一种钢球批量均匀渗氮装置与渗氮方法

1.本发明涉及一种钢球渗氮装置与方法。


背景技术：

2.渗氮是提高钢制零件表面硬度、表面耐磨性和接触疲劳性能的一种典型方法，该方法尤其适合于滚动接触的传动件如轴承零件和齿轮等。经过多年研究，人们发明了气体渗氮、离子渗氮等技术，目前已在多种零件上获得应用。
3.相比于气体渗氮，离子渗氮渗氮速度快，参数易控制，目前已在轴承零件上获得应用。但是由于轴承零件结构复杂，尤其是在钢球渗氮时，如何能使钢球表面获得均匀的渗层，对保证轴承寿命和可靠性十分重要。离子渗氮时一般是把工件作为阴极进行渗氮，包括支撑结构在内。虽然已经有技术如采用翻转钢球方法两次渗氮，使钢球渗层均匀性得到一定程度的提高，但由于离子渗氮的阴极鞘层作用和离子的方向性入射，仍然不能获得均匀的渗氮效果。其主要问题是，离子渗氮时钢球作为阴极，钢球、支撑物及托盘之间三者之间的鞘层会互相叠加，形成空心阴极效应，导致钢球表面温度上下不一致；虽然氮离子在电场作用下沿电力线方向运动会对均匀性提高起到积极作用，但是球面各部分接触的等离子体的氮离子密度并不一致。上述两方面因素导致钢球表面渗层深度不一致，即使上下面翻转两次离子渗氮，也不能从根本上解决渗氮均匀性问题。另外，钢球作为阴极会偶尔产生弧光放电，即所谓的打弧，使表面局部产生烧伤，严重影响钢球的表面质量，形成轴承故障隐患。除此之外，当批量处理钢球时，整个渗氮炉内的温度场受放电均匀性的影响很难达到均匀一致，这些都会对钢球渗氮的一致性产生影响。


技术实现要素：

4.本发明为克服现有的钢球表面离子渗氮方法存在渗氮层不均匀、离子渗氮过程中钢球的弧光放电造成表面烧伤和由于温度场不均匀造成的钢球渗氮的一致性差的问题，提出一种钢球批量均匀渗氮装置与渗氮方法。
5.本发明钢球批量均匀渗氮装置由炉体1、辅助加热器4、托盘7、数个随动热电偶8、空心转动轴9、无线发射器10、上阴极盘11和下阴极盘12构成；
6.所述炉体1为圆柱形的真空室，炉体1的内壁上设置有水冷壁，炉体1的上对向设置有进气口3和排气口2；炉体1的内部侧面沿器壁布置有辅助加热器4，辅助加热器4上设置有辅助加热器温度监控热电偶，炉体1内壁上设置有隔热屏5，隔热屏用以减少炉内热量损失；炉体1内的均温区设置有水平的上阴极盘11和下阴极盘12，上阴极盘11和下阴极盘12通过支撑杆13支撑连接，支撑杆13为导体，上阴极盘11和下阴极盘12上分别设置有多个透气孔，用以流通气体；下阴极盘12和炉体1底面之间设置有数个陶瓷支撑脚14，陶瓷支撑脚14同时起到隔离绝缘作用，下阴极盘12的中心设置有通孔，下阴极盘12与离子渗氮电源负极通过引入电极15连接；上阴极盘11和下阴极盘12之间设置有倾斜的托盘7，托盘7下表面中心连接有竖向的空心转动轴9，空心转动轴9设置在下阴极盘12的中心的通孔内且空心转动轴9
的下端伸出至炉体1外部；托盘7的上表面为锥面，托盘7的中心低于外圈，多个钢球6放置在托盘7内，使钢球能自动回落到中心；托盘7内部埋有数个随动热电偶8，托盘7内的每个随动热电偶8的测量端距离托盘7上表面的距离相同，随动热电偶8的下端设置在空心转动轴9内；随动热电偶8用以测量托盘表面温度；无线发射器10通过支架固定在空心转动轴9的下端，随动热电偶8的输出端与无线发射器10的输入端通过航空插头连接；无线发射器10能够随空心转动轴9一起转动；无线发射器10将随动热电偶8的弱电信号放大转换，并通过与计算机连接的配套接收器接收，用以采集温度信号，实现托盘7温度的监测；上阴极盘11、下阴极盘12和支撑杆13构成阴极系统，炉体1、钢球6、托盘7、空心转动轴9与离子渗氮电源正极连接构成阳极系统，炉体1接地；炉体1内部阴极系统和阳极系统之间留有足够距离以防止离子渗氮时电场击穿。
7.利用上述钢球批量均匀渗氮装置进行钢球离子渗氮的方法按照以下步骤进行：
