本发明专利技术涉及用于金属零件表面的热化学处理的等离子处理和反应器。反应器(R)具有反应室(RC)，该反应室设有用于金属零件(1)的支撑体(S)并且设有与接地(2b)连接的阳极系统(2)和与支撑体(S)并且与脉动DC电源(10)连接的阴极系统(3)。在被加热并且被供给气体负载的反应室中，通过阴极中的放电，形成气体等离子体。液体或气体前体被准许进入与高电压能源(30)相关联的至少一个管状裂解室(20)中。可提供与电源(50)相关联的接收固体前体的至少一个管状溅射室(40)。在阳极(2)与所述管状室(20、40)中的一个或另一个之间施加电势差，以同时或单独地并且以任何次序地释放要对着金属零件(1)被离子轰击的合金元素。
Plasma treatment and reactor for surface thermochemical treatment of metal parts
【技术实现步骤摘要】
用于金属零件表面的热化学处理的等离子处理和反应器本申请是申请人的申请日为2015年10月19日、申请号为201580063209.5、专利技术名称为“用于金属零件表面的热化学处理的等离子处理和反应器”的专利技术专利申请的分案申请
本专利技术涉及用于实施金属零件的表面热化学处理的方法和多功能等离子体反应器，其目的是将化学元素引入到被处理的零件中或者形成相互连接的化学元素的复合物或组合的表面层，使得所述零件具有更高的机械强度和/或耐蚀性/耐磨性。本专利技术的等离子体反应器允许实施不同的处理操作，包括清洗、氮化和为了施加于处理中的金属零件之上需要裂解和/或溅射的化学前体的其它表面处理。
技术介绍
在许多工业应用中，为了使材料适合某些要求，仅需要改变其表面性质。更常用的处理是氮化、增碳和碳氮化等。在进行这种处理的现有方法中，由等离子体进行的方法与其它方法相比具有一些优点，其可以定义为：处理时间短；工艺温度低；污染少；在零件中形成的表面层更均匀。这种方法的缺点之一是引入合金元素，其在天然相中不是气体的形式，例如钼、硅、铬和镍等的情况。在这种情况下，所用的表面处理是通过在零件上溅射待沉积的合金元素或通过加热所述合金元素的细丝直到其逐渐气化进入气相来进行的。通过合金元素提供金属零件的表面处理的另一种已知方式包括使用含有所需合金元素的液体前体，例如六甲基二硅氧烷和钼酸等，这些前体通常呈现需要进行裂解的长链，使得存在于前体中的合金元素被分离并传导到待处理的零件上。为了通过合金元素进行富集过程，一些创造者已经开发了一些类型的等离子体反应器。溅射反应器在期望的合金元素仅在固相前体中可用的情况下，通常在等离子体反应器的内部使用溅射，以便获得期望的合金元素的释放并随后使其传导到被处理的零件。Liu等使用的反应器(Xiaopinga,L.,Yuanb,G.,Zhonghoub,L.,Zhongb,X.,Wenhuaia,T.,Binb,T.Cr–Ni–Mo–Cosurfacealloyinglayerformedbyplasmasurfacealloyinginpureiron.AppliedSurfaceScience,v.252,p.3894–3902,2006)包括两个能量源(参见图1)，使得待处理的零件从-530V负极化至-580V(阴极1)且经受溅射处理的材料(靶材)从1.3极化到3.3kV(阴极2)。通过该专利技术，Liu由于阴极1中的零件(样品)的极化，因此可以从阴极2更有效地吸引粉碎的原子，从而提高工艺效率并确保零件的表面处理更均匀。在Liu提出的这种解决方案中，待处理的表面可以相对于阴极2垂直放置，并且仍然被有效地处理。Liu的目的是提高工艺效率，因为原子将不再仅通过扩散而到达表面，而会由于在待处理零件的表面上存在阴极2的负电势而加速。尽管使用固体前体的溅射以及除了溅射之外的在阴极处待处理零件的负极化的优点，由Liu提出的方案不允许需要在液体或气体前体中发现的合金元素的热化学处理，在将合金元素沉积于零件的表面上之前，这些前体呈现需要裂解以使合金元素分离的长链。并且，Liu没有提出提高溅射的能量效率的任何特别的建设性的设计。