等離子體輔助氮表面處理的制作方法

專利名稱：等離子體輔助氮表面處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面處理系統(tǒng)及方法。更具體地說，本發(fā)明涉及使用等離子體催化劑在氣體中激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體以及用于在氮表面處理過程中使用等離子體的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
已知各種氮表面處理(例如，氮化、滲碳氮化(carbonitriding)、氮碳共滲(nitrocarburizing)等)用作表面硬化過程。這些過程可以包括將不同程度的氮擴(kuò)散到各種鐵合金(例如，鋼)中來形成富氮的表面。擴(kuò)散的氮會與鋼合金反應(yīng)以增強(qiáng)表面硬度。氮表面處理會產(chǎn)生具有高表面硬度和軟核的組件。因此，氮表面處理對于處理諸如齒輪和軸的高磨損的組件有用。另外，氮表面處理會改善疲勞壽命和組件的耐蝕性。
在多數(shù)氮表面處理過程中，例如，通過組件的溫度和暴露于含氮的氣態(tài)環(huán)境的時間來控制氮擴(kuò)散到鋼中的深度。最經(jīng)常地，在包括氮的環(huán)境在熔爐中將要處理的部件加熱到所希望的溫度。包括氮化的氮表面處理的一個顯著的優(yōu)點(diǎn)是沒有淬火就可以改善表面硬度。
當(dāng)已知的氮表面處理方法可獲得可接受的表面硬度程度時，這些方法包括幾個缺點(diǎn)。例如，在大氣的氮處理烘箱中可以處理部件。然而，在這種烘箱中，部件的小或薄的部分一般比部件表面的剩余部分加熱得更快。結(jié)果，這些部分會顯示出比部件的其余部分更高的硬度。而且，大氣烘箱一般較慢且缺乏精確控制部件的溫度的能力。
氮表面處理也可以在真空爐中進(jìn)行。在該設(shè)置中，可以將部件放置于真空室中，然后將其抽空。將部件加熱到所需的溫度，且可以將氮和任選的其它氣體供給真空室。盡管這種方法可以產(chǎn)生具有均勻硬度值的表面，然而在表面處理期間，建立和保持所需的真空耗費(fèi)高且耗時。
同樣，通過將部件暴露到含氮的等離子體來進(jìn)行例如包括氮化的氮表面處理。盡管與傳統(tǒng)的熔爐氮化方法相比等離子體氮化方法可以潛在地提高加熱速率，然而這些等離子體輔助方法一般包括使用昂貴的真空設(shè)備來建立必需的真空環(huán)境。
本發(fā)明解決了與已知的氮表面處理相關(guān)的一個或多個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個方面提供了一種氮化物體的表面區(qū)域的等離子體輔助方法。該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到輻射(例如微波輻射)激發(fā)等離子體，其中等離子體含氮；以及將物體的表面區(qū)域暴露于等離子體一段足夠長的時間以將至少一些氮通過表面區(qū)域從等離子體轉(zhuǎn)移到物體。
本發(fā)明的另一方面提供了一種表面硬化物體的第一表面區(qū)域的方法。該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到輻射激發(fā)等離子體，其中等離子體含氮和碳；以及將物體的表面區(qū)域暴露于等離子體一段足夠長的時間以將至少一些氮和至少一些碳通過表面區(qū)域轉(zhuǎn)移到物體。
本發(fā)明的再一方面提供了一種用于等離子體輔助表面硬化物體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括等離子體催化劑；容器，在其中形成腔，并且其中在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到輻射，激發(fā)含氮和碳中的至少一種的等離子體；以及輻射源，與腔相連，用于將輻射引入腔。
本發(fā)明還提供了多種等離子體催化劑，用于等離子體輔助氮化、滲碳氮化和氮碳共滲。