8.一、装载钢球
9.向托盘7内添加钢球6至最外侧的钢球6与托盘7的内边缘的距离为钢球6直径的2-5倍；
10.二、将炉体1内抽真空至背底真空度；
11.三、开启辅助加热器4将炉体1内温度加热至预定温度；
12.四、通渗氮气体；
13.五、渗氮气体的气压控制稳定后，开启离子渗氮电源，将空心转动轴9的转速调整至0-50转/分，随动热电偶8随托盘7一起转动，使钢球在离心力作用下到达托盘7的边缘并保持0-10分钟，随后将空心转动轴9的转速降低至零，钢球在摩擦力和重力作用下回落至托盘7的中心，停留0-10分钟；
14.六、重复步骤五至渗氮完成；
15.七、渗氮结束后关闭离子渗氮电源和辅助加热器4，停止通入渗氮气体，维持空心转动轴9转动；
16.八、冷却后，空心转动轴9转动停止。
17.本发明原理及有益效果为：
18.1、本发明中测温的随动热电偶8不与等离子体接触，避免了热电偶在渗氮气氛中表面成分变化引起的测温不准确。
19.2、本发明中随动热电偶8可随托盘7一起转动，随动热电偶8不带电，多个随动热电偶8可多点监测钢球托盘的温度；辅助加热器4将炉温加热至渗氮温度后，托盘7和钢球6的温度的监测和控制通过随动热电偶8与渗氮电源联合实现，由于渗氮过程中钢球是运动的，托盘温度稳定后钢球温度随之稳定。钢球运动使钢球6温度一致性得以提高，且运动使钢球不被固定在特定位置，表现为随机运动，钢球球面上各点接收的能量趋于一致，实现钢球温度的稳定控制。
20.3、本发明中炉体1、钢球6、托盘7、空心转动轴9、与离子渗氮电源正极连接构成阳极系统，炉体1接地，即钢球6接地，钢球6不作为阴极，钢球6浸泡在辉光放电形成的等离子体中，等离子体中的活性氮通过吸附在钢球表面形成表面渗氮层，钢球6表面不放电也没有高能离子轰击，降低了对钢球表面粗糙度的影响，并保证钢球不被烧伤。
21.4、本发明中托盘7的加速转动和停止转动过程中对钢球产生的加速和减速运动使
钢球产生随机运动，钢球在整个托盘内任何地方都可以出现；托盘7的倾斜设置避免了钢球的定轴转动，使得内外圈钢球充分位置交换，从而实现钢球的随机运动。同时，上下布置的上阴极盘11和下阴极盘12产生的均匀放电以及托盘7的转动保证了托盘7的表面温度均匀，位于托盘7内的钢球6在上述两方面因素作用下可以大幅度降低各球接收能量的差别，各球温度趋于一致。钢球的随机运动使其表面与等离子体接触几率相同，与温度共同作用使钢球表面长时间渗氮时每个球表面各点渗氮条件一致，同时，托盘结构及安装方式保证了每个钢球在盘中位置的随机性，最终保证同一批钢球渗氮的一致性。钢球6不作为阴极，不会形成由于空心阴极效应导致的表面温度不均匀问题发生。
22.5、本发明中托盘7内的钢球之间不必留有距离，可大幅度提高生产效率。
23.6、本发明的装置中可以设置多组间隔重复的阴极盘和托盘构成多层结构，大幅度提高生产效率。
24.7、辅助加热器4用于将炉温加热至设定温度，渗氮时辅助辉光放电加热，降低辉光放电电源加热作用，使炉内等离子体密度调节更容易实现。
25.8、本发明采用无线测温方式，无线发射机构与随动热电偶一起随托盘一起转动，避免了运动机构温度无法直接测量的问题，同时实现了随动热电偶与计算机采集系统之间的电气隔离，该种结构也可以直接应用于离子渗氮阴极温度的测量，克服现有技术采用固定热电偶不能直接测温的问题。
附图说明
26.图1为实施例1中钢球批量均匀渗氮装置的结构示意图；
27.图2为实施例1中渗氮得到的钢球的宏观照片；
28.图3为实施例1中渗氮得到的钢球的任意一截面的金相照片；
29.图4为图3中钢球的圆周上0
°
位置处渗氮层放大照片；
30.图5为图3中钢球的圆周上45
°
位置处渗氮层放大照片；
31.图6为图3中钢球的圆周上90
°
位置处渗氮层放大照片；
32.图7为图3中钢球的圆周上135
°
