專利名稱：新型輝光離子滲氮設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及滲氮設(shè)備，具體涉及一種輝光離子滲氮設(shè)備。
背景技術(shù)：
機(jī)械零件的滲氮是在一定溫度下(一般在Acl以下)使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝。常用的滲氮方法有氣體滲氮、液體滲氮和離子滲氮等。液體滲氮因存在污染排放和滲氮層疏松嚴(yán)重等問(wèn)題，在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用較少。氣體滲氮是將被處理的零件加熱到一定的溫度(一般是450°C 600°C)，通入含氮的分解氣體，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的保溫，然后使零件表面獲得高的表面硬度的化學(xué)熱處理方法，這種工藝方法是由氣體滲氮設(shè)備完成的。該工藝方法的優(yōu)點(diǎn)是①設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；②對(duì)零件的結(jié)構(gòu)無(wú)特殊要求，尤其對(duì)深內(nèi)孔、盲孔也能滲氮。因此在一定時(shí)期，這種工藝方法得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，以節(jié)約能源、減少排放為代表的綠色、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針得以確立。在這一社會(huì)背景下，氣體滲氮設(shè)備的能耗高、有害氣體排量大、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量不易控制等缺點(diǎn)逐步顯露出來(lái)，在生產(chǎn)實(shí)踐中，氣體滲氮設(shè)備已逐步成為淘汰的工藝裝備。輝光離子滲氮設(shè)備是依靠氣體輝光放電離子轟擊的方法來(lái)加熱工件并獲得活性離子，使活性氮原子滲入工件表面的化學(xué)熱處理工藝設(shè)備，如


圖1所示，現(xiàn)有的輝光離子滲氮設(shè)備包括爐體、電源1、控制電路2、測(cè)溫裝置、抽真空裝置和輸氣裝置；爐體包括活動(dòng)罩 3、爐座4和連接在爐座上的陰極盤5，陰極盤5通過(guò)控制電路2與電源1負(fù)極電連接，連接活動(dòng)罩3內(nèi)壁上的滲碳陽(yáng)極17通過(guò)控制電路2與電源1正極電連接；輸氣裝置包括連接在活動(dòng)罩上且與爐體內(nèi)腔連通的輸氣管7，輸氣管上自爐體由近及遠(yuǎn)依次串接有流量計(jì)8、分解爐9和閥門11，輸氣管的進(jìn)氣端與氣瓶12連通，抽真空裝置包括由控制電路控制的真空泵 18和壓力傳感器19，測(cè)溫裝置為連接在陰極盤上且與控制電路電路電連接的熱電偶21。與傳統(tǒng)的氣體滲氮相比，現(xiàn)有的輝光離子滲氮設(shè)備具有滲入速度快，滲層氮化物結(jié)構(gòu)形態(tài)容易控制，零件變形小，節(jié)約能源，少、無(wú)污染排放等優(yōu)點(diǎn)。但是，該設(shè)備對(duì)被處理零件的結(jié)構(gòu)要求較高，尤其是對(duì)深內(nèi)孔、盲孔類零件的內(nèi)表面無(wú)法進(jìn)行滲氮處理。