（机械电子工程专业论文）高效节能氮化热处理炉关键技术的研究.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在 年一月解密后适用本规定。 非涉密论文酉 论文作者签名： 蕉型翌 日 导师签名：一日 高效节能氮化热处理炉关键技术的研究中文摘要 中文摘要 如何经济安全、节能高效地对工件进行氮化热处理加工，一直是国内外从事 氮化热处理技术的研究者和使用者长期探讨的问题之一。 近年来，国内外一些研究者，针对氮化工艺过程中热效率过低、渗氮层表面 不够理想、以及真空渗氮炉罐内的热场不够均匀等问题，进行了一些卓有成效的 研究探索，获得了一些新方法、新技术。例如，采用感应加热的方法使温升更快、 热效率更高；引入自动控制技术以缩短进、出料时间；通过优化，减薄真空马弗 罐壁厚来提高加热效率等。这些新技术方法虽然都有各自特点，并在一定程度上 提高了真空热处理氮化效率，但是也存在着这样那样的问题，通常不是运行费用 过高，就是安全可靠性差。 本课题本着经济、高效、节能地对工件进行真空氮化热处理加工的目标，通 过研究，提出了一种经济安全、节能高效的“超声强化氮化热处理”新技术，并 在此基础上，对真空氮化热处理炉的关键零部件进行可靠性优化设计。本文主要 研究内容如下： 第一章绪论通过调查研究，探讨了近年来国内外对热处理渗氮技术的研究 现状，从工艺以及结构角度上分析了它们的优缺点，重点探讨了如何提高渗氮效 率方面的问题，并提出了本课题主要研究内容。 第二章氮化工艺基础及新型氮化炉方案设计通过对国内外氮化炉结构的 研究和学习，归纳总结了各类真空热处理氮化炉的优缺点。通过分析研究提出了 对工件进行超声强化氮化热处理的新方案。 第三章超声强化氮化反应动力学模型的构建首先从真空渗氮的热化学反 应机理着手，并通过对超声波的工件表面化学热处理催渗作用的学习研究，认识 到超声作用可以加快氮化反应速率，提高渗氮效率。 通过研究推导出了超声处理圆频率彩随反应容器中氨气的密度p 以及反应气 氛中活性n 原子的活跃半径尺。之间的关系式，以及当超声波频率等于该活性n 原 子的自然共振频率时，超声波与n 原子之间才能达到最有效地能量耦合，产生激 烈的超声激励强化渗氮现象，并在此基础上研究构建了“超声强化氮化反应动力 学模型”。 中文摘要 活性污泥热堰过滤高干度脱水机理的研究 第四章超声氮化反应器结构设计及性能仿真通过对变幅杆设计中相关问 题的分析，首先确定强化渗氮变幅杆的形状，对变幅杆结构进行了设计计算。然 后使用a n s y s 有限元分析软件对所设计的复合型变幅杆进行了模态和谐振响应 分析，仿真得出，复合型变幅杆在设计的谐振频率下，输出端达到最大振幅，即 与设计结果相符合。 第五章氮化炉马弗罐的结构可靠性优化设计本章先后采用了常规设计、可 靠性优化设计以及基于a n s y s 参数化语言的o p t 模块优化设计三种设计方法对 氮化炉的马弗罐进行了比较设计，再结合工程实践确定了马弗罐的设计壁厚为 7 m m 。 第六章总结与展望对前几章的研究内容进行了总结，并提出了课题研究中 存在的一些问题和以后发展的方向。 本课题的创新点： ( 1 ) 通过研究，提出了一种相对经济安全高效“超声强化氮化热处理”新工艺。 ( 2 ) 通过研究，构建了“超声强化氮化反应动力学模型 。 ( 3 ) 利用现代设计方法对热处理炉关键结构变幅杆超声换能器结构、马弗 罐结构进行了优化设计，并以上述研究作为基础，研究设计了一种新型高效节能 超声氮化热处理炉。 关键词：超声氮化工艺；动力学模型；结构优化设计。 作者：李瑞 指导教师：芮延年 墅塑竺坚! 业曼堡竖竖坠竺壁! 啦竺竺! 竺! 竺堕垒! ! 璺型釜坐翌壁堕垒盟! 堕苎1 2 翌2 11 1 1 翌型塑塑竺! ! ! 皇型! 竺 垒! ! ! ! 皇璺 s m d y o nk e y t e c h n o l o g yo f ec i e n ta n d e n e 唱y s a v i n g n i t r i d i n gh e a t t r e a t m e n tf u m a c e a b s t r a c t h o wt 0i l i t r i d ep a n se c o n o m i c a l l y ，s e c u r i t y ，e n e 唱y - s a v i n g l ya 1 1 de m c i e n t l y ，i s a l 、v a y so n eo ft h el o n g t e 咖p r o b l e md i s c u s s e db yt h eu s e r s 觚da j s oh e a tt r e a t m e n t t e c i u l o l o g yr e s e