汽车零件热处理技术：高效网带式保护氛围连续作业炉

2023-08-18 理论教育版权反馈

【摘要】：图10-5所示为无炉罐网带式淬火炉示意图。网带式保护气氛连续作业炉与上料机构、前清洗机、淬火油槽、后清洗机等组成一条自动化热处理生产线。后者为目前网带式保护气氛加热炉常采用的结构形式。

网带式保护气氛连续作业炉是热处理过程中应用比较广泛的一类，其具有生产率高、炉内气氛稳定、零件的表面光亮、设备的自动化和机械化程度高等优点，因此多用于大批量的生产作业，处理的小型零件有标准件、弹簧、链条、轴承、气门、量规等。炉内气氛采用滴注式系统或专门的保护气氛发生装置供给，确保气氛的均匀和前后的一致，实现零件的无氧化和脱碳处理，处理后的工件表面光亮、无脱碳层、硬度均匀，提高了零件的力学性能。

网带炉的特点为:零件加热均匀，在炉膛内不受冲击和振动；零件的变形量小，产品质量稳定；完全实现光亮淬火、正火、退火、回火以及化学热处理等。

采用网带式保护气氛炉可进行零件的化学热处理、调质处理、一般的淬火＋低温回火等，是由其自身的特点决定的:由于采用辐射管加热以及网带寿命的大幅度提高，其在国内外标准件行业中得到了广泛的应用，炉内布料和加热均匀、零件热处理质量稳定、工作环境好等；碳势控制技术的应用，使炉内碳势控制精度达到±0.03％，确保在保护气氛下完成零件的热处理，保证了零件的热处理要求；计算机技术的应用，可按照工艺设定自动完成零件的生产全过程，包括记录、保存零件生产中的各种工艺参数，具有完整的故障诊断、显示，安全警示及联锁功能；快速淬火油和水基淬火冷却介质得到广泛应用，快速淬火油保证了高强度零件（如螺栓)的热处理内在质量，水基淬火冷却介质解决了零件淬油不硬、淬火开裂以及零件变形的质量问题。

采用网带式保护气氛炉，零件热处理质量好，重现性好，自动化程度高。但因其采用耐热钢网带传送热处理零件，故不能承受大的质量，目前在标准件、轴承、内燃机气门、丝锥、圆板牙等产品领域应用比较广泛。

该类设备通常采用甲醇＋氮基气氛系统进行内部保护加热，具有设备和生产成本低、生产运行稳定、维修方便、不受电气与水源的影响等特点，其最初是为英国氧气公司（BOC)开发的产品，生产的气氛与吸热式气氛相同。从甲醇裂解的反应可知，裂解产物为H₂（体积分数为66.7％)和CO（体积分数为33.3％)，通过调节甲醇裂解产物和氮气的比例，生成类似吸热式气氛的20-40-40型可控气氛，使气氛既可作为保护气氛应用，也可作为渗碳气氛使用。

1.网带炉的结构形式和主要特点

网带炉有两种形式:一种是有炉罐网带炉，该炉的加热元件（如辐射管等)在炉罐的外面，具有气密性好、节省气氛、能保护加热元件和炉衬不受腐蚀等特点，其缺点为成本高、使用寿命短；另一种是无炉罐网带炉，其特点为炉体结构简单、生产成本低，但炉体的密封性差，耗气量大。

网带的传动方式有两种:一种为炉底板拖板驱动网带，网带放置在拖板上，产生往复运动的偏心轮驱动拖板，回缩时网带停止前进且不后退，二者之间就发生相对摩擦，因此网带的拉力减小，故提高了网带的使用寿命；另一种为网带由前后两个滚筒靠摩擦力拖动，网带在炉膛内由辊子支撑，该结构简单方便，松紧易于调整，目前广泛采用该种形式来拖动网带的运动。

网带炉采用的加热元件应根据网带炉的传动方式来确定，通常规律是无炉罐的使用电热辐射管，而有炉罐的则采用电阻带或电阻丝等，二者各有自己的特点。

图10-5 无炉罐网带式淬火炉示意图

1—风扇 2—进气口 3—网带 4—托辊 5—抗渗层 6—淬火口 7—油帘装置 8—辐射管 9—保温层 10—炉壳 11—气帘装置 12—驱动电动机 13—传动轮 14—张紧鼓

在零件的加热过程中，起传递零件作用的网带既是传动工具，又是承载体，还要承受反复的加热与冷却，其工作环境和条件较差。因此，要实现安全运行，网带材料必须具有一定的性能，以下几点为选择的依据:载荷的大小，加热温度的高低，炉内气氛的组成，产生的污染气体的成分，网带传动的方式等。图10-5所示为无炉罐网带式淬火炉示意图。

