（机械工程专业论文）全自动辉光离子氮化炉的开发与研制.pdf

霪琴霎鼙囊纂蠢羹薹茎蠢萋墼薹蓄 豇囊冀蓁强矍黧墼 ? i 毛毫雾墓藿l 二主主至季垂；耋矍l 鐾雩主搴搴! 重主= 善量蚕耋羹童i 垂薹禹耋茎| 重茎辜蕈耋妻蓁l 墓嚣雾雾享p ；奏l 蓁耋 i 磊砉妻圣霎妻羔! 喜亨l 毒! 言；i 蠹i 宝璧羔耋皇霎二；十堂l 雏萎萎喜i 虿妻鲁l 囊主霉馨茸i ；三羲爹爹爹鹜i | 蓬重主蠹美j l 掌垦薹窆i ；墓萄孽罢；! 主莩l i i l 皇! 喜萎孓釜i 龟i i 蕃辜萎誊重雾二三j 手手莹妻d 拜睦舀蠢i 雾募誊享i 量蚕：量i 事；纛主蓁 萋；i ? i 善 争；蓁 i 子宁毫| 帮罨：_ 莲主要囊差；l 詈亨l ? 守 己雾；蚕妻i ；j l 国霪；量l 副霉手妻；等焉i ! 曼 耋善葶季季：囊 i l l 妻! 毫垂薹至l 彗l ! ( 童。薹耋釜 奠霸劓一者i ；l ：冀毒募l 卜i 耋塞霎l ；耋i 醐跫；妻i 摹鬻萋喜i i 墓蓬f 妻 ；至薹 耋! 蓁饪蚕蓁囊要；薯! 蠹塾毫；= ；妻；i 鏊i 萝譬斡呈鼍d 二i 耋j 主挚；耋i _ 上誓 茎j 蓦呈薹尹l 毒毒奎；i i 瑟 i 螽9 雾摹目 嘻l 薛孽；i 墓j 羹蓑 墨宇；主蒌蓍薹i 笋言i 肇蓄i 辱三蓄；盖；i 舌善i 喜；! i i ! 弱鼍霎重2 冀= 摹皇噩ii 宴翼兰季 ：至匿逢主l j 毒囊蓬l 耋争誊i i 鎏季耋? ；i 霎孽j 垂! 耋；氢翥譬i i 葬酲i 萋曼室；警i 芎j j 善 g ! i ! ；ji ；i i l l l 蓄i 翼1 7 盎；薹l 学j ；p ! # # ；妻j i i i j ：! i 渔l i ；自| | i | 割i i 耋i 鼍；l 嚣i 堕瞥笙f 雾耋薹雾霎：曼重l i 薹薹錾t ；訇鑫：瞳! l ；薹疆画! 基琢葛爨l 二_ 誓童莩；三i ! 亨三至篷三嚣# ! ：手? i 喜毒主菩妻i 堂i 薹l 薹薹耋薹；亨萎篓! 襄善蠢雾i 墓匿誊螽塑案喜j ! ；l 馨鼍g 骖璧蹩挈l i 垂差差 姜t 女；l ；蒡审萎匡； f 二拜j t 占箨睦誊 亨皂；l 霾守i j 蚤璧l ；? l 萝量窒譬i 曩喜i | ；嚣事i 磊冀薯圭囊蓁吾i 疆i 羹j 塞爹 器喜蓁主薹! i 圣l 至吾! 塞薹毳蓍i j 驿垦酲莹i 萋妻耋二0 军毒；塞曼l ! 军j 斗妻薹；i 毒ll 龟羹亨! 露7 攀j 孛螽季玉童 墓五星雾；善 垂薹i i 囊了! 乎；善茎! 墼毛 引i i j 牵高孽l i 熏i 塞耻霉茎；i 琶笔匿瑟篓蚕；鼻；薹蔓；要再l 嚣主詈昌 薹羹i 譬i 啊；一一一 ；虱童；妻墓量jf 蟊圭 j i 譬? ；摹l _ ! 专耋秀 争拿主；差差 拿；o j 拿蚕l 圭冀薹三l l 詈 篓j 蓁 ； i ? 尊鹭茎| l 重l 霪i 黍誊毫露“鞋e 薹i ；j 。鼙奏量至蘑是彝蒌垂羹囊；l 蓥萝訇j 虿奏妻妻型! 芎；堇孽萎 目l 譬崮量蚕i ! 昌篱岣囊鲁掣j 妻坚= 享霎垂；：雏i 耋 囊季i 浊f i 誊! 妻| 茎_ | - ! 垂拜i ! 亨i ；耄趟三菩l 葩；嚣擎睾l ；薹z ! 寺喜l 。l 薹垂i l ! ! 薹“f 鼍j 霪童雾望军餐 妻謦圭彗； 寸；墓j 釜；j 耋j l 癌宾 l 蕃喜萼主考霹芝 i f 筏羹 i 藿参型蕃刈；鬟髻毒! x 匪喜事重；! 釜l 珥a ：学! ! 辇l 警囊爹至蓑| ：量量萼! 塞蠢一i ? 勺 鱼；莹蟊鸯蠹尹；。i ；t ；曩翥篓蓍垂垂f l 善l 爵引矗吾 目j f 舀毒雾l i ! ；= 季碰! i | l # 女g j 薹j 蓄i ；l l i ；垂￥； i 薹! ! i ! l ；l j i 目；， ! 雩? i 姜；薹g 哥亨f i 譬錾| 嘉璧；_ ；非：蓁i ； ：基与霉毒童；耄茎耋 毒耋蓁霹强鍪亨鸩号i i 葶 量量 ! i i ； 二；耋老墓样裂鋈耋i 跫羹霉毒；玉莩i ，右至l 寺l 曩茔 旨笔鹫；麓黜警匿f ：萋三翼麓震i 霉j 誊；誊露；垂妻孽至于辛；露享霉童藿；i 薹要蟊l 譬壶j i 霉；善妻霍蘩i i 至；毛譬淳馨稚8 l | i 娶； ；i 鬟主；l i ；l g ；蜊i i i ；耄自i ：尊i j i j 囊蔓陵? 蠢l 薯i i | | 荤i ；i ! ；i 善 ；| 萋 北京交通大学工程硕士论文第一章前言 同时也是最大运动部件。其锻钢曲轴长近3 米，重达1 吨，形状复杂， 其成本是整个柴油机的八分之一。曲轴在高速、重载条件下工作，要 求加工成型后必须进行表面热处理才能获得高的疲劳强度和良好的 磨损拉力，以满足服务要求，保证曲轴的质量，延长其使用寿命。曲 轴的质量和寿命直接影响到柴油机功率的发挥和机车的利用率、成本 和修程。面对这样大型、形状复杂的曲轴进行离子氮化处理，就需要 技术含量很高的设备。我厂在七十年代与铁道部科学研究院共同研制 开发了“曲轴离子氮化”的科研项目，为提高氮化质量制定离子氮化 新的工艺规程和工艺参数。针对这种情况，当时的电气部分都是模拟 电路，操作完全依靠工人人为控制氮化炉的升温速度、保温时间，给 气流量的大小以及给定电压电流的大小等。