a r c h e r sb o t ha th o m ea n da b r o a d i nr e c e n ty e a r s ，s o m eo ft h ed o m e s t i ca i l df o r e i g nr e s e 2 u r c h e r sc a r 巧o ns o m e 伽j i t m ls t u d i e sa i ma tp r o b l e m ss u c h 硒t h el o wt h e n n a le m c i e n c yi nm t r i d i n gp r o c e s s ， i n s u 伍c i e n ti d e ao fp e m l e a b i l i t yl l i t r o g e nl a y e rs u r f k e ，勰w e u 嬲m ev a c u 啪 p e m e a b i l i t ) ，m t r o g e n 如m a c et l l e m a lf i e l dt a i l l 【，锄do b t a j ns o m en e wm e t h o d sa n d t e c l i l o l o g y f o re x 锄p l e ，t l l em e t h o dm a k e su s ei n d u c t i o nh e a t i n gt e m p e r a t u r er i s e 缸t e r 锄dh i 曲e rt l l e m a le m c i e n c y ；a na u t o m a t e dc o n 仃d lt e c l l o l o g yi i lo r d e rt 0 s h o n e ni n t o ，d i s c h a r g i n gt i m e ；t h r o u g i lo p t i m i z a t i o n ，t h i 衄i n gv a c u 啪m u m et a u f l l 【w a u t 1 1 i c k n e s st oi m p r o v eh e a t i n ge m c i e n c y ，e t c 1 1 1 e s en e wt e c h l l o l o g i e sh a v et h e i rm e t h o d a l t h o u 曲c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt o ac e r t a i ne x t e n t ，i m p r o v et h ev a c u 啪h e a t t i e a t m e n t n i t r i d i n ge 硒c i e n c y ，b u t a l s oe x i s ts u c hp r o b l e m s ，u s u a l l yn o t0 p e r a t i o nc o s ti s e x o r b i t a n t ，p o o rr e l i a b i l i 锣i ss a f e 1 1 1 i st o p i cb a s e do nm et a r g e to fm t r i d i n gp a r t se c o n o m i c a l l y ，e m c i e n t l ya i l d e n e r g y - s a v i n g l y ， c o m eu p 晰t han e wt e c h n o l o g ) ，o fu l t r a s o u n ds 缸i e n 舒h e n i n gn i t r i d i n g h e a t 仃e a t m e n t m a ti se c o n o m i c ，s a f e ，e n e 唱y - s a v i n g 锄de m c i e n tt h r o u g ht h er e s e a r c h ， a n do nm eb 硒i s ，d os o m er e l i a b i l i t yo p t i m a ld e s i g n so nt h ek e yp a n so ft h en i t r i d i n g m m a c e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e 嬲f o l l o w s ： c h a p t e ro n e ：i n t r o d u c t i o n d i s c u s s e dt h er e s e a r