CN112210747A - 一种弧光放电离子渗氮技术和渗氮炉 - Google Patents

一种弧光放电离子渗氮技术和渗氮炉 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弧光放电离子渗氮技术和渗氮炉。在炉顶或炉壁安装阴极电弧源，用阴极电弧源产生的弧光等离子体中的电子流把氮气电离，用获得高密度的氮离子对工件进行清洗和进行弧光放电离子渗氮。渗氮速度比辉光放电离子渗氮的速度快。是一种把弧光放电等离子体引入表面冶金的技术。

Description

一种弧光放电离子渗氮技术和渗氮炉
技术领域
本发明属于离子化学热处理设备。特别涉及一种弧光放电离子渗氮技术和渗氮炉。
背景技术
几十年来离子化学热处理中的辉光放电离子渗氮在提高零件表面的硬度、耐磨性方面发挥了很大作用。在高端加工制造业被广泛应用。虽然辉光放电离子渗氮比气体渗氮的速度快，但由于辉光放电等离子体密度低，一般为mA/mm2，渗氮的生产周期仍然比较长，约几十小时。
荷兰的Hauzer公司利用热丝弧枪发射的弧光放电等离子体中的电子流把氮气电离，用获得高密度的弧光氮离子流进行渗氮，从而提高渗氮速度，生产周期降到几小时。目前国内外还没有用阴极电弧源产生的弧光放电的等离子体中的电子流把氮气电离，用高密度的氮离子进行渗氮的技术和渗氮炉。
近些年来在真空镀膜设备中，阴极电弧源除了作为镀膜过程中的镀膜源使用之外，还用来对镀膜前的工件进行清洗。利用阴极电弧源产生的弧光放电等离子体中的电子流把氩气电离，用高密度的氩离子清洗工件。一般用辉光放电产生的氩离子清洗工件时，工件上的偏流密度很小，为mA/mm2，而弧光放电的电流密度为100A/mm2。对直径为1000mm的镀膜机来说，采用辉光放电氩离子清洗工件，对于1米左右的镀膜室，工件上的偏流在2A左右。而用阴极电弧源产生的弧光放电氩离子进行工件清洗时，由于获得的氩离子密度很大，工件偏流在10A以上，提高了放电空间的等离子体密度。清洗效果大大提高。目前，国内外还没有采用阴极电弧源作为激励弧光放电源的离子渗氮技术和渗氮炉。
多年来，为了提高渗氮速度，采用钛催渗技术取得了一定效果。刘丽果等采用的钛催渗方法是在渗氮前，在零件表面先电镀一层钛膜或向渗氮炉通入含钛的化合物气体进行钛催渗，可以提高渗氮速度。目前国内外没有用阴极电弧源产生的弧光放电提供一定的钛的来源进行钛催渗的。
发明专利内容
本发明的目的在于提供一种弧光放电离子渗氮技术和渗氮炉。采用阴极电弧源产生的弧光放电等离子体中的电子流把氮气电离，用高密度的氮离子进行渗氮，渗氮速率提高。
本发明的特点是采用阴极电弧源产生的弧光等离子体中的电子流把氮气电离，用高密度的氮离子进行渗。这种用阴极电弧源激励氮气电离的机构简单，安装方便、操作简便。阴极电弧源在真空镀膜领域广泛采用，其结构和操作过程为很多人所熟悉，在我国比较容易推广应用。
许多实践证明，钛对渗氮过程有一定的“催渗作用”，会提高渗氮速度。本发明的阴极电弧源靶材采用钛靶。钛靶产生弧光放电后，除了提供高密度的电子流之外，还会提供大量的钛离子流和活性钛原子，在渗氮过程中，可以发挥“催渗”作用。
附图说明
以下结合附图以实施例具体说明
本发明是提供一种弧光放电离子渗氮技术和渗氮炉。弧光离子渗氮炉配置工件架、阴极电弧源、水冷阳极、进气系统、工件阴极电源、弧电源。
附图是一种弧光放电离子渗氮炉的设备结构示意图。图1是渗氮炉顶视剖面图。图2是其纵向剖面图。图1中：1-渗氮炉炉体，2-壁上阴极电弧源，3-工件架，4-阳极支撑，5-真空系统，6-与顶部电弧源对应的阳极，7-与壁上安装的阴极电弧源对应的阳极，8-进气系统，9-顶部阴极电弧源。
具体实施方式
本发明旨在提供一种弧光放电离子渗氮技术和渗氮炉。用阴极电弧源产生的弧光放电等离子体中的电子流把氮气电离，得到高密度的氮离子流进行渗氮。
所述本发明产生弧光放电的激励源是阴极电弧源。根据工件形状和尺寸的不同，阴极电弧源可以选用不同的安装位置。可以安装在渗氮炉的顶部，也可以安装在渗氮炉的侧边，阴极电弧的数量由渗氮炉的大小确定。
所述阴极电弧源是小圆形阴极电弧源，也可以是矩形平面大弧源或柱状阴极电弧源，阴极电弧源前面需要设置挡板。阴极电弧源靶材选用钛靶。
所述弧光放电离子渗氮炉的结构可以是钟罩形、开门形、筒状形。
所述与阴极电弧源对应的阳极形状可以是板状、管状、棒状、网状，对应的位置根据工件的具体状况而定，阳极可以配水冷装置。
所述渗氮炉配置直流加脉冲离子渗氮电源和弧电源。
所述渗氮炉配置抽真空系统、进气系统、测温系统。
附图中的工件架可以是托盘，也可以是进行旋转的转架。
所述与阴极电弧源对应的阳极与地绝缘。
实施例1.参照附图
本发明在渗氮炉炉体1内的工件架3上摆放工件后工件纵向之间有空挡的情况，选用顶部阴极电弧源9和下边的阳极6之间产生的弧光放电等离子体中的电子流来激励氮气电离，用高密度的氮离子进行弧光放电离子渗氮。
本发明的工艺方案：用真空系统抽真空，从进气系统相继通入N2、H2、CO2，真空度2Pa左右，接通工件电源，电压200V——400V。接通渗氮炉顶部的阴极电弧源9和下部的阳极6连接的阴极电源。阴极电弧源9和阳极6之间产生的弧光等离子体中的电子流在向下部的阳极6运动的过程中，把通入的氮气、氢气等电离，用高密度的氮离子、氢离子等清洗工件。达到一定温度后，继续在阴极电弧源产生的弧光等离子体的激励下，用高密度的氮离子进行弧光放电离子渗氮。具体的弧电流大小、工件电压高低视渗氮工件的多少、大小而定。
根据工件的工作要求，如果对于模具、不锈钢件进行渗氮时，采用低温渗氮，渗氮温度400℃左右。对于磨床主轴等要求硬化渗氮的零件采用高温渗氮，渗氮温度560℃左右。
实施例2.参照附图
本发明针对工件架上安放大工件的情况，选用渗氮炉侧边的阴极电弧源2和对面的阳极7之间产生的弧光放电等离子体中的电子流来激励氮气电离，用高密度的氮离子进行弧光放电离子渗氮。工艺过程同实施例1。
根据工件的工作要求，如果对于模具、不锈钢件进行渗氮时，采用低温渗氮，渗氮温度400℃左右。对于磨床主轴等要求硬化渗氮的零件采用高温渗氮，渗氮温度560℃左右。