這是因?yàn)椋慵陔x子滲氮過(guò)程中，爐壁是陽(yáng)極，零件是陰極，陰陽(yáng)極間通上高壓直流電，產(chǎn)生輝光放電，在陰極壓降區(qū)，氣體電離成正負(fù)離子(等離子體)，在電場(chǎng)作用下，正離子轟擊零件表面，使工件加熱并與之產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生活性原子滲入工件內(nèi)部形成滲層，轟擊零件表面的離子動(dòng)能來(lái)自正負(fù)極形成的電場(chǎng)作用，因此運(yùn)動(dòng)軌跡是直線性的，深盲孔或深通孔由于其結(jié)構(gòu)的特殊性， 正離子很難完整地轟擊到整個(gè)深孔零件的內(nèi)表面，即深內(nèi)孔類零件在采用傳統(tǒng)的離子轟擊法進(jìn)行滲氮處理時(shí)，必然存在滲氮盲區(qū)，從而嚴(yán)重影響零件的滲氮效果。此外，深內(nèi)孔類零件在結(jié)構(gòu)上類似于空心陰極，空心陰極內(nèi)離子束彼此匯合，使輝光區(qū)匯集在一起，電流密度不斷增大，使深內(nèi)孔類零件內(nèi)表面溫度迅速升高，引起“空心陰極”效應(yīng)，一旦出現(xiàn)“空心陰極”效應(yīng)，離子滲氮會(huì)因溫度太高而無(wú)法進(jìn)行。進(jìn)入上世紀(jì)九十年代，脈沖離子滲氮電源的出現(xiàn)，為深內(nèi)孔類零件的內(nèi)表面滲氮問(wèn)題地解決創(chuàng)造了條件，但是經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，脈沖離子滲氮對(duì)長(zhǎng)徑比小于10的零件，通過(guò) 合理控制エ藝參數(shù)能夠得到較好的滲氮效果。當(dāng)孔類零件的長(zhǎng)徑比大于10吋，深內(nèi)孔類 零件的內(nèi)表面因“滲氮盲區(qū)”和“空心陰極”效應(yīng)的存在，滲氮效果仍然不理想，而且脈沖 離子滲氮電源的價(jià)格比普通的直流電源要高出50%左右，升溫速度比普通直流電源要下降 30-50%左右，降低了生產(chǎn)效率。 因此，設(shè)計(jì)ー種新型離子滲氮設(shè)備，系統(tǒng)地解決深孔類零件內(nèi)表面的滲氮問(wèn)題顯 得非常迫切。
發(fā)明內(nèi)容—般深內(nèi)孔類零件是結(jié)構(gòu)対稱的回轉(zhuǎn)體型零件，在機(jī)械性能上要求經(jīng)離子滲氮處 理后應(yīng)具有性能対稱性，為得到対稱的滲氮效果，將零件放置在滲氮區(qū)域中心軸線位置進(jìn) 行研究，以進(jìn)行滲氮盲區(qū)公式推導(dǎo)，參見(jiàn)圖2，圖中附圖標(biāo)記25代表爐體，附圖標(biāo)記沈代表 深內(nèi)孔類零件，m為深內(nèi)孔類零件離子滲氮盲區(qū)高度，1為深內(nèi)孔類零件的孔深；L為滲氮 陽(yáng)極的有效高度，D為爐體有效直徑，d為深內(nèi)孔類零件內(nèi)孔直徑。圖2中因?yàn)锳 ABC和A EFC為相似三角形，所以有
X. _ d _ 2dy D d D + d(1)因?yàn)锳 ABC和A AGF為相似三角形，所以有
D
D -dD + ddy+[0012] 所以有(L - I U D + d ) ヌ=--
將公式(2)代入公式(1)可得: _ Id(L-I)
d⑵[0013](3)[0016]從圖2可以看出 m I-X (4)將公式(3)代入公式(4)可得
2d[0018](5)mD — d 根據(jù)推導(dǎo)出的深內(nèi)孔類零件離子滲氮盲區(qū)高度公式(5)，可以得出如下結(jié)論在 高度m范圍內(nèi)零件內(nèi)表面滲氮只能靠從m區(qū)以上經(jīng)二次或多次反射的等離子體進(jìn)行轟擊而實(shí)現(xiàn)，由于等離子體經(jīng)多次反射后能量大大減弱，因而滲氮效果會(huì)大幅下降；即深內(nèi)孔類零件m高度范圍內(nèi)將形成滲氮盲區(qū)，盲區(qū)的范圍與內(nèi)孔類零件的孔深、內(nèi)孔直徑及滲氮陽(yáng)極有效高度和爐體有效直徑有關(guān)。