CN113604774B - 离子氮碳共渗磁场辅助设备、处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种离子氮碳共渗磁场辅助设备、处理系统及方法，设备包括：绝缘壳体，适于放置于离子扩渗炉内且位于工件台的下方，绝缘壳体为密闭壳体，用于屏蔽离子扩渗炉内的高压电场；和多个绕线方式相同且沿所述绝缘壳体的周向均布于绝缘壳体内的电磁铁，通过多个电磁铁在离子扩渗炉内形成可控的磁场，以改变金属工件表面电子的运动轨迹和金属工件的磁畴。系统包括：离子扩渗炉、离子氮碳共渗磁场辅助设备、变压器、真空泵、供气瓶和电气控制柜。方法包括控制向炉体内通入含有氮、碳元素的气体，并控制向金属工件提供间断的磁场。本公开可提高离子扩渗炉内的离子体密度，有效增加扩渗层厚度，以此提高扩渗质量。

Description

离子氮碳共渗磁场辅助设备、处理系统及方法

技术领域

本公开涉及金属材料表面离子渗氮处理技术领域，特别涉及一种离子氮碳共渗磁场辅助设备、处理系统及方法。

背景技术

不锈钢具有优异的耐腐蚀性，因此被广泛使用在化学和食品加工业等不同领域，但不锈钢的低硬度和较差的耐磨性严重限制在其他领域的应用。低温等离子氮碳共渗(Plasma Nitrocarburizing，PNC)工艺可以在不损失耐腐蚀性的条件下，改善金属的机械性能和摩擦学性能。

具体地，在金属(如奥氏不锈钢和马氏不锈钢)的PNC处理过程中，需将等离子体的产生与工件独立，并在炉内单独配制一个等离子体发生器，离化氨气和二氧化碳气体，使氮和碳均扩渗到金属表面，形成了一个近表面双相层，该双相层由一个碳富集层和位于该碳富集层顶部的氮富集层组成，被称为“膨胀奥氏体”。这样的双相层结合兼具渗氮层的高硬度和渗碳层硬度梯度平滑的优点。PNC方式利用高电压电离气体，利用离子态气体对样品的轰击溅射进行扩渗，炉内升温较快，渗层厚度均匀，气体电离率较好，但是PNC方式的耗电量较大。

另一方面，溅射镀膜是用荷能粒子轰击固体靶材，使靶材原子溅射出来并沉积到基体表面形成薄膜的镀膜技术。近年来，对磁控溅射技术及有关磁控溅射各个过程的物理机制的研究有了长足的进展，其靶材温升慢、沉积速率高两大显著特点被广泛应用于各种材料薄膜的制备。磁控溅射的原理是利用均匀正交电磁场中电子的长幅摆线运动，使电子的空间运动轨迹大大延长，从而增加了气体的电离几率。电子每经过一次碰撞损失一部分能量，经多次碰撞后，丧失了能量，进入离阴极靶面较远的弱电场区，最后到达阳极时已是能量消耗殆尽的低能电子，也就不会使基片过热，因此基片温度可大大降低。

相关技术一般将气体渗氮、盐浴渗氮等技术与磁控溅射技术进行组合，实现磁控渗氮复合处理。复合处理可以制备更深的扩渗层，提高生产效率，但气体渗氮存在工艺周期长，氨气消耗量大，污染严重等缺点，而盐浴处理对几何形状复杂的工件覆盖性较差。

发明内容

本公开旨在解决上述问题之一。

为此，本公开的实施例提出了一种可提高离子扩渗炉内的离子体密度，有效增加扩渗层厚度，以此提高扩渗质量的离子氮碳共渗磁场辅助设备。

本公开实施例的离子氮碳共渗磁场辅助设备适于放置于离子扩渗炉内，所述离子扩渗炉内具有放置金属工件的工件台，所述离子氮碳共渗磁场辅助设备包括：

绝缘壳体，所述绝缘壳体适于放置于所述离子扩渗炉内且位于所述工件台的下方，所述绝缘壳体为密闭壳体，用于屏蔽所述离子扩渗炉内的高压电场；和

多个电磁铁，多个所述电磁铁的绕线方式相同且沿所述绝缘壳体的周向均布于所述绝缘壳体内，多个所述电磁铁用于在所述离子扩渗炉内形成可控的磁场，以改变所述金属工件表面电子的运动轨迹和金属工件的磁畴。

