交互式雙陰極離子表面熱處理爐的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種化學熱處理設備，特別是輝光離子氮化爐，屬于熱處理技術領域。
【背景技術】
[0002]輝光離子滲氮法是在充以含氮氣體的低真空爐體內金屬工件作為陰極、爐體作為陽極，氨或氮氫原子在高壓直流電場下被電離為氮和氫的正離子和帶負電荷的電子，在陰陽極之間形成等離子區，氮和氫離子在高壓電場作用下做定向移動，轟擊陰極(工件)表面，并在工件表面發生一系列的物理化學現象，形成滲氮層，主要包括能量轉換、產生陰極濺射效應、形成高密度的位錯層、氮離子獲得電子形成活性氮原子、吸附作用和氫離子的化學作用等。因此，具有高效、環保、應用面廣泛等特點，不僅可以滲氮、還可以進行滲碳及軟氮化。但是目前的輝光離子滲氮法有許多缺點，如一直存在打弧、空心陰極、電場效應、爐內溫度不均勻等問題。為提高保溫性和溫度的均勻性，中國專利CN100460553C公開了一種“節能離子氮化爐”，其特點是爐體設有保溫屏和外冷卻罩，保溫屏和外冷卻罩之間為保溫隔熱空腔，爐底盤上設有爐底隔熱屏，滲氮氣體進入爐體內的氣體分散環，由保溫隔熱空腔和保溫屏頂部預熱滲氮氣體，這種方法的缺點是，保溫屏和爐底隔熱屏的隔熱效果不佳，不能自身發熱，還會吸收爐內的熱量，同時對滲氮氣體的預熱溫度低，預熱面較小。專利CN2501887Y公開了一種在“直流輝光放電作用下等離子體金屬材料表面改性處理裝置”，采用絕熱式反應室結構，反應室的外壁用保溫材料覆蓋，為保溫層，在保溫層和反應室外壁之間有水冷或風冷通道。這種裝置能起到較好的保溫作用，但保溫材料覆蓋層吸熱，且熱傳遞性能差，釋放熱量的時間長，水冷或風冷通道熱交換面積小，而且在高溫下通冷卻水不安全，通入氣體冷卻速度較慢。專利CN201809431U公開了“一種輝光放電輔助加熱離子化學熱處理爐”，在爐體的真空室內放置一鋼制圓筒(可以是網狀)，并接入直流電源負極，通過轉換開關先向圓筒施加電壓，圓筒產生輝光放電并被加熱，利用圓筒的熱輻射對工件進行預熱，待工件達到預熱溫度后，將直流電源的負極切換到工作臺上，工件開始輝光放電加熱，并進行離子化學熱處理，圓筒與工件也可以同時接直流電源的負極，依靠圓筒的輔助加熱可提高工件溫度均勻性，但不足之處是圓筒不產生輝光時，工件輝光放電，圓筒僅起隔熱屏作用，而圓筒與工件同時接直流電源的負極時，則為等電位，相當于傳統的離子氮化爐，不能提高濺射效率，對滲氮氣體的預熱幾乎無效果。為了解決爐內溫度均勻性、陰極效應、滲氮效率等問題，在隔熱保溫式爐體的基礎上對網狀圓筒(活性屏)和工件分別施加負偏壓，在冷卻時向爐內通入氮氣以加快冷卻速度(活性屏離子滲氮技術的基礎與應用研究，全國熱處理學會成立50周年紀念大會暨第九屆中國熱處理活動周文集，2013年8月)。但是由于網狀圓筒上的負偏壓絕對值高于工件上負偏壓的絕對值，工件與圓筒形成電場和工件與陽極形成的電場方向相反，使得工件和陽極間的電場強度減弱，氮離子和氫離子的濺射效能降低，同時三者間的電場關系復雜，對電源的要求高，充入氮氣冷卻成本較高。
【發明內容】
[0003]為了克服現有技術的不足，本實用新型提供一種交互式雙陰極離子表面熱處理爐，在爐內的升溫和保溫過程中能起到有效的隔熱保溫作用，使爐內的溫度分布均勻，同時又能有效地提高對滲氮氣體的預熱分解效果和對工件濺射效率，提高滲層質量，降溫過程中又能快速散熱降溫，縮短氮化處理時間。
[0004]本實用新型的技術方案是一種交互式雙陰極離子表面熱處理爐，包括爐體、爐底盤、真空系統、供氣系統、溫度測控系統和脈沖電源，其特征在于爐體為三層結構，爐體外層與中間層之間為冷卻水夾層，中間層與內層之間為真空絕熱和氣體冷卻夾層，處于真空狀態時為真空絕熱夾層，同時爐內層起隔熱作用，通入流動壓縮空氣時則為氣體冷卻夾層，同時爐內層的作用則轉變為熱傳遞作用。爐體反應室內設置多孔壁面鐵質圓筒，圓筒內為擺放工件的陰極盤，圓筒與陰極盤構成雙陰極，分別為陰極1和陰極2，爐體為陽極并接地，爐體、多孔壁面鐵質圓筒和陰極盤三者間為順電場關系，多孔壁面鐵質圓筒由筒體罩和筒底板組成，兩者為分體結構，筒體罩與爐體連接，筒底板放置在爐底盤和陰極盤之間，并相互絕緣，筒體罩和底板的厚度為4?20mm，其上開設直徑10?14mm圓形通孔，孔間距為30?40_，多孔壁面鐵質圓筒陰極1的電位不低于陰極盤陰極2的電位，其電壓值由脈沖電源控制，可同步或異步輸出，陰極1和陰極2的電壓值和占空比可分別調節。
[0005]本實用新型的優點是:
[0006](1)保溫隔熱效果好，爐內溫度均勻性好，無需設專門的隔熱屏，冷卻速度快，簡單易行，節能節材，安全可靠。在爐內升溫和保溫過程中，真空絕熱和氣體冷卻夾層處于真空狀態，爐內層起到隔熱屏的作用，而真空絕熱夾層阻礙熱的傳遞，達到絕熱保溫效果，同時多孔壁面鐵質圓筒因輝光加熱而保持一定溫度，使爐內溫度進一步均勻分布，調節施加在多孔壁面鐵質圓筒上的電壓值，可以改變爐內的溫度。而在冷卻過程中，向真空絕熱和氣體冷卻夾層中通入流動壓縮空氣，此時則為氣體冷卻夾層，同時爐內層則由起隔熱作用轉變為熱傳遞作用，在氣流和冷卻水的共同作用下將爐內的熱量快速傳出；
[0007](2)滲氮氣體的預熱效果好，熱分解率高。滲氮氣體沿多孔壁面鐵質圓筒外壁從壁孔進入反應室，由于圓筒在加熱保溫時處于高溫，在壁面得到初次預熱和分解，而壁孔內的輝光作用強度更高，預熱強度更大，有利于滲氮氣體的進一步預熱和熱分解；
[0008](3)加熱速度快，氮化質量好，效率高。由于多孔壁面鐵質圓筒因壁孔強烈的輝光效應，使爐內升溫快。爐體陽極、多孔壁面鐵質圓筒陰極1和陰極盤陰極2三者間為順電場關系，電場強度得到增強，氮和氫離子轟擊陰極(工件)表面的強度大，濺射效應高、更易于形成高