专利名称：保温式多功能离子化学热处理装置的制作方法
保温式多功能离子化学热处理装置技术领域.本发明涉及一种利用直流辉光放电产生的等离子体对黑色金属材料表面进行离子化学热 处理的装置。
技术背景传统的直流离子化学热处理是将被处理工件罩于低真空炉内，工件上接直流负高压，使 之产生气体辉光放电。在直流电场作用下，正离子轰击工件拜面，将工件加热到所需要的处 理温度。气体辉光放电产生的等离子体加快了化学反应速度，提高了处理质量。但是，接在 工件上的直流负高压也带来一些难以克服的技术问题，如工件表面打弧、工件温度不均匀、 难以准确测量工件温度、工件表面易产生空心阴极效应和电场效应、大小工件不能混装、直 流高压电源容易过流损坏等。这些问题一直阻碍了离子化学热处理技术的发展和推广应用。为解决这些问题，美国专利说明书US—5,989,363提出一种活性屏离子渗氮技术。它是 在离子渗氮炉内放置一个铁制的笼子，笼子与直流辉光放电电源的负极相接。被处理工件置 于笼子的中间，呈电悬浮状态，或接0 一200V的负偏压，两个直流电源的正极均接在炉体 外壳上，并接地保护。在活性屏离子渗氮过程中，笼子同时起到加热工件和提供离子渗氮载 体的作用。但我们的研究发现，在上述条件下，如果笼子直径大于200毫米，笼子中间的工 件无法渗上氮。这种结构的离子渗氮装置也只能用于渗氮--种处理。另外，传统的直流离子渗氮炉的真空炉体结构大多都是采用水冷式结构。这种结构不但 要消耗大量的冷却水和电能，而且炉内中间的工件温度高，靠近炉体的工件温度低，造成炉 内工件径向温度分布很不均匀，影响到炉内工件的处理质量。 发明内容本发明的目的是要提供一种能够解决传统离子化学热处理炉存在的上述技术问题，而且 还能满足各种不同离子化学热处理工艺的要求。 .本发明的目的是这样实现的在真空炉内放置一个铁制的笼子，并与直流辉光放电电源 的负极相接。被处理的工件罩在笼子内，将直流偏压电源的负极接在工件上。两个直流电源 的正极均接在炉壳上，并接地保护。在离子化学热'处理过程中，笼子起到加热工件和激活真 空室内反应气体的作用。开始工作时，笼子先接通直流高压电源，使之产生辉光放电并加热 笼子。在笼子的热辐射作用下，工件被加热到化学热处理所需要的温度，这时接通工件上的 直流负偏压电源，开始进行化学热处理。根据不同化学热处理工艺的要求，接在笼子上的负 高压与接在工件上的负偏压可以同时通电，也可以按要求分别通电。若同时通电，工件上的负偏压值应大于阴极溅射电压(>300V)，但始终要低于笼子上的直流负高压值。由于在离子 化学热处理过程中，笼子上的直流负高压始终高于接在工件上的直流负偏压，所以传统离子 渗氮技术^的工件表面打弧、工件容易产生空心阴极效应和电场效应、直流高压电源容易过 流损坏等问题都得到了解决。由于笼子还起到辅助加热工件的作用，使工件的温度均匀性差、 工件测温困难、大小工件不能混装等问题也得了到解决。尤其是在真空炉体的外壁包覆一层 厚的保温材料后，进一步提高了炉内空间的温度和工件的温度均匀性，节能效果也十分显著。 在离子化学热处理结束后，可以在保温层和反应室外壁之间强迫通风冷却，以加快工件的冷 却速度。本发明因为采用了两套直流辉光放电电源，并在炉内设置了一个铁制笼子作为内加热源 和作为激活反应气体的离子屏的双重作用，这样就可以灵活地运用这两套直流电源和离子屏， 进行各种离子化学热处理，如离子渗氮、离子氮碳共渗、离子软氮化+后氧化、离子渗硫和等 离子体化学气相沉积等。另外，由于这套装置的炉体是采用耐热不锈钢制造，具有较高的耐 蚀性，因此也可以用于一些有腐蚀性反应气体的离子化学热处理。