本公开实施例提供的离子氮碳共渗磁场辅助设备具有如下特点及有益效果：

本公开实施例的离子氮碳共渗磁场辅助设备，将电磁铁放置在离子渗氮炉内，电磁铁的安置会在离子渗氮炉内形成可控磁场。磁场的存在影响了工件表面离子体的运动，一方面通过改变电子的运动轨迹，增加了电子与气体的碰撞几率，从而提高了离子体浓度；另一方面磁场也会改变工件的磁畴，任何铁磁性或铁氧体材料在居里温度以下都是由小体积区域构成的，在每个区域内所有磁偶极矩都被调整为同方向，这种区域称为畴。工件即属于铁磁性材料，在电场作用下，有利位相的畴将消耗不利位相的畴而长大，当有利畴的磁矩方向与外场方向相同时就会获得饱和磁场强度，磁壁发生位移，增加了工件表面的交换能和各向异性能，同时材料表面附近的磁化会导致磁致伸缩，增加了应变能，有利于氮碳的进入。离子浓度的提高和氮碳原子的方向性进入两方面共同作用，提高了扩渗效率，可获得更厚的扩渗层。

在一些实施例中，本公开实施例的离子氮碳共渗磁场辅助设备，还包括冷却组件，所述冷却组件包括进水管和出水管；所述电磁铁具有铁芯和缠绕于所述铁芯外的线圈，所述铁芯内具有冷却通道，所述冷却通道与所述进水管和所述出水管连通。

在一些实施例中，向所述电磁铁通入的电流满足：使所述金属工件完全被所述电磁铁产生的磁场囊括且所述金属工件附近的磁场强度达到550Gs～650Gs。

在一些实施例中，所述电磁铁的轴向与所述绝缘壳体的径向一致。

在一些实施例中，所述绝缘壳体位于所述工件台下方3cm～5cm处。

本公开的实施例提出的一种离子氮碳共渗处理系统，包括：

离子扩渗炉，所述离子扩渗炉包括炉体、设置于所述炉体内的放电针和用于放置金属工件的工件台；

离子氮碳共渗磁场辅助设备，所述离子氮碳共渗磁场辅助设备为根据权利要求1～5中任一项所述的离子氮碳共渗磁场辅助设备，所述离子氮碳共渗磁场辅助设备放置于所述炉体内且位于所述工件台的下方；

变压器，所述变压器与所述线圈和所述放电针连接，用于使所述电磁铁产生磁场和向所述炉体内提供电离电压；

真空泵，所述真空泵与所述炉体连通，用于使所述炉体内处于真空状态；

供气瓶，与所述炉体连通，用于向所述炉体内提供惰性气体以及含有碳元素和氮元素的气体；和

电气控制柜，用于控制所述离子氮碳共渗磁场辅助设备、所述离子扩渗炉、所述变压器、所述真空泵和所述供气瓶。

本公开的实施例提供的一种离子氮碳共渗处理方法，包括：

将金属工件放置在离子扩渗炉的炉体内，对所述炉体内抽真空，并向所述炉体内通入惰性气体；

对所述炉体内通入电压并升温，以保证所述炉体内进行稳定的辉光放电；

待所述炉体内的温度达到第一温度时，向所述炉体内通入含有氮元素和碳元素的气体，继续对所述炉体内升温；

待所述炉体内的温度达到第二温度时，向所述金属工件提供间断的磁场，并将所述磁场与所述电压屏蔽；

降低所述电压，向所述炉体内通入惰性气体，持续向所述金属工件提供磁场；

待所述炉体内的温度降低至第三温度时，停止向所述金属工件提供磁场；

待所述炉体内的温度降低至第四温度时，停止向所述炉体内通入惰性气体，取出所述金属工件。

本公开提供的离子氮碳共渗处理方法，具有以下特点及有益效果：

利用本公开实施例的离子氮碳扩渗处理系统进行扩渗时，待炉内达到设定温度并稳定后，用直流电为电磁铁供电。为防止磁场中的大量离子运动碰撞阻碍金属氮化物、金属碳化物的沉积，因此磁场要间断通电。达到扩渗时间后，关闭离子扩渗炉电源和电磁铁电源，让金属工件在惰性气体气氛下随炉冷却，使得金属工件表面的扩渗层厚度和扩渗质量均得以提高。

