CN1138019C - 一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体设备与工艺 - Google Patents

Abstract

材料表面工程领域的一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体设备与工艺，设备包括炉体和供气，排气，加热，测控，冷却及供电系统[6]，特征是，炉体设有带有针状凸起物[30]的吊挂阳极[21]，采用的电源为超高压脉冲电源，工艺是在炉内气压为1×10⁵Pa的常压下进行，强渗时，采用脉冲电压为20～60kV，频率为50～200Hz，脉宽小于1μs，扩散时，采用脉冲电压为20～35kV，频率为50～100Hz，工件与阳极板间距为10～100mm，优点：设备结构简单，成本低15%，渗速快1/3～1/4倍，可节省能源30%。

Description

一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体设备与工艺

本发明涉及到一种金属表面强化用设备与工艺，属于材料表面工程领域。

自本世纪30年代发明离子渗氮法以来，等离子体表面改性技术在改善金属表面的减摩性、耐磨性和耐蚀性等方面，得到了迅速发展和广泛的应用。但现行的表面改性技术中采用的等离子体通常都是在真空度约为300Pa～1Pa条件下实现的。其中离子渗碳工艺是零件表面强化处理手段中常用的工艺，占表面强化零件的70％以上。在等离子体表面改性的著作中，最典型的是人民交通出版社1990年由杨烈宇等所著的《离子轰击渗扩技术》。该文献提出的工艺是在外加或无附加电阻热源的离子渗碳炉中，将工件作为阴极置于真空炉体中，以真空炉腔壁为阳极，送入渗碳剂，保持真空度在300～100Pa范围，然后通过直流电源，在阴阳极间加上500V以上的直流电压，使气体电离产生辉光放电，此时有大量高能带电粒子和中性活性粒子向工件表面作定向运动，对表面产生轰击作用，这样就实现了对工件的升温、保温和碳的渗入与扩散。完成这一工艺过程是在由炉门，炉体和设在其内的加热室、冷却室、淬火油槽、加热体、工件盘、进料机构、升降机构、出料机构，以及操作盘所构成并带有水冷层的真空离子渗扩炉内进行。其主要操作程序是：(1)将清洗去油干燥处理过的工件放入加热室；(2)关闭炉门启动真空泵抽真空至6.65～13.3Pa；(3)送交流电使电阻加热升温至渗碳温度，均温一段时间；(4)按工艺要求通入渗碳气体，并使炉压保持在300～100Pa范围内；(5)此时，接通直流电源，使炉内阴阳极之间产生辉光放电，开始进行离子渗碳；(6)当渗碳达到预定时间后，停止供应渗碳气体，关闭直流电源熄灭辉光，按预定时间进行真空扩散；(7)将工件由加热室移至淬火室直接淬火；(8)最后停泵，停电。该工艺在现有技术中起到革新作用，但也存在如下一些问题：1.必须有真空系统的工艺设备，因而造价成本高，工艺过程复杂，效率低，影响推广应用；2.离子渗氮、渗碳工艺由于采用的是直流电源辉光放电进行表面改性，直流电源辉光放电时，要同时保证与炉子热损失相平衡及工作在异常辉光放电区，因此维持异常辉光放电所需大量能量造成了与热损失相平衡的能量过多，而浪费能源。

本发明的目的和任务是要克服现有技术存在的下述三个问题：(1)必须采用具有真空系统的设备，造价较高，工艺过程复杂，效率低，不易推广；(2)所采用的供电系统需要增加灭弧装置，这种电源在形成等离子体的过程和工作过程中，必须在真空条件下才能实现；(3)渗扩速度慢，工艺时间长，异常辉光放电耗能过多，浪费能源。为了设计一种可以在常压下进行离子渗扩、不产生弧光放电和空心阴极效应的渗扩速度快、工艺温度低、设备结构简单、造价低、节能效果好的表面强化设备与工艺，特此提出本发明的技术解决方案。

