用計算機控制的等離子體源離子滲氮工藝及設備的製作方法

2023-11-04 09:53:52

專利名稱：用計算機控制的等離子體源離子滲氮工藝及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及到離子滲氮工藝，屬於材料表面改性技術領域。
滲氮工藝是材料表面強化的重要手段，目前，最先進的滲氮工藝是採用等離子體源離子滲氮工藝，這種工藝通常包括下面三個內容①將欲滲氮的工件置於真空室內，抽真空後充以低氣壓的氮氣，之後藉助某种放電機制，使產生氮等離子體；②啟動安置在工件旁的加熱器使之對工件加熱，調節加熱器功率以控制工件溫度；③對工件上加上直流或脈衝負偏壓，以吸引氮等離子體中的正離子對工件表面進行注滲。現有技術在實現這一工藝過程中，存在著兩個主要問題①採用旁熱式加熱器加熱工件，這不僅對形狀複雜的工件來說，加熱很難均勻，而且，加熱器的設置增加了系統的複雜性，並對等離子體空間形成一定的幹擾與汙染；②等離子體源離子滲氮工藝是一個多參數的控制過程，這些參數有等離子體密度、等離子體電子能量分布函數、工作氣體壓強、工件偏壓參數、氮離子流密度、滲氮溫度、滲氮時間與注滲氮總劑量等，對於這些參數的調節，現有技術是通過手工方法來完成的。這種人工調節方法，隨機性很大，隨時而變，因人而異，因此，很難保障工藝的重複性，並且需要操作人員全神貫注，隨時進行監控，增加了勞動強度。
本發明的目的和任務是要克服現有技術在滲氮過程中，①需要旁熱式加熱器和由此帶來的系統複雜性及對等離子體空間形成的幹擾、汙染；②對等離子體源離子滲氮工藝的多參數過程需要人工監控，不能實現自動控制的不足，並提出一種無需安置加熱器而採用自熱式加熱工件的方法，同時採用計算機自動監控工藝過程，使等離子體源離子滲氮成為一種完全自動化的工藝過程，特提出本發明的技術解決方法。
在滲氮過程中，工件需要加上一系列負偏壓脈衝，負脈衝吸引正的氮離子對工件表面進行注滲，同時由於負偏壓脈衝的作用，使離子獲得動能，轟擊工件表面，動能轉化為熱能，使工件溫度升高，如果離子轟擊時產生的熱量與熱輻射等原因損失的熱量相等，則工件可維持在某一溫度不變，顯然，單位時間內離子轟擊所帶給工件的熱能與脈衝頻率，脈衝幅值及佔空比有關。
為了進一步說清這種關係，以實現完全自動控制的目的，首先說明自加熱原理。「浸泡」在等離子體中待氮化處理的工件加上脈衝負偏壓時，其表面便形成一鞘層，根據分子運動學理論可知，單位時間內打在單位面積鞘層表面的離子數為14nivi]]>其中ni為離子密度，vi為離子熱運動平均速度，在負偏壓的情況下，這些正離子都可穿過鞘層而達到工件表面，所以，進入工件表面的離子電流密度ji為ji=14enivi=14eni(kTi/mi)12]]>其中e為單位電荷，kTi為離子溫度，mi為離子質量。
由於建立鞘層的時間一般小於1μs，比負脈衝寬度小很多，故可忽略鞘層形成過程中離子電流密度的變化，認為在負脈衝期間、離子電流密度均為ji。
設負脈衝頻率為f，脈寬為τ2，則平均離子電流密度ji為
設脈衝負偏壓幅值為V2，則離子轟擊工件表面產生的功率密度pi為pi=jiV2=14enif2V2(kTi/mi)12]]>設工件暴露在等離子體中的表面積為S，則離子轟擊產生的功率Pi為Pi=jiV2S=14enif2S(kTi/mi)12]]>顯然，對一個確定的工件，即S一定，在特定的等離子體參數條件下，即ni、kTi、mi一定，調節負脈衝的重複頻率f，脈寬τ2與幅值V2，即可控制注入工件的總功率。
