交互式雙陰極離子表面熱處理爐的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種化學(xué)熱處理設(shè)備，特別是輝光離子氮化爐，屬于熱處理技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]輝光離子滲氮法是在充以含氮?dú)怏w的低真空爐體內(nèi)金屬工件作為陰極、爐體作為陽極，氨或氮?dú)湓釉诟邏褐绷麟妶鱿卤浑婋x為氮和氫的正離子和帶負(fù)電荷的電子，在陰陽極之間形成等離子區(qū)，氮和氫離子在高壓電場作用下做定向移動(dòng)，轟擊陰極(工件)表面，并在工件表面發(fā)生一系列的物理化學(xué)現(xiàn)象，形成滲氮層，主要包括能量轉(zhuǎn)換、產(chǎn)生陰極濺射效應(yīng)、形成高密度的位錯(cuò)層、氮離子獲得電子形成活性氮原子、吸附作用和氫離子的化學(xué)作用等。因此，具有高效、環(huán)保、應(yīng)用面廣泛等特點(diǎn)，不僅可以滲氮、還可以進(jìn)行滲碳及軟氮化。但是目前的輝光離子滲氮法有許多缺點(diǎn)，如一直存在打弧、空心陰極、電場效應(yīng)、爐內(nèi)溫度不均勻等問題。為提高保溫性和溫度的均勻性，中國專利CN100460553C公開了一種“節(jié)能離子氮化爐”，其特點(diǎn)是爐體設(shè)有保溫屏和外冷卻罩，保溫屏和外冷卻罩之間為保溫隔熱空腔，爐底盤上設(shè)有爐底隔熱屏，滲氮?dú)怏w進(jìn)入爐體內(nèi)的氣體分散環(huán)，由保溫隔熱空腔和保溫屏頂部預(yù)熱滲氮?dú)怏w，這種方法的缺點(diǎn)是，保溫屏和爐底隔熱屏的隔熱效果不佳，不能自身發(fā)熱，還會(huì)吸收爐內(nèi)的熱量，同時(shí)對(duì)滲氮?dú)怏w的預(yù)熱溫度低，預(yù)熱面較小。專利CN2501887Y公開了一種在“直流輝光放電作用下等離子體金屬材料表面改性處理裝置”，采用絕熱式反應(yīng)室結(jié)構(gòu)，反應(yīng)室的外壁用保溫材料覆蓋，為保溫層，在保溫層和反應(yīng)室外壁之間有水冷或風(fēng)冷通道。這種裝置能起到較好的保溫作用，但保溫材料覆蓋層吸熱，且熱傳遞性能差，釋放熱量的時(shí)間長，水冷或風(fēng)冷通道熱交換面積小，而且在高溫下通冷卻水不安全，通入氣體冷卻速度較慢。專利CN20180943IU公開了“一種輝光放電輔助加熱離子化學(xué)熱處理爐”，在爐體的真空室內(nèi)放置一鋼制圓筒(可以是網(wǎng)狀)，并接入直流電源負(fù)極，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)先向圓筒施加電壓，圓筒產(chǎn)生輝光放電并被加熱，利用圓筒的熱輻射對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，待工件達(dá)到預(yù)熱溫度后，將直流電源的負(fù)極切換到工作臺(tái)上，工件開始輝光放電加熱，并進(jìn)行離子化學(xué)熱處理，圓筒與工件也可以同時(shí)接直流電源的負(fù)極，依靠圓筒的輔助加熱可提高工件溫度均勻性，但不足之處是圓筒不產(chǎn)生輝光時(shí)，工件輝光放電，圓筒僅起隔熱屏作用，而圓筒與工件同時(shí)接直流電源的負(fù)極時(shí)，則為等電位，相當(dāng)于傳統(tǒng)的離子氮化爐，不能提高濺射效率，對(duì)滲氮?dú)怏w的預(yù)熱幾乎無效果。為了解決爐內(nèi)溫度均勻性、陰極效應(yīng)、滲氮效率等問題，在隔熱保溫式爐體的基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)狀圓筒(活性屏)和工件分別施加負(fù)偏壓，在冷卻時(shí)向爐內(nèi)通入氮?dú)庖约涌炖鋮s速度(活性屏離子滲氮技術(shù)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，全國熱處理學(xué)會(huì)成立50周年紀(jì)念大會(huì)暨第九屆中國熱處理活動(dòng)周文集，2013年8月)。