專利名稱：金屬表面強化用的常壓非平衡離子滲擴爐的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及到一種金屬表面強化用離子滲擴爐，屬于材料表面工程領域。
自本世紀30年代發(fā)明離子滲氮法以來，等離子體表面改性技術在改善金屬表面的減摩性、耐磨性和耐蝕性等方面，得到了迅速發(fā)展和廣泛的應用。但現(xiàn)行的表面改性技術中采用的等離子體通常都是在真空度約為300Pa～1Pa條件下實現(xiàn)的。其中離子滲碳工藝是零件表面強化處理手段中常用的工藝，占表面強化零件的70％以上。在等離子體表面改性的著作中，最典型的是人民交通出版社1990年由楊烈宇等所著的《離子轟擊滲擴技術》。該文獻提出的工藝是在外加或無附加電阻熱源的離子滲碳爐中，將工件作為陰極置于真空爐體中，以真空爐腔壁為陽極，送入滲碳劑，保持真空度在300～100Pa范圍，然后通過直流電源，在陰陽極間加上500V以上的直流電壓，使氣體電離產生輝光放電，此時有大量高能帶電粒子和中性活性粒子向工件表面作定向運動，對表面產生轟擊作用，這樣就實現(xiàn)了對工件的升溫、保溫和碳的滲入與擴散。所采用的熱處理設備是真空滲擴爐，它是一個帶有水冷層的結構，主要是由爐門，爐體和設在爐體內的加熱室、冷卻室、淬火油槽、加熱體、工件盤、進料機構、升降機構和出料機構，以及操作盤所構成。其操作程序是(1)將清洗去油干燥處理過的工件放入加熱室；(2)關閉爐門啟動真空泵抽真空至6.65～13.3Pa；(3)送交流電使電阻加熱升溫至滲碳溫度，均溫一段時間；(4)按工藝要求通入滲碳氣體，并使爐壓保持在300～100Pa范圍內；(5)此時，接通直流電源，使爐內陰陽極之間產生輝光放電，開始進行離子滲碳；(6)當滲碳達到預定時間后，停止供應滲碳氣體，關閉直流電源熄滅輝光，按預定時間進行真空擴散；(7)將工件由加熱室移至淬火室直接淬火；(8)最后停泵，停電。該工藝與設備在現(xiàn)有技術中起到革新作用，但也存在如下一些問題1.必須有真空系統(tǒng)的工藝設備，因而造價成本高，設備結構復雜，效率低，影響推廣應用；2.離子滲氮、滲碳工藝由于采用的是直流電源輝光放電進行表面改性，直流電源輝光放電時，要同時保證與爐子熱損失相平衡及工作在異常輝光放電區(qū)，因此維持異常輝光放電所需大量能量造成了與熱損失相平衡的能量過多，而浪費能源。
本實用新型的目的和任務是要克服現(xiàn)有技術存在的下列二個問題(1)必須采用具有真空系統(tǒng)的設備，結構復雜，造價較高，操作復雜，效率低，不易推廣；(2)滲擴速度慢，輝光放電耗能過多，浪費能源。為了設計出一種設備造價低、結構簡單、節(jié)能效果好并可以在常壓下進行表面強化用的離子滲擴爐，特提出本實用新型的技術解決方案。
存在上述問題的原因是由于現(xiàn)有的等離子體表面改性技術，其基本原理是利用低真空中稀薄氣體輝光放電產生的離子和高能中性粒子轟擊金屬或合金表面，導致工件溫度上升使表面滲入某一種或幾種元素，并向內部擴散而實現(xiàn)改變其表層化學成分和組織，從而獲得特殊的表面性能，如耐磨、耐蝕、耐疲勞等。其中高能量帶電和中性活性粒子的生成，是實現(xiàn)該項技術的關鍵。只有連續(xù)穩(wěn)定地向金屬表面提供高能量帶電和中性活性粒子，才能在金屬表面發(fā)生被滲元素和金屬表面的交互作用。