CN114164395B

CN114164395B - 离子氮碳硫多元共渗设备、处理系统及方法

Info

Publication number: CN114164395B
Application number: CN202111443771.4A
Authority: CN
Inventors: 何永勇; 张哲浩; 李杨; 邵明昊; 王政伟; 董永康; 雒建斌
Original assignee: Tsinghua University; Yantai University
Current assignee: Tsinghua University; Yantai University
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-09-23
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: CN114164395A

Abstract

本公开提供的离子氮碳硫多元共渗设备、处理系统及方法，设备包括：炉体；位于炉体内的工件盘；位于炉体内的工件盘上方的阳极板；位于炉体内的工件盘下方的辅助阴极；位于炉体内的工件盘、阳极板和辅助阴极外围的空心阴极筒；第一电源，用于为空心阴极筒和辅助阴极提供脉冲电压的第一电源；和用于为工件盘提供脉冲偏置电压的第二电源。系统包括：离子氮碳硫多元共渗设备、变压器、真空泵、供气瓶和电气控制柜。方法包括向炉体内通入含有氮、氢、碳和硫元素的气体，并控制第一电源和第二电源的关断。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和表面硬度，以此提高扩渗质量，同时方便阳极清洗。

Description

离子氮碳硫多元共渗设备、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，具体涉及离子氮碳硫多元共渗设备、处理系统及方法。

背景技术

低温离子渗硫技术作为一项改善摩擦副摩擦磨损性能的有效技术，在实际工业生产中具备自身的优势与发展前景，近年来广泛应用于冶金机械、车辆、纺织机械以及轴承齿轮、机械加工刀具等行业。但是由于渗硫工艺的限制，在工件表面形成的渗硫层一般只有几个微米的厚度，从而使其在较苛刻条件下固体润滑作用的长期发挥受到限制。

虽然渗硫表面具有良好的固体润滑性能和抗擦伤性能，但若基体硬度太低，不能给予良好的支撑，其作用将无法发挥。渗氮层硬度较高，可大幅提高钢铁表面的耐磨性和抗擦伤性，但高硬度同样会使其对磨面的磨损加剧，并且其摩擦系数较高。根据摩擦学原理：理想的摩擦表面是具有良好润滑性能的最表层软，亚表层硬度高并能形成与基体良好的过渡，给最表层以有效的支撑，并保证不发生层状剥落。所以，对离子渗氮表面进行离子渗硫处理，即在渗氮层上再形成渗硫层，有利于进一步提高表面的摩擦学性能。

目前渗硫工艺不完善，渗层较薄，渗硫效率低，且渗硫层的结合力较差，长时间使用后渗硫层发生剥落，不能满足实际的工况要求。

发明内容

本公开旨在解决上述问题之一。

为此，本公开第一方面实施例提供的可使在金属工件表面形成的化合物层及强化层更厚、表面硬度更高且表面更光洁的离子氮碳硫多元共渗设备，包括：

炉体，所述炉体包括密封连接的炉壳和底座，在所述炉壳和所述底座之间形成密闭腔体；

工件盘，所述工件盘位于密闭腔体内，并绝缘支撑于所述底座上，金属工件放置于所述工件盘上；

阳极板，所述阳极板位于所述密封腔体内的所述工件盘上方，并绝缘支撑于所述底座上；

辅助阴极，所述辅助阴极位于所述密封腔体内的所述工件盘下方，并绝缘支撑于所述底座上；和

第一电源，用于为所述工件盘和所述辅助阴极提供脉冲电压。

本公开第一方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备，具有以下特点及有益效果：

本公开第一方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备，采用阳极板进行放电，而非常规使用炉壳作为阳极的方式，炉壳在本公开设备中接地，但是与工件盘、辅助阴极和阳极板均绝缘，这种方式有助于工件吸附电子，增加离子键碰撞几率，使炉内的等离子体分布更合理，同时防止炉壳吸附阴离子，方便对阳极的清理。

