離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器及其觀測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及觀測器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種帶觀察窗的鐘罩式離子滲氮爐爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，包括觀測板和底座，觀測板一側(cè)具有第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一和第十二臺階面，每個臺階面中心均具有一個與該臺階面相垂直的中心通孔，觀測板另一側(cè)為平面，底座底面為正方形，其長度與觀測板寬度相同，并通過焊接或螺紋連接或一體制成與觀測板相連。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，能夠用于大多數(shù)離子滲氮工業(yè)應(yīng)用中，應(yīng)用廣泛，該測試方法簡單容易操作，能夠有效降低操作者主觀影響因素，并且能夠真實的反應(yīng)出離子滲氮零件所在的區(qū)域和氣體壓力和輝光放電狀態(tài)。
【專利說明】
離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器及其觀測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及觀測器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種帶觀察窗的鐘罩式離子滲氮爐爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器。
【背景技術(shù)】
[0002]離子滲氮是在133_1133Pa的低壓含氮氣氛中，以零件作為陰極，真空爐鐘罩壁作為陽極，在陰陽極間加上數(shù)百伏特的直流電壓，使兩級間稀薄的氣體被電離，產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象，從而在工件表面滲入一層氮化物，形成富氮的硬化層。該法具有滲氮速度快、組織易控制、氮化層脆性小、變形小、易保護、節(jié)約能源以及污染少等優(yōu)點。在對工件進行離子滲氮時，爐內(nèi)工件所在部位所產(chǎn)生的輝光放電狀態(tài)綜合了電流、電壓、爐內(nèi)壓力和溫度等因素，對其進行測量和控制，是保證工件離子滲氮質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。
[0003]輝光放電的發(fā)光分布從陰極到陽極的分布是不均勻的，如圖4所示，從陰極到陽極分為阿斯頓暗區(qū)、陰極輝區(qū)、陰極暗區(qū)、負輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽極暗區(qū)、陽極輝區(qū)等幾個區(qū)域，各區(qū)域的輝光亮度和電壓位降都不一樣。阿斯頓暗區(qū)、陰極輝區(qū)和陰極暗區(qū)這三個區(qū)域稱為陰極位降區(qū)，這個區(qū)域為輝光放電的特征區(qū)域，所有輝光放電的基本過程都在這里完成的，陰極位降區(qū)的厚度稱為dk，dk的厚度即可代表輝光厚度，調(diào)整dk的目的即是使輝光完全覆蓋工件需硬化表面，如齒輪齒根等小間隙表面。輝光放電過程中壓降的絕大部分在陰極位降區(qū)，當其它條件(如電流、電壓)不變時，僅僅改變爐內(nèi)壓力P，則陰極位降UK的數(shù)值不變。陰極位降區(qū)dk與爐內(nèi)氣壓P呈反比(PXdk=常數(shù))，根據(jù)該特性，在離子滲氮過程中，操作者可以通過爐壁觀察窗觀測dk來推算爐內(nèi)的壓力以及滲氮工藝參數(shù)的合理性。
[0004]通常條件下，操作者是在工件表面直接目測dk的厚度，這僅是一個估計值，且各人不一，存在著很大的主觀性，在輝光較散漫時，甚至經(jīng)驗豐富的操作者也無法準確獲得did?度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有的目測dk的厚度不夠準確的不足，本發(fā)明提供了一種離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種帶觀察窗的鐘罩式離子滲氮爐爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，包括觀測板和底座，觀測板一側(cè)具有第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一和第十二臺階面，每個臺階面中心均具有一個與該臺階面相垂直的中心通孔，觀測板另一側(cè)為平面。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括觀測板寬度為70mm。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第一臺階面寬度為20mm，中心通孔直徑為14mm，深度為24.3mm。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第二臺階面寬度為20mm，中心通孔直徑為13mm，深度為22.5mm。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第三臺階面寬度為18mm，中心通孔直徑為12mm，深度為20.8mm。