辉光离子渗氮

一.离子氮化工艺

离子氮化是一种可以显著提高钢铁零件表面硬度﹑耐磨损﹑耐疲劳和耐腐蚀性能的化学热处理工艺。

将欲处理零件置于真空炉体内，在真空条件下，往炉内充以稀薄的含氮气体（如氨气或氮氢混合气体）。零件接离子电源阴极，炉体接阳极，阴阳极接数百伏直流电压。由于电场作用，炉内稀薄气体被电离，氮离子定向撞击阴极（零件），零件表面产生辉光放电并被加热。在一定气氛和一定温度下，零件表面复合、吸收氮原子，形成高浓度的含氮层并向心部扩散，经过一段时间，得到工艺要求所需要的氮化层。

离子氮化工艺由于其节能﹑省气﹑效率高﹑质量好﹑无污染等优点，在动力﹑机床﹑石化机械﹑轻纺机械﹑摸具等行业中得到了广泛应用。

二.离子氮化设备

设备主要用于机械零件的离子氮化、离子氮碳共渗(软氮化)等离子化学热处理工艺，使

机械零件表面改性，获得所需要的机械性能和物理化学性能。

成套设备由离子电源﹑真空炉体﹑真空获得系统﹑测控温系统﹑供气系统组成。

2.1.离子电源

离子电源分为直流离子电源和脉冲离子电源。

2.1.1.直流离子电源

直流离子电源主要包括整流变压器﹑可控整流电路﹑L-C 振荡灭弧电路﹑截止反馈电路﹑控制电路。

2.1.2.脉冲离子电源

脉冲离子电源是在直流离子电源的基础上加装由 IGBT 元件及控制电路组成的斩波器，通过斩波得到占空比可调的脉冲电流。脉冲离子电源与直流离子电源相比，能较好地改善空心阴极效应。

脉冲离子电源是在每个工作周内（频率为

1KHZ时，周期为1ms）电流回零，辉光熄灭一次，因而提高了灭弧效率。

脉冲离子电源能实现电压、电流的独立调节，能滿足不同的工艺要求。

脉冲离子电源与直流离子电源相比，节能在15%-20%以上。

2.2.真空炉体

设备的真空炉体分井式（零件吊挂）、罩式（零件堆放）和综合式三种。

真空炉体由炉筒和炉底盘组成。

炉筒体用钢板焊接而成，为双层结构，中间可通水冷却。各密封面﹝槽﹞用真空橡胶密封圈密封。炉内装有不銹钢隔热屏﹑阴极盘。炉筒上开有观察窗。进气接口装在炉体顶部。

炉底盘上装有阴极输电接口﹑测温接口﹑测压接口﹑抽气接口等。

阴极输电装置由阴极杆、密封件、绝缘垫、承重柱和气隙套组成。阴极引线通过阴极输电装置与阴极盘相联。

真空炉体必须有良好的密封，以保证工艺对真空度的要求。

根据加工零件尺寸和生产能力的要求，真空炉体必须有足够的工作容积。

2.3.真空获得系统

真空获得系统由旋片式机械真空泵﹑真空

电磁阀﹑真空蝶阀组成，通过真空管道与真空炉体连接。

电阻式真空计用于测量真空炉体真空度。

2.4.测控温系统

测控温系统由热电偶﹑控温电路和控温仪表组成。由热电偶得到温度毫伏信号，通过控温仪表PID调节和相关电路，精确控制工件温度。

2.5.供气系统

供气系统由氨气瓶、氨气减压器、转子流量计和输气管道组成。

设备配有两只流量计，一只用于氨气流量调节，一只用于渗碳气流量调节，两种气体经过流量计后混合通入炉内，通过调节流量比例可实现氮碳共渗工艺（软氮化）。

三. 离子氮化设备主要技术参数和技术指标

3.1直流离子电源主要参数：

直流输出电压： 0-1000V可调

直流电源最大输出电流：

灭弧方式：LC振荡灭弧和截止灭弧

3.2脉冲电源最大输出电流：

脉冲电源最大输出电流：

占空比（脉冲电源）： 0.10-0.85可调脉冲频率（脉冲电源）： 1000Hz

控制方式（脉冲电源）：定频调宽

输出波形（脉冲电源）：矩形方波

3.3炉体部分主要指标：

炉体有效工作容积：视规格和用户要求决定

工作温度：≦650℃

最大装炉量：

极限真空度：≤6.67Pa

压升率：≤0.133Pa／min

仪表控温精度：±1℃

四.设备特点：

1.真空炉体制造增加焊接后时效工序，消除焊后应力，保证各密封面不变形，从而长久

保证真空密封要求。

2.保护截止电路特殊设计，即使阴阳极之间短路，也能自动保护，决不损坏设备和炉内零件。

3.电源的整流电路的可控硅﹑二极管和脉

冲发生电路的IGBT元件全部采用摸块，线路简单，质量可靠。

4.操作按钮互相设有保护，即使操作人员失误操作，也不会损坏设备。

5.动作控制采用固化电路，线路简单，大大提高可靠性。

6.温度控制采用自适应PID调节。保证控温精度，减少电参数波动。

一．脉冲电源与直流电源相比有很大的改进和优点

（1）脉冲电源能较好地改善空心阴极效应，能抑制在工件小孔、窄缝等处产生的弧光放电。因此适用于工件形状比较复杂、摆放难以保证一致的场合，也适用于离子渗碳、离子渗金属等由于高温易产生工装变形的场合。

（2）脉冲电源在每个工作周期内（典型为

1ms，其工作频率为1KHz）电流回零，辉光熄灭一次。因此灭弧频率高，大大减少了清理打弧阶段工件的时间，提高了工作效率。（3）脉冲电源的灭弧时间较直流电源要短很多。直流电源通过LC振荡灭弧，灭弧时间约几毫秒，而脉冲电源通过关断IGBT灭弧，灭弧时间为几十微秒。另外脉冲电源灭弧时弧的能量比同等功率的直流电源小一个数量级。因此工件上不会出现弧光烧灼情况，保证了工件表面的光洁度。

（4）脉冲电源的工作电压和占空比（占空比为脉冲的有效时间与周期之比）均可独立调节。在工作期间为了控制辉光功率和工件温度，可工作于高电压、小占空比方式，也可工作于低电压、大占空比方式。所以辉光电压、电流可单独控制，可满足不同的工艺要求。

二．脉冲电源的组成

整流变压器B1起升压和隔离作用，其输出电压经两组三相全控桥整流成0-1000可调直流电压。整流输出的直流电压经L1、C滤波，变成更平滑的直流电压供给后面的斩波

电路。电压反馈电路实现工作电压的可调和确保工作过程中电压的稳定。过压检测电路检测工作过程中出现的过电压，通过控制器实现保护。IGBT是脉冲电源的核心元件，由其实现斩波，将连续的直流电压变成频率为1KHz、周期为1毫秒的脉冲电压，脉冲的占空比能在10%--85%变化。过流检测和弧源检测电路检测工作过程中出现的过电流和弧源，通过控制器实现相应的保护。温度PID 电路完成给定温度和工件实际温度的偏差运算，通过控制器调节斩波的占空比实现温度的自动控制。