奧氏體不銹鋼低溫離子硬化處理設備研究現狀

  離子化學熱處理經過幾十年的不斷發(fā)展，在熱處理行業(yè)中得到了廣泛的應用，已成為行業(yè)中不可或缺的一個組成部分，隨著離子滲氮工藝實現工業(yè)化，離子滲氮設備的發(fā)展也主導著離子熱處理設備的發(fā)展。德國學者B.Berghous于20世紀30年代首次發(fā)現了在輝光作用下進行材料表面硬化處理的優(yōu)越性，并以此方法進行了滲氮處理，獲得了離子滲氮發(fā)明專利。該技術隨后應用于軍事領域，50年代后，原西德科學家對該技術進行進一步的研究，于1967年Klockner Ionon公司將該技術實現了工業(yè)化。奧地利RUBIG公司生產出一種新型的離子滲氮設備，該設備帶有熱輔助或對流加熱裝置。由于在爐體內部增加了加熱組件，在提高工件加熱的均勻性和加熱速度的同時，還可實現真空加熱和回火等操作。但是該設備結構復雜、制造費用高、維修困難，不能對體積較大的工件進行處理。我國在60年代末期開始了離子滲氮的研究，涉及離子滲氮基礎理論、工藝流程、處理設備等多個領域。1980年，我國已有滲氮爐400余臺，位列世界第一。目前我國在離子化學處理領域，已位于世界領先水平。

 離子熱處理設備由爐體（真空反應室）、電源（離子發(fā)生器）、供氣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、測溫裝置及其他組件共同組成，其中電源和真空反應室是最為重要的部分。

 一、真空爐體

 離子化學熱處理設備的真空爐體有兩大類：一是水冷雙層爐壁，分為鐘罩式、井式和立式等規(guī)格，內置1~2層用低碳鋼、不銹鋼或鋁合金制造的隔熱層，功率在10~500kW，有效加工范圍直徑300~1700mm，高400~4000mm。這種結構簡單、造價便宜、組合方便，但耗能大、溫度均勻性不易控制，工件處理后的冷卻速度無法控制，這種爐體主要適用于離子滲氮處理，通過添加隔熱層和采用電阻加熱對爐體晶型改造，也可用于離子滲碳；另一種爐體是帶油淬裝置的雙室離子滲碳爐，這種爐型的爐溫均勻性好、工藝調節(jié)范圍寬、操作容易，但是結構復雜、造價較高、較少用于離子滲氮處理。

 隨著真空設備制造技術的的發(fā)展，真空熱處理設備制造廠家又開發(fā)了帶有對流系統(tǒng)的熱壁真空爐體和帶高壓氣淬裝置的離子滲碳爐。前者在原始的冷爐壁上使用硅酸鋁纖維保溫層或炭氈進行保溫、利用熱輻射加熱及循環(huán)風扇提高加熱區(qū)的溫度均勻性，大大提高了工藝調節(jié)范圍，降低了功耗，可以較好地控制工件的升溫及冷卻速度，適合對離子氮碳共滲熱處理后進行快冷操作；后者大部分為單室結構，滲碳結束后利用高壓氣體進行淬火，避免了油淬對爐膛的污染，形變量小、工件光潔，簡化了設備結構和操作過程。

二、離子化學熱處理電源

 目前，應用較多的仍是直流電源，電壓在0~100V之間連續(xù)可調，滅弧系統(tǒng)采用限流電阻加LV振蕩，也可采用電子開關，但因直流電源的固有性質，存在著一些不足：滅弧較慢，容易燒蝕工件；存在空心陰極效應，容易造成狹縫和小孔過熱；無功損耗較大；工藝操作不易調節(jié)。鑒于此，我國科研人員從80年代末開始了對脈沖電源的研究工作。脈沖電源的使用，成為近幾十年離子化學熱處理發(fā)展的最大亮點。

 我國早起開發(fā)用于等離子表面處理的脈沖電源采用可關晶閘管，頻率為1kHz，滅弧時間小于60μs；90年代以后開發(fā)的脈沖電源大部分使用了絕緣柵晶體管，性能得到進一步提高。現在，脈沖電源最大峰值電流可達300A，電壓為0~1500V，脈沖頻率在10~20kHz，導通比在0.15~0.8區(qū)間內連續(xù)可調，滅弧時間＜10μs。脈沖電源為離子化學熱處理行業(yè)注入了新的活力。此外，人們在直流電源離子化學處理和脈沖電源離子化學熱處理的前提下進行了進一步的探索與研究，極大地豐富了離子化學熱處理的技術手段。