Claims (12)

1.一种弧光放电离子渗氮技术和渗氮炉，包括渗氮炉炉体、工件架、阴极电弧源和与之对应的阳极，其特征在于：
渗氮炉炉体由不锈钢制作；
所述阴极电弧源可以安装在渗氮炉顶部或侧边；
所述的阴极电弧源和与之相对应阳极，工作时分别接弧电源的负极和正极；
渗氮前，用阴极电弧源产生的电子流把通入的氮气、氢气电离，用高密度的氩离子、氢离子清洗工件；
渗氮时，仍然用阴极电弧源产生的电子流把氮气电离，用高密度的氮离子进行弧光放电离子渗氮。
2.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：渗氮炉炉体由不锈钢制作，可以是钟罩形、开门形、筒状形。
3.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：渗氮炉内设置工件架，可以是固定的托盘，也可以是旋转机构，工件架接工件电源的负极。
4.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：渗氮炉炉顶或炉体上配置阴极电弧源，阴极电弧源的靶材是钛靶。
5.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：渗氮炉上安装的阴极电弧源可以是小圆形阴极电弧源，也可以是矩形平面大弧源或柱状阴极电弧源。
6.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：与顶部阴极电弧源相对应的阳极设置在渗氮炉的下方；与壁上安装的阴极电弧源相对应的阳极设置在工件架的另一侧。
7.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：渗氮前从进气口通入氮气、氢气，真空度2Pa左右，工件加负电压，电压200V——400V左右。开启阴极电弧源产生弧光放电，用弧光电子流把氮气、氢气电离，用氩离子、氢离子清洗工件。
8.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：渗氮时，阴极电弧源仍然开启，用弧光电子流把氮气电离，用氮离子进行弧光放电离子渗氮。
9.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：根据工件的工作需要进行400℃左右的低温渗氮和560℃左右的高温渗氮。
10.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：所述的阳极与地绝缘，其形状可以是板状、管状、棒状、网状。
11.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：所述工件电源是直流加脉冲电源，阴极电弧源配置弧电源。
12.根据权利要求1所述的弧光放电离子渗氮炉，其特征在于：所述渗氮炉配置抽真空系统、进气系统、测温系统。
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