本公开第一方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备，采用阳极板进行放电，而非常规使用炉壳作为阳极的方式，炉壳在本公开实施例的设备中接地，但是与工件盘、辅助阴极和阳极板均绝缘，这种方式有助于金属工件吸附电子，增加离子键的碰撞几率，使炉内的等离子体分布更合理，同时可防止炉壳吸附阴离子，方便对阳极的清理；此外，辅助阴极的设置，使得阴阳极板间产生的离子向辅助阴极轰击，产生大量热量，同时，辅助阴极的负辉区相互重叠，使该区内带电粒子浓度更高、高能粒子更多，彼此之间相互碰撞，产生更高的温度，高速运动的原子和高能离子也可以更容易打在阴极表面上，而在高密度的等离子体区域内，存在着较多的高能粒子击阴极表面，増强了阴极溅射效应。由于以上诸多方面的因素，导致辅助阴极放电产生极高的等离子体密度。利用本公开第一方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备处理的金属工件，其表面形成的化合物层及强化层更厚，表面硬度更高，且表面更光洁。

本公开第一方面另一实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备，包括：

辅助阴极，所述辅助阴极位于所述密封腔体内的所述工件盘下方，并绝缘支撑于所述底座上；

空心阴极筒，所述空心阴极筒位于所述密封腔体内，所述工件盘、所述阳极板和所述辅助阴极均位于所述空心阴极筒内；

第一电源，所述第一电源用于为所述空心阴极筒和所述辅助阴极提供脉冲电压；和

第二电源，所述第二电源用于为所述工件盘提供脉冲偏置电压，所述阳极板接地。

本公开第一方面另一实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备，具有以下特点及有益效果：

本实施例除具有本公开第一方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备的有益效果外，由于本实施例设备增设了空心阴极筒并采用双电源体系，可保证快速升温及放电稳定性。其中，第一电源采用脉冲电源，与空心阴极筒和辅助阴极连接，通过向空心阴极筒和辅助阴极施加电压，可以加速辅助阴极内的惰性气体的电离，激发离子碰撞加速升温，同时能够对金属工件及炉内起到清洁作用；第二电源采用脉冲偏压电源，与金属工件连接，将含有氮元素、碳元素和硫元素的气体作为扩渗介质，在扩渗过程中，在电子的碰撞下形成具有较高内能的电子激发态，即含有氮元素、碳元素和硫元素的正离子，对金属工件表面原子反应激活能具有降低作用，从而使得多元扩渗更易发生。利用本公开第一方面另一实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备处理的金属工件，其表面形成的化合物层及强化层更厚，表面硬度更高，且表面更光洁。

在一些实施例中，所述阳极板面向所述工件盘一侧完全覆盖所述工件盘，所述阳极板通过穿过所述工件盘和所述辅助阴极的第一绝缘底座支撑于所述底座上。

在一些实施例中，所述辅助阴极包括绝缘板、若干位于所述绝缘板上且由内至外同轴设置的环状薄板以及连接于所述绝缘板和所述底座之间的第二绝缘底座，所述薄板上设有若干第一孔洞。

在一些实施例中，各所述薄板等厚、等高且等间距排布。

在一些实施例中，所述工件盘上间隔设有若干均匀分布的第二孔洞，所述金属工件放入所述第二孔洞中。

在一些实施例中，所述空心阴极筒的筒壁上设有若干第三孔洞。

本公开第二方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗处理系统，包括：

根据本公开第一方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备；

变压器，所述变压器与所述第一电源和所述第二电源连接；

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，所述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氮元素、氢元素、碳元素和硫元素的气体；和

电气控制柜，所述电气控制柜用于控制所述离子氮碳硫多元共渗设备、所述变压器、所述真空泵和所述供气瓶。

在一些实施例中，所述电气控制柜控制所述第一电源工作在共渗处理的全阶段，所述电气控制柜控制所述第二电源在炉内达到共渗温度后开启，并与所述第一电源同时关闭。

本公开第三方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗处理方法，包括：

将金属工件放置在离子氮碳硫多元共渗设备的工件盘上，对所述炉体内抽真空，并向所述炉体内通入惰性气体；

对所述离子氮碳硫多元共渗设备的炉体内通入第一电源并升温，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，对所述炉体内通入第二电源，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，向所述炉体内通入含有氮元素和氢元素的气体，继续对所述炉体内升温；

