用计算机控制的等离子体源离子渗氮工艺及设备制造技术

材料表面改性领域中，用计算机控制的等离子体源离子渗氮工艺及设备，包括升温、保温、降温及离子注渗工艺过程和供电系统、供气系统、抽真空系统与主真空室所构成的设备，特征是采用自加热式加热工件，通过计算机自动控制正负脉冲对的重复频率、各自的占空比与幅值来实现对工件温度的控制，使之按设定的渗氮温度曲线变化，优点：简化设备，降低能耗４０％，过程完全自动化，工艺稳定，不打火，不起弧，不引起工件退火，安全可靠，重复性好。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到离子渗氮工艺，属于材料表面改性
渗氮工艺是材料表面强化的重要手段，目前，最先进的渗氮工艺是采用等离子体源离子渗氮工艺，这种工艺通常包括下面三个内容①将欲渗氮的工件置于真空室内，抽真空后充以低气压的氮气，之后借助某种放电机制，使产生氮等离子体；②启动安置在工件旁的加热器使之对工件加热，调节加热器功率以控制工件温度；③对工件上加上直流或脉冲负偏压，以吸引氮等离子体中的正离子对工件表面进行注渗。现有技术在实现这一工艺过程中，存在着两个主要问题①采用旁热式加热器加热工件，这不仅对形状复杂的工件来说，加热很难均匀，而且，加热器的设置增加了系统的复杂性，并对等离子体空间形成一定的干扰与污染；②等离子体源离子渗氮工艺是一个多参数的控制过程，这些参数有等离子体密度、等离子体电子能量分布函数、工作气体压强、工件偏压参数、氮离子流密度、渗氮温度、渗氮时间与注渗氮总剂量等，对于这些参数的调节，现有技术是通过手工方法来完成的。这种人工调节方法，随机性很大，随时而变，因人而异，因此，很难保障工艺的重复性，并且需要操作人员全神贯注，随时进行监控，增加了劳动强度。本专利技术的目的和任务是要克服现有技术在渗氮过程中，①需要旁热式加热器和由此带来的系统复杂性及对等离子体空间形成的干扰、污染；②对等离子体源离子渗氮工艺的多参数过程需要人工监控，不能实现自动控制的不足，并提出一种无需安置加热器而采用自热式加热工件的方法，同时采用计算机自动监控工艺过程，使等离子体源离子渗氮成为一种完全自动化的工艺过程，特提出本专利技术的技术解决方法。在渗氮过程中，工件需要加上一系列负偏压脉冲，负脉冲吸引正的氮离子对工件表面进行注渗，同时由于负偏压脉冲的作用，使离子获得动能，轰击工件表面，动能转化为热能，使工件温度升高，如果离子轰击时产生的热量与热辐射等原因损失的热量相等，则工件可维持在某一温度不变，显然，单位时间内离子轰击所带给工件的热能与脉冲频率，脉冲幅值及占空比有关。为了进一步说清这种关系，以实现完全自动控制的目的，首先说明自加热原理。“浸泡”在等离子体中待氮化处理的工件加上脉冲负偏压时，其表面便形成一鞘层，根据分子运动学理论可知，单位时间内打在单位面积鞘层表面的离子数为14niv‾i]]>其中ni为离子密度，vi为离子热运动平均速度，在负偏压的情况下，这些正离子都可穿过鞘层而达到工件表面，所以，进入工件表面的离子电流密度ji为ji=14eniv‾i=14eni(kTi/mi)12]]>其中e为单位电荷，kTi为离子温度，mi为离子质量。由于建立鞘层的时间一般小于1μs，比负脉冲宽度小很多，故可忽略鞘层形成过程中离子电流密度的变化，认为在负脉冲期间、离子电流密度均为ji。设负脉冲频率为f，脉宽为τ2，则平均离子电流密度ji为 设脉冲负偏压幅值为V2，则离子轰击工件表面产生的功率密度pi为pi=j‾i·V2=14enifτ2V2(kTi/mi)12]]>设工件暴露在等离子体中的表面积为S，则离子轰击产生的功率Pi为Pi=j‾iV2·S=14enifτ2S(kTi/mi)12]]>显然，对一个确定的工件，即S一定，在特定的等离子体参数条件下，即ni、kTi、mi一定，调节负脉冲的重复频率f，脉宽τ2与幅值V2，即可控制注入工件的总功率。当工件加正脉冲时，将引起电子轰击工件，脉冲电子电流密度je可按下式计算je=14enev‾e]]>其中，ne为电子密度，ve为电子热运动平均速度，类似于负脉冲的情况，可以推导得出平均电子电流密度je、电子加热功率密度pe与电子加热总功率Pe的公式j‾e=14enefτl(kTe)12]]>pe=14enefτlVl(kTe)12]]>pe=14enefτlVlS(kTe)12]]>式中τ1为正脉冲宽度，V1为正脉冲幅值，kTe为电子温度由于 ve＞＞vi故je＞＞ji即正脉冲具有比负脉冲大得多的加热功率，一般约大两个量级，这对大工件的升温阶段特别有意义。由此可知，氮化在实际操作的升温阶段、保温阶段和降温阶段中，通过调节离子轰击功率与电子轰击功率使其分别满足①升温阶段 ②保温阶段离子轰击功率＝热辐射等造成的功率损失③降温阶段 不难看出，如果离子轰击功率＜热辐射等造成的功率损失，那么，系统就处在降温阶段。显然， 即为停止离子轰击的自然冷却速率。