离子渗氮炉炉温均匀度控制

唐富生

目前，炉温均匀度是离子渗氮设备存在的一个重要问题,生产上应用的离子渗氮设备主要有钟罩式、通用式和井式等三种类型,其中以钟罩式居多数。渗氮时零件表面各处的温度均匀一致是保证渗氮层质量和减小变形的重要因素。实际上离子渗氮零件各部位的温度往往不均匀，严重时温度高低能相差几十甚至上百摄氏度，致使渗氮零件硬度有高有低，渗氮层深浅不一，变形超差，造成废品或次品，这种温度的不均匀在井式渗氮炉上反映更甚。现针对我公司的几台离子渗氮炉谈谈笔者对炉温均匀度控制方面粗浅的看法。

1.离子渗氮原理

离子渗氮法是将零件放在真空容器中，并充入133.3～1333Pa的低压含氮气体，以零件作为阴极，真空容器罩壁作为阳极。当在阴阳极之间加上数百伏直流电压后，产生辉光放电，从而引发阴极溅射，来达到活性氮原子的不断扩散，进而渗入零件表面形成渗氮层。

2.影响温度不均匀的因素

（1）辉光电流密度对温度的影响 零件在辉光放电时加热的特点主要包含三种能量变换阶段，即电能→离子、中性气体原子的动能→加热零件的热能。因此，电流密度的大小是零件获得热量多少的主要标志，主要受以下几个因素的影响。

其一，阴阳极距离。由于以炉子内壁作为共用阳极以及零件本身结构的影响，从零件表面各点到阳极的距离是不同的。当阴阳极间电压一定时，阴阳极距离大者，阴极压降较低，离子和中性气体粒子的能量较小，零件的温度偏低。

其二，气体成分不均匀。辉光放电特性和气体成分有关。直接用氨气作为气源时，由于氨气在炉内流动过程中逐步电离分解，所以在炉内由上而下气相的组成是逐渐变化的。在进气口附近是以新鲜的氨气为主，在抽气口附近则以分解气——氮和氢居多。当阴阳极电压一定，气相中含氨量多时，阴极电流密度较小，分解气的电流密度较大。因此，靠近进气口处零件的温度最低，靠近抽气口处零件的温度最高。

其三，零件上的沟槽、小孔由于辉光重叠，电流密度增大，造成所谓的辉光集中，这些地方升温很快，温度将高于辉光正常的地方。

（2）零件的“形状效应”对温度的影响 在辉光均匀分布的零件上，不同零件或一个零件的不同部位的表面积与重量之比是不同的。表面积与重量之比大，意味着其得到的加热能量多，这些地方升温较快，最后稳定的平衡温度也比表面积与重量之比小的零件高。

（3）零件的装炉方式对温度的影响 在离子渗氮炉中的零件是处在一个冷态环境中，热工件向冷炉膛散热。工件处于真空环境中，散热以辐射为主，传导次之，对流可忽略不计。

当零件堆放在阴极底盘上的钟罩式离子渗氮炉时，由于上部散热空间大，炉膛温度低，因而上部渗氮零件温度往往偏低。吊挂式装夹零件的井式离子渗氮炉恰好相反，零件下部温度往往偏低。

对于被其他渗氮件所包围的零件，由于其他零件对它的热辐射，所以实际的散热损失大大减小，温度偏高。若零件相互靠得太近，由于热辐射的影响，使相邻近部分的局部温度偏高。

综上所述，影响离子渗氮炉温度均匀度的因素很多，相互作用，错综复杂。离子渗氮零件表面温度的任何一种分布，都是在该特定条件下影响热平衡的诸多因素综合作用的结果。因此，离子渗氮时要做到温度绝对均匀是不现实的，但是通过适当调整某些工艺参数和改进离子渗氮炉及工装结构，从而改善温度均匀度，使零件各处的温差尽可能减小，满足渗氮工艺的要求，这是可以做到的。

3.炉温均匀度的控制

首先，是对装炉方式提出严格要求。渗氮零件上对可能产生辉光集中而又无渗氮要求的沟槽小孔一律进行屏蔽。这点在《离子氮化作业指导书》里已明确规定，一般孔隙在3～8mm的沟槽小孔必须保护，避免由于辉光集中而造成的局部温度过高。

对于工件一炉批量处理时，要使各零件和阳极之间有大致相等的距离，各件相互之间也应距离均匀。总的原则是尽可能使各个零件的吸热和散热条件一致。根据这个准则，我厂在实际装炉过程中，把零件顺着阳极摆成一圈或错落摆成几圈，这样虽然牺牲了炉膛中间宝贵的有效空间，但保证了炉温的均匀，效果良好。

对于小批量工件需拼炉处理的，应尽量要求这些零件的表面积与重量之比接近。当然，在实际生产中为了保证生产效率，不可能刻意去追求这种完美，但对于套类零件和实心零件，若两者同炉，由于零件的“形状效应”，套类零件要比实心零件升温快，同时套类零件的内壁散热损失小，造成了其温度比实心件高出很多，因此切忌套类零件和实心零件同炉处理。

对于较复杂零件，可能在一个个体上造成局部温度不均的，可通过摆放位置的调整来降低甚至消除温度缺陷。这里可以遵循一个原则，就是把零件可能温度偏高的一端，如直径较大的一端或带有渗氮内孔的一端置于炉子散热大的部位（罩式炉的上部，井式炉的下部），使相反的影响因素部分抵消，从而减小零件的温差。或把对渗氮无要求的一端置于这些部位，确保零件要求渗氮的部位能有较均匀的温度。

其次，是控制升温温度。在升温阶段由于零件各处的表面积与重量之比不相同，因此升温速度不同，若加热速度过快，集中的热量来不及传导出去，将使截面薄的部位温度过高。缓慢升温对温度均匀有利。

再次，设置辅助阳极和辅助阴极。辅助阳极在罩式炉中经常采用，一般在顶部设置一个上下位置可调节的平板作为辅助阳极，同时还具有隔热屏的作用。

辅助阴极就是在零件温度偏低的地方或附近设一个或数个钢件，并与处理零件一同起辉。辅助阴极起一个热屏障的作用，减少了零件局部的散热损失。

我厂的井式离子渗氮炉在处理长轴类零件时，常常上下部位硬度及渗氮层深严重不均。这是由于在井式离子渗氮炉中，本来长轴工件上部的温度就比下部高，同时由于吊具的不合理，组合钩的使用更加大了工件上部的辉光面积，使温度急剧升高，造成工件上下部温度的严重不均。针对这种情况，我厂技术人员根据生产的需要及挂装的合理性，重新设计了吊具，增大了炉膛的空间利用率，减少了组合钩可能造成的辉光面积增大。同时，针对长轴下部温度明显偏低，设计了增辉板（即辅助阴极），效果恰恰同上述吊具相反，要求尽可能增大表面积。如今在处理长轴类零件时，工件上下部位的温度均匀性得到了很大程度的改善。

最后，是对离子渗氮炉的改造。调整进气口的方向，为避免气流直接喷射零件，将进气管口的方向稍作调整，使进气管口朝上对着钟罩顶部，这种改进效果明显。设置隔热屏和保温层，隔热屏和保温层能提高离子渗氮炉内温度，大大减小工件到炉壁的温度梯度，不仅可以大幅度节省电能，而且也减小了零件各处散热条件的差异，从而温度均匀度得到改善。

4.结语

以上是笔者对离子渗氮炉炉温均匀度控制的一点体会，通过对炉温均匀性的控制，大大提高了离子渗氮零件的一次性合格率。