新型LDMC离子渗氮设备简介.docx

等离子体渗氮（辉光离子氮化）工艺作为一种有效的钢铁及合金表面强化技术在工业上已得到广泛的应用，与其他渗氮相比，离子渗氮具有渗速快、渗层脆性疏松理想、零件变形小、有利于不锈钢、铸铁渗氮、节能、无污染等特点。
七十至八十年代，以直流电源（即LD系列）设备进行离子渗氮，问题明显突出，装炉要求严格。 以曲轴为例：曲轴渗氮前必须对其油孔、平衡孔进行封堵，其中若有一孔未堵或封堵件在渗氮过程中有一件掉落，渗氮将无法进行（尤其在渗氮保温时），甚至会出现弧光损伤曲轴的现象。比表面较大的零件，表面渗氮电流密度往往不足以保证离子渗氮所必须的下限值，如有些小规格的气门杆在满装炉渗氮时，气门杆渗氮表面会出现点蚀，另外因为表面电流的原因，辅助加热渗氮设备应用也受到限制，弧点能量过大 ,一些比较光亮的零件，在渗氮时表面往往会出现弧光斑点，直流电源渗氮电源限流电阻过大，尤其在大功率设备，电源发热严重。对于深孔、深槽处理困难等等。这些问题直接影响了离子渗氮工艺在生产的应用。
八十年代末，国外开展了脉冲电源等离子体渗氮设备工艺的研究，对此《国外金属热处理》曾作了大量报道，引起了国内同行和专家的极大关注。
九十年代初国内开始研制脉冲电源。
以IGBT作为开关器件，最大输出功率300kVA的大功率脉冲离子渗氮电源。经过几年的推广表明，脉冲电源为离子渗氮工艺的发展提供有力的支持。
LDMC系列大功率脉冲电源等离子体渗氮设备广泛应用于机械、石油化工、航空航天、军工兵器、汽车发动机等行业。对挤压机螺杆、精密丝杠和主轴、发动机曲轴、钛和钛合金零件、工模具、气门杆和缸套、活塞环等的渗氮处理。从一九九五年投放市场以来已在广西玉柴机器股份公司、东风汽车公司发动机厂、文登天润曲轴有限公司、仪征双环活塞环有限公司、东风朝阳柴油机公司、丹东五一八内燃机配件厂、本溪曲轴厂、大连海事大学等国内几十家大、中型企业提供了近百台大功率脉冲电源等离子体渗氮设备。深受用户好评。1998年该设备由国家经济贸易委员会认定为“国家级新产品”。
一、脉冲电源等离子体渗氮设备的特点（LDMC系列）
①工艺参数独立可调
脉冲电源的优点之一是工艺参数与物理参数独立可调。在直流电源条件下，既要满足零件表面的电流密度要求，又要满足零件保温电流的要求，两者相互影响而无法达到理想的参数。在脉冲电源条件下，电流密度由峰值电流满足，保温电流由平均电流（峰值电流×占空比）满足，两个独立参数可分别加以调节，因此，工艺参数可在较大范围内变动。
②打弧速度快
脉冲电源的输出特性，自身就有抑制弧迅速发展的特点，由于IGBT开关响应速度极快，一旦发现弧光放电，关断并重新点燃电源在几十微秒内就能完成。由于脉冲电源对弧光放电的抑制作用，因此对于很多零件无需因担心弧光而堵孔，这样给操作带来了很大的便利。例如处理曲轴时的油孔、平衡孔，而当曲轴上存有一些为提高零件性能的工艺孔时，这种优点就体现得更为突出。
③有利于深孔、深槽的渗氮
进行离子渗氮时，零件的孔、槽常会出现空心阴极效应，脉冲电源可使载流子的聚集快速中断，以抑制空心阴极效应，避免零件的局部高温，这一点在实际应用中已得到证实。脉冲电源可在较高的气压下起辉，对小而深的孔、槽渗氮时，辉光不会因气压高而熄灭，从而保证孔槽的均匀渗氮。
④节能
由于可控硅器件特性，在设计直流电源时，不得不设计一个限流电阻，以限制电流的迅速增长，这个电阻阻值最小也在2Ω左右（因为限流电阻过小会造成LC灭弧电路无法振荡以至弧光放电无法控制），在150A 满载输出的条件下，电能损耗能是可想而知的。而脉冲电源这个电阻阻值在0.1Ω左右，提高了综合效能，节电≥30％。
⑤处理质量好，变形小，利于提高层深
由于脉冲电源对弧光放电的抑制作用，弧光在零件表面作用时间极短，可获得高质量的表面；由于脉冲电源提高了温度均匀性，零件不易变形；由于可调参数的增加，在相同的时间内或者不利于渗氨的条件下，渗氮层质量深度均有提高。