當工件加正脈衝時，將引起電子轟擊工件，脈衝電子電流密度je可按下式計算je=14eneve]]>其中，ne為電子密度，ve為電子熱運動平均速度，類似於負脈衝的情況，可以推導得出平均電子電流密度je、電子加熱功率密度pe與電子加熱總功率Pe的公式je=14enefl(kTe)12]]>pe=14eneflVl(kTe)12]]>pe=14eneflVlS(kTe)12]]>式中τ1為正脈衝寬度，V1為正脈衝幅值，kTe為電子溫度由於 ve＞＞vi故je＞＞ji即正脈衝具有比負脈衝大得多的加熱功率，一般約大兩個量級，這對大工件的升溫階段特別有意義。
由此可知，氮化在實際操作的升溫階段、保溫階段和降溫階段中，通過調節離子轟擊功率與電子轟擊功率使其分別滿足①升溫階段
②保溫階段離子轟擊功率＝熱輻射等造成的功率損失③降溫階段
不難看出，如果離子轟擊功率＜熱輻射等造成的功率損失，那麼，系統就處在降溫階段。
顯然，
即為停止離子轟擊的自然冷卻速率。
因此，整個氮化過程，可以通過調節正負脈衝的重複頻率、脈寬與幅值來控制工件的溫度。這就是用計算機控制氮化工藝的基本原理。
對於尺寸較小的工件，氮化的三個階段，均可通過對負偏壓脈衝參數的調節來實現控溫；但是，對於大工件，由於其熱容量較大，在升溫階段，只靠離子轟擊，有時達不到所需的升溫速率，故還採用電子轟擊來提高工件升溫速率。這就是要通過採用正負偏壓脈衝對來實現的。
本發明的基本構思是去掉旁熱式加熱器，採用離子/電子轟擊工件的自熱式加熱工件，採用正負偏壓脈衝對，通過調節其重複頻率及各自的佔空比與幅值以控制溫度沿設定的滲氮溫度曲線變化，用計算機循回檢測工件溫度，並在計算機內將檢測值與設定值進行比較，使檢測值趨於設定值或在設定值附近擺動，控溫軟體採用多參數比例積分微分PID控制技術，工件單位表面積所獲得的總的注滲氮劑量，是通過計算機以一定的頻率讀取工件總電流、負偏壓脈衝寬度以及在每個寬度下的負脈衝計數並按給定方程式計算。為安全起見，系統中還設置了弧流甄別系統和反饋控制電路。
本發明所提出的用計算機控制的等離子體源離子滲氮工藝及設備，其工藝包括設定的升溫，保溫與降溫過程和離子注滲過程，其特徵在於採用自熱式加熱工件，即利用離子/電子轟擊工件的能量加熱工件；工件升溫，保溫和降溫過程的溫度控制，是通過調節工件負偏壓的頻率、幅值與佔空比來調節工件的溫度，對於大工件為達到所要求的升溫速率，還採用電子轟擊，這時，應通過採用正負偏壓脈衝對來實現，正負脈衝對有相同的重複頻率，其出現的時間完全錯開並有一定的時間間隔，而其幅值與佔空比可以分別獨立調節，調節時，正負脈衝對重複頻率T應滿足以下關係T=1f=1+2++t1+t2]]>其中τ1為正脈衝寬度，τ2為負脈衝寬度，τ為τ1、τ2可佔用時間，Δt1為正脈衝與負脈衝的間隔，Δt2為負脈衝與正脈衝之間的最小間隔，通過調節正負脈衝對的重複頻率及各自的佔空比與幅值，可以使工件的溫度在一定的誤差範圍內，沿設定的滲氮溫度曲線變化，一般情況下，在保溫、降溫階段正脈衝的幅值均取為零；工件單位表面積所獲得總的注滲氮劑量D，是計算機以一定的頻率讀取工件總電流、負偏壓脈衝寬度以及在每個寬度下的負脈衝計數，並按下式計算D=(1+)e(1+)(iIijJ(i)ijnij)+T0]]>其中，η為氮等離子體中氮分子離子所佔比例，e為電子電荷；γ為靶材，即工件的二次電子發射係數，Ii為工件總電流的第i個值，τij為在同一個Ii情況