CN105132858A - 内孔局域辉光等离子体放电装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内孔局域辉光等离子体放电装置，包括以下零部件：中心电极，其用作正极；电缆，其与中心电极连接，用于向所述中心电极供电，并牵引放电装置运动；和至少一个屏蔽管，用于限制辉光放电的区域；其中一个屏蔽管位于中心电极与电缆的交接处。本发明进一步公开了该内孔局域辉光等离子体放电装置的使用发明。上述装置能够在零件内孔的局部区域内实现辉光放电，便于对内孔表面进行局部改性处理；通过移动该内孔局域辉光等离子体放电装置，可以对零件内孔的全部内表面进行改性处理。

Description

内孔局域辉光等离子体放电装置及其使用方法

技术领域

本发明属于材料工程领域，涉及一种用于零件处理的气体放电装置，具体涉及一种内孔局域辉光等离子体放电装置及其使用方法。

背景技术

辉光等离子体放电技术在材料工程领域得到了广泛应用，如辉光离子氮化、离子渗碳、离子镀、等离子体增强化学气相沉积等。这些技术用于处理零件的外表面取得了很好的效果。但是对于零件的内表面，尤其是超长内孔表面的处理时，常常会出现沿轴向渗层或镀层不均匀的现象，例如，以氨气为原料气对内孔表面进行离子渗氮处理时，氨气进入端的渗层较厚，而废气排出端的渗层较薄。特别地，现有技术很难对内孔局域表面进行等离子体改性处理。

发明内容

本发明旨在针对上述现有技术中存在的问题，提供一种能够在零件内孔局域表面进行等离子体放电的装置，能够方便地进行零件内孔表面等离子体改性处理，得到均匀的镀层或渗层。

本发明的另一目的是提供了一种内孔局域辉光等离子体放电装置的使用方法。

为达到上述目的，本发明采取以下技术方案来实现。

本发明提供了一种内孔局域辉光等离子体放电装置，包括以下零部件：

中心电极，其用作正极；

电缆，其芯部为导体，外部为耐高温绝缘层。其与中心电极连接，用于向所述中心电极供电，并牵引放电装置运动；

和至少一个屏蔽管，其与中心电极、带内孔的零件相互绝缘，用于限制辉光放电的区域；其中一个屏蔽管位于中心电极与电缆的交接处；其中所述屏蔽管最大外径处表面与带内孔的零件内孔表面之间的距离为1-3mm。

辉光放电在中心电极和带内孔的零件之间进行，辉光覆盖在零件内孔表面没有被屏蔽管屏蔽的区域内。

实施方式之一，中心电极可以由电缆去除高温绝缘层后的芯线形成，这只是一种实现方式，本领域可以根据中心电极的作用，选择其他的材料作为中心电极，例如铜、碳棒、不锈钢、钛合金等。中心电极的末端可以为半球形，以便得到比较均匀的末端电场，避免尖端放电。

实施方式之一，电缆为耐高温电缆，具体可以根据中心电极的放电电压和内孔零件进行表面改性处理所需的温度进行选择，例如在铜杆外面套上石英管形成电缆、在碳素钢丝外面套上绝缘陶瓷管形成电缆等。电缆与提供放电电压的电源正极相连接。本发明中采用的电源为脉冲电源。

实施方式之一，用屏蔽管限制辉光放电的区域。屏蔽管用碳钢等耐高温的导电材料制作，且与中心电极、待处理的有内孔的零件之间相互绝缘。

实施方式之一，用固定在中心电极上的绝缘支座实现中心电极在零件内孔中的径向固定，以使零件内孔局部得到均匀的改性处理；在绝缘支座上还可以进一步留有透气槽，便于放电气体的流动。绝缘支座适宜用耐高温的陶瓷、玻璃等制造。

实施方式之一，屏蔽管用碳素钢制造，固定在绝缘支座上，屏蔽管的最大直径端超出绝缘支座；

实施方式之一，屏蔽管固定在零件的内孔中，并与内孔相互绝缘。

实施方式之一，屏蔽管处于电绝缘状态，既不与中心电极接触，也不与导向套管接触，屏蔽管最大外径处外表面与带内孔的零件内孔表面之间设置一定的间隙，本发明实施例中设定的间隙距离为1-3mm。

