專利名稱：一種新型真空表面強化設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及等離子體表面改性的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在真空條 件下對工件表面進(jìn)行離子滲氮處理的設(shè)備。
技術(shù)背景離子滲氮是將工件置于輝光放電裝置的真空容器中，以工件為陰極，容 器壁或另設(shè)金屬板作為陽極，充一稀薄的含氮氣體，在直流高壓電場的作用 下，使氣體原子電離成離子，離子以比較高的速度撞擊陰極工件，工件表面 上的氮離子失去能量被工件吸收，并向內(nèi)部擴散形成滲氮層的過程。離子滲氮不僅能實現(xiàn)可控氮化、可局部硬化、使用純氫、氮氣為氣源無 環(huán)境污染等優(yōu)點，并且離子滲氮不生成脆性相，滲層致密，與氣體滲氮相比 有更高的耐磨性、耐蝕性和抗疲勞性能。但是，離子滲氮也存在以下缺點1) 溫度不均勻性現(xiàn)有的離子滲氮加熱很難保證溫度的均勻性，當(dāng)?shù)入x子體加熱時，工件的溫度不僅取決于等離子體的能量，也和表面積和體積有關(guān)，在 電壓、氣體成分等參數(shù)一定的條件下，表面積和體積比越大，離子轟擊輸入 的能量越大，溫度升高很快，不同形狀的工件進(jìn)行受熱不均勻，造成工件性 能下降；2)表面打弧在工件表面的局部位置因清理不干凈而存在有機物質(zhì) 時，則會引起打弧，產(chǎn)生極高的溫度，使該部位的金屬材料熔化或濺射出來， 傷害工件表面；3)邊緣效應(yīng)由于加熱的不均勻性，造成邊緣部位與中心區(qū) 域溫度不一，表面顏色不均勻，氮化層厚度不一致。 發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種新型真空表面強化設(shè)備，具有滲氮速度快、 工藝簡單、保持工件表面原有光潔度、工件表面化合物層厚、致密度高、設(shè) 備簡單、成本低的優(yōu)點。為了達(dá)到上述目的，本實用新型的技術(shù)方案如下一種新型真空表面強化設(shè)備，包括真空爐、進(jìn)氣系統(tǒng)12、抽真空系統(tǒng)13、供電系統(tǒng)14、測溫系統(tǒng)15、冷卻系統(tǒng)、載物臺6和絕緣體7，進(jìn)氣系統(tǒng)12 通過進(jìn)氣口8接入真空爐內(nèi)，抽真空系統(tǒng)13接入真空爐的爐體夾層空氣室內(nèi)， 供電系統(tǒng)14的陽極通過陽極接口 5與真空爐爐體電連接，測溫系統(tǒng)15與待 處理的工件l連接，冷卻系統(tǒng)與真空爐爐體連接；該強化設(shè)備還包括一個雙層圓筒，該雙層圓筒位于真空爐內(nèi)，通過絕緣體7與真空爐爐體電絕緣，該 雙層圓筒由小圓筒2和大圓筒3組成，小圓筒2位于大圓筒3內(nèi)，小圓筒2 與大圓筒3的間距為10mm，小圓筒上平均分布直徑為5mm 6mm的孔洞， 相鄰兩孔洞的間距為30mm 40mm，載物臺6位于小圓筒2內(nèi)，并通過絕緣 體7與真空爐爐體電絕緣，供電系統(tǒng)14的陰極通過陰極接口 4與大圓筒3 電連接。上述進(jìn)氣系統(tǒng)12主要由氣瓶和穩(wěn)壓閥組成，其作用是保證氨氣可以連續(xù) 均衡地供應(yīng)給真空爐。上述抽真空系統(tǒng)13主要由旋片式機械泵和電阻真空計組成，其作用是通 過旋片式機械泵對真空爐爐體夾層空氣室進(jìn)行抽真空，使其成為真空隔熱層， 并用電阻真空計對真空爐內(nèi)進(jìn)行氣壓測量。上述供電系統(tǒng)14主要由變壓器和整流器組成，其主要用于調(diào)節(jié)施加給真 空爐內(nèi)的電壓。上述測溫系統(tǒng)15主要由鎧裝熱電偶、絕緣部分、屏蔽部分、間隙保護部 分和防電場干擾部分組成，其可直接接觸不同形狀的工件帶電測溫，測溫誤 差小，并且測量高度與位置均可調(diào)節(jié)，接觸可靠，不產(chǎn)生放電現(xiàn)象，測溫系 統(tǒng)15主要用于測量工件溫度，控制滲氮過程。上述真空爐主要由放電罩、底板和密封圈組成，放電罩和底板由兩層鋼 板組成，中間由冷卻系統(tǒng)通水冷卻，以保證真空爐不至于升溫變質(zhì)而失去密 封作用。