高能量帶電和中性活性粒子的產生可以用多種途徑，如受熱能、電能、磁能、光能等的作用，可以使通常的滲劑氣體離解為帶電粒子和活性原子。上述的輝光放電只是其中一種方法。發(fā)生氣體放電的必要條件是一定電場強度E和氣體壓力P。只有當電場強度E與一定的真空度相匹配時，氣體電離才能充分進行。為維持氣體放電的重要條件是調整好E和P這兩個參數(shù)。通過理論分析計算，對于現(xiàn)有等離子體表面改性技術中采用的電壓在300～1000V的范圍內，容器內氣體的氣壓應在300～1Pa為合適。所以，現(xiàn)有技術中必須采用真空條件下進行表面處理，是由于其工作原理所決定的。
由于近年來高壓窄脈沖的電源技術有了很大發(fā)展，可以改變人們的思路，而采用比現(xiàn)有技術大幾個數(shù)量級的高壓脈沖電源，實現(xiàn)在常壓下獲得高能量帶電和中性活性粒子的目的。利用超高壓窄脈沖電暈放電，脈沖幅值高，作用時間短，可在小于1μs的極短時間內使電子在ns數(shù)量級內獲得巨大能量，將電能直接作用到電子上，能量利用率高。電子由此獲得滿足常壓下氣體分子，甚至穩(wěn)定氣體N2、CO2等電離和分解所需要的能量，使它們經非彈性有效碰撞后，形成非平衡等離子體。由于脈沖寬度窄，脈沖占空比很小，脈沖前沿陡，脈沖上升速率高，電子在短時間內得到很高的加速度。而其它一些帶電離子剛剛處于啟動狀態(tài)時，外界能量即終止供給，供給能量的時間遠遠小于停止供給能量的時間，故氣體整體溫度并不高，因而窄脈沖電源可防止目前離子滲氮、滲碳工藝容易出現(xiàn)的火花、弧光放電現(xiàn)象。
應當指出，等離子體表面改性的效果還決定于滲劑氣體的擴散，即被滲介質在單位時間內向工件表面輸送活性粒子的數(shù)量。被滲元素的轉遞只有在氣氛與金屬表面存在元素濃度差時才發(fā)生，轉遞通量與活性粒子濃度差及表面積成正比。采用真空條件下進行處理，活性粒子的濃度比常壓氣氛下的活性粒子濃度低，因而為了其表面改性層達到一定的深度，需要比較長的時間。由此可見，在常壓下進行等離子處理時，由于滲劑氣氛壓力高，能獲得高濃度的活性粒子，從而提供了加速表面處理速度的有效途徑。
本實用新型的基本構思是采用可提供滲劑氣氛壓力高、能獲得高濃度的活性粒子的常壓離子滲擴爐，采用適于爐內暈光放電效果的吊掛陽極和適于使用超高壓脈沖電源的爐體結構。
本實用新型所提出的金屬表面強化用的常壓非平衡離子滲擴爐，主要是由爐蓋[22]，爐底板[16]，爐體[7]和設在其內的加熱體[20]、隔熱屏[19]、工件平臺[17]，以及操作盤所構成，其特征在于爐體[7]內還設有吊掛在爐蓋[22]上由吊掛接線桿[28]、陽極基板[29]和固定在陽極基板工作面上的多個針狀凸起物[30]所構成的吊掛陽極[21]，而陽極基板與欲滲工件[18]相對應的工作面，其外表形狀應同工件欲滲面的外表輪廓的凸凹部分反相對應；隔熱屏[19]在與設在爐體[7]上的觀測窗[8]相對的位置處，也開有與其大小相同的觀測窗[8]，以備光電溫度計能通過爐體上的觀測窗與隔熱屏上的觀測窗直接觀測到工件[18]；接線套柱[23]與爐蓋[22]之間，陰極接線柱[13]與爐底板[16]之間采用能耐壓為60kV的絕緣管[12]絕緣。
本實用新型的進一步特征在于吊掛陽極[21]是通過設置在爐蓋[22]上方的固定裝置[25]和接線套柱[23]，用緊固手輪[27]將其與接線套柱的插套[32]連接在一起，而被吊掛在爐蓋[22]的中心線上，并通過緊固調節(jié)手輪[24]，相對欲滲工件[18]上下移動；加熱體[20]置于爐膽之內，并處于隔熱屏[19]的內側。