待所述炉体内的温度达到第三温度时，向所述炉体内通入含有氮元素、氢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四温度时，向所述炉体内通入含有氮元素、氢元素、碳元素和硫元素的气体，调节所述第一电源和所述第二电源进行保温保压；

降低所述第一电源和所述第二电源，向所述炉体内停止通入含有氮元素、氢元素、碳元素和硫元素的气体；

待所述炉体内的温度降低至第五温度时，向所述所述炉体内通入惰性气体，以对金属工件表面进行清洗；

待所述炉体内的温度降低至第六温度时，停止向所述炉体内通入惰性气体，取出所述金属工件。

附图说明

图1为本公开第一方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备的结构示意图。

图2为图1所示离子氮碳硫多元共渗设备中辅助阴极的结构示意图。

图3为本公开第二方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗处理系统的结构示意图。

图4和图5分别为使用本公开实施例提供的离子氮碳硫元共渗处理方法处理后和使用常规共渗处理后的截面金相图。

图6为使用本公开实施例提供的离子氮碳硫元共渗处理方法处理后和使用常规共渗处理后金属工件的硬度梯度图.

图7为使用本公开实施例提供的离子氮碳硫元共渗处理方法处理后和使用常规共渗处理后金属工件的UMT分析图。

图中：

100-离子氮碳硫多元共渗设备，1-炉壳，2-空心阴极筒，21-第三孔洞，3-底座，4-阳极板，41-第一绝缘底座，5-工件盘，51-第二孔洞，6-辅助阴极，61-绝缘板，62-薄板62，63-第二绝缘底座，64-第一孔洞；

200-变压器；

300-真空泵；

400-供气瓶；

500-电气控制柜。

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(为了清楚展示本实施例设备的内部结构，图1中，本公开第一方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备100，包括：

炉体，包括密封连接的炉壳1和底座3，在炉壳1和底座3之间形成密闭腔体；

工件盘5，位于密闭腔体内，绝缘支撑于底座3上，金属工件放置于工件盘5上；

阳极板4，位于密封腔体内的工件盘5上方，绝缘支撑于底座3之上；

辅助阴极6，位于密封腔体内的工件盘5下方，绝缘支撑于底座3之上；和

第一电源(该电源在图1中未示意出)，用于为工件盘5和辅助阴极6提供脉冲电压。

在一些实施例中，增设的阳极板4和辅助阴极6用于增加离子碰撞几率，增强氮碳硫共渗效率，使炉内的等离子体分布更合理。采用阳极板4进行放电，有助于工件表面吸附电子，使炉内的等离子体分布更合理，同时防止炉壳1吸附阴离子，方便清理。辅助阴极6可以增大阴极面积，增大离子撞击阴极的概率，向辅助阴极6施加电压，使得阳极板4产生的离子向辅助阴极6轰击，轰击产生大量热量。同时，辅助阴极6的负辉区相互重叠，使该区内带电粒子浓度更高，高能粒子更多，彼此之间相互碰撞，产生更高温度。

在一些实施例中，阳极板4为板状结构，为了与炉壳1顶部的弧度相对应，阳极板4面向炉壳1顶部的一侧为向炉壳1顶部凸起的曲面(阳极板4面向炉壳1顶部的一侧也可以是平面或者其他曲面形状，无特殊要求)，阳极板4面向工件盘5的一侧为平面，阳极板4的平面面积应完全覆盖工件盘5的面积，阳极板4通过穿过工件盘5和辅助阴极6的中心的第一绝缘底座41支撑于底座3上。阳极板4的厚度为20mm～40mm，材料选用GH1140铁基高温合金，在高温下工作更加稳定。阳极板4与工件盘5之间的距离根据金属工件的数量大小和渗氮炉内空间确定，距离连续可调。本公开实施例提供的设备采用阳极板4进行放电，而非常规使用炉壳作为阳极的方式，炉壳1在本实施例提供的设备中接地，但是与工件盘5、辅助阴极6和阳极板4均绝缘，这种方式可以防止炉壳1吸附阴离子，方便对阳极的清理。