存在上述问题的原因是由于现有的等离子体表面改性技术，其基本原理是利用低真空中稀薄气体辉光放电产生的离子和高能中性粒子轰击金属或合金表面，导致工件温度上升使表面渗入某一种或几种元素，并向内部扩散而实现改变其表层化学成分和组织，从而获得特殊的表面性能，如耐磨、耐蚀、耐疲劳等。其中高能量带电和中性活性粒子的生成，是实现该项技术的关键。只有连续稳定地向金属表面提供高能量带电和中性活性粒子，才能在金属表面发生被渗元素和金属表面的交互作用。高能量带电和中性活性粒子的产生可以用多种途径，如受热能、电能、磁能、光能等的作用，可以使通常的渗剂气体离解为带电粒子和活性原子。上述的辉光放电只是其中一种方法。发生气体放电的必要条件是一定电场强度E和气体压力P。只有当电场强度E与一定的真空度相匹配时，气体电离才能充分进行。为维持气体放电的重要条件是调整好E和P这两个参数。通过理论分析计算，对于现有等离子体表面改性技术中采用的电压在300～1000V的范围内，容器内气体的气压应在300～1Pa为合适。所以，现有技术中必须采用真空条件下进行表面处理，是由于其工作原理所决定的。

由于近年来高压窄脉冲的电源技术有了很大发展，可以改变人们的思路，而采用比现有技术大几个数量级的高压脉冲电源，实现在常压下获得高能量带电和中性活性粒子的目的。利用超高压窄脉冲电晕放电，脉冲幅值高，作用时间短，可在小于1μs的极短时间内使电子在ns数量级内获得巨大能量，将电能直接作用到电子上，能量利用率高。电子由此获得满足常压下气体分子，甚至稳定气体N₂、CO₂等电离和分解所需要的能量，使它们经非弹性有效碰撞后，形成非平衡等离子体。由于脉冲宽度窄，脉冲占空比很小，脉冲前沿陡，脉冲上升速率高，电子在短时间内得到很高的加速度。而其它一些带电离子刚刚处于启动状态时，外界能量即终止供给，供给能量的时间远远小于停止供给能量的时间，故气体整体温度并不高，因而窄脉冲电源可防止目前离子渗氮、渗碳工艺容易出现的火花、弧光放电现象。

应当指出，等离子体表面改性的效果还决定于渗剂气体的扩散，即被渗介质在单位时间内向工件表面输送活性粒子的数量。被渗元素的转递只有在气氛与金属表面存在元素浓度差时才发生，转递通量与活性粒子浓度差及表面积成正比。采用真空条件下进行处理，活性粒子的浓度比常压气氛下的活性粒子浓度低，因而为了其表面改性层达到一定的深度，需要比较长的时间。由此可见，在常压下进行等离子处理时，由于渗剂气氛压力高，能获得高浓度的活性粒子，从而提供了加速表面处理速度的有效途径。

本发明的基本构思是：采用超高压窄脉冲电晕放电产生非平衡等离子体，取代现有技术中必须真空条件下形成辉光放电产生等离子体；等离子体表面改性设备中的电源采用超高压窄脉冲电源；工艺过程是在常压下进行，去掉了现有电源中的灭弧装置和真空系统；为加强设备中的尖端放电效果，采用具有针状结构的阳极。

本发明所提出的一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体设备，主要包括炉盖[22]，炉体[7]和设在其内的加热体[20]、隔热屏[19]、工件平台[17]，以及供气系统[4]，排气系统[5]，加热系统[2]，测控系统[1]，冷却系统[3]和供电系统[6]，其特征在于：炉体[7]内，还设有吊挂在炉盖[22]上由吊挂接线杆[28]、阳极基板[29]和固定在阳极基板工作面上的多个针状凸起物[30]所构成的吊挂阳极[21]，而阳极基板与欲渗工作[18]相对应的工作面，其外表形状应同工件欲渗面的外表轮廓的凸凹部分反相对应；供电系统[6]所采用的电源是产生脉冲峰值为20-60kV，频率为50-200Hz，脉冲宽度小于1μs的超高压脉冲电源；隔热屏[19]在与设在炉体[7]上的观测窗[8]相对应的位置处，也开有与其大小相同的观测窗[8]，以备光电温度计能通过炉体上的观测窗与隔热屏上的观测窗直接观测到工件[18]；接线套柱[23]与炉盖[22]之间，阴极接线柱[13]与炉底板[16]之间采用能耐压为60kV的绝缘管[12]绝缘。