在一些实施例中，所述含有氮元素和碳元素的气体中氮元素与碳元素的比例为90：10～100：0.1。

在一些实施例中，待所述炉体内的温度达到第二温度时，向所述金属工件提供间断的磁场的通断时间比为1.5：1～3:1。

在一些实施例中，将所述金属工件放置在离子渗氮炉的炉体内之前，先对所述金属工件进行打磨、抛光和超声清洗。

附图说明

图1是本公开实施例的离子氮碳共渗磁场辅助设备的整体结构示意图。

图2是本公开实施例的离子氮碳共渗磁场辅助设备中冷却组件的结构示意图。

图3是本公开实施例的离子氮碳共渗处理系统的示意图。

图4是对照组即未使用磁场辅助设备、利用离子氮碳共渗工艺制备的38CrMoAl材料扩渗截面金相图。

图5是使用本公开实施例的磁场辅助设备、利用离子氮碳共渗工艺制备的38CrMoAl材料扩渗截面金相图。

图6是图4、图5中样品的截面硬度梯度曲线。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

参见图1，本公开实施例提出了一种离子氮碳共渗磁场辅助设备100，适于放置于离子扩渗炉(该离子扩渗炉在图1中未示意出)内，离子扩渗炉内具有用于放置金属工件230的工件台220。本公开的离子氮碳共渗磁场辅助设备包括：

绝缘壳体110，该绝缘壳体110适于放置于离子扩渗炉内且位于工件台220的下方，绝缘壳体110为密闭壳体，用于屏蔽离子扩渗炉内的高压电场；和

多个电磁铁120，位于绝缘壳体110内，多个电磁铁120的绕线方式相同且沿绝缘壳体110的周向均布于绝缘壳体110的中心；多个电磁铁120用于在离子扩渗炉内形成可控的磁场，以改变金属工件230表面电子的运动轨迹和金属工件的磁畴。

在一些实施例中，为了在有限空间内放置更多的电磁铁120，以提供更高的磁场强度，所有电磁铁120在绝缘壳体110内关于绝缘壳体110的中心呈辐射状排布，各电磁铁120的轴向与绝缘壳体110的径向一致，各电磁铁120均具有第一端和第二端，各电磁铁120的第一端的极性相同并靠近绝缘壳体110的中心设置、各电磁铁120的第二端的极性相同并远离绝缘壳体110的中心设置，且各电磁铁120的第一端形成内圆周、各电磁铁120的第二端形成外圆周。各电磁铁120的结构相同，包括铁芯121和缠绕于铁芯121外表面上的线圈122，各线圈122与位于扩渗炉外的电源连接，由电源向线圈122通电以产生磁场。

在另一些实施例中，所有电磁铁120在绝缘壳体110内也可均匀排布(如所有电磁铁形成一正多边形)、呈阵列形式(如采用4x5的阵列形式)排布或随机排布，保证两个电磁铁120相邻的端部的极性相同即可，其产生的磁场强度低于采用相同个数、结构的呈辐射状排布的电磁铁产生的磁场强度。

在一些实施例中，在满足离子扩渗炉安装空间的条件下，电磁铁的尺寸满足：铁芯的直径应在10～40mm之间，长度应在80～120mm之间，缠绕的于铁芯外围的线圈可以通过导线实现并联或者串联。

在一些实施例中，为了确定通入电磁铁120的线圈122中的直流电流大小，在扩渗开始前，对由本公开的离子氮碳共渗磁场辅助设备100、工件台220和待处理的金属工件230构成的组件进行数值模拟，逐步增大模拟电磁铁120中线圈的输入电流，使金属工件230完全被磁场囊括且金属工件230附近的磁场场强达到600Gs左右，记录此时输入电磁铁120中线圈122的电流数值，作为最终通入电磁铁120的线圈122中的直流电流大小。当金属工件230附近的磁场场强在600Gs附近时，即能提供较好的磁控效果，又不至于场强过大，避免增加本辅助设备的能耗。

在一些实施例中，为了使本设备的结构更加紧凑，绝缘壳体110为与呈辐射状排布的电磁铁120的第二端形成的外圆周相匹配的圆柱体，通过绝缘壳体110可以保护内部的电磁铁120在工作时不受离子扩渗炉内高压电场的影响。