本實用新型在接線套柱[23]和陰極接線柱[13]與絕緣管[12]之間均采用橡皮圈密封，而爐體[7]與爐底板[16]之間，則是用石棉墊片密封。爐體[7]內的排氣采用與大氣相通的抽氣泵。供氣管路在進入爐體[7]內的隔熱屏后，其進氣管[11]的出口應沿爐體內壁的切向設置。
本實用新型所設計的金屬表面強化用的常壓非平衡離子滲擴爐的吊掛陽極[21]在使用中，是根據(jù)欲滲工件的大小和形狀，來更換的，當需要更換吊掛陽極[21]或裝取工件[18]或爐內維修時，首先應松開固定爐體[7]與爐蓋[22]的緊固螺栓，用起吊設備鉤住爐蓋上的吊耳[26]將爐蓋與吊掛陽極一起吊起，然后，松開固定吊掛陽極與接線套柱的緊固手輪[27]，即可取下吊掛陽極，將新的吊掛陽極再通過緊固手輪與接線套柱固定在一起，同時，在打開爐蓋后，可將已加工完了的工件，從工件平臺[17]上取出，或將新的欲加工的工件放置在工件平臺上，或進行檢查維修工作，然后，再用起吊將其爐蓋與爐體復位，并用緊固螺栓把緊，經對水、電、機、表等系統(tǒng)常規(guī)檢查合格后，可根據(jù)工件的工藝要求進行操作使用，程序是第一步，開啟爐蓋，將工件擺放在作為陰極的工件平臺上，并根據(jù)工件的特點，通過緊固手輪[27]的松開或把緊而更換吊掛陽極，爐蓋復位后，再通過緊固調節(jié)手輪[24]來調節(jié)吊掛陽極與工件的間距，第二步，排除爐內的空氣，這是通過多次交替啟閉進氣閥和抽氣泵來完成，以使爐內處于保護氣氛之中，第三步，向爐內通入欲滲氣體介質，其流量是通過流量計調控，第四步，加熱工件，保溫滲擴，先打開進水閥向爐內通冷卻水，再接通外加熱電源升溫，保溫后，通過操作盤上的相應旋鈕啟動超高壓脈沖電源并調整其電參數(shù)，以電暈放電進行滲擴，第五步，停機降溫取工件，其程序是先斷開超高壓脈沖電源，再斷開外加熱電源，待爐溫降至工件出爐溫度時，關閉進氣閥，關閉進水閥，停止供氣與冷卻，松開連接爐體與爐蓋的緊固螺栓，吊起爐蓋與吊掛陽極，取出工件檢查合格后待用。
采用本實用新型的離子滲擴爐，可以進行常壓非平衡等離子體滲碳工藝，或滲氮工藝，或氮碳共滲工藝。
本實用新型的主要優(yōu)點是(1)由于本實用新型不采用真空系統(tǒng)和嚴格要求的真空密封結構，省去了現(xiàn)有設備中必備的真空泵及其相應的電磁真空充氣閥、真空計等附屬裝置和具有嚴格要求的真空罩爐體，因此，設備結構簡單、便于操作、造價低，可節(jié)約資金15％左右，易于推廣。
(2)由于采用高壓窄脈沖技術處理工件，以電暈放電，不會發(fā)生弧光放電，因而省去了滅弧裝置，并避免了工件表面的弧光放電和空心陰極效應，使得形狀復雜或帶有狹逢、溝槽、深孔等的工件亦可獲得均勻的滲層。
(3)由于利用超高壓窄脈沖技術使電子在極短時間內獲得很大的能量，在高速飛向陽極的過程中，使爐內的氣體分子不斷被激發(fā)和電離，常壓下氣體分子密度高，產生的與工件發(fā)生作用的活性粒子密度更大，所以，該工藝滲速快，一般比現(xiàn)有技術快1/4～1/3倍。
(4)由于本實用新型不采用直流電源輝光放電，不需要同時保證與爐子熱損失相平衡及工作在異常輝光放電區(qū)所需大量能量，同時由于不采用滅弧電路，省去了大量電阻能耗，因此電能的利用率大幅度地提高，僅此一項一般就可節(jié)省能源30％。