本发明设备的进一步特征在于：供电系统[6]的超高压脉冲电源是采用单相交流输入经自耦调压器调压，供电变压器升压，倍压整流再经高压脉冲发生器输出高压脉冲电压；吊挂阳极[21]是通过设置在炉盖[22]上方的固定装置[25]和接线套柱[23]，用紧固手轮[27]将其与接线套柱的插套[32]连接在一起，而被吊挂在炉盖[22]的中心线上，并通过紧固调节手轮[24]，相对欲渗工作[18]上下移动，以此达到调整吊挂阳极与工件间距的目的；加热系统[2]中的加热体[20]，置于炉胆之内，并处于隔热屏[19]的内侧，以补偿离子轰击作用的减弱而导致的加热效应的减弱，同时减少对炉体的影响提高热效率。

本发明在接线套柱[23]和阴极接线柱[13]与绝缘管[12]之间均采用橡皮圈密封，而炉体[7]与炉底板[16]之间，则是用石棉垫片密封。炉体[7]内的排气采用与大气相通的抽气泵。供气系统[4]的管路，在进入炉体内的隔热屏[19]后，其进气管[11]的出气口应沿炉体内壁的切向设置，以使气体进入炉内后能形成自然扰动。

当需要更换吊挂阳极或装取工件或炉内维修时，首先应松开固定炉体[7]与炉盖[22]的紧固螺栓；用起吊设备钩住炉盖上的吊耳[26]将炉盖与吊挂阳极一起吊起，松开固定吊挂阳极与接线套柱的紧固手轮[27]，即可取下吊挂阳极，将新的吊挂阳极通过紧固手轮与接线套柱固定在一起，同时，在打开炉盖后，可将已加工完了的工件取出或装入新的欲加工工件或进行维修工作，然后再用起吊将其炉盖与炉体复位，并用紧固螺栓把紧。

使用本发明所提出的一任一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体设备进行金属表面强化工艺，主要包括：第一步工件清洗干燥，第二步装炉排气，第三步向炉内通入含有欲渗元素的气体介质，第四步加热工件，保温渗扩，第五步停机降温，出炉检查，其特征在于：通入欲渗气体介质进行渗扩时，炉内气压应维持在1×10⁵Pa；当工件加热至400-920℃的保温阶段时，开始保温渗扩，同时接通高压脉冲电源，强渗时，调整其脉冲电压为20-60Kv，频率为50-200Hz，脉宽为小于1μs扩散时其电压为20-35kV，频率为50-100Hz，脉宽为小于1μs；通入欲渗介质的量，在强渗时为0.12m³/h-0.09m³/h，一般为0.1m³/h，扩散时为0.07m³/h-0.085m³/h，一般为0.08m³/h，而在氮碳共渗时则取氮气/丙烷为9∶2-7∶2，一般取4∶1；吊挂阳极的针状凸起物[30]与工件表面的距离在强渗及扩散时调整为10-100mm。

本发明工艺所采用的脉冲电压取决于吊挂阳极的针状凸起物[30]的顶端与工件的间距，通常是间距大时电源电压取上限，间距小时则取下限值，反之亦然，二者是处于匹配关系；而工件的渗扩温度在离子氮化时取其下限，在离子渗碳时取上限值，在氮碳共渗时一般取中下限；渗扩时间通常是随要求的渗层厚度的增大而加长。通入欲渗介质的量，一般强渗时为0.1m³/h，在扩散阶段0.08m³/h。装炉后的排气方法是先用抽气泵将炉内气体排出，随后关闭排气口，再向炉内通入欲渗气体介质，压力表显示炉压到1×10⁵Pa，然后，将排气口打开，用抽气泵将炉内气体排出，随后关闭排气口，再向炉内通入欲渗气体介质，压力表显示炉压达到1×10⁵Pa，再用抽气泵排出炉内气体，如此反复进行2-3次，使工件处于保护性气氛中。

采用本发明工艺处理零件时，离子渗碳工艺既有强渗过程又有扩散过程，渗碳零件渗碳以后需按常规进行淬火回火处理。而离子渗氮及氮碳共渗工艺只有强渗过程，而不需扩散过程，并且渗氮和氮碳共渗是零件的最终热处理工序。氮碳共渗时，通入氮气与丙烷的比例为4∶1，氮气的流量为0.08m³/h，丙烷的流量为0.02m³/h。加热工件之前一定要通冷却水，工件经渗扩后，随炉冷却至200℃以下，即可关闭冷却水。