本公开的离子渗氮磁场辅助设备100位于工件台220下方3～5cm处，使用时金属工件230置于工件台220上的任一电磁铁121上方使金属工件230表面磁场方向与电场方向垂直，离子在混合场中做摆线运动，以提高金属工件230表面的离子浓度。

在一些实施例中，为了避免电磁铁120因电感效应使得电磁铁120过热导致的损坏，本公开的离子氮碳共渗磁场辅助设备100还包括冷却组件，以降低电磁铁120在工作过程中的温度，并且通过检测出水口水温，可以灵活控制冷却循环水的流量，兼顾冷却和环保效果。参见图2，各电磁铁120的铁芯121均为空心结构，冷却组件包括：第一冷却管131、第二冷却管132、进水管133和出水管134，各铁芯121位于相同圆周上的一端均与第一冷却管131连通，各铁芯121的另一端与第二冷却管132连通；进水管133与第一冷却管131连通，用于向铁芯121引入冷却水，出水管134与第二冷却管132连通，用于将吸收热量后的冷却水引出；第一冷却管131可以设置于内圆周或者外圆周上，对冷却功能没有明显影响。本公开通过设置冷却组件，可为整个设备降温冷却，减少炉内高温和自身电磁感应生热对设备的影响。

本公开实施例的离子氮碳共渗磁场辅助设备的工作过程及原理如下：

工作过程：

扩渗前，利用模拟软件对待处理的金属工件进行建模，逐步增大模拟电磁铁的输入电流，使金属工件完全被磁场囊括且金属工件附近场强达到550Gs～650Gs(优选600Gs)左右，记录此时电磁铁的输入电流数值。

离子扩渗炉抽真空后，向电磁铁的线圈中输入通过数值模拟确定的电流值，即可在待处理的金属工件附近形成稳定磁场。此后电磁铁保持通电状态，直至金属工件随离子扩渗炉冷却到100℃，停止向电磁铁的线圈中输入电流。

工作原理：

运动的带电粒子可以产生磁力，材料的宏观磁性能来自原子磁矩，在铁磁性材料中，耦合交互作用使得相邻的原子的净自旋磁矩调整为相同方向，甚至可在无外场时发生。这种耦合交互作用力来自物质内部相邻原子的电子之间的经典相互交换作用，迫使各原子的磁矩平行或反平行，自旋相互调整在晶体内相当大的体积区域内存在，该区域成为畴。

在电磁铁产生的磁场内，待处理的金属工件发生畴界运动，使畴的形状和尺寸改变，这一过程增加了金属工件表面的交换能和各向异能，金属工件表层的磁化还会导致磁致伸缩，增加金属工件的表面应变能，这些变化都会加速氮原子和碳原子的扩散。

在离子扩渗炉中，通入炉内的氨气和二氧化碳被高速运动的电子轰击，成为正电粒子和负电粒子，正电粒子会向工件台移动，轰击工件台表面。待处理的金属工件放置在工件台上，工件台自身作为阴极受到正电粒子的轰击，在粒子移动到金属工件表面附近时，会受到电磁铁磁场的影响而产生横向的加速度，提高了粒子对金属工件表面的轰击效果，有利于氮碳原子在金属工件表面的附着。

这两方面的优势使得磁场辅助氮碳共渗相比于普通氮碳共渗工艺有更好的原子进入和粒子轰击溅射效果，从而提高了扩渗层厚度并提高了扩渗质量。

此外，本公开的实施例，采用电磁铁产生磁场，其可控性优于永磁铁，一般的具有磁控功能的扩渗设备使用的是永磁铁，而本公开实施例的电磁铁可采用环形排布，形成一个环形的电磁场，磁场强度可以在0～1000Gs范围内调节。电磁铁的磁场强度取决于所通电流，通过调节电磁铁电源，可以将场强调控在合适的范围内。利用高精度的高斯计测量不同电流下的磁场强度，在实际使用时，先利用模拟计算所需场强，再对照测量数据确定输入电流。与常规永磁铁磁控溅射磁场相比，本公开设备的可控性更强，对于不同的零件或不同的扩渗要求，可以使用不同的磁场强度，调控等离子体浓度分布，使离子更容易在工件待扩渗表面处富集，经研究，在工件表面附近形成一个场强600Gs的磁场可获得较好的扩渗效果，限制磁场使等离子体的浓度在工件表面达到最高。过强的限制磁场将使等离子体限制在工件台下方；过弱的限制磁场则不会达到较好的辅助扩渗效果。对于不同工件需要不同的限制磁场，永磁铁的磁控溅射方式无法适用于所有工件。而本公开设备采用的电磁铁产生的电磁场具有可控性强的优越性。此外，本公开设备中将电磁铁安置在工件台下方，既可以在工件台表面形成强磁场，又可节省炉内空间，有利于冷却水管道的排布。