位置处渗氮层放大照片；
33.图8为图3中钢球的圆周上180
°
位置处渗氮层放大照片；
34.图9为图3中钢球的圆周上225
°
位置处渗氮层放大照片；
35.图10为图3中钢球的圆周上270
°
位置处渗氮层放大照片；
36.图11为图3中钢球的圆周上315
°
位置处渗氮层放大照片。
具体实施方式
37.本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
38.具体实施方式一：本实施方式钢球批量均匀渗氮装置由炉体1、辅助加热器4、托盘7、数个随动热电偶8、空心转动轴9、无线发射器10、上阴极盘11和下阴极盘12构成；
39.所述炉体1为圆柱形的真空室，炉体1的内壁上设置有水冷壁，炉体1上对向设置有进气口3和排气口2；炉体1的内部侧面沿器壁布置有辅助加热器4，辅助加热器4上设置有辅助加热器温度监控热电偶，炉体1的内壁上设置有隔热屏5，隔热屏用以减少炉内热量损失；
炉体1内的均温区设置有水平的上阴极盘11和下阴极盘12，上阴极盘11和下阴极盘12通过支撑杆13支撑连接，支撑杆13为导体，上阴极盘11和下阴极盘12上分别设置有多个透气孔，用以流通气体；下阴极盘12和炉体1底面之间设置有数个陶瓷支撑脚14，陶瓷支撑脚14同时起到隔离绝缘作用，下阴极盘12的中心设置有通孔，下阴极盘12与离子渗氮电源负极通过引入电极15连接；上阴极盘11和下阴极盘12之间设置有倾斜的托盘7，托盘7下表面中心连接有竖向的空心转动轴9，空心转动轴9设置在下阴极盘12的中心的通孔内且空心转动轴9的下端伸出至炉体1外部；托盘7的上表面为锥面，托盘7的中心低于外圈，多个钢球6放置在托盘7内，使钢球能自动回落到中心；托盘7内部埋有数个随动热电偶8，托盘7内的每个随动热电偶8的测量端距离托盘7上表面的距离相同，随动热电偶8的下端设置在空心转动轴9内；随动热电偶8用以测量托盘表面温度；无线发射器10通过支架固定在空心转动轴9的下端，随动热电偶8的输出端与无线发射器10的输入端通过航空插头连接；无线发射器10能够随空心转动轴9一起转动；无线发射器10将随动热电偶8的弱电信号放大转换，并通过与计算机连接的配套接收器接收，用以采集温度信号，实现托盘7温度的监测；上阴极盘11、下阴极盘12和支撑杆13构成阴极系统，炉体1、钢球6、托盘7、空心转动轴9与离子渗氮电源正极连接构成阳极系统，炉体1接地；炉体1内部阴极系统和阳极系统之间留有足够距离以防止离子渗氮时电场击穿。
40.本实施方式原理及有益效果为：
41.1、本实施方式中测温的随动热电偶8不与等离子体接触，避免了热电偶在渗氮气氛中表面成分变化引起的测温不准确。
42.2、本实施方式中随动热电偶8可随托盘7一起转动，随动热电偶8不带电，多个随动热电偶8可多点监测钢球托盘的温度；辅助加热器4将炉温加热至渗氮温度后，托盘7和钢球6的温度的监测和控制通过随动热电偶8与渗氮电源联合实现，由于渗氮过程中钢球是运动的，托盘温度稳定后钢球温度随之稳定。钢球运动使钢球6温度一致性得以提高，且运动使钢球不被固定在特定位置，表现为随机运动，钢球球面上各点接收的能量趋于一致，实现钢球温度的稳定控制。
43.3、本实施方式中炉体1、钢球6、托盘7、空心转动轴9、与离子渗氮电源正极连接构成阳极系统，炉体1接地，即钢球6接地，钢球6不作为阴极，钢球6浸泡在辉光放电形成的等离子体中，等离子体中的活性氮通过吸附在钢球表面形成表面渗氮层，钢球6表面不放电也没有高能离子轰击，降低了对钢球表面粗糙度的影响，并保证钢球不被烧伤。
