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大功率等离子体表面处理用脉冲电源
2006年8月9日 9:0  来源:武汉市等离子体技术研究所

摘要:本文阐述了脉冲辉光放电的特点,介绍了我所研制的大功率等离子表面处理用脉冲电源的原理、电路特点及在辉光离子渗氮工艺中的应用情况。
关键词:等离子体离子渗氮脉冲电源

一、等离子体电源的特殊性

在辉光放电形成的等离子体中,离子轰击阴极(工件)表面将发生一系列的物理、化学现象。离子渗氮、PCVD等都是利用低气压辉光放电进行表面处理的工艺技术。

用于等离子体表面处理的电源不同于其它一般电源就在于它必须满足于气体放电特性及表面处理的特殊工艺要求:

1.气体放电特性与灭弧

等离子体表面处理工作在异常辉光放电区(1)。这种状态极易过度到弧光放电状态。弧光放电的发展会使电流剧增,既对电源造成威胁,又可能使工件表面烧蚀,必须很快截止。
油垢、锈斑、毛刺及工件吸附气体到一定温度后的大量释放,都会产生弧光放电。而工艺过程必须经历弧光清洗阶段,因为,散弧有利于加快处理速度。但大能量的弧光则必须快速截止,这样,就要求电源自动“判别”,利用散弧,截止大弧。

2.空心阴极效应(1)与di/dt限制

圆筒状工件或工件的孔洞便是空心阴极。空心阴极内的电子束彼此汇合,使负辉光并合在一起,其放电电流密度除正离子轰击阴极所引起的次极电子发射的贡献外,还有电子在阴极间来回振荡以及亚原子轰击阴极所引起次级电子发射的贡献。随着振荡的延续,能量不断积累,电流密度不断增大(di/dt>0),这样就会引起局部超温,这种现象称为空心阴极效应,必须有效地控制。

3.巴刑(Paschen)(2)曲线与辅助电源

巴刑曲线为一开口向上的曲线。即点燃电压Ub随Pd(P压强,d极间距)变化有一极小值。

工艺处理过程中,必须克服点燃电压与正常工作电压可能相差很大的矛盾。

4.功率密度与节能

要保证所需渗氮表面均匀地被辉光覆盖,获得均匀渗氮,必须工作于异常辉光放电区,而只有当离子功率密度≥0.4W/cm2,才能处在异常辉光放电区。

在连续的供电下达到异常辉光放电区,必须以冷却水增大热辐射来带走热量以使得工作维持在某一温度,这种能量损失占的比重非常大!

5.工艺要求与参量控制

连续供电产生辉光放电,其处理工作的温度由放电的物理参数(气压、电压、电流)来控制,某些情况下希望物理参数取较高值,必然带来温度无法控制。

为了解决上述矛盾,八十年代后期国际上发展了脉冲直流辉光放电技术,应用效果很好,它是等离子体表面处理的一个重大进展。但由于产品售价高,加上技术保密,其核心技术无从考证,至今国内大多还采用直流电源来产生辉光放电激发等离子体。下面介绍我所研制的大功率等离子体表面处理用脉冲电源原理、电路特点和应用情况。

二、脉冲辉光放电的特点

(1)脉冲电源进行离子渗氮时,一旦产生弧光立即通过检测电路传给主控,在20μs内中断电流弧光电流来不及发展便自然熄灭。弧光电流虽然集中一点,但能量小,不足以损伤工件。而在轰击清洗阶段,只限制可能发展成大能量的弧光,利用微弧加快清洗过程,有利提高工效。

PCVD由于常用卤化物作原料气,打弧现象更为严重,这时,利用脉冲电源来激发等离子体就更有重要作用了。

(2)离子渗氮时,工件上的小孔、深孔及沟槽部分常会出现空心阴极效应,脉冲电源可使载流子的集聚很快中断,从而抑制了空心阴极放电的发展,保证工件不出现局部过温而导致变形。这一点在实际应用中得到证实。B.Edenhofer(3)用1kHZ脉冲电源使Φ3×50mm的内孔中得到了均匀的扩散层。我们在对型材热挤压模具进行离子氮化时,使0.6×5mm的窄缝中得到了均匀的扩散层,同时解决了机车曲轴离子氮化时必须堵油孔和平衡孔问题,大大节省了辅助工时。

对PCVD而言,脉冲电源不仅可以在刃具表面上沉积硬质膜,还能在形状复杂的模具上获得均匀的硬质涂层,这是一个极有发展前途的领域(4)。

(3)节能,脉冲电源取消了串联在主电源回路中的限流电阻(离子氮化炉的供电系统区别于一般可控硅供电系统的重要一点是工作中出现负载打弧短路现象。因此,该电路中必须设有灭弧电路。而且还要设有较大的限流电阻)(5)。可以节约大量电能。

脉冲电源提供给工件的离子平均功率密度E=E×t/T=DE,(其中D为占空比,E为脉冲功率密度)只要E大于产生异常辉光放电所需的功率密度,脉冲到来就在异常辉光区,工件受到均匀渗氮,而与热辐射损失相平衡的是平均功率密度E,如果炉体内有良好的隔热屏,热损失小,就可以通过减小D来与热辐射相补偿,从而减少能耗,国外资料(6)介绍脉冲电源比直流电源节约30%-50%的能源。