本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種新型輝光離子滲氮設(shè)備。該設(shè)備不但能對(duì)一般零件進(jìn)行離子滲氮，而且能夠克服離子滲氮“滲氮盲區(qū)”和“空心陰極”效應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)深盲孔或深通孔內(nèi)表面需要表面強(qiáng)化的零件進(jìn)行輝光離子滲氮，從而解決深盲孔或深通孔內(nèi)表面離子滲氮效果差的問(wèn)題，大幅度提升離子滲氮質(zhì)量。基于上述理論分析，為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，在現(xiàn)輝光離子滲氮設(shè)備的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，形成了本實(shí)用新型的下述技術(shù)方案。新型輝光離子滲氮設(shè)備包括爐體、電源、控制電路和輸氣裝置；爐體包括活動(dòng)罩、 爐座和連接在爐座上的陰極盤，其特征在于爐座上連接有位于陰極盤下方的進(jìn)氣管，進(jìn)氣管與輸氣裝置連通；陰極盤設(shè)有通孔，進(jìn)氣管上螺接有輔助陽(yáng)極，輔助陽(yáng)極的上端穿過(guò)通孔后位于陰極盤上方，輔助陽(yáng)極內(nèi)設(shè)有內(nèi)腔，內(nèi)腔的上端封閉，內(nèi)腔的下端與進(jìn)氣管連通，內(nèi)腔的腔壁上設(shè)有出氣孔，輔助陽(yáng)極通過(guò)控制電路與電源的正極電連接。所述陰極盤上連接有測(cè)溫陰極，測(cè)溫陰極內(nèi)設(shè)有靠近測(cè)溫陰極外表面設(shè)置且與控制電路電連接的熱電偶。所述測(cè)溫陰極與滲氮零件形狀和結(jié)構(gòu)一致、材質(zhì)相同。所述輔助陽(yáng)極呈管狀，包括低碳鋼管基體，低碳鋼管基體的外周面上環(huán)設(shè)有催滲材料層，催滲材料層的外周面上設(shè)有連通外部與低碳鋼管基體內(nèi)腔的出氣孔。所述催滲材料層為鋁層或鈦層。所述輸氣裝置包括與進(jìn)氣管連通的輸氣管，輸氣管上自爐體由近及遠(yuǎn)依次串接有流量計(jì)、分解爐、干燥箱和閥門。本實(shí)用新型與現(xiàn)有輝光離子滲氮設(shè)備操作方式基本相同，所不同的是深內(nèi)孔類零件放置在陰極盤上時(shí)，要使輔助陽(yáng)極深入到深盲孔或深通孔內(nèi)部。在新型離子滲氮設(shè)備中，滲氮?dú)怏w通過(guò)輸氣裝置、進(jìn)氣管進(jìn)入輔助陽(yáng)極的內(nèi)腔中， 滲氮?dú)怏w再經(jīng)出氣孔進(jìn)入到零件內(nèi)部，由于輔助陽(yáng)極深入到深盲孔或深通孔內(nèi)部，因此為滲氮反應(yīng)提供了充足的氣源。設(shè)備工作時(shí)，輔助陽(yáng)極與零件內(nèi)表面形成了高壓直流電場(chǎng)，滲氮?dú)怏w在高壓直流電場(chǎng)的作用下電離生成含有滲入元素的正離子，轟擊作為陰極的零件內(nèi)表面，產(chǎn)生活性原子滲入到零件內(nèi)部形成滲層，從而達(dá)到對(duì)深盲孔或深通孔內(nèi)表面滲氮的目的。在對(duì)普通零件進(jìn)行滲氮處理時(shí)，只需將輔助陽(yáng)極卸下即可。本實(shí)用新型的輸氣裝置是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上加設(shè)了干燥箱，干燥箱內(nèi)裝有中性或偏堿性干燥劑，如硅膠、無(wú)水氯化鈣或生石灰，可避免滲氮?dú)怏w含水量高而影響滲氮質(zhì)量。根據(jù)公式(5)得出的結(jié)論，對(duì)不同高度的深內(nèi)孔類零件進(jìn)行滲氮時(shí)，其輔助陽(yáng)極的高度值h應(yīng)大于m值。同時(shí)本實(shí)用新型專利提供了影響零件滲氮質(zhì)量的比值參數(shù)J，見(jiàn)公式(6)。經(jīng)多次試驗(yàn)表明比值參數(shù)J的最佳取值范圍為3.0 — 4.0[0033]