本发明的主要优点是：

(1)由于本发明不采用真空系统和严格要求的真空密封结构，省去了现有设备中必备的真空泵及其相应的电磁真空充气阀、真空计等附属装置和具有严格要求的真空罩炉体，因此，设备结构简单、便于操作、造价低，可节约资金15％左右，易于推广。

(2)由于采用高压窄脉冲技术处理工件，以电晕放电，不会发生弧光放电，因而省去了灭弧装置，并避免了工件表面的弧光放电和空心阴极效应，使得形状复杂或带有狭逢、沟槽、深孔等的工件亦可获得均匀的渗层。

(3)由于利用超高压窄脉冲技术使电子在极短时间内获得很大的能量，在高速飞向阳极的过程中，使炉内的气体分子不断被激发和电离，常压下气体分子密度高，产生的与工件发生作用的活性粒子密度更大，所以，该工艺渗速快，一般比现有技术快1/4～1/3倍。

(4)由于本发明不采用直流电源辉光放电，不需要同时保证与炉子热损失相平衡及工作在异常辉光放电区所需大量能量，同时由于不采用灭弧电路，省去了大量电阻能耗，因此电能的利用率大幅度地提高，仅此一项一般就可节省能源30％。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明所提出的一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体设备的系统结构示意图

测控系统[1]采用光电温度计进行非接触式测温，对炉内工件的温度进行控制；加热系统[2]通过置于炉体内的加热器对工件进行加热，并且接受测控系统的控制；冷却系统[3]将冷却水通入炉体[7]内，对炉体实施冷却，炉体外表面的温度可通过调节冷却水的流量进行调节；供气系统[4]通过减压阀、流量计等将含有待渗元素的气体通入炉体内，通过流量计可调节其流量；排气系统[5]采用抽气泵将炉内气体抽出；供电系统[6]的阳极与炉体内的阳极接线套柱相接，其阴极与工件平台或工件直接相接，通过调节其控制面板上的相应旋钮可对输出电压和频率进行调节；炉体[7]上设有与各系统相联的接口，并且要求炉体接地。

图2是本发明所设计的常压非平衡等离子体设备渗扩炉的剖面结构示意图

它是由炉盖[22]和炉体[7]所构成的罩体而置于炉底板[16]上的结构，在炉底板的上方设计有作为阴极的工件平台[17]，而隔热屏[19]和工件[18]则置于其上面，吊挂阳极[21]则被吊挂在炉盖的中心线上，其针状凸起物则朝向工件欲渗面。

为了便于水冷，其炉体与炉盖均采用双层结构，光电温度计与设在炉体[7]上的观测窗[8]和设在隔热屏[19]上的观测窗[8]在一条直线上，以确保工件待渗面发出的红外辐射能够被光电温度计所接收到。加热线路通过带有与炉体绝缘的进线口[9]，而引入炉体内的加热体[20]上。进水口[10]将冷却水从炉底板[16]引入炉体[7]内，并经出水口[15]从炉底板排出炉体。进气管[11]穿过炉底板[16]和隔热屏[19]通入炉内。通过炉底板[16]的绝缘管[12]将阴极接线柱[13]与炉底板[16]绝缘。阴极接线柱[13]连接于工件平台上，并与高压电源阴极相连。出气管[14]将炉内气体从炉底板[16]底部引出，出气管上端应与炉底板[16]上表面平齐。出水口[15]将炉体内的冷却水排出炉体，出水口应低于炉底板[16]。工件平台[17]通过辅助支撑置于炉底板[16]上，并与阴极接线柱[13]相连接，而工件[18]置于其上面。圆筒状的隔热屏[19]，置于工件平台[17]上。加热体[20]均匀布置在隔热屏[19]的内壁上。吊挂阳极[21]与接线套柱[23]相联，并可通过紧固调节手轮[24]随接线套柱[23]上下移动，以调节阳极与工件的间距。炉盖[22]与炉体[7]通过紧固螺栓相联，移开炉盖[22]即可将炉内的隔热屏、加热体、吊挂阳极、工件等装取或修理。接线套柱[23]及吊挂阳极[21]的固定装置[25]置于炉盖[22]和绝缘管[12]上，可防止吊挂阳极[21]和接线套柱[23]的向下滑动，确保在整个工作过程中，阳极与工件其间距的稳定。设在炉盖上的绝缘管[12]是将接线套柱[23]与炉盖[22]绝缘隔离，防止炉体带高压电。吊耳[26]用于起吊炉盖。紧固手轮[27]的作用是将吊挂阳极[21]与接线套柱[23]紧固相连或松开。图中的箭头方向表示冷却水流动方向。炉体设有接地线。

