本事例研究では、垂直単一ベルジャー単一ステーション構造を採用した全自動インテリジェントイオン窒化炉、モデルWDL-IV-30Aについて説明します。この装置は、チタン合金、合金鋼、金型鋼、ステンレス鋼のイオン窒化およびソフトイオン窒化が可能です。
炉本体の有効作業ゾーンは直径300mm、高さ400mmで、最大積載量は100kgです。一般的な運転温度範囲は500～600℃で、最高運転温度は650℃です。究極真空度は6.7Pa以下、圧力上昇率は5Pa/h以下、大気圧から究極真空までの到達時間は30分以内です。炉殻表面温度の上昇は55℃を超えません。
モデル表記において、IVは第4世代デジタル制御システム、30はパルス電源の最大平均電流30アンペア、Aは全自動インテリジェントタイプを表します。
イオン窒化は低圧ガス放電環境で行われ、その電圧電流特性曲線は非線形です。金属材料のイオン窒化は一般的に電圧電流特性曲線の「異常放電」領域で運転され、この領域の上限点Gは危険な屈曲点です。電源としてのガス放電は、負抵抗特性を持つ負荷です。カソードとして機能するワークピースは、その表面形状と周囲環境（ワークピースの積層）の両方が表面電流密度に影響を与えます。
これらの物理的特性により、イオン電源は3つの技術的課題を克服する必要があります。第一はアーク放電です。ワークピース表面が清浄でない場合、非導電性の油膜が容易に形成されます。表面に電荷がある程度蓄積すると、絶縁破壊を起こし、瞬間的な大電流放電を発生させ、高エネルギー火花を発生させます。迅速に遮断されない場合、これは電源障害とワークピースの損傷を引き起こします。第二はホローカソード効果です。ワークピースに穴やスロットがある場合、ワークピース間の隙間、または不均一な曲がりがある場合、特定のガス圧力でグロー放電の重なりの臨界状態が発生します。これはワークピース表面全体でグロー放電の明るさが不均一になり、表面電流密度が不均一になり、温度分布が不均一になることを意味します。第三は電流密度とガス圧力の間の結合関係です。ガス圧力はグローの厚さに影響を与え、それが電流密度に影響を与えます。圧力が高いほどグローは薄くなり、温度均一性に有利ですが、圧力が溝や穴の表面全体を均一に覆うのに十分なほど高い場合、電流はワークピースの絶縁に必要な電力よりもはるかに大きくなります。
本装置に搭載されているパルス電源は、出力周波数20,000Hz、方形波出力波形、0～900Vで連続調整可能な出力電圧（200V以上で急激なジャンプなし）、10%～85%の範囲で連続調整可能なデューティサイクル、最大パルス出力平均電流30A、アーク消弧時間2μs以下を備えています。
デューティサイクルは、オン時間とパルス周期の比率として定義されます。平均加熱電力は、ピーク電圧に電流を掛け、それにデューティサイクルを掛けたものに等しくなります。パルス電源における調整可能なデューティサイクルの導入は、平均加熱電力とワークピース処理に必要な閾値条件との間の矛盾を効果的に解決します。この矛盾の本質は、均一なグローカバレッジに必要な電流密度を満たすために、加熱電力がワークピース温度を維持するために必要な電力よりも大きくなる可能性があることであり、デューティサイクル調整によりこれら2つを分離できます。
高速アーク消弧は、放電回路における電磁誘導の原理を利用して、アーク信号を（遅延なしで）迅速に検出し、その後、高速デジタルロジックデバイスを介して主電流回路の高速電子スイッチを即座に制御することにより、2μs以内にアークを消弧します。
パルス電源の適用は、いくつかのプロセス効果ももたらします。パルスの絶対オフ時間は比較的短く、電源がオフになった後、荷電粒子の濃度は直ちにゼロに低下せず、ゆっくりと低下します。大幅に低下する前に次のパルスが到着するため、平均電子濃度が高くなり、イオン化率が増加します。ホローカソード効果は効果的に抑制されます。パルス電源は窒化プロセスパラメータの調整範囲を広げ、各パラメータは独立して調整可能であるため、複雑な表面形状を持つワークピース上のグローカバレッジの均一性を向上させ、それによって浸透層の品質と表面平滑性を向上させることができます。
