一种控制大型工件等离子体氮化温度和氮化效果的方法

技术领域

本发明涉及等离子体氮化技术领域，具体为一种控制大型工件等离子体氮化温度和氮化效果的方法。

背景技术

等离子体氮化已经被广泛应用于零部件耐磨、耐蚀性能的提高，等离子体氮化，就是把工件放在真空室中，工件为接电源的负极，真空室壁接电源的正极，电源可以是脉冲和直流，目前一般采用脉冲方式，减少打火和便于工艺控制，在一定的气体氛围下，如氨气，氮气以及氩气等等，在一定的气压范围内，相对于真空室壁，在工件上施加一定的负电位，当气压、电压等位于一定数值时，在工件表面产生等离子体放电，其中产生的正离子在工件负偏压的作用下，飞向工件，轰击并加热工件，同时含氮的气体离子或激发态的原子在表面聚集，有些形成化合物，有的是吸附在工件表面，在温度和离子轰击的共同作用下，氮元素由表面向内扩散行走，形成化合物层或氮化层，达到工件表面强化的作用，氮化层或扩散层的厚度与工件温度、气体种类、离子放电的强度、脉冲波形的形式等均有关，当工件比较小的情况下，氮化的温度均匀性不是主要问题：如温度很快均匀，等离子体放电也很均匀；相对于真空室抽口，小件的四周与抽口距离几乎相等，而当工件较大时，真空室内的气体流场、放电强度及工件温度等由于进气、出气位置不同、工件大小和形状不同，使得工件在不同位置会产生不均匀的放电，这样工件温度、氮化效果能都会发生变化，实际上一个大型工件，不同的位置也可以需要不同的氮化效果，如某处硬化层多一点提供耐磨，如某处需要无白亮层，不减低疲劳寿命，又如模具或被处理件又两种材料焊接而成的，由于材料表面以及二次电子发射系数不同，放电也会不均匀，造成温度不一致或某处温度高、某处温度低，需要控制，因此，不同位置或不同工况需要产生不同的放电强度，以获得所需要的氮化效果，如何对现有的氮化方法进行改变，获得所需要的氮化效果，是本领域函待解决的一个技术难题；

公开号为CN203096157U的专利公布了“蜗杆离子氮化均温装置”，在氮化过程中辅助阴极和零件一起起辉升温，提高了附近空间的温度，减少了零件的散热损失，改善了大型蜗杆离子氮化的温度均匀性，但该发明尽管在一定程度上可以缓解温度不均匀性，也会造成离子轰击剂量率的不均匀性，氮化效果会不均匀；

公开号为CN106929796A的专利“离散多阳极钟罩式离子氮化炉”公开了一种把一个真空室壁分成多节真空室的模式，一定程度上改善了长轴类零件离子氮化过程中的温度均匀性，但是仍然无法改变每一节真空室之内的工件不同位置的放电，对于形状、质量或材质不均匀的工件，还是很难进行不同位置放电强度、氮化温度和氮化效果等；

为此提出了大型零部件等离子体活动阳极的放电和氮化有效控制的方法，既包括大型零部件离子氮化均匀放电和均匀氮化的控制方法，也包括大型零部件不同位置氮化程度可以控制的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种控制大型工件等离子体氮化温度和氮化效果的方法，以解决上述背景技术中提出的大型零件氮化时无法有效灵活控制氮化效果的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种控制大型工件等离子体氮化温度和氮化效果的方法，包括一种大型等离子体氮化炉零部件不同位置或分散零部件等离子体氮化效果的控制方法，所述方法采用活动阳极，利用阳极的不同电位、形状、大小以及与工件阴极不同距离对放电的影响，来控制整个零部件不同部位或者不同的分离工件的氮化放电强度和氮化效果，所述基体的材质为铁、铝、钛等金属及其合金。