测温的设备是用热电偶测 温通过温度变送器进行隔离。可是这样的测量带阴极电位，而阴极电 位的瞬间电压高达l 0 0 0 v 左右，因此温度显示不准。为了获得准确的 温度数值，必须停炉，用电位差计测热电偶的毫伏输出，查书对表获 得温度值。 随着科学技术的发展，特别是近年来电子计算机技术的飞速发 展，计算机控制、p l c 可编程控制器的可靠应用已积累了丰富的经验。 可编程控制器的平均无故障时闻长达几万小时，通过使用大功率直流 电源及快速电子开关的成功经验，尤其是十几年来对辉光离子氮化的 机理、伏安放电特性、电压、电流、温度的控制、以及真空和流量的 控制等，我们掌握了全面的工艺参数及工艺过程。因此，我们对l d 3 0 0 的辉光离子氮化炉的电气控制进行了开发和研制。目前已实现了计算 机自动控制整个离子氮化的工艺流程，降低了对操作人员的技能要 求，提高了氮化质量。 北京交通大学工程硕士论文 第一章前言 1 2 辉光离子氮化的特点 辉光离子氮化与其他气体氮化方法相比较具有以下优点： 1 可以大大缩短氮化周期 由于辉光离子氮化是用离子轰击的方式加热零件，一开始就产生 大量的活性氮原子，并在表面富集，而且富集的速度比气体氮化快碍 多。又由于离子氮化过程中的阴极溅射效应，导致工件表面钝化膜被 破坏。这样，工件表面始终保持原子活性状态，到达扩散温度后，氮 原子很容易向工件内扩散，从而大大的加快了氮化过程。离子氮化时 间能缩短到气体氮化时间的2 3 l 3 。例如：对3 8 c r m q 址a 钢，如 要求氮化层硬度壬玎h 1 5 9 2 ，渗层深度为o 5 衄时，气体氮化需6 0 h ， 而离子氮化仅需3 0 4 0 h 。 2 氮化层性能好 由于阴极溅射作用，及离子轰击作用而加快原子的扩散作用。工 件表面不会出现连续的氮化物网，这就大大地提高了氮化表面的韧性 和疲劳强度。 3 离子氮化变形小 可以省去氮化后工件的磨削工序或稍加抛光就可以使用，从而缩 短了生产周期。离子氮化对于处理复杂零件和精密零件是合适的。 阴极溅射作用对清除不锈钢、耐热钢表面钝化膜非常有效。工件 氮化前只需简单清洗即可，而不需要其它去钝处理。 由于钢的屈服强度随着温度升高而降低，采用较低温度离子氮 化，可减小氮化温度下屈服强度的降低，从而减少了氮化变形。采用 较低温度离子氮化可相应降低调质回火温度，从而提高曲轴芯部强 度， 4 容易进行局部氮化 北京交通大学工程硕士论文第一章前言 对于不需要氮化的部分，只需要简单的覆盖方法如机械屏蔽的方 法就可以达到目的。这就省去了氮化前的镀层、清理等工序。 5 无毒、氮气消耗量少 由于真空炉体是负压状态，氨气不会从炉内漏出，炉壁温度不高， 因此劳动条件好，无公害，工人操作环境大大改善。 1 3 曲轴离子氮化新工艺的经济效益 我厂机车曲轴采用了离子氮化工艺，提高了质量，节约能源和工 作气体，也节约了工时，缩短生产周期，改善了劳动条件，取得了明 显的经济效益。现将曲轴经气体氮化和离子氮化后的经济效益进行对 比。见表1 1 。 表1 1 气体氮化与离子氮化经济效益对比表 序号比较项目气体氮化离子氮化 l氮化周期保温7 0 小时保温3 5 小时 ( 5 4 0 )( 5 2 5 ) 处理周期5 6 天处理周期3 3 5 天 2 氮化返工率5 9 5 ( 容许净变形4 7 ( 容许净变形量 量o 2 蝴为o 0 5 衄) 3 氮化后精磨量o _ 3 0 4 i 眦o 1 5 o 2 0 m m 正 耗电量2 9 0 0 度根1 5 0 0 度根 5耗氨量5 瓶根1 3 瓶根 1 4 论文的主要工作 离子氮化早在一九三一年就已在实验室取得成功，并获得专利 4 北京交通大学工程硕士论文第一章前言 但由于大电流的稳定辉光放电设备在制造技术上的困难一直延迟到 六十年代初离子氮化才在少数国家生产中得到应用。目前，世界各国 包括我国在内，离子氮化生产已获得了迅猛发展，但是，目前我国生 产的辉光离子氮化炉还没有实现全自动控制，我厂开发研制的l d 一3 0 0 全自动辉光离子氮化炉参照了德国进口的离子氮化炉的说明书，实现 了计算机自动控制整个离子氮化的工艺流程。其主要功能为： 1 人机对话的液晶显示界面 2 工艺参数输入加密功能、工艺过程的显示功能 3 工件清理与自动升温功能 4 真空度及气体流量自动控制功能 5 快速灭弧功能 6 恒温控制功能 7 断电记忆、通电恢复及人工干预功能 8 打印功能 论文的安排如下： 第一章：介绍了辉光离子氮化的应用及发展，简单介绍了一下辉 光离子氮化，提出了论文的主要工作。 第二章：主要介绍了离子氮化的物理特性、氮化机理以及氮化工 艺流程。 第三章：着重分析了l d - 3 0 0 全自动辉光离子氮化炉的电气原理 及系统组成，对其各系统组成部分进行了详细的论述。 第四章：研究了l d 一3 0 0 全自动辉光离子氮化炉的p l c 硬件及软 件程序设计，对有技术攻关的部分进行了详细的论述。 第五章：总结全文，提出下一步研究工作。 北京交通大学工程硕士论文第二章辉光离子氮化炉的工作机理 第二章辉光离子氮化的工作机理 2 1 辉光放电的物理特性 在充有微量气体的密封容器内，对置两个电极，电极经限流电阻 与直流电源相连接。