专利名称：一种新型真空表面强化技术和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子体表面改性的技术领域，尤其涉及一种在真空条件下 对工件表面进行离子渗氮处理的技术和设备。
背景技术：
离子渗氮是将工件置于辉光放龟装置的真空容器中，以工件为阴极，容 器壁或另设金属板作为阳极，充一稀薄的含氮气体，在直流高压电场的作用 下，使气体原子电离成离子，离子以比较高的速度撞击阴极工件，工件表面 上的氮离子失去能量被工件吸收，并向内部扩散形成渗氮层的过程。
离子渗氮不仅能实现可控氮化、可局部硬化、使用纯氢、氮气为气源无 环境污染等优点，并且离子渗氮不生成脆性相，渗层致密，与气体渗氮相比 有更高的耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能。但是，离子渗氮也存在以下缺点1) 温度不均匀性现有的离子渗氮加热很难保证温度的均匀性，当等离子体加 热时，工件的温度不仅取决于等离子体的能量，也和表面积和体积有关，在 电压、气体成分等参数一定的条件下，表面积和体积比越大，离子轰击输入 的能量越大，温度升高很快，不同形状的工件进行受热不均匀，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净而存在有机物质 时，则会引起打弧，产生极高的温度，使该部位的金属材料熔化或溅射出来， 伤害工件表面；3)边缘效应由于加热的不均匀性，造成边缘部位与中心区 域温度不一，表面颜色不均匀，氮化层厚度不一致。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型真空表面强化技术和设备，具有渗氮速度 快、工艺简单、保持工件表面原有光洁度、工件表面化合物层厚、致密度高、 设备简单、成本低的优点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下
一种新型真空表面强化设备，包括真空炉、进气系统12、抽真空系统13、 供电系统14、测温系统15、冷却系统、载物台6和绝缘体7，进气系统12 通过进气口8接入真空炉内，抽真空系统13接入真空炉的炉体夹层空气室内， 供电系统14的阳极通过阳极接口 5与真空炉炉体电连接，测温系统15与待 处理的工件l连接，冷却系统与真空炉炉体连接；该强化设备还包括一个双
层圆筒，该双层圆筒位于真空炉内，通过绝缘体7与真空炉炉体电绝缘，该 双层圆筒由小圆筒2和大圆筒3组成，小圆筒2位于大圆筒3内，小圆筒2 与大圆筒3的间距为10mm，小圆筒上平均分布直径为5mm 6mm的孔洞， 相邻两孔洞的间距为30mm 40mm，载物台6位于小圆筒2内，并通过绝缘 体7与真空炉炉体电绝缘，供电系统14的阴极通过阴极接口 4与大圆筒3 电连接。
上述进气系统12主要由气瓶和稳压阀组成，其作用是保证氨气可以连续 均衡地供应给真空炉。
上述抽真空系统13主要由旋片式机械泵和电阻真空计组成，其作用是通 过旋片式机械泵对真空炉炉体夹层空气室进行抽真空，使其成为真空隔热层， 并用电阻真空计对真空炉内进行气压测量。
上述供电系统14主要由变压器和整流器组成，其主要用于调节施加给真 空炉内的电压。
上述测温系统15主要由铠装热电偶、绝缘部分、屏蔽部分、间隙保护部 分和防电场干扰部分组成，其可直接接触不同形状的工件带电测温，测温误 差小，并且测量高度与位置均可调节，接触可靠，不产生放电现象，测温系 统15主要用于测量工件温度，控制渗氮过程。
上述真空炉主要由放电罩、底板和密封圈组成，放电罩和底板由两层钢 板组成，中间由冷却系统通水冷却，以保证真空炉不至于升温变质而失去密 封作用。
上述冷却系统主要由水泵、进水口9、冷却观察窗10和出水口 ll组成， 进水口 9、冷却观察窗IO和出水口 11置于放电罩和底板的两层钢板之间。 一种新型真空表面强化技术，包括如下步骤
用工业清洗剂清洗待处理工件1的表面，然后进行装炉，将工件l放置 在载物台6上；
启动抽真空系统13对真空炉炉体夹层空气室进行抽真空，同时启动冷却 系统，当真空炉内真空度达到13.3Pa 133Pa时，通过进气口 8向真空炉内 充入净化过的氨气，氨气经过小圆筒2的孔洞均匀分布在整个真空炉内，使 工件1周围的氨气浓度均衡；
