等离子体辅助氮表面处理制造技术

本发明专利技术提供了用于等离子体辅助氮表面处理的方法和系统。该方法包括在等离子体催化剂存在的情况下使气体受到电磁辐射来激发含氮的等离子体。将物体的表面区域暴露于等离子体一段足够长的时间以将至少一些氮通过表面区域从等离子体转移到物体。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及表面处理系统及方法。更具体地说，本专利技术涉及使用等离子体催化剂在气体中激发、调节和维持等离子体以及用于在氮表面处理过程中使用等离子体的系统和方法。
技术介绍
已知各种氮表面处理(例如，氮化、渗碳氮化(carbonitriding)、氮碳共渗(nitrocarburizing)等)用作表面硬化过程。这些过程可以包括将不同程度的氮扩散到各种铁合金(例如，钢)中来形成富氮的表面。扩散的氮会与钢合金反应以增强表面硬度。氮表面处理会产生具有高表面硬度和软核的组件。因此，氮表面处理对于处理诸如齿轮和轴的高磨损的组件有用。另外，氮表面处理会改善疲劳寿命和组件的耐蚀性。在多数氮表面处理过程中，例如，通过组件的温度和暴露于含氮的气态环境的时间来控制氮扩散到钢中的深度。最经常地，在包括氮的环境在熔炉中将要处理的部件加热到所希望的温度。包括氮化的氮表面处理的一个显著的优点是没有淬火就可以改善表面硬度。当已知的氮表面处理方法可获得可接受的表面硬度程度时，这些方法包括几个缺点。例如，在大气的氮处理烘箱中可以处理部件。然而，在这种烘箱中，部件的小或薄的部分一般比部件表面的剩余部分加热得更快。结果，这些部分会显示出比部件的其余部分更高的硬度。而且，大气烘箱一般较慢且缺乏精确控制部件的温度的能力。氮表面处理也可以在真空炉中进行。在该设置中，可以将部件放置于真空室中，然后将其抽空。将部件加热到所需的温度，且可以将氮和任选的其它气体供给真空室。尽管这种方法可以产生具有均匀硬度值的表面，然而在表面处理期间，建立和保持所需的真空耗费高且耗时。同样，通过将部件暴露到含氮的等离子体来进行例如包括氮化的氮表面处理。尽管与传统的熔炉氮化方法相比等离子体氮化方法可以潜在地提高加热速率，然而这些等离子体辅助方法一般包括使用昂贵的真空设备来建立必需的真空环境。本专利技术解决了与已知的氮表面处理相关的一个或多个问题。
技术实现思路
本专利技术的一个方面提供了一种氮化物体的表面区域的等离子体辅助方法。该方法包括在等离子体催化剂存在的情况下，通过使气体受到辐射(例如微波辐射)激发等离子体，其中等离子体含氮；以及将物体的表面区域暴露于等离子体一段足够长的时间以将至少一些氮通过表面区域从等离子体转移到物体。本专利技术的另一方面提供了一种表面硬化物体的第一表面区域的方法。该方法包括在等离子体催化剂存在的情况下，通过使气体受到辐射激发等离子体，其中等离子体含氮和碳；以及将物体的表面区域暴露于等离子体一段足够长的时间以将至少一些氮和至少一些碳通过表面区域转移到物体。本专利技术的再一方面提供了一种用于等离子体辅助表面硬化物体的系统。该系统包括等离子体催化剂；容器，在其中形成腔，并且其中在等离子体催化剂存在的情况下，通过使气体受到辐射，激发含氮和碳中的至少一种的等离子体；以及辐射源，与腔相连，用于将辐射引入腔。本专利技术还提供了多种等离子体催化剂，用于等离子体辅助氮化、渗碳氮化和氮碳共渗。附图说明本专利技术的其它特征将通过下面结合附图的详细描述变得明显，其中相同的标号表示相同的部件，其中图1表示根据本专利技术的氮等离子体系统的示意图；图1A表示根据本专利技术的部分氮等离子体系统的实施例，该系统通过向等离子体腔加入粉末等离子体催化剂来激发、调节或维持腔中的等离子体；图2表示根据本专利技术的等离子体催化剂纤维，该纤维的至少一种成分沿其长度方向具有浓度梯度；图3表示根据本专利技术的等离子体催化剂纤维，该纤维的多种成分沿其长度按比率变化；图4表示根据本专利技术的另一个等离子体催化剂纤维，该纤维包括内层核芯和涂层；图5表示根据本专利技术的图4所示的等离子体催化剂纤维沿图4的线5-5的截面图；图6表示根据本专利技术的等离子体系统的另一个部分的实施例，该等离子体系统包括延伸通过激发口的伸长型等离子体催化剂；图7表示根据本专利技术在图6的系统中使用的伸长型等离子体催化剂的 具体实施例方式本专利技术提供了用于具有氮的表面的等离子体辅助处理的方法和装置。根据本专利技术，可以用等离子体催化剂激发、调节和维持等离子体。在此引入下列共同拥有并同时申请的美国专利申请的全部内容作为参考美国专利申请No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0008)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0009)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0010)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0011)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0012)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0015)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0016)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0017)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0018)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0020)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0021)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0023)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0024)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0025)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0026)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0027)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0028)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0029)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0030)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0032)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0033)。等离子体系统的说明图1表示根据本专利技术的一个方面的氮表面处理系统10。在该实施例中，在位于辐射腔(即辐射器(applicator))14内部的容器中形成腔12。在另一个实施例中(未示出)，容器12和辐射腔14是同一个，从而不需要两个独立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一个或多个辐射透射(例如，透射微波)阻挡层，以改善其热绝缘性能使腔12无需显著地屏蔽辐射。在一个实施例中，腔12在由陶瓷制成的容器内形成。由于根据本专利技术的等离子体可以达到非常高的温度，因此可以使用能工作于大于约2,000华氏度，例如约3000华氏度的陶瓷。陶瓷材料可以包括重量百分比为29.8％的硅，68.2％的铝，0.4％的氧化铁，1％的钛，0.1％的氧化钙，0.1％的氧化镁，0.4％的碱金属，该陶瓷材料为Model No.LW-30，由Pennsylvania，New Castle的New Castle Refractories公司出售。然而本领域的普通技术人员可知，根据本专利技术也可以使用其它材料，例如石英以及那些与上述不同的材料。应该理解本专利技术的其它实施例可包括旨在大约2,000华氏度以下的温度下工作的材料。在一个成功的实验中，等离子体形成在部分开口的腔中，该腔在第一砖状物内并以第二砖状物封顶。腔的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化物体的第一表面区域的方法，该方法包括：在等离子体催化剂存在的情况下，通过使气体受到频率小于约３３３ＧＨｚ的电磁辐射激发氮化等离子体，其中所述等离子体含氮；以及将所述物体的第一表面区域暴露于所述等离子体一段足够长的时间 以将至少一些所述氮通过所述第一表面区域从所述等离子体转移到所述物体。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：D库马尔，S库马尔，
申请(专利权)人：BTU国际公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]