制御システムは、プログラム可能なロジックコントローラーとタッチスクリーンを主要制御センターとして使用します。PLCはFX3Gシリーズユニットで、プログラムメモリ容量は32Kステップ、基本命令処理速度は0.21μs、高速通信インターフェース（RS422およびUSB）を2つ備えています。タッチスクリーンは12インチTFT LCDで、解像度は1920×1080、4線抵抗膜タッチ、メイン周波数1GHz、McgsPro設定ソフトウェアがプリインストールされています。
システムは、マルチタスク集中管理および分散制御の完全デジタルアーキテクチャを採用しており、イオン窒化における3つの主要パラメータの閉ループ制御を同時に実現できます。温度制御精度は±1℃、圧力制御精度は±1Pa、流量制御精度は±0.5%です。
温度制御は日本の島田製作所SRS13シリーズデジタルコントローラーとPID制御を採用し、温度制御回路および熱電対と組み合わせて温度閉ループ制御システムを形成します。圧力制御も島田製作所SRS13デジタルコントローラーを採用し、周波数変換器および圧力センサーと組み合わせて圧力閉ループ制御システムを形成します。流量制御は、ガス流量を制御するために専用のマスフローメーター1台で構成されています。
圧力閉ループの実装パスは次のとおりです。圧力トランスミッターが炉圧を測定し、デジタルコントローラーに標準電流信号を出力します。コントローラーは、設定圧力値とリアルタイムサンプリング値に基づいてPID計算を実行し、周波数変換器に標準電流信号を出力します。真空ポンプモーターの速度を調整することにより、吸引速度が調整され、炉圧がプロセス設定値で一定に保たれます。この制御方法により±1Paの精度が達成され、真空ポンプと周波数変換器の組み合わせ使用により、起動時のポンプ本体の機械的摩耗が大幅に軽減され、長期間の低速運転により耐用年数が大幅に延長されます。
流量制御は日本の堀場製作所S500シリーズマスフローメーターを採用しており、応答時間は、制御開始時および制御中の設定点変更時に、全閉状態から設定点に到達するまで0.3±2%秒未満です。制御範囲はフルスケールの1～100%をカバーし、単一のユニバーサルDC24V電源から動作し、内部電源回路は入出力回路から絶縁されています。
炉本体はベルとベースの2つの部分からなる垂直ベルジャー構造を採用しています。ベルシリンダーは水冷二重壁構造とマルチチャンネル水冷システムを採用し、炉内温度の均一性を確保しています。シリンダー内には310Sステンレス鋼の断熱板が6層、炉台上部にはステンレス鋼の断熱板が2層設置されており、長期間の高温運転と大幅な省エネルギーを実現しています。炉壁近くの断熱層内には厚さ20mmのアルミナケイ酸断熱綿が追加されています。
カソードプレートは、3セットの高品質鋳造マイカで炉台に支持されており、高さ調整可能です。カソードプレートは厚さ30mm以上の310Sステンレス鋼板製です。ワークピースに接触する材料トレイ固定フレームも310Sステンレス鋼製です。カソード接続装置は、緩いクイックコネクタによる過熱問題を回避するために、リジッド接続として設計されています。
2本の熱電対が炉底板から導入され、カソードプレートの中央に配置されて温度測定ヘッドをシミュレートします。1本はイオン加熱パルス電源による温度制御に使用され、もう1本は多方向温度監視のためにアラーム計器に接続されます。ベース中央には真空排気ポートとカソード入口があり、フランジ、厚肉ステンレス鋼管、ステンレス鋼ベローズで接続され、高温耐性フッ素ゴムシールリングでシールされています。
真空システムは、炉本体の予備真空引き、および窒化プロセス中の雰囲気置換および排ガス排出に使用されます。システムには、真空ユニットとして2X15ロータリーバキュームポンプが1台装備されています。ポンプセットには、インフレーションバルブ付きの電磁真空ポンプ1台と高真空バタフライバルブ1台が含まれています。ロータリーバキュームポンプは広東迅達2Xシリーズユニットで、プロセスガス腐食に耐性があり、周波数変換器で制御され、GI-50高真空バタフライバルブを主制御バルブとして装備しています。