调节氨气的流量，使真空炉内的压强保持在133Pa 1333Pa，然后打开 供电系统14的电源，真空炉内的氨气在高压电场的作用下发生电离，产生辉
光放电效应；
根据氮化工艺参数的不同，可向真空炉内连续通入适量氨气使炉内气压 达到50Pa 3000Pa的真空度，并通过供电系统14逐步调节电压、电流，控
制氮化温度，通过流量计调节炉内气压，使双层圆筒保持空心阴极放电效应； 根据氮化工艺参数要求，使真空炉内的氮化温度保持在450°C 650°C ，
并保持3小时 6小时的时间；
启动抽真空系统13将真空炉内抽成低真空，关闭供电系统14的电源，
当工件1随真空炉冷却到20(TC时，将工件1从炉内取出。 本发明的有益效果如下
1) 与气体渗氮相比本发明不存在氮势控制问题，渗氮速度提高3 5 倍，废气排放量约为气体渗氮的1/10000、真空渗氮的1/100,能源消耗为气 体渗氮的1/3;
2) 与普通离子渗氮相比本发明渗氮基体与放电过程无关，工件表面不
再产生弧光放电，工件形状也不再成为渗氮不均匀的限制因素，温度均匀性 好，表面基本无离子轰击溅射，保持工件表面原有的光洁度，工件表面化合
物层厚、致密度高，工作气压适用范围大(10Pa 1000Pa);
3) 与全方位等离子体注入相比本发明不需要高压电源和高真空设备，
设备简单，成本低。
图1是本发明的一种新型真空表面强化设备的结构示意图。
图中1、工件，2、小圆筒，3、大圆筒，4、阴极接口， 5、阳极接口， 6、载物台，7、绝缘体，8、进气口， 9、进水口， 10、冷却观察窗，11、出 水口， 12、进气系统，13、抽真空系统，14、供电系统，15、测温系统。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步详细地描述
如图1所示，本发明的一种新型真空表面强化技术是将供电系统14的负极 接在真空炉内一个铁制的网状双层圆筒上，双层圆筒由小圆筒2与大圆筒3组 成，双层圆筒的直径约为300mm 350mm，小圆筒2与大圆筒3间距为10mm， 小圆筒上平均分布直径为5mm 6mm的孔洞，孔洞间距为30mm 40mm，这 些孔洞是进行渗氮的物质传递通道；被处理的工件1置于小圆筒2的中间，工 件1呈电悬浮状态或与直流偏压相接，当供电系统14提供的直流高压电源被接
通后，真空炉内的氨气被电离；在直流电场的作用下，由辉光放电特性可知， 当两阴极的间距L、阴极放电长度U与阴极位降区宽度dk三者满足dk〈L/2， L〉U〉L/2关系时，将出现因两负辉区迭加而致光强增大的现象，即空心阴极 效应，从而引起阴极之间的电子振荡，增加电子与气体分子碰撞几率，产生 更多的激发和电离，从而加大极间的电流与离子密度。等离子体放电空心阴 极效应产生高浓度、高活性的渗扩原子，与活性很强的氮原子相结合，通过 吸附作用生成FeN吸附在工件表面，工件表面的FeN是不稳定的，随着表面继 续吸附和吸收活性氮原子，最初的渗层中的氮原子向基体金属深处扩散形成 Fe2N—Fe3N—Fe4N。 一部分扩散形成Y'相化合物层，同时也有一部分粒子和 吸附的氮反应生成e相化合物层。
在离子渗氮过程中，双层圆筒起两个作用 一是作为阴极，保护工件； 二是通过辐射对工件进行加热，在弧光放电过程中，有三种电子发射形式， 即光电子发射、热电子发射、场致发射，这些电子能量多为20ev 70ev，能 将工件加热到渗氮处理所需的温度；由于在渗氮处理过程中，气体离子是轰 击这个双层圆筒，而不是直接轰击工件的表面，所以直流离子渗氮技术中存 在的问题也就应刃而解，如工件打弧、边缘效应、电场效应、温度测量等问 题，同时对离子渗氮电源的要求也大大降低，取消了以往消耗大量电能的限 流电阻。
本发明的一种新型真空表面强化技术的操作流程具体如下
(一) 工件清洗与装炉
用工业清洗剂清洗工件1的表面，然后进行装炉，将工件l放置在载物 台6上，通过绝缘体7使之与电源隔离，这一点区别于现有的离子渗氮把工 件作为阴极进行热处理的方式。
(二) 抽真空、起辉