实施方式之一，导向套管固定在绝缘支座上，与零件内孔壁直接接触，具有将放电装置与内孔自动对正功能；进一步，在导向套管上留有沿轴向的透气槽，便于放电气体的流动。

实施方式之一，上述中心电极、屏蔽管、绝缘支座和导向套管的轴线重合。这样可以使中心电极处于零件内孔中心，以使零件内孔局部得到均匀的改性处理。

实施方式之一，内孔局域辉光等离子体放电装置进一步包括绝缘堵头，其安装在位于中心电极末端的绝缘支座内，用于屏蔽中心电极末端的放电，绝缘堵头用耐高温的绝缘陶瓷等制造。

本发明进一步提供了一种内孔局域辉光等离子体放电装置的使用方法，先将内孔局域辉光等离子体放电装置放入到待处理零件的内孔中；辉光放电过程中，在需要进行表面改性处理的内孔区域以设定速率在内孔中运动，完成对内孔表面的改性处理。

上述内孔局域辉光等离子体放电装置的使用方法中，放电装置的运动速率为0-5m/h。当放电装置的运动速率为0m/h时，放电装置处于静止状态，仅在选定的局部区域进行等离子体表面处理；当放电装置运动时，可以对选定的更大范围的区域进行等离子体表面处理，从而保证表面处理的均匀性。至于放电气压、放电电压、放电气体的流动速率可以根据采用的改性处理方式、采用的放电气体以及电源来进行选择。本发明实施例中采用的放电气压为200-500Pa，放电电压为300-600V，放电气体的流动速率为0-2m/min。

上述内孔局域辉光等离子体放电装置的使用方法中，待处理零件的温度是根据采用的表面改性处理方式(如渗氮处理、淬火处理、气相沉积等)进行设定的。由于处理的零件可能大小不一，我们对如何保证内孔待处理零件的温度也做了相关研究。经研究发现，可以通过调整脉冲电流的占空比来调整内孔零件的温度；对于较大的零件，还可以通过外部加热的方式来调整内孔零件的温度；对于薄壁的零件，还可以通过外部冷却来调整内孔零件的温度。

本发明提供的内孔局域辉光等离子体放电装置及其使用方法具有以下有益效果：

1、能够在零件内孔的局部区域内实现辉光放电，便于对内孔表面进行局部改性处理；

2、通过移动该内孔局域辉光等离子体放电装置，可以对零件内孔的全部内表面进行改性处理，便于得到轴向均匀的涂层；

3、对于尺寸较大的内孔零件，可以将本发明提供的装置预置在孔内中，再将内孔两端密封并抽真空后，便可进行内孔表面改性处理，从而避免使用大尺寸的表面改性处理设备；

4、该装置还具有结构简单、携带方便的优点，配备适当的脉冲电源和真空泵后，可在野外或大尺寸内孔零件的安装调试现场进行内孔表面改性处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，以下描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图所示实施例得到其它的实施例及其附图。

图1为本发明提供的一个实施例的内孔局域辉光等离子体放电装置示意图；

图2为本发明提供的另一个实施例的内孔局域辉光等离子体放电装置示意图；

图3为本发明提供的一个实施例的对内孔的两个局部表面进行改性的示意图；

图4为本发明提供的一个实施例的零件内孔端部和一个局部表面改性的示意图；

图5为本发明提供的一个实施例的薄壁零件的内孔局部表面改性的示意图；

图6为本发明提供的一个实施例的具有较大外形尺寸零件的内孔局部表面改性的示意图；

图7为本发明提供的一个实施例的零件内孔端部表面改性的示意图。

其中，1-中心电极；2-屏蔽管；3-绝缘支座；4-导向套管；5-电缆；6-绝缘堵头；7、7′-带有内孔的零件；8-风冷装置；9、9′-密封堵头。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