c hs t a t u so fn i t r i d i n gt e c l m o l o g ya th o m ea n da b r o a di nr e c e n t y e a r st h r o u g hi n v e s t i g a t i o n 锄ds t u d y ，a n a l y z e dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v 锄t a g e s f i r o mt h ep e r s p e c t i v e so fp r o c e s sa n ds t m c t u r e ，w i t hak e yd i s c u s s i o no nt h ep r o b l e mo f h o wt 0i m p r o v em ee m c i e n c yo fn i t r i d a t i o n ，a n da l s op u tf o n v a r dt h em a i nc o n t e n to f t h i st o p i c 1 i i a b s t 嘲 鼬d yo nh 砂d 昭优d e w a t e 血gm 础a i l i s mo f a c t i v a t c ds l u d g eb ya p p i i c a t i o no f t h e n l l a l 阳i 跚鹏f “碱i o n c h 印t e rt w o ：c o n c e p t u a ld e s i 印o fe n e 唱y s a v i n ga i l de 伍c i e n ti l i t r i d i n gf h m a c e is u i 】 1 i i l 耐z et h ea d v 锄t a g e sa n dd i s a d v a l l t a g e so fa l lk i n d so ft l l ei l i t r i d i n g 凡m a c e s m r o u 曲t h es t u d ya n dr e s e a f c ho nt h es t m c t u r eo fn i t r i d i n g 舢m a c eb o t ha th o m ea i l d a b r o a d a n dm e np u tf o “旧r dan e ws c h e m eo nm eu l t r a s o u n ds t i i e n g t h e n i n gn i t r i d i n g h e a tt r i ；咖e n to f w o r k p i e c et h r o u 曲t h ea i l a l y s i s c h 印t e rt h r e e ：t 1 ec o n s 仃u c t i o no fu l t r a s o u n ds t r e n 舢e n i n gu r g ep e 咖e a b i l i t ) r i l i t r i d er e a c t i o nk i n e t i c sm o d e l f i r s to fa l l ，p u to u rh a n d st ot l l e 肌a 】a n dc h e m i c a lr e a c t i o nm e c h a n i s mo fv a c u 啪 m t r i d i n g ，锄dt h r o u 曲t h es t u d yo f 、v o r k p i e c ec h e m i c a lh e a t 仃e a t i i l e mu r g ep e m e a b i l i 够 e f i e c to fu l t r a s o i l i c ，、ec a nr e a l i z et l l a tu l t r a s o u n dr o l em a ya c c e l e r a t en i t r i d er e a c t i o n r a t ea i l di m p r 0 v et i l ee m c i e n c yo fn i t r i d a t i o n t t l r o u 曲t l l er e s e a r c h id e d u c e dt l l ee q 伽i o nb e t 、v e e n 缈，t 1 1 eu l t r a s o u i l d p r o c e s s i n ga i l g u l a rf k q u e n c y ， p ，t h ed e n