上述冷卻系統(tǒng)主要由水泵、進(jìn)水口9、冷卻觀察窗10和出水口 ll組成， 進(jìn)水口 9、冷卻觀察窗IO和出水口 11置于放電罩和底板的兩層鋼板之間。 本實用新型的有益效果如下O與氣體滲氮相比本實用新型不存在氮勢控制問題，滲氮速度提高3 5倍，廢氣排放量約為氣體滲氮的1/10000、真空滲氮的1/100，能源消耗為 氣體滲氮的1/3;2) 與普通離子滲氮相比本實用新型滲氮基體與放電過程無關(guān)，工件表 面不再產(chǎn)生弧光放電，工件形狀也不再成為滲氮不均勻的限制因素，溫度均 勻性好，表面基本無離子轟擊濺射，保持工件表面原有的光潔度，工件表面 化合物層厚、致密度高，工作氣壓適用范圍大(10Pa 1000Pa);3) 與全方位等離子體注入相比本實用新型不需要高壓電源和高真空設(shè)備，設(shè)備簡單，成本低。

圖1是本實用新型的一種新型真空表面強化設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、工件，2、小圓筒，3、大圓筒，4、陰極接口， 5、陽極接口， 6、載物臺，7、絕緣體，8、進(jìn)氣口， 9、進(jìn)水口， 10、冷卻觀察窗，11、出 水口， 12、進(jìn)氣系統(tǒng)，13、抽真空系統(tǒng)，14、供電系統(tǒng)，15、測溫系統(tǒng)。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進(jìn)一步詳細(xì)地描述如圖1所示，本實用新型的一種新型真空表面強化設(shè)備是將供電系統(tǒng)14 的負(fù)極接在真空爐內(nèi)一個鐵制的網(wǎng)狀雙層圓筒上，雙層圓筒由小圓筒2與大圓 筒3組成，雙層圓筒的直徑約為300mm 350mm，小圓筒2與大圓筒3間距為 10mm，小圓筒上平均分布直徑為5mm 6mm的孔洞，孔洞間距為30mm 40mm，這些孔洞是進(jìn)行滲氮的物質(zhì)傳遞通道；被處理的工件1置于小圓筒2 的中間，工件l呈電懸浮狀態(tài)或與直流偏壓相接，當(dāng)供電系統(tǒng)14提供的直流高 壓電源被接通后，真空爐內(nèi)的氨氣被電離；在直流電場的作用下，由輝光放 電特性可知，當(dāng)兩陰極的間距L、陰極放電長度U與陰極位降區(qū)寬度dk三者滿 足dk〈L/2， L〉Lk〉L/2關(guān)系時，將出現(xiàn)因兩負(fù)輝區(qū)迭加而致光強增大的現(xiàn)象， 即空心陰極效應(yīng)，從而引起陰極之間的電子振蕩，增加電子與氣體分子碰撞 幾率，產(chǎn)生更多的激發(fā)和電離，從而加大極間的電流與離子密度。等離子體 放電空心陰極效應(yīng)產(chǎn)生高濃度、高活性的滲擴原子，與活性很強的氮原子相 結(jié)合，通過吸附作用生成FeN吸附在工件表面，工件表面的FeN是不穩(wěn)定的， 隨著表面繼續(xù)吸附和吸收活性氮原子，最初的滲層中的氮原子向基體金屬深 處擴散形成Fe2N—Fe3N—Fe4N。 一部分?jǐn)U散形成Y'相化合物層，同時也有一 部分粒子和吸附的氮反應(yīng)生成e相化合物層。在離子滲氮過程中，雙層圓筒起兩個作用 一是作為陰極，保護工件； 二是通過輻射對工件進(jìn)行加熱，在弧光放電過程中，有三種電子發(fā)射形式， 即光電子發(fā)射、熱電子發(fā)射、場致發(fā)射，這些電子能量多為20ev 70ev，能 將工件加熱到滲氮處理所需的溫度；由于在滲氮處理過程中，氣體離子是轟 擊這個雙層圓筒，而不是直接轟擊工件的表面，所以直流離子滲氮技術(shù)中存 在的問題也就應(yīng)刃而解，如工件打弧、邊緣效應(yīng)、電場效應(yīng)、溫度測量等問 題，同時對離子滲氮電源的要求也大大降低，取消了以往消耗大量電能的限流電阻。本實用新型的一種新型真空表面強化設(shè)備的操作流程具體如下-(一) 工件清洗與裝爐用工業(yè)清洗劑清洗工件1的表面，然后進(jìn)行裝爐，將工件1放置在載物臺6上，通過絕緣體7使之與電源隔離，這一點區(qū)別于現(xiàn)有的離子滲氮把工 件作為陰極進(jìn)行熱處理的方式。