优选的，所述的活动阳极是采用1个或1个以上阳极。

优选的，所述的活动阳极技术，阳极可以是带有孔或网的结构。

优选的，所述放电模式不同的阳极和工件之间放电可以采用同一电源或不同电源进行单独控制，所述放电模式采用的气体可以是氩气、氢气、氮气、氨气等含氮气体以及甲烷、乙炔等含碳气体，所述放电电源可以是直流也可以是脉冲模式。

优选的，所述工作气体可以是一种或几种的混合，也可以有先后顺序，所述工作气体的工作气压，可以为10

优选的，所述放电电压范围为50V-100kV，所述放电电极可以和真空室壁一体，也可以和真空室壁绝缘，所述放电电极，电极形状可以是平面的，环形的，条形的、弧形、方型、外凸起的和内凹陷的，所述放电电极可以根据需要在氮化工艺中进行前后移动，所述放电电极，面积可以从10mm

优选的，所述工件阴极的各部分，可以是同种材料，也可以是不同材料。

优选的，所述零部件，可以是真空室内一个零部件，也可以是真空室内多个零部件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明在大型氮化炉中，将工件放在导电的工作台上，工作台放在绝缘的支架上，绝缘的支架放置在氮化炉壁的底部，一切固定稳定后，关上真空室的门，开始抽真空，利用泵组的最大流量，并且把抽速控制阀全部打开，同时开始加热，当真空到一定程度、工件温度也达到一定的温度时，充入氮气或氨气的一种或两种，同时也可以充入氩气、氢气的一种或两种，通过气体流量计，经过混气筒将气体均匀后进入到真空室内，利用控制阀控制泵组的抽速，利用流量计、控制阀协同控制真空室内的工作气压，当所需要的气压和温度达到后，开启氮化电源，为了防止剧烈打火和稳定工作，开始阶段的功率慢慢提升，使得工件的温度慢慢升高，利用与工件紧贴的热电偶来反馈和控制加热电源的功率和氮化电源的功率，利用不同位置的热电偶测量的温度信息，控制附近的活动阳极的位置，进而控制附近的辉光放电以优化加热速率和离子轰击的强度，进而控制氮化效果；

1、本发明的优点是阳极与工件的距离以及形状可以根据需要灵活调整，进而能够有效控制不同区域的放电强度、工件温度等等，进而可以对氮化效果进行调控，避免了固定传统离子氮化炉无法根据大型工件形状、氮化要求来调整放电和氮化效果的问题。

附图说明

图1为本发明具有活动阳极的氮化方法示意图；

图2为本发明的阳极的图案变化示意图；

图3为本发明单独阳极形状可以变化以及有多阳极组成的形状可变的等效阳极示意图；

图4为本发明不同阳极单独电源的氮化方法示意图；

图5为本发明炉中氮化不同的产品示意图；

图6为本发明中被处理工件表面的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供的一种实施例：

一种控制大型工件等离子体氮化温度和氮化效果的方法，包括一种大型等离子体氮化炉零部件不同位置或分散零部件等离子体氮化效果的控制方法，所述方法采用活动阳极，利用阳极的不同电位、形状、大小以及与工件阴极不同距离对放电的影响，来控制整个零部件不同部位或者不同的分离工件的氮化放电强度和氮化效果，所述基体的材质为铁、铝、钛等金属及其合金；

进一步的，所述的活动阳极是采用1个或1个以上阳极，从而能够相对于大型工件进行放电，控制放电区域的放电强度，控制工件温度和氮化效果；

进一步的，所述的活动阳极技术，阳极可以是带有孔或网的结构从而能够使使得烘烤加热和气体流动成为可能，使得温度和放电控制更加灵活；

进一步的，所述放电模式不同的阳极和工件之间放电可以采用同一电源或不同电源进行单独控制，所述放电模式采用的气体可以是氩气、氢气、氮气、氨气等含氮气体以及甲烷、乙炔等含碳气体，所述放电电源可以是直流也可以是脉冲模式；

