近几年从美、日等国引进的汽车、摩托车用气门表面多采用液体氮碳共渗处理，如果用离子氮碳共渗 代替液体氮碳共渗，不仅能同样提高气门的耐磨性和抗咬合性，而且处理温度比较低，有利于减小 变形，同时还可以避免生产过程的三废污染。气门是尺寸精度和表面质量都要求较高的细长零件， 采用旧式离子渗氮炉处理很难达到尺寸精度和表面质量要求，同时弧光清洗时间过长，生产效率低 。为了达到精度和粗糙度都要求较高的气门零件的离子渗氮要求，有必要对！日式离子渗氮炉的结 构作较大的改进，为此，我们进行了双重加热离子渗氮炉的研制。1！日式离子渗氮炉存在的主要 问题目前国内工业生产上用的离子渗氮炉绝大多数是70年代定型的炉子，结构较简单，使用中存 在着不少问题。主要是：1．三弧光放电导致修氛零件表面粗错和尺寸精度恶化众所周知，在离子 渗氮过程中，弧光放电是由贴近阴极处的正电荷堆积引起切致电子发射所致。我国离子渗氮工作者 早在70年代，对离子渗氮供电设备采用种种灭弧措施极力控制每次弧光放电的能量，以此控制弧 斑尺寸。然而。孤斑的存在，总还是一定程度上影响渗氮零件的表面质量和尺寸精度。1·2弧光 清洗时间过长致使炉子生产效率降低在旧式离子渗氮炉中，工件表面残留的油污主要是靠弧光放电 一点一点地烧除，通常把打散弧烧除工件表面油污的过程称之为弧光清洗过程。弧光清洗过程一般 要持续到工件温度加热到150～200C。为防止烧伤工件和设备，常常加以很大的限流电阻使 输出电流控制到很小。也就是说，在弧光放电频繁时供电电源大部分时间是处于关断状态，其供电 效率很低。象气门（尤其摩托车气门）比表面较大的零件在清洗不够彻底的情况下，可能残留的油 污要多些，满装炉时弧光清洗时间可长达4～sh，这对于保温处理时间只需3～北的薄层渗氮来 说，弧光清洗过程对生产效率的影响实在太大了。至·3工件没氛温度均匀性差离子渗氮过程中工 件处理温度常常是很不均匀，各部位温度相差几十度甚至上百度，因此导致渗氮零件表面硬度不均 ，渗层深浅不一和变形超差。工件渗氮温度不均匀是由不均匀加热和不均匀散热所致。通过改进操 作可以使离子渗氮温度均匀性在一定程度上得到改善［‘j，然而改进设备结构将会更有效地改善 工件的渗氮温度均匀性。1·单温度测量误差大离子渗氮的测温问题，已有不少人作了论述＊’， 有的已在工业生产中应用。从这些论述中可知，由工件到阳极的温度梯度很大，而这也正是导致温 度测量误差的重要因素。另外，强电场对温度测量回路产生感应电势，大功率电器件发热导致冷端 温度浮动，因此而产生的对温度测控的影响也是不可忽视的。新一代离子渗氮炉必须有效地克服这 些不利因素。1．5能量损耗大旧式离子渗氮炉大多是以水冷炉壳作阳极，炉壳不仅吸收阳极位降 所产生的热量，还大量吸收辉光辐射能量和加热工件的热辐射能量，为使炉壳不致于温升过高而影 响其正常工作，通常都通以冷却水。冷却水带走大量热量，致使旧式离子渗氮炉能耗很大。ZSL －SO双重加热离子渗氮炉的结构特点SL－50双重加热离子渗氮炉继！日罩式离子渗氮炉的优 点，针对所存在问题在结构上作了较大改进，具有如下特点（见图1）2·1双重加热机构该炉在 保留原离子渗氮炉辉光放电机构的同时，在炉罩内壁装置了电热体辅助加热机构，总功率为SOk W。供辉光放电的直流电源最大输出功率为30kw，分3档（为11A，22A，33A），供 电热体加热的低压交流电源分两档，高档输出功率为20kw，低档输出功率为12kw。电热体 由6根电热丝绕成W形吊挂在炉罩内壁上。高档可供工件预热用，低档可供阳极区控温用。2·2 炉膛内壁增设保温隔热装置炉罩内壁（包括顶部）均衬有ZOmm厚的硅酸铝纤维毡，由金属网板 框固定；炉膛顶部和底部各装有两层隔热屏。23g有两套温度测控系统一支热电偶装在吊挂夹具 支柱管内，控制辉光放电的直流电源，测控阴极区温度；另一支热电偶装在阳极区内，控制供电热 体的交流电源，测控阳极区温度。2·4集成化电路采用了集成化晶闸管触发电路，以恒流控制代 替电流过零灭弧电路［’］，辉光放电直流电源的最高电压为90OV。另外，弱电及仪表与强电 分柜安装，增设了操纵柜，热工仪表及弱电控制部分均装置在操纵柜内。注意弱电导线、仪表导线 与强电输电导线分管走线，套管间避免平行走向。2·5设计专用夹具为气门离子渗氮设计了吊挂 专用夹具，炉子仍保留了旧式钟罩式离子渗氮炉的阴极料盘。3SL－50双重加热离子渗氮炉功 自己炉膛有效工作尺寸为十700X1000，比一般50kw离子渗氮炉要大。可装4层盘部直 径十50mm、全长180mm的气门，每炉可处理气门508支，取下夹具可处理其它零件。可 将工件预热以消除由油污引起的弧光。装炉合罩后即可启动辅助加热电源，先打开放气阀，在大气 压下预热3Omin左右，然后启动真空泵，关闭放气阀继续预热，一般在地总须热时间内可将满 炉气门加热到15O～18OC，彻底清除工件上的油污。