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第四臺階面寬度為18mm，中心通孔直徑為11mm，深度為19.1mm。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第五臺階面寬度為16mm，中心通孔直徑為10mm，深度為17.3mm。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第六臺階面寬度為16mm，中心通孔直徑為9mm，深度為15.6mm。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第七臺階面寬度為14mm，中心通孔直徑為8mm，深度為13.9mm。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第八臺階面寬度為14mm，中心通孔直徑為7mm，深度為12.1mm。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第九臺階面寬度為12mm，中心通孔直徑為6mm，深度為10.4mm。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第十臺階面寬度為12mm，中心通孔直徑為5mm，深度為8.7mm。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第十一臺階面寬度為10mm，中心通孔直徑為4mm，深度為6.9mm。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括第十二臺階面寬度為10mm，中心通孔直徑為3mm，深度為5.2mm。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括底座底面為正方形，其長度與觀測板寬度相同，并通過焊接或螺紋連接或一體制成與觀測板相連。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，進一步包括離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器的觀察方法為，包括以下步驟:
a.清洗:清洗并烘干滲氮工件，然后均勻放置在離子滲氮爐底盤上；
b.裝爐:將該觀測器與工件一同放置在底盤上，觀測器與工件相對距離應(yīng)多50mm，觀測器臺階面正對爐壁觀察窗；
c.啟輝:罩上爐蓋，關(guān)閉進氣閥，啟動真空栗，當爐內(nèi)真空度達到50-70Pa時，接通高壓，調(diào)節(jié)電位器至規(guī)定電壓時，啟輝打??；
d.滲氮作業(yè):打弧結(jié)束后，爐內(nèi)通入氨氣并升溫，到溫后調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，控制氨氣流量，此時觀察觀測器，目測陰極位降區(qū)厚度dk，如第七臺階面Φ8中心孔剛亮，S卩dk=4mm，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)至規(guī)定dk厚度，以保證輝光能完全覆蓋所需滲氮表面；
e.推算爐內(nèi)氣壓P:由P X dk=常數(shù)C，使用氨氣裂解滲氮時C=1333，如dk=4mm，則P=333.25Pa。
[0022]本發(fā)明的有益效果是，本裝置結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，能夠用于大多數(shù)離子滲氮工業(yè)應(yīng)用中，應(yīng)用廣泛，該測試方法簡單容易操作，能夠有效降低操作者主觀影響因素，并且能夠真實的反應(yīng)出離子滲氮零件所在的區(qū)域和氣體壓力和輝光放電狀態(tài)。
【附圖說明】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0024]圖1是本發(fā)明的立體圖；
圖2是本發(fā)明的主視圖；
圖3是本發(fā)明的剖視圖；
圖4是輝光放電的發(fā)光分布示意圖；
圖5是氣體放電伏安特性曲線圖；
圖6是通孔輝光參數(shù)示意圖；
圖7是小孔中的光亮強度分布示意圖。
[0025]圖中1.觀測板，2.底座，3.第一臺階面，4.第二臺階面，5.第三臺階面，6.第四臺階面，7.第五臺階面，8.第六臺階面，9.第七臺階面，10.第八臺階面，11.第九臺階面，12.第十臺階面，13.第十一臺階面，14.第十二臺階面。
【具體實施方式】
[0026]如圖1-3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，一種離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，包括觀測板I和底座2，其特征是，所述觀測板I 一側(cè)具有第一 3、第二 4、第三5、第四6、第五7、第六