(5)本實用新型的離子滲擴爐，可以進行常壓非平衡等離子體滲碳工藝，或滲氮工藝，或氮碳共滲工藝。
以下結合附圖對本實用新型的結構細節(jié)作進一步的說明。


圖1是本實用新型所設計的金屬表面強化用的常壓非平衡離子滲擴爐剖面結構示意圖它是由爐蓋[22]和爐體[7]所構成的罩體而置于爐底板[16]上的結構，在爐底板的上方設計有作為陰極的工件平臺[17]，而隔熱屏[19]和工件[18]則置于其上面，吊掛陽極[21]則被吊掛在爐蓋的中心線上，其針狀凸起物則朝向工件欲滲面。
為了便于水冷，其爐體與爐蓋均采用雙層結構，光電溫度計與設在爐體[7]上的觀測窗[8]和設在隔熱屏[19]上的觀測窗[8]在一條直線上，以確保工件待滲面發(fā)出的紅外輻射能夠被光電溫度計所接收到。加熱線路通過帶有與爐體絕緣的進線口[9]，而引入爐體內的加熱體[20]上。進水口[10]將冷卻水從爐底板[16]引入爐體[7]內，并經出水口[15]從爐底板排出爐體。進氣管[11]穿過爐底板[16]和隔熱屏[19]通入爐內。通過爐底板[16]的絕緣管[12]將陰極接線柱[13]與爐底板[16]絕緣。陰極接線柱[13]連接于工件平臺上，并與高壓電源陰極相連。出氣管[14]將爐內氣體從爐底板[16]底部引出，出氣管上端與爐底板[16]上表面平齊。出水口[15]將爐體內的冷卻水排出爐體，出水口低于爐底板[16]。工件平臺[17]通過輔助支撐置于爐底板[16]上，并與陰極接線柱[13]相連接，而工件[18]置于其上面。圓筒狀的隔熱屏[19]置于工件平臺[17]上。加熱體[20]均勻布置在隔熱屏[19]的內壁上。吊掛陽極[21]與接線套柱[23]相聯(lián)，并可通過緊固調節(jié)手輪[24]隨接線套柱[23]上下移動，以調節(jié)陽極與工件的間距。爐蓋[22]與爐體[7]通過緊固螺栓相聯(lián)，移開爐蓋[22]即可將爐內的隔熱屏、加熱體、吊掛陽極、工件等裝取或修理。接線套柱[23]及吊掛陽極[21]的固定裝置[25]置于爐蓋[22]和絕緣管[12]上，可防止吊掛陽極[21]和接線套柱[23]的向下滑動，確保在整個工作過程中，陽極與工件其間距的穩(wěn)定。設在爐蓋上的絕緣管[12]是將接線套柱[23]與爐蓋[22]絕緣隔離，防止爐體帶高壓電。吊耳[26]用于起吊爐蓋。緊固手輪[27]的作用是將吊掛陽極[21]與接線套柱[23]緊固相連或松開。圖中的箭頭方向表示冷卻水流動方向。爐體設有接地線。
圖2是本實用新型所設計的平板狀吊掛陽極正視剖面結構示意圖圖中顯示，吊掛陽極是由吊掛接線桿[28]、陽極基板[29]和針狀凸起物[30]三部分所構成。吊掛接線桿[28]是垂直陽極基板[29]面，固定在陽極基板[29]背向工件的基板面的中間部位，而與工件相對的基板面上則垂直于陽極基板[29]面均布固定有針狀凸起物[30]。
圖3是本實用新型所設計的圓筒狀吊掛陽極正視剖面結構示意圖圖中顯示，陽極基板[29]呈圓筒狀，而針狀凸起物[30]則沿陽極基板[29]的直徑方向固定在圓筒狀陽極基板[29]的內側，吊掛接線桿[28]則通過吊架[31]被固定在圓筒狀陽極基板[29]一端，并且使吊掛接線桿的中心線與圓筒狀陽極基板的中心線重合。為了使光電溫度計能測出工件的紅外輻射能，在該圓筒狀陽極基板上開有多個觀測窗[8]。