下第j個負偏壓脈衝寬度值，nij為在負偏壓脈寬值τij下負偏壓脈衝的計數，α為考慮工件無偏壓時對注滲氮有一定貢獻的比例常數，T0為工件無偏壓的總時間，通常可按下式計算T0=knk(k+t1+t2)]]>其中，τk為τ的第k個值，nk為τ取τk的個數；在滲氮工藝過程中工件溫度的循回檢測，正負脈衝參數的控制，注滲氮劑量的計算，均由計算機完成，控溫軟體採用多參數比例積分微分PID控制技術，通過計算機內檢測值與滲氮溫度曲線或設定值的比較，進而調整偏壓脈衝頻率，佔空比與幅值使檢測值趨於設定值，或在設定值附近擺動；本發明工藝步驟是第一步工件準備將欲滲氮的工件進行清理，一般是浸泡在清洗液中用超聲波清洗，然後涼幹；第二步裝爐、抽真空、充氮氣將涼幹的工件，放置在主真空室內的工件平臺上，關閉真空室，抽真空至1×10-2Pa～1×10-4Pa，一般為2×10-3Pa，然後，通過質量流量計向真空室內注入氮氣，使真真室內的氣壓達到1Pa～1×10-2Pa，一般為8×10-2Pa；第三步激勵產生等離子體接通電源，利用直流輝光放電，或射頻輝光放電，或微波ECR放電在工件周圍激勵產生等離子體；第四步啟動自動滲氮控制程序開啟正負脈衝電源與計算機控制系統電源，啟動自動滲氮控制程序，選擇或設定滲氮溫度曲線，於是，計算機便按多參數比例積分微分PID控制原理，調整正負脈衝的參數，使實際滲氮溫度沿滲氮溫度曲線變化，直至過程序結束，如遇異常，系統自動報警，並提示排除故障；第五步停機、取樣、質量和性能檢測過程結束後，自動停機，此時即可取樣，並檢測，一般進行常規的金相和性能方面的檢測。
本發明工藝方法其進一步的特徵在於，其正負脈衝對是在計算機控制下，由監控電路產生，脈衝對的重複頻率為f，其範圍為1kHz～20kHz，正脈衝寬度為τ1，其範圍為
-Δt2，一般為50μs～1ms，幅值V1，其範圍為500V～3000V，在保溫階段與降溫階段τ1＝0，即無正脈衝。負脈衝鍍為τ2，其範圍為
，一般為50μs～1ms，幅度為V2，其範圍為-500V～3000V，而Δt1＝Δt2＝1μs為宜。
一般說來，頻率的選用與待氮化工件的形狀有關，對帶有稜稜角角的工件，為避免起弧要選用較高的頻率；能量的沉積主要取決於脈衝幅值與佔空比，因此在升溫階段，V1、V2、τ1、τ2均取較大值或最大值，在保溫階段與降溫階段，τ1＝0，即無正脈衝，V2、τ2取較小值或最小值。
為了實現本發明所提出用計算機控制的等離子體源離子滲氮工藝及設備的技術方案，其所採用的設備包括主真空室[21]、工件平臺[22]、抽真空系統[26]、供氣系統[27]、供電系統[28]與微波源系統[29]，其特徵在於主真空室[21]是由園柱形殼體所構成，在其殼體的外側設置有許多小永久磁鐵塊[20]，這些磁鐵塊的極性按一定規律交替變化排列，構成多極會切場結構，對等離子體起磁約束作用，為了提高真空室內等離子體密度，並改善其均勻性，在主真空室[21]殼體兩側，設有兩個電子迴旋共振ECR反應室[18]，它們與主真空室聯通，在ECR反應室的周圍，設有ECR磁場線圈[19]，在主真空室下部設有真空泵接口[24]，主真空室側面設有密封門[23]，可取放工件等，自動滲氮監控電路[25]通過計算機接口電路[13]與微機[14]相接，微波[15]通過起密封作用的石英窗[17]而引入ECR反應室[18]。
