設備管理_脈沖電源等離子體滲氮設備的特點與應用

等離子體滲氮（輝光離子氮化）工藝作為一種有效的鋼鐵及合金表面強化技術在工業(yè)上已得到廣泛的應用，與其他滲氮相比，離子滲氮具有滲速快、滲層脆性疏松理想、零件變形小、有利于不銹鋼、鑄鐵滲氮、節(jié)能、無污染等特點。七十至八十年代，以直流電源（即LD系列）設備進行離子滲氮，問題明顯突出，裝爐要求嚴格。 以曲軸為例：曲軸滲氮前必須對其油孔、平衡孔進行封堵，其中若有一孔未堵或封堵件在滲氮過程中有一件掉落，滲氮將無法進行（尤其在滲氮保溫時），甚至會出現(xiàn)弧光損傷曲軸的現(xiàn)象。比表面較大的零件，表面滲氮電流密度往往不足以保證離子滲氮所必須的下限值，如有些小規(guī)格的氣門桿在滿裝爐滲氮時，氣門桿滲氮表面會出現(xiàn)點蝕，另外因為表面電流的原因，輔助加熱滲氮設備應用也受到限制，弧點能量過大 ,一些比較光亮的零件，在滲氮時表面往往會出現(xiàn)弧光斑點，直流電源滲氮電源限流電阻過大，尤其在大功率設備，電源發(fā)熱嚴重。對于深孔、深槽處理困難等等。這些問題直接影響了離子滲氮工藝在生產的應用。 八十年代末，國外開展了脈沖電源等離子體滲氮設備工藝的研究，對此國外金屬熱處理曾作了大量報道，引起了國內同行和專家的極大關注。九十年代初國內開始研制脈沖電源。以IGBT作為開關器件，最大輸出功率300kVA的大功率脈沖離子滲氮電源。經過幾年的推廣表明，脈沖電源為離子滲氮工藝的發(fā)展提供有力的支持。LDMC系列大功率脈沖電源等離子體滲氮設備廣泛應用于機械、石油化工、航空航天、軍工兵器、汽車發(fā)動機等行業(yè)。對擠壓機螺桿、精密絲杠和主軸、發(fā)動機曲軸、鈦和鈦合金零件、工模具、氣門桿和缸套、活塞環(huán)等的滲氮處理。從一九九五年投放市場以來已在廣西玉柴機器股份公司、東風汽車公司發(fā)動機廠、文登天潤曲軸有限公司、儀征雙環(huán)活塞環(huán)有限公司、東風朝陽柴油機公司、丹東五一八內燃機配件廠、本溪曲軸廠、大連海事大學等國內幾十家大、中型企業(yè)提供了近百臺大功率脈沖電源等離子體滲氮設備。深受用戶好評。1998年該設備由國家經濟貿易委員會認定為“國家級新產品”。一、脈沖電源等離子體滲氮設備的特點（LDMC系列）工藝參數(shù)獨立可調脈沖電源的優(yōu)點之一是工藝參數(shù)與物理參數(shù)獨立可調。在直流電源條件下，既要滿足零件表面的電流密度要求，又要滿足零件保溫電流的要求，兩者相互影響而無法達到理想的參數(shù)。在脈沖電源條件下，電流密度由峰值電流滿足，保溫電流由平均電流（峰值電流占空比）滿足，兩個獨立參數(shù)可分別加以調節(jié)，因此，工藝參數(shù)可在較大范圍內變動。打弧速度快脈沖電源的輸出特性，自身就有抑制弧迅速發(fā)展的特點，由于IGBT開關響應速度極快，一旦發(fā)現(xiàn)弧光放電，關斷并重新點燃電源在幾十微秒內就能完成。由于脈沖電源對弧光放電的抑制作用，因此對于很多零件無需因擔心弧光而堵孔，這樣給操作帶來了很大的便利。例如處理曲軸時的油孔、平衡孔，而當曲軸上存有一些為提高零件性能的工藝孔時，這種優(yōu)點就體現(xiàn)得更為突出。有利于深孔、深槽的滲氮進行離子滲氮時，零件的孔、槽常會出現(xiàn)空心陰極效應，脈沖電源可使載流子的聚集快速中斷，以抑制空心陰極效應，避免零件的局部高溫，這一點在實際應用中已得到證實。脈沖電源可在較高的氣壓下起輝，對小而深的孔、槽滲氮時，輝光不會因氣壓高而熄滅，從而保證孔槽的均勻滲氮。節(jié)能由于可控硅器件特性，在設計直流電源時，不得不設計一個限流電阻，以限制電流的迅速增長，這個電阻阻值最小也在2左右（因為限流電阻過小會造成LC滅弧電路無法振蕩以至弧光放電無法控制），在150A 滿載輸出的條件下，電能損耗能是可想而知的。