44.4、本实施方式中托盘7的加速转动和停止转动过程中对钢球产生的加速和减速运动使钢球产生随机运动，钢球在整个托盘内任何地方都可以出现；托盘7的倾斜设置避免了钢球的定轴转动，使得内外圈钢球充分位置交换，从而实现钢球的随机运动。同时，上下布置的上阴极盘11和下阴极盘12产生的均匀放电以及托盘7的转动保证了托盘7的表面温度均匀，位于托盘7内的钢球6在上述两方面因素作用下可以大幅度降低各球接收能量的差别，各球温度趋于一致。钢球的随机运动使其表面与等离子体接触几率相同，与温度共同作用使钢球表面长时间渗氮时每个球表面各点渗氮条件一致，同时，托盘结构及安装方式保证了每个钢球在盘中位置的随机性，最终保证同一批钢球渗氮的一致性。钢球6不作为阴极，不会形成由于空心阴极效应导致的表面温度不均匀问题发生。
45.5、本实施方式中托盘7内的钢球之间不必留有距离，可大幅度提高生产效率。
46.6、本实施方式的装置中可以设置多组间隔重复的阴极盘和托盘构成多层结构，大幅度提高生产效率。
47.7、辅助加热器4用于将炉温加热至设定温度，渗氮时辅助辉光放电加热，降低辉光放电电源加热作用，使炉内等离子体密度调节更容易实现。
48.8、本实施方式采用无线测温方式，无线发射机构与随动热电偶一起随托盘一起转动，避免了运动机构温度无法直接测量的问题，同时实现了随动热电偶与计算机采集系统之间的电气隔离，该种结构也可以直接应用于离子渗氮阴极温度的测量，克服现有技术采用固定热电偶不能直接测温的问题。
49.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：空心转动轴9的外壁与炉体1通过旋转密封机构密封。
50.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：托盘7内的每支随动热电偶8连接一个无线发射器10。
51.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：空心转动轴9的下端连接有中心驱动轴16。
52.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：中心驱动轴16与电机的动力输出轴连接实现空心转动轴9和托盘7的转动。
53.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述随动热电偶8的测量端距离托盘7上表的距离为1-5mm。
54.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：航空插头设置在空心转动轴9的下端，航空插头与空心转动轴9之间设置有静密封。
55.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述托盘7的锥面的母线与水平方向的夹角为0.1-5
°
。
56.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：托盘7的下表面为平面，与水平面呈0-5
°
的夹角。
57.具体实施方式十：本实施方式利用钢球批量均匀渗氮装置进行钢球离子渗氮的方法按照以下步骤进行：
58.一、装载钢球
59.向托盘7内添加钢球6至最外侧的钢球6与托盘7的内边缘的距离为钢球6直径的2-5倍；
60.二、将炉体1内抽真空至背底真空度；
61.三、开启辅助加热器4将炉体1内温度加热至预定温度；
62.四、通渗氮气体；
63.五、渗氮气体的气压控制稳定后，开启离子渗氮电源，将空心转动轴9的转速调整至0-50转/分并保持0-10分钟，随动热电偶8随托盘7一起转动，使钢球6在离心力作用下向托盘7的边缘运动同时产生圆周向的滚动；随后将空心转动轴9的转速降低至零并停留0-10分钟，转速降低时钢球6在摩擦力和重力作用下向托盘7的中心运动；
64.六、重复步骤五至渗氮完成；
65.七、渗氮结束后关闭离子渗氮电源和辅助加热器4，停止通入渗氮气体，维持空心转动轴9转动；
66.八、冷却后，空心转动轴9转动停止。