本發(fā)明的其它特征將通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述變得明顯，其中相同的標(biāo)號表示相同的部件，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的氮等離子體系統(tǒng)的示意圖；圖1A表示根據(jù)本發(fā)明的部分氮等離子體系統(tǒng)的實(shí)施例，該系統(tǒng)通過向等離子體腔加入粉末等離子體催化劑來激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持腔中的等離子體；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的至少一種成分沿其長度方向具有濃度梯度；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的多種成分沿其長度按比率變化；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的另一個等離子體催化劑纖維，該纖維包括內(nèi)層核芯和涂層；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的圖4所示的等離子體催化劑纖維沿圖4的線5-5的截面圖；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體系統(tǒng)的另一個部分的實(shí)施例，該等離子體系統(tǒng)包括延伸通過激發(fā)口的伸長型等離子體催化劑；圖7表示根據(jù)本發(fā)明在圖6的系統(tǒng)中使用的伸長型等離子體催化劑的
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了用于具有氮的表面的等離子體輔助處理的方法和裝置。根據(jù)本發(fā)明，可以用等離子體催化劑激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體。
在此引入下列共同擁有并同時申請的美國專利申請的全部內(nèi)容作為參考美國專利申請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)。
等離子體系統(tǒng)的說明圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個方面的氮表面處理系統(tǒng)10。在該實(shí)施例中，在位于輻射腔(即輻射器(applicator))14內(nèi)部的容器中形成腔12。在另一個實(shí)施例中(未示出)，容器12和輻射腔14是同一個，從而不需要兩個獨(dú)立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一個或多個輻射透射(例如，透射微波)阻擋層，以改善其熱絕緣性能使腔12無需顯著地屏蔽輻射。
在一個實(shí)施例中，腔12在由陶瓷制成的容器內(nèi)形成。由于根據(jù)本發(fā)明的等離子體可以達(dá)到非常高的溫度，因此可以使用能工作于大于約2,000華氏度，例如約3000華氏度的陶瓷。陶瓷材料可以包括重量百分比為29.8％的硅，68.2％的鋁，0.4％的氧化鐵，1％的鈦，0.1％的氧化鈣，0.1％的氧化鎂，0.4％的堿金屬，該陶瓷材料為Model No.LW-30，由Pennsylvania，New Castle的New Castle Refractories公司出售。然而本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知，根據(jù)本發(fā)明也可以使用其它材料，例如石英以及那些與上述不同的材料。應(yīng)該理解本發(fā)明的其它實(shí)施例可包括旨在大約2,000華氏度以下的溫度下工作的材料。
在一個成功的實(shí)驗(yàn)中，等離子體形成在部分開口的腔中，該腔在第一磚狀物內(nèi)并以第二磚狀物封頂。腔的尺寸為約2英寸×約2英寸×約1.5英寸。在磚狀物中至少具有兩個與腔連通的孔一個用來觀察等離子體，并且至少一個用來供給形成等離子體的氣體。腔的尺寸和形狀取決于想要進(jìn)行的等離子體過程。此外，腔至少應(yīng)該設(shè)置成能夠防止等離子體上升/漂移從而離開主要處理區(qū)。
腔12可以通過管線20和控制閥22與一個或多個氣體源24(例如氬氣、氮?dú)?、氫氣、氙氣、氪氣氣體源)相連，由電源28提供能量。管線20可以是能夠運(yùn)送氣體的任意通道但應(yīng)窄到足以防止顯著的輻射泄露。例如，管線20可以是管狀(例如在大約1/16英寸和大約1/4英寸之間，如大約1/8英寸)。而且，如果需要，真空泵可以與腔相連來抽走在等離子體處理中產(chǎn)生的任何不需要的氣體。
