專利名稱：新型輝光離子滲氮設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及滲氮設備，具體涉及一種輝光離子滲氮設備。
背景技術：
機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重等問題，在生產實踐中應用較少。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，經過長時間的保溫，然后使零件表面獲得高的表面硬度的化學熱處理方法，這種工藝方法是由氣體滲氮設備完成的。該工藝方法的優點是①設備結構簡單；②對零件的結構無特殊要求，尤其對深內孔、盲孔也能滲氮。因此在一定時期，這種工藝方法得到了廣泛應用。但是隨著我國國民經濟發展水平的不斷提高，以節約能源、減少排放為代表的綠色、可持續發展戰略方針得以確立。在這一社會背景下，氣體滲氮設備的能耗高、有害氣體排量大、生產效率低、質量不易控制等缺點逐步顯露出來，在生產實踐中，氣體滲氮設備已逐步成為淘汰的工藝裝備。輝光離子滲氮設備是依靠氣體輝光放電離子轟擊的方法來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熱處理工藝設備，如


圖1所示，現有的輝光離子滲氮設備包括爐體、電源1、控制電路2、測溫裝置、抽真空裝置和輸氣裝置；爐體包括活動罩 3、爐座4和連接在爐座上的陰極盤5，陰極盤5通過控制電路2與電源1負極電連接，連接活動罩3內壁上的滲碳陽極17通過控制電路2與電源1正極電連接；輸氣裝置包括連接在活動罩上且與爐體內腔連通的輸氣管7，輸氣管上自爐體由近及遠依次串接有流量計8、分解爐9和閥門11，輸氣管的進氣端與氣瓶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。與傳統的氣體滲氮相比，現有的輝光離子滲氮設備具有滲入速度快，滲層氮化物結構形態容易控制，零件變形小，節約能源，少、無污染排放等優點。但是，該設備對被處理零件的結構要求較高，尤其是對深內孔、盲孔類零件的內表面無法進行滲氮處理。這是因為，零件在離子滲氮過程中，爐壁是陽極，零件是陰極，陰陽極間通上高壓直流電，產生輝光放電，在陰極壓降區，氣體電離成正負離子(等離子體)，在電場作用下，正離子轟擊零件表面，使工件加熱并與之產生反應，產生活性原子滲入工件內部形成滲層，轟擊零件表面的離子動能來自正負極形成的電場作用，因此運動軌跡是直線性的，深盲孔或深通孔由于其結構的特殊性， 正離子很難完整地轟擊到整個深孔零件的內表面，即深內孔類零件在采用傳統的離子轟擊法進行滲氮處理時，必然存在滲氮盲區，從而嚴重影響零件的滲氮效果。此外，深內孔類零件在結構上類似于空心陰極，空心陰極內離子束彼此匯合，使輝光區匯集在一起，電流密度不斷增大，使深內孔類零件內表面溫度迅速升高，引起“空心陰極”效應，一旦出現“空心陰極”效應，離子滲氮會因溫度太高而無法進行。進入上世紀九十年代，脈沖離子滲氮電源的出現，為深內孔類零件的內表面滲氮問題地解決創造了條件，但是經過實踐證明，脈沖離子滲氮對長徑比小于10的零件，通過 合理控制エ藝參數能夠得到較好的滲氮效果。當孔類零件的長徑比大于10吋，深內孔類 零件的內表面因“滲氮盲區”和“空心陰極”效應的存在，滲氮效果仍然不理想，而且脈沖 離子滲氮電源的價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，降低了生產效率。 因此，設計ー種新型離子滲氮設備，系統地解決深孔類零件內表面的滲氮問題顯 得非常迫切。
發明內容—般深內孔類零件是結構対稱的回轉體型零件，在機械性能上要求經離子滲氮處 理后應具有性能対稱性，為得到対稱的滲氮效果，將零件放置在滲氮區域中心軸線位置進 行研究，以進行滲氮盲區公式推導，參見圖2，圖中附圖標記25代表爐體，附圖標記沈代表 深內孔類零件，m為深內孔類零件離子滲氮盲區高度，1為深內孔類零件的孔深；L為滲氮 陽極的有效高度，D為爐體有效直徑，d為深內孔類零件內孔直徑。圖2中因為A ABC和A EFC為相似三角形，所以有
X. _ d _ 2dy D d D + d(1)因為A 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 根據推導出的深內孔類零件離子滲氮盲區高度公式(5)，可以得出如下結論在 高度m范圍內零件內表面滲氮只能靠從m區以上經二次或多次反射的等離子體進行轟擊而實現，由于等離子體經多次反射后能量大大減弱，因而滲氮效果會大幅下降；即深內孔類零件m高度范圍內將形成滲氮盲區，盲區的范圍與內孔類零件的孔深、內孔直徑及滲氮陽極有效高度和爐體有效直徑有關。本實用新型的目的是設計一種新型輝光離子滲氮設備。