(二) 抽真空、起輝啟動抽真空系統(tǒng)13的機械泵對真空爐爐體夾層空氣室進(jìn)行抽真空，同時 啟動冷卻系統(tǒng)，由進(jìn)水口9進(jìn)水，通過出水口 ll排水，期間根據(jù)冷卻觀察窗 IO的窗口觀察水流是否通暢；當(dāng)爐內(nèi)真空度達(dá)到13.3Pa 133Pa時，進(jìn)氣系 統(tǒng)12通過進(jìn)氣口8向真空爐內(nèi)充入凈化過的氨氣，氨氣經(jīng)過小圓筒2的孔洞， 均勻分布在整個真空爐內(nèi)，使工件1周圍的氨氣濃度均衡；調(diào)節(jié)氨氣的流量， 使真空爐內(nèi)的壓強保持在133Pa 1333Pa，打開供電系統(tǒng)14的電源，真空爐 內(nèi)的氨氣在高壓電場的作用下發(fā)生電離，產(chǎn)生輝光放電效應(yīng)。(三) 升溫階段根據(jù)氮化工藝參數(shù)的不同，可向真空爐內(nèi)連續(xù)通入適量氨氣使?fàn)t內(nèi)氣壓 達(dá)到50Pa 3000Pa的真空度，并通過供電系統(tǒng)14逐步調(diào)節(jié)電壓、電流，控 制氮化溫度，通過流量計調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣壓，使雙層圓筒保持空心陰極放電效應(yīng)。(四) 保溫階段根據(jù)氮化工藝參數(shù)要求，使真空爐內(nèi)的氮化溫度保持在450°C 650°C ， 并保持3小時 6小時的時間。(五) 冷卻階段啟動抽真空系統(tǒng)13將真空爐內(nèi)抽成低真空，關(guān)閉供電系統(tǒng)14的電源， 當(dāng)工件1隨真空爐冷卻到20(TC時，將工件1從爐內(nèi)取出。
權(quán)利要求1、一種新型真空表面強化設(shè)備，包括真空爐、進(jìn)氣系統(tǒng)(12)、抽真空系統(tǒng)(13)、供電系統(tǒng)(14)、測溫系統(tǒng)(15)、冷卻系統(tǒng)、載物臺(6)和絕緣體(7)，進(jìn)氣系統(tǒng)(12)通過進(jìn)氣口(8)接入真空爐內(nèi)，抽真空系統(tǒng)(13)接入真空爐的爐體夾層空氣室內(nèi)，供電系統(tǒng)(14)的陽極通過陽極接口(5)與真空爐爐體電連接，測溫系統(tǒng)(15)與待處理的工件(1)連接，冷卻系統(tǒng)與真空爐爐體連接，其特征在于，該強化設(shè)備還包括一個雙層圓筒，該雙層圓筒位于真空爐內(nèi)，通過絕緣體(7)與真空爐爐體電絕緣，該雙層圓筒由小圓筒(2)和大圓筒(3)組成，小圓筒(2)位于大圓筒(3)內(nèi)，小圓筒(2)與大圓筒(3)的間距為10mm，小圓筒上平均分布直徑為5mm～6mm的孔洞，相鄰兩孔洞的間距為30mm～40mm，載物臺(6)位于小圓筒(2)內(nèi)，并通過絕緣體(7)與真空爐爐體電絕緣，供電系統(tǒng)(14)的陰極通過陰極接口(4)與大圓筒(3)電連接。
專利摘要本實用新型的一種新型真空表面強化設(shè)備屬于等離子體表面改性的技術(shù)領(lǐng)域。該設(shè)備包括真空爐、進(jìn)氣系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、載物臺和絕緣體，其特征在于，還包括一個位于真空爐內(nèi)的雙層圓筒，該雙層圓筒通過絕緣體與爐體電絕緣，載物臺位于雙層圓筒內(nèi)，并與爐體電絕緣，供電系統(tǒng)的陰極與雙層圓筒電連接。對工件表面進(jìn)行強化處理時，將工件放于載物臺上，接通直流高壓電源后，爐體作為電源陽極，雙層圓筒作為電源陰極，利用雙層圓筒的空心陰極效應(yīng)對工件表面進(jìn)行滲氮處理。本實用新型的有益效果是工件表面滲氮速度快，工藝簡單，保持工件表面原有光潔度，工件表面化合物層厚、致密度高，設(shè)備簡單，成本低。
文檔編號C23C8/06GK201082898SQ20072001465
公開日2008年7月9日 申請日期2007年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月19日
發(fā)明者吳雪敏, 孫俊才, 楊 李, 亮 王 申請人:大連海事大學(xué)