辉光离子氮化

一、辉光离子氮化的原理

离子氮化作为一种热处理的工艺方法，在工业生产中具有广泛的应用。它的基本原理如图

1、图2 所示。

在抽真空并充有微量气体（如氨气）的密封容器内，放置两个电极，阳接连在外壳并接地，阴极设在炉内，工件放置在阴极上，电极经限流电阻R与可调直流电源E 相连。当逐渐增加电压到图2 中A 点时，阴阳极间稀薄气体被击穿，阴阳极间突然出现电流。极间电压突降至B 点，阴极及工件部分表面出现辉光，电流增加，电压基本不变，见图2 中BC 段。继续提高电压，工件表面完全被辉光覆盖。

气体原子或分子由于电场作用被游离出大量的电子和正离子（氨气NH3 分解为N＋、H＋）。

电子奔向阳极，正离子N＋、H＋奔向阴极上的工件。工件在N

离子的持续轰击下，被加热至氮化所需的温度（470℃～700℃），并产生二次电子发射。而N＋在阴极得到电子后还原成氮原子，并渗入工件表面形成0.3～0.4mm

厚极硬的氮化层。这样便可极大地提高零件使用寿命。图2 中的CD 段，称为异常辉光放电区，辉光离子氮化主要工作在这一段。图2 中的D

段，辉光放电转变为强烈的弧光放电，将损伤工件及电源。

二、辉光离子氮化电源的工作原理

辉光离子氮化电源是一个三相桥式半控整流电路，它能输出稳定的、连续可调的、最高为1000V 的直流电压。为避免强烈的弧光放电，电源应具有自动灭弧和灭弧后自动起辉的功能，同时能自动控制炉内工件的温度。电源主要分为两大部分。

1.三相桥式半控整流电路

直流电源的电流0～100A，电压0～1000V。工作原理见图3。KG1～KG3 与CZ1～CZ3 组成三相半控桥，选用快速熔断器KP1～3

串接于电路中做过流保护，在元件侧、交流侧均做了阻容吸收保护。

由于氮化炉在工作初期弧光放电比较严重，电流变化非常剧烈。所以，在弧光放电严重的工作初期只接入R81，当炉内辉光稳定后，再并接R82。电容C、铁芯电抗器L1

用于滤波，使输出电流更加平滑。

氮化炉在工作初期，由于工件的尖角、毛刺或油污等，在电场中要产生尖端放电与弧光放电，使阴阳极电压由几百伏电压突降至几十伏。此时充有几百伏电压的电容C

经空心电感L 和阴阳极放电。

这时，L、C 与炉内稀薄气体（电阻为r）组成L、C、r 串联振荡电路，并以其自然振荡频率f0＝1／2π

进行振荡。开始振荡的第一个周期，当电容上电压U 成为反向电压且电流变为零时，弧光即可熄灭。但随即电源经电阻R81

向电容充电，使电容上电压由反向逐渐变为正向并达到几百伏时，辉光又重新产生。工作正常继续。

如果弧光放电的因素仍然存在，则电容再次放电灭弧。LC 振荡灭弧在弧光放电的一瞬间电流依然很大，对工件或是电源不利。因此，采用LC

振荡灭弧还必须有电子灭弧措施，对电源加以保护。另外，采用LC 振荡灭弧还必须防止LC 振荡被电源或续流二极管旁路。结果，电容C反向充不上电，使LC

振荡电流不能过零，达不到灭弧效果。因此，铁芯电抗器L1 的另一作用是将LC 与电源、续流二极管隔离，保证LC 振荡灭弧可靠进行。

2.控制电路

（1）综合控制电路原理见图4，它包括电流反馈与电子灭弧，电压给定，温度控制。

1）。电流反馈与电子灭弧图3 中R0 为电流采样电阻，在100A 时压降是75mV。图4 中

运放IC1－1 为5 倍同相放大器，IC1－2

为10 倍同相放大器，组合为50 倍放大。因此，H2 点电压变化范围为0～3.75V。此电压信

号分两路，一路经反馈电位器W2

调节后输入IC1－4，IC1－4 为差动比例运算放大电路，放大倍数为4 倍。R9～R12 经串、

并联，在H5 点得到3.75V。当H4 点电压被W2

调节为零时，IC1－4 的（14）脚输出3.75×4≈14V。当主回路电流增大时，H4 点电压也相

应增大。IC1－4

的（14）脚输出减小，给定电压UK 减小，使触发脉冲向后移，输出电流回复到设定值，反

之亦然。调节W2

可改变电流负反馈的深度，使输出电流稳定在给定值上。

另一路经R14 加在三极管V1 的基极，W3 为电流截止电位器。IC1－3 接为单稳态电路，

⑨脚电压原本高于⑩脚，⑧脚输出低电平，三极管V2

截止，电路正常工作。氮化炉内出现弧光放电时，H3 点电压突然升高，调节W3 为某一值，

当H3 点电压大于0.7V 时，V1

导通使⑨脚电压低于⑩脚，⑧脚输出高电平。V2 饱和导通，H1 变为低电平，给定电压UK

为零，触发脉冲向后移至α＝180°，可控硅截止，弧光熄灭。H3 点电压为零，V1 截止。

15V 电源经R16 给C3 充电，约0.1 秒后C3

电压高于⑩脚，⑧脚电压由高变低，V2 截止，给定电压恢复原值，辉光重新产生。

对于零散的、较弱的弧光放电，LC 振荡灭弧效果较好。而持续的、强烈的弧光放电就要依靠电子灭弧，两部分相互配合，使氮化工作正常高效地进行。

2）。电压给定IC1－4 的（14）脚输出电压经R13、W1 分压，H1 点得到8V 电压，W1 为给定电压电位器，调节W1，UK

的变化范围为0～8V，输往触发电路，控制触发脉冲的相位。

3）。温度控制某些工件的氮化温度为510℃，氮化时用热电偶去测量温度。XCT 信号是温控仪的控制输出，原理为实际温度未到设定温度（510℃）时，其输出10mA。当实际温度升至距设定温度差1%（也就是5℃）时，其输出在0～10mA

之间。当实际温度等于设定温度时，其输出为0mA。XCT 信号在0～10mA 间变化，R1（见图4）上得到0～8V 电压，在升温阶段XCT

信号因有二极管D1 隔离不起作用。

在温度升至温控仪控制区内，XCT 信号由10mA 向0mA 变化，可有效拉低H1 点电压，使UK 下降，触发脉冲后移，降低加热功率。反之，XCT

信号由0mA 向10 mA 变化，则提高加热功率，实现自动恒温。

（2）触发电路

原理见图5，包括电源、同步锯齿波、移相控制、脉冲形成电路。

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