因此，整个氮化过程，可以通过调节正负脉冲的重复频率、脉宽与幅值来控制工件的温度。这就是用计算机控制氮化工艺的基本原理。对于尺寸较小的工件，氮化的三个阶段，均可通过对负偏压脉冲参数的调节来实现控温；但是，对于大工件，由于其热容量较大，在升温阶段，只靠离子轰击，有时达不到所需的升温速率，故还采用电子轰击来提高工件升温速率。这就是要通过采用正负偏压脉冲对来实现的。本专利技术的基本构思是去掉旁热式加热器，采用离子/电子轰击工件的自热式加热工件，采用正负偏压脉冲对，通过调节其重复频率及各自的占空比与幅值以控制温度沿设定的渗氮温度曲线变化，用计算机循回检测工件温度，并在计算机内将检测值与设定值进行比较，使检测值趋于设定值或在设定值附近摆动，控温软件采用多参数比例积分微分PID控制技术，工件单位表面积所获得的总的注渗氮剂量，是通过计算机以一定的频率读取工件总电流、负偏压脉冲宽度以及在每个宽度下的负脉冲计数并按给定方程式计算。为安全起见，系统中还设置了弧流甄别系统和反馈控制电路。本专利技术所提出的用计算机控制的等离子体源离子渗氮工艺及设备，其工艺包括设定的升温，保温与降温过程和离子注渗过程，其特征在于采用自热式加热工件，即利用离子/电子轰击工件的能量加热工件；工件升温，保温和降温过程的温度控制，是通过调节工件负偏压的频率、幅值与占空比来调节工件的温度，对于大工件为达到所要求的升温速率，还采用电子轰击，这时，应通过采用正负偏压脉冲对来实现，正负脉冲对有相同的重复频率，其出现的时间完全错开并有一定的时间间隔，而其幅值与占空比可以分别独立调节，调节时，正负脉冲对重复频率T应满足以下关系T=1f=τ1+τ2+τ+Δt1+Δt2]]>其中τ1为正脉冲宽度，τ2为负脉冲宽度，τ为τ1、τ2可占用时间，Δt1为正脉冲与负脉冲的间隔，Δt2为负脉冲与正脉冲之间的最小间隔，通过调节正负脉冲对的重复频率及各自的占空比与幅值，可以使工件的温度在一定的误差范围内，沿设定的渗氮温度曲线变化，一般情况下，在保温、降温阶段正脉冲的幅值均取为零；工件单位表面积所获得总的注渗氮剂量D，是计算机以一定的频率读取工件总电流、负偏压脉冲宽度以及在每个宽度下的负脉冲计数，并按下式计算D=(1+η)e(1+γ)(ΣiIiΣjJ(i本文档来自技高网...

【技术保护点】
用计算机控制的等离子体源离子渗氮工艺及设备，其工艺包括升温、保温与降温过程和离子注渗过程，其特征在于：ａ）采用自加热式加热工件，即利用离子／电子轰击工件的能量加热工件，ｂ）工件升温，保温和降温过程中的温度控制，是通过调节工件负偏压的 频率、幅值与占空比来调节工件的温度，对于大工件，为达到所要求的升温速率，还采用电子轰击，这时，应通过采用正负偏压脉冲对来实现，正负脉冲对有相同的重复频率ｆ，其出现的时间完全错开，并有一定的时间间隔，而其幅值与占空比可以分别独立调节，调节时，正负脉冲对的周期Ｔ应满足：Ｔ＝１／ｆ＝τ↓［１］＋τ↓［２］＋τ＋Δｔ↓［１］＋Δｔ↓［２］通过调节正负脉冲对的重复频率及各自的占空比与幅值可以使工件的温度在一定的误差范围内，沿特定的渗氮温度曲线变化，一般情况下，保温、降温阶段正脉 冲的宽度均取为零，ｃ）工件单位表面积所获得总的注渗氮剂量Ｄ，是计算机以一定的频率读取工件总电流、负偏压脉冲宽度以及在每个宽度下的负脉冲计数，并按下式计算：Ｄ＝（１＋η）／ｅ（１＋γ）（＊Ｉ↓［ｉ］＊τ↓［ｉｊ］.ｎ↓［ｉｊ］）＋αＴ ｄ）在渗氮工艺过程中，各种参数的控制均由计算机完成，其程序是按照设定的渗氮温度曲线进行多参数比例积分微分ＰＩＤ自动控制，通过计算机内检测值与渗氮温度曲线或设定值的比较，进而调整偏压脉冲频率，占空比与幅值，使实际渗氮温度沿渗氮温度曲线或设 定值变化，ｅ）本专利技术方法的工艺步骤是：第一步 工件准备将工件表面清洗，最好浸泡在清洗液中用超声波清洗，然后凉干，第二步 装炉、抽真空、充氮气将凉干的工件，放在主真空室内的工件平台上，关闭真空室门，抽真空至１×１０↑［－２ ］Ｐａ～１×１０↑［－４］Ｐａ后，再充氮气使气压达１Ｐａ～１×１０↑［－２］Ｐａ，第三步 激励产生等离子体利用直流辉光放电，或射频辉光放电，或微波ＥＣＲ放电在工件周围激励产生等离子体，第四步 启动自动渗氮控制程序开启正负脉冲 电源和计算机控制系统电源，启动自动渗氮控制程序，选择或设定渗氮温度曲线，于是计算机便按多参数比例积分微分ＰＩＤ控制原理，调整控制正负脉冲参数，使实际渗氮温度按设定的渗氮温度曲线变化，直至过程结束，如遇异常，系统自动报警，并提示排除故障， 第五步 停机、工件出炉检测过程结束后，自动停机，此时即可取样并检测，一般进行常规金相和性能检测。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邓新绿，马腾才，王德真，王延平，杨福宝，陆文琪，张家良，闫海洋，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]