圖4是圖3的俯視結構示意圖圖中顯示，吊掛接線桿[28]是垂直固定在兩根呈“十字”形的吊架[31]上，并處在圓筒狀陽極基板[29]的中心線上，而吊架[31]的端頭則被固定在圓筒狀陽極基板[29]的端頭上，符號[30]為針狀凸起物。
圖5是本實用新型所設計另一種形式的圓筒狀吊掛陽極正視剖面結構示意圖與圖3不同之處在于其針狀凸起物[30]是沿其直徑方向被固定在圓筒狀陽極基板[29]的外側，由于工作時，工件處在陽極基板的外側，因此，在其陽極基板上不需要開設觀測窗。其他結構與符號均同圖3。
圖6是圖5的俯視結構示意圖該圖的針狀凸起物[30]則是沿圓筒狀陽極基板[29]的直徑方向被固定在其外側。其他結構與符號均同圖4。
圖7是本實用新型所設計的接線套柱的正視剖面結構示意圖圖中顯示接線套柱是一個在倒筒狀的插套[32]的底部沿中心線方向固定有接線套柱[23]，在插套[32]的側面設有緊固手輪[27]用以把緊或松開吊掛接線桿。
圖8是本實用新型所設計的在接線套柱上緊固有吊掛陽極時的結構示意圖圖中顯示，吊掛接線桿[28]插入接線套柱的插套[32]里后，通過緊固手輪[27]的緊固作用，就將吊掛陽極與接線套柱固定在一起，電源的正極通過接線套柱[23]、插套[32]再經吊掛接線桿[28]通向吊掛陽極的陽極基板[29]和針狀凸起物[30]。更換吊掛陽極時只要松開緊固手輪[27]就可把現(xiàn)有吊掛陽極取下，再將一個新的吊掛陽極的吊掛接線桿[28]插入插套[32]中并把緊緊固手輪[27]，便將新的吊掛陽極與接線套柱連在一起即可。
下面是本實用新型的具體實施例實施例1船用高速柴油機活塞銷，材料為20Cr，工件尺寸為φ60×300mm。要求表面硬度為HRC60～62，心部硬度HRC34～36，滲碳層為1.0mm。采用本實用新型的常壓非平衡離子滲擴爐進行離子滲碳處理，具體步驟如下第一步 打開爐蓋，更換吊掛陽極，裝入欲滲工件首先松開連接爐體與爐蓋的緊固螺栓，用起吊通過設在爐蓋上的吊耳[26]吊起爐蓋和吊掛陽極，檢查爐體內各系統(tǒng)正常后，將用堿水清洗、除去油污經烘干后的活塞銷工件[18]垂直擺放到工件平臺[17]的中心位置上，根據(jù)活塞銷的形狀及欲滲面的特點，采用針狀凸起物[30]設在圓筒狀陽極基板[29]內側并開有觀測窗[8]的吊掛陽極[21]，其尺寸為φ140×320mm，針狀凸起物的長度為10mm，其尖端與活塞銷的間距為30mm，然后，吊起爐蓋，通過固定在爐蓋上的固定裝置[25]的緊固調節(jié)手輪[24]，調節(jié)吊掛陽極的位置。并注意將爐體上的觀測窗[8]、隔熱屏上的觀測窗[8]、吊掛陽極基板上的觀測窗[8]與光電溫度計處在同一條直線上。將吊掛陽極罩住活塞銷，最后將爐蓋復位。緊固連接爐體與爐蓋的緊固螺栓，經檢查各系統(tǒng)零部件均到位并處于正常工作狀態(tài)。
第二步 排除爐內空氣通過開啟進氣閥，通入保護氣體甲烷，將爐內空氣通過抽氣泵排出，經三次充氣與排氣，使爐內處于保護氣氛之中。
第三步 向爐內充入欲滲氣體介質欲滲介質將用甲烷，通過流量計以0.1m3/h的流量通入到爐內，并維持爐內壓力為1×105Pa。
第四步 加熱工件，保溫滲擴開爐加熱前，首先應打開進水閥，向爐體內通入冷卻水，再接通外加熱電源使爐內工件升溫，待達到920℃后，保溫20分鐘，而后，通過操作盤上的相應旋鈕啟動超高壓脈沖電源，調整其脈沖電壓為50kV，頻率為160Hz，脈寬0.8μs，以電暈放電進行滲碳1h，然后，調整脈沖電壓為30kV，頻率為100Hz，脈寬0.9μs，擴散1h。