該設備不但能對一般零件進行離子滲氮，而且能夠克服離子滲氮“滲氮盲區”和“空心陰極”效應的影響，實現對深盲孔或深通孔內表面需要表面強化的零件進行輝光離子滲氮，從而解決深盲孔或深通孔內表面離子滲氮效果差的問題，大幅度提升離子滲氮質量。基于上述理論分析，為了實現上述實用新型目的，在現輝光離子滲氮設備的基礎上加以改進，形成了本實用新型的下述技術方案。新型輝光離子滲氮設備包括爐體、電源、控制電路和輸氣裝置；爐體包括活動罩、 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氣管，進氣管與輸氣裝置連通；陰極盤設有通孔，進氣管上螺接有輔助陽極，輔助陽極的上端穿過通孔后位于陰極盤上方，輔助陽極內設有內腔，內腔的上端封閉，內腔的下端與進氣管連通，內腔的腔壁上設有出氣孔，輔助陽極通過控制電路與電源的正極電連接。所述陰極盤上連接有測溫陰極，測溫陰極內設有靠近測溫陰極外表面設置且與控制電路電連接的熱電偶。所述測溫陰極與滲氮零件形狀和結構一致、材質相同。所述輔助陽極呈管狀，包括低碳鋼管基體，低碳鋼管基體的外周面上環設有催滲材料層，催滲材料層的外周面上設有連通外部與低碳鋼管基體內腔的出氣孔。所述催滲材料層為鋁層或鈦層。所述輸氣裝置包括與進氣管連通的輸氣管，輸氣管上自爐體由近及遠依次串接有流量計、分解爐、干燥箱和閥門。本實用新型與現有輝光離子滲氮設備操作方式基本相同，所不同的是深內孔類零件放置在陰極盤上時，要使輔助陽極深入到深盲孔或深通孔內部。在新型離子滲氮設備中，滲氮氣體通過輸氣裝置、進氣管進入輔助陽極的內腔中， 滲氮氣體再經出氣孔進入到零件內部，由于輔助陽極深入到深盲孔或深通孔內部，因此為滲氮反應提供了充足的氣源。設備工作時，輔助陽極與零件內表面形成了高壓直流電場，滲氮氣體在高壓直流電場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表面，產生活性原子滲入到零件內部形成滲層，從而達到對深盲孔或深通孔內表面滲氮的目的。在對普通零件進行滲氮處理時，只需將輔助陽極卸下即可。本實用新型的輸氣裝置是在現有技術的基礎上加設了干燥箱，干燥箱內裝有中性或偏堿性干燥劑，如硅膠、無水氯化鈣或生石灰，可避免滲氮氣體含水量高而影響滲氮質量。根據公式(5)得出的結論，對不同高度的深內孔類零件進行滲氮時，其輔助陽極的高度值h應大于m值。同時本實用新型專利提供了影響零件滲氮質量的比值參數J，見公式(6)。經多次試驗表明比值參數J的最佳取值范圍為3.0 — 4.0[0033]
式中J為比值參數；d為深內孔類零件內孔直徑；Cltl為空心輔助陽極外圓直徑。 由公式(5)和公式(6)可知，輔助陽極的設計應同時滿足以下條件
權利要求1.一種新型輝光離子滲氮設備，包括爐體、電源、控制電路和輸氣裝置；爐體包括活動罩、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氣管，進氣管與輸氣裝置連通；陰極盤設有通孔，進氣管上螺接有輔助陽極，輔助陽極的上端穿過通孔后位于陰極盤上方，輔助陽極內設有內腔，內腔的上端封閉，內腔的下端與進氣管連通， 內腔的腔壁上設有出氣孔，輔助陽極通過控制電路與電源的正極電連接。
2.如權利要求1所述的新型輝光離子滲氮設備，其特征在于所述陰極盤上連接有測溫陰極，測溫陰極內設有靠近測溫陰極外表面設置且與控制電路電連接的熱電偶。
3.如權利要求2所述的新型輝光離子滲氮設備，其特征在于所述測溫陰極與滲氮零件形狀和結構一致、材質相同。
4.如權利要求1所述的新型輝光離子滲氮設備，其特征在于所述輔助陽極呈管狀，包括低碳鋼管基體，低碳鋼管基體的外周面上環設有催滲材料層，催滲材料層的外周面上設有連通外部與低碳鋼管基體內腔的出氣孔。
5.如權利要求4所述的新型輝光離子滲氮設備，其特征在于所述催滲材料層為鋁層或鈦層。
6.如權利要求1至5中任一權利要求所述的新型輝光離子滲氮設備，其特征在于所述輸氣裝置包括與進氣管連通的輸氣管，輸氣管上自爐體由近及遠依次串接有流量計、分解爐、干燥箱和閥門。
專利摘要本實用新型公開了一種新型輝光離子滲氮設備，包括爐體、電源、控制電路和輸氣裝置；爐體包括活動罩、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氣管，進氣管與輸氣裝置連通；陰極盤設有通孔，進氣管上螺接有輔助陽極，輔助陽極的上端穿過通孔后位于陰極盤上方，輔助陽極內設有內腔，內腔的上端封閉，內腔的下端與進氣管連通，內腔的腔壁上出氣孔，輔助陽極通過控制電路與電源的正極電連接。該設備結構簡單，不但能對非深孔類零件進行滲氮處理，而且能對深盲孔或深通孔零件的深盲孔或深通孔的內表面進行效果優良的滲氮處理。
文檔編號C23C8/36GK202131357SQ201120210228
公開日2012年2月1日 申請日期2011年6月21日 優先權日2011年6月21日
發明者盧銀德 申請人:山東濰坊生建機械廠(集團)