一個輻射泄漏探測器(未示出)安裝在源26和波導(dǎo)管30附近，并與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)相連，如果檢測到泄漏量超過預(yù)定安全值時，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm2)規(guī)定的值，就自動關(guān)閉幅射電源(例如微波)。
由電源28提供能量的輻射源26通過一個或多個波導(dǎo)管30將輻射引入腔14。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解輻射源26可以直接連到腔14或腔12，從而取消波導(dǎo)管30。進(jìn)入腔12的輻射可以用來激發(fā)腔內(nèi)的等離子體。通過將附加的輻射例如微波輻射與催化劑相結(jié)合可以充分維持該等離子體并將其限制在腔內(nèi)。
通過循環(huán)器32和調(diào)諧器34(例如，3通短線(3-stub)調(diào)諧器)提供輻射。調(diào)諧器34用來使作為改變激發(fā)或處理?xiàng)l件的函數(shù)的反射能減至最少，特別是在等離子體形成之前，因?yàn)槲⒉芾鐚⒈坏入x子體強(qiáng)烈吸收。
如下面更詳細(xì)的說明，如果腔14支持多模，尤其當(dāng)這些?？沙掷m(xù)或周期性地混合時，腔14內(nèi)的輻射透射腔12的位置并不重要。例如，馬達(dá)36可以與?；旌掀?8相連，使時間平均的輻射能量分布在腔14內(nèi)大致均勻。而且，窗口40(例如石英窗)可以設(shè)置在鄰近腔12的腔14的一個壁上，使能用溫度傳感器42(例如光學(xué)高溫計(jì))來觀察腔12內(nèi)的處理。在一個實(shí)施例中，光學(xué)高溫計(jì)具有在某個跟蹤范圍之內(nèi)隨溫度改變的電壓輸出。
傳感器42能夠產(chǎn)生作為腔12中相關(guān)工件(未示出)的溫度或者任意其它可監(jiān)測的條件的函數(shù)的輸出信號，并將該信號供給控制器44。也可采用雙重溫度感應(yīng)和加熱，以及自動冷卻速度和氣流控制。該控制器44又用來控制電源28的運(yùn)行，其具有一個與輻射源26相連的輸出端和另一個與控制氣流進(jìn)入腔12的閥22相連的輸出端。
盡管可以使用任何小于約333GHz頻率的輻射，例如可以采用由通訊和能源工業(yè)(CPI)提供的915GHz和2.45GHz微波源也能同樣成功地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。2.45GHz系統(tǒng)持續(xù)提供從大約0.5千瓦到大約5.0千瓦的可變微波能。3通短線調(diào)諧器使得阻抗與最大能量傳遞相匹配，并且采用了測量入射和反射能量的雙向連接器(圖1中未示出)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明可以使用任何小于大約333GHz頻率的輻射。例如，可采用諸如能量線頻率(大約50Hz至60Hz)這樣的頻率，盡管形成等離子體的氣體壓力可能降低以便有助于等離子體激發(fā)。此外，根據(jù)本發(fā)明，任何無線電頻率或微波頻率可以使用包括大于約100kHz的頻率。在大多數(shù)情況下，用于這些相對高頻的氣體壓力不需要為了激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體而降低，因而在大氣壓和大氣壓之上能夠?qū)崿F(xiàn)多種等離子體處理。該裝置用采用LabVIEW6i軟件的計(jì)算機(jī)控制，它能提供實(shí)時溫度監(jiān)測和微波能量控制。通過利用適當(dāng)數(shù)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值平滑處理來降低噪音。并且，為了提高速度和計(jì)算效率，在緩沖區(qū)陣列中儲存的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目用移位寄存器和緩存區(qū)大小技術(shù)調(diào)整來限制。
