唐富生

目前，爐溫均勻度是離子滲氮設(shè)備存在的一個(gè)重要問(wèn)題,生產(chǎn)上應(yīng)用的離子滲氮設(shè)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(shù)。滲氮時(shí)零件表面各處的溫度均勻一致是保證滲氮層質(zhì)量和減小變形的重要因素。實(shí)際上離子滲氮零件各部位的溫度往往不均勻，嚴(yán)重時(shí)溫度高低能相差幾十甚至上百攝氏度，致使?jié)B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(xiàn)針對(duì)我公司的幾臺(tái)離子滲氮爐談?wù)劰P者對(duì)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?dú)怏w，以零件作為陰極，真空容器罩壁作為陽(yáng)極。當(dāng)在陰陽(yáng)極之間加上數(shù)百伏直流電壓后，產(chǎn)生輝光放電，從而引發(fā)陰極濺射，來(lái)達(dá)到活性氮原子的不斷擴(kuò)散，進(jìn)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(duì)溫度的影響 零件在輝光放電時(shí)加熱的特點(diǎn)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(dòng)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(biāo)志，主要受以下幾個(gè)因素的影響。

其一，陰陽(yáng)極距離。由于以爐子內(nèi)壁作為共用陽(yáng)極以及零件本身結(jié)構(gòu)的影響，從零件表面各點(diǎn)到陽(yáng)極的距離是不同的。當(dāng)陰陽(yáng)極間電壓一定時(shí)，陰陽(yáng)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(guān)。直接用氨氣作為氣源時(shí)，由于氨氣在爐內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中逐步電離分解，所以在爐內(nèi)由上而下氣相的組成是逐漸變化的。在進(jìn)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(dāng)陰陽(yáng)極電壓一定，氣相中含氨量多時(shí)，陰極電流密度較小，分解氣的電流密度較大。因此，靠近進(jìn)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(yīng)”對(duì)溫度的影響 在輝光均勻分布的零件上，不同零件或一個(gè)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(wěn)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(duì)溫度的影響 在離子滲氮爐中的零件是處在一個(gè)冷態(tài)環(huán)境中，熱工件向冷爐膛散熱。工件處于真空環(huán)境中，散熱以輻射為主，傳導(dǎo)次之，對(duì)流可忽略不計(jì)。

當(dāng)零件堆放在陰極底盤上的鐘罩式離子滲氮爐時(shí)，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(duì)于被其他滲氮件所包圍的零件，由于其他零件對(duì)它的熱輻射，所以實(shí)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(cuò)綜復(fù)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(jié)果。因此，離子滲氮時(shí)要做到溫度絕對(duì)均勻是不現(xiàn)實(shí)的，但是通過(guò)適當(dāng)調(diào)整某些工藝參數(shù)和改進(jìn)離子滲氮爐及工裝結(jié)構(gòu)，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(duì)裝爐方式提出嚴(yán)格要求。滲氮零件上對(duì)可能產(chǎn)生輝光集中而又無(wú)滲氮要求的溝槽小孔一律進(jìn)行屏蔽。這點(diǎn)在《離子氮化作業(yè)指導(dǎo)書》里已明確規(guī)定，一般孔隙在3～8mm的溝槽小孔必須保護(hù)，避免由于輝光集中而造成的局部溫度過(guò)高。

對(duì)于工件一爐批量處理時(shí)，要使各零件和陽(yáng)極之間有大致相等的距離，各件相互之間也應(yīng)距離均勻?？偟脑瓌t是盡可能使各個(gè)零件的吸熱和散熱條件一致。根據(jù)這個(gè)準(zhǔn)則，我廠在實(shí)際裝爐過(guò)程中，把零件順著陽(yáng)極擺成一圈或錯(cuò)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(duì)于小批量工件需拼爐處理的，應(yīng)盡量要求這些零件的表面積與重量之比接近。當(dāng)然，在實(shí)際生產(chǎn)中為了保證生產(chǎn)效率，不可能刻意去追求這種完美，但對(duì)于套類零件和實(shí)心零件，若兩者同爐，由于零件的“形狀效應(yīng)”，套類零件要比實(shí)心零件升溫快，同時(shí)套類零件的內(nèi)壁散熱損失小，造成了其溫度比實(shí)心件高出很多，因此切忌套類零件和實(shí)心零件同爐處理。

對(duì)于較復(fù)雜零件，可能在一個(gè)個(gè)體上造成局部溫度不均的，可通過(guò)擺放位置的調(diào)整來(lái)降低甚至消除溫度缺陷。這里可以遵循一個(gè)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(nèi)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?duì)滲氮無(wú)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(guò)快，集中的熱量來(lái)不及傳導(dǎo)出去，將使截面薄的部位溫度過(guò)高。緩慢升溫對(duì)溫度均勻有利。

再次，設(shè)置輔助陽(yáng)極和輔助陰極。輔助陽(yáng)極在罩式爐中經(jīng)常采用，一般在頂部設(shè)置一個(gè)上下位置可調(diào)節(jié)的平板作為輔助陽(yáng)極，同時(shí)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(shè)一個(gè)或數(shù)個(gè)鋼件，并與處理零件一同起輝。輔助陰極起一個(gè)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(zhǎng)軸類零件時(shí)，常常上下部位硬度及滲氮層深嚴(yán)重不均。這是由于在井式離子滲氮爐中，本來(lái)長(zhǎng)軸工件上部的溫度就比下部高，同時(shí)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(yán)重不均。針對(duì)這種情況，我廠技術(shù)人員根據(jù)生產(chǎn)的需要及掛裝的合理性，重新設(shè)計(jì)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(shí)，針對(duì)長(zhǎng)軸下部溫度明顯偏低，設(shè)計(jì)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(zhǎng)軸類零件時(shí)，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(duì)離子滲氮爐的改造。調(diào)整進(jìn)氣口的方向，為避免氣流直接噴射零件，將進(jìn)氣管口的方向稍作調(diào)整，使進(jìn)氣管口朝上對(duì)著鐘罩頂部，這種改進(jìn)效果明顯。設(shè)置隔熱屏和保溫層，隔熱屏和保溫層能提高離子滲氮爐內(nèi)溫度，大大減小工件到爐壁的溫度梯度，不僅可以大幅度節(jié)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(jié)語(yǔ)

以上是筆者對(duì)離子滲氮爐爐溫均勻度控制的一點(diǎn)體會(huì)，通過(guò)對(duì)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。