s i t ) ，o fa m m o n i ai nr e a c t i o nv e s s e l ，锄dr p ， t i l ea c t i v e r a d i u so fa c t i v ena t o mi nr e a c t i o na t m o s p h e r e ，锄d 、h e nu l t r a s o n i c f r e q u e n c ye q u a l st ot l l en a t u r a lr e s o n a n tn e q u e n c yo ft h i sa c t i v ena t o m ，u l t r a s o i l i ca i l d na t o mc 锄a c h i e v et 1 1 em o s te 衔c i e n te n e r g yc o u p l i n g ，p r o d u c ei n t e n s eu l t r a s o m c i m d i a t i o ns n e n 垂h e n i n gi n f i l t r a t i o nm t r o g e np h e n o m e n o n ，a n do n “sb a s i sc o n s t r u c t e d ”u l t r a s o 眦l ds t r - e n g t h e i l i n gi l i t r i d er e a c t i o nk i n e t i c sm o d e l ” c h a p t e rf o u r ：s t m c n 鹏d e s i 印a n dp e r f - 0 珊a n c es i m u l a t i o no ft l l eu i 仃a s o u i l d i l i t r i d i n gr e a c t o r 1 1 1 r o u g hm er e l a t e dp r o b l e m sd e s i g no fu l t r a s o i l i c 仃a n s f o 肌e 璐i i lt h ea n a l y s i s ， f i r s t l y m a k es u r et l l a t s t r e n g t i l e m n g t h e s h a p eo fi n f i l t r a t i o ni l i t r o g e nu l 仃a s o l l i c 仃趾s f o m e r si nl u m n gr o ds 缸u c t u r e ，t l l ed e s i 印c a l c u l a t i o n 1 1 1 e nu s eo fa n s y sf i n i t e e l e m e n t 觚a l y s i ss o f t w a r ed e s i g n e db yt l l ec o m p o u n du l t r a s o n i c 缸a n s f o m l e r sm o d a la n d r e s o n 枷 r e s p o n s ea 1 1 a j y s i s ，m es i n l u l a t i o 玛 t l l ec o n c l u s i o n c o m p o l l l l d u l t r a s o n i c 馏锄s f o m e r si i ld e s i g n ，m er e s o n a n c e 行e q u e n c yo ft 1 1 eo u t p u tt e 咖i n a lw i t l lm a x 妇u m 锄p l i t u d e ，n 锄e l yc o r r e s p o n d s 、析t l lt l l ed e s i g nr e s u l t s c h 印t e rf i v e ：s 仃u c t u r er e l i a b i l i t ) ra n do p t i m a ld e s i 印o ft | l ei l i t r i d i n g 劬l a c e s m u 用e t h ec h 印t e rh 嬲a d o p t e dt l l ec o n v e n t i o n a ld e s i g 玛t l l ef e l i a b i l i t y b 硒e do p t i m i z a t i o n ! 璺坐竺翌坚! 业! 兰墨坚旦! 兰竺型竖竺! ! ! 竺堡竺2 1 垒鲤! ! 型! ! 竺塑堕垒业! 型! 旦翌旦! ! 堕! 翌! 塑嬖璺竖型塑! 