但是由于網(wǎng)狀圓筒上的負(fù)偏壓絕對(duì)值高于工件上負(fù)偏壓的絕對(duì)值，工件與圓筒形成電場和工件與陽極形成的電場方向相反，使得工件和陽極間的電場強(qiáng)度減弱，氮離子和氫離子的濺射效能降低，同時(shí)三者間的電場關(guān)系復(fù)雜，對(duì)電源的要求高，充入氮?dú)饫鋮s成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種交互式雙陰極離子表面熱處理爐，在爐內(nèi)的升溫和保溫過程中能起到有效的隔熱保溫作用，使?fàn)t內(nèi)的溫度分布均勻，同時(shí)又能有效地提高對(duì)滲氮?dú)怏w的預(yù)熱分解效果和對(duì)工件濺射效率，提高滲層質(zhì)量，降溫過程中又能快速散熱降溫，縮短氮化處理時(shí)間。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是一種交互式雙陰極離子表面熱處理爐，包括爐體、爐底盤、真空系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、溫度測控系統(tǒng)和脈沖電源，其特征在于爐體為三層結(jié)構(gòu)，爐體外層與中間層之間為冷卻水夾層，中間層與內(nèi)層之間為真空絕熱和氣體冷卻夾層，處于真空狀態(tài)時(shí)為真空絕熱夾層，同時(shí)爐內(nèi)層起隔熱作用，通入流動(dòng)壓縮空氣時(shí)則為氣體冷卻夾層，同時(shí)爐內(nèi)層的作用則轉(zhuǎn)變?yōu)闊醾鬟f作用。爐體反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置多孔壁面鐵質(zhì)圓筒，圓筒內(nèi)為擺放工件的陰極盤，圓筒與陰極盤構(gòu)成雙陰極，分別為陰極I和陰極2，爐體為陽極并接地，爐體、多孔壁面鐵質(zhì)圓筒和陰極盤三者間為順電場關(guān)系，多孔壁面鐵質(zhì)圓筒由筒體罩和筒底板組成，兩者為分體結(jié)構(gòu)，筒體罩與爐體連接，筒底板放置在爐底盤和陰極盤之間，并相互絕緣，筒體罩和底板的厚度為4?20mm，其上開設(shè)直徑10?14mm圓形通孔，孔間距為30?40mm，多孔壁面鐵質(zhì)圓筒陰極I的電位不低于陰極盤陰極2的電位，其電壓值由脈沖電源控制，可同步或異步輸出，陰極I和陰極2的電壓值和占空比可分別調(diào)節(jié)。
[0005]發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
(1)保溫隔熱效果好，爐內(nèi)溫度均勻性好，無需設(shè)專門的隔熱屏，冷卻速度快，簡單易行，節(jié)能節(jié)材，安全可靠。在爐內(nèi)升溫和保溫過程中，真空絕熱和氣體冷卻夾層處于真空狀態(tài)，爐內(nèi)層起到隔熱屏的作用，而真空絕熱夾層阻礙熱的傳遞，達(dá)到絕熱保溫效果，同時(shí)多孔壁面鐵質(zhì)圓筒因輝光加熱而保持一定溫度，使?fàn)t內(nèi)溫度進(jìn)一步均勻分布，調(diào)節(jié)施加在多孔壁面鐵質(zhì)圓筒上的電壓值，可以改變爐內(nèi)的溫度。而在冷卻過程中，向真空絕熱和氣體冷卻夾層中通入流動(dòng)壓縮空氣，此時(shí)則為氣體冷卻夾層，同時(shí)爐內(nèi)層則由起隔熱作用轉(zhuǎn)變?yōu)闊醾鬟f作用，在氣流和冷卻水的共同作用下將爐內(nèi)的熱量快速傳出；
(2)滲氮?dú)怏w的預(yù)熱效果好，熱分解率高。滲氮?dú)怏w沿多孔壁面鐵質(zhì)圓筒外壁從壁孔進(jìn)入反應(yīng)室，由于圓筒在加熱保溫時(shí)處于高溫，在壁面得到初次預(yù)熱和分解，而壁孔內(nèi)的輝光作用強(qiáng)度更高，預(yù)熱強(qiáng)度更大，有利于滲氮?dú)怏w的進(jìn)一步預(yù)熱和熱分解；
(3)加熱速度快，氮化質(zhì)量好，效率高。由于多孔壁面鐵質(zhì)圓筒因壁孔強(qiáng)烈的輝光效應(yīng)，使?fàn)t內(nèi)升溫快。爐體陽極、多孔壁面鐵質(zhì)圓筒陰極I和陰極盤陰極2三者間為順電場關(guān)系，電場強(qiáng)度得到增強(qiáng)，氮和氫離子轟擊陰極(工件)表面的強(qiáng)度大，濺射效應(yīng)