交互式双阴极离子表面热处理炉的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种化学热处理设备，特别是辉光离子氮化炉，属于热处理技术领域。
【背景技术】
[0002]辉光离子渗氮法是在充以含氮气体的低真空炉体内金属工件作为阴极、炉体作为阳极，氨或氮氢原子在高压直流电场下被电离为氮和氢的正离子和带负电荷的电子，在阴阳极之间形成等离子区，氮和氢离子在高压电场作用下做定向移动，轰击阴极(工件)表面，并在工件表面发生一系列的物理化学现象，形成渗氮层，主要包括能量转换、产生阴极溅射效应、形成高密度的位错层、氮离子获得电子形成活性氮原子、吸附作用和氢离子的化学作用等。因此，具有高效、环保、应用面广泛等特点，不仅可以渗氮、还可以进行渗碳及软氮化。但是目前的辉光离子渗氮法有许多缺点，如一直存在打弧、空心阴极、电场效应、炉内温度不均匀等问题。为提高保温性和温度的均匀性，中国专利CN100460553C公开了一种“节能离子氮化炉”，其特点是炉体设有保温屏和外冷却罩，保温屏和外冷却罩之间为保温隔热空腔，炉底盘上设有炉底隔热屏，渗氮气体进入炉体内的气体分散环，由保温隔热空腔和保温屏顶部预热渗氮气体，这种方法的缺点是，保温屏和炉底隔热屏的隔热效果不佳，不能自身发热，还会吸收炉内的热量，同时对渗氮气体的预热温度低，预热面较小。专利CN2501887Y公开了一种在“直流辉光放电作用下等离子体金属材料表面改性处理装置”，采用绝热式反应室结构，反应室的外壁用保温材料覆盖，为保温层，在保温层和反应室外壁之间有水冷或风冷通道。这种装置能起到较好的保温作用，但保温材料覆盖层吸热，且热传递性能差，释放热量的时间长，水冷或风冷通道热交换面积小，而且在高温下通冷却水不安全，通入气体冷却速度较慢。专利CN20180943IU公开了“一种辉光放电辅助加热离子化学热处理炉”，在炉体的真空室内放置一钢制圆筒(可以是网状)，并接入直流电源负极，通过转换开关先向圆筒施加电压，圆筒产生辉光放电并被加热，利用圆筒的热辐射对工件进行预热，待工件达到预热温度后，将直流电源的负极切换到工作台上，工件开始辉光放电加热，并进行离子化学热处理，圆筒与工件也可以同时接直流电源的负极，依靠圆筒的辅助加热可提高工件温度均匀性，但不足之处是圆筒不产生辉光时，工件辉光放电，圆筒仅起隔热屏作用，而圆筒与工件同时接直流电源的负极时，则为等电位，相当于传统的离子氮化炉，不能提高溅射效率，对渗氮气体的预热几乎无效果。为了解决炉内温度均匀性、阴极效应、渗氮效率等问题，在隔热保温式炉体的基础上对网状圆筒(活性屏)和工件分别施加负偏压，在冷却时向炉内通入氮气以加快冷却速度(活性屏离子渗氮技术的基础与应用研究，全国热处理学会成立50周年纪念大会暨第九届中国热处理活动周文集，2013年8月)。但是由于网状圆筒上的负偏压绝对值高于工件上负偏压的绝对值，工件与圆筒形成电场和工件与阳极形成的电场方向相反，使得工件和阳极间的电场强度减弱，氮离子和氢离子的溅射效能降低，同时三者间的电场关系复杂，对电源的要求高，充入氮气冷却成本较高。
【发明内容】
[0003]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种交互式双阴极离子表面热处理炉，在炉内的升温和保温过程中能起到有效的隔热保温作用，使炉内的温度分布均匀，同时又能有效地提高对渗氮气体的预热分解效果和对工件溅射效率，提高渗层质量，降温过程中又能快速散热降温，缩短氮化处理时间。
[0004]本发明的技术方案是一种交互式双阴极离子表面热处理炉，包括炉体、炉底盘、真空系统、供气系统、温度测控系统和脉冲电源，其特征在于炉体为三层结构，炉体外层与中间层之间为冷却水夹层，中间层与内层之间为真空绝热和气体冷却夹层，处于真空状态时为真空绝热夹层，同时炉内层起隔热作用，通入流动压缩空气时则为气体冷却夹层，同时炉内层的作用则转变为热传递作用。炉体反应室内设置多孔壁面铁质圆筒，圆筒内为摆放工件的阴极盘，圆筒与阴极盘构成双阴极，分别为阴极I和阴极2，炉体为阳极并接地，炉体、多孔壁面铁质圆筒和阴极盘三者间为顺电场关系，多孔壁面铁质圆筒由筒体罩和筒底板组成，两者为分体结构，筒体罩与炉体连接，筒底板放置在炉底盘和阴极盘之间，并相互绝缘，筒体罩和底板的厚度为4?20mm，其上开设直径10?14mm圆形通孔，孔间距为30?40mm，多孔壁面铁质圆筒阴极I的电位不低于阴极盘阴极2的电位，其电压值由脉冲电源控制，可同步或异步输出，阴极I和阴极2的电压值和占空比可分别调节。
[0005]发明的优点是:
(1)保温隔热效果好，炉内温度均匀性好，无需设专门的隔热屏，冷却速度快，简单易行，节能节材，安全可靠。在炉内升温和保温过程中，真空绝热和气体冷却夹层处于真空状态，炉内层起到隔热屏的作用，而真空绝热夹层阻碍热的传递，达到绝热保温效果，同时多孔壁面铁质圆筒因辉光加热而保持一定温度，使炉内温度进一步均匀分布，调节施加在多孔壁面铁质圆筒上的电压值，可以改变炉内的温度。而在冷却过程中，向真空绝热和气体冷却夹层中通入流动压缩空气，此时则为气体冷却夹层，同时炉内层则由起隔热作用转变为热传递作用，在气流和冷却水的共同作用下将炉内的热量快速传出；
(2)渗氮气体的预热效果好，热分解率高。渗氮气体沿多孔壁面铁质圆筒外壁从壁孔进入反应室，由于圆筒在加热保温时处于高温，在壁面得到初次预热和分解，而壁孔内的辉光作用强度更高，预热强度更大，有利于渗氮气体的进一步预热和热分解；
(3)加热速度快，氮化质量好，效率高。由于多孔壁面铁质圆筒因壁孔强烈的辉光效应，使炉内升温快。炉体阳极、多孔壁面铁质圆筒阴极I和阴极盘阴极2三者间为顺电场关系，电场强度得到增强，氮和氢离子轰击阴极(工件)表面的强度大，溅射效应