逐渐增加电源电压或降低限流电阻，阴阳极间的 电流和电压也增加，当极间电压不大时( 低与1 0 0 伏) 电流非常微小， 只有几个毫微安到几十微安( 如图2 1 ) ，当极间电压v s 增加到d 点 的数值时，阴阳极间电流突然增大，而极间电压迅速下降到f 点的数 值，同时阴极部分表面出现辉光。这个现象叫做“着火”，v s 称为着 火电压或点燃电压( 在离子氮化中通常把“着火”称为起辉) 。着火 以后如继续增加电源电压或减少限流电阻，则电流继续增加，辉光所 覆盖的阴极表面也增加，但极间电压v 基本上不变，即图2 1 中的f h 段，称为正常辉光放电，在此区域辉光覆盖面积随电流而增加，但 电流密度保持不变( 正常辉光放电电流密度与气体压力有关) 。当阴 极表面完全被辉光所覆盖后，电流再增加，极间电压也跟着上升，即 图2 1 中的h k 段，称为异常辉光放电区。当极间电压接近k 点的数 值时，如再增加电流，电流突然急速增大，而极间电压却急速降低， 辉光放电转变为强烈的弧光放电，转变的界限不很明确。弧光放电的 特点是放电电流很大，而维持放电的电压很低，伏安特性具有负阻性 质( 砌：m 段) 。这条曲线称为气体放电的全樘伏安特性曲线。 为了了解气体放电的伏安特性，这里简略地叙述一下气体放电有 关的物理概念。 一激发和电离 我们知道气体原子或分子间的距离比固体中原子间距离大的多， 故气体原子只有能级而无能带的存在。结构最简单的原子如氢原子各 6 北京交通大学工程硕士论文 第二章辉光离子氮化炉的工作机理 能级上的能量为 v o k 图2 1 气体放电的全程伏安特性曲线 衅一瓦戋南 8 s o 腮2 2 eo _ 是真空中的介电系数磊i b 矿 h 是普郎克常数 在正常状态下，电子总是排列在最低能级( 即原子处在基态上) ， 如外界有足够的激发能量，就可使电子从正常轨道跃迁到能级较高的 轨道上去，从而使原子处于受激态。原子在受激态停留时间很短 ( 1 0 1 0 “o 秒) ，当它返回正常状态时( 也就是电子从外层轨道回到 内层) 把原来所接受的能量以辐射形式放出，以氢原子为例： 。y：。：一g。：簿。，。， hy ：g ：一g 。：j ? 型( n 。 n 。) 8 占0 2 2 如果外界加入的能量足够大，使最外层电子和原子的其余部分相 7 北京交通大学工程硕士论文第二章辉光离子氮化炉的工作机理 分离，这时原子处于电离态，它具有原子质量并带一个正的电子电荷 量，同时放出一个新的自由电子，也就是把电子从基态激发到n _ 。的 能级上，这种现象称为电离，产生电离所需的最低能量叫做第一电离 电位，如果要从原子或分子中打出第二个，第三个电子来即把荷电离 子由一次荷电变为二次荷电，由二次荷电变为三次荷电，相应所需要 的能量叫做第二次电离电位或第三次电离电位。 电离所产生的正离子和电子有可能重新复合，由于电子质量小， 速度大，电子和正离子直接复合的可能性较小，一般实际复合的方式 有两种，即中间复合和表面复合。所谓中间复合是电子和中性原子相 遇结合成负离子，负离子再和正离子相遇而互相中和成两个中性原 子。表面复合则是正离子和电子因扩散作用趋附器壁或电极表面，在 此表面因电荷积累而产生电场，吸引异性电荷与其中和。离子氮化机 理与复合过程有关，在下文中讨论。 在气体放电中产生电离的方式很多，一般可分为气体过程和电极 过程两类。 气体过程中包括电子、离子、光量子和气体分子之间的相互作用， 如单电子碰撞、双电子碰撞、离子碰撞、热电离、光电离等等。在离 子氮化中主要是高速电子与气体分子相互碰撞，使气体发生电离，离 子能量很大时，离子与气体原子、分子的碰撞也会发生电离。 电极过程指发生在电极表面或电极附近的基本过程，如光电子发 射、热电子发射、场致电子发射、正离子作用下的阴极二次电子发射、 激活原子作用下的阴极二次发射等等。在离子氮化中，正离子作用下 的阴极二次电子发射具有重要作用，而辉光放电转变为弧光放电则与 场致电子发射或热电子发射有关。 二非自持放电 根据上述对气体离子的分析，我们再来讨论气体放电的伏安特性 北京交通丈学工程硕士论文第二章辉光离子氰化妒的工作祝理 曲线，为了便于观看，将曲线的o a b c d 段重新绘于图2 2 中( 这里 把坐标轴对谓了) 。 由于各种自然电离因素，放电管内总有微量气体处在电离状态。 图2 2 非自持放电 设n 。是单位时间内自然电离产生的电子数( 当然也有同样数目的正 离子产生，为叙述方便，我们下面讨论阳极电流h ，它由到达阳极的 电子数目所决定) 。加上电压后，电子向阳极运动，就有微量电流通 过，电压增加，参加导电的电子数增加，即i a 。c v a ，这就是曲线中的 。a 段。不过自然电离不多，电压稍微增加，全部自然电离的电子都 参加了导电，即电流达到了饱和，就是曲线中的a b 段i a = n 。e 。 在曲线的b c 段，随着电压的升高，电子动能加大，电子所获得 的动能超过电离电位，已足以引起碰撞电离，电离所产生的电子被电 场所加速又可碰撞其他气体分子使其电离，这样产生的电子数目随阳 极电压升高而不断增多，阳极电流也随阳极电压升高不断增大，分析 可得阳极电流： i a - ( n o e ) e “= i oe “ d 阴阳极之间的距离 q 电离系数，表示每个电子行经单位距离时发生的电 离次数，a 的值与单位路程中电子与气体分子的碰 型堡壁塑鎏兰皇至塑塑兰生望。