在Chang等的著作中介绍了等离子体反应器中的热化学处理的另一种已知的方案(Chi-LungChang,Jui-YunJao,Wei-YuHo,Da-YungWang.Influenceofbi-layerperiodthicknessontheresidualstress,mechanicalandtribologicalpropertiesofnanolayeredTiAlN/CrNmulti-layercoatings.Vacuum81(2007)604–609)。在该方案中使用的反应器给出三种能源用于实施处理(参见图2)。该方案使用TiAl的第一前体(靶材)和Cr的第二前体(靶材)的阴极电弧粉碎。该零件位于第二阴极中，以使得在气相中扩散的TiSi和Cr原子达到。为了在被处理材料的表面形成TiAlN/CrN膜，氮气用于与化学元素AleTi反应。Chang的过程与Liu的过程不同，因为Chang在同一反应堆中使用三个来源。在这种情况下，提供一个来源以获得铬，提供另一个来源以获得TiAl，并且最后一个来源用于使样品(要处理的零件)极化。尽管使用利用第三高电压能量源对零件的极化，但是Chang方案使用阴极电弧来实现与第一和第二高电压源相关联的感兴趣的不同合金元素的蒸发。然而，在反应器环境中使用电弧以为了获得导致靠近被处理零件的高温的溅射，危及已经经过先前热处理的这些零件的特性。Pavanati等描述了另一种已知的解决方案(Pavanati,H.C.,Lourenc,J.M.,Maliska,A.M.,Klein,A.N.,Muzart,J.L.R.Ferritestabilizationinducedbymolybdenumenrichmentinthesurfaceofunalloyedironsinteredinanabnormalglowdischarge.AppliedSurfaceScience,v.253,p.9105–9111,2007)。该方案使用金属靶材作为合金元素的来源，并且要富集的材料位于阳极中(参见图3)。Pavanati提出的方案中的问题是待处理表面缺乏极化，从而降低了工艺效率。如果在处理过程中没有提供连续的零件旋转，那么只有与溅射靶平行的表面才能以更高的效率被处理，并且这一点甚至没有被Pavanati建议。仍然关于为了等离子体产生使用单一来源的反应器，存在Brunato等使用的实验设备(Brunato,S.F.,Klein,A.N.,Muzart,J.L.R.HollowCathodeDischarge:ApplicationofaDepositionTreatmentintheIronSintering.JournaloftheBrazilSocietyofMechanicalScience&Engineering.,p.147.2008)。为了提高溅射速率，Brunato使用便利的空心阴极，其中样品位于其中(参见图4)。在Brunato情况下，样品位于中空阴极内。尽管在中空阴极中的溅射允许提高工艺效率，但是由于用于获得中空阴极的尺寸减小，因此Brunato方案具有限制样品尺寸的缺点。此外，待处理的零件经受由中空阴极中的放电产生的高温。在在处理环境中使用溅射方法提供所需的合金元素而不对待处理的零件进行负极化的反应器中，仅在零件在处理中旋转时才能实现层的均匀性，从而允许某一零件的整个表面靠近合金元素源。这种特征对处理大批零件来说是缺点。即使在溅射与零件的极化一起使用的情况下，诸如在Liu方案中的情况下，将热化学处理限制为使用在固体前体中提供的合金元素的缺点仍然是存在的，通过沉积需要液体前体和/或存在长链的合金元素，不允许在不移动零件的情况下同时或连续地处理零件。