高溫計(jì)測量大約1cm2的敏感區(qū)域溫度，用于計(jì)算平均溫度。高溫計(jì)用于探測兩個波長的輻射強(qiáng)度，并利用普朗克定律擬合這些強(qiáng)度值以測定溫度。然而，應(yīng)知道也存在并可使用符合本發(fā)明的用于監(jiān)測和控制溫度的其它裝置和方法。例如，在共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0033)中說明了根據(jù)本發(fā)明可以使用的控制軟件，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。
腔14具有幾個具有輻射屏蔽的玻璃蓋觀察口和一個用于插入高溫計(jì)的石英窗。盡管不是必須使用，還具有幾個與真空泵和氣體源相連的口。
系統(tǒng)10還包括一個帶有用自來水冷卻的外部熱交換器的可選封閉循環(huán)去離子水冷卻系統(tǒng)(未示出)。在操作中，去離子水先冷卻磁電管，接著冷卻循環(huán)器(用于保護(hù)磁電管)中的裝卸處，最后流過焊接在腔的外表面上的水通道冷卻輻射腔。
等離子體催化劑根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可包括一種或多種不同的物質(zhì)并且可以是惰性或者活性的。在氣體壓力低于、等于或大于大氣壓力的情況下，等離子體催化劑可以在其它物質(zhì)中激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持涂覆等離子體。
根據(jù)本發(fā)明的一種形成等離子體的方法可包括使腔內(nèi)氣體在惰性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑包括通過使根據(jù)本發(fā)明的局部電場(例如電磁場)變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無需對催化劑施加附加的能量，例如通過施加電壓引起瞬間放電。
本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以是例如納米粒子或納米管。這里所使用的術(shù)語“納米粒子”包括最大物理尺寸小于約100nm的至少是半導(dǎo)電的任何粒子。并且，摻雜和不摻雜的、單層壁和多層壁的碳納米管由于它們異常的導(dǎo)電性和伸長形狀對本發(fā)明的激發(fā)等離子體尤其有效。該納米管可以有任意合適的長度并且能夠以粉末狀固定在基板上。如果固定的話，當(dāng)?shù)入x子體激發(fā)或維持時，該納米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些預(yù)定方向)。
本發(fā)明的惰性等離子體也可以是例如粉末，而不必包括納米粒子或納米管。例如它可以形成為纖維、粉塵粒子、薄片、薄板等。在粉末態(tài)時，催化劑可以至少暫時地懸浮于氣體中。如果需要的話，通過將粉末懸浮于氣體中，粉末就可以迅速分散到整個腔并且更容易被消耗。
在一個實(shí)施例中，粉末催化劑可以加載到滲碳腔內(nèi)并至少暫時地懸浮于載氣中。載氣可以與形成等離子體的氣體相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入氣體中。例如，如圖1A所示，輻射源52可以對包括等離子體腔60(例如，在其中進(jìn)行氮表面處理)的電磁輻射腔55施加輻射。粉末源65將催化劑粉末70供給氣流75。在一個可選實(shí)施例中，粉末70可以先以大塊(例如一堆)方式加入腔60，然后以任意種方式分布在腔內(nèi)，包括氣體流動穿過或越過該塊狀粉末。此外，可以通過移動、搬運(yùn)、撒下、噴灑、吹或以其它方式將粉末送入或分布于腔內(nèi)，將粉末加到氣體中用來激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持涂覆等離子體。
在一個實(shí)驗(yàn)中，通過在伸入腔的銅管中設(shè)置一堆碳纖維粉末來使等離子體在腔內(nèi)激發(fā)。盡管有足夠的輻射被引入腔內(nèi)，銅管屏蔽粉末受到的輻射而不發(fā)生等離子體激發(fā)。然而，一旦載氣開始流入銅管，促使粉末流出銅管并進(jìn)入腔內(nèi)，從而使粉末受到輻射，在約大氣壓下腔內(nèi)等離子體幾乎瞬間激發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的粉末催化劑基本上是不燃的，這樣它就不需要包括氧或者不需要在氧存在的情況下燃燒。如上所述，該催化劑可以包括金屬、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合物納米復(fù)合物、有機(jī)無機(jī)復(fù)合物和其任意組合。