1 2 翌 垒! ! ! ! 竺! d e s i g nb a s e do na n s y sp a r 锄e t r i cl a n g u a g ea n dt h eo p t i m i z e dd e s i g nm r e ei n v o l v e d m o d u l ef o rn i t r i d i n gm m a c ed e s i g nm e t h o do ft h em u m et 锄kd e s i g n ，c o m p a r e dw i m e n g i n e e r i n gp r a c t i c ea g a i nd e t e m i n e dm u f f c a n sf o rt h ed e s i g no f7m mw a ut h i c k n e s s c h a p t e rs i x ：s u m m a j ya n dp r o s p e c t 。一 s u m m a r i z et h ec o n t e n to ft h ep r e c e d i n gc h a p t e r s ，a n dp u tf o n v a r ds o m ep r o b l e m s e x i s ti nt h i ss t u d y 鹊w e l l 髂t h ed i r e c t i o no ft h el a t e rd e v e l o p m e n t t h ei i u l o v a t i o n si nt h i ss u b j e c t ： ( 1 ) p u tf o n v a r dan e wp r o c e s sc a l l e d ”u l t r a s o u n ds t r e n 舒h e n i n gn i t r i d i n gh e a t 仃e a t m e n t ”，、h i c hi sr e l a t i v e l ye c o n o m i c ，s a f e ，a n de m c i e n tt h r o u 曲t h er e s e a r c h ( 2 ) c o n s t r u c t e d ”t h ek i n e t i c sm o d e lo fu l t r 雒o u n ds t r e n 舒h e n i n gn i t r i d er e a c t i o n ” t 1 1 r o u 曲t 1 1 er e s e a r c h ( 3 ) u t i l i z em o d e md e s i g nm e t h o dt oc o n d u c t a no p t i m a ld e s i g no nt l l e k e y s t r u c t 汜o fh e a tt r e a t m e n tr m n a c e m es t r u c t u r eo fu l t r a s o n i ct r 肌s d u c e ra n dm u f r sc a n s ， 、i t l lt 量l ea b o v er e s e a r c h 嬲t 1 1 ef o u i l d a t i o n ，d e s i g n e dan e wl d n do fe n e 唱ye 伍c i e n t u l t r 硒o n i ci l i t r i d i n gh e a t 仃i ：a t m e n tm m a c e k e yw o r d s ：u l t r a s o 叽dn i t r i d i n gp r o c e s s ，d y n a i n i c sm o d e l ，s t m c t l l r eo p t i m a l d e s i g n v w r i t t e n b y ：l ir u i s u p e r v i s e db y ：r u iy 2 m i a n 目录 第一章绪论1 1 1 课题来源及研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 改进氮化炉结构方面2 1 2 2 改进渗氮工艺方面4 1 3 本课题的主要研究内容5 1 4 本章小结一5 第二章氮化工艺基础及新型氮化炉方案设计7 2 1 氮化反应机理7 2 1 1f e - n 化合物的各种相8 2 1 2 钢的气体渗氮原理”9 2 1 3 渗氮层的形成过程“1 0 2 1 4 真空氮化影响因素“1 2 2 1 5 真空氮化常规工艺1 3 2 2 氮化热处理炉方案设计”1 3 