專利名稱：一種新型真空表面強化技術和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及等離子體表面改性的技術領域，尤其涉及一種在真空條件下 對工件表面進行離子滲氮處理的技術和設備。
背景技術：
離子滲氮是將工件置于輝光放龜裝置的真空容器中，以工件為陰極，容 器壁或另設金屬板作為陽極，充一稀薄的含氮氣體，在直流高壓電場的作用 下，使氣體原子電離成離子，離子以比較高的速度撞擊陰極工件，工件表面 上的氮離子失去能量被工件吸收，并向內部擴散形成滲氮層的過程。
離子滲氮不僅能實現可控氮化、可局部硬化、使用純氫、氮氣為氣源無 環境污染等優點，并且離子滲氮不生成脆性相，滲層致密，與氣體滲氮相比 有更高的耐磨性、耐蝕性和抗疲勞性能。但是，離子滲氮也存在以下缺點1) 溫度不均勻性現有的離子滲氮加熱很難保證溫度的均勻性，當等離子體加 熱時，工件的溫度不僅取決于等離子體的能量，也和表面積和體積有關，在 電壓、氣體成分等參數一定的條件下，表面積和體積比越大，離子轟擊輸入 的能量越大，溫度升高很快，不同形狀的工件進行受熱不均勻，造成工件性 能下降；2)表面打弧在工件表面的局部位置因清理不干凈而存在有機物質 時，則會引起打弧，產生極高的溫度，使該部位的金屬材料熔化或濺射出來， 傷害工件表面；3)邊緣效應由于加熱的不均勻性，造成邊緣部位與中心區 域溫度不一，表面顏色不均勻，氮化層厚度不一致。

發明內容
本發明的目的是提供一種新型真空表面強化技術和設備，具有滲氮速度 快、工藝簡單、保持工件表面原有光潔度、工件表面化合物層厚、致密度高、 設備簡單、成本低的優點。
為了達到上述目的，本發明的技術方案如下
一種新型真空表面強化設備，包括真空爐、進氣系統12、抽真空系統13、 供電系統14、測溫系統15、冷卻系統、載物臺6和絕緣體7，進氣系統12 通過進氣口8接入真空爐內，抽真空系統13接入真空爐的爐體夾層空氣室內， 供電系統14的陽極通過陽極接口 5與真空爐爐體電連接，測溫系統15與待 處理的工件l連接，冷卻系統與真空爐爐體連接；該強化設備還包括一個雙
層圓筒，該雙層圓筒位于真空爐內，通過絕緣體7與真空爐爐體電絕緣，該 雙層圓筒由小圓筒2和大圓筒3組成，小圓筒2位于大圓筒3內，小圓筒2 與大圓筒3的間距為10mm，小圓筒上平均分布直徑為5mm 6mm的孔洞， 相鄰兩孔洞的間距為30mm 40mm，載物臺6位于小圓筒2內，并通過絕緣 體7與真空爐爐體電絕緣，供電系統14的陰極通過陰極接口 4與大圓筒3 電連接。
上述進氣系統12主要由氣瓶和穩壓閥組成，其作用是保證氨氣可以連續 均衡地供應給真空爐。
上述抽真空系統13主要由旋片式機械泵和電阻真空計組成，其作用是通 過旋片式機械泵對真空爐爐體夾層空氣室進行抽真空，使其成為真空隔熱層， 并用電阻真空計對真空爐內進行氣壓測量。
上述供電系統14主要由變壓器和整流器組成，其主要用于調節施加給真 空爐內的電壓。
上述測溫系統15主要由鎧裝熱電偶、絕緣部分、屏蔽部分、間隙保護部 分和防電場干擾部分組成，其可直接接觸不同形狀的工件帶電測溫，測溫誤 差小，并且測量高度與位置均可調節，接觸可靠，不產生放電現象，測溫系 統15主要用于測量工件溫度，控制滲氮過程。
上述真空爐主要由放電罩、底板和密封圈組成，放電罩和底板由兩層鋼 板組成，中間由冷卻系統通水冷卻，以保證真空爐不至于升溫變質而失去密 封作用。
上述冷卻系統主要由水泵、進水口9、冷卻觀察窗10和出水口 ll組成， 進水口 9、冷卻觀察窗IO和出水口 11置于放電罩和底板的兩層鋼板之間。 一種新型真空表面強化技術，包括如下步驟
用工業清洗劑清洗待處理工件1的表面，然后進行裝爐，將工件l放置 在載物臺6上；
啟動抽真空系統13對真空爐爐體夾層空氣室進行抽真空，同時啟動冷卻 系統，當真空爐內真空度達到13.3Pa 133Pa時，通過進氣口 8向真空爐內 充入凈化過的氨氣，氨氣經過小圓筒2的孔洞均勻分布在整個真空爐內，使 工件1周圍的氨氣濃度均衡；
調節氨氣的流量，使真空爐內的壓強保持在133Pa 1333Pa，然后打開 供電系統14的電源，真空爐內的氨氣在高壓電場的作用下發生電離，產生輝