本發明設備的進一步特徵在於通過調節電磁線圈[19]電流，使在ECR反應室出口附近可產生與微波頻率相對應的共振磁場強度，若微波頻率為2.45GHz，則產生電子迴旋共振所需的磁強強度為875高斯，永久磁塊的表面磁場強度為1500～2500高斯，一般為2000高斯左右，透過無磁不鏽鋼室壁後，在室壁內側表面衰減為100～700高斯，一般為400高斯左右。
對應不同的微波頻率需要不同的共振磁場強度，若微波頻率固定，則共振磁場強度也固定。同樣，永久磁鐵塊的表面磁場強度也是固定的，因此，透過確定的無磁不鏽鋼室壁後，在室壁內側也將衰減為一確定的磁場強度。當頻率為2.45GHz的微波[15]，通過石英窗[17]引入ECR反應室[18]後，即可在875高斯處通過電子迴旋共振激勵產生出來高密度的氮等離子體，由於擴散作用氮等離子體便可充滿整個主真空室，此時，將監控電路[25]產生的正/負脈衝偏壓加於工件[1]上，即可開始氮化處理，在氮化過程中，計算機軟體自動調整正負脈衝對的頻率f及各自的幅值V1、V2與脈寬τ1、τ2，使工件的溫度在一定的誤差範圍內沿設定的氮化溫度曲線變化，從而，完全自動地完成滲氮過程。
本發明所提出用計算機控制的等離子體源離子滲氮工藝及設備的技術方案主要優點是①由於設備去掉了加熱器，採用了自加熱模式，因此，不僅簡化了設備，而且，改善了工件周圍的等離子體狀態，使加熱均勻，效果更好；②在計算機控制的滲氮工藝中，電腦程式按照設定的溫度曲線進行多參數比例積分微分PID控制，反饋響應快，控制精度高，是一種自動化的可重複工藝，特別適於工業上的推廣應用；③由於計算機可詳細記錄工件的實際溫度，工件總電流，正負脈衝對的頻率、幅值與佔空比的變化歷史，因此，計算機可給出工件的總的注滲劑量及工件總電流的變化曲線，這為評價滲氮效果提供可靠的數據；④計算機控制的滲氮工藝，不打火、不起弧、不引起工件退火，是一種安全的工藝操作方法；⑤由於去掉了加熱器，可節省電能消耗約40％。
下面是對附圖的說明

圖1是本發明加於工件的正負脈衝對結構示意圖在計算機控制下由監控電路所產生的正負脈衝對，具有相同的重複頻率，正負脈衝在時間上是完全錯開的，相互之間並有一定的時間間隔，正脈衝的寬度為τ1，幅度為V1，在保溫與降溫階段取τ1＝0，即無正脈衝。負脈衝的寬度為τ2，幅度為V2，τ為τ1、τ2的調節餘量，即τ1、τ2可佔用時間，調節時，正負脈衝對的重複頻率T應滿足T=1f=1+2++t1+t2]]>圖2是本發明用於自動滲氮監控電路[25]的結構示意圖。虛線框以內部分即為監控電路[25]該電路的作用一方面是隨時監測工件的溫度及其他運行參數，另一方面是接收計算機的控制信號，通過正負脈衝對的頻率、脈寬與脈衝幅值的調節，實現對工件溫度等的控制。
緊貼在欲氮化的工件[1]上的熱電偶，將溫度信號送至隔離放大器[2]，隔離放大器的作用是將工件上的偏置電壓隔離開，使之不能傳至計算機接口[13]電路，而只能將溫度信號傳到計算機接口[13]，計算機對負脈衝的控制是通過計算機接口[13]送出三路數模轉換D/A信號以分別控制負脈衝的頻率f、脈寬τ2與脈衝幅值a2，[4]為電壓頻率轉換VFC電路，[5]為延時電路，使負脈衝在正脈衝結束後經過時間Δt1的延遲之後才產生，以保障系統穩定的工作，[6]為電壓脈寬轉換電路、[7]為驅動電路，它將頻率與脈寬均經過調整了的脈衝信號進行功率放大，以便驅動脈衝調製器IGBT[8]，[9]為數控直流電源，它的輸出幅值受計算機的D/A信號a2所控制，數控直流電源[9]的直流輸出經IGBT[8]調製後，輸出大功率的脈衝信號至脈衝變壓器[3]的一組輸入線圈，並在輸出線圈內感應產生出負脈衝加在工件[1]上。