67.本实施方式原理及有益效果为：
68.1、本实施方式中测温的随动热电偶8不与等离子体接触，避免了热电偶在渗氮气氛中表面成分变化引起的测温不准确。
69.2、本实施方式中随动热电偶8可随托盘7一起转动，随动热电偶8不带电，多个随动热电偶8可多点监测钢球托盘的温度；辅助加热器4将炉温加热至渗氮温度后，托盘7和钢球6的温度的监测和控制通过随动热电偶8与渗氮电源联合实现，由于渗氮过程中钢球是运动的，托盘温度稳定后钢球温度随之稳定。钢球运动使钢球6温度一致性得以提高，且运动使钢球不被固定在特定位置，表现为随机运动，钢球球面上各点接收的能量趋于一致，实现钢球温度的稳定控制。
70.3、本实施方式中炉体1、钢球6、托盘7、空心转动轴9、与离子渗氮电源正极连接构成阳极系统，炉体1接地，即钢球6接地，钢球6不作为阴极，钢球6浸泡在辉光放电形成的等离子体中，等离子体中的活性氮通过吸附在钢球表面形成表面渗氮层，钢球6表面不放电也没有高能离子轰击，降低了对钢球表面粗糙度的影响，并保证钢球不被烧伤。
71.4、本实施方式中托盘7的加速转动和停止转动过程中对钢球产生的加速和减速运动使钢球产生随机运动，钢球在整个托盘内任何地方都可以出现；托盘7的倾斜设置避免了钢球的定轴转动，使得内外圈钢球充分位置交换，从而实现钢球的随机运动。同时，上下布置的上阴极盘11和下阴极盘12产生的均匀放电以及托盘7的转动保证了托盘7的表面温度均匀，位于托盘7内的钢球6在上述两方面因素作用下可以大幅度降低各球接收能量的差别，各球温度趋于一致。钢球的随机运动使其表面与等离子体接触几率相同，与温度共同作用使钢球表面长时间渗氮时每个球表面各点渗氮条件一致，同时，托盘结构及安装方式保证了每个钢球在盘中位置的随机性，最终保证同一批钢球渗氮的一致性。钢球6不作为阴极，不会形成由于空心阴极效应导致的表面温度不均匀问题发生。
72.5、本实施方式中托盘7内的钢球之间不必留有距离，可大幅度提高生产效率。
73.6、本实施方式的装置中可以设置多组间隔重复的阴极盘和托盘构成多层结构，大幅度提高生产效率。
74.7、辅助加热器4用于将炉温加热至设定温度，渗氮时辅助辉光放电加热，降低辉光放电电源加热作用，使炉内等离子体密度调节更容易实现。
75.8、本实施方式采用无线测温方式，无线发射机构与随动热电偶一起随托盘一起转动，避免了运动机构温度无法直接测量的问题，同时实现了随动热电偶与计算机采集系统之间的电气隔离，该种结构也可以直接应用于离子渗氮阴极温度的测量，克服现有技术采用固定热电偶不能直接测温的问题。
76.实施例1：
77.本实施例按常规离子渗氮工艺进行渗氮，辉光放电产生的等离子体形成阳极渗氮层,具体工艺为：
78.一、装载钢球
79.向托盘7内添加钢球6至最外侧的钢球6与托盘7的内边缘的距离为钢球6直径的4倍；
80.二、将炉体1内抽真空至背底真空度；
81.三、开启辅助加热器4将炉体1内温度加热至预定温度；
82.四、通渗氮气体；
83.五、渗氮气体的气压控制稳定后，开启离子渗氮电源，将空心转动轴9的转速调整至40转/分并保持1分钟，随动热电偶8随托盘7一起转动，使钢球6在离心力作用下向托盘7的边缘运动同时产生圆周向的滚动；随后将空心转动轴9的转速降低至零并停留1分钟，转速降低时钢球6在摩擦力和重力作用下向托盘7的中心运动；
84.六、重复步骤五至渗氮完成；
85.七、渗氮结束后关闭离子渗氮电源和辅助加热器4，停止通入渗氮气体，维持空心转动轴9转动；
86.八、冷却后，空心转动轴9转动停止，充气出炉。