皇塑些堕兰壑些芝竺三垄垫望 2 5 。实验测出( 辉光放电肘) 放电空间的电位分布和光区分布如图 鬻裟糯警紫 阳极 暗区 斯暗匿负辉区 暗区光 # 阳极 叫望膨瀛j 碡 餮篓 篓豢一瑟骢 一一 釜蔫篙囊一 北京交通大学工程硕士论文 第二章辉光离子氮化炉的工作机理 极部分的长度和位置不变。此后，若阳极继续靠近阴极时，法拉第暗 区也随着缩短，再后，负辉区也缩短，若负辉区也没有了，辉光放电 就停止了。 阿斯顿暗区的长度和气压与电流大小有关，电流增大，此暗区变 薄直至消失，压力增大时此暗区长度减少。 阴极暗区的长度也随气体压力而变化，压力增大时长度减小。 负辉区的长度是与气体压力成反比的，该区域是辉光放电中发光 最明亮的部分。 在离子氮化中，因电流大，压力在1 3 3 1 3 3 3 p a 左右，所以阿斯 顿暗区，阴极暗区都不太明显，好像整个阴极被一层辉光罩住。 在正常辉光放电时，被辉光所覆盖的阴极面积与电流强度成正 比，当电流增大或减小时，辉光面积也相应增大或减小，而电流密度 不变，阴极位降也不变，这个阴极位降称为正常阴极位降。这就是曲 线中的f h 段。 正常辉光放电的电流密度与压强有关，近似有j p 2 ，即电流密 度与压强平方成正比。 五异常辉光放电 当电流增大到整个阴极都被辉光覆盖后，要再加大电流，就必须 提高电流密度，即要求每单位面积打出更多的电子，为此正离子的动 能要增加，因此阴极位降也要增加，因而极间电压随电流而上升，这 就是特性韭线申的h ! ( 段穆为异常辉光放电区。 阴极位降随电流密度而增加，叫做反常阴极位降，可用经验公式 表达为： ，1 v a 2 v s + 吾o 。一，) 2 v 。一正常阴极位降 北京交通大学工程硕士论文第二章辉光离子氯化妒的工作机理 j s 一正常辉光放电电流密度 在离子氮化中，常常要在异常辉光放电区工作，电压在5 0 0 一7 0 0 伏左右。( 正常辉光放电区因电流密度小，往往达不到所需氮化温度： 同时在异常辉光放电区才能保证温度的均匀性。) 六阴极溅射 在辉光放电中，由于高速正离子碰撞阴极金属的空间点阵时，在 非常小的一部分金属表面上发生着强烈的局部加热。在短时间内由于 金属的导热性，被加热的那部分表面的温度由于加热面积的扩大而迅 速降低。但是在这短促的时间内，已有个别原子脱离开金属表面了， 阴极物质的微粒向四面飞散，这就是阴极溅射。 阴极溅射与气体压力，离子质量，阴极位降，电流密度等有关。 当气压低时，阴极溅射以直线向四面八方飞散。气压越高，阴极溅射 越小：轰击阴极的离子质量越大，阴极位降越大，阴极溅射就越厉害。 在阴极溅射的同时，总有气体被溅射微粒所吸收，这点将在离子 氮化的机理中讨论。 七弧光放电 在异常辉光放电区，极间电压随电流而上升，当极问电压接近k 点数值时，再增加电源电压，电流突然急速增大，而极间电压却急速 降低，辉光放电转变为强烈的弧光放电，其特点是放电电流远较辉光 放电为大，放电电流密度很大，而维持放电的电压远较辉光放电的小， 阴极位降只有几十伏。 弧光放电中，阴极表面上被放电所占有的区域是很集中的，具有 相当清楚的发光边界，称为阴极斑点，当阴极( 金属) 温度不高时， 阴极斑点在阴极表面上很快移动。 弧光放电是由于在阴极表面上产生强烈电子发射的缘故。造成这 北京交通大学工程硕士论文第二章辉光离子氮化炉的工作机理 种电子发射可以是热电子发射，也可能是场致电子发射。对于高熔点 金属如钨、钽等做成的阴极，随着正离子动能增加和电流密度加大， 阴极温度不断升高就会累积到有显著热电子发射的程度。而在离子氮 化情况下，如果在阴极表面附着有绝缘物质，就会造成正离子的堆积， 从而形成很强的电场：或者在阴极表面突然蒸发出气体，这样放电就 在较大的气压下进行，由于在这种压力下，电子的自由路程很小 ( 1 0 一咖) ，气体将在靠近阴极的地方电离，在电离过程中所形成的正 离子处在离阴极一个自由路程的距离，产生一个强电场1 0 5 1 0 6 伏 c m ，而导致场致发射( 这时只需要几十伏的阴极位降，由于它所占 的空间距离极短，能产生很强的电场) 。 无论是场致电子发射，还是热电子发射，其电子发射量都远较二 子电子发射量为大，而维持放电不再依靠y 过程，所需电压甚低。因 此辉光放电转变为弧光放电时，放电电流很大，而阴阳极间电压很低， 伏安特性具有负阻特性，放电时产生强烈弧光，这就是全程伏安特性 曲线中的k l m 段。 在离子氮化中，当辉光放电转变为弧光放电后，就会损伤工件甚 至损伤电源系统，因此，必须采取有效措旌，尽量避免辉光放电转变 为弧光放电，如果转变已经产生了，就必须尽快灭弧。 离子轰击热处理( 工作气压在1 3 3 1 3 3 3 p a ) ，主要是在异常辉 光放电区工作，此时才有足够的电流密度把工件加热到所需温度，并 保证工件每一部分有相同的电流密度而受到均匀加热，异常辉光放电 区的强阴极溅射是离子轰击热处理所必须的。 