本公开实施例提出了一种离子氮碳共渗处理系统，参见图3，包括：

离子扩渗炉200，包括炉体210、设置于炉体210内的放电针(该放电针在图中被炉体的侧壁所遮挡)和用于放置金属工件230的工件台220；

离子氮碳共渗磁场辅助设备100，放置于炉体210内，且离子氮碳共渗磁场辅助设备100位于工件台220下方；

变压器300，与离子氮碳共渗磁场辅助设备100内电磁铁120的线圈122和放电针240连接，用于为线圈122输入直流电流以产生磁场，并通过放电针向炉体210内提供电离所需的700V电压；

真空泵400，与离子扩渗炉200的炉体210连通，用于使炉体210内处于真空状态；

供气瓶500，与离子扩渗炉200的炉体210连通，用于向炉体210内提供惰性气体以及含有碳元素、氮元素和氢元素的气体；和

电气控制柜600，用于控制离子氮碳共渗磁场辅助设备100、离子扩渗炉200、变压器300、真空泵400和供气瓶500。

在一些实施例中，电气控制柜500作为整个离子氮碳共渗处理系统的控制端口，集成离子扩渗炉电源、电磁铁电源、气体流量计、冷却水流量计、电流表和冷却水控制阀等开关于一体。离子扩渗炉200的炉体210是对金属工件230进行扩渗处理的腔体，有良好的密封性，炉体210内放置离子氮碳共渗磁场辅助设备100，其中，电磁铁用于在金属工件周围产生磁场，循环组件为炉体和电磁铁冷却降温。变压器200将380V的工业用电转变为实际使用的实验用电(包括为电磁铁的线圈提供的220V电压和为炉体内放电针提供的700V高压)。真空泵400为炉内210抽真空提供动力来源。

本公开的离子氮碳共渗处理系统的工作过程为：

扩渗前，将待加工的金属工件置于装有离子氮碳共渗磁场辅助设备的离子氮化炉中，置于工件台上，工件台和金属工件同时作为阴极与离子扩渗炉电源的负极相连。随后关闭炉盖及放气阀，打开真空泵抽真空，打开电气控制柜，调节电流使得磁场强度维持在600Gs附近。调节变压器的占空比和输出电压打开进气阀向炉内通入所需气体，并在此状态下升温。待炉内温度达到设定温度后，保温到所需时长。保温期间，对电磁铁间断通电，通断电时间比为1.5：1～3:1。达到扩渗时间后，关闭离子扩渗炉电源，关闭电磁铁电源，持续通入惰性气体使金属工件随离子扩渗炉冷却。

本公开的离子氮碳共渗处理系统的工作原理为：

利用辉光放电效应将通入的气体电离成离子态，对工件台和金属工件进行轰击溅射，利用电磁铁的磁场加速离子的轰击作用，同时改变金属工件的磁畴，提高工件表面各项异能，加速氮碳原子向工件的扩渗，增大扩渗层厚度。

本公开实施例提出的一种离子氮碳共渗处理方法，利用本公开提出的离子氮碳共渗处理系统完成。本公开的处理方法包括以下步骤：

1)将金属工件放置在设有离子氮碳共渗磁场辅助设备的离子扩渗炉的炉体内，电气控制柜控制真空泵对离子扩渗炉的炉体内抽真空，使炉内抽真空至10～20Pa，维持该真空度10～20min；