使用液体前体的反应器在合金元素或形成所需化合物所需的化学元素仅在液相或气相中的前体中可用并且存在长链的情况下，通常在等离子体反应器的内部使用裂解，用于获得期望的合金元素的释放及其随后在待处理的零件上的沉本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种在具有反应室(RC)的等离子体反应器(R)中热化学处理金属零件的表面的方法，反应室具有：承载金属零件(1)的支撑体(S)；阳极(2)和阴极(3)的系统，该系统的电极(2a)中的一个与高电压脉动DC电源(10)相关联；可离子化气体负载的入口(4)；和用于排空气体负载的出口(6)，所述方法的特征在于包括以下步骤：a)将阳极(2)连接到第一电极(2a)和接地(2b)，并将阴极(3)连接到作为阳极(2)和阴极(3)的系统的另一电极(3a)工作的支撑体(S)并且连接到脉动DC电源(10)的负电势；b)将金属零件(1)静置在与反应室(RC)内部的阴极(3)相关联的支撑体(S)中；c)用通过入口(4)供给到反应室(RC)的可离子化气体负载围绕支撑体(S)和金属零件(1)；d)将反应室(RC)的内部加热至工作温度；e)向与支撑体(S)和金属零件(1)相关联的阴极(3)施加放电，以使得形成围绕金属零件(1)和支撑体(S)的具有高动能的离子的气体等离子体；f)提供在管状溅射室(40)内限定的固体前体，所述管状溅射室具有向反应室(RC)内部开口的一个端部(41)并且与电源(50)相关联；g)在至少一个管状溅射室(40)与阳极(2)和阴极(3)的系统的阳极(2)之间施加电势差，以提供固体前体的溅射，从所述固体前体释放要对着通过脉动DC电源(10)负极化的金属零件(1)的表面被离子轰击的合金元素到反应室(RC)内；以及h)提供从反应室(RC)的内部的气体负载的排空。...
【技术特征摘要】
2014.10.20 BR BR10201402613461.一种在具有反应室(RC)的等离子体反应器(R)中热化学处理金属零件的表面的方法，反应室具有：承载金属零件(1)的支撑体(S)；阳极(2)和阴极(3)的系统，该系统的电极(2a)中的一个与高电压脉动DC电源(10)相关联；可离子化气体负载的入口(4)；和用于排空气体负载的出口(6)，所述方法的特征在于包括以下步骤：a)将阳极(2)连接到第一电极(2a)和接地(2b)，并将阴极(3)连接到作为阳极(2)和阴极(3)的系统的另一电极(3a)工作的支撑体(S)并且连接到脉动DC电源(10)的负电势；b)将金属零件(1)静置在与反应室(RC)内部的阴极(3)相关联的支撑体(S)中；c)用通过入口(4)供给到反应室(RC)的可离子化气体负载围绕支撑体(S)和金属零件(1)；d)将反应室(RC)的内部加热至工作温度；e)向与支撑体(S)和金属零件(1)相关联的阴极(3)施加放电，以使得形成围绕金属零件(1)和支撑体(S)的具有高动能的离子的气体等离子体；f)提供在管状溅射室(40)内限定的固体前体，所述管状溅射室具有向反应室(RC)内部开口的一个端部(41)并且与电源(50)相关联；g)在至少一个管状溅射室(40)与阳极(2)和阴极(3)的系统的阳极(2)之间施加电势差，以提供固体前体的溅射，从所述固体前体释放要对着通过脉动DC电源(10)负极化的金属零件(1)的表面被离子轰击的合金元素到反应室(RC)内；以及h)提供从反应室(RC)的内部的气体负载的排空。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少一个管状溅射室(40)经受反应室(RC)内部的工作温度。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一个管状溅射室(40)限定与反应器的反应室(RC)的阳极-阴极系统的阳极相关联的中空阴极。4.如权利要求1～3中的任一项所述的方法，其特征在于，气体负载和固体前体的离子化通过在低压气氛下的DC放电进行，生成等离子体并产生用于金属零件(1)的表面处理的合金元素。5....
【专利技术属性】
技术研发人员：C·宾德，E·A·贝尔纳代利，G·海姆斯，A·N·克雷恩，T·D·S·拉弥，R·宾德，
申请(专利权)人：圣卡塔琳娜州联邦大学，
类型：发明
国别省市：巴西,BR
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