離子滲氮爐爐溫均勻度控制

唐富生

目前，爐溫均勻度是離子滲氮設備存在的一個重要問題,生產上應用的離子滲氮設備主要有鐘罩式、通用式和井式等三種類型,其中以鐘罩式居多數。滲氮時零件表面各處的溫度均勻一致是保證滲氮層質量和減小變形的重要因素。實際上離子滲氮零件各部位的溫度往往不均勻，嚴重時溫度高低能相差幾十甚至上百攝氏度，致使滲氮零件硬度有高有低，滲氮層深淺不一，變形超差，造成廢品或次品，這種溫度的不均勻在井式滲氮爐上反映更甚?，F針對我公司的幾臺離子滲氮爐談談筆者對爐溫均勻度控制方面粗淺的看法。

1.離子滲氮原理

離子滲氮法是將零件放在真空容器中，并充入133.3～1333Pa的低壓含氮氣體，以零件作為陰極，真空容器罩壁作為陽極。當在陰陽極之間加上數百伏直流電壓后，產生輝光放電，從而引發陰極濺射，來達到活性氮原子的不斷擴散，進而滲入零件表面形成滲氮層。

2.影響溫度不均勻的因素

（1）輝光電流密度對溫度的影響 零件在輝光放電時加熱的特點主要包含三種能量變換階段，即電能→離子、中性氣體原子的動能→加熱零件的熱能。因此，電流密度的大小是零件獲得熱量多少的主要標志，主要受以下幾個因素的影響。

其一，陰陽極距離。由于以爐子內壁作為共用陽極以及零件本身結構的影響，從零件表面各點到陽極的距離是不同的。當陰陽極間電壓一定時，陰陽極距離大者，陰極壓降較低，離子和中性氣體粒子的能量較小，零件的溫度偏低。

其二，氣體成分不均勻。輝光放電特性和氣體成分有關。直接用氨氣作為氣源時，由于氨氣在爐內流動過程中逐步電離分解，所以在爐內由上而下氣相的組成是逐漸變化的。在進氣口附近是以新鮮的氨氣為主，在抽氣口附近則以分解氣——氮和氫居多。當陰陽極電壓一定，氣相中含氨量多時，陰極電流密度較小，分解氣的電流密度較大。因此，靠近進氣口處零件的溫度最低，靠近抽氣口處零件的溫度最高。

其三，零件上的溝槽、小孔由于輝光重疊，電流密度增大，造成所謂的輝光集中，這些地方升溫很快，溫度將高于輝光正常的地方。

（2）零件的“形狀效應”對溫度的影響 在輝光均勻分布的零件上，不同零件或一個零件的不同部位的表面積與重量之比是不同的。表面積與重量之比大，意味著其得到的加熱能量多，這些地方升溫較快，最后穩定的平衡溫度也比表面積與重量之比小的零件高。

（3）零件的裝爐方式對溫度的影響 在離子滲氮爐中的零件是處在一個冷態環境中，熱工件向冷爐膛散熱。工件處于真空環境中，散熱以輻射為主，傳導次之，對流可忽略不計。

當零件堆放在陰極底盤上的鐘罩式離子滲氮爐時，由于上部散熱空間大，爐膛溫度低，因而上部滲氮零件溫度往往偏低。吊掛式裝夾零件的井式離子滲氮爐恰好相反，零件下部溫度往往偏低。

對于被其他滲氮件所包圍的零件，由于其他零件對它的熱輻射，所以實際的散熱損失大大減小，溫度偏高。若零件相互靠得太近，由于熱輻射的影響，使相鄰近部分的局部溫度偏高。

綜上所述，影響離子滲氮爐溫度均勻度的因素很多，相互作用，錯綜復雜。離子滲氮零件表面溫度的任何一種分布，都是在該特定條件下影響熱平衡的諸多因素綜合作用的結果。因此，離子滲氮時要做到溫度絕對均勻是不現實的，但是通過適當調整某些工藝參數和改進離子滲氮爐及工裝結構，從而改善溫度均勻度，使零件各處的溫差盡可能減小，滿足滲氮工藝的要求，這是可以做到的。