异常辉光放电常常是不稳定的，易于转化为弧光放电即伏安特性 曲线的l m 段，其特点是放电电流密度很大，而维持放电的极间电压 很低( 一百伏以下) ，具有负阻特性。转变过程非常迅速。弧光放电 时阴极表面上被放电所占有的区域是很集中的，具有清楚的发光边 北京交通大学工程硕士论文第二章辉光离子氮化炉的工作机理 界，称为弧光斑点，如不能迅速切断就会损伤工件甚至电源系统。 弧光放电是由于在阴极表面产生强烈的电子发射。伏安特性曲线 上辉光弧光转变的k 点就是指当电压电流升至该点时，阴极温度 累积到产生显著热电子发射而导致辉光向弧光过渡，即k 点一般代表 热电弧光转变点。 根据实践与分析，我们认为“辉光弧光”转变主要是由场致 电子发射造成，强电场的产生是由于：a ) 在阴极( 工件) 表面有很薄 的油污和氧化皮等绝缘物质，就会造成正离子的堆集，形成偶电层， 产生很强的电场。b ) 阴极表面局部放气，使得该处放电在较高气压 下进行，从阴极发出的电子的自由程减至很少，产生强电场。c ) 阴极 与绝缘材料直接接触，此处正离子堆积不易消散，形成强电场。从而 导致场致发射，转变为弧光放电。上述一、二种情况在实际生产中是 不可避免的。这里需要着重指出，场致弧光并不需要达到k 点才发生， 在异常辉光区的任何工作点上都可能发生，但是愈在较高电压的异常 辉光区工作( 即愈接近k 点) 则正离子密度愈大，以及由外界因素所 引起的电流密度一定程度的局部升高，正离子堆集所造成的弧光放电 的可能性就增加。场致弧光如果未被切断，起弧点温度急剧升高也会 转化为热电弧光。 异常辉光电流密度正比于压力的平方而增加，随着气压的增高， 热电弧光转变点k 的位置将向右下放移动，同样场致弧光也将更易形 成( 因异常辉光电流密度的增大更易导致正离子的堆集而造成强电 场) ，当工作压力大于一定值时，异常辉光放电将是很不稳定的。 在离子轰击的初期阶段，由于工件表面不清洁以及局部地方释放 气体的可能性多，起弧点倾向于不断地不规则地改变其位置，同时气 压低，电流小，电流密集化所造成的伤害也相应小一些，这就是一般 称之为“打散弧”的阶段。而当工件温度升高后( 比如3 0 0 以上) ， 北京交通大学工程硕士论文第二章辉光离子氮化炉的工作机理 “辉光弧光”转变的频率虽然显著减少，但起弧点不会自动转移 其位置，且随着气压加大，弧光电流密度增长，造成工件损伤的可能 性与程度都大大增加了。 上述伏安特曲线是指离子轰击热处理的正常工作情况，亦即p d 值位于巴邢曲线的最低值的右边。若着火前p d 值落在最小着火电压 的左边( 如图2 4 中n 点) ，着火后并不紧跟着崩溃( 即不出现图2 一l 中的e f h 段) 而是电压继续随电流上升( 但因气压低) ，电流很小， 直至突然转变为弧光放电。在离子轰击热处理中因外电源电压是有限 的，不可能由电流上升转变为弧光放电，此时即使产生场效弧光也是 极小的微弧，不会损伤工件。 2 2 离子氮化机理 离子氮化过程与普通气体氮化不同，工件加热不需另外的加热装 置，而是靠放电本身供给。渗氮所需新生活性氮原子，不是由氨气的 热分解产生，而是由被加速的带电离子碰撞含氮气体的分子，使其电 离和分解产生。辉光放电中不断产生新的带电粒子，电子跑向阳极， 具有很大动能的带正电的离子则冲击作为阴极的工件表面，产生热 量，把工件加热到所需氮化温度。辉光层沿工件的轮廓而形成。其表 面受到均匀的离子轰击，因而工件能被均匀地氮化。 离子氮化时，工件表面的反映如附图一所示。 当含氮气体被电离，处理工件被辉光覆盖后，产生大量的正离子 和电子，电位分布如图上部曲线所示。由于阴极位降在靠近工件几个 毫米处，所以离子氮化时重要的碰撞和电离主要是在这个阴极位降的 狭小区域内。等离子区位降很小，在此区域内气体高度电离，带正电 的和带负电的粒子浓度几乎相等。在阴阳极间电场中被加速的带电粒 子碰撞气体，使氨气电离，产生带正电的氮离子、氢离子。氮氢分子 北京交通大学工程硕士论义 第- 二章辉光离子氮化炉的工作帆理 同时氢离子有阻碍白层增长和去碳作用，去碳作用可以减少或消除下 面脉状组织，因而有利于氮的扩散。 离子氮化在通常情况下，氮的饱和过程几乎几分钟就完成了，这 比一般气体氮化法快的多( 因为离子氮化时氮原予很快在工件表面富 集) ，按照扩散定律，同样的时间扩散层将随浓度梯度而增加。 离子氮化不是气体吸收过程。离子氮化必须有离子轰击。氮离子 和氮一氢分子离子是活性等离子体的成分。氮一氢等离子体比氮或氮 一惰性气体所产生的氮化效果优越，这是由于氮一氢分子离子的缘 故。 尚须指出，离子氮化随处理时间的加长，扩散层的增加遵循扩散 定律，扩散速度逐渐与气体氮化相近。 2 3 离子氮化工艺 需要进行离子氮化的零件必须经过彻底的清洗，以免因油污锈 斑、挥发物等而引起电弧损伤零件。零件在装炉时，其间隔必须足够 大而均匀。装炉时还要注意合理地分布测温监控热电偶。 离子氮化的工艺参数可分为互有密切关系的三组，即电参数，热 参数和气参数，电参数包括电压和电流；热参数包括温度和时间；气 参数包括气体成分、气压和流量。在选择工艺参数时主要是确定温度、 时间和气氛，然后改变或调节电参数和气压来满足温度的要求。 