图3是本发明所设计的平板状吊挂阳极正视剖面结构示意图

图中显示，吊挂阳极是由吊挂接线杆[28]、阳极基板[29]和针状凸起物[30]三部分所构成。吊挂接线杆[28]是垂直阳极基板[29]面，固定在阳极基板[29]背向工件的基板面的中间部位，而与工件相对的基板面上则垂直于阳极基板[29]面均布固定有针状凸起物[30]。

图4是本发明所设计的圆筒状吊挂阳极正视剖面结构示意图

图中显示，阳极基板[29]呈圆筒状，而针状凸起物[30]则沿阳极基板[29]的直径方向固定在圆筒状阳极基板[29]的内侧，吊挂接线杆[28]则通过吊架[31]被固定在圆筒状阳极基板[29]一端，并且使吊挂接线杆的中心线与圆筒状阳极基板的中心线重合。为了使光电温度计能测出工件的红外辐射能，在该圆筒状阳极基板上开有多个观测窗[8]。

图5是图4的俯视结构示意图

图中显示，吊挂接线杆[28]是垂直固定在两根呈“十字”形的吊架[31]上，并处在圆筒状阳极基板[29]的中心线上，而吊架[31]的端头则被固定在圆筒状阳极基板[29]的端头上，符号[30]为针状凸起物。

图6是本发明所设计另一种形式的圆筒状吊挂阳极正视剖面结构示意图

与图4不同之处在于其针状凸起物[30]是沿其直径方向被固定在圆筒状阳极基板[29]的外侧，由于工作时，工件处在阳极基板的外侧，因此，在其阳极基板上不需要开设观测窗。其他结构与符号均同图4。

图7是图6的俯视结构示意图

该图的针状凸起物[30]则是沿圆筒状阳极基板[29]的直径方向被固定在其外侧。其他结构与符号均同图6。

图8是本发明所设计的接线套柱的正视剖面结构示意图

图中显示接线套柱是一个在倒筒状的插套[32]的底部沿中心线方向固定有接线套柱[23]，在插套[32]的侧面设有紧固手轮[27]用以把紧或松开吊挂接线杆。

图9是本发明所设计的在接线套柱上紧固有吊挂阳极时的结构示意图

图中显示，吊挂接线杆[28]插入接线套柱的插套[32]里后，通过紧固手轮[27]的紧固作用，就将吊挂阳极与接线套柱固定在一起，电源的正极通过接线套柱[23]、插套[32]再经吊挂接线杆[28]通向吊挂阳极的阳极基板[29]和针状凸起物[30]。更换吊挂阳极时只要松开紧固手轮[27]就可把现有吊挂阳极取下，再将一个新的吊挂阳极的吊挂接线杆[28]插入插套[32]中并把紧紧固手轮[27]，便将新的吊挂阳极与接线套柱连在一起即可。

表1是现有的等离子渗碳工艺与本发明的常压非平衡等离子渗碳工艺在理论、设备、工艺、效果的比较表。

表2是现有的等离子氮碳共渗工艺与本发明的常压非平衡等离子氮碳共渗工艺在理论、设备、工艺、效果的比较表。

表3是现有的等离子渗氮工艺与本发明的常压非平衡等离子渗氮工艺在理论、设备、工艺、效果的比较表。下面是本发明的具体实施例

实施例1

船用高速柴油机活塞销，材料为20Cr，工件尺寸为φ60×300mm。该零件工作时处于重载荷高接触应力状态，要求高的抗弯曲疲劳强度及耐磨性能。其表面硬度为HRC60～62，心部硬度HRC34～36，渗层深度1.0mm。采用本发明的设备与工艺进行常压等离子渗碳处理，具体步骤如下：