第五步 停機降溫，取出工件停機時，先斷開超高壓脈沖電源，再斷開外加熱電源，待工件溫度降至200℃時關閉進氣閥停止供氣，關閉進水閥停止冷卻，最后松開連接爐體與爐蓋的緊固螺栓，用起吊吊起爐蓋及吊掛陽極，取出活塞銷工件，再將其按常規(guī)進行870℃淬火，180℃回火，取樣檢查其結果是表面硬度HRC60～62，滲層厚度1.2mm，這個結果較現(xiàn)有技術的20Cr在920℃下滲碳3h，滲層厚1.1～1.2mm相比，縮短時間1h，提高生產效率33％。
實施例245#鋼波紋管注塑機滑道，尺寸500×350×50mm，要求表面硬度為HV0.1950～1050，滲層厚0.25～0.30mm，采用本實用新型的常壓非平衡離子滲擴爐進行離子氮碳共滲處理，具體步驟如下第一步 打開爐蓋，更換吊掛陽極，裝入欲滲工件考慮本實施例是緊接實施例1的連續(xù)作業(yè)，因此，爐蓋在實施例1的最后工件出爐時已被打開，所以，它的啟開過程同實施例1，在本實施例中開始沒有啟開爐蓋的過程。在進行本實施例時，根據(jù)工件特點，應更換吊掛陽極，取下原有的針狀凸起物設在圓筒狀陽極基板內側的吊掛陽極，而更換為平板狀吊掛陽極，其過程是松開吊掛陽極[21]與接線套柱[23]間的緊固手輪[27]，將圓筒狀的吊掛陽極從接線套柱上取下，同時，將平板狀吊掛陽極的吊掛接線桿[28]插入接線套柱[23]的插套[32]內，之后，通過緊固手輪[27]的緊固作用，就將吊掛陽極與接線套柱固定在一起，此時，如果接通超高壓脈沖電源，電源的正極便通過接線套柱[23]、插套[32]，經吊掛接線桿[28]通向吊掛陽極的陽極基板[29]和針狀凸起物[30]。在更換吊掛陽極的同時，將用堿水清洗、烘干后的波紋管注塑機滑道工件[18]放在工件平臺[17]中心位置上，待滲面對著吊掛陽極放置。然后，起吊爐蓋將其復位，并通過緊固螺栓將爐體與爐蓋連接在一起。通過固定裝置[25]上的緊固調節(jié)手輪[24]，調節(jié)吊掛陽極與工件間的間距為25mm，檢查合格后，進入工作狀態(tài)。
第二步 排出爐內空氣其操作步驟同實施例1的第二步驟，不同的是通入保護氣體是氮氣。
第三步 向爐內通入氮氣和丙烷欲滲介質以氮氣/丙烷＝4/1的比例通過流量計向爐內送入二者的混合氣，其中氮氣以流量為0.08m3/h，丙烷以流量為0.02m3/h通入爐內，并維持爐內的壓力為1×105Pa。
第四步 加熱工件，保溫滲擴通冷卻水，加熱工件過程操作同實施例1，待溫度升至570℃后，保溫20分鐘，再按實施例1的過程啟動超高壓脈沖電源，調整脈沖電壓為35kV，頻率為110Hz，脈寬0.88μs，進行常壓下非平衡等離子體氮碳共滲2h。
第五步 停機降溫，取出工件其過程同實施例1，不同的是，當冷卻至150℃時停止供氣，關閉冷卻水。最后，按實施例1的第五步過程取出波紋管注塑機滑道，取樣檢查。硬度HV0.1970～1030，滲層厚0.29mm，與已有的離子氮碳共滲的45#鋼在570℃下滲3h，其層深0.25mm相比，縮短時間1h，提高生產效率33％。
