2.真空系统构成

真空系统：

包括真空容器、真空泵、真空伐、连接件及真空测量仪表等。

真空泵：

真空炉重要组成部件，目前在真空热处理炉中常用真空泵主要是旋片油封式机械泵（简称旋片泵）、滑伐油封式机械泵（简称滑伐泵）、罗茨泵、油增压泵、油扩散泵等。

在这些真空泵中，除油扩散泵外，其它泵均属于低真空泵，如果要获得高真空度，必需将油扩散泵与上述低真空泵组成真空机组才行。

二.真空热处理炉分类

真空热处理炉分外热式和内热式真空热处理炉两类。

1.外热式真空热处理炉

外热式真空热处理炉：

指有真空罐的炉子，加热元件和耐火材料等在罐外，被处理工件放在罐内，同时将罐抽成真空。

应用：

外热式真空热处理炉应用最早，仅适用于合金退火、真空除气和真空渗金属等。

特点：

优点：

1）结构简单，制造容易，炉子造价低，操作维护方便；2）密封容易，抽气量小，易于达到所要求真空度，不受耐火、绝缘材料及电阻气体释放的影响；3）由于电热元件在罐外，不存在真空放电问题；4）工件加热质量高，生产安全可靠。

缺点：

1）由于热源在罐外，热惰性大，热效率低，加热速度慢，生产周期长；2）由于受炉罐高温强度限制，炉子尺寸小，最高使用温度≤1100℃；3）合金钢或耐热钢炉罐价格昂贵，不易加工。

2.内热式真空热处理炉

内热式真空热处理炉：

指将整个加热装置（加热元件、耐火材料等）及欲处理的工件均放在真空容器内，而不用炉罐的炉子。

特点：

优点：

1）没有炉罐，加热元件和工件均在容器内；2）可制造大型高温炉（因没有炉罐限制）；3）加热和冷却速度快，生产效率高。

缺点：

1）炉内结构复杂，电器绝缘性要求高；2）炉内容积大，各种构件表面均吸附大量气体，需配备大功率抽气系统；3）考虑真空放电和电器绝缘性，需配备低压大电流供电系统。

三.内热式真空热处理炉结构

现代真空电阻热处理炉均是内热式的。

按其外形和结构分为立式、卧式、单室、双室和三室等。

工件冷却方式分自冷、负压气冷、负压油冷和加压气冷（2×105Pa）、高压气冷（5×105Pa）及超高压气冷（20×105Pa）等。

按热处理工艺分为淬火炉和回火炉等。

1.立式双室真空气淬炉

工作流程：

打开炉门装工件→进入冷却室，关炉门→送入加热室→抽真空→达到要求真空度→通入少量保护气体→加热→达到工艺温度后，通过升降机构，工件进入冷却室→闸板伐关闭闸板→冷却室通冷却气体，达到1atm后启动风扇冷却→出炉或转入加热室回火（若是回火，则先抽真空，然后打开闸板伐，接着送入加热室进行保温回火）。

2.卧式双室负压油冷真空热处理炉

工作流程：

工件装炉→关炉门→送入加热室→抽真空→通入少量保护气体→加热→移出加热室，关闸伐→下降→油冷→上升→开炉门→出炉→装炉→抽真空→开闸伐→送加热室→后同。

四.真空热处理炉所用材料

1.电热元件

1）镍铬及铁铬铝合金

用于≤1000℃、真空度不超过1.33×10-1-1.33×10-2Pa范围的真空炉，即低、中和真空度较低的高真空炉。

2）钼、钨、钽纯金属

使用温度受合金挥发限制，长期加热会使晶粒粗化而变脆。

3）石墨电热元件

具有热膨胀系数小，耐热冲击性能好，高温机械性能好，易于加工，价格便宜等优点。

2.炉衬

外热式真空炉的炉衬与箱式电阻炉一样，内热式真空炉的炉衬采用隔热屏或保温炉衬，隔热屏材料在1100℃以下常采用不锈钢板，在1100℃以上采用钼等高熔点金属、石墨或陶瓷等。

隔热屏一般5-6层，金属屏厚度0.3-1mm，石墨屏厚5-10mm。

§6.5流动粒子炉（P103）

采用流态化固体粒子作为加热介质的炉子称为流动粒子炉。

当炉膛内达到一定风压和气压时，固体粒子具有流体性质称粒子流态化。

流化过程前称固定床，流化后称流化床。

流动粒子炉应用：

可供淬火、正火、淬火、回火和化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）、渗硼、氧氮化、蒸汽处理等。