2)维持炉内的真空度，向炉内通入惰性气体(如氩气、氦气和/或氖气等)，电气控制柜通过流量计控制炉内的气压维持在50～80Pa；

3)通过电气控制柜向电磁铁的线圈内通入设定的直流电流；

4)通过电气控制柜调节变压器的工作电压(700v-900v)和占空比(70％-80％)，并使得炉内在惰性气体气氛下升温，以保证炉内进行稳定的辉光放电；

5)待炉内温度达到300℃时，停止向炉内通入惰性气体，向炉内通入含有氮元素和碳元素的气体(其中，含有氮元素的气体可采用氨气和/或氮气和/或氢气，含有碳元素的气体可采用二氧化碳和/乙炔)，氮元素与碳元素的比例为90：10～100：0.1，通过电气控制柜使炉内继续升温；通过控制通入的氮元素与碳元素的比例，可保证后续得到的扩渗层的力学性能和摩擦学性能；

6)待炉内温度达到460～560℃时，开始保温、保压250～650Pa，保温保压期间，通过电气控制柜使得电磁铁的线圈间断通电，通断电时间比为1.5：1～3:1；通过对线圈间歇性的通电和断电，一方面有利于电磁铁的散热，另一方面，电磁铁的通断会使得金属工件内的磁畴方向从同向变为异向，有利于避免扩渗层在深度方向的不均匀；

7)保温、保压阶段结束后，缓慢降低变压器输出给炉体的电离电压，使金属工件随炉冷却；同时停止通入含有氮元素和碳元素的气体，通入少量的惰性气体，保持惰性气体的气压在20～30Pa；

8)待炉内温度降低至300℃时，关闭电磁铁电源；

9)待炉内温度降低至150℃时，停止通入惰性气体，打开离子扩渗炉的炉盖，取出金属工件。

在一些实施例中，通入线圈内的直流电流，是对离子扩渗炉、离子氮碳共渗磁场辅助设备、金属工件和工件台构建1:1的仿真模型，逐步增大模拟电磁铁的输入电流，使工件完全被磁场囊括且金属工件附近场强达到600Gs左右时对应的电磁铁的输入电流数值。

在一些实施例中，金属工件放入炉内前，将依次将待处理工件用标号为240#、400#、800#、1000#、1500#、2000#的砂纸打磨光滑，在抛光机上抛光至无划痕，随后用丙酮和酒精超声清洗并吹干，以保证金属工件表面的清洁。

下面描述本公开的离子氮碳共渗处理方法的具体示例，具体包括以下步骤：

扩渗前，首先用模拟软件1:1建立离子扩渗炉和电磁场模型，并建立直径20mm、厚10mm的圆柱形金属工件模型，模型材料选择为铁磁性材料，逐步增大模拟电磁铁的输入电流，使工件完全被磁场囊括且工件附近场强达到600Gs，记录此时电磁铁的输入电流数值；然后将直径20mm、厚10mm的圆柱形38CrMoAl试样块作为金属工件依次用标号为240#、400#、800#、1000#、1500#、2000#的砂纸打磨光滑，在抛光机上抛光至无划痕，用丙酮和酒精超声清洗并吹干。

1)将工件置于装有离子氮碳共渗磁场辅助设备的离子扩渗炉的炉体中，置于工件台上与电源的负极相连；随后关闭炉盖及放气阀，打开真空泵抽真空到20Pa，维持该真空度10min；其中，离子氮碳共渗磁场辅助设备内共设有20个呈辐射状排布的电磁铁，相邻电磁铁的轴向夹角为18°，可保证电磁铁产生的磁场的均匀性；

2)打开氩气瓶，向炉内通入氩气，同时保持抽真空进程，调节流量计给气，使气压维持在50Pa；

3)通过电气控制柜向电磁铁的线圈中通入设定的直流电流；

4)打开离子扩渗炉供电系统调节电压至650V、占空比30％，并逐步增大参数保证炉内进行稳定的辉光放电；

5)打开离子扩渗炉的进气阀向炉内通入氨气和二氧化碳，将氨气气压维持在285Pa，二氧化碳气压维持在15Pa，在此状态下对炉内进行升温；

6)待炉内温度达到520℃时，总扩渗时间为6h，控制电磁铁的线圈通电1h、断电30min，共计循环四次。

7)达到扩渗时间后，关闭离子扩渗炉的电源，使工件随炉冷却；同时停止通入氨气和二氧化碳，通入氩气，保持氩气气压在30Pa；

8)待炉内温度降至300℃时，关闭电磁铁电源；

9)待炉内温度降至150℃时，停止通入氩气，将工件从离子扩渗炉中取出。

将处理后的金属工件切割，对切断面打磨抛光，用4％硝酸酒精腐蚀以观测扩渗层形貌。结果如图5所示。对比未使用磁场辅助设备制得的样品截面图(如图4所示)可以看出，磁场辅助设备的使用提高了扩渗层厚度，从图4的200μm增加到了图5的264μm。从图6所示硬度梯度曲线可以看出，磁场辅助设备的使用使得扩渗层加深，且硬度下降更平缓。