附图是根据本发明提出的保温式多功能离子化学热处理装置的示意图。 下面结合附图详细说明依据本发明提出的具体装置细节及工作情况。. 该装置包括一个耐热不锈钢制造的真空炉体(1 )，炉体的外壁包.覆一层厚的保温材料(2)。 炉内有一铁制的笼子(4),笼子将被处理的工件(5)罩在其中。笼子接直流辉光放电电源(6) 的负极，工件与直流偏压电源(7)的负极相连，两个直流电源的正极均接在炉壳上，并接地 保护。各反应气体通过供气系统(8)按一定比例混合后，经输气管道送入反应室内。真空系 统(9)可以保证离子化学热处理是在一定的压强范围内进行。在离子化学热处理过程中，工 件的温度由温度控制系统(10)测量并控制。离子化学热处理结束后，向保温层和反应室壁 之间的冷却夹层(3)中通风，以加快工件的冷却速度。
具体实施方式
实施例本发明的炉体尺寸为4)650X1200毫米，炉内放置一个4)550X1000毫米的铁制 笼子，笼内工作台上摆放200公斤的欲渗氮处理的钢制工件，工件总表面积为2.4平方米。 用氢气和氮气作为反应气体对工件进行离子渗氮处理，氢气和氮气的比例为4: 1。笼子上的 直流辉光放电电压为750V，工件上的直流负偏压为500V，炉内的工作压强为300Pa，工件 处理温度为520。C。工件达到处理温度并保温4小时后，炉内空间实测温度为51(TC，工件之 间的温差为士5'C。与同样尺寸的水冷式炉体相比，保温式炉体可节电48%、节水80%，并 可以实现大小工件混装。
权利要求
1一种保温式多功能离子化学热处理装置，其特征在于离子化学热处理装置的真空炉体外壁包覆一层保温材料，炉内有一铁制笼子，接直流高压电源的负极，欲处理的工件置于笼子中间，接直流偏压电源的负极，两个直流电源的正极均接在炉壳上，并接地保护。
2 根据权利要求1所述的保温式多功能离子化学热处理装置，其特征为接在笼子上的直流电压400 1500V，接在工件上的负偏压300 1000V，在离子化学热处理过程中，笼子上的直流电压值应始终高于工件上的直流电压值。
3 根据权利要求1所述的保温式多功能离子化学热处理装置，其特征为被处理工件温度在200 ~ 800。C ，工作真空度在10 ~ 1000Pa。
4 根据权利要求1所述的保温式多功能离子化学热处理装置，其特征为在保温层和炉体外壁之间有风冷通道，以便使处理后的工件在冷却过程中能快速冷却。
全文摘要
本发明属于一种利用直流辉光放电产生的等离子体对黑色金属材料表面进行化学热处理的保温式多功能离子化学热处理装置。本装置采用外保温式真空炉体结构，炉内放置铁制笼子，笼子与直流高压电源的负极相接；被处理的工件置于笼子的中间，并接直流负偏压。在离子化学热处理过程中，笼子发生气体辉光放电，起到工件的加热源和激活反应气体的离子屏双重作用，而且笼子上的直流电压值应始终高于工件上的直流电压值。由于采取了炉内辅助加热和炉体保温两项措施，提高了炉内空间的温度和工件的温度均匀性，节能效果显著。在离子化学热处理过程中，灵活地运用两套直流电源和离子屏，即可满足不同离子化学热处理工艺的要求。
文档编号C23C8/38GK101591763SQ20091013471
公开日2009年12月2日 申请日期2009年4月11日 优先权日2009年4月11日
发明者程 赵 申请人:青岛科技大学