而且，粉末催化劑可以在等離子體腔內(nèi)基本均勻的分布(例如懸浮于氣體中)，并且等離子體激發(fā)可以在腔內(nèi)精確地控制。均勻激發(fā)在一些應(yīng)用中是很重要的，包括在要求等離子體暴露時間短暫的應(yīng)用中，例如以一個或多個爆發(fā)的形式。還需要有一定的時間來使粉末催化劑本身均勻分布在整個腔內(nèi)，尤其在復(fù)雜的多腔的腔內(nèi)。因而，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，粉末等離子體可以通過多個激發(fā)口引入腔內(nèi)以便在其中更快地形成更均勻的催化劑分布(如下)。
除了粉末，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括，例如，一個或多個微觀或宏觀的纖維、薄片、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須或其任意混合物。在這些情況下，等離子體催化劑可以至少具有一部分，該部分的一個物理尺寸基本上大于另一個物理尺寸。例如，在至少兩個垂直尺寸之間的比率至少為約1∶2，也可大于約1∶5或者甚至大于約1∶10。
因此，惰性等離子體催化劑可以包括至少一部分與其長度相比相對細(xì)的材料。也可以使用催化劑束(例如纖維)，其包括例如一段石墨帶。在一個實(shí)驗(yàn)中，成功使用了一段具有大約三萬股石墨纖維的、每股直徑約為2-3微米的帶。內(nèi)部纖維數(shù)量和束長對激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體來說并不重要。例如，用大約1/4英寸長的一段石墨帶得到滿意的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明成功使用了一種碳纖維是由Salt Lake City，Utah的Hexcel公司出售的商標(biāo)為Magnamite的Model No.AS4C-GP3K。此外，還成功地使用了碳化硅纖維。
根據(jù)本發(fā)明另一個方面的惰性等離子體催化劑可以包括一個或多個如基本為球形、環(huán)形、錐形、立方體、平面體、圓柱形、矩形或伸長形的部分。
上述惰性等離子體催化劑包括至少一種至少是半導(dǎo)電的材料。在一個實(shí)施例中，該材料具有強(qiáng)導(dǎo)電性。例如，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括金屬、無機(jī)材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物、有機(jī)無機(jī)復(fù)合物或其任意組合?？梢园ㄔ诘入x子體催化劑中的一些可能的無機(jī)材料包括碳、碳化硅、鉬、鉑、鉭、鎢和鋁，雖然相信也可以使用其它導(dǎo)電無機(jī)材料。
除了一種或多種導(dǎo)電材料以外，本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括一種或多種添加劑(不要求導(dǎo)電性)。如這里所用的，該添加劑可以包括使用者想要加入等離子體的任何材料。例如在半導(dǎo)體和其他材料的摻雜過程中，可通過催化劑向等離子體加入一種或多種摻雜劑。參見，例如，共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney DorketNo.1837.0026)，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。催化劑可以包括摻雜劑本身或者，它可以包括分解后能產(chǎn)生摻雜劑的前體材料。因此，根據(jù)最終期望的等離子體復(fù)合物和使用等離子體處理，等離子體催化劑可以以任意期望的比率包括一種或多種添加劑和一種或多種導(dǎo)電材料。
惰性等離子體催化劑中的導(dǎo)電成分與添加劑的比率隨著其被消耗的時間變化。例如，在激發(fā)期間，等離子體催化劑可以要求包括較大百分比的導(dǎo)電成分來改善激發(fā)條件。另一方面，如果在維持等離子體時使用，催化劑可以包括較大百分比的添加劑。本領(lǐng)域普的通技術(shù)人員可知用于激發(fā)和維持等離子體的等離子體催化劑的成分比率可以相同。