2.炉体的组成

这里以UM8060型网带式保护气氛炉为例介绍其各部分的结构和特点。完成任何零件的热处理，除了具有热处理加热设备外，还必须有配套的辅助设备。网带式保护气氛连续作业炉与上料机构、前清洗机、淬火油槽（或水槽、盐浴等)、后清洗机等组成一条自动化热处理生产线。目前网带炉的形式较多，其典型形式如图10-6所示。该网带式保护气氛炉生产线由自动上料机、前清洗机、加热炉、油槽、中间清洗机和回火炉等构成了完整的热处理生产线，其自动化和机械化程度高，处理的产品表面无脱碳、无氧化，质量稳定，生产率高，节能降耗明显，因此在热处理企业应用十分广泛。

图10-6 网带炉生产线示意图

1—上料机 2—清洗机 3—网带式淬火（渗碳)炉 4—淬火槽 5—中间清洗机 6—网带式回火炉 7—发蓝槽

（1)自动上料机构由提升装置、滚筒限高装置和振动给料装置三部分组成。零件提升到达清洗机的上方储料盘，依靠振动将零件均匀传送到清洗机内，根据需求的供应量，可用挡板控制零件清洗的数量，或用料钩将零件扒到送料网带上，整齐排列由送料轨道将零件输入清洗槽内。

（2)清洗机由清洗槽、空气电加热器、油水分离器等组成，可完成零件的浸泡、喷淋、吹风机吹干、温水清洗、烘干等。由油水分离器把油、水分开回收，使零件在进入加热炉前已经清洗干净，确保将零件表面的油污、尘土等除净。避免油、脏物等造成炉内气氛的波动和变化，同时也保持了炉膛的清洁，延长了网带炉的使用寿命。安装的管状加热器保持水温在40～80℃，烘干加热器温度在120℃，完全可保证零件表面无水珠存在。

（3)保护气氛加热炉根据零件的具体技术要求，炉膛可采用有炉罐或无炉罐加热。后者为目前网带式保护气氛加热炉常采用的结构形式。它具有良好的气密性，炉壳用5mm厚的钢板密封焊接而成，内部砌抗渗碳砖，在预热室的入口设有火帘密封装置，在保温区配有搅拌用的循环风扇，确保炉内温度的均匀，气氛的入口在风扇处，废气自动点燃后从前后两处排出，炉膛内装有36根各7kW的电热辐射管，组成了加热系统。电热辐射管分别横于网带的上部、下部及零件出口的前侧、左右侧等部位，确保炉内各处的温度均匀一致，同时所有的孔洞如热电偶孔、风扇轴孔、加热元件引入孔等全部密封，确保了网带炉内成分的稳定。

电热辐射管以电磁波的形式向外辐射热量，它是将电阻丝或电阻带密封在耐热钢管或陶瓷管内的一种电热元件。电阻丝或电阻带发出的热量经管体表面辐射至炉膛空间，由于电阻丝或电阻带被密封，隔绝了炉气对其的化学作用，因此有效延长了电阻丝或电阻带的使用寿命。国内外的热处理设备大多采用电热辐射管或燃气辐射管。电热辐射管具有不用变压器、易于安装、不必停炉等优点，是其他热处理设备无法比拟的。

网带式保护气氛加热炉由网带驱动装置、炉内气氛搅拌器、前室、排烟装置等组成。通常该加热炉有五个加热区，其中有一个预热区（前区)可确保炉内气氛符合要求。各区单独控温，辐射加热管采用插入式接头结构，更换方便。该网带加热炉的功率为240kW，网带全长为8m，网带宽度为600mm，最高工作温度为1100℃。网带驱动装置通过链条驱动滚轮，网带靠压紧轮和驱动滚轮之间的摩擦而运动。该装置为无级调速结构，运行速度为0.034～0.34m/min，零件在炉内的时间为10～180min，炉内碳势采用氧探头控制。

零件的加热时间应根据其直径或有效厚度的大小、材质、装炉量、摆放方式、变形量等几方面加以考虑，零件在完成加热后可进行硬度和晶粒度的检查，以确定最佳的加热时间。

（4)淬火油槽油槽为长方体结构，内部配有搅拌器、油帘、油循环系统、温度控制系统、冷却系统以及网带提升装置等。网带提升装置是将零件从油槽中提升的传送装置，能够确保零件在淬火过程中的硬度和变形符合技术要求。