光放電效應；
根據氮化工藝參數的不同，可向真空爐內連續通入適量氨氣使爐內氣壓 達到50Pa 3000Pa的真空度，并通過供電系統14逐步調節電壓、電流，控
制氮化溫度，通過流量計調節爐內氣壓，使雙層圓筒保持空心陰極放電效應； 根據氮化工藝參數要求，使真空爐內的氮化溫度保持在450°C 650°C ，
并保持3小時 6小時的時間；
啟動抽真空系統13將真空爐內抽成低真空，關閉供電系統14的電源，
當工件1隨真空爐冷卻到20(TC時，將工件1從爐內取出。 本發明的有益效果如下
1) 與氣體滲氮相比本發明不存在氮勢控制問題，滲氮速度提高3 5 倍，廢氣排放量約為氣體滲氮的1/10000、真空滲氮的1/100,能源消耗為氣 體滲氮的1/3;
2) 與普通離子滲氮相比本發明滲氮基體與放電過程無關，工件表面不
再產生弧光放電，工件形狀也不再成為滲氮不均勻的限制因素，溫度均勻性 好，表面基本無離子轟擊濺射，保持工件表面原有的光潔度，工件表面化合
物層厚、致密度高，工作氣壓適用范圍大(10Pa 1000Pa);
3) 與全方位等離子體注入相比本發明不需要高壓電源和高真空設備，
設備簡單，成本低。


圖1是本發明的一種新型真空表面強化設備的結構示意圖。
圖中1、工件，2、小圓筒，3、大圓筒，4、陰極接口， 5、陽極接口， 6、載物臺，7、絕緣體，8、進氣口， 9、進水口， 10、冷卻觀察窗，11、出 水口， 12、進氣系統，13、抽真空系統，14、供電系統，15、測溫系統。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細地描述
如圖1所示，本發明的一種新型真空表面強化技術是將供電系統14的負極 接在真空爐內一個鐵制的網狀雙層圓筒上，雙層圓筒由小圓筒2與大圓筒3組 成，雙層圓筒的直徑約為300mm 350mm，小圓筒2與大圓筒3間距為10mm， 小圓筒上平均分布直徑為5mm 6mm的孔洞，孔洞間距為30mm 40mm，這 些孔洞是進行滲氮的物質傳遞通道；被處理的工件1置于小圓筒2的中間，工 件1呈電懸浮狀態或與直流偏壓相接，當供電系統14提供的直流高壓電源被接
通后，真空爐內的氨氣被電離；在直流電場的作用下，由輝光放電特性可知， 當兩陰極的間距L、陰極放電長度U與陰極位降區寬度dk三者滿足dk〈L/2， L〉U〉L/2關系時，將出現因兩負輝區迭加而致光強增大的現象，即空心陰極 效應，從而引起陰極之間的電子振蕩，增加電子與氣體分子碰撞幾率，產生 更多的激發和電離，從而加大極間的電流與離子密度。等離子體放電空心陰 極效應產生高濃度、高活性的滲擴原子，與活性很強的氮原子相結合，通過 吸附作用生成FeN吸附在工件表面，工件表面的FeN是不穩定的，隨著表面繼 續吸附和吸收活性氮原子，最初的滲層中的氮原子向基體金屬深處擴散形成 Fe2N—Fe3N—Fe4N。 一部分擴散形成Y'相化合物層，同時也有一部分粒子和 吸附的氮反應生成e相化合物層。
在離子滲氮過程中，雙層圓筒起兩個作用 一是作為陰極，保護工件； 二是通過輻射對工件進行加熱，在弧光放電過程中，有三種電子發射形式， 即光電子發射、熱電子發射、場致發射，這些電子能量多為20ev 70ev，能 將工件加熱到滲氮處理所需的溫度；由于在滲氮處理過程中，氣體離子是轟 擊這個雙層圓筒，而不是直接轟擊工件的表面，所以直流離子滲氮技術中存 在的問題也就應刃而解，如工件打弧、邊緣效應、電場效應、溫度測量等問 題，同時對離子滲氮電源的要求也大大降低，取消了以往消耗大量電能的限 流電阻。
本發明的一種新型真空表面強化技術的操作流程具體如下
(一) 工件清洗與裝爐
用工業清洗劑清洗工件1的表面，然后進行裝爐，將工件l放置在載物 臺6上，通過絕緣體7使之與電源隔離，這一點區別于現有的離子滲氮把工 件作為陰極進行熱處理的方式。
(二) 抽真空、起輝