正脈衝的產生與負脈衝完全類似，其極性的不同是通過脈衝變壓器[3]初次級線圈的不同耦合相位而實現的。電流傳感器[12]，可測得工件離子電流I2和電子電流I1經計算機接口[13]送入計算機，電流傳感器[12]的輸出同時也送到比較器[11]，工件電流若大於某一臨界值，比較器[11]便有信號輸出至反饋控制電路[10]，實現對數控直流電源[9]的保護性控制。電壓脈寬轉換電路[6]，輸出的脈衝除送驅動電路[7]之外，也送到計算機接口[13]進行脈衝計數，即n1、n2，如此實現監控作用。
圖3是本發明所設計的用計算機控制的等離子體源離子滲氮設備結構示意圖用不鏽鋼製作的園柱狀主真空室[21]的外側放置有很多小塊永久磁鐵[20]，其極性按一定規律交替變化地排列，構成多極會切場結構，對室內等離子體起到約束作用，連接在抽氣口[24]的機械泵與分子泵系統同主真空室連通，在ECR反應室[18]的端部設有氮氣入口[16]，在充氣氣路中配置有氣體質量流量計，用以調節進氣速率，在主真空室[21]的兩側，設有兩個帶石英窗[17]的電子迴旋共振ECR反應室[18]，與主真空室[21]連通，電子迴旋共振ECR反應器[18]的外側設置有ECR磁場線圈[19]，通過調節線圈電流，可在ECR反應室[18]出口處產生875高斯磁場。頻率為2.45GHz的微波[15]，通過起密封作用的石英窗[17]，引入ECR反應室後，即可在875高斯處，通過電子迴旋共振激發出來高密度的氮等離子體，由於擴散作用等離子體便可充滿整個主真空室，此時，將監控電路[25]產生的正/負脈衝偏壓加於工件[1]上。便可開始氮化處理，工件[1]是放在工件平臺[22]上，工件平臺[22]通過監控電路[25]及計算機接口電路[13]與計算機[14]相接，計算機軟體自動調整正負脈衝對的頻率，及各自的幅值和脈寬，使工件的溫度在一定誤差範圍內沿設定的氮化溫度曲線變化，從而完全自動地完成滲氮過程。符號[23]是主真空室密封門。虛線框以內是主真空室系統[30]。圖中符號[15]所標明的箭頭方向是微波進入方向；符號[16]所標明的箭頭方向是氮氣入口方向；符號[24]所標明的箭頭方向是抽氣方向。
圖4是本發明所設計的用計算機控制的等離子體源離子滲氮設備系統示意圖，主真空室系統[30]配有供電系統[28]，供氣系統[27]，抽真空系統[26]和微波源系統[29]，計算機機[14]通過計算機接口電路[13]與監控電路[25]相連，從而對滲氮過程進行自動監控。
圖5是本發明工藝的計算機自動控制程序流程圖，圖中箭頭是流程的進展方向。自動氮化程序啟動之後，首先設定升溫速率a，保持溫度TH，氮化所需劑量D0，降溫速率b與結束溫度T；因此氮化溫度曲線Tc(t)可表示為
這裡T0表示室溫。無疑，也可設定其他形成的氮化曲線。接著氮化開始，激勵產生氮等離子體，時間清零；在升溫階段，循環檢測工件實際溫度Tm(t)，並將它與Tc(t)比較，根據二者的差值，進行多參數PID調節，即調節正負脈衝對的頻率及各自的寬度與幅度，使差值減小，直到Tm(t)≥TH，即達到Tc(t)在保溫階段的取值，此時轉入保溫階段；在保溫階段，依舊循環檢測工件的實際溫度Tm(t)，並將它與Tc(t)比較，根據二者的差值進行多參數PID調節，使差值減小；對負脈衝期間的工件總電流進行跟蹤記錄，對每一種工件總電流下的負脈衝寬度，以及每一種負脈衝寬度下的脈衝計數進行記錄，同時也對τ值進行跟蹤記錄，計算機根據這些數值利用前述公式計算工件所接收的氮化劑量D(t)，直至D(t)≥D0，即達到預期的氮化劑量，此時轉入降溫階段，時間重新置零；在降溫階段，依舊循環檢測工件的實際溫度Tm(t)，並將它與Tc(t)比較，根據二者的差值進行多參數PID調節，使差值減小，直至Tm(t)≤T，氮化結束。
