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等离子体表面处理用脉冲电源及其在离子渗氮设备上的应用 |
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作者：袁辉 王可 |
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〈一〉等离子体表面处理用脉冲电源（以下简称脉冲电源）简介：
一、脉冲电源原理：
脉冲电源是对直流电进行斩波，其核心部分为斩波器。我所研制的脉冲电源斩波器为新型高速电力电子器件IGBT及di/dt限制电感L和保护电路组成。
（电压、电流波形）
该电源可于现有可控硅整流电源配接，也可用幅值不变的直流电源进行斩波，用于离子渗氮设备上。
二、脉冲电源的技术指标：
1、电压： 0-1000V连续可调；
2、频率： 1kHz；
3、占空比： 15%~85%可调；
4、灭弧时间： ≤20μs；
5、电压、电流波形：矩形（如图）
6、控制温度误差： ±10℃（采用PID调节，温度控制在指定值）
三、电源（设备）系列：
LDMC系列等离子体渗氮设备
| 设备型号 | 有效工作容积（mm） | 最大峰值电流（A） | 最大平均电流（A） | 最大装炉量（Kg） | | LDMC-30A | Φ600×800 | 50 | 30 | 500 | | LDMC-50A | Φ800×1000 | 80 | 50 | 750 | | LDMC-75A | Φ1000×1200 | 120 | 75 | 1200 | | LDMC-100A | Φ1200×1600 | 160 | 100 | 1600 | | LDMC-150A | Φ1600×2000 | 240 | 150 | 2800 |
MC系列脉冲斩波器：
MC系列脉冲斩波器型号
MC-30
MC-50
MC-75
MC-100
MC-150
四、我所研制的脉冲电源的特点：
1、独到的灭弧技术：
脉冲电源的灭弧方法是对弧光的产生进行快速采样，开关器件快速关断从而终止弧光的发展，整个灭弧过程越短，灭弧就越可靠，灭弧时间可短到20μs，使弧光一旦生成就马上熄灭，没有时间积累能量，从而有效地保护了工件不被大弧损伤，也保护了开关器件IGBT。
2、独到的串接技术：
由于单个IGBT器件的耐压均在1200-1600V之间，而电源脉冲最高为1000V左右，若使用单个器件时，可靠性存在问题，采用两个IGBT串接可满足耐压要求。但若串接器件电压经常出现不平衡或瞬间严重不平衡，将会导致IGBT损坏。而我们独到的串接技术，消除了串接器件电压的不平衡影响，使IGBT器件能可靠工作。
3、完善的过流、过压、过温保护技术：
我们设计的过流保护电路，能采到任何形式的过流信号，对任何情况引起的过流，IGBT都能可靠截止，而过流因素一消除，电路自动恢复正常工作。
对每支IGBT都有三组过压保护电路，使IGBT电压不超过某一值。
对IGBT的散热器也设计了过温保护电路，使得任何一块散热板的过热都会使控制电路关断IGBT。
〈二〉脉冲电源在离子渗氮设备上的应用及其优点（与直流电源相比较）：
脉冲电源自1994年10月在武汉通过市科委组织的技术鉴定后，在我所及武汉新世界制冷工业有限公司、山东文登曲轴厂进行了离子渗氮生产应用。近一年来，我们对40Cr、38CrMnAl、H13、球墨铸铁、碳钢等材质的各种工件（如：冷冻机转子、6105柴油机曲轴、导轨、铝型材挤压模具、齿轮、柴油发动机缸套等）进行了离子渗氮工艺实验、加工。还进行了狭缝、深孔、微孔的离子渗氮工艺试验，通过这些试验，与直流电源相比，脉冲电源充分表现出以下几方面优点：
一、灭弧速度快
脉冲电源进行离子渗氮时，在任何情况下，工作表面看不见大的弧光放电，开始打弧清洗时，只见许多细小散弧在工件表面快速闪动，这时一旦产生大地弧光放电，电源立即通过检测电路传给住控，在20μS内中断电流，使弧光电流来不及发展便自然熄灭，由于弧光放电能量小，所以打弧过程不会损伤工件，我们用150A脉冲电源在武汉市新世界制冷工业有限公司进行离子渗氮时，做了脉冲电源与直流电源的灭弧性能比较试验。
加工同种材料、同种型号的冷冻机转子、同样的数量、同样的清洗工艺。
1、汽油清洗 + 烘烤 工件渗氮打弧时间
脉冲电源 10分钟升温阶段无弧
直流电源 1.5小时升温阶段无弧
2、用棉纱沾汽油擦洗一遍，并将孔内的油污清除干净，待汽油挥发干后进炉。
工件渗氮打弧时间
脉冲电源 20分钟 升温阶段出现少量弧
直流电源 3-4小时 升温阶段有较多的弧，有时弧很大，需启炉。
3、渗氮质量
脉冲电源 HRC60-62 （1） HRC54-58 （2）
直流电源 HRC58-60 （1） HRC50-54 （2）
硬度均合格（＞HRC50）
由于冷冻机转子的加工面光洁度比较高，又无非加工面，所以，清洗就可以用第二种方法。这样即节省了人力、物力、电力，又提高了效率，以前要两天开一炉，现在每天可以开一炉。
二、 能抑制空心阴极效应