啟動抽真空系統13的機械泵對真空爐爐體夾層空氣室進行抽真空，同時 啟動冷卻系統，由進水口9進水，通過出水口 ll排水，期間根據冷卻觀察窗 IO的窗口觀察水流是否通暢；當爐內真空度達到13.3Pa 133Pa時，進氣系 統12通過進氣口 8向真空爐內充入凈化過的氨氣，氨氣經過小圓筒2的孔洞， 均勻分布在整個真空爐內，使工件1周圍的氨氣濃度均衡；調節氨氣的流量， 使真空爐內的壓強保持在133Pa 1333Pa，打開供電系統14的電源，真空爐 內的氨氣在高壓電場的作用下發生電離，產生輝光放電效應。 (三) 升溫階段
根據氮化工藝參數的不同，可向真空爐內連續通入適量氨氣使爐內氣壓
達到50Pa 3000Pa的真空度，并通過供電系統14逐步調節電壓、電流，控 制氮化溫度，通過流量計調節爐內氣壓，使雙層圓筒保持空心陰極放電效應。
(四) 保溫階段
根據氮化工藝參數要求，使真空爐內的氮化溫度保持在45(TC 65(rC， 并保持3小時 6小時的時間。
(五) 冷卻階段
啟動抽真空系統13將真空爐內抽成低真空，關閉供電系統14的電源， 當工件1隨真空爐冷卻到200。C時，將工件1從爐內取出。
權利要求
1、 一種新型真空表面強化設備，包括真空爐、進氣系統(12)、抽真空 系統(13)、供電系統(14)、測溫系統(15)、冷卻系統、載物臺(6)和絕 緣體(7)，進氣系統(12)通過進氣口 (8)接入真空爐內，抽真空系統(13) 接入真空爐的爐體夾層空氣室內，供電系統(14)的陽極通過陽極接口 (5) 與真空爐爐體電連接，測溫系統(15)與待處理的工件(1)連接，冷卻系統 與真空爐爐體連接，其特征在于，該強化設備還包括一個雙層圓筒，該雙層 圓筒位于真空爐內，通過絕緣體(7)與真空爐爐體電絕緣，該雙層圓筒由小 圓筒(2)和大圓筒(3)組成，小圓筒(2)位于大圓筒(3)內，小圓筒(2) 與大圓筒(3)的間距為10mm，小圓筒上平均分布直徑為5mm 6mm的孔 洞，相鄰兩孔洞的間距為30mm 40mm，載物臺(6)位于小圓筒(2)內， 并通過絕緣體(7)與真空爐爐體電絕緣，供電系統(14)的陰極通過陰極接 口 (4)與大圓筒(3)電連接。
2、 一種新型真空表面強化技術，其特征在于，包括如下步驟 用工業清洗劑清洗待處理工件(1)的表面，然后進行裝爐，將工件(1)放置在載物臺(6)上；啟動抽真空系統(13)對真空爐爐體夾層空氣室進行抽真空，同時啟動 冷卻系統，當真空爐內真空度達到13.3Pa 133Pa時，通過進氣口 (8)向真 空爐內充入凈化過的氨氣，氨氣經過小圓筒(2)的孔洞均勻分布在整個真空 爐內，使工件(1)周圍的氨氣濃度均衡；調節氨氣的流量，使真空爐內的壓強保持在133Pa 1333Pa，然后打開 供電系統(14)的電源，真空爐內的氨氣在高壓電場的作用下發生電離，產 生輝光放電效應；根據氮化工藝參數的不同，可向真空爐內連續通入適量氨氣使爐內氣壓 達到50Pa 3000Pa的真空度，并通過供電系統(14)逐步調節電壓、電流， 控制氮化溫度，通過流量計調節爐內氣壓，使雙層圓筒保持空心陰極放電效 應；根據氮化工藝參數要求，使真空爐內的氮化溫度保持在45(TC 65(rC， 并保持3小時 6小時的時間；啟動抽真空系統(13)將真空爐內抽成低真空，關閉供電系統(14)的 電源，當工件(1)隨真空爐冷卻到20(TC時，將工件(1)從爐內取出。
全文摘要
本發明的一種新型真空表面強化技術和設備屬于等離子體表面改性的技術領域。該設備包括真空爐、進氣系統、抽真空系統、供電系統、測溫系統、冷卻系統、載物臺和絕緣體，其特征在于，還包括一個位于真空爐內的雙層圓筒，該雙層圓筒通過絕緣體與爐體電絕緣，載物臺位于雙層圓筒內，并與爐體電絕緣，供電系統的陰極與雙層圓筒電連接。對工件表面進行強化處理時，將工件放于載物臺上，接通直流高壓電源后，爐體作為電源陽極，雙層圓筒作為電源陰極，利用雙層圓筒的空心陰極效應對工件表面進行滲氮處理。本發明的有益效果是工件表面滲氮速度快，工藝簡單，保持工件表面原有光潔度，工件表面化合物層厚、致密度高，設備簡單，成本低。
文檔編號C23C8/06GK101122004SQ200710012930
公開日2008年2月13日 申請日期2007年9月19日 優先權日2007年9月19日
發明者吳雪敏, 孫俊才, 楊 李, 亮 王 申請人:大連海事大學