而脈沖電源這個電阻阻值在0.1左右，提高了綜合效能，節(jié)電30。處理質量好，變形小，利于提高層深由于脈沖電源對弧光放電的抑制作用，弧光在零件表面作用時間極短，可獲得高質量的表面；由于脈沖電源提高了溫度均勻性，零件不易變形；由于可調參數(shù)的增加，在相同的時間內或者不利于滲氨的條件下，滲氮層質量深度均有提高。二、脈沖電源等離子體滲氮設備的應用介紹LDMC系列脈沖離子滲氮設備有：LDMC-30A；LDMC-50A；LDMC-75A；LDMC-100A；LDMC-100B；LDMC-150A；LDMC-150B；LDMC-200A；LDMC-300A。其中LDMC-150A（B）脈沖電源離子滲氮設備廣泛應用在柴油機曲軸上，（如：山東天潤曲軸有限公司6105（QT90-2）；東風朝陽柴油機公司的6105（42CrMo）；玉柴機器股份有限公司的6105（QT90-2）。設備有效尺寸16001100，功率150kVA，最高直流電壓1000V，峰值電流240A。東風朝陽柴油機公司目前的裝爐量為60支/爐；玉柴機器股份有限公司設備的裝爐量為45支/爐；山東天潤曲軸有限公司目前的裝爐量45支/爐。在使用中發(fā)現(xiàn)，曲軸裝爐密度有較大的提高，油孔、平衡孔均不需封堵；與直流電源等離子體滲氮設備相比，脈沖電源等離子體滲氮設備滲氮所需氨氣量大大下降，為直流電源等離子體滲氮設備的三分之一左右；自開爐至保溫結束，朝柴810小時，玉柴78小時；值得一提的，使用至今設備隔熱屏完好，這是直流電源設備無法比擬的。脈沖離子滲氮設備峰值電流對滲氮的作用，在東汽集團發(fā)動機廠體現(xiàn)得十分理想。為確保其300支凸輪軸滲氮所需的電流密度，設計LDMC-100A脈沖電源等離子體滲氮設備時，將峰值電流提高到了240A，滲氮效果良好。離子滲氮對模具的處理，有著較好的效果。由于模具對表面要求較高，直流電源設備處理時，表面往往容易出現(xiàn)弧斑，甚至有弧損現(xiàn)象；武漢牙刷模具廠采用脈沖電源設備后，表面質量顯著提高。脈沖電源對滲氮層的影響比較有說服力的是在處理4Cr14Ni14W2Mo機車氣門桿，在以往用直流電源設備處理時滲氮層深一般為0.030.04mm；脈沖電源設備為0.050.06mm,硬度也有提高。這里是烏魯木齊鐵路局配件廠的數(shù)據(jù)：LD-75直流電源離子滲氮設備（1985年設備）：裝爐量：80 支/爐，保溫電壓：650V，保溫電流：60A，保溫時間：8小時，氮化層深：0.030.04，表面硬度：HV0.2 600740，達不到設計要求。LDMC-100A脈沖電源離子滲氮設備（1998年設備）：裝爐量：271只/爐，保溫電壓：600V，保溫電流：峰值160A，平均60A，保溫時間：6小時，氮化層深：0.0540.06，表面硬度：HV0.2 7801091。達到設計要求。三、脈沖電源等離子體滲氮設備的應用前景因為輝光對零件直接加熱的特性，低溫的爐壁對分布爐內各部位滲氮輕、薄、小的零件溫度影響極大，可能會出現(xiàn)較大溫差。作為解決這個問題的辦法之一，增加輔助加熱裝置，以改變離子滲氮設備的冷爐壁現(xiàn)象，在直流電源設備就取得了良好的效果；溫度均勻性改善，打弧時間大為降低。但并非大部分直流電源設備都能加輔助加熱的，原因很簡單，輔助熱源的加入，相應滲氮功率輸入就隨之減少，直接導致與滲氮層質量極為相關的表面電流密度的下降，按以往的經驗表面電流密度應不小于0.5mA/Cm2；直流電源設備中輔助加熱應慎用。由于脈沖電源設備具有高峰值電流的特點，添加輔助加熱裝置，我們不必擔心表面電流密度了，因此，目前離子滲氮中輕、薄、小的零件少的現(xiàn)象會有所改變。目前國內外的離子滲氮設備，都是采用PID模擬測（控）溫。由于電場作用，零件比表面相差較大的零件及同一零件比表面相差較大的部位，如果升溫速度得不到很好的控制，其溫差會