在一些实施例中，参见图2，辅助阴极6包括绝缘板61、若干位于绝缘板61上且由内至外同轴设置的环状薄板62以及连接于绝缘板61和底座3之间的第二绝缘底座63，各薄板61等厚、等宽且等间距设置。各环状薄板62优选采用GH1140铁基高温合金薄板卷曲制成，选用GH1140，一方面可以保证与金属工件的成分相近，在辅助阴极内发生离子轰击溅射时，防止其他离子溅射到金属工件表面，另一方面，其属于高温合金，在高温下更加稳定。各环状薄板62的厚度在5mm～8mm，宽度在(即图中所示高度方向的尺寸)100mm～200mm，相邻薄板62的间距在10mm～15mm。各薄板61上均分别设有若干均匀分布的第一孔洞64，用于为离子和原子在薄板61之间移动提供通道，且让离子浓度相对均匀。辅助阴极6与工件盘5之间的距离根据金属工件的数量大小和渗氮炉内空间确定，距离连续可调，通过调整距离可以调节辅助阴极6的效应强度。通过第一电源向辅助阴极6通入直流电，使得阳极板4产生的离子向辅助阴极6轰击，产生大量热量；同时，辅助阴极6的负辉区相互重叠，使该区内带电粒子浓度更高，高能粒子更多，彼此之间相互碰撞，产生更高温度。在辅助阴极处通入惰性气体，惰性气体离子轰击溅射，进一步保证了放电的稳定性，且可以对金属工件表面进行清洁，使金属工件表面更光洁。

在一些实施例中，工件盘5上间隔设有以辐射状分布(或者均匀分布，保证相邻第二孔洞的间距不小于10mm即可)的若干第二孔洞51，第二孔洞51的形状与金属工件的形状相同，多为圆柱形。圆周方向相邻第二孔洞51间隔30°，径向相邻第二孔洞51的间隔为8mm～10mm。将待加工的金属工件放入相应的第二孔洞51中，可以消除金属工件的边缘效应。

在一些实施例中，第一电源用于为工件盘5和辅助阴极6提供脉冲电压，电压范围在0V～1000V连续可调。通过脉冲电压将含有氮元素、碳元素和硫元素的气体电离出氮离子、氢离子、碳离子、硫离子和中性硫原子、碳原子、氮原子等等离子体。轰击金属工件表面使部分金属原子溅射出来，逸出更多的金属原子，与氮结合生成金属氮化物，与碳结合生成金属碳化物，与硫结合生成金属硫化物，沉积渗入工件表面。

在一些实施例中，为了进一步增强氮碳硫共渗效率，增强金属工件对氮离子、碳离子和硫离子的吸引，产生空心阴极效应，本公开提供的离子氮碳硫多元共渗设备还包括空心阴极筒2和第二电源(该第二电源在图1中未示意出)。空心阴极筒2位于密封腔体内的工件盘5、阳极板4和辅助阴极6的外围，空心阴极筒2为两端敞口的桶状结构，且在空心阴极筒2设有均匀分布的若干第三孔洞21，用于为离子和原子在辅助阴极6、空心阴极筒2和工件盘5之间移动提供通道，且让离子浓度相对均匀；将第一电源改为与空心阴极筒2和辅助阴极6连接，以为空心阴极筒2和辅助阴极6提供脉冲电压，脉冲电压在0V～1000V连续可调，在渗扩炉处于升温保温阶段开启，用于电离含有氮元素、碳元素和硫元素的混合气体，产生空心阴极效应，提升粒子密度，具体地，通过向辅助阴极6和空心阴极筒2施加脉冲电压，以加速辅助阴极6内惰性气体的电离，激发离子碰撞加速升温，同时能够对金属工件及炉内起到清洁作用；第二电源与工件盘5连接，以为工件盘5提供脉冲偏置电压，阳极板4接地，偏置电压在0V～1000V连续可调，当渗扩炉内温度接近金属工件的共渗温度时开启，用于吸引气体正离子，具体地，将含有氮元素、碳元素和硫元素的气体作为扩渗介质，在扩渗过程中，在电子的碰撞下形成具有较高内能的电子激发态，即含有氮元素、碳元素和硫元素的正离子，对金属工件表面原子反应激活能具有降低作用，从而使得多元扩渗更易发生。