2 2 1 方案一：内热式设计方案”1 4 2 2 2 方案二：外热式设计方案1 5 2 2 3 方案三：离子氮化工艺设计方案1 7 2 3 优化后氮化炉方案1 7 2 3 1 氮化热处理炉选型分析1 7 2 3 2 新型氮化炉的总体结构“1 8 2 4 本章小结”1 9 第三章超声强化氮化反应动力学模型的构建”2 0 3 1 超声强化理论基础”2 0 3 1 1 超声催渗作用2 0 3 1 2 活性氮原子的运动”2 2 3 1 3 超声催渗对活性氮原子的激励作用”2 3 3 2 超声催渗氮化原理2 5 3 3 扩散反应的机理“2 8 3 3 1 活性氮原子的扩散过程”2 8 3 3 2 扩散过程的一般规律“2 9 一一 3 4 超声聚焦催渗氮化反应动力学模型3 0 3 5 本章小结一3 2 第四章超声氮化反应器结构设计及性能仿真”3 3 4 1 变幅杆超声换能器”3 3 4 2 超声换能器的结构设计3 4 4 3 变幅杆的结构设计3 7 4 3 1 超声波变幅杆介绍”3 7 4 3 2 变幅杆结构设计3 7 4 4 变幅杆性能仿真”3 9 4 4 1 有限元法动力学分析的理论基础“3 9 4 4 2 变幅杆的有限元方法建模“4 1 4 4 3 有限元法对变幅杆的模态分析”4 2 4 4 4 有限元法对变幅杆的谐响应分析4 4 4 4 5 结1 沧4 5 4 5 本章小结“4 6 第五章马弗罐内胆的可靠性优化设计4 7 5 1 压力容器的一般设计方法”4 7 5 2 马弗罐的常规法设计”4 8 5 2 1 常规设计法介绍4 8 5 2 2 马弗罐的设计给定参数”4 8 5 2 3 马弗罐的常规法设计过程”4 9 5 3 马弗罐的可靠性方法设计4 9 5 3 1 可靠性设计理论“4 9 5 3 2 马弗罐的可靠性设计过程5l 5 4 基于a n s y s 的马弗罐罐体优化设计5 2 5 4 1 结构优化的有限元优化设计方法概述：5 2 5 4 2 优化模型的建立“5 3 5 4 3 基于a p d l 的优化过程“5 5 5 4 4 优化结果分析5 6 5 5 结论5 7 5 6 本章小结”5 7 第六章总结与展望5 9 6 1 总结5 9 6 2 问题与展望”6 0 参考文献6 1 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文6 4 致谢6 5 商效节能氮化热处理炉关键技术的研究第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 一 磨损、断裂和腐蚀是金属材料零件的三种主要失效形式，根据美国相关资料 报道，每年美国国内因这三种失效形式造成的经济损失多达3 0 0 0 多亿美元，约占 国民生产总值( g n p ) 的l o 。我国也不例外，仅冶金矿山、农机、煤矿、电力和 建材等部门的不完全统计，由于机件与材料抗磨损寿命低，每年因磨损报废或更 换的备件达1 0 0 多万吨。原国家科委对金属断裂、腐蚀、磨损情况做过调查，每年 损失达1 0 0 2 0 0 亿元人民币i 。 为了提高机械零件的强度、耐磨性和抗蚀性，提高机电产品质量、节省材料 和能源，开展金属材料热处理技术和设备的研究尤为重要。金属材料热处理工艺 方法很多，渗氮工艺就是其中之一。 如今，渗氮在热处理行业中已成为常规工艺，其原理是氨气经过加热分解后 产生新生态氮原子与钢材表面金属原子结合，生成一种特别硬的硬化层( 通常硬 度可达h r c 7 0 以上) ，从而提高钢制零件表面的强度、耐磨性、耐腐蚀性【1 1 。 虽然，通过渗氮可以实现提高零件表面机械性能的目的，但是传统的气体渗 氮工艺，所需渗氮时间较长，一般需要2 0 l o oh 【5 l ，而且氮化物附着力不高，其主 要原因是渗透性较差。如何进一步提高渗氮效果，国内外热处理工作者进行了大 量的研究，先后研发了真空渗氮、离子渗氮、磁控活性溅射渗氮、激光沉积脉冲 式渗氮等技术。这些技术各具特色，虽然他们通常氮化效果好，但是往往存在着 结构复杂、设备价格高等问题，将存在的的问题，归纳总结如下1 3 】： ( 1 ) 普通气体氮化比较耗时，少则需要1 0 2 0 个小时，显然这样导致渗氮成本 很高，并且加热时间过长会导致心部组织恶化。而且由于在低真空的条件下传热 只能靠辐射，这样导致加热速度较慢，并且靠近加热元件的部分的温升会明显快 于其他部分，就使得工件受热不均匀。以致传统真空炉普遍存在热效率较低，热 损失较大等问题。 ( 2 ) 传统氮化反应过程是静态反应，这就存在着氮化层均匀度问题，不均匀的 氮化层将直接影响工件的机械性能。 ( 3 ) 传统氮化工艺，由于氮化时间过长，以致会造成工件表面的氧化，同时伴 第一章绪论高效节能氮化热处理炉关键技术的研究 随着大量的氨气没有充分分解而浪费资源。 ( 4 ) 传统真空氮化炉马弗罐的设计。通常为了安全，往往把罐体壁厚设计的较 大，以致热效率低，因此，安全可靠的罐体壁厚是值得探讨的问题。 以上问题的有效解决，不但能进一步推动真空氮化热处理技术的发展，而且 一一 也能有效的节约资源，保护环境。 1 2 国内外研究现状 在2 0 世纪初，最早是在氨气流中加热钢铁制件发现了钢表面的渗氮现象。1 9 2 3 年，德国的a f r i 发表了题为“铁、钢及合金钢中的氮，新的表面强化方法 一文。 作者用金相观察、化学分析及磁性检测等方法，详细研究了电解条件下的纯铁在 氨气环境中氮化所形成的氮化层的显微组织特征、化学成分以及磁性转变点，第 一步就建立了f e - n 相图。然后，他还研究了碳钢、纯铁以及合金钢在不同温度下 渗氮后表面氮化层的显微组织及硬度。自此以后，气体氮化作为一种提高钢铁制 件表面各种性能的工程技术方法，而被广泛应用【3 】。 近年来，在钢铁及其合金的气体氮化研究方面，国内外的专家、学者做了大 量的研究工作： ( 1 ) 通过改变加热方式实现快速升温，提高热效率及生产效率； ( 2 ) 通过改进密封结构，缩短氮化反应第一阶段时间、降低热损失； ( 3 ) 从电源角度出发，滤除热电偶产生的谐波以提高热效率； ( 4 ) 对马弗罐的厚度进行优化设计，在保证可靠性的前提下减薄其厚度： ( 5 ) 通过对控制系统的优化设计，达到提高控温精度的目的： ( 6 ) 采用物理催渗、化学催渗的方法，提升氮化反应速率、改善氮化反应效果； ( 7 ) 通过实验研究，优化氮化热处理工艺等。 主要研究内容及成果将如下分别阐述。 1 2 1 改进氮化炉结构方面 2 0 0 7 年西北大学化工过程机械专业的淡勇教授和他的研究团队在真空炉罐结 构的可靠性方法设计方面做了卓有成效的研列4 1 。他们通过对可靠性设计中常用概 率分布的研究，指出压力容器的工作环境比较复杂，往往既承受静载荷也承受动 载荷，由强度应力干涉理论知，右斜应力由于右端密度增大而增大了干涉区，从 而使可靠度下降。 通过可靠性设计与常规设计的比较可以看出，可靠性设计不仅节省了材料， 2 高效节能氮化热处理炉关键技术的研究第一章绪论 更主要的是它定量地反映了容器的可靠程度或者说容器的破坏概率。 吉林大学的荆宝德副教授和天津大学的王军副教授，在真空炉罐的壁厚有限 元优化设计方法方面做了尝试【6 】，并取得了一定的研究进展。提出了利用a n s y s 有限元分析软件的a p d l 设计指令建立参数化模型，在此基础上确定真空容器的 主要强度尺寸，并采用有限元分析法对真空容器在复杂载荷条件下的强度和稳定 性进行分析。 2 0 1 0 年山西省太原市祝锡晶等人发明了一种压电式超声波盐浴加热渗氮热处 理装割7 1 ，这种装置包括带保温层的壳体( 8 ) 、壳体内的盐浴池( 1 ) 、加热板( 1 3 ) 、接 线支承柱( 1 4 ) 、顶盖( 1 5 ) ；其特征是：在壳体上对称装有两套压电式超声波装置； 压电式超声波装置含有聚能杆( 1 1 ) 、振动板( 5 ) 、变幅杆( 4 ) 、换能器( 3 ) 与冷却箱( 6 ) ； 振动板与聚能杆是一个整体零件；其中：振动板装于盐浴池( 1 ) 内，并与变幅杆( 4 ) 用螺纹连接，变幅杆的波节处与壳体( 8 ) 焊接安装；变幅杆( 4 ) 与换能器( 3 ) 用螺栓( 2 ) 连接成一体，并在螺纹连接处设有绝缘套( 1 2 ) ：冷却箱( 6 ) 靠紧变幅杆( 4 ) 安装， 如图1 1 所示。 它具有结构紧凑简单、能够提高渗氮速度和渗氮效率、工作安全可靠，并且 具有良好经济性等优点，在渗氮工艺生产中，可对各种金属材料进行高效化学热 处理，可在机械制造领域中得到广泛的应用。 图l - l一种压电式超声波盐浴加热渗氮装置示意图 吉林省辽源煤机厂金明邦等人把内外测温热电偶综合起来运用，实现了两表 联合测温和控温的方式引。目前，我国使用的氮化炉大都是外热式加热炉。工件在 氮化时要求炉温准确，而热电偶所在部位测出的温度，并不能代表炉缸内的真实 温度，倘若外测温热电偶所测得的温度为4 5 0 5 6 0 时，而炉缸内的温度要偏低 第一章绪论高效节能氮化热处理炉关键技术的研究 5 0 3 0 ( 附加热温度高低有所变化) ，这种测温方法对氮化炉来说很不适用。通 过改进后的测温和控温方式，提高了氮化炉的测温精度，误差仅2 ，基本处于 恒温状态。 湖南冶金职业技术学院机械工程系赵近谊老师在结构方面，对真空密封结构 中的进电极密封机构进行了改进【9 j ，改进后的结构在紧固时，可保证进电极没有任 何位移。较薄的绝缘套使进电极与孔之间的间隙增大，安装时调整余地大，容易 实现与石墨过渡电极之间的连接，即使绝缘套变形，也不会造成法兰密封的破坏。 经此改进，满足安装和使用的要求，提高了产品质量。