综上所述，本公开提出的离子氮碳共渗磁场辅助设备、系统及处理方法，通过在碳氮扩渗过程中耦合电磁场，提高离子扩渗炉内的离子体密度，可有效增加扩渗层厚度、提高扩渗质量，对于氮碳共渗工艺，磁场强度在600Gs有显著效果。具体地，磁场的设计加速了正离子轰击工件表面的速度；同时让均匀正交电磁场中电子做长幅摆线运动，使电子的空间运动轨迹大大延长，从而增加了气体的电离几率，使得工件表面附近的电离密度增加；磁场还影响了金属工件的磁畴分布，有利于氮碳原子向基体内的扩渗。三个效果共同作用，使得等离子体密度提高、碰撞溅射出的铁原子浓度增加，加速了氮碳原子向基体内的扩散，最终使氮化层增厚，渗氮效率提高。本公开对于提高离子扩渗速率、增加扩渗层厚度具有显著效果。

Claims (5)

1.一种离子氮碳共渗处理方法，其特征在于，包括：

将金属工件放置在离子扩渗炉的炉体内，对所述炉体内抽真空，并向所述炉体内通入惰性气体；

对所述炉体内通入电压并升温，以保证所述炉体内进行稳定的辉光放电；

待所述炉体内的温度达到第一温度时，向所述炉体内通入含有氮元素和碳元素的气体，继续对所述炉体内升温，所述含有氮元素和碳元素的气体中氮元素与碳元素的比例为90：10~100：0.1；

待所述炉体内的温度达到第二温度时，向所述金属工件提供间断的磁场，并将所述磁场与所述电压屏蔽，所述间断的磁场的通断时间比为1.5：1~3:1；

降低所述电压，向所述炉体内通入惰性气体，持续向所述金属工件提供磁场；

待所述炉体内的温度降低至第三温度时，停止向所述金属工件提供磁场；

待所述炉体内的温度降低至第四温度时，停止向所述炉体内通入惰性气体，取出所述金属工件；

所述离子扩渗炉内具有离子氮碳共渗磁场辅助设备和用于放置金属工件的工件台，所述离子氮碳共渗磁场辅助设备包括：

绝缘壳体，所述绝缘壳体适于放置于所述离子扩渗炉内且位于所述工件台的下方，所述绝缘壳体为密闭壳体，用于屏蔽所述离子扩渗炉内的高压电场；和

多个电磁铁，多个所述电磁铁的绕线方式相同且沿所述绝缘壳体的周向均布于所述绝缘壳体内，多个所述电磁铁用于在所述离子扩渗炉内形成可控的磁场，以改变所述金属工件表面电子的运动轨迹和金属工件的磁畴；

向所述电磁铁通入的电流满足：使所述金属工件完全被所述电磁铁产生的磁场囊括且所述金属工件附近的磁场强度达到550 Gs ~650Gs。

2.根据权利要求1所述的离子氮碳共渗处理方法，其特征在于，将所述金属工件放置在离子渗氮炉的炉体内之前，先对所述金属工件进行打磨、抛光和超声清洗。

3.根据权利要求1所述的离子氮碳共渗处理方法，其特征在于，所述离子氮碳共渗磁场辅助设备还包括冷却组件，所述冷却组件包括进水管和出水管；所述电磁铁具有铁芯和缠绕于所述铁芯外的线圈，所述铁芯内具有冷却通道，所述冷却通道与所述进水管和所述出水管连通。

4.根据权利要求1所述的离子氮碳共渗处理方法，其特征在于，所述电磁铁的轴向与所述绝缘壳体的径向一致。

5.根据权利要求1所述的离子氮碳共渗处理方法，其特征在于，所述绝缘壳体位于所述工件台下方3cm~5cm处。