預(yù)定的比率分布可以用于簡化許多等離子體處理，例如氮化、滲碳氮化、氮碳共滲。在許多常規(guī)的等離子體處理中，等離子體中的成分是根據(jù)需要來增加的，但是這樣的增加一般要求可編程裝置根據(jù)預(yù)定計(jì)劃來添加成分。然而，根據(jù)本發(fā)明，催化劑中的成分比率是可變的，因而等離子體本身的成分比率可以自動變化。這就是說，在任一特定時間等離子體的成分比率依賴于當(dāng)前被等離子體消耗的催化劑部分。因此，在催化劑內(nèi)的不同位置的催化劑成分比率可以不同。并且，等離子體的成分比率依賴于當(dāng)前和/或在消耗前的催化劑部分，尤其在流過等離子體腔內(nèi)的氣體流速較慢時。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以是均勻的、不均勻的或漸變的。而且，整個催化劑中等離子體催化劑成分比率可以連續(xù)或者不連續(xù)改變。例如在圖2中，成分比率可以平穩(wěn)改變形成沿催化劑100長度方向的比率梯度。催化劑100可包括一股在段105含有較低濃度的一種或多種成分并向段110連續(xù)增大濃度的材料。
可選擇地，如圖3所示，在催化劑120的每一部分比率可以不連續(xù)變化，例如包括濃度不同的交替段125和130。應(yīng)該知道催化劑120可以具有多于兩段的形式。因此，被等離子體消耗的催化劑成分比率可以以任意預(yù)定的形式改變。在一個實(shí)施例中，當(dāng)?shù)入x子體被監(jiān)測并且已檢測到特殊的添加劑時，可以自動開始或結(jié)束進(jìn)一步的處理。
改變被維持的等離子體中的成分比率的另一種方法是通過在不同時間以不同比率引入具有不同成分比率的多種催化劑。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多種催化劑。在不同位置引入時，在腔內(nèi)形成的等離子體會有由不同催化劑位置決定的成分濃度梯度。因此，自動化系統(tǒng)可包括用于在等離子體激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持等離子體以前和/或期間機(jī)械插入可消耗等離子體催化劑的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以被涂覆。在一個實(shí)施例中，催化劑可以包括沉積在基本導(dǎo)電材料表面的基本不導(dǎo)電涂層?；蛘撸呋瘎┛砂ǔ练e在基本不導(dǎo)電材料表面的基本導(dǎo)電涂層。例如圖4和5表示了包括內(nèi)層145和涂層150的纖維140。在一個實(shí)施例中，為了防止碳的氧化，等離子體催化劑包括涂覆鎳的碳芯。
一種等離子體催化劑也可以包括多層涂層。如果涂層在接觸等離子體期間被消耗，該涂層可以從外涂層到最里面的涂層連續(xù)引入等離子體，從而形成限時釋放(time-release)機(jī)制。因此，涂覆等離子體催化劑可以包括任意數(shù)量的材料，只要部分催化劑至少是半導(dǎo)電的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，為了基本上減少或防止輻射能泄漏，等離子體催化劑可以完全位于輻射腔內(nèi)。這樣，等離子體催化劑不會電或磁連接于包括腔的容器、或腔外的任何導(dǎo)電物體。這可以防止在激發(fā)口的瞬間放電，并防止在激發(fā)期間和如果等離子體被維持可能在隨后電磁輻射泄漏出腔。在一個實(shí)施例中，催化劑可以位于伸入激發(fā)口的基本不導(dǎo)電的延伸物末端。
例如，圖6表示在其中可以設(shè)置有等離子體腔165的輻射腔160。等離子體催化劑170可以延長并伸入激發(fā)口175。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的催化劑170可包括導(dǎo)電的末梢部分180(設(shè)置于腔160內(nèi))和不導(dǎo)電部分185(基本上設(shè)置于腔160外，但是可伸入腔)。該結(jié)構(gòu)防止了末梢部分180和腔160之間的電氣連接(例如瞬間放電)。
在如圖8所示的另一個實(shí)施例中，催化劑由多個導(dǎo)電片段190形成，所述多個導(dǎo)電片段190被多個不導(dǎo)電片段195隔開并與之機(jī)械相連。在這個實(shí)施例中，催化劑能延伸通過在腔中的一個點(diǎn)和腔外的另一個點(diǎn)之間的激發(fā)口，但是其電氣不連續(xù)的分布有效地防止了產(chǎn)生瞬間放電和能量泄漏。
