高效节能氮化热处理炉关键技术的研究

论文摘要

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ω随反应容器中氨气的密度ρ以及反应气氛中活性N原子的活跃半径R e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”。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ANSYS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ANSYS参数化语言的OPT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7mm。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:⑴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。⑵通过研究,构建了“超声强化氮化反应动力学模型”。⑶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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 改进氮化炉结构方面
• 1.2.2 改进渗氮工艺方面
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 氮化工艺基础及新型氮化炉方案设计
• 2.1 氮化反应机理
• 2.1.1 Fe-N 化合物的各种相
• 2.1.2 钢的气体渗氮原理
• 2.1.3 渗氮层的形成过程
• 2.1.4 真空氮化影响因素
• 2.1.5 真空氮化常规工艺
• 2.2 氮化热处理炉方案设计
• 2.2.1 方案一：内热式设计方案
• 2.2.2 方案二：外热式设计方案
• 2.2.3 方案三：离子氮化工艺设计方案
• 2.3 优化后氮化炉方案
• 2.3.1 氮化热处理炉选型分析
• 2.3.2 新型氮化炉的总体结构
• 2.4 本章小结
• 第三章 超声强化氮化反应动力学模型的构建
• 3.1 超声强化理论基础
• 3.1.1 超声催渗作用
• 3.1.2 活性氮原子的运动
• 3.1.3 超声催渗对活性氮原子的激励作用
• 3.2 超声催渗氮化原理
• 3.3 扩散反应的机理
• 3.3.1 活性氮原子的扩散过程
• 3.3.2 扩散过程的一般规律
• 3.4 超声聚焦催渗氮化反应动力学模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 超声氮化反应器结构设计及性能仿真
• 4.1 变幅杆超声换能器
• 4.2 超声换能器的结构设计
• 4.3 变幅杆的结构设计
• 4.3.1 超声波变幅杆介绍
• 4.3.2 变幅杆结构设计
• 4.4 变幅杆性能仿真
• 4.4.1 有限元法动力学分析的理论基础
• 4.4.2 变幅杆的有限元方法建模
• 4.4.3 有限元法对变幅杆的模态分析
• 4.4.4 有限元法对变幅杆的谐响应分析
• 4.4.5 结论
• 4.5 本章小结
• 第五章 马弗罐内胆的可靠性优化设计
• 5.1 压力容器的一般设计方法
• 5.2 马弗罐的常规法设计
• 5.2.1 常规设计法介绍
• 5.2.2 马弗罐的设计给定参数
• 5.2.3 马弗罐的常规法设计过程
• 5.3 马弗罐的可靠性方法设计
• 5.3.1 可靠性设计理论
• 5.3.2 马弗罐的可靠性设计过程
• 5.4 基于ANSYS 的马弗罐罐体优化设计
• 5.4.1 结构优化的有限元优化设计方法概述
• 5.4.2 优化模型的建立
• 5.4.3 基于APDL 的优化过程
• 5.4.4 优化结果分析
• 5.5 结论
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
• 致谢