[其他]无外加热源真空离子渗碳

说明书

本发明属于化学热处理，更具体地说是用于离子渗碳的设备和方法。

目前国内外采用的先进渗碳方法主要有：气体渗碳，真空渗碳和真空离子渗碳。真空渗碳克服了气体渗碳的某些缺点，真空离子渗碳是目前优于气体渗碳和真空渗碳的一种渗碳技术。它是在真空炉内利用电阻热源的作用，先把工件加热到渗碳温度后，再向炉内通入渗碳气体，并在工件（阴极）和阳极之间施加直流电压，使气体电离，产生辉光放电实现渗碳的。

人们曾探索过在本来无外加热源的普通离子氮化炉中实现工业用高温离子渗碳，但都未能突破。如日本山中久彦在“铸锻造与热处理”（见《最近热处理技术动向》1983.2，No423）和门·波兹（M.Both）在“（英文）金属热处理”（见《等离子渗碳的理论与实践》1983.2）文章中都曾指出，在普通离子氮化设备中，即使耗费大功率，单靠离子轰击加热，欲使工件达到渗碳温度是不可能的，即必须依靠有外加热源的真空炉才能实现。本发明正是在现行的普通离子氮化炉中不加外加热源实现了工业性高温离子渗碳。

真空离子渗碳相对于真空渗碳而言具有：渗速快，渗碳效率高，沟槽、细盲孔处理效果好，工艺参数容易控制和较为省电省气等优点。但它依然存在真空渗碳所具有的设备投资大，有效利用空间小，长大零件处理受限制以及生产成本较高等缺点。

本发明的目的之一是在常用于650℃左右的普通离子氮化炉中，保持原炉功能，不附加任何外热源，只靠离子轰击来实现920～1050℃的工业用高温离子渗碳，提高渗碳速度。

本发明的目的之二是克服有外加热源真空离子渗碳炉有效利用空间小，长大零件不便处理的缺点，同时又能做到不采取任何措施而实现工件的局部渗碳。

本发明的目的之三是克服有外加热源真空离子渗碳设备投资大，耗电耗气量较大等缺点。

实现本发明的方案是：

根据异常辉光放电叠加原理，在由阴极输电装置、阳极、进排气装置和炉底板以及炉壳组成的普通离子氮化炉中，在阴极输电装置的阴极盘上放置的被渗碳工件（以下简称工件）的周围置有一定形状的金属套，其上均布有通孔。

为了现行的普通离子氮化炉的阴极输电装置能承受920～1050℃的渗碳温度，本发明将其导柱部位加设了水冷装置，绝缘瓶材料采用耐急冷急热的云母陶瓷，阴极承件盘及其下面的间隙屏蔽盘采用热强钢或耐热铸铁材料制成。阴极承件盘的厚度为20～40mm（视炉子的功率和最大装炉量选取），屏蔽盘的厚度≥5mm。

为保证渗碳质量，提高渗碳速度和节约渗剂，本发明在普通离子氮化炉进排气装置的进气管顶部接一可移开的带孔的散流环形管，孔的位置朝向炉的顶部，使进炉气氛不直接与工件接触，而是先由散流环形管上的孔将气氛喷到炉的顶部后，反射回来再到达工件。在阴极盘与炉底板之间装置一与普通离子氮化炉排气管制成一体的带孔的环形排气管，孔的位置朝向炉底板，即构成一下吸式排气管，使得废气经阴极盘四周均匀吸气后再集中排出。这样的进排气装置可保证渗碳气氛在放电地带有一最低临界停留时间，使渗碳气氛到达工件区域后，能迅速被电离以建立起高浓度梯度的活性碳势提高渗碳速度，同时保证消除气体在炉中出现涡流和死角，使渗碳气氛得到充分有效利用，以及使炉内温度和气压分布均匀。

为保证尽可能隔热，不致造成高温工件的热损失，即节约能耗，可另制作能方便吊进吊出的夹层筒状阳极来取代现行普通离子氮化炉用炉壳作阳极。

测温方法系采取在金属套与工件之间且靠近工件2～5mm处放置热电偶。

本发明选用96.5%的丙酮为渗碳气，99.9%的氨气为载气或稀释剂。为满足工件表面的渗碳浓度和渗层深度以及渗层浓度分布的要求，本发明系通过改变渗碳阶段和扩散阶段气氛比例来实现。

本发明的操作规程和工艺规范是：

1.按常规普通离子氮化炉操作方法，开泵抽真空度为5×10^-2托时，送直流电，然后送入小于5托的低气压氨气，再将电压调至400～500V，电流调至1～2mA/cm²，进行离子轰击预升温。

当温度到达500℃时，送入丙酮/氨＝ 1/10 的混合气;到达800℃时，调电压至700～800V，电流至3～4mA/cm²，送入丙酮/氨＝ 1/2 的混合气。到达渗碳温度后，按下列工艺参数进行：

1）气氛流量比-渗碳阶段氨（99.9%）/丙酮（96.5%）＝1∶（1～1.2）;扩散阶段氨/丙酮＝（1.2～1.5）∶1。

2）气压-5～15托。