作為上述惰性等離子體催化劑的替換物，根據(jù)本發(fā)明可以使用活性等離子體催化劑。使用根據(jù)本發(fā)明的活性催化劑形成氮表面處理等離子體的方法包括在活性等離子體催化劑存在的情況下使腔中的氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射，其產(chǎn)生或包括至少一種電離粒子或電離輻射。將意識到，惰性和活性等離子體催化劑都可以用于相同的表面處理過程中。
根據(jù)本發(fā)明的活性等離子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能夠向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量來使氣態(tài)原子或分子失去至少一個電子的任何粒子或者高能波包。利用源，電離輻射和/或粒子可以以聚焦或準(zhǔn)直射束的形式直接引入腔，或者它們可以被噴射、噴出、濺射或者其它方式引入。
例如，圖9表示輻射源200將輻射引入腔205。等離子體腔210可以設(shè)置于腔205內(nèi)并允許氣體流過口215和216。源220可以將電離輻射和/或粒子225引入腔210。源220可以用電離粒子可以穿過的金屬屏蔽來保護(hù)，但也屏蔽了對源220的輻射。如果需要，源220可以水冷。
根據(jù)本發(fā)明的電離輻射和/或粒子的實(shí)例可包括x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、質(zhì)子及其任意組合。因此，電離粒子催化劑可以是帶電荷(例如來自離子源的離子)或者不帶電荷并且可以是放射性裂變過程的產(chǎn)物。在一個實(shí)施例中，在其中形成有等離子體腔的容器可以全部或部分地透過電離粒子催化劑。因此，當(dāng)放射性裂變源位于腔外時，該源可以引導(dǎo)裂變產(chǎn)物穿過容器來激發(fā)等離子體。為了基本防止裂變產(chǎn)物(如電離粒子催化劑)引起安全危害，放射性裂變源可以位于輻射腔內(nèi)。
在另一個實(shí)施例中，電離粒子可以是自由電子，但它不必是在放射性衰變過程中發(fā)射。例如，電子可以通過激發(fā)電子源(如金屬)來引入腔內(nèi)，這樣電子有足夠的能量從該源中逸出。電子源可以位于腔內(nèi)、鄰近腔或者甚至在腔壁上。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知可用任意組合的電子源。產(chǎn)生電子的常用方法是加熱金屬，并且這些電子通過施加電場能進(jìn)一步加速。
除電子以外，自由能質(zhì)子也能用于催化等離子體。在一個實(shí)施例中，自由質(zhì)子可通過電離氫產(chǎn)生，并且選擇性地由電場加速。
多模輻射腔輻射波導(dǎo)管、腔或室被設(shè)置成支持或便于至少一種電磁輻射模的傳播。如這里所使用，術(shù)語“?！北硎緷M足Maxwell方程和可應(yīng)用的邊界條件(如腔的)的任何停滯或傳播的電磁波的特殊形式。在波導(dǎo)管或腔內(nèi)，該?？梢允莻鞑セ蛲姶艌龅母鞣N可能形式中的任何一種。每種模由其電場和/或磁場矢量的頻率和極化表征。模的電磁場形式依賴于頻率、折射率或介電常數(shù)以及波導(dǎo)管或腔的幾何形狀。
橫電(TE)模是電場矢量垂直于傳播方向的模。類似地，橫磁(TM)模是磁場矢量垂直于傳播方向的模。橫電磁(TEM)模是電場和磁場矢量均垂直于傳播方向的模。中空金屬波導(dǎo)管一般不支持輻射傳播的標(biāo)準(zhǔn)TEM模。盡管輻射似乎沿著波導(dǎo)管的長度方向傳播，它之所以這樣只是通過波導(dǎo)管的內(nèi)壁以某一角度反射。因此，根據(jù)傳播模，輻射(例如微波)沿著波導(dǎo)管軸線(通常指z軸)具有一些電場成分或者一些磁場成分。
在腔或者波導(dǎo)管中的實(shí)際場分布是其中模的疊加。每種?？梢杂靡粋€或多個下標(biāo)(如TE10(“Tee ee one zero”))表示。下標(biāo)一般說明在x和y方向上含有多少在導(dǎo)管波長的“半波”。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知波導(dǎo)管波長與自由空間的波長不同，因?yàn)椴▽?dǎo)管內(nèi)的輻射傳播是通過波導(dǎo)管的內(nèi)壁以某一角度反射。在一些情況下，可以增加第三下標(biāo)來定義沿著z軸在駐波形式中的半波數(shù)量。