實施例3船舶柴油機用43/82型氣缸套，尺寸φ430×820mm，材料為灰口鑄鐵，要求表面硬度大于HV0.11000，滲層為0.15～0.20mm。采用本實用新型的常壓非平衡離子滲擴爐進行滲氮處理，具體步驟如下第一步 打開爐蓋，更換吊掛陽極，裝入欲滲工件本操作步驟同實施例2的第一步驟，不同的是根據(jù)氣缸套的尺寸與形狀，采用的是針狀凸起物處于圓筒形的陽極基板外側的吊掛陽極，圓筒狀吊掛陽極的外徑為φ380×830mm，針狀凸起物長為10mm，其與吊掛陽極的間距為15mm。爐蓋起吊后，將其吊掛陽極放入氣缸套內，爐蓋按實施例2的過程復位。經檢查合格，處于工作狀態(tài)。
第二步 排出爐內空氣過程同實施例1，不同的是通入的保護氣體是氮氣。
第三步 向爐內通入氮氣欲滲介質操作過程同實施例1，不同的是氮氣以0.1m3/h的流量通入爐內，并維持爐內壓力為1×105Pa。
第四步 加熱工件，保溫滲擴操作過程同實施例1，當溫度升至450℃后保溫20分鐘，啟動超高壓脈沖電源，其參數(shù)為脈沖電壓為20kV，頻率為60Hz，脈寬0.97μs，進行常壓非平衡等離子體滲氮4h。
第五步 停機降溫，取出工件操作過程同實施例1，待爐溫降至150℃時停止供氣，關閉冷卻水，打開爐蓋，取出氣缸套工件，取樣檢查。其硬度為HV0.11000～1100，滲層厚0.19mm。與已有的離子滲氮的灰口鑄鐵在520℃滲5h，滲層厚為0.15mm相比，時間縮短1h，提高生產效率20％。
權利要求1.金屬表面強化用的常壓非平衡離子滲擴爐，主要是由爐蓋[22]，爐底板[16]，爐體[7]和設在其內的加熱體[20]、隔熱屏[19]、工件平臺[17]，以及操作盤所構成，其特征在于a).爐體[7]內還設有吊掛在爐蓋[22]上由吊掛接線桿[28]、陽極基板[29]和固定在陽極基板工作面上的多個針狀凸起物[30]所構成的吊掛陽極[21]，而陽極基板外表形狀與工件欲滲面的外表輪廓的凸凹部分反相對應，b).隔熱屏[19]在對應爐體[7]上的觀測窗[8]位置處也開有與其大小相同的觀測窗[8]，c).接線套柱[23]與爐蓋[22]之間，陰極接線柱[13]與爐底板[16]之間采用能耐壓為60kV的絕緣管[12]絕緣。
2.根據(jù)權利要求1所述的金屬表面強化用的常壓非平衡離子滲擴爐，其特征在于吊掛陽極[21]是通過設置在爐蓋[22]上方的固定裝置[25]和接線套柱[23]，用緊固手輪[27]將其與接線套柱的插套[32]連接在一起，而被吊掛在爐蓋的中心線上，并通過緊固調節(jié)手輪[24]相對欲滲工件[18]上下移動。
3.根據(jù)權利要求1所述的金屬表面強化用的常壓非平衡離子滲擴爐，其特征在于加熱體[20]置于爐膽之內，并處于隔熱屏的內側。
專利摘要材料表面工程領域中金屬表面強化用的常壓非平衡離子滲擴爐,由爐蓋(22),爐底板(16),爐體(7)和設在其內的加熱體(20)、隔熱屏(19)、工件平臺(17)所構成,特征:爐體內設有吊掛在爐蓋上并帶有多個針狀凸起物(30)的吊掛陽極(21),隔熱屏上開有觀測窗(8),爐蓋與接線套柱(23)及爐底板(16)與陰極接線柱(13)之間,采用絕緣管(12)絕緣。優(yōu)點:①結構簡單,無真空系統(tǒng),成本降低15%,②無弧光放電和空心陰極效應,③滲速加快1/4～1/3倍,④可節(jié)省能源30%,⑤適于多種離子強化。
文檔編號C23C8/36GK2382724SQ9921330
公開日2000年6月14日 申請日期1999年6月14日 優(yōu)先權日1999年6月14日
發(fā)明者嚴立, 朱新河, 徐久軍, 秦艷, 金華, 嚴志軍, 齊育紅, 許彬, 高玉周 申請人:大連海事大學