本实施例中，采用了如图1所示的内孔放电装置，包括以下零部件：中心电极1、两个屏蔽管2、两个绝缘支座3、两个导向套管4、耐高温电缆5和绝缘堵头6。中心电极1是由耐高温电缆5去除高温绝缘层后的芯线形成的，用作正极。两个绝缘支座3固定在中心电极1上，其中一个位于中心电极1和电缆5的交接处，另外一个位于中心电极1的末端。两个屏蔽管2分别固定在两个绝缘支座3朝向中心电极1的一端，用于阻止辉光等离子体放电，辉光等离子体放电在两个屏蔽管2之间的限制区域内进行；两个导向套管4分别固定在绝缘支座3朝向电缆5和朝向电极末端的另一端，用于支撑绝缘支座，并起自动对正作用。屏蔽管2由直径不同的两部分构成，屏蔽管2的大端对着中心电极，导向套管4为中空结构，一端固定在绝缘支座3上，另一端开口。屏蔽管2直径较小的部分位于导向套管4内。绝缘堵头6封堵在中心电极1末端的绝缘支座3内，用于防止中心电极1末端放电。其中，屏蔽管2大端外径比导向套管4的外径小3mm，确保辉光等离子体放电过程中屏蔽管2与内孔零件内表面间的间隙为1.5mm。中心电极1、屏蔽管2、绝缘支座3和导向套管4的轴线重合。

实施例2

本实施例中，采用了如图2所示的内孔放电装置，包括以下零部件：中心电极1、一个屏蔽管2、一个绝缘支座3、一个导向套管4、耐高温电缆5。中心电极1是由耐高温电缆5去除高温绝缘层后的芯线形成的，其末端为半球形，用作正极。绝缘支座3固定在中心电极1上，且位于中心电极1和电缆5的交接处。屏蔽管2固定在绝缘支座3朝向中心电极1的一端，用于阻止辉光等离子体放电，辉光等离子体放电在屏蔽管2限制的面临中心电极1末端的内孔表面区域内进行；导向套管4固定在绝缘支座3朝向电缆5的另一端，用于支撑绝缘支座，并起自动对正作用。屏蔽管2由直径不同的两部分构成，屏蔽管2的大端对着中心电极，导向套管4为中空结构，一端固定在绝缘支座3上，另一端开口。屏蔽管2直径较小的部分位于导向套管4内。其中，屏蔽管2大端外径比导向套管4的外径小4mm，确保辉光等离子体放电过程中屏蔽管2与内孔零件内表面间的间隙为2mm。中心电极1、屏蔽管2、绝缘支座3和导向套管4的轴线重合。

实施例3

本实施例中，采用了如图3所示的内孔放电装置，包括以下零部件：中心电极1、四个屏蔽管2、四个绝缘支座3、四个导向套管4、耐高温电缆5和绝缘堵头6。中心电极1是碳素钢丝制造的，在中心电极上套上石英管后形成电缆5，中心电极用作正极。四个绝缘支座3固定在中心电极1上，其中一个位于中心电极1和电缆5的交接处，一个位于中心电极1的末端，另外两个位于中间。四个屏蔽管2分别固定在两个绝缘支座3的一端，用于阻止辉光等离子体放电，辉光等离子体放电在四个屏蔽管2限制的两个区域内进行；四个导向套管4分别固定在四个绝缘支座3的另一端，用于支撑绝缘支座，并起自动对正作用。屏蔽管2由直径不同的两部分构成，屏蔽管2的大端对着中心电极，导向套管4为中空结构，一端固定在绝缘支座3上，另一端开口。屏蔽管2直径较小的部分位于导向套管4内。绝缘堵头6封堵在中心电极1末端的绝缘支座3内，用于防止中心电极1末端放电。其中，屏蔽管2大端外径比导向套管4的外径小6mm，确保辉光等离子体放电过程中屏蔽管2与内孔零件内表面间的间隙为3mm。中心电极1、屏蔽管2、绝缘支座3和导向套管4的轴线重合。