87.图1为实施例1中钢球批量均匀渗氮装置的结构示意图；所述钢球批量均匀渗氮装置由炉体1、辅助加热器4、托盘7、数个随动热电偶8、空心转动轴9、无线发射器10、上阴极盘11和下阴极盘12构成；所述炉体1为圆柱形的真空室，炉体1的内壁上设置有水冷壁，炉体1的上对向设置有进气口3和排气口2；炉体1的内部侧面沿器壁布置有辅助加热器4，辅助加热器4上设置有辅助加热器温度监控热电偶，炉体1的内壁上设置有隔热屏5，隔热屏用以减少炉内热量损失；炉体1内均温区设置有水平的上阴极盘11和下阴极盘12，上阴极盘11和下阴极盘12通过支撑杆13支撑连接，支撑杆13为导体，上阴极盘11和下阴极盘12上分别设置有多个透气孔，用以流通气体；下阴极盘12和炉体1底面之间设置有数个陶瓷支撑脚14，陶瓷支撑脚14同时起到隔离绝缘作用，下阴极盘12的中心设置有通孔，下阴极盘12与离子渗氮电源负极通过引入电极15连接；上阴极盘11和下阴极盘12之间设置有倾斜的托盘7，托盘7的下表面为平面，与水平面呈0-5
°
的夹角。托盘7下表面中心连接有竖向的空心转动轴9，空心转动轴9设置在下阴极盘12的中心的通孔内且空心转动轴9的下端伸出至炉体1外部；空心转动轴9的外壁与炉体1通过旋转密封机构密封；托盘7的上表面为锥面，托盘7的中心低于外圈，多个钢球6放置在托盘7内，使钢球能自动回落到中心；托盘7内部埋有数个随动热电偶8，托盘7内的每个随动热电偶8的测量端距离托盘7上表面的距离相同，随动热电偶8的下端设置在空心转动轴9内；随动热电偶8用以测量托盘表面温度；无线发射器10通过支架固定在空心转动轴9的下端，随动热电偶8的输出端与无线发射器10的输入端通过航空插头连接；航空插头设置在空心转动轴9的下端，航空插头与空心转动轴9之间设置有静密封。无线发射器10能够随空心转动轴9一起转动；无线发射器10将热电偶的弱电信号放大转换，并通过与计算机连接的配套接收器接收，用以采集温度信号，实现托盘7温度的监测；托盘7内的每支随动热电偶8连接一个无线发射器10；上阴极盘11、下阴极盘12和支撑杆13构成阴极系统，炉体1、钢球6、托盘7、空心转动轴9与离子渗氮电源正极连接构成阳极系统，炉体1接地；炉体1内部阴极系统和阳极系统之间留有足够距离以防止离子渗氮时电场击穿；空心转动轴9的下端连接有中心驱动轴16，中心驱动轴16与电机的动力输出轴连接实现空心转动轴9和托盘7的转动。所述随动热电偶8的测量端距离托盘7上表的距离为2mm；所述托盘7的锥面的母线与水平方向的夹角为3
°
。
88.本实施例中，随动热电偶8的型号是k型，接收器为zigbee转rs485无线串口服务器(cc2530)，无线发射器10为多节点无线转串口透传模块，型号是lrf215a。
89.图2为渗氮得到的钢球的宏观照片，能够看出表面颜色均匀，无打弧痕迹。图3为渗
氮得到的钢球的任意一截面的金相照片，可见钢球表面圆周上的渗层均匀一致。图4～图11图3中钢球的圆周上8个位置(与x轴正轴方向的夹角)的渗氮层放大照片，可见渗氮层深度一致。

技术特征：
1.一种钢球批量均匀渗氮装置，其特征在于：钢球批量均匀渗氮装置由炉体(1)、辅助加热器(4)、托盘(7)、数个随动热电偶(8)、空心转动轴(9)、无线发射器(10)、上阴极盘(11)和下阴极盘(12)构成；所述炉体(1)为圆柱形的真空室，炉体(1)的内壁上设置有水冷壁，炉体(1)上对向设置有进气口(3)和排气口(2)；炉体(1)的内部侧面沿器壁布置有辅助加热器(4)，辅助加热器(4)上设置有辅助加热器温度监控热电偶，炉体(1)的内壁上设置有隔热屏(5)；炉体(1)内的均温区设置有水平的上阴极盘(11)和下阴极盘(12)，上阴极盘(11)和下阴极盘(12)通过支撑杆(13)支撑连接，支撑杆(13)为导体，上阴极盘(11)和下阴极盘(12)上分别设置有多个透气孔；下阴极盘(12)和炉体(1)底面之间设置有数个陶瓷支撑脚(14)，下阴极盘(12)的中心设置有通孔，下阴极盘(12)与离子渗氮电源负极通过引入电极(15)连接；上阴极盘(11)和下阴极盘(12)之间设置有倾斜的托盘(7)，托盘(7)下表面中心连