下面結合具體實施例進一步說明本發明的細節。
一根用於活塞環清洗機上的Cr18Ni9Ti不鏽鋼轉軸，尺寸為35×280毫米，要求表面耐磨，並具有抗腐蝕性，採用本發明技術進行氮化處理，步驟如下第一步工件清洗工件放入超聲波清洗機內，加入清洗液，開啟超聲波，清洗15分鐘，取出後，用丙酮棉擦洗，再用無水酒精棉擦淨，最後在空氣中涼幹。
第二步裝入工件、抽真空將工件裝入本發明用計算機控制的等離子體源離子滲氮設備的主真空室內工件平臺上，關閉真空室門，相繼開啟機械泵與分子泵，使真空室本底真空達2×10-3Pa。
第三步 微波ECR激勵氮等離子體通過質量流量計向真空室內充入氮氣，使其氣壓達到8×10-2Pa；此時開啟磁場線圈的電源，調節線圈電流，使ECR反應室出口處產生875高斯的磁場；接著開啟頻率為2.45GHz的微波源，調節其功率輸出至630瓦，此時，從ECR反應室與主真空室發出的淺紫色輝光可知氮等離子體已充滿主真空室。用Langmuir探針測得等離子體密度為2.3×1010/釐米3，電子溫度為6.2eV。
第四步啟動自動滲氮程序開啟監控電路電源與正負直流電源，啟動自動滲氮程序後，屏幕即顯示參數設定界面。在此設定升溫速率a＝1℃/秒，降溫速率b＝0.2℃/秒，保溫階段溫度TH＝400℃，氮化劑量D0＝4×1021/cm2，結束溫度T＝60℃，用滑鼠點擊「確認」後，程序即進入升溫階段，約經6分鐘轉入保溫階段，保溫階段持續4小時後自動轉入降溫階段，降溫階段持續約半小時，氮化結束，自動停機。
第五步質量檢查金相檢查表面生成了厚約6μm的氮化層。
顯微硬度檢查，表面硬度在25g載荷下為724HV。
小角X射線衍射分析觀察到了來自氮化層過飽和氮奧氏體相的5個γN峰。
電化學腐蝕試驗表明，經約4個小時的氮化處理，表面抗腐蝕性能未變。
權利要求
1.用計算機控制的等離子體源離子滲氮工藝及設備，其工藝包括升溫、保溫與降溫過程和離子注滲過程，其特徵在於a)採用自加熱式加熱工件，即利用離子/電子轟擊工件的能量加熱工件，b)工件升溫，保溫和降溫過程中的溫度控制，是通過調節工件負偏壓的頻率、幅值與佔空比來調節工件的溫度，對於大工件，為達到所要求的升溫速率，還採用電子轟擊，這時，應通過採用正負偏壓脈衝對來實現，正負脈衝對有相同的重複頻率f，其出現的時間完全錯開，並有一定的時間間隔，而其幅值與佔空比可以分別獨立調節，調節時，正負脈衝對的周期T應滿足T=1f=1+2++t1+t2]]>通過調節正負脈衝對的重複頻率及各自的佔空比與幅值可以使工件的溫度在一定的誤差範圍內，沿特定的滲氮溫度曲線變化，一般情況下，保溫、降溫階段正脈衝的寬度均取為零，c)工件單位表面積所獲得總的注滲氮劑量D，是計算機以一定的頻率讀取工件總電流、負偏壓脈衝寬度以及在每個寬度下的負脈衝計數，並按下式計算D=(1+)e(1+)(iIijJ(i)ijnij)+T]]>d)在滲氮工藝過程中，各種參數的控制均由計算機完成，其程序是按照設定的滲氮溫度曲線進行多參數比例積分微分PID自動控制，通過計算機內檢測值與滲氮溫度曲線或設定值的比較，進而調整偏壓脈衝頻率，佔空比與幅值，使實際滲氮溫度沿滲氮溫度曲線