真空測定にはZJ-1C型容量ダイヤフラム絶対圧トランスミッターを使用します。この真空計は、測定媒体の種類や組成の影響を受けず、正確で信頼性の高い測定を提供し、測定値はデジタル表示計器に表示され、炉圧制御に参加します。
ガス分配システムは、炉へのプロセスガスの導入を制御するために使用され、ガス源、流量計、および対応する配管で構成されています。プロセスガス（アンモニアなど）はユーザーによって提供され、マスフローメーターを通過した後、プロセスレシピに従って専用の混合タンクを介して炉本体に導入されます。ガス配管はステンレス鋼製で、各ガスラインには減圧弁、手動遮断弁、フィルター、圧力計、電磁弁が装備されています。
冷却水システムは循環冷却方式を採用しており、水源は冷却塔とウォーターポンプ（購入者の責任）によって供給されます。冷却水の要件：入口水温31℃以下、入口水圧0.15～0.25MPa、総流量20m³/h。各冷却水分岐には、個別の流量調整のために独立した入口および出口バルブが装備されています。装置に取り付けられたすべての冷却水配管、バルブ、および継手はステンレス鋼製です。
主入口パイプには電気接点圧力計が設置されており、入口圧力が異常な場合の警報に使用され、制御システムは対応する保護アクションを実行します。主給水口パイプにはバックアップ給水バルブが設置されており、ユーザーの水道管に接続されています。予期せぬ停電または断水の場合、炉本体は水道水で冷却できます。
システムには、過熱、過圧、熱電対損傷、水不足、相損失のアラーム機能があり、音響および視覚アラームと制御インターフェースアラームの両方があり、電源投入禁止、加熱禁止、特定の問題に応じた加熱の遮断または再開などの対応する保護アクションを実行します。
制御システムは、装置の故障の自己診断を実現し、ユーザーに対応する故障箇所を点検および修理するように促します。故障が発生した場合、システムは自動的にすべてのバルブを閉じます。真空システムにはシーケンシャルスタートおよびストップ機能があり、完全なインターロックおよび相互インターロック機構を備えており、すべてのバルブは電源オフシャットオフタイプです。
本事例研究では、垂直単一ベルジャー単一ステーション構造を採用した全自動インテリジェントイオン窒化炉、モデルWDL-IV-30Aについて説明します。この装置は、チタン合金、合金鋼、金型鋼、ステンレス鋼のイオン窒化およびソフトイオン窒化が可能です。
炉本体の有効作業ゾーンは直径300mm、高さ400mmで、最大積載量は100kgです。一般的な運転温度範囲は500～600℃で、最高運転温度は650℃です。究極真空度は6.7Pa以下、圧力上昇率は5Pa/h以下、大気圧から究極真空までの到達時間は30分以内です。炉殻表面温度の上昇は55℃を超えません。
モデル表記において、IVは第4世代デジタル制御システム、30はパルス電源の最大平均電流30アンペア、Aは全自動インテリジェントタイプを表します。
イオン窒化は低圧ガス放電環境で行われ、その電圧電流特性曲線は非線形です。金属材料のイオン窒化は一般的に電圧電流特性曲線の「異常放電」領域で運転され、この領域の上限点Gは危険な屈曲点です。電源としてのガス放電は、負抵抗特性を持つ負荷です。カソードとして機能するワークピースは、その表面形状と周囲環境（ワークピースの積層）の両方が表面電流密度に影響を与えます。
これらの物理的特性により、イオン電源は3つの技術的課題を克服する必要があります。第一はアーク放電です。ワークピース表面が清浄でない場合、非導電性の油膜が容易に形成されます。表面に電荷がある程度蓄積すると、絶縁破壊を起こし、瞬間的な大電流放電を発生させ、高エネルギー火花を発生させます。迅速に遮断されない場合、これは電源障害とワークピースの損傷を引き起こします。第二はホローカソード効果です。ワークピースに穴やスロットがある場合、ワークピース間の隙間、または不均一な曲がりがある場合、特定のガス圧力でグロー放電の重なりの臨界状態が発生します。これはワークピース表面全体でグロー放電の明るさが不均一になり、表面電流密度が不均一になり、温度分布が不均一になることを意味します。第三は電流密度とガス圧力の間の結合関係です。ガス圧力はグローの厚さに影響を与え、それが電流密度に影響を与えます。圧力が高いほどグローは薄くなり、温度均一性に有利ですが、圧力が溝や穴の表面全体を均一に覆うのに十分なほど高い場合、電流はワークピースの絶縁に必要な電力よりもはるかに大きくなります。