如图1 2 和1 3 所示。 图l - 2 原进电极密封结构示意图 图l - 3改进后的进电极密封结构示意图 1 2 2 改进渗氮工艺方面 2 0 0 9 年，大连海事大学材料科学与工程专业的刘世勇教授做了真空渗氮工艺 特性及渗氮层性能的研究1 3 5 j 。 得到渗氮温度直接影响氮的渗入速度，伴随温度的升高，渗入速度加快，白 亮层变厚，然而当渗氮温度上升到一定值时，尽管温度仍继续升高，但白亮层分 子排列的致密性开始下降，导致渗层的耐蚀性能和硬度都随之下降。试样的渗氮 层组织为白亮层竹相和扩散层中的丫和- f e 相组成。 通过实验得到q 2 3 5 钢真空渗氮获得的渗氮层具有较高硬度、比较平缓的渗层 硬度梯度以及良好的耐腐蚀性综合性能的最佳工艺为：渗氮温度约5 3 0 ，渗氮时 间5 小时，工作炉压为5 1 0 4 p a ，脉冲宽度1 5 m i n 。 2 0 0 6 年大连海事大学的季世军教授提出了真空条件下的感应加热氮化技术的 4 商效节能氮化热处理炉关键技术的研究第一章绪论 研究【3 j ，是基于电磁感应现象以及涡流发热的原理而进行的研究。利用了感应加热 比一般的对流、辐射方式加热速度快，而且在电磁场的作用下，磁场磁氮工艺能 显著促进渗氮进程和消除渗层的脆性，缺点是感应加热对工件尺寸的局限性很大， 大尺寸工件无法进行感应加热。 一 综上所述，可以看出，变静态渗氮为动态渗氮，改善真空氮化炉罐密封性能、 改进渗氮工艺是提高渗氮效果的主要研究方向。本文在学习、归纳总结国内外同 行研究成果的基础上，结合工程要求，拟采用变频超声方法来改善氮化效果。同 时通过对马弗罐结构( 壁厚) 的优化设计，来进一步节约能源，提高热效率，以 达到高效节能氮化热处理的目的。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 以变频超声氮化工艺为依据，首先进行高效节能氮化炉的工艺方案设计， 通过对方案的比较分析，确定优选的工艺方案。 ( 2 ) 开展变频超声氮化工艺研究，通过研究，拟构件“超声强化渗氮反应动力 学模型 。 ( 3 ) 在理论研究的基础上，对超声氮化反应器进行结构设计及性能仿真。 ( 4 ) 对氮化炉关键部件马弗罐进行结构可靠性优化设计，为所提出的氮化炉高 效节能的目标奠定好基础。 1 4 本章小结 本章分析了目前国内外针对氮化热处理技术的研究进展，通过研究提出了一 种经济安全、节能高效的“超声强化氮化热处理新技术 ，并在此基础上，拟对真 空热处理氮化炉的关键零部件进行可靠性优化设计。超声法虽然存在着处理能耗 高的问题，但是对于氮化热处理具有反应速度快，处理效果好，运行安全可靠等 优点。 最后确定了本课题的研究内容为： ( 1 ) 以变频超声氮化工艺为依据，首先进行高效节能氮化炉的工艺方案设计， 通过对方案的比较分析，确定优选的工艺方案。 ( 2 ) 开展变频超声氮化工艺研究，通过研究，拟构件“超声强化渗氮反应动力 学模型 。 第一章绪论高效节能氮化热处理炉关键技术的研究 ( 3 ) 在理论研究的基础上，对超声氮化反应器进行结构设计及性能仿真。 ( 4 ) 对氮化炉关键部件马弗罐进行结构可靠性优化设计，为所提出的氮化炉高 效节能的目标奠定好基础。 6 高效节能氮化热处理炉关键技术的研究 第_ 二章氮化t 艺= 媾础及新型氮化炉方案改计 第二章氮化工艺基础及新型氮化炉方案设计 随着热处理设备的发展，氮化热处理技术也随之逐渐发展起来。美国无线电 公司早在1 9 2 7 年研制的一种v a c 1 0 型真空热处理炉，用于真空退火工艺；而在 1 9 4 9 年，芝加哥市，将真空热处理炉应用于淬火生产，至今已逾半个世纪。自1 9 5 6 年，美国就开始批量生产真空热处理炉；从上世纪6 0 年代开始，石墨材料的广泛 应用，加之宇航、电子和精密机械、工模具生产的迫切需要，导致真空热处理技 术开始迅速发展。上世纪8 0 年代就有人估计过，工业发达国家真空热处理占整个 行业的l o ，当时，世界上拥有大、中型真空炉达4 0 0 0 台以上【1 2 】。 经过几十年的发展，行业内已制作了适合处理各种材料的真空氮化热处理炉， 满足了工农业生产、航空航天等零件的需要，由于氮化炉在热处理设备中的特殊 地位，因此研究其发展趋势，并且在发展的同时不断创新，已经成为我们充分认 识和利用氮化炉的首要任务。 2 1 氮化反应机理 作为一种应用广泛的表面化学热处理工艺，渗氮通常是在5 0 晰0 0 温度下， 将氮元素渗入钢或其他铁基合金表层。渗氮的目的是为了提高钢铁制件的表面硬 度、耐磨性、疲劳强度及抗腐蚀能力。在调质状态下，渗氮钢( 例如3 8 c r m o a i 钢) 渗氮后表面硬度可达h v l l 0 0 1 2 0 0 ( 相当于洛氏硬度h r c 6 8 7 2 ) ，远远超过了渗碳 淬火钢或碳氮共渗