本公开第一方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗设备的工作原理为：

当离子扩渗炉内抽至真空后，向炉内通入含氮元素、碳元素和硫元素的气体并开启第一电源接入电离所需的电压，介质气体在炉体内部被电离出氮离子、氢离子、碳离子、硫离子和中性硫原子、碳原子、氮原子等等离子体，尤其是阳极板4与辅助阴极装置6之间的离子浓度较高，离子在工件盘5附近大量聚集，第二电源施加于工件盘5上，在脉冲偏置电压的作用下，使金属工件表面的氮离子、氢离子、碳离子、硫离子和中性硫原子、碳原子、氮原子等等离子体浓度增加；同时等离子体轰击金属工件表面使部分金属原子溅射出来，逸出更多的金属原子，与氮结合生成金属氮化物，与碳结合生成金属碳化物，与硫结合生成金属硫化物，从而使金属化合物的结合概率增加，金属化合物的浓度增加；因凝附作用又重新沉积到金属工件表面，此时的金属化合物不稳定，一部分氮原子、硫原子、碳原子通过扩散进入金属工件表面形成共渗层，最终使得共渗层的厚度增加，扩渗效率提高。另一方面，相比于常规离子氮碳硫共渗，由板材卷曲成的辅助阴极6使阴极面积大幅增大，对气体的电离程度更高，间隔设置的若干环状结构使离子在辅助阴极6的相邻薄板之间碰撞加速，撞击概率增加，在相同条件下提高了共渗温度，增加了共渗层的厚度，提高了扩渗效率。

参见图3，本公开第二方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗处理系统，包括：

离子氮碳硫多元共渗设备100；

变压器200，与离子氮碳硫多元共渗设备100中的第一电源和第二电源连接，第一电源用于为空心阴极筒2和辅助阴极6提供电离所需电压，第二电源用于为工件盘5提供脉冲偏置电压；

真空泵300，与离子氮碳硫多元共渗设备100中的炉体连通，用于使炉体内处于真空状态；

供气瓶400，与离子氮碳硫多元共渗设备100中的炉体连通，用于向炉体内提供惰性气体以及含有氮元素、氢元素、碳元素和硫元素的气体；和

电气控制柜500，用于控制离子氮碳硫多元共渗设备100、变压器200、真空泵300和供气瓶400。

在一些实施例中，电气控制柜500作为整个离子氮碳硫多元共渗处理系统的控制端口，集成离子氮碳硫多元共渗设备电源、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。离子氮碳硫多元共渗设备100的炉体是对金属工件进行扩渗处理的腔体，有良好的密封性，离子氮碳硫多元共渗设备100还设有用于为炉体降温的冷却组件。变压器200用于将380V的工业用电转变为实际使用的实验用电(包括第一电源为阴阳极间提供所需的1000V电压，和第二电源为工件盘提供的1000V脉冲偏置电压)。真空泵300用于为炉内1抽真空提供动力来源。

本公开第二方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗处理系统的工作过程为：

当渗扩炉升温过程准备开始时，开启第一电源，为空心阴极筒2和辅助阴极6施加电压，通过阴阳极间产生空心阴极效应为炉体加温。当温度达到金属工件的共渗温度时，开启第二电源，为工件盘上的金属工件提供脉冲偏置电压，吸引气体离子。

本公开第二方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗处理系统的工作原理为：

第一电源施加于空心阴极筒2和辅助阴极6上，电离渗扩介质，为炉内升温。第二电源为工件盘5施加偏置电压，增强对气体离子的吸引能力。

本公开第三方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗处理方法，利用本公开第二方面实施例提供的离子氮碳硫多元共渗处理系统完成。本公开的处理方法包括以下步骤：