二、脉冲电源等离子体渗氮设备的应用介绍
LDMC系列脉冲离子渗氮设备有：
LDMC-30A；LDMC-50A；LDMC-75A；LDMC-100A；LDMC-100B；LDMC-150A；LDMC-150B；LDMC-200A；LDMC-300A。
其中LDMC-150A（B脉冲电源离子渗氮设备广泛应用在柴油机曲轴上，（如：山东天润曲轴有限公司6105（QT90-2）；东风朝阳柴油机公司的6105（42CrMo）；玉柴机器股份有限公司的6105（QT90-2）。设备有效尺寸Φ1600×1100，功率150kVA，最高直流电压1000V，峰值电流240A。东风朝阳柴油机公司目前的装炉量为60支/炉；玉柴机器股份有限公司设备的装炉量为45支/炉；山东天润曲轴有限公司目前的装炉量45支/炉。在使用中发现，曲轴装炉密度有较大的提高，油孔、平衡孔均不需封堵；与直流电源等离子体渗氮设备相比，脉冲电源等离子体渗氮设备渗氮所需氨气量大大下降，为直流电源等离子体渗氮设备的三分之一左右；自开炉至保温结束，朝柴8~10小时，玉柴7~8小时；值得一提的，使用至今设备隔热屏完好，这是直流电源设备无法比拟的。
脉冲离子渗氮设备峰值电流对渗氮的作用，在东汽集团发动机厂体现得十分理想。为确保其300支凸轮轴渗氮所需的电流密度，设计LDMC-100A脉冲电源等离子体渗氮设备时，将峰值电流提高到了240A，渗氮效果良好。
离子渗氮对模具的处理，有着较好的效果。由于模具对表面要求较高，直流电源设备处理时，表面往往容易出现弧斑，甚至有弧损现象；武汉牙刷模具厂采用脉冲电源设备后，表面质量显著提高。
脉冲电源对渗氮层的影响比较有说服力的是在处理4Cr14Ni14W2Mo机车气门杆，在以往用直流电源设备处理时渗氮层深一般为0.03~0.04mm；脉冲电源设备为0.05~0.06mm,硬度也有提高。这里是乌鲁木齐铁路局配件厂的数据：
①LD-75直流电源离子渗氮设备（1985年设备）：装炉量：80 支/炉，保温电压：650V，保温电流：60A，保温时间：8小时，氮化层深：0.03~0.04，表面硬度：HV0.2 600~740，达不到设计要求。
②LDMC-100A脉冲电源离子渗氮设备（1998年设备）：装炉量：271只/炉，保温电压：600V，保温电流：峰值160A，平均60A，保温时间：6小时，氮化层深：0.054~0.06，表面硬度：HV0.2 780~1091。达到设计要求。
三、脉冲电源等离子体渗氮设备的应用前景
因为辉光对零件直接加热的特性，低温的炉壁对分布炉内各部位渗氮轻、薄、小的零件温度影响极大，可能会出现较大温差。作为解决这个问题的办法之一，增加辅助加热装置，以改变离子渗氮设备的冷炉壁现象，在直流电源设备就取得了良好的效果；温度均匀性改善，打弧时间大为降低。但并非大部分直流电源设备都能加辅助加热的，原因很简单，辅助热源的加入，相应渗氮功率输入就随之减少，直接导致与渗氮层质量极为相关的表面电流密度的下降，按以往的经验表面电流密度应不小于0.5mA/Cm2；直流电源设备中辅助加热应慎用。由于脉冲电源设备具有高峰值电流的特点，添加辅助加热装置，我们不必担心表面电流密度了，因此，目前离子渗氮中轻、薄、小的零件少的现象会有所改变。
目前国内外的离子渗氮设备，都是采用PID模拟测（控）温。由于电场作用，零件比表面相差较大的零件及同一零件比表面相差较大的部位，如果升温速度得不到很好的控制，其温差会很大。过去有关专家对离子渗氮设备的温控做了大量的工作，但由于电源可调仅仅是电压这一参数，即使在保温阶段，电压的变化也可能引起炉内零件打弧，使电源失控。脉冲电源设备在一定电压下，可以通过调节占空比（可调范围15%~85%）控制功率，因此，脉冲电源设备控温要可靠得多。至95年以后国内的离子渗氮设备有97%都采用了脉冲电源。