3.爐溫均勻度的控制

首先，是對裝爐方式提出嚴格要求。滲氮零件上對可能產生輝光集中而又無滲氮要求的溝槽小孔一律進行屏蔽。這點在《離子氮化作業指導書》里已明確規定，一般孔隙在3～8mm的溝槽小孔必須保護，避免由于輝光集中而造成的局部溫度過高。

對于工件一爐批量處理時，要使各零件和陽極之間有大致相等的距離，各件相互之間也應距離均勻?？偟脑瓌t是盡可能使各個零件的吸熱和散熱條件一致。根據這個準則，我廠在實際裝爐過程中，把零件順著陽極擺成一圈或錯落擺成幾圈，這樣雖然犧牲了爐膛中間寶貴的有效空間，但保證了爐溫的均勻，效果良好。

對于小批量工件需拼爐處理的，應盡量要求這些零件的表面積與重量之比接近。當然，在實際生產中為了保證生產效率，不可能刻意去追求這種完美，但對于套類零件和實心零件，若兩者同爐，由于零件的“形狀效應”，套類零件要比實心零件升溫快，同時套類零件的內壁散熱損失小，造成了其溫度比實心件高出很多，因此切忌套類零件和實心零件同爐處理。

對于較復雜零件，可能在一個個體上造成局部溫度不均的，可通過擺放位置的調整來降低甚至消除溫度缺陷。這里可以遵循一個原則，就是把零件可能溫度偏高的一端，如直徑較大的一端或帶有滲氮內孔的一端置于爐子散熱大的部位（罩式爐的上部，井式爐的下部），使相反的影響因素部分抵消，從而減小零件的溫差?；虬褜B氮無要求的一端置于這些部位，確保零件要求滲氮的部位能有較均勻的溫度。

其次，是控制升溫溫度。在升溫階段由于零件各處的表面積與重量之比不相同，因此升溫速度不同，若加熱速度過快，集中的熱量來不及傳導出去，將使截面薄的部位溫度過高。緩慢升溫對溫度均勻有利。

再次，設置輔助陽極和輔助陰極。輔助陽極在罩式爐中經常采用，一般在頂部設置一個上下位置可調節的平板作為輔助陽極，同時還具有隔熱屏的作用。

輔助陰極就是在零件溫度偏低的地方或附近設一個或數個鋼件，并與處理零件一同起輝。輔助陰極起一個熱屏障的作用，減少了零件局部的散熱損失。

我廠的井式離子滲氮爐在處理長軸類零件時，常常上下部位硬度及滲氮層深嚴重不均。這是由于在井式離子滲氮爐中，本來長軸工件上部的溫度就比下部高，同時由于吊具的不合理，組合鉤的使用更加大了工件上部的輝光面積，使溫度急劇升高，造成工件上下部溫度的嚴重不均。針對這種情況，我廠技術人員根據生產的需要及掛裝的合理性，重新設計了吊具，增大了爐膛的空間利用率，減少了組合鉤可能造成的輝光面積增大。同時，針對長軸下部溫度明顯偏低，設計了增輝板（即輔助陰極），效果恰恰同上述吊具相反，要求盡可能增大表面積。如今在處理長軸類零件時，工件上下部位的溫度均勻性得到了很大程度的改善。

最后，是對離子滲氮爐的改造。調整進氣口的方向，為避免氣流直接噴射零件，將進氣管口的方向稍作調整，使進氣管口朝上對著鐘罩頂部，這種改進效果明顯。設置隔熱屏和保溫層，隔熱屏和保溫層能提高離子滲氮爐內溫度，大大減小工件到爐壁的溫度梯度，不僅可以大幅度節省電能，而且也減小了零件各處散熱條件的差異，從而溫度均勻度得到改善。

4.結語

以上是筆者對離子滲氮爐爐溫均勻度控制的一點體會，通過對爐溫均勻性的控制，大大提高了離子滲氮零件的一次性合格率。