实施例4

本实施例中，采用了如图4所示的内孔放电装置，包括以下零部件：中心电极1、三个屏蔽管2、三个绝缘支座3、三个导向套管4、耐高温电缆5。中心电极1是用黄铜制造的，在其上套上绝缘陶瓷管后形成电缆5，中心电极的末端为半球形，中心电极用作正极。三个绝缘支座3固定在中心电极1上，其中一个位于中心电极1和电缆5的交接处。三个屏蔽管2分别固定在绝缘支座3的一端，用于阻止辉光等离子体放电，辉光等离子体放电在两个相对的屏蔽管2之间的限制区域以及另一个屏蔽管2限制的面临中心电极1末端的内孔表面区域内进行；三个导向套管4固定在绝缘支座3的另一端，用于支撑绝缘支座，并起自动对正作用。屏蔽管2由直径不同的两部分构成，屏蔽管2的大端对着中心电极，导向套管4为中空结构，一端固定在绝缘支座3上，另一端开口。屏蔽管2直径较小的部分位于导向套管4内。其中，屏蔽管2大端外径比导向套管4的外径小2mm，确保辉光等离子体放电过程中屏蔽管2与内孔零件内表面间的间隙为1mm。中心电极1、屏蔽管2、绝缘支座3和导向套管4的轴线重合。

实施例5

本实施例中采用实施例1中给出的放电装置对类似图5给出的薄壁内孔零件7进行内表面离子渗氮处理，用氮气供气。由于零件7较薄，在其外面加上风冷装置8。风冷装置8根据零件7定做的具有双层壁结构的筒状装置，用管道从其一端将冷空气通入双层壁之间，另一端用管道引出受热的空气。其内部流过的冷风能够构成独立的冷却回路，与内孔零件7所处的真空放电环境无关。

离子渗氮处理过程中，放电装置在内孔零件7中以1m/h的运动速率向右运动，放电气压为400Pa，放电电压为400V，脉冲电流的占空比为1:1，通过调整风冷装置8内的气体流速，将零件的氮化温度控制在560℃，放电气体氮气从图5所示左边流入零件7的内孔中，其在零件左端入口部位的流动速率为0.2m/min。在内孔零件7达到渗氮处理要求后，放电装置停止运动。

实施例6

本实施例中采用实施例1中给出的放电装置对类似于图6给出的内孔零件7′进行内表面离子渗氮处理，用氮气供气。由于零件7′的外形尺寸较大，局部辉光等离子体放电产生的热量不能将整个零件加热到氮化温度，故对零件7进行外部加热，使其达到氮化温度560℃。用带有通气口的密封堵头9将内孔两端堵住，从图6所示左端通入氮气，右端连接真空系统。

离子渗氮处理过程中，放电装置在内孔零件7′中以5m/h的运动速率向右运动，放电气压为400Pa，放电电压为500V，通过调节脉冲电流的占空比，将零件的氮化温度控制在560℃，放电气体氮气从图6所示左边流入零件7′的内孔中，其在零件左端入口部位的流动速率为0.5m/min。在内孔零件7′达到渗氮处理要求后，放电装置停止运动。

实施例7

本实施例中采用实施例2中给出的放电装置对类似图7给出的内孔零件7′进行内表面离子渗氮处理，用氮气供气。由于零件7′的外形尺寸较大，局部辉光等离子体放电产生的热量不能将整个零件加热到氮化温度，故对零件7′进行外部加热，使其达到氮化温度560℃。用带有通气口的密封堵头(9，9′)将内孔两端堵住，从图7所示左端通入氮气，右端连接真空系统。

离子渗氮处理过程中，放电装置在内孔零件7′中需要渗氮处理的部位固定不动，放电气压为300Pa，放电电压为300V，通过调节脉冲电流的占空比，将零件的氮化温度控制在560℃，放电气体氮气从图7所示左边流入零件7′的内孔中，其在零件左端入口部位的流动速率为0.5m/min。

实施例8

本实施例中采用实施例4中给出的放电装置对类似图6给出的较大外形尺寸的内孔零件7′进行内表面离子体加热淬火处理，用氩气供气。由于零件7′的外形尺寸较大，局部辉光等离子体放电产生的热量不能将整个零件加热到淬火温度，故对零件7′进行外部加热，使其外部温度达到500℃。用带有通气口的密封堵头9将内孔两端堵住，从图6所示左端通入氩气，右端连接真空系统，放电过程中氩气不流动。