离子渗氮时，若发生空心阴极效应，就极易烧坏工件。直流电源无法抑制空心阴极效应，所以对有容易产生空心阴极效应的缝、孔的工件，只有进行堵、覆后方能进行加工，而脉冲电源可使那些引起空心阴极效应的激发和电离的电子、离子的聚集在脉冲间隙期内中断。不引起雪崩效应，从而抑制了空心阴极效应。所以，对有孔、缝、槽的工件，不必堵覆即可进行渗氮处理。通过调整工艺参数，也可对狭缝、微孔进行离子渗氮（见工艺试验部分）。
我所制造的LDMC-75A脉冲电源在山东文登曲轴总厂对曲轴进行离子渗氮加工，由于曲轴上有许多通油孔，还有一些平衡孔等，用直流电源渗氮时，曲轴上的每个孔必须堵上，否则无法进行加工，大弧时还会烧坏曲轴。自从使用了脉冲电源后，不及不需堵孔，也省掉了拔足，再加上缩短了大弧时间，从而大大提高了生产率，节省了人力、物力，节约了电能。
三、 节能
除了上述两点中提到的节能外，脉冲电源本身省去了直流电源必需的限流电阻，这又可节能30%。
四、 设备操作简易
离子渗氮工件的升温，保温所需的平均功率，由占空比来控制，不需象直流电源随温度升高，电流增加，需要转换限流电阻。
〈三〉脉冲电源用于离子渗氮的工艺研究
试验的脉冲电源设备为75A、1kHz
一、 狭缝的离子渗氮
我们分别对1、1.5、2、2.3mm宽的狭缝进行了离子渗氮工艺试验。通过适当调整气压、电压、占空比，辉光均匀收进狭缝内，经过金相检验，结果是狭缝内均已氮化。
渗层深度及硬度见下表（试验材料均为40Cr、工艺540℃、5h）
狭缝尺寸
mm×mm×mm | 金 相 检 验 | 备 注 | | 渗层mm | 白亮层μm | 由表—内硬度HV0.1 | | 1×5×34 | 0.20 | 0.001 | 336 297 237 | 沿长度方向17mm处切断，检查断面，从上到下渗层均匀 | | 1.5×12×15 | 0.20 | 0.001 | 297 264 237 | 检查长度方向7.5mm处断面，基体为退大组织 | | 2×24×70 | 0.25 | 0.004 | 447 351 245 199 | 长度方向35mm处 | 1×12×3.5
1×19×30
1.5×10×75
2.3×50×80
| | | | 试验观察辉光均已收到狭缝内，试样未送检 |
通过狭缝试验，可以得出以下结论：
1、直流电源无法处理的狭缝内渗氮，脉冲电源可以处理，且氮化效果很好，无疑，脉冲电源有益于铝型材挤压模具的离子氮化加工。
2、狭缝愈窄，狭缝长度、高度的尺寸愈大，渗氮技术难度越大且缝宽度的影响大于狭缝长度和高度的影响。
二、深孔、微孔的离子渗氮
德国有资料介绍（较大内孔径）渗氮时（直流电源）当长度大于内孔直径的8倍时，应加辅助阳极，长度大于内孔直径的16倍时，应加辅助气源，否则辉光无法进入内孔，无法进行渗氮，而对于内孔直径小，无法加辅助阳极地微孔，就无法进行离子渗氮了。
我们用脉冲电源做了以下尺寸的深孔微孔试验（540℃×5h）
| 材料 | 深孔尺寸 | 金 相 检 验 结 果 | 备 注 | | 层深mm | 白亮层μm | 由表—内硬度HV0.1 | | 38CrMoAl | Φ3.5×30 | 0.112 | 0.001 | 882；714；542；351；297 | 一端为闷孔，检查底部 | | 40Cr | Φ3×54 | 0.30 | 0.001 | 420；322；297 | 检查长度方向27mm处 | | 40Cr | Φ3×176 | 0.20 | 0.001 | 689；634；606；366 | 检查长度方向88mm处 | | 40Cr | Φ3×176 | 0.20 | 0.001 | 722；488；464；351 | 检查长度方向59mm处 |
由上表检验结果可以看出，闷孔根部渗层较浅，我们分析是因为闷孔内气体难以循环造成的。还可看出，深度与孔径比值越大，渗氮技术难度越大，我们目前做的最大深度、孔径比约为59︰1，尽管其比值较大，但处理结果还是相当满意的。
我们还对45钢小型活塞进行C/N共渗，其工件上面有许多小孔，直流电源加工时，稍不留意，小孔处就被烧坏，用脉冲电源进行离子碳氮共渗加工，操作起来就相当方便了（零件如下图）
〈四〉结论
一、用脉冲电源进行离子渗氮，在保证离子渗氮质量的前题下，能节省能源、节省物力财力。工艺操作简便，能处理直流电源无法处理的，带有狭缝、窄槽、深孔、微孔的工件及复杂的模具等。通过目前的一些试验数据表明，脉冲电源对离子渗氮工件的氮化硬度和深度有一定的提高，且有利于工件温度均匀。具体规律还有待进一步的试验。由于脉冲电源本身的特点及其在离子渗氮方面表现出的许多优点。使其在离子渗氮领域里运用前景看好。
二、脉冲电源经过适当调整后，还可以用于化学气相沉积、多弧离子镀膜及PCVD镀膜，电镀及环保等领域，在这些领域里的运用，还有待于我们做进一步的试验。
作者单位：武汉市等离子体技术研究所
地址：中国·湖北武汉市江岸区二七小路22号电话：86-27-82896060 传真：86-27-82925201(end)
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(6/30/2005) |
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