进一步的，所述工作气体可以是一种或几种的混合，也可以有先后顺序，所述工作气体的工作气压，可以为10

进一步的，所述放电电压范围为50V-100kV，所述放电电极可以和真空室壁一体，也可以和真空室壁绝缘，所述放电电极，电极形状可以是平面的，环形的，条形的、弧形、方型、外凸起的和内凹陷的，所述放电电极可以根据需要在氮化工艺中进行前后移动，所述放电电极，面积可以从10mm

进一步的，所述工件阴极的各部分，可以是同种材料，也可以是不同材料；

进一步的，所述零部件，可以是真空室内一个零部件，也可以是真空室内多个零部件。

工作原理：具体实施例1

本实施例采用活动阳极优化放电和离子氮化效果，具体包括如下步骤：

如图1所示，首先将工件喷砂清理打磨干净，去掉工件表面的油污和氧化物，依次在工业清洗液(也可以是丙酮、乙醇溶液等有机溶剂)以及清水的超声波清洗槽中去除工件表面的污染层，然后利用冷空气吹干，将真空室的内壁利用工业毛刷和吸尘器来清理，包括加热体、工作台，阳极等等，然后把工件摆放在工作台上，固定好，把热电偶放在紧贴工件需要控温的位置，通过绝缘法兰将热电信号传出，用于控制加热体和氮化放电电源，同时也用来指导阳极与工件的相对位置来控制放电和氮化效果，启动泵组，泵组可以是单独的机械泵，或机械泵和罗茨泵组，或机械泵、罗茨泵和油扩散泵组，或机械泵、罗茨泵和分子泵组等，如利用机械泵、罗茨泵和分子泵组将极限真空抽到10

具体实施例2

本实施例采用活动阳极优化放电和离子氮化效果，具体包括如下步骤：

如图2所示，这里是活动阳极加工成半透明的，用于气体的流动以及更好地传热，活动阳极可以有多种图案，包括圆形、三角形以及菱形、长方形等等，首先将工件清理打磨干净，去掉工件表面的油污和氧化物，依次在工业清洗液(也可以是丙酮、乙醇溶液等有机溶剂)以及清水的超声波清洗槽中去除工件表面的污染层，然后利用冷空气吹干，将真空室的内壁利用工业毛刷和吸尘器清理真空炉内部，包括加热体、工作台，阳极等等，然后把工件摆放在工作台上，固定好，把热电偶放在紧贴工件需要控温的位置，通过绝缘法兰将热电信号传出用于控制加热体和氮化放电电源，同时也用来指导阳极与工件的相对位置来控制放电和氮化效果，启动泵组，泵组可以是单独的机械泵，或机械泵和罗茨泵组，或机械泵、罗茨泵和油扩散泵组，或机械泵、罗茨泵和分子泵组等，如利用机械泵、罗茨泵和分子泵组将极限真空抽到10

具体实施例3

本实施例采用活动阳极优化放电和离子氮化效果，具体包括如下步骤：

如图3所示，这里是利用多个活动阳极，一方面每个阳极可以根据需要加工不同的形状；另一方面可以利用多个活动阳极根据需要摆成阳极阵列，形成等效的一体阳极，由于多阳极模式，可以根据需要灵活调整阳极的大小、位置以及形状等等，首先将工件清理打磨干净，去掉工件表面的油污和氧化物，依次在工业清洗液(也可以是丙酮、乙醇溶液等有机溶剂)以及清水的超声波清洗槽中去除工件表面的污染层，然后利用冷空气吹干，将真空室的内壁利用工业毛刷和吸尘器清理真空炉内部，包括加热体、工作台，阳极等等，然后把工件摆放在工作台上，固定好，把热电偶放在紧贴工件需要控温的位置，通过绝缘法兰将热电信号传出用于控制加热体和氮化放电电源，同时也用来指导阳极与工件的相对位置来控制放电和氮化效果，启动泵组，泵组可以是单独的机械泵，或机械泵和罗茨泵组，或机械泵、罗茨泵和油扩散泵组，或机械泵、罗茨泵和分子泵组等，如利用机械泵、罗茨泵和分子泵组将极限真空抽到10