主要优点：

启动升温速度快、耗能少、温度均匀（在800-1300℃炉内温差不超过3-7℃）、热惰性小、热效率高、可实现无氧化加热和化学处理等。

流动粒子炉流动粒子为石墨或氧化铝等固体颗粒。

80年代初，固体粒子由石墨颗粒发展为氧化铝颗粒（空心氧化铝球）为主，气体由压缩空气发展为可燃气和其它化学热处理气氛为主。

炉型有周期作业炉和连续作业炉等。

按加热方式不同，流动粒子炉分为内燃式、外燃式、间接加热式和内热电极式四种（补充内容）。

1.内燃式流动粒子炉

采用煤气和空气混合的可燃气作气源和热源，通过布风板吹动粒子浮动，加热初期先在炉膛上部将可燃气点燃，火焰向炉底方向传播，最后在风板以上稳定燃烧。

炉膛温度借助控制混合气量和比例调节，但受粒子大小和沸腾状态限制。

炉膛温度通常在790－1200℃范围内。

这种炉子要注意防止火焰回火到混合室内燃烧，也应防止混合室温度过高而自燃。

2.外燃式流动粒子炉

通入的气体是预先在炉外燃烧的燃烧产物，其温度借助改变过剩空气量来调节，通常在150－760℃范围内，可作回火等用。

3.间接加热式流动粒子炉

加热装置布置在固体粒子容器外，通过容器壁加热粒子，通入炉膛内气体通常是一些特殊要求气体，如惰性气体、渗碳气氛、渗氮气氛等。

炉子温度可根据工艺要求确定。

4.内热电极式流动粒子炉

炉膛相对侧壁上安装板状电极，固体粒子为石墨粒子，除作为加热介质外，还起导电体和发热体作用，以压缩空气作为粒子流动气源，由于部分石墨粒子会局部燃烧，故炉膛下部为氧化性气氛，上部为还原性和渗碳性气氛。

工件在石墨粒子中加热，不氧化和脱碳，在高温下还有较强烈的渗碳作用。

§6.6离子渗氮炉（P113）

一.组成：

包括炉体、真空系统、供气系统、测温系统和控制系统等。

二.工作原理

工件放入炉内作阴极，炉体作阳极，抽真空到13.3－1.33Pa后，通入少量氨、氮或氮氩混合气体，使炉内压强达到133-1333Pa，然后在两极间施加一定电压使氮电离，氮电离后即以高速冲击工件（离子轰击），离子的动能转化为热能将工件加热至渗氮温度，轰击表面的一部分氮夺取电子后直接渗入工件表面，在工件表面上形成含氮很高的呈蒸发状态的FeN，并不断向工件内部扩散，从而达到渗氮的目的。

三.辉光放电的伏安曲线（补充）

容器内气压一定时，逐渐增加电压，在OD段内，阴、阳极间只有微弱电流，处于微安级。

当电压增大到D点时，气体由绝缘体变成良导体，阴、阳极间突然出现较大电流，在阴极的一部分表面上出现辉光，这种现象叫起辉，D点电压称为起辉电压（观察窗可看到局部辉光）。

起辉后，极间电压和电流不服从欧姆定律，而呈非线性关系，一旦起辉，极间电压立即下降到E点，此时若增加电源电压或减少限流电阻，两极间电压基本保持不变，EF称为正常辉光放电区，辉光覆盖面积随电流增大而增加，但电流密度不变（正常辉光区，电流密度与气体压力有关），达到F点时，辉光覆盖全部阴极表面。