1 氮化温度是最主要的参数，它是根据零件的材料和对零件的 技术要求( 主要是硬度) 来决定的，离子氮化的处理温度和气体氮化 大致相同，但范围要宽一些，从4 5 0 到7 0 0 都可以选择。一般来 说，对于氮化钢温度可选为5 2 0 5 4 0 ，氮化机车曲轴的温度，我厂 根据多年的经验选为5 2 5 。在温度决定后，时间则依渗层深度而定。 2 设备的真空度：离子氮化是利用气体电离产生离子轰击工件， 北京交通大学工程硕士论文第二章辉光离子氮化炉的工作机理 区和异常辉光放电区的过渡区间进行的，这是因为零件是借辉光放电 本身加热，如果选择正常辉光放电区，则电压或电流不可调，使对过 程失去控制，但若选择在异常 北京交通大学工程硕士论文第三章垒自动离子辉光氮化炉的电气原理 第三章全自动离子辉光氮化炉的电气原理 由第二章讨论可知，离子轰击热处理的电源应是输出电压连续可 调的，工作稳定的直流电源，它应满足伏安特性曲线和热处理工艺的 要求，提供变化范围甚宽的“着火”电压；应能深入异常辉光放电区 工作，提供足够的电流密度和阴极溅射；要可靠地掌握和控制住这种 异常辉光放电，特别是要防止和抑制场致弧光的产生。由于“辉光一 弧光”转变十分迅速( 微秒极) ，它应当在有可能发生转变时就切断 电源，避免弧光产生；如果转变已经形成，必须立即自动切断弧光， 限制电流增大，使工件和电源系统不受损伤，随后能自动重新起辉。 在离子轰击的初期阶段与随后的升温保温处理阶段对断弧措施的要 求是不同的。对前者我们要利用离子轰击及微弧来清洗工件表面和加 速表面吸附气体的释放；而在升温与保温处理阶段则必须严格控制异 常辉光放电，使之不转变成弧光或迅速断弧，并待产生弧光的因素消 除或减弱( 即让堆集的正离子消散或复合) 后再重新起辉。 因此，电源系统工作必须稳定可靠，而又节约能源，此外还能测 定和自动控制工件的温度，其电源系统方框图如下： 图3 1 电源系统方框图 北京交通大学工程硕士论文 第三章全自动离子辉光氮化炉的电气原理 附图二为电气原理图，在图中，x 4 l 、x 4 2 之间为引入的直流供 电调压电源，p u l 、p u 2 为电子开关，u l 、u 2 是霍尔元件为电流检 测元件，其分别为脉动时和滤波时的电流检测，4 0 2 为电压检测信号， 其检测信号输入到可编程序控制器的模拟量输入模块a d 0 0 l ，虚线部 分为附加电源。 3 1 直流调压系统 i 。d 一3 0 0 全自动离子辉光氮化炉的供电电源为5 0 0 a 8 0 0 v 的可控 硅直流电源，整流变压器为3 1 5 k 、，a ，3 8 0 v 6 6 0 v ，y 一1 组接线， 油浸式变压器。实际工作电压为6 0 0 v 7 0 0 v ；工作电流1 3 0 a 左右， 直流电源的给定控制由p l c 通过d a 转换模块发出，其幅度大小及 有无，均由p l c 检测，各项工作参数经运算后给出。 该直流调压系统采用的是三相桥式全控整流电路，由于共阴极组 在正半周导通，流经变压器二次绕组的是正向电流，而共阳极组在负 半周导通，流经变压器二次绕组的是反向电流，因此在周期中变压器 绕组中没有直流势，而且每相绕组在正负半周都有电流流过，提高了 变压器的导通时间。为了工作需要，在电源输出端还增加了平波电抗 器，灭弧电路，脉动滤波切换等电路。在辉光放电的初始阶段，利用 交流接触器可以切换脉动与滤波，在阴阳之间通入脉动直流电压，待 散弧过去辉光放电基本稳定了再接入电感电容滤波，此时由于电流加 大温度逐渐上升，可控硅导通角加大，脉动幅度大大减小，再加电感 电容滤波，加在阴阳极之间的电压基本上是一平直的直流电压。这对 于已经稳定的辉光放电，以及提高时间利用系数是很有好处的。通过 实际使用加入脉动控制是有良好效果的，它能有效控制住开始阶段的 散弧阶段的散弧不至扩大和形成连续弧光，从而缩短打散弧的时间， 使辉光能更快稳定。由于氮化炉工作在高温真空并充氮气的条件下， 北京交通大学工程硕士论文第三章全自动离子辉光氮化炉的电气原理 因此还有抽真空系统，氮气流量控制系统，温度控制测量等系统。各 系统的协调控制由p l c 完成。 由于氮化炉特殊的工作性质，对供电电源提出了特殊要求，开始 是高压高真空打弧，要求系统能迅速有效地灭弧，限制电流。同时， 又能及时恢复工作电压；升温过程需要有足够的功率输出，以保证迅 速升温；保温工作过程要有较平缓的输出特性，以减少温度的波动。 根据以上要求，该电源应该是软特性加电流截止特性，如图3 2 。 图3 2 软特性加电流截止特性 按上述特性设计电路系统如图3 3 。 a 、 图3 3 电路系统图 北京交通大学工程硕士论文第三章全自动离子辉光氢化炉的电气原理 系统第一级用来对d a 输出信号进行调理，其k 值在1 5 之间 调节，第二级对各信号进行综合调节，其k 值为2 ，根据实际工作需 要，实际整定值k l = 1 5 ，电流反馈系数为0 8 5 ，电流截止起始值为 2 0 0 a ，过流整定值为1 8 0 a 。 3 。2 快速灭弧电路 图3 - 4 、图3 5 分别为快速灭弧电路示意图及快速灭弧电路等效电 路图，快速灭弧电路是电子开关电路的简化，它适用于工作电流从几 十安培到二百安培左右的设备，其特点是取消了限流电阻，每一个弧 光都能可靠地在1 0 4 秒时间内切断，由于弧光存在时间短，工件承受 弧光能量小，不致造成损伤，与电子开关电路相比，其主电路与控制 电路都大为简化，操作简单，受到广泛应用。