[实用新型]新型辉光离子渗氮设备

说明书

技术领域

本实用新型涉及渗氮设备，具体涉及一种辉光离子渗氮设备。

背景技术

机械零件的渗氮是在一定温度下（一般在Ac1以下）使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺。常用的渗氮方法有：气体渗氮、液体渗氮和离子渗氮等。液体渗氮因存在污染排放和渗氮层疏松严重等问题，在生产实践中应用较少。气体渗氮是将被处理的零件加热到一定的温度（一般是：450℃～600℃），通入含氮的分解气体，经过长时间的保温，然后使零件表面获得高的表面硬度的化学热处理方法，这种工艺方法是由气体渗氮设备完成的。

该工艺方法的优点是：①设备结构简单；②对零件的结构无特殊要求，尤其对深内孔、盲孔也能渗氮。因此在一定时期，这种工艺方法得到了广泛应用。但是随着我国国民经济发展水平的不断提高，以节约能源、减少排放为代表的绿色、可持续发展战略方针得以确立。在这一社会背景下，气体渗氮设备的能耗高、有害气体排量大、生产效率低、质量不易控制等缺点逐步显露出来，在生产实践中，气体渗氮设备已逐步成为淘汰的工艺装备。

辉光离子渗氮设备是依靠气体辉光放电离子轰击的方法来加热工件并获得活性离子，使活性氮原子渗入工件表面的化学热处理工艺设备，如图1所示，现有的辉光离子渗氮设备包括炉体、电源1、控制电路2、测温装置、抽真空装置和输气装置；炉体包括活动罩3、炉座4和连接在炉座上的阴极盘5，阴极盘5通过控制电路2与电源1负极电连接，连接活动罩3内壁上的渗碳阳极17通过控制电路2与电源1正极电连接；输气装置包括连接在活动罩上且与炉体内腔连通的输气管7，输气管上自炉体由近及远依次串接有流量计8、分解炉9和阀门11，输气管的进气端与气瓶12连通，抽真空装置包括由控制电路控制的真空泵18和压力传感器19，测温装置为连接在阴极盘上且与控制电路电路电连接的热电偶21。与传统的气体渗氮相比，现有的辉光离子渗氮设备具有渗入速度快，渗层氮化物结构形态容易控制，零件变形小，节约能源，少、无污染排放等优点。但是，该设备对被处理零件的结构要求较高，尤其是对深内孔、盲孔类零件的内表面无法进行渗氮处理。这是因为,零件在离子渗氮过程中，炉壁是阳极，零件是阴极，阴阳极间通上高压直流电，产生辉光放电，在阴极压降区，气体电离成正负离子(等离子体)，在电场作用下，正离子轰击零件表面，使工件加热并与之产生反应，产生活性原子渗入工件内部形成渗层，轰击零件表面的离子动能来自正负极形成的电场作用，因此运动轨迹是直线性的，深盲孔或深通孔由于其结构的特殊性，正离子很难完整地轰击到整个深孔零件的内表面，即深内孔类零件在采用传统的离子轰击法进行渗氮处理时，必然存在渗氮盲区，从而严重影响零件的渗氮效果。此外，深内孔类零件在结构上类似于空心阴极，空心阴极内离子束彼此汇合，使辉光区汇集在一起，电流密度不断增大，使深内孔类零件内表面温度迅速升高，引起“空心阴极”效应，一旦出现“空心阴极”效应，离子渗氮会因温度太高而无法进行。

进入上世纪九十年代，脉冲离子渗氮电源的出现，为深内孔类零件的内表面渗氮问题地解决创造了条件，但是经过实践证明，脉冲离子渗氮对长径比小于10的零件，通过合理控制工艺参数能够得到较好的渗氮效果。当孔类零件的长径比大于10时，深内孔类零件的内表面因“渗氮盲区”和“空心阴极”效应的存在，渗氮效果仍然不理想，而且脉冲离子渗氮电源的价格比普通的直流电源要高出50%左右，升温速度比普通直流电源要下降30-50%左右，降低了生产效率。

因此，设计一种新型离子渗氮设备，系统地解决深孔类零件内表面的渗氮问题显得非常迫切。

发明内容

一般深内孔类零件是结构对称的回转体型零件，在机械性能上要求经离子渗氮处理后应具有性能对称性，为得到对称的渗氮效果，将零件放置在渗氮区域中心轴线位置进行研究，以进行渗氮盲区公式推导，参见图2，图中附图标记25代表炉体，附图标记26代表深内孔类零件， m为深内孔类零件离子渗氮盲区高度，l为深内孔类零件的孔深；L为渗氮阳极的有效高度，D为炉体有效直径，d为深内孔类零件内孔直径。

图2中：因为△ABC和△EFC为相似三角形，所以有：

            (1)

因为△ABC和△AGF为相似三角形，所以有：

所以有：

        (2)

将公式（2）代入公式（1）可得：

            （3）

从图2可以看出：     （4）

将公式（3）代入公式（4）可得：

       （5）