1)将金属工件放置在离子氮碳硫多元共渗处理设备的工件盘上，并与第二电源相连，关闭炉盖及放气阀，打开真空泵抽走炉内空气，至真空度10～30Pa，维持该真空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20～40Pa；打开第一电源，工作电压(700-900V)和占空比(70％-80％)，使得炉内在惰性气体气氛下升温，以实现底部辅助阴极进行稳定的辉光放电，加热整个空间；

3)当炉内温度升到350℃～400℃时，打开第二电源，金属工件处于偏压800-900V下，表面收到惰性离子轰击，清洗工件表面20-30分钟；

4)当炉内温度升到430℃～450℃时，降低惰性气体的输入量，并开始通入含有氮元素的气体(如氮气N₂)和含有氢元素的气体(如氢气H₂)，其中，含有氮元素的气体与含有氢元素的气体的体积流量比例为1:4～1:5，保持含有氮元素、氢元素的混合气体：惰性气体的体积流量比例为90:10～95:5，同时将金属工件的脉冲偏置电压降到700-800V左右，处理10-20分钟。

5)当炉内温度升到480℃～500℃时，并开始通入含有碳元素的气体(如乙炔C₂H₂)，保持含有氮元素的气体与含有碳元素的气体的体积流量比例为90:10～98:2范围内，同时将金属工件的脉冲偏置电压保持600-700V左右，温度控制520～540℃，保温时间可为3-5h。调节直流电流与电压以保证温度波动的范围不要太大，并且进一步降低脉冲偏置电压到500V左右。

6)通入含有硫元素的气体(如硫化氢H₂S)，调节含有氮元素的气体、含有碳元素的气体与含有硫元素的气体的流量体积比例为85～70:5～10:10～20，同时将金属工件的脉冲偏置电压升高到700-800V，在此状态下处理0.5～1h后，降低第一电源的电压与电流，温度控制在500-520℃，再调含有氮元素的气体、含有碳元素的气体与含有硫元素的气体的流量体积比例为65～50:5～10:30～40，将金属工件的脉冲偏置电压降到600-700V，温度控制在460～480℃，再保温处理0.5～1h。

7)保温阶段结束后，缓慢降低第一电源和第二电源的电压与电流，同时停止通入含有氮元素的气体、含有碳元素的气体与含有硫元素的气体。

8)待温度降到400℃后，通入少量的惰性气体，保持惰性气体的气压在20-30Pa；将金属工件处于脉冲偏置电压700-800V下，金属工件表面受到惰性气体离子轰击，以清洗金属工件表面5-10分钟，关闭第一电源与第二电源。

9)在10Pa-20Pa的惰性气体气氛下，待金属工件的温度降低到200℃，取出金属工件。

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。

在实际使用时，相比较于常规离子渗扩，炉内等离子体浓度更高，金属工件表面对离子的吸引能力更强。同时扩渗层增加，硫化物在扩渗层中具有更高的比例。对于重载摩擦副，经本公开实施例提供的处理方法处理后的氮碳硫三元共渗工件具有优越性。采用改变阴阳极的位置和结构，对工件表面施加脉冲偏置电压的方式，对等离子体运动范围加限制，增加扩渗过程的可控性，且共渗效率提高，扩渗层增厚，所需时间短，节约能源。

下面描述本公开提供的离子氮碳硫多元共渗处理方法的具体示例一，具体包括以下步骤：

扩渗前，首先将直径25mm、厚8mm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)将金属工件放置在离子氮碳硫多元共渗处理设备的工件盘上，并与第二电源相连，关闭炉盖及放气阀，打开真空泵抽走炉内空气，至真空度10Pa，维持该真空10min。

2)维持炉内的真空度，向炉内通入氩气，电气控制柜通过流量计控制炉内的气压维持在40Pa；打开第一电源，工作电压(700V)和占空比(70％)，使得炉内在惰性气体气氛下升温，以实现底部辅助阴极装置进行稳定的辉光放电，加热整个空间；