脉冲电源在D较小的情况下,并不影响渗氮时间。这被大量的实验所证实。理论上,氮气中脉冲放电单元子氮的产额大于直流放电的产额,具有更高的活性氮原子浓度(2)。

(4)用脉冲电源进行离子渗氮时,工件升温、保温,所需的平均功率由D来控制,使得放电的物理参数(P、V、I)与控温参数D分开,使于工艺参数独立调节。

三、采用IGBT器件的脉冲电源电路结构及特点

等离子体表面处理用脉冲电源有以下几个特点:

1.斩波频率较高(对离子渗氮为1kHZ)。
2.工作电压高(1kV)。
3.负载为辉光放电,负载阻抗在剧烈变化,发生辉光放电到弧光放电转变时,呈负阻特性。
4.要求放电电压、电流近似方波。

此外,在电路设计上着重解决了以下两个问题:

1.串联问题 斩波器主开关器件IGBT是一种新型电力电子器件,由于目前市场上IGBT单个器件的耐压在1200-1600V,必须使用两个IGBT串联工作。如果两只IGBT不同时开或不同时关,它们各自承受的电压就不均等,这种不均衡经常发生或某一瞬间严重失衡,将导致其中一只IGBT损坏,如果电路中没有有效的保护措施,另一只IGBT也会紧接着损坏,我们采用了一种特殊的串接方法,并在控制电路中对两个IGBT的工作均衡状态进行实时监测,一旦失衡到不允许值即暂中止工作,恢复平衡后自动重新启动。这种设计可使串接的大功率器件能可靠地工作。我们还在驱动电路上进行了细致的设计(7),以尽量减小驱动带来的不平衡。

2.保护测控 对弧光、空心阴极效应,阴阳极短路等引起的过流,检测电路能迅速传递信号,使IGBT在10-20μs内截止,既保护了电源主功率器件,又防止了工件烧蚀和部分过温变形;运用脉冲电源处理工件时,D和峰值电流对工艺影响较大,本电源将二者准确显示出来;处理工件时,温度是非常重要的工艺参量,本电源对温度采取PID控制。

四、应用情况

大功率脉冲电源自1994年10月鉴定以来,成功地在东风朝阳柴油机厂、丹东五一八厂和二汽发动机厂……投入离子渗氮工艺生产,对40Cr、球墨铸铁、碳素钢、38CrMoAl、H13、42CrMo等材料进行了狭缝、深孔的氮化实验。对曲轴、E型矽钢片模具、、石油开采用抽油管内孔等进行离子氮化,取得很好的效果,并具有以下特点:

(1)清洗工件阶段弧光一闪即逝,不产生连续弧光,清洗速度快,升温、保温阶段肉眼不易察觉弧光,渗氮后工件表面无弧光斑痕。

(2)有效地控制了空心阴极效应。我们用脉冲电源对40Cr试样进行Φ3×176mm深孔处理,孔内得到了均匀的氮化层,这是用直流电源处理难以实现的;另外,用脉冲电源进行机车曲轴(球墨铸铁、42CrMo,轴上有许多通油孔及平衡孔,并有许多含油、砂的粗糙面)进行离子氮化处理,有效地控制了孔内辉光,免去了处理前堵孔,处理后清孔的繁重劳动,避免了因堵孔疏漏造成返工因素,大大提高了工效。

结束语

脉冲电源在离子渗氮方面已表现出许多优点;如何充分发挥其易于调节工艺参数的优点有待进一步研究。

脉冲电源用于PCVD更具优越性。K.-T.Rie(8)等人运用脉冲电源沉积TiN,在较低的脉冲电压、适当的占空比下,获得了高硬度(HV2500)、致密的TiN涂层。

参考文献:
1.胡志强等,《气体电子学》,北京:电子出版社,1985
2.H.A卡普卓夫,《气体与真空中的电现象》,北京:高等教育出版社,1958
3.B.Edenhofer etal.,Int. Seminar on plasma Hraat Treatment,sept.1987,PYC Edition Paris,399-415
4.K.T.Ric,etal.,Abstracts of Lst int.conf.Plasma surf.Engin.
Garmisch Parfenkirchen,F.R.G.sept.1988,P11
5.赵贞任,《提高离子氮化炉供电系统性能的探讨》,大连:大连柴油机厂技术开发处
6.J.P.Lebrun Int.seminar on plasma Heat Treatment,sept.1987 PYC Edition,paris,425-444
7.危立辉等,《EXB841内部电路解析及其应用》,武汉:中南民族学院报,94.1
8.K.-T.Rie.,Etal.,plasma chemistry and plasma processing Vol.13,No3 1993

PULSE POWER SOURCE FOR PLASMA SURFACE TREATMENT
[Absttract]:In this paper the charactristic of pulse glow discharge is discussed;pulse power source for plasma surface treatment and its application have introduced.
[Key words]:plasma ionitriding;pulse power source

 
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