达到F点后，继续增大电流，两极间电压开始增大，一直到G点，FG段称为异常辉光放电区，离子氮化在该区进行。

当极间电压超过G点后，电流急剧增大，电压急速降到几十伏，辉光放电产生质变——即过渡到强烈的弧光放电区，弧光放电会损坏工件，应立即灭弧。

本章小结

1.台车式炉属于周期式炉还是连续式炉？

常用于完成哪些热处理？

周期式炉常用于铸、锻件退火和正火，也用于固体渗碳。

2.说明网带炉和震底炉分别适用于完成哪些类型零件的什么热处理工艺？

电磁式震底炉适用于小零件热处理；气动和凸轮式震底炉适用于中小型、大批量工件如螺钉、螺母、垫圈、轴承套圈等淬火、回火和正火热处理。

网带炉广泛用于中小轴承、纺织针件、标准件、锯条锯片、丝攻等零件光亮淬火、回火、渗碳、碳氮共渗等热处理工艺

3.可控气氛炉有哪些特点？

1.炉膛密封良好2.炉内保持正压3.炉内气氛均匀4.装设安全装置5.炉内构件抗气氛侵蚀

4.真空热处理炉有何特点或优缺点？

优点：

1）不氧化、不脱碳，处理后可保持表面光亮和原有光泽；2）热处理后表面通常可以不加工；3）热处理变形小；4）对工件有脱脂、脱气作用。

缺点：

1）工件加热速度慢，因为仅靠辐射传热；2）加热均匀性较差；3）设备一次性投资大。

5.外热式真空热处理炉有何特点或优缺点？

主要用于进行哪些热处理？

应用：

外热式真空热处理炉应用最早，仅适用于合金退火、真空除气和真空渗金属等。

优点：

1）结构简单，制造容易，炉子造价低，操作维护方便；2）密封容易，抽气量小，易于达到所要求真空度，不受耐火、绝缘材料及电阻气体释放的影响；3）由于电热元件在罐外，不存在真空放电问题；4）工件加热质量高，生产安全可靠。

缺点：

1）由于热源在罐外，热惰性大，热效率低，加热速度慢，生产周期长；2）由于受炉罐高温强度限制，炉子尺寸小，最高使用温度≤1100℃；3）合金钢或耐热钢炉罐价格昂贵，不易加工。

6.内热式真空热处理炉有何特点或优缺点？

优点：

1）没有炉罐，加热元件和工件均在容器内；2）可制造大型高温炉（因没有炉罐限制）；3）加热和冷却速度快，生产效率高。

缺点：

1）炉内结构复杂，电器绝缘性要求高；2）炉内容积大，各种构件表面均吸附大量气体，需配备大功率抽气系统；3）考虑真空放电和电器绝缘性，需配备低压大电流供电系统。

7.什么是外热式真空热处理炉？

什么是内热式真空热处理炉？

外热式真空热处理炉：

指有真空罐的炉子，加热元件和耐火材料等在罐外，被处理工件放在罐内，同时将罐抽成真空。

内热式真空热处理炉：

指将整个加热装置（加热元件、耐火材料等）及欲处理的工件均放在真空容器内，而不用炉罐的炉子。

8.真空炉用石墨电热元件有哪些优点？

具有热膨胀系数小，耐热冲击性能好，高温机械性能好，易于加工，价格便宜等优点。

9.名词解释：

流动粒子炉；流态化；固定床；流化床。

流动粒子炉：

采用流态化固体粒子作为加热介质的炉子。

流态化：

当炉膛内达到一定风压和气压时，固体粒子具有流体性质。

流化过程前称固定床，流化后称流化床。

10.说明流动粒子炉的主要优点及其应用。

流动粒子炉应用：

可供淬火、正火、退火、回火和化学热处理（渗碳、渗氮、碳氮共渗）、渗硼、氧氮化、蒸汽处理等。

主要优点：

启动升温速度快、耗能少、温度均匀（在800-1300℃炉内温差不超过3-7℃）、热惰性小、热效率高、可实现无氧化加热和化学处理等。

11.说明离子渗氮炉的工作原理。

工件放入炉内作阴极，炉体作阳极，抽真空到13.3－1.33Pa后，通入少量氨、氮或氮氩混合气体，使炉内压强达到133-1333Pa，然后在两极间施加一定电压使氮电离，氮电离后即以高速冲击工件（离子轰击），离子的动能转化为热能将工件加热至渗氮温度，轰击表面的一部分氮夺取电子后直接渗入工件表面，在工件表面上形成含氮很高的呈蒸发状态的FeN，并不断向工件内部扩散，从而达到渗氮的目的。

南京工程学院教案【末页】

本单元知识点归纳

1.振底式炉、网带炉、推送式炉、密封箱式炉

2.真空热处理的系统构成、常见炉型、作业流程。

3.离子氮化炉的结构和工作原理。

思考题或作业题

本单元教学情况小结

审阅意见

审阅人：

注：

教案首页和末页中间为授课内容