具体实施例4

本实施例采用活动阳极优化放电和离子氮化效果，具体包括如下步骤：

如图4所示，为了进一步优化工件不同位置的放电，可以是每个阳极拥有自己的独立电源或一个阳极阵列共用1个辅助阳极电源，也可以一个阳极阵列利用不同的辅助阳极电源，即一个氮化区域可能采用几个电源协同作用，控制放电效果，阳极的灵活组合、再加上电源的灵活运用，可以有效优化放电，达到所需要的目的，首先将工件清理打磨干净，去掉工件表面的油污和氧化物，依次在工业清洗液(也可以是丙酮、乙醇溶液等有机溶剂)以及清水的超声波清洗槽中去除工件表面的污染层，然后利用冷空气吹干，将真空室的内壁利用工业毛刷和吸尘器清理真空炉内部，包括加热体、工作台，阳极等等，然后把工件摆放在工作台上，固定好，把热电偶放在紧贴工件需要控温的位置，通过绝缘法兰将热电信号传出用于控制加热体和氮化放电电源，同时也用来指导阳极与工件的相对位置来控制放电和氮化效果，启动泵组，泵组可以是单独的机械泵，或机械泵和罗茨泵组，或机械泵、罗茨泵和油扩散泵组，或机械泵、罗茨泵和分子泵组等，如利用机械泵、罗茨泵和分子泵组将极限真空抽到10

具体实施例5

本实施例采用活动阳极优化放电和离子氮化效果，具体包括如下步骤：

如图5所示，在同一炉中可以放入不同的工件，大小、形状或材料均不同，由于这些特性的不同，放电需要一定不同，因此需要变动阳极或阳极阵列来获得不同的放电，进而在同一炉中获得不同的氮化效果，可以大大提升生产效率，首先将工件清理打磨干净，去掉工件表面的油污和氧化物，依次在工业清洗液(也可以是丙酮、乙醇溶液等有机溶剂)以及清水的超声波清洗槽中去除工件表面的污染层，然后利用冷空气吹干，将真空室的内壁利用工业毛刷和吸尘器清理真空炉内部，包括加热体、工作台，阳极等等，然后把工件摆放在工作台上，固定好，把热电偶放在紧贴工件需要控温的位置，通过绝缘法兰将热电信号传出用于控制加热体和氮化放电电源，同时也用来指导阳极与工件的相对位置来控制放电和氮化效果，启动泵组，泵组可以是单独的机械泵，或机械泵和罗茨泵组，或机械泵、罗茨泵和油扩散泵组，或机械泵、罗茨泵和分子泵组等，如利用机械泵、罗茨泵和分子泵组将极限真空抽到10

具体实施例6

本实施例采用活动阳极优化放电和离子氮化效果，具体包括如下步骤：

如图6所示，对于大型的工件，有时不同的位置需要拥有不同的表面性能，如一个大型的模具，需要中心部分以白亮层为主，提高耐磨性；而边缘部分则需要以扩散层为主，提升抗疲劳性能，如果不能利用分离活动阳极模式，很难达到这样的效果，利用环形阳极或者环形阳极阵列，可以很灵活地实现不同区域的不同氮化效果，首先将工件清理打磨干净，去掉工件表面的油污和氧化物，依次在工业清洗液(也可以是丙酮、乙醇溶液等有机溶剂)以及清水的超声波清洗槽中去除工件表面的污染层，然后利用冷空气吹干，将真空室的内壁利用工业毛刷和吸尘器清理真空炉内部，包括加热体、工作台，阳极等等，然后把工件摆放在工作台上，固定好，把热电偶放在紧贴工件需要控温的位置，通过绝缘法兰将热电信号传出用于控制加热体和氮化放电电源，同时也用来指导阳极与工件的相对位置来控制放电和氮化效果，启动泵组，泵组可以是单独的机械泵，或机械泵和罗茨泵组，或机械泵、罗茨泵和油扩散泵组，或机械泵、罗茨泵和分子泵组等，如利用机械泵、罗茨泵和分子泵组将极限真空抽到10

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。