与真空容器并联的二极 管提供换流回路，图3 5 表示其简化的等效电路，用于说明稳定的辉 光放电骤变为弧光放电的情况。 一 j 一= c 1l i 一? 岩l l l1 n s j 1 w 、1 乙j 4 卜叫( 卜 一 图3 - 4 快速灭弧电路示意图 北京交通大学工程硕士论文第三章全自动离子辉光氮化炉的电气原理 可用下述方程组描述之 电枣硝蛔娄箍霪 臻上疆磕避l ；辖；i i ；r 錾j ! 饕t i 。i l ；* ，囊l g ! 。“乎汨盘阿占 嘲憎疆孺憾添灌融角铁二垡霸鞲耋! i 强； ；j l 。l i 。i 有妄蒂囊一i m 薹簿型季；薹匣罡 磕也 就篓一! 鬟 髫 鬟 堑麟囊蒸落篓羹羹裂 黝 它的特点：v s 是p d 乘积的函数，p d 北京交通大学工程硕士论文第三章全自动离子辉光氮化炉的电气原理 4 0 0 v 功率约为1 0 0 w 的小电源，这是因为在取消限流电阻后，整流器 的最高输出电压只能保证满足氮化时阴阳极之间所需辉光电压( 一般 不超过7 5 0 8 0 0 伏) 即可，因此主变压器二次侧线电压可取低一些， 它既有利于发挥变压器的容量，又能使整流桥可控硅导通角比较大， 提高功率因数，减少对电网的干扰。但保温后工作气压较高，此时辉 光一旦熄灭，重新起辉电压往往高达1 0 0 0 v 以上，串联的小辅助电源 就能保证重新自动点燃，它最大可供给2 0 0 毫安的电流，一旦重新点 燃，辉光电流超过2 0 0 毫安后，辅助电源就失去作用。此外根据离子 氮化时气体放电的伏安特性曲线，以及电子开关易于反向关断的特 点，加入这一小辅助电源，更能保证主电路电子开关的正常工作。 3 4 测温系统、流量及真空系统 由于离子氮化处理时工件温度与炉内空间温度不同，给测温带来 困难，目前，i d 一3 0 0 全自动辉光离子氮化炉的测温方法采用的是热 电偶测温，为了测温准确，热电偶应直接接触工件，这时应将热电偶 很好的屏蔽起来，使它不产生辉光，并加间隙保护以防止打弧。热电 偶接触工件后，它和阴极同电位，而整个线路的公共点选在阳极( 接 地) ，热电偶与控制线路之间的电压高达l 0 0 0 v 左右，因此，热电偶 不能直接接入欧姆龙温度单元模块，在测温时需要断开主电源，先接 入可编程控制器的输出单元，通过可编程控制器的p c 程序控制热电 偶与温度模块的接通。电路图如图3 7 ，用此方法测得温度误差值不 超过正负3 。 根据离子氮化的工艺要求，起辉前炉内真空度为l o p a 左右，目 的是尽量把炉内空气排除干净，起辉后，一面往炉内通入含氮氢的气 体如氨气，一面又往外排除废气，为此必须有抽真空和供气装置。抽 真空装置主要由真空获得设备、真空测量仪器、真空管道组成。供气 北京交通大学工程硕士论文第三章全自动离子辉光氮化炉的电气原理 图3 7 测温系统图 装置主要是气源、流量计和阀组成。id 一3 0 0 全自动辉光离子氮化炉 的真空及流量控制系统采用d j 一3 型真空计一台，d 0 8 2 z m 型流 量计一台，通过与可编程控制器的接口控制三台真空泵及流量控制 阀，达到真空度及气体流量的全自动控制。 北京变通大学工程硕士论文第四章p l c 敦硬件配置 1 控制系统设计 在自动控制处理中第一步是设计控制系统。只有全面了解了控制 系统后才能对p l c 编程和操作。设计控制系统首先是要对被控系统有 全面的了解。控制系统设计的第一步就是确定被控系统的要求。 2 输入输出要求 被控系统所需输入输出点数必须先确定下来，这可阻用确认每一 个向p l c 送输入信号的设备或接受p l c 输出信号的设备来做到。可 用的u o 点数取决于p l c 的设置。 3 顺序、时序及其关系 接着确定所要发生的控制操作的顺序及操作的相关时序。确认i ，o 设备间以及它们之间发生的各种响应的物理关系。 4 单元需求 根据的设备的需求，必须确定要安装或连接到p l c 机架的实际 单元。同时还要考虑硬件规格，如电压和电流等级以及考虑特殊功能 配备，如：是否需要特殊的哟单元或链接单元能极大地减轻编程负 担。 根据以上原则，再结合所需设计的被控对象“全自动辉光离 子氮化炉”的工艺要求，决定选用日本欧姆龙公司生产的p l c 可编程 序控制器。其主机的型号为c 2 0 0 h g - c p u 4 3 e ，主机板为 c 2 0 0 h w b c l 0 1 v l 。根据输入信号的点数包括电机热保护、真空计 触点、报警及自动、手动等共1 l 点确定选用c 2 0 0 h d 2 1 2 输入单元。 其输出控制、真空泵，真空洞等在测温时，防止烧毁温度模块需要断 开和接通热电偶，以及接通触发电子开关、整流柜、过压过流保护等。 选用了两块c 2 0 0 h o c 2 2 4 输出单元和一个c 2 0 0 h o c 2 2 5 输出单元。 在设计整个控制系统中需要对氮化炉的电气主回路进行电压电流检 测，这就需要模拟量输入单元。