式中J為比值參數(shù)；d為深內(nèi)孔類零件內(nèi)孔直徑；Cltl為空心輔助陽(yáng)極外圓直徑。 由公式(5)和公式(6)可知，輔助陽(yáng)極的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足以下條件
權(quán)利要求1.一種新型輝光離子滲氮設(shè)備，包括爐體、電源、控制電路和輸氣裝置；爐體包括活動(dòng)罩、爐座和連接在爐座上的陰極盤，其特征在于爐座上連接有位于陰極盤下方的進(jìn)氣管，進(jìn)氣管與輸氣裝置連通；陰極盤設(shè)有通孔，進(jìn)氣管上螺接有輔助陽(yáng)極，輔助陽(yáng)極的上端穿過(guò)通孔后位于陰極盤上方，輔助陽(yáng)極內(nèi)設(shè)有內(nèi)腔，內(nèi)腔的上端封閉，內(nèi)腔的下端與進(jìn)氣管連通， 內(nèi)腔的腔壁上設(shè)有出氣孔，輔助陽(yáng)極通過(guò)控制電路與電源的正極電連接。
2.如權(quán)利要求1所述的新型輝光離子滲氮設(shè)備，其特征在于所述陰極盤上連接有測(cè)溫陰極，測(cè)溫陰極內(nèi)設(shè)有靠近測(cè)溫陰極外表面設(shè)置且與控制電路電連接的熱電偶。
3.如權(quán)利要求2所述的新型輝光離子滲氮設(shè)備，其特征在于所述測(cè)溫陰極與滲氮零件形狀和結(jié)構(gòu)一致、材質(zhì)相同。
4.如權(quán)利要求1所述的新型輝光離子滲氮設(shè)備，其特征在于所述輔助陽(yáng)極呈管狀，包括低碳鋼管基體，低碳鋼管基體的外周面上環(huán)設(shè)有催滲材料層，催滲材料層的外周面上設(shè)有連通外部與低碳鋼管基體內(nèi)腔的出氣孔。
5.如權(quán)利要求4所述的新型輝光離子滲氮設(shè)備，其特征在于所述催滲材料層為鋁層或鈦層。
6.如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的新型輝光離子滲氮設(shè)備，其特征在于所述輸氣裝置包括與進(jìn)氣管連通的輸氣管，輸氣管上自爐體由近及遠(yuǎn)依次串接有流量計(jì)、分解爐、干燥箱和閥門。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種新型輝光離子滲氮設(shè)備，包括爐體、電源、控制電路和輸氣裝置；爐體包括活動(dòng)罩、爐座和連接在爐座上的陰極盤，爐座上連接有位于陰極盤下方的進(jìn)氣管，進(jìn)氣管與輸氣裝置連通；陰極盤設(shè)有通孔，進(jìn)氣管上螺接有輔助陽(yáng)極，輔助陽(yáng)極的上端穿過(guò)通孔后位于陰極盤上方，輔助陽(yáng)極內(nèi)設(shè)有內(nèi)腔，內(nèi)腔的上端封閉，內(nèi)腔的下端與進(jìn)氣管連通，內(nèi)腔的腔壁上出氣孔，輔助陽(yáng)極通過(guò)控制電路與電源的正極電連接。該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不但能對(duì)非深孔類零件進(jìn)行滲氮處理，而且能對(duì)深盲孔或深通孔零件的深盲孔或深通孔的內(nèi)表面進(jìn)行效果優(yōu)良的滲氮處理。
文檔編號(hào)C23C8/36GK202131357SQ201120210228
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者盧銀德 申請(qǐng)人:山東濰坊生建機(jī)械廠(集團(tuán))