第一步 工件清洗干燥

用碱水将待处理零件表面洗净，除去油污，随后烘干；

第二步 装炉排气

松开紧固螺栓打开炉盖，将活塞销垂直放到工件平台中心位置上，采用针状凸起物设在圆筒状阳极基板内侧并开有观测窗[8]的吊挂阳极，通过固定装置[25]上的紧固调节手轮[24]调节阳极的位置，将其吊挂阳极罩住活塞销，并使其与设在隔热屏和筒状阳极基板上的观测窗[8]和设在炉体上的观测窗对应，使它们与光电温度计处在同一直线上。吊挂阳极的尺寸为φ140×320mm，针的长度为10mm，吊挂阳极的针尖与零件的间距为30mm，然后合上炉盖。通入工作气体甲烷作为保护气体，打开抽气泵将炉内空气排出，再关闭排气口，向炉内再通入甲烷气体，再排出气体，如此反复3次；

第三步 向炉内通入欲渗气体介质

甲烷是欲渗的含碳介质，以0.1m³/h的流量通入炉内，并维持炉内的压力1×10⁵Pa；

第四步 加热工件，保温渗扩

加热前先通冷却水，然后接通外加热电源使炉温升至920℃，到温后均温20分钟，而后通过操作盘上的相应旋钮启动超高压脉冲电源，调整其脉冲电压为50kV，频率为160Hz，脉宽0.8μs，通入甲烷量为0.1m³/h，进行常压下非平衡等离子体渗碳1h之后开始扩散阶段，此时调整脉冲电压为30kV，频率为100Hz，脉宽0.9μs，通入甲烷量为0.08m³/h，扩散1h；

第五步 停机降温，零件出炉

渗扩之后，开始降温。首先断开超高压脉冲电源，停止电晕放电。再断开外加热源，停止加热，使零件随炉冷却至200℃时停止供气，关闭冷却水，松开紧固螺栓吊起炉盖，零件出炉；将零件按常规进行870℃淬火180℃回火，取样检查其结果是：

表面硬度HRC60～62

渗层厚度1.2mm

这个结果与已有的技术的20Cr钢在920℃下渗碳3h，渗层深度为1.1～1.2mm相比，缩短时间1h，提高效率33％。

实施例2

45^#钢波纹管注塑机滑道，尺寸500×350×50mm，该滑道工作时处于磨损及接触疲劳应力状态，要求有高的耐磨损及抗疲劳性能，其表面硬度为HV_0.1950～1050，渗层为0.25～0.30mm，采用本发明的设备与工艺进行常压等离子氮碳共渗处理，具体步骤如下：

第一步 工件清洗干燥

用碱水将待处理零件表面洗净，除去油污，随后烘干；

第二步 装炉排气

松开紧固螺栓，用起吊设备钩住炉盖[22]上的吊耳[26]将炉盖[22]和吊挂阳极吊起，然后，松开吊挂阳极[21]与接线套柱[23]间的紧固手轮[27]，将筒状吊挂阳极从接线套柱上取下。然后，将平板吊挂阳极与接线套柱相连。将工件放在筒形隔热屏[19]底部的工件平台中心位置上，待渗面对着阳极放置。然后，将炉盖复位，并用紧固螺栓将炉盖与炉体相连，通过固定装置[25]上的紧固调节手轮[24]调节吊挂阳极与零件的间距为25mm。通入工作气体氮气作为保护气体，打开抽气泵将炉内空气排出，再关闭排气口，向炉内再通入氮气，再排出气体，如此反复3次；

第三步 向炉内通入欲渗气体介质

渗剂气体为氮气和丙烷，以氮气/丙烷＝4/1的比例通过流量计向炉内送入二者的混合气。氮气以流量为0.08m³/h通入炉内，丙烷以流量为0.02m³/h通入炉内，并维持炉内的压力为1×10⁵Pa；

第四步 加热工件，保温渗扩

加热前先通冷却水，然后接通外加热电源使炉温升至570℃，到温后均温20分钟，而后启动超高压脉冲电源，调整其脉冲电压为35kV，频率为110Hz，脉宽0.88μs，通入混合介质量为0.1m³/h，进行常压下非平衡等离子体氮碳共渗2h；

