新型辉光离子渗氮设备制造技术

本实用新型专利技术公开了一种新型辉光离子渗氮设备，包括炉体、电源、控制电路和输气装置；炉体包括活动罩、炉座和连接在炉座上的阴极盘，炉座上连接有位于阴极盘下方的进气管，进气管与输气装置连通；阴极盘设有通孔，进气管上螺接有辅助阳极，辅助阳极的上端穿过通孔后位于阴极盘上方，辅助阳极内设有内腔，内腔的上端封闭，内腔的下端与进气管连通，内腔的腔壁上出气孔，辅助阳极通过控制电路与电源的正极电连接。该设备结构简单，不但能对非深孔类零件进行渗氮处理，而且能对深盲孔或深通孔零件的深盲孔或深通孔的内表面进行效果优良的渗氮处理。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及渗氮设备，具体涉及一种辉光离子渗氮设备。
技术介绍
机械零件的渗氮是在一定温度下(一般在Acl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°C 600°C)，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，如附图说明图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 合理控制エ艺參数能够得到较好的渗氮效果。当孔类零件的长径比大于10吋，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，设计ー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。
技术实现思路
—般深内孔类零件是结构対称的回转体型零件，在机械性能上要求经离子渗氮处 理后应具有性能対称性，为得到対称的渗氮效果，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，參见图2，图中附图标记25代表炉体，附图标记沈代表 深内孔类零件，m为深内孔类零件离子渗氮盲区高度，1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A ABC和A EFC为相似三角形，所以有X. _ d _ 2dy D d D + d(1)因为A ABC和A AGF为相似三角形，所以有DD -dD + ddy+ 所以有(L - I U D + d ) ヌ=--将公式(2)代入公式(1)可得: _ Id(L-I)d⑵(3)从图2可以看出 m I-X (4)将公式(3)代入公式(4)可得2d(5)mD — d 根据推导出的深内孔类零件离子渗氮盲区高度公式(5)，可以得出如下结论在 高度m范围内零件内表面渗氮只能靠从m区以上经二次或多次反射的等离子体进行轰击而实现，由于等离子体经多次反射后能量大大减弱，因而渗氮效果会大幅下降；即深内孔类零件m高度范围内将形成渗氮盲区，盲区的范围与内孔类零件的孔深、内孔直径及渗氮阳极有效高度和炉体有效直径有关。本技术的目的是设计一种新型辉光离子渗氮设备。该设备不但能对一般零件进行离子渗氮，而且能够克服离子渗氮“渗氮盲区”和“空心阴极”效应的影响，实现对深盲孔或深通孔内表面需要表面强化的零件进行辉光离子渗氮，从而解决深盲孔或深通孔内表面离子渗氮效果差的问题，大幅度提升离子渗氮质量。基于上述理论分析，为了实现上述技术目的，在现辉光离子渗氮设备的基础上加以改进，形成了本技术的下述技术方案。新型辉光离子渗氮设备包括炉体、电源、控制电路和输气装置；炉体包括活动罩、 炉座和连接在炉座上的阴极盘，其特征在于炉座上连接有位于阴极盘下方的进气管，进气管与输气装置连通；阴极盘设有通孔，进气管上螺接有辅助阳极，辅助阳极的上端穿过通孔后位于阴极盘上方，辅助阳极内设有内腔，内腔的上端封闭，内腔的下端与进气管连通，内腔的腔壁上设有出气孔，辅助阳极通过控制电路与电源的正极电连接。所述阴极盘上连接有测温阴极，测温阴极内设有靠近测温阴极外表面设置且与控制电路电连接的热电偶。所述测温阴极与渗氮零件形状和结构一致、材质相同。所述辅助阳极呈管状，包括低碳钢管基体，低碳钢管基体的外周面上环设有催渗材料层，催渗材料层的外周面上设有连通外部与低碳钢管基体内腔的出气孔。所述催渗材料层为铝层或钛层。所述输气装置包括与进气管连通的输气管，输气管上自炉体由近及远依次串接有流量计、分解炉、干燥箱和阀门。本技术与现有辉光离子渗氮设备操作方式基本相同，所不同的是深内孔类零件放置在阴极盘上时，要使辅助阳极深入到深盲孔或深通孔内部。在新型离子渗氮设备中，渗氮气体通过输气装置、进气管进入辅助阳极的内腔中， 渗氮气体再经出气孔进入到零件内部，由于辅助阳极深入到深盲孔或深通孔内部，因此为渗氮反应提供了充足的气源。设备工作时，辅助阳极与零件内表面形成了高压直流电场，渗氮气体在高压直流电场的作用下电离生成含有渗入元素的正离子，轰击作为阴极的零件内表面，产生活性原子渗入到零件内部形成渗层，从而达到对深盲孔或深通孔内表面渗氮的目的。在对普通零件进行渗氮处理时，只需将辅助阳极卸下即可。本技术的输气装置是在现有技术的基础上加设了干燥箱，干燥箱内装有中性或偏碱性干燥剂，如硅胶、无水氯化钙或生石灰，可避免渗氮气体含水量高而影响渗氮质量。根据公式(5)得出的结论，对不同高度的深内孔类零件本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种新型辉光离子渗氮设备，包括炉体、电源、控制电路和输气装置；炉体包括活动罩、炉座和连接在炉座上的阴极盘，其特征在于炉座上连接有位于阴极盘下方的进气管，进气管与输气装置连通；阴极盘设有通孔，进气管上螺接有辅助阳极，辅助阳极的上端穿过通孔后位于阴极盘上方，辅助阳极内设有内腔，内腔的上端封闭，内腔的下端与进气管连通，内腔的腔壁上设有出气孔，辅助阳极通过控制电路与电源的正极电连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：卢银德，
申请(专利权)人：山东潍坊生建机械厂集团，
类型：实用新型
国别省市：37