本装置に搭載されているパルス電源は、出力周波数20,000Hz、方形波出力波形、0～900Vで連続調整可能な出力電圧（200V以上で急激なジャンプなし）、10%～85%の範囲で連続調整可能なデューティサイクル、最大パルス出力平均電流30A、アーク消弧時間2μs以下を備えています。
デューティサイクルは、オン時間とパルス周期の比率として定義されます。平均加熱電力は、ピーク電圧に電流を掛け、それにデューティサイクルを掛けたものに等しくなります。パルス電源における調整可能なデューティサイクルの導入は、平均加熱電力とワークピース処理に必要な閾値条件との間の矛盾を効果的に解決します。この矛盾の本質は、均一なグローカバレッジに必要な電流密度を満たすために、加熱電力がワークピース温度を維持するために必要な電力よりも大きくなる可能性があることであり、デューティサイクル調整によりこれら2つを分離できます。
高速アーク消弧は、放電回路における電磁誘導の原理を利用して、アーク信号を（遅延なしで）迅速に検出し、その後、高速デジタルロジックデバイスを介して主電流回路の高速電子スイッチを即座に制御することにより、2μs以内にアークを消弧します。
パルス電源の適用は、いくつかのプロセス効果ももたらします。パルスの絶対オフ時間は比較的短く、電源がオフになった後、荷電粒子の濃度は直ちにゼロに低下せず、ゆっくりと低下します。大幅に低下する前に次のパルスが到着するため、平均電子濃度が高くなり、イオン化率が増加します。ホローカソード効果は効果的に抑制されます。パルス電源は窒化プロセスパラメータの調整範囲を広げ、各パラメータは独立して調整可能であるため、複雑な表面形状を持つワークピース上のグローカバレッジの均一性を向上させ、それによって浸透層の品質と表面平滑性を向上させることができます。
制御システムは、プログラム可能なロジックコントローラーとタッチスクリーンを主要制御センターとして使用します。PLCはFX3Gシリーズユニットで、プログラムメモリ容量は32Kステップ、基本命令処理速度は0.21μs、高速通信インターフェース（RS422およびUSB）を2つ備えています。タッチスクリーンは12インチTFT LCDで、解像度は1920×1080、4線抵抗膜タッチ、メイン周波数1GHz、McgsPro設定ソフトウェアがプリインストールされています。
システムは、マルチタスク集中管理および分散制御の完全デジタルアーキテクチャを採用しており、イオン窒化における3つの主要パラメータの閉ループ制御を同時に実現できます。温度制御精度は±1℃、圧力制御精度は±1Pa、流量制御精度は±0.5%です。
温度制御は日本の島田製作所SRS13シリーズデジタルコントローラーとPID制御を採用し、温度制御回路および熱電対と組み合わせて温度閉ループ制御システムを形成します。圧力制御も島田製作所SRS13デジタルコントローラーを採用し、周波数変換器および圧力センサーと組み合わせて圧力閉ループ制御システムを形成します。流量制御は、ガス流量を制御するために専用のマスフローメーター1台で構成されています。
圧力閉ループの実装パスは次のとおりです。圧力トランスミッターが炉圧を測定し、デジタルコントローラーに標準電流信号を出力します。コントローラーは、設定圧力値とリアルタイムサンプリング値に基づいてPID計算を実行し、周波数変換器に標準電流信号を出力します。真空ポンプモーターの速度を調整することにより、吸引速度が調整され、炉圧がプロセス設定値で一定に保たれます。この制御方法により±1Paの精度が達成され、真空ポンプと周波数変換器の組み合わせ使用により、起動時のポンプ本体の機械的摩耗が大幅に軽減され、長期間の低速運転により耐用年数が大幅に延長されます。
流量制御は日本の堀場製作所S500シリーズマスフローメーターを採用しており、応答時間は、制御開始時および制御中の設定点変更時に、全閉状態から設定点に到達するまで0.3±2%秒未満です。制御範囲はフルスケールの1～100%をカバーし、単一のユニバーサルDC24V電源から動作し、内部電源回路は入出力回路から絶縁されています。