8、第七9、第八10、第九11、第十12、第十一 13和第十二臺階面14，所述每個臺階面中心均具有一個與該臺階面相垂直的中心通孔，所述觀測板I另一側(cè)為平面，觀測板I寬度為70_，第一臺階面3寬度為20mm，中心通孔直徑為14mm，深度為24.3mm，第二臺階面4寬度為20mm，中心通孔直徑為13mm，深度為22.5mm，第三臺階面5寬度為18mm，中心通孔直徑為12mm，深度為20.8mm，第四臺階面6寬度為18mm，中心通孔直徑為11mm，深度為19.1mm，第五臺階面7寬度為16mm，中心通孔直徑為10mm，深度為17.3mm，第六臺階面8寬度為16mm，中心通孔直徑為9mm，深度為15.6mm，第七臺階面9寬度為14mm，中心通孔直徑為8mm，深度為13.9mm，第八臺階面10寬度為14_，中心通孔直徑為7mm，深度為12.1_，第九臺階面11寬度為12mm，中心通孔直徑為6mm，深度為10.4mm，第十臺階面12寬度為12mm，中心通孔直徑為5mm，深度為8.7mm，第^ 臺階面13寬度為10_，中心通孔直徑為4mm，深度為6.9mm，第十二臺階面14寬度為10mm，中心通孔直徑為3mm，深度為5.2mm，該觀測器的觀察方法包括如下步驟:
a.清洗:清洗并烘干滲氮工件，然后均勻放置在離子滲氮爐底盤上；
b.裝爐:將該觀測器與工件一同放置在底盤上，觀測器與工件相對距離應(yīng)多50mm，觀測器臺階面正對爐壁觀察窗；
c.啟輝:罩上爐蓋，關(guān)閉進氣閥，啟動真空栗，當爐內(nèi)真空度達到50-70Pa時，接通高壓，調(diào)節(jié)電位器至規(guī)定電壓時，啟輝打??；
d.滲氮作業(yè):打弧結(jié)束后，爐內(nèi)通入氨氣并升溫，到溫后調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，控制氨氣流量，此時觀察觀測器，目測陰極位降區(qū)厚度dk，如第七臺階面Φ8中心孔剛亮，S卩dk=4mm，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)至規(guī)定dk厚度，以保證輝光能完全覆蓋所需滲氮表面；
e.推算爐內(nèi)氣壓P:由P X dk=常數(shù)C，使用氨氣裂解滲氮時C=1333，如dk=4mm，則P=333.25Pa。
[0027]圖4為從陰極到陽極的輝光放電發(fā)光分布示意圖，阿斯頓暗區(qū)、陰極輝區(qū)和陰極暗區(qū)這三個區(qū)域稱為陰極位降區(qū)，陰極位降區(qū)的厚度稱為dk，由于所有的輝光放電均是在陰極為位降區(qū)完成，因此，離子滲氮過程中進行工藝參數(shù)調(diào)節(jié)的目的即在于控制dk厚度，并由dk厚度反推工藝參數(shù)的合理性。
[0028]離子滲氮時，輝光放電基本特征符合氣體放電伏安特性曲線，如圖5。在具有稀薄氣體的爐體內(nèi)兩極間電源電壓逐漸增加的過程中，因為電壓較低，陰陽極間不可能發(fā)生電子與氣體間的碰撞作用，因而沒有明顯的電流通過陰陽極。當陰陽電極間施加電源電壓到c點時，陰陽極間電流突然增大，陰極表面開始產(chǎn)生輝光，在此階段若繼續(xù)增加外加電壓，陰陽極間電壓會立即下降。隨著電流的增加，陰極表面產(chǎn)生的輝光面積增大，但此時陰陽極間電壓保持不變，至d點，陰極表面完全被輝光覆蓋。此后，電流增大，陰陽極間電壓隨之增加。超過e點，電流急劇增大，陰陽極間電壓突降，輝光熄滅，陰極表面出現(xiàn)弧光放電。c點對應(yīng)的電壓成為輝光點燃電壓。從c點至d點，成為正常輝光區(qū)，從d點至e點，成為異常輝光區(qū)。離子滲氮是在異常輝光區(qū)，在此區(qū)輝光均勻覆蓋工件表面，而且可以通過改變爐內(nèi)氣壓、陰陽極間電壓和陰極表面電流密度，實現(xiàn)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)。
[0029]在板形鋼材上打出不同直徑D的孔來表征壓力和輝光放電狀況，每一個孔都應(yīng)符合相似放電的條件，但是直徑D的孔是有厚度的，在不同的每一個通孔中能夠均勻起輝時，同時不形成“輝光重疊”，也不形成中間沒有“輝光帶”的狀況。在通孔條件下的輝光有關(guān)參數(shù)如圖6，如需在孔中起輝，dk的最大值只能是孔的半徑。如要求孔的深度中間O處能夠起輝，應(yīng)該在O處的正離子數(shù)也要達到I的數(shù)值，O處的正離子來源由通孔二端斜射得到，所以當在O處的正離子數(shù)達到二端來源之和時，即可著火起輝，SP:
21，=1----------------------------------------------------------------(I)
正離子數(shù)I由A點(B點)射向O點，其值與它的入射角有關(guān)，達到O點的正離子數(shù)為:
I '=IcosA-------------------------------------------------------------(2)
即A=60°，因D=2dk，3=2b，tgA=b/dk，代入公式得tg60° =3/D，故3=D X tg60°，δ=1.7321D。
[0030]根據(jù)上述關(guān)系式制造的孔徑和孔深，每個不同尺寸的小孔都是相似放電，在爐內(nèi)其他條件都一樣的情況下，可以用小孔中的著火起輝與熄滅的分界限，來表征爐內(nèi)離子滲氮處理的壓力。
[0031]輝光放電dk與陰極上小孔直徑D在不同情況下的光亮強度分布特征如圖7所示，當陰極位降區(qū)厚度2dk大于孔徑D時，孔中沒有起輝，無光亮；當2dk等于或剛大于D時，在陰極孔中著火起輝，顯示全孔明亮;在2dk接近D，剛要等于D時，由于壓力的波動，明亮的孔中有閃耀;隨著dk壓縮，明亮部分則向圓周擴大，因中心光度最強交界的分離而出現(xiàn)黑點；dk越來越小于D時，中心黑區(qū)會隨之增大。
[0032]觀察亮孔時，由于光亮的耀眼，很難分辨亮孔中的狀態(tài)，而2dk大于D時無光，2dk等于D時起輝明亮，二者區(qū)分明顯。所以只要把剛剛著火起輝穩(wěn)定點亮與無光亮的兩孔來作為分界，觀測器是以開始穩(wěn)定明亮的那個孔，來代表當時的壓力和輝光放電狀況。
