[发明专利]大型双控温式活性屏离子渗氮装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用高频直流辉光放电产生的等离子体对黑色金属材料表面进行离子渗氮处理的大型热处理装置。

背景技术

传统的离子渗氮处理是将被处理工件置于真空炉内，工件接高频直流高压电源的负极，炉壳接高频直流电源的正极，并接地保护。在直流电场作用下，真空炉内发生气体辉光放电现象，气体被电离，电离了的正离子轰击阴极（工件）的表面，将工件加热到渗氮所需要的温度。气体辉光放电产生的等离子体可加快化学反应速度，并提高处理的质量。但是，接在工件上的直流负高压也带来一些难以克服的技术问题，如工件表面打弧、炉内工件温度不均匀、不易准确测量工件的温度、工件表面易产生空心阴极效应和电场效应、大小工件不能混装、直流高压电源容易因打弧而过流损坏等。这些问题一直阻碍了离子渗氮技术的发展和推广应用。

为解决这些问题，美国专利US—5,989,363提出一种活性屏离子渗氮技术（Active Screen Plasma Nitriding，简称ASPN技术）。ASPN技术是在离子渗氮炉内放置一个铁制的笼子，该铁制笼子即为活性屏，铁制笼子与高频直流电源的负极相接，而被处理工件置于铁制笼子的中间，呈电悬浮状态。在活性屏离子渗氮处理过程中，铁制笼子被正离子轰击加热，并溅射下一些含铁的粒子沉积在工件的表面进行渗氮。

该专利的缺陷在于：在活性屏离子渗氮炉内，因为工件是靠笼子的热辐射加热到渗氮处理的温度，所以距离笼子较近的工件温度就要高于距离笼子较远的工件温度，笼子的直径越大，炉子径向工件之间的温差就越大，从而对炉内径向工件之间的渗氮均匀性造成较大影响。实际应用表明，此专利技术只能适用于直径小于150mm的小型离子渗氮炉，而对于直径大于150mm的大型离子渗氮炉，无法起到渗氮作用。

发明内容

本发明的目的是要提供一种能够解决大型活性屏离子渗氮炉内工件渗氮均匀性差的问题，提高活性屏离子渗氮工件质量的大型双控温式活性屏离子渗氮装置。

本发明的技术解决方案是：大型双控温式活性屏离子渗氮装置，它包括真空炉、高频直流主电源、活性屏和工件载物台；真空炉配备有供气系统和真空系统；活性屏为铁制笼子，它设置在真空炉内；高频直流主电源的负极与活性屏连接，正极与真空炉炉体连接，并接地保护；工件载物台设置在铁制笼子内；所述装置还包括高频直流偏压电源、控制计算机和热电偶；高频直流偏压电源的负极与工件载物台相连接，正极与炉体相连接，并接地保护，高频直流偏压电源电压高于自溅射阈值；热电偶有两支，一支活性屏热电偶放置在靠近笼子的位置，活性屏热电偶采集的温度数据通过控制计算机调节高频直流主电源的直流电压和占空比，另一支工件热电偶则放置在工件载物台中间，工件热电偶采集的温度数据通过控制计算机调节高频直流偏压电源的直流电压和占空比。

进一步地说，当铁制笼子被加热到工件不打弧的温度后，接通高频直流偏压电源。

本发明在进行活性屏离子渗氮处理时，先接通高频直流主电源，使铁制笼子产生辉光放电并开始加热，当靠近笼子的热电偶温度达到工件不打弧温度时（大于400℃），再接通高频直流偏压电源，利用偏压电源继续加热工件，直到工件达到渗氮所需的温度。本发明的优点是：第一，在大型活性屏离子渗氮炉内分别设置一套高频直流主电源和一套偏压电源，高频直流主电源的负极与活性屏相连接，正极与炉体连接，起到加热工件和提供渗氮载体的作用；同时在工件载物台上施加达到自溅射电压的偏压电源，通过负偏压的自溅射作用，使远离活性屏的工件也能获得较好的渗氮效果。试验证明，本发明可用于炉内直径大于150毫米的活性屏离子渗氮炉，用于炉内直径大于800毫米的活性屏离子渗氮炉渗氮时效果仍然很好。第二，在大型活性屏离子渗氮炉内设置两支热电偶，一支热电偶放置在靠近活性屏的位置，用于测量铁制笼子的温度，并通过调节高频直流主电源的直流电压和占空比，实现对铁制笼子温度的自动控制；另一支热电偶则放置在工件载物台中间，用于测量工件的温度，并通过调节高频直流偏压电源的直流电压和占空比，实现对工件温度的自动控制；使得大型活性屏离子渗氮炉工作区域内，工件均能取得较好的渗氮效果，并改善了离子渗氮炉内的温度均匀性，提高了工件的渗氮质量。第三，在工件的升温过程中，只要笼子将工件加热到不会打弧的温度时（大于400℃），即可接通偏压电源，这时可以利用主电源和偏压电源一起对工件进行加热，加快了工件的加热速度，缩短了离子渗氮的处理周期。

附图说明

附图是本发明的示意图。