启动抽真空系统13的机械泵对真空炉炉体夹层空气室进行抽真空，同时 启动冷却系统，由进水口9进水，通过出水口 ll排水，期间根据冷却观察窗 IO的窗口观察水流是否通畅；当炉内真空度达到13.3Pa 133Pa时，进气系 统12通过进气口 8向真空炉内充入净化过的氨气，氨气经过小圆筒2的孔洞， 均匀分布在整个真空炉内，使工件1周围的氨气浓度均衡；调节氨气的流量， 使真空炉内的压强保持在133Pa 1333Pa，打开供电系统14的电源，真空炉 内的氨气在高压电场的作用下发生电离，产生辉光放电效应。 (三) 升温阶段
根据氮化工艺参数的不同，可向真空炉内连续通入适量氨气使炉内气压
达到50Pa 3000Pa的真空度，并通过供电系统14逐步调节电压、电流，控 制氮化温度，通过流量计调节炉内气压，使双层圆筒保持空心阴极放电效应。
(四) 保温阶段
根据氮化工艺参数要求，使真空炉内的氮化温度保持在45(TC 65(rC， 并保持3小时 6小时的时间。
(五) 冷却阶段
启动抽真空系统13将真空炉内抽成低真空，关闭供电系统14的电源， 当工件1随真空炉冷却到200。C时，将工件1从炉内取出。
权利要求
1、 一种新型真空表面强化设备，包括真空炉、进气系统(12)、抽真空 系统(13)、供电系统(14)、测温系统(15)、冷却系统、载物台(6)和绝 缘体(7)，进气系统(12)通过进气口 (8)接入真空炉内，抽真空系统(13) 接入真空炉的炉体夹层空气室内，供电系统(14)的阳极通过阳极接口 (5) 与真空炉炉体电连接，测温系统(15)与待处理的工件(1)连接，冷却系统 与真空炉炉体连接，其特征在于，该强化设备还包括一个双层圆筒，该双层 圆筒位于真空炉内，通过绝缘体(7)与真空炉炉体电绝缘，该双层圆筒由小 圆筒(2)和大圆筒(3)组成，小圆筒(2)位于大圆筒(3)内，小圆筒(2) 与大圆筒(3)的间距为10mm，小圆筒上平均分布直径为5mm 6mm的孔 洞，相邻两孔洞的间距为30mm 40mm，载物台(6)位于小圆筒(2)内， 并通过绝缘体(7)与真空炉炉体电绝缘，供电系统(14)的阴极通过阴极接 口 (4)与大圆筒(3)电连接。
2、 一种新型真空表面强化技术，其特征在于，包括如下步骤 用工业清洗剂清洗待处理工件(1)的表面，然后进行装炉，将工件(1)放置在载物台(6)上；启动抽真空系统(13)对真空炉炉体夹层空气室进行抽真空，同时启动 冷却系统，当真空炉内真空度达到13.3Pa 133Pa时，通过进气口 (8)向真 空炉内充入净化过的氨气，氨气经过小圆筒(2)的孔洞均匀分布在整个真空 炉内，使工件(1)周围的氨气浓度均衡；调节氨气的流量，使真空炉内的压强保持在133Pa 1333Pa，然后打开 供电系统(14)的电源，真空炉内的氨气在高压电场的作用下发生电离，产 生辉光放电效应；根据氮化工艺参数的不同，可向真空炉内连续通入适量氨气使炉内气压 达到50Pa 3000Pa的真空度，并通过供电系统(14)逐步调节电压、电流， 控制氮化温度，通过流量计调节炉内气压，使双层圆筒保持空心阴极放电效 应；根据氮化工艺参数要求，使真空炉内的氮化温度保持在45(TC 65(rC， 并保持3小时 6小时的时间；启动抽真空系统(13)将真空炉内抽成低真空，关闭供电系统(14)的 电源，当工件(1)随真空炉冷却到20(TC时，将工件(1)从炉内取出。
全文摘要
本发明的一种新型真空表面强化技术和设备属于等离子体表面改性的技术领域。该设备包括真空炉、进气系统、抽真空系统、供电系统、测温系统、冷却系统、载物台和绝缘体，其特征在于，还包括一个位于真空炉内的双层圆筒，该双层圆筒通过绝缘体与炉体电绝缘，载物台位于双层圆筒内，并与炉体电绝缘，供电系统的阴极与双层圆筒电连接。对工件表面进行强化处理时，将工件放于载物台上，接通直流高压电源后，炉体作为电源阳极，双层圆筒作为电源阴极，利用双层圆筒的空心阴极效应对工件表面进行渗氮处理。本发明的有益效果是工件表面渗氮速度快，工艺简单，保持工件表面原有光洁度，工件表面化合物层厚、致密度高，设备简单，成本低。
文档编号C23C8/06GK101122004SQ200710012930
公开日2008年2月13日 申请日期2007年9月19日 优先权日2007年9月19日
发明者吴雪敏, 孙俊才, 杨 李, 亮 王 申请人:大连海事大学