[0033]觀測器使用前應(yīng)清洗干凈，與被處理零件一起，放置或吊掛在陰極盤(或工件)上。第一次使用，應(yīng)先散弧清理，不用時在真空爐內(nèi)存放。
[0034]經(jīng)上述方法觀測離子滲氮過程中dk厚度，可以有效降低人為因素影響，測量結(jié)果準確可靠，并可由dk推算爐內(nèi)實際壓力，為實際工藝的制定提供參考。
[0035]以上說明對本發(fā)明而言只是說明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在不脫離所附權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可做出許多修改、變化或等效，但都將落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，包括觀測板(I)和底座(2)，其特征是，所述觀測板(I) 一側(cè)具有第一 (3)、第二 (4)、第三(5)、第四(6)、第五(7)、第六(8)、第七(9)、第八(10)、第九(11)、第十(12)、第十一(13)和第十二臺階面(14)，所述每個臺階面中心均具有一個與該臺階面相垂直的中心通孔，所述觀測板(I)另一側(cè)為平面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，其特征是，所述觀測板(1)寬度為70mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，其特征是，所述第一臺階面(3)寬度為20mm，中心通孔直徑為14mm，深度為24.3mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，其特征是，所述第二臺階面(4)寬度為20mm，中心通孔直徑為13mm，深度為22.5mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，其特征是，所述第三臺階面(5)寬度為18mm，中心通孔直徑為12mm，深度為20.8mm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，其特征是，所述第四臺階面(6)寬度為18mm，中心通孔直徑為11mm，深度為19.1mm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，其特征是，所述第五臺階面(7)寬度為16mm，中心通孔直徑為10_，深度為17.3_。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，其特征是，所述第六臺階面(8)寬度為16mm，中心通孔直徑為9mm，深度為15.6mm; 所述第七臺階面(9 )寬度為14mm，中心通孔直徑為8mm，深度為13.9mm ； 所述第八臺階面(10)寬度為14mm，中心通孔直徑為7mm，深度為12.1mm; 所述第九臺階面(11)寬度為12mm，中心通孔直徑為6mm，深度為10.4mm ； 所述第十臺階面(12)寬度為12mm，中心通孔直徑為5mm，深度為8.7mm; 所述第^ 臺階面(13)寬度為10mm，中心通孔直徑為4mm，深度為6.9mm; 所述第十二臺階面(14)寬度為10mm，中心通孔直徑為3mm，深度為5.2mm09.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器，其特征是，所述底座(2)底面為正方形，其長度與觀測板(I)寬度相同，并通過焊接或螺紋連接或一體制成與觀測板(I)相連。10.—種根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子滲氮爐內(nèi)壓力和輝光放電觀測器的觀察方法為，包括以下步驟: a.清洗:清洗并烘干滲氮工件，然后均勻放置在離子滲氮爐底盤上； b.裝爐:將該觀測器與工件一同放置在底盤上，觀測器與工件相對距離應(yīng)多50mm，觀測器臺階面正對爐壁觀察窗； c.啟輝:罩上爐蓋，關(guān)閉進氣閥，啟動真空栗，當爐內(nèi)真空度達到50-70Pa時，接通高壓，調(diào)節(jié)電位器至規(guī)定電壓時，啟輝打??； d.滲氮作業(yè):打弧結(jié)束后，爐內(nèi)通入氨氣并升溫，到溫后調(diào)節(jié)設(shè)備參數(shù)，控制氨氣流量，此時觀察觀測器，目測陰極位降區(qū)厚度dk，如第七臺階面Φ8中心孔剛亮，S卩dk=4mm，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)至規(guī)定dk厚度，以保證輝光能完全覆蓋所需滲氮表面； e.推算爐內(nèi)氣壓P:由？父(11^=常數(shù)(:，使用氨氣裂解滲氮時0=1333，如(^=4111111，則？=.333.25Pa。
【文檔編號】C23C8/36GK106086775SQ201610631708
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月4日 公開號201610631708.6, CN 106086775 A, CN 106086775A, CN 201610631708, CN-A-106086775, CN106086775 A, CN106086775A, CN201610631708, CN201610631708.6
【發(fā)明人】陳林芳, 劉修艷, 陸匯慧, 王海英, 安雪琴
【申請人】中車戚墅堰機車有限公司