第五步 停机降温，出炉检查

共渗之后，开始降温。首先断开超高压脉冲电源，停止电晕放电。再断开外加热源，停止加热，使零件随炉冷却至150℃时停止供气，关闭冷却水，松开连接炉体与炉盖的紧固螺栓吊起炉盖，零件出炉，取样检查：

硬度：HV_0.1970～1030

渗层厚度：0.29mm

与已有的离子碳氮共渗工艺的45^#钢在570℃下渗3h，渗层深度0.25mm相比，缩短时间1h，提高效率33％。

实施例3

船舶柴油机用43/82型气缸套，尺寸φ430×820mm，材料为灰口铸铁，缸套工作时处于磨损及腐蚀状态，要求有高的抗蚀性和耐磨性，其内表面硬度为大于HV_0.11000，渗层为0.15～0.20mm。采用本发明的设备与工艺进行常压等离子渗氮处理，具体步骤如下：

第一步 工件清洗干燥

用碱水将待处理零件表面洗净，除去油污，随后烘干。

第二步 装炉排气

松开紧固螺栓，用起吊设备钩住炉盖[22]上的吊耳[26]可以将炉盖[22]和吊挂阳极吊起，然后，松开吊挂阳极[21]与接线套柱[23]间的紧固手轮[27]，将平板状吊挂阳极从接线套柱上取下，然后将针状凸起物[30]向外的筒状吊挂阳极与接线套柱相连。将工件放在筒形隔热屏[19]底部的工件平台中心位置上，隔热屏侧面的观测窗[8]位置应与炉体上的观测窗对应。将炉盖复位，并用紧固螺栓将炉盖与炉体相连，通过固定装置[25]调节筒状吊挂阳极上下移动使其完全进入缸套内，吊挂阳极的尺寸为外径φ380×830mm，针长10mm，吊挂阳极的针尖与零件的间距为15mm。通入工作气体氮气作为保护气体，打开抽气泵将炉内空气排出，再关闭排气口，向炉内再通入氮气，再排出气体，如此反复3次。

第三步 向炉内通入欲渗气体介质

渗剂气体为氮气，以流量为0.1m³/h通入炉内，并维持炉内的压力为1×10⁵Pa。

第四步 加热工件，保温渗扩

加热前先通冷却水，然后接通外加热电源使炉温升至450℃，到温后均温20分钟，而后启动超高压脉冲电源，调整其脉冲电压为20kV，频率为60Hz，脉宽0.97μs，氮气仍为0.1m³/h，进行常压下非平衡等离子体渗氮4h。

第五步 停机降温，零件出炉检查

渗氮之后，开始降温。首先断开超高压脉冲电源，停止电晕放电，再断开外加热源，停止加热，使零件随炉冷却至150℃时停止供气，关闭冷却水，然后打开炉盖，零件出炉，取样检查。

硬度：HV_0.11000～1100

渗层厚度：0.19mm

与已有的离子渗氮工艺的灰口铸铁在520℃下渗5h，渗层深度0.15mm相比，时间缩短了1h，提高效率20％。表1是现有的等离子渗碳工艺与本发明的常压非平衡等离子渗碳工艺在理论、设备、工艺、效果的比较表

比较项目		等离子渗碳	常压离子渗碳
				理论	原理	利用辉光放电	利用电晕放电
电压高低	300～1000V	大于20kV
			设备		真空装置	必须	不需要
密封要求	真空密封	普通密封
				造价	高	低
工艺	清洗	高					一般
			渗扩速度	20Cr在920℃渗碳3h，渗层深度1.1～1.2mm	20Cr在920℃渗碳2h，渗层深度1.2mm
	扩散条件	活性离子浓度较低，扩散慢				活性离子浓度高，扩散快
			工艺过程	复杂	简单
	效果	时间				较长	较短
耗能			大	小
		质量			好	好
性能			好	好

表2是现有的等离子氮碳共渗工艺与本发明的常压非平衡等离子氮碳共渗工艺在理论、设备、工艺、效果的比较表

比较项目		等离子渗氮	常压离子渗氮
				理论	原理	利用辉光放电	利用电晕放电
电压高低	300～1000V	大于20kV
			设备		真空装置	必须	不需要
密封要求	真空密封	普通密封
				造价	高	低
工艺	清洗	高					一般
			渗扩速度	43/82型气缸套在520℃下渗氮5h，渗层深度0.15mm	43/82型气缸套在520℃下渗氮4h，渗层深度0.19mm
	扩散条件	活性离子浓度较低，扩散慢				活性离子浓度高，扩散快
			工艺过程	复杂	简单
	效果	时间				较长	较短
耗能			大	小
		质量			好	好
性能			好	好