等离子体加热过程中，放电装置在内孔零件7′中需要淬火处理的两个选定部位固定不动，放电气压为500Pa，放电电压为500V，通过调节脉冲电流的占空比，将零件淬火部位的温度控制在830℃，断开真空系统，从图6所示左边冲入氩气进行气冷淬火。

实施例9

本实施例中采用实施例4中给出的放电装置在类似图5给出的薄壁内孔零件7内表面两个区域同时沉积TiN涂层。用氮气、氩气和TiCl₄的混合气体供气，其各种气体的比例为进行TiN气相沉积实验采用的常规比例，在本实施例为TiCl₄:N₂:Ar为1:2:7。由于零件7较薄，在其外面加上风冷装置8。风冷装置8根据零件7定做的具有双层壁结构的筒状装置，用管道从其一端将冷空气通入双层壁之间，另一端用管道引出受热的空气。其内部流过的冷风能够构成独立的冷却回路，与内孔零件7所处的真空放电环境无关。

等离子体加热气相沉积过程中，放电装置在内孔零件7中以2m/h的运动速率向右运动，放电气压为200Pa，放电电压为600V，脉冲电流的占空比为1:2，通过调整风冷装置8内的气体流速，将零件的沉积温度控制在500℃，放电混合气体从图5所示左边流入零件7的内孔中，其在零件左端入口部位的流动速率为2m/min。在内孔零件7获得设定后的TiN涂层后，放电装置停止运动。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种内孔局域辉光等离子体放电装置，其特征在于，包括以下零部件：

中心电极(1)，其用作正极；

电缆(6)，其芯部为导体，外层为耐高温绝缘层。其与中心电极(1)连接，用于向所述中心电极(1)供电，并牵引放电装置运动；

至少一个屏蔽管(2)，其与中心电极(1)、带内孔的零件(7，7′)相互绝缘，用于限制辉光放电的区域，其中一个屏蔽管(2)位于中心电极(1)与电缆(6)的交接处；其中所述屏蔽管(2)最大外径处表面与带内孔的零件(7，7′)内孔表面之间的距离为1-3mm。

2.根据权利要求1所述的内孔局域辉光等离子体放电装置，其特征在于，进一步包括

绝缘支座(3)，其固定于中心电极(1)上，用于在径向支撑中心电极(1)；

导向套管(4)，其设置在绝缘支座(3)上，且其外表面与带内孔的零件(7，7′)接触，用于支撑绝缘支座(3)。

3.根据权利要求2所述的内孔局域辉光等离子体放电装置，其特征在于，所述屏蔽管(2)设置在绝缘支座(3)上，屏蔽管(2)的最大外径端伸出绝缘支座(3)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的内孔局域辉光等离子体放电装置，其特征在于，所述中心电极(1)、屏蔽管(2)、绝缘支座(3)和导向套管(4)的轴线重合。

5.根据权利要求2所述的内孔局域辉光等离子体放电装置，其特征在于，所述导向套管(4)上留有沿轴向的透气槽。

6.根据权利要求1-3任一项所述的内孔局域辉光等离子体放电装置，其特征在于，进一步包括绝缘堵头(9，9′)，其安装在位于中心电极(1)末端的绝缘支座(3)内，用于屏蔽中心电极(1)末端的放电。

7.一种权利要求1-6任一项所述的内孔局域辉光等离子体放电装置的使用方法，其特征在于，先将内孔局域辉光等离子体放电装置放入到待处理零件的内孔中；辉光放电过程中，在需要进行表面改性处理的内孔区域以设定速率在内孔中运动，完成对内孔表面的处理。

8.根据权利要求8所述的内孔局域辉光等离子体放电装置的使用方法，其特征在于，放电装置的运动速率为0-5m/h。

9.根据权利要求8所述的内孔局域辉光等离子体放电装置的使用方法，其特征在于，所述通过调整脉冲电流的占空比来调整内孔零件的温度。