炉本体はベルとベースの2つの部分からなる垂直ベルジャー構造を採用しています。ベルシリンダーは水冷二重壁構造とマルチチャンネル水冷システムを採用し、炉内温度の均一性を確保しています。シリンダー内には310Sステンレス鋼の断熱板が6層、炉台上部にはステンレス鋼の断熱板が2層設置されており、長期間の高温運転と大幅な省エネルギーを実現しています。炉壁近くの断熱層内には厚さ20mmのアルミナケイ酸断熱綿が追加されています。
カソードプレートは、3セットの高品質鋳造マイカで炉台に支持されており、高さ調整可能です。カソードプレートは厚さ30mm以上の310Sステンレス鋼板製です。ワークピースに接触する材料トレイ固定フレームも310Sステンレス鋼製です。カソード接続装置は、緩いクイックコネクタによる過熱問題を回避するために、リジッド接続として設計されています。
2本の熱電対が炉底板から導入され、カソードプレートの中央に配置されて温度測定ヘッドをシミュレートします。1本はイオン加熱パルス電源による温度制御に使用され、もう1本は多方向温度監視のためにアラーム計器に接続されます。ベース中央には真空排気ポートとカソード入口があり、フランジ、厚肉ステンレス鋼管、ステンレス鋼ベローズで接続され、高温耐性フッ素ゴムシールリングでシールされています。
真空システムは、炉本体の予備真空引き、および窒化プロセス中の雰囲気置換および排ガス排出に使用されます。システムには、真空ユニットとして2X15ロータリーバキュームポンプが1台装備されています。ポンプセットには、インフレーションバルブ付きの電磁真空ポンプ1台と高真空バタフライバルブ1台が含まれています。ロータリーバキュームポンプは広東迅達2Xシリーズユニットで、プロセスガス腐食に耐性があり、周波数変換器で制御され、GI-50高真空バタフライバルブを主制御バルブとして装備しています。
真空測定にはZJ-1C型容量ダイヤフラム絶対圧トランスミッターを使用します。この真空計は、測定媒体の種類や組成の影響を受けず、正確で信頼性の高い測定を提供し、測定値はデジタル表示計器に表示され、炉圧制御に参加します。
ガス分配システムは、炉へのプロセスガスの導入を制御するために使用され、ガス源、流量計、および対応する配管で構成されています。プロセスガス（アンモニアなど）はユーザーによって提供され、マスフローメーターを通過した後、プロセスレシピに従って専用の混合タンクを介して炉本体に導入されます。ガス配管はステンレス鋼製で、各ガスラインには減圧弁、手動遮断弁、フィルター、圧力計、電磁弁が装備されています。
冷却水システムは循環冷却方式を採用しており、水源は冷却塔とウォーターポンプ（購入者の責任）によって供給されます。冷却水の要件：入口水温31℃以下、入口水圧0.15～0.25MPa、総流量20m³/h。各冷却水分岐には、個別の流量調整のために独立した入口および出口バルブが装備されています。装置に取り付けられたすべての冷却水配管、バルブ、および継手はステンレス鋼製です。
主入口パイプには電気接点圧力計が設置されており、入口圧力が異常な場合の警報に使用され、制御システムは対応する保護アクションを実行します。主給水口パイプにはバックアップ給水バルブが設置されており、ユーザーの水道管に接続されています。予期せぬ停電または断水の場合、炉本体は水道水で冷却できます。
システムには、過熱、過圧、熱電対損傷、水不足、相損失のアラーム機能があり、音響および視覚アラームと制御インターフェースアラームの両方があり、電源投入禁止、加熱禁止、特定の問題に応じた加熱の遮断または再開などの対応する保護アクションを実行します。
制御システムは、装置の故障の自己診断を実現し、ユーザーに対応する故障箇所を点検および修理するように促します。故障が発生した場合、システムは自動的にすべてのバルブを閉じます。真空システムにはシーケンシャルスタートおよびストップ機能があり、完全なインターロックおよび相互インターロック機構を備えており、すべてのバルブは電源オフシャットオフタイプです。