表3是现有的等离子渗氮工艺与本发明的常压非平衡等离子渗氮工艺在理论、设备、工艺、效果的比较表

比较项目		等离子氮碳共渗	常压离子氮碳共渗
				理论	原理	利用辉光放电	利用电晕放电
电压高低	300～1000V	大于20kV
			设备		真空装置	必须	不需要
密封要求	真空密封	普通密封
				造价	高	低
工艺	清洗	好					一般
			渗扩速度	45钢在570℃下共渗3h，渗层深度0.25mm	45钢在570℃下共渗4h，渗层厚0.29mm
	扩散条件	活性离子浓度较低，扩散慢				活性离子浓度高，扩散快
			工艺过程	复杂	简单
	效果	时间				较长	较短
耗能			大	小
		质量			好	好
性能			好	好

Claims (5)

1.一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体设备，主要包括炉盖[22]，炉底板[16]，炉体[7]和设在其内的加热体[20]、隔热屏[19]、工件平台[17]，以及供气系统[4]，排气系统[5]，加热系统[2]，测控系统[1]，冷却系统[3]和供电系统[6]，其特征在于：

a).炉体[7]内，还设有吊挂在炉盖[22]上由吊挂接线杆[28]、阳极基板[29]和固定在阳极基板工作面上的多个针状凸起物[30]所构成的吊桂阳极[21]，而阳极基板外表形状与工件欲渗面的凸凹部分的外表轮廓反相对应，

b).供电系统[6]所采用的电源，是产生脉冲峰值电压为20-60kV，频率为50-200Hz，脉冲宽度小于1μs的超高压脉冲电源，

c).隔热屏[19]在与设在炉体[7]上的观测窗[8]相对应的位置处，也开有与其大小相同的观测窗[8]，

d).接线套柱[23]与炉盖[22]之间，阴极接线柱[13]与炉底板[16]之间采用能耐压力为60kV的绝缘管[12]绝缘。

2.根据权利要求1所述的一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体设备，其特征在于：供电系统[6]的超高压脉冲电源是采用单相交流输入经自耦调压器调压，供电变压器升压，倍压整流再经高压脉冲发生器输出高压脉冲电压。

3.根据权利要求1所述的一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体设备，其特征在于：吊挂阳极[21]是通过设在炉盖[22]上方的固定装置[25]和接接线套柱[23]，用紧固手轮[27]将其与接线套柱的插套[32]连接在一起，而被吊挂在炉盖[22]的中心线上，并通过紧固调节手轮[24]，相对欲渗工件[18]上下移动。

4.根据权利要求1所述的一种金属表面强化用的常压非平衡等离子体设备，其特征在于：加热系统[2]中的加热体[20]置于炉胆之内，并处于隔热屏[19]的内侧。

5、一种使用权利要求1-4中任一种的设备进行金属表面强化的工艺，主要包括：第一步工件清洗干燥，第二步装炉排气，第三步向炉内通入含有欲渗元素的气体介质，第四步加热工件，保温渗扩，第五步停机降温，出炉检查，其特征在于：

a).通入欲渗气体介质进行渗扩时，炉内气压应维持在1×10⁵Pa，

b).当工件加热到400～920℃的保温阶段时，开始保温渗扩，同时接通超高压脉冲电源，强渗时调整脉冲电压为20～60kV，频率为50～200Hz，脉宽为小于1μs，对渗碳在扩散时其脉冲电压调整为20～35kV，频率为50～100Hz，脉宽为小于1μs，

c).通入欲渗介质的量，在强渗时为0.12m³/h～0.09m³/h，一般为0.1m³/h，扩散时为0.07m³/h～0.085m³/h，一般为0.08m³/h，而在氮碳共渗时则取氮气/丙烷为9∶2～7∶2，一般取4∶1，

d).吊挂阳极的针状凸起物[30]与工件[18]表面的距离应调整为10～100mm。

Images