（5)网带式清洗机其基本结构同热处理前零件的清洗机一样，用于去除零件淬火后粘附和吸附的淬火油，为后面的回火做好前期的准备。这样不仅保证了零件淬火后表面状态的清洁，而且为回火炉膛免遭污染创造了条件，从而实现零件的光亮回火。

（6)网带回火炉该炉网带运动为无级调速，网带由滚筒带动前进。炉内温度采取四区分别控制，同时炉膛上方设有四个搅拌风扇，以确保炉内温度的一致和均匀。加热元件为辐射加热管，布置在炉体的两侧，共有24根，总功率为96kW。该炉的最高加热温度为700℃，可用于零件的回火处理，也可进行普通的去应力退火、时效处理等。

（7)冷却系统回火后零件的冷却方式可根据技术要求而定，通常采用的冷却方式有水冷、油冷、空冷和冷却风机强制吹风（或喷雾冷却)等，对于具有第二类回火脆性的材料，在450～750℃之间回火后必须水冷或油冷才能防止回火脆性的发生。汽车发动机上的进、排气门使用了低碳合金钢（如40Cr、45Mn2等)和马氏体耐热钢（如42Cr9Si2、40Cr10Si2Mo、42Cr9Si2、90Cr18MoV等)，经回火后均进行水冷，目的是避免回火脆性的产生。

零件从加热到回火的过程中，始终随网带移动。由于网带运动平稳，零件彼此之间无撞击和积压等，因此在加热过程中不会出现压弯、变形的情况，极大地减轻了零件校直的工作量。同时，处理后的零件表面状态良好，各种力学性能都有很大的提高，相应地减少了加工余量。

3.网带炉的操作和运行

（1)加热炉炉子自室温加热时，为了延长炉内结构的使用寿命，要分三个阶段进行缓慢加热，以防止温差太大造成网带的变形，而无法正常工作。

（2)网带的调速要依据零件的材料、有效直径、装炉量、炉温、零件的摆放方式等进行综合工艺试验后，确定合理的运动速度。原则为既要经济，又要提高生产率。

（3)传动系统的调整按工艺要求的时间进行频率的调节。

4.淬火冷却系统

根据热处理冷却介质和零件的淬火特点，冷却系统具有自动控温功能，配有超温报警装置，对油面的高度、油的循环等实现了自动化控制，温升和提升机的运行速度控制在工艺要求的范围内，可确保冷却系统完全满足零件的技术要求。

用辅助泵给冷却槽添加油时，油面离槽口的距离在100mm为宜。冷却槽在起动前要检查循环泵进出口的阀门是否打开，泵的转向和提升机的传动系统正常与否。严禁在零件的冷却过程中加入冷却介质，还应随时检查油温的变化情况和散热器的工作状况。

5.保护气氛的供给

当炉内温度达到750℃以上时，才能滴入甲醇（或乙醇)或其他有机液体。通过汽化装置对液体状态的介质进行加热，汽化后供给保护气氛炉，该炉也可通入高纯氮气、氨气或二者的混合气体等，实现零件的无氧化加热。通常使炉膛内的保护气氛从炉膛的后部流向炉门口，点燃后形成火帘，这样可防止外界空气的进入，确保炉内成分的稳定。

为确保炉内气氛的正常供给，其汽化系统的组成为滴注剂、电磁阀、液体流量计、汽化装置等。下面以甲醇为例加以说明。

1)检查储液罐是否正常，各种相关的阀门、管道、流量计、压力表等是否符合要求。

2)打开空气压缩机气路阀门，使储液罐内的压力达到0.15～0.2MPa。打开保护气氛供给系统阀门，甲醇在压力的作用下滴入炉内。

3)打开流量计并调整流量的大小，使甲醇分解后的气氛自炉膛的后部向炉门口流动，在炉门形成火帘以阻止外界空气的进入和防止可控气氛的逸出。

汽车发动机进、排气门，采用合金结构钢、马氏体型耐热钢、奥氏体型耐热钢以及高温合金等制造。经过热处理后的气门表面应无氧化、脱碳现象，硬度在30～40HRC，校直后的气门杆部直线度误差和轴向圆跳动应不大于0.15mm。既可采用高效率的机械校直或热校直，也可进行手工校直，为后续的机械加工提供合格的几何尺寸。

6.设备点检的内容

为确保网带炉的正常工作，在日常操作中要进行如下检查:电气装置齐全、灵活、可靠；网带运行平稳，无破损；各处轴承运转良好，无噪声；各金属套冷却状态良好，无渗漏；各处电流表、电压表、热电偶、温度计、流量计等工作正常；引火嘴管道无堵塞，火焰正常；冷却油槽油温和液面正常。

汽车零件热处理技术：高效网带式保护氛围连续作业炉

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