等离子体辅助渗碳制造技术

本发明专利技术提供了一种渗碳物体表面区域的系统和方法，其包括：使气体受到产生于辐射源（５２）的电磁辐射，在等离子体催化剂（７０）存在的情况下来激发含碳等离子体。该方法还包括将该物体的表面区域暴露于等离子体一段足够长的时间以从等离子体将至少一部分碳通过第一表面区域转移到该物体。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及渗碳的系统和方法。更具体地说，本专利技术涉及用等离子体催化剂激发、调节以及维持气体中的等离子体的系统和方法，以及将等离子体用于渗碳过程。
技术介绍
渗碳是一种广泛公知的表面硬化过程。该过程包括将碳扩散到低碳钢合金中以形成高碳钢表面。扩散的碳通常与钢的合金反应来加强钢表面的硬度。渗碳可导致一种具有高表面硬度和柔软内核的部件。因此，渗碳可以在处理高磨损部件如齿轮和轴方面特别有用。加强的表面硬度可以提供对摩擦和碰撞磨损的适当抵抗而无需牺牲体材料的理想特性。碳扩散进入钢的深度可以通过部件的温度和暴露于含碳环境的时间控制。最通常，把要渗碳的部件在包含碳的环境中在熔炉中加热至理想的渗碳温度。渗碳之后，要么慢慢冷却以便后续的淬火硬化，要么直接放入各种气态或液态淬火器中淬火。虽然已知的渗碳方法可以获得可接受的表面硬度水平，但这些方法包括了几个缺点。例如，部件可以在一种空气渗碳炉中被渗碳，然而，该部件的小或者薄的部分的加热通常快于该部件表面的其余部分。结果是，这些部分会表现出比部件其他部分更高的硬度。此外，空气渗碳炉通常慢且缺乏精确控制部件温度的能力。渗碳也可在真空炉中进行。在该系统中，部件可被放置于真空室中，然后该真空室被抽真空。该部件被加热至一个理想的温度并且一种渗碳气体可被补充进该真空室中。虽然这种方法可产生具有均匀硬度值的表面，但是要建立并维持在渗碳过程中所需的真空环境仍然是费用昂贵且耗时的。也可以通过将部件暴露于一种含碳的等离子体进行渗碳。虽然等离子渗碳方法可以提供比传统熔炉渗碳方法潜在提高的加热效率，但是这些等离子体渗碳方法包括了使用昂贵的真空装置来提供所需的真空环境。另外，渗碳等离子体的产生通常需要在工件与阴极(例如，室)之间施加几百伏的DC。本专利技术解决了与已知的渗碳系统和/或方法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包括一种用于渗碳物体第一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微波辐射来激发渗碳等离子体，其中等离子体包含碳，以及将物体第一表面区域暴露于该等离子体中一段足够长的时间，以从等离子体中将至少一部分碳通过第一表面区域转移到该物体。本专利技术的第二个方面包括一种用于等离子体辅助渗碳物体的系统。该系统包括等离子体催化剂，其中形成有腔的容器，并且其中在腔中存在等离子体催化剂的情况下通过使气体受到电磁辐射(例如，微波辐射)来激发等离子体，以及连接到腔的电磁辐射源以将辐射引入腔。本专利技术还提供了用于根据本专利技术的等离子体辅助渗碳过程的多种等离子体催化剂。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渗碳等离子体系统的示意图；图1A表示根据本专利技术的部分渗碳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等离子体辅助渗碳的方法和系统。使用根据本专利技术的等离子体催化剂可激发、调节和维持渗碳等离子体。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.1837.0012)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0013)，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渗碳系统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，微波透射)隔板，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超过2000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，NewCastle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。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。腔的尺寸为约2英寸×约2英寸×约1.5英寸。在砖状物中至少具有两个与腔连通的孔一个用来观察等离子体，并且至少一个用来供给形成等离子体的气体。腔的尺寸和形状取决于想要进行的等离子体过程。此外，腔至少应该设置成能够防止等离子体上升/漂移从而离开主要处理区。腔12可以通过管线20和控制阀22与一个或多个气体源24(例如氩气、氮气、氢气、氙气、氪气等气体源)相连，由电源28提供能量。管线20可以是任何能够运送气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离子体辅助渗碳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大约３３３ＧＨｚ的电磁辐射来激发等离子体，其中所述等离子体包括碳；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，以从所述等离子体中将至少一部分所述碳通过所述第一表面区域转移到所述物体。

【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，ML大多尔蒂，
申请(专利权)人：达纳公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]