或設定值變化，e)本發明方法的工藝步驟是第一步工件準備將工件表面清洗，最好浸泡在清洗液中用超聲波清洗，然後涼幹，第二步裝爐、抽真空、充氮氣將涼幹的工件，放在主真空室內的工件平臺上，關閉真空室門，抽真空至1×10-2Pa～1×10-4Pa後，再充氮氣使氣壓達1Pa～1×10-2Pa，第三步激勵產生等離子體利用直流輝光放電，或射頻輝光放電，或微波ECR放電在工件周圍激勵產生等離子體，第四步啟動自動滲氮控制程序開啟正負脈衝電源和計算機控制系統電源，啟動自動滲氮控制程序，選擇或設定滲氮溫度曲線，於是計算機便按多參數比例積分微分PID控制原理，調整控制正負脈衝參數，使實際滲氮溫度按設定的滲氮溫度曲線變化，直至過程結束，如遇異常，系統自動報警，並提示排除故障，第五步停機、工件出爐檢測過程結束後，自動停機，此時即可取樣並檢測，一般進行常規金相和性能檢測。
2.根據權利要求1所述的用計算機控制的等離子體源離子滲氮工藝及設備，其特徵在於正負脈衝對是在計算機控制下，由監控電路產生，脈衝對的重複頻率為f，其範圍為1KHz～20KHz，正脈衝寬度為τ1，範圍為
，一般為50μs～1ms，幅值V1，範圍為500V～3000V，在保溫與降溫階段τ1＝0，負脈衝的寬度為τ2，範圍為
，一般為50μs～1ms，幅值為V2，其範圍為-500V～-3000V，而Δt1＝Δt2＝1μs為宜。
3.用計算機控制的等離子體源離子滲氮工藝及設備，其設備包括主真空室[21]、工件平臺[22]、抽真空系統[26]、供氣系統[27]、供電系統[28]與微波源系統[29]，其特徵在於主真空室[21]是由圓柱形殼體所構成的，在其殼體的外側設置有許多小永久磁鐵塊[20]，這些小磁鐵塊的極性按一定規律交替變化排列，構成多極會切場結構，在主真空室[21]殼體兩側，設有兩個電子迴旋共振ECR反應室[18]，它們與主真空室[21]聯通，在ECR反應室[18]的周圍，設有ECR磁場線圈[19]，在主真空室下部設有真空泵接口[24]，主真空室側面設置有密封門[23]，自動滲氮監控電路[25]，通過計算機接口[13]與微機[14]相接，微波[15]通過石英窗[17]而引入ECR反應室[18]。
4.根據權利要求3所述的用計算機控制的等離子體源離子滲氮工藝及設備，其特徵在於，通過調節磁場線圈[19]電流，使在ECR反應室出口附近可產生與微波頻率相對應的共振磁場強度，若採用頻率為2.45GHz的微波源，則產生電子迴旋共振所需的磁場強度為875高斯，永久磁鐵[20]表面磁場為1500～2500高斯，一般為2000高斯左右，通過無磁不鏽鋼室壁，在室壁內側表面衰減至100～700高斯，一般為400高斯左右。
全文摘要
材料表面改性領域中,用計算機控制的等離子體源離子滲氮工藝及設備,包括升溫、保溫、降溫及離子注滲工藝過程和供電系統、供氣系統、抽真空系統與主真空室所構成的設備,特徵是採用自加熱式加熱工件,通過計算機自動控制正負脈衝對的重複頻率、各自的佔空比與幅值來實現對工件溫度的控制,使之按設定的滲氮溫度曲線變化,優點:簡化設備,降低能耗40%,過程完全自動化,工藝穩定,不打火,不起弧,不引起工件退火,安全可靠,重複性好。
文檔編號C23C8/36GK1262341SQ99101568
公開日2000年8月9日 申請日期1999年1月23日 優先權日1999年1月23日
發明者鄧新綠, 馬騰才, 王德真, 王延平, 楊福寶, 陸文琪, 張家良, 閻海洋 申請人:大連理工大學