选用了c 2 0 0 h a d 0 0 1 模拟量输入单 北京交通大学工程硕士论文第四章p l c 软硬件配置 辉光离子氮化升温过程描述如下，首先在较高的真空度下，约 5 0 p a 左右加上电压使气体弧光放电，此时，放电电流小，频率高，使 工件表面的油污，氧化皮等产生弧光溅射，像放烟花似的，星星点点。 如果弧光电流过大，就使之熄灭。随着电压逐渐增加，同时逐渐加气， l 图4 2 气体放电的全程伏安特性曲线 弧光放电溅射过程又重新出现。随着工件表面油污等逐渐清洗干净， 弧光次数逐渐减少，电压电流逐渐增加，气体进入量逐步加大，真空 度逐渐降低，温度逐渐升高。 控制程序作如下处理，如图4 2 。 i t t ( 秒) t ( 秒) 北京交通大学工程硕士论文第四章p l c 软硬件配置 完成上述程序，存在着参数设置的问题。通过相关的数据区，调 整相应的各种参数，如：比例积分参数、温度补偿参数等等。使之适 应各种环境变化及满足工艺要求。 众所周知，任何一个氮化工艺过程都要一定的工艺时间，一般长 达几十小时。在此过程中存在不同的未知因素和故障处理，例如电网 掉闹，阴极绝缘问题、测温电偶问题等等。如果一个工艺过程中已进 行很长时间或接近结束时，出现上述问题，作为全自动离子氮化炉必 须有记忆功能以及人工干预紧急操作功能。 该系统设置了紧急操作画面，使上述情况发生后，可以知道工艺 进行到哪个阶段，故障和紧急情况恢复后，从哪个工艺阶段重新开始 以及进行人工干预，使整个工艺过程能够继续完成。 该系统还包括自动选择最高温度的控温电偶功能，以防止超过离 子氮化的最高工艺温度。 以上是该方案设计思路。通过调试达到了上述功能，实现了全自 动离子氮化的全部功能。 4 3 软件程序设计 4 3 1 清洗阶段 根据以上所述，辉光离子氮化可以分为三个阶段：清洗阶段、升 温阶段、保温阶段。下面我就着重对此三个阶段的工作原理、程序设 计做详细的分析和讨论。 在清洗阶段，三台真空泵依次启动，当真空度抽到1 0 帕时延时 停下两台泵。此时主电源接触器合上，脉动接触器合上。清洗打散弧 阶段，零件刚起辉后有一打弧阶段，是由辉光和弧光进一步清洁工件 表面。工件经清洗、烘烤、打弧可减至最少，但要求完全不打弧是比 北京交通大学工程硕士论文第四章p l c 软硬件配置 较困难的。根据要求清洗干净程度和零件装炉量的多少( 曲轴最多为 三根) 。打弧时间由几分钟到1 2 小时是正常的情况。当零件清洗不 合要求，打弧时间可增加数倍。 打弧阶段的气压、电压、电流等参数的正确调节很重要。调节的 恰当可减少打弧时间。调节的方法主要是选用适当的电流密度。电流 密度过大，打弧现象严重，甚至由于打弧使工件表面辉光熄灭。电流 密度过小，则辉光清洁工件表面的作用缓慢，延长打弧时间。气压和 电压的选择的原则是打弧阶段用较低气压和较高电压。因低气压高电 压加强阴极溅射，可缩短打弧时间。气压太高容易形成局部辉光。随 着炉内弧光次数的减少，电压电流逐渐上升。到一定阶段后，给入一 定的氨分解气，继续清洁打弧。当电流逐渐稳定，辉光逐渐覆盖整个 工件时，转入电子开关工作。其程序框图4 5 。 4 3 2 升温阶段 当打散弧阶段过后进入一段升温阶段。升温速度主要取决于零件 表面的电流密度、零件体积与产生辉光的表面积之比、以及零件的散 热条件等。影啊电流密度的参数主要是电压、气压和工件温度。当其 他条件不变时，电压升高电流密度加大；当电压温度不变时，气压加 大电流密度也增加。当气压太低时( 辉光很厚很散) ，电压加到最高 电流密度也不足以升温，这时，一定要加大气体流量或调节真空阀， 以减少抽气速率使气压加大( 辉光减薄) 电流密度就增加。电流密度 还与工件温度有关。当气压、电压都不变时，温度升高气体密度减小， 电流密度就减小。所以，在升温过程中保持电流密度不变，就需要随 着温度升高不断增加氨流量或减少抽气率或是加高电压。电流密度越 大，升温速度越快。但升温速度不宜过快，否则会使工件温度严重不 北京交通大学工程硕士论文第四章p l c 软硬件配置 温度高低。实际需要多大电流密度合适，需要有一个调整过程。当到 达保温温度后适当减小电流密度，当升温速度快时，电流密度减少较 多，如减到升温电流的1 2 2 3 ；当升温较慢时，电流密度可略微减少， 如减少到升温电流2 3 3 4 ，再观察工件温度情况。当工件仍继续升温， 说明保温电流太大，还得继续减小：当工件温度降到保温所需温度以 下，说明电流密度太小，可适当加大。调节电流密度的方法可通过调 节电压或气压。当工件温度调节到所需温度且已稳定时，若电压气压 没有波动温度一般不易变动，不需经常调整。正常保温阶段很少打弧， 各项参数也不需经常调整。 保温阶段辉光离子氮化工艺中可分为一段保温和二段保温两个 阶段。一段保温的目的就是要使炉内工件温度均匀，二段保温就是离 子氮化的温度。根据氮化层深度的要求，相对应的渗氮时间的长短来 决定保温时间。 由于本台离子氮化炉的二段保温控制过程要比一段保温的控制 过程要复杂。这里就着重对二段保温阶段的控制原理及控制过程进行 详述。 在保温阶段，需要对工件进行实际测温。按照工艺要求，要每隔 五分钟进行测量一次。根据所测温度的不同，对控制的给定电压的调 节也不同。