3)当炉内温度升到400℃时，打开第二电源，金属工件处于脉冲偏置电压850V下，表面收到惰性离子轰击，清洗工件表面30分钟；

4)当炉内温度升到450℃时，降低氩气的输入量，并开始通入氨气，保持氨气：氩气＝90:10，同时将金属工件的偏压降到700V左右，处理20分钟。

5)当炉内温度升到500℃时，并开始通入氨气和C₂H₂通入，保持NH₃：C₂H₂＝90:10范围内，同时将金属工件的脉冲偏置电压保持600V左右，温度控制520℃，保温时间为5h，调节第一电源以保证温度波动的范围不要太大，并且进一步降低脉冲偏置电压到500V左右。

6)通入H₂S气体，调节NH₃：C₂H₂：H₂S＝85:5:10，同时使金属工件的脉冲偏置电压升高到700V，在此状态下处理1h后。降低第一电源的电压与电流，温度在500℃。再调节NH₃：C₂H₂：H₂S＝65:5:30，使金属工件的脉冲偏置电压降至600V，温度在460℃，再保温处理0.5h。

7)保温阶段结束后，缓慢降低电压与电流，同时停止通入NH₃、C₂H₂、H₂S。

8)待温度降到400℃后，通入少量的氩气，保持氩气气压在20Pa；将金属工件处于脉冲偏置电压800V下，金属工件表面受到氩离子轰击，清洗金属工件表面10分钟，关闭第一电源与第二电源。

9)10Pa氩气气氛下，金属工件的温度降低到200℃，取出金属工件。

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4所示。对比未使用离子氮碳硫多元共渗辅助装置制得的样品截面图(如图5所示)可以看出，离子氮碳硫多元共渗辅助装置的使用提高了扩渗层厚度，经过本公开实施例提供的离子氮碳硫元共渗处理系统及方法处理后和使用常规共渗处理后的截面金相图如图4和图5所示、硬度梯度图如图6所示、UMT分析图如图7所示。结果表明经过案例一处理后，共渗层厚度达到388μm，相比较于常规共渗处理的173μm，使用本公开装置及方法共渗深度提升了一倍。图6显示金属工件表面硬度由常规共渗处理的450HV_0.05提升到750HV_0.05。摩擦系数(COF)相比较常规共渗处理，本公开的摩擦系数要明显降低，但在后半段出现上升阶段。此案例的氮碳硫共渗层厚度有明显提升，表面硬度更高，适用于低频重载的摩擦条件下。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种离子氮碳硫多元共渗处理方法，其特征在于，包括：

将金属工件放置在离子氮碳硫多元共渗设备的工件盘上，对炉体内抽真空，并向所述炉体内通入惰性气体；

待所述炉体内的温度降低至第六温度时，停止向所述炉体内通入惰性气体，取出所述金属工件；

所述离子氮碳硫多元共渗设备包括：

2.根据权利要求1所述的离子氮碳硫多元共渗处理方法，其特征在于，所述阳极板面向所述工件盘一侧完全覆盖所述工件盘，所述阳极板通过穿过所述工件盘和所述辅助阴极的第一绝缘底座支撑于所述底座上。

3.根据权利要求1所述的离子氮碳硫多元共渗处理方法，其特征在于，所述辅助阴极包括绝缘板、若干位于所述绝缘板上且由内至外同轴设置的环状薄板以及连接于所述绝缘板和所述底座之间的第二绝缘底座，所述薄板上设有若干第一孔洞。

4.根据权利要求3所述的离子氮碳硫多元共渗处理方法，其特征在于，各所述薄板等厚、等高且等间距排布。

5.根据权利要求1所述的离子氮碳硫多元共渗处理方法，其特征在于，所述工件盘上间隔设有若干均匀分布的第二孔洞，所述金属工件放入所述第二孔洞中。

6.根据权利要求1所述的离子氮碳硫多元共渗处理方法，其特征在于，所述空心阴极筒的筒壁上设有若干第三孔洞。