接有竖向的空心转动轴(9)，空心转动轴(9)设置在下阴极盘(12)的中心的通孔内且空心转动轴(9)的下端伸出至炉体(1)外部；托盘(7)的上表面为锥面，托盘(7)的中心低于外圈，多个钢球(6)放置在托盘(7)内；托盘(7)内部埋有数个随动热电偶(8)，托盘(7)内的每个随动热电偶(8)的测量端距离托盘(7)上表面的距离相同，随动热电偶(8)的下端设置在空心转动轴(9)内；无线发射器(10)通过支架固定在空心转动轴(9)的下端，随动热电偶(8)输出端与无线发射器(10)的输入端通过航空插头连接；上阴极盘(11)、下阴极盘(12)和支撑杆(13)构成阴极系统，炉体(1)、钢球(6)、托盘(7)、空心转动轴(9)与离子渗氮电源正极连接构成阳极系统，炉体(1)接地。2.根据权利要求1所述的钢球批量均匀渗氮装置，其特征在于：空心转动轴(9)的外壁与炉体(1)通过旋转密封机构密封。3.根据权利要求1所述的钢球批量均匀渗氮装置，其特征在于：托盘(7)内的每支随动热电偶(8)连接一个无线发射器(10)。4.根据权利要求1所述的钢球批量均匀渗氮装置，其特征在于：空心转动轴(9)的下端连接有中心驱动轴(16)。5.根据权利要求4所述的钢球批量均匀渗氮装置，其特征在于：中心驱动轴(16)与电机的动力输出轴连接实现空心转动轴(9)和托盘(7)的转动。6.根据权利要求1所述的钢球批量均匀渗氮装置，其特征在于：所述随动热电偶(8)的测量端距离托盘(7)上表的距离为1-5mm。7.根据权利要求1所述的钢球批量均匀渗氮装置，其特征在于：航空插头设置在空心转动轴(9)的下端，航空插头与空心转动轴(9)之间设置有静密封。8.根据权利要求1所述的钢球批量均匀渗氮装置，其特征在于：所述托盘(7)的锥面的母线与水平方向的夹角为0.1-5
°
。9.根据权利要求8所述的钢球批量均匀渗氮装置，其特征在于：托盘(7)的下表面为平面，与水平面呈0-5
°
的夹角。10.利用权利要求1所述的钢球批量均匀渗氮装置进行钢球离子渗氮的方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：一、装载钢球向托盘(7)内添加钢球(6)至最外侧的钢球(6)与托盘(7)的内边缘的距离为钢球(6)直
径的2-5倍；二、将炉体(1)内抽真空至背底真空度；三、开启辅助加热器(4)将炉体(1)内温度加热至预定温度；四、通渗氮气体；五、渗氮气体的气压控制稳定后，开启离子渗氮电源，将空心转动轴(9)的转速调整至0-50转/分并保持0-10分钟，随动热电偶(8)随托盘(7)一起转动，使钢球(6)在离心力作用下向托盘(7)的边缘运动同时产生圆周向的滚动；随后将空心转动轴(9)的转速降低至零并停留0-10分钟，转速降低时钢球(6)在摩擦力和重力作用下向托盘(7)的中心运动；六、重复步骤五至渗氮完成；七、渗氮结束后关闭离子渗氮电源和辅助加热器(4)，停止通入渗氮气体，维持空心转动轴(9)转动；八、冷却后，空心转动轴(9)转动停止。

技术总结
一种钢球批量均匀渗氮装置与渗氮方法，涉及一种钢球渗氮装置与方法。为了克服现有的钢球表面离子渗氮方法存在渗氮层不均匀、离子渗氮过程中钢球的弧光放电造成表面烧伤和由于温度场不均匀造成的钢球渗氮的一致性差的问题。渗氮装置由炉体、辅助加热器、托盘、数个热电偶、空心转动轴、无线发射器、上阴极盘和下阴极盘构成；本发明中钢球表面不放电也没有高能离子轰击，保证钢球不被烧伤。钢球在托盘中随机运动，保证同一批钢球渗氮的一致性；钢球之间不存在摆放间隔，生产效率高；无线测温方式实现了渗氮过程多点跟随测温。实现了渗氮过程多点跟随测温。实现了渗氮过程多点跟随测温。


技术研发人员：马欣新
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/9