这时后动高压直流电源，炉内立即进入 稳定的辉光放电，避免了弧光清洗过程，由于消除了弧光放电的干扰，接通高压直流电源后即可以 大电流投入辉光放电，加上电热体热源，工件便能快速加热。通常由预热（连抽真空）到加热至工 艺温度只需孔，与；回炉子相比，每炉可节省工时2～6h。阳极温度可由电热体加热并按需要进 行调节。阳极温度提高后，阴阳极之间的温度差减小，工件周围空间的温度梯度明显变小，从而明 显改善了渗氮工件的温度均匀性。因此，工件渗氮层的组织和性能更为均一。应指出的是，阳极温 度也不能过高，否则将导致辉光放电强度减弱到难以维持异常辉光放电的程度，这可能产生工件局 部表面因未被辉光覆盖同样会出现渗氮层组织和性能的不均匀。试验表明，阳极温度一般比工件温 度低15o”C较为合适。由于炉膛内壁有隔热保温层，设备满载运行时，电流只需11一15A ，与旧炉子相比，可节电40％～50％，冷却水用量仅为旧炉子的l／Io～1／ZOo排除了 强电场和电器元件发热的干扰，使热工仪表和品闸管触发电路工作更加稳定可靠。尤其工件温度测 控准确度提高，有利于渗氮层质量的稳定。同时，集成化晶闸管触发电路，显著提高了供电电源工 作的可靠性。多年来的实践表明，在工业生产中，炉压在6～600Pa内起辉电压都不超过90 0V，在通少量工作气体以最大电流加热工件时的辉光放电电压通常为60O～750V，因此， 我们将直流电源的最高电压降至gOOV，这既可满足离子渗氮全过程的电压要求，又可使晶闸管 能在较大的导通角下长时间承受大电流输出。4使用效果以汽车发动机排气门的离子渗氮为例，说 明如下「”4·l零件尺寸与技术要求汽车发动机排气门，材料为SCrZIMngN14N钢， 盘部直径45O．51。。。。mm，全长18o士O．15mm，杆部直径中12二沈翡mm， 直线度O．02mm．圆度O．OO5mm，粗糙度尼一O·4Pm·锥面跳动量O．O30mm ，渗氮层深度＞O．O3mm，硬度）600HV。4．2离子渗氮H艺及结果预热和加热共地， 工件温度45OC（阳极温度3O0”C）渗氮3．sh随炉冷却至18o’C以下（3一4h） 出炉。渗氮层为化合物十扩散层，渗层总深度为O·O4～0·O6mm，650一SOOHVO ．5。气门表面均为银灰色，颜色基本均匀，未发现弧斑，粗糙度基本未变，只是色泽稍暗。气门 离子渗氮处理前后的尺寸变化量如下；直线度变化量：O．OO3～0．OO6mm圆度变化量： －O‘OOZ～O。OOZmm锥面跳动量：－0．OOS～0．OO5mm由此可见，用SL－ 50双重加热离子渗氮炉对气门进行离子渗氮，结果各项技术指标都能满足要求。在U事加热离子 渗氮炉研制中承陈应球、蒋昌生等给予大力协助，在此致谢。双重加热离子渗氮炉@余由海$江西 省科学院!南昌330029@段国炎$江西省科学院!南昌330029@谢仕芳$江西省科学 院!南昌330029@陈洪民$江西省科学院!南昌330029双重加热;;离子渗氮炉针对 旧式离子渗氮炉所存在的问题，在新炉子的研制中作了大量结构改进工作。所研制的双重加热离子渗氮炉可消除工件由油污引起的弧光，提高了工件的温度均匀性，具有省电、节水、生产效率高的特点。用该炉进行气门的离子渗氮，其硬度、表面质量和尺寸精度均能达到产品的技术要求。1机械工业部机床研究所.离子渗氮指导资料.
2 余由海.用热电高温计测量离子氮比温度的探讨.仪表材料,1979(1)
3 金由海.离子氮化炉中温度剧增现象及其对氮化工件测温的影响.中国计量测试学会华东首届热工计量测试年会资料,上海市计量测试学会编印,1985.6
4 陈应球.全集成电路化学离子热处理电源.江西大学学报(自然科学版),1988(4)
5 段国炎等.不锈钢气门离子氮碳共渗工艺方法探讨.江西科学,1991(3)蠹纯梢源蟮缌魍度牖 怨夥诺纾由系缛忍迦仍矗ぜ隳芸焖偌尤取ＭǔＳ稍と龋檎婵眨┑郊尤戎凉ひ瘴露戎恍杩 祝耄换芈酉啾龋柯山谑」な?～6h。阳极温度可由电热体加热并按需要进行调节。阳极 温度提高后，阴阳极之间的温度差减小，工件周围空间的温度梯度明显变小，从而明显改善了渗氮 工件的温度均匀性。因此，工件渗氮层的组织和性能更为均一。应指出的是，阳极温度也不能过高 ，否则将导致辉光放电强度减弱到难以维持异常辉光放电的程度，这可能产生工件局部表面因未被 辉光覆盖同样会出现渗氮层组织和性能的不均匀。试验表明，阳极温度一般比工件温度低15o” C较为合适。由于炉膛内壁有隔热保温层，设备满载运行时，电流只需11一15A，与旧炉子相 比，可节电40％～50％，冷却水用量仅为旧炉子的l／Io～1／ZOo排除了强电场和电器 元件发热的干扰，使热工仪表和品闸管触发电路工作更加稳定可靠。尤其工件温度测控准确度提高，有利于渗氮层质量的稳定。同时，集成化晶闸管
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