對于給定的輻射頻率，波導(dǎo)管的尺寸可選擇得足夠小以便它能支持一種傳播模。在這種情況下，系統(tǒng)被稱為單模系統(tǒng)(如單模輻射器)。在矩形單模波導(dǎo)管中TE10模通常占主導(dǎo)。
隨著波導(dǎo)管(或波導(dǎo)管所連接的腔)的尺寸增加，波導(dǎo)管或輻射器有時能支持附加的高階模，形成多模系統(tǒng)。當(dāng)能夠同時支持多個模時，系統(tǒng)往往表示為被高度模化(highly moded)。
一個簡單的單模系統(tǒng)具有包括至少一個最大和/或最小的場分布。最大的量級很大程度上依賴于施加于系統(tǒng)的輻射的量。因此，單模系統(tǒng)的場分布是劇烈變化和基本上不均勻的。
與單模腔不同，多模處理腔可以同時支持幾個傳播模，在疊加時其形成混合場分布形式。在這種形式中，場在空間上變得模糊，并因此場分布通常不顯示出腔內(nèi)最小和最大場值的相同強(qiáng)度類型。此外，如下的詳細(xì)說明，可以用一個?；旌掀鱽怼盎旌稀被颉爸匦路植肌蹦?如利用輻射反射器的機(jī)械運(yùn)動)。這種重新分布有望提供腔內(nèi)更均勻的時間平均場分布。
根據(jù)本發(fā)明的多模腔可以支持至少兩個模，并且可以支持多于兩個的多個模。每個模有最大電場矢量。雖然可以有兩個或多個模，但是只有一個模占主導(dǎo)并具有比其它模大的最大電場矢量量級。如這里所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量級之間的比率小于約1∶10，或者小于約1∶5，或者甚至小于約1∶2。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知比率越小，模之間的電場能量越分散，從而使腔內(nèi)的電磁輻射能越分散。
處理腔內(nèi)等離子體的分布非常依賴于所施加的輻射的分布。例如，在一個純單模系統(tǒng)中只可以有一個電場最大值的位置。因此，強(qiáng)等離子體只能在這一個位置產(chǎn)生。在許多應(yīng)用中，這樣一個強(qiáng)局部化的等離子體會不合需要的引起不均勻等離子體處理或加熱(即局部過熱和加熱不足)。
根據(jù)本發(fā)明無論使用單或多模處理腔，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知在其中形成等離子體的腔可以完全封閉或者半封閉。例如，在特定的應(yīng)用中，如在等離子體輔助熔爐中，腔可以全部密封。參見，例如，共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0020)，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。然而在其它應(yīng)用中，可能需要將氣體流過腔，從而腔必須一定程度地打開。這樣，流動氣體的流量、類型和壓力可以隨時間而改變。這是令人滿意的，因?yàn)楸阌谛纬傻入x子體的如氬氣的特定氣體更容易激發(fā)，但在隨后的等離子體處理中不需要。
?；旌显谠S多氮表面處理應(yīng)用中，需要腔內(nèi)包括均勻的等離子體。然而，由于微波輻射可以有較長波長(如幾十厘米)，很難獲得均勻分布。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，多模腔內(nèi)的輻射模在在一段時間內(nèi)可以混合或重新分布。因?yàn)榍粌?nèi)的場分布必須滿足由腔的內(nèi)表面設(shè)定的所有邊界條件，可以通過改變內(nèi)表面的任一部分的位置來改變這些場分布。
根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例中，可移動的反射表面位于氮表面處理腔內(nèi)。反射表面的形狀和移動在移動期間將總體上改變腔的內(nèi)表面的反射特性。例如，一個“L”型金屬物體(即“模混合器”)在圍繞任意軸旋轉(zhuǎn)時將改變腔內(nèi)的反射表面的位置或方向，從而改變其中的輻射分布。任何其它不對稱形狀的物體也可使用(在旋轉(zhuǎn)時)，但是對稱形狀的物體也能工作，只要相對移動(如旋轉(zhuǎn)、平移或兩者結(jié)合)引起反射表面的位置和方向上的一些變化。在一個實(shí)施例中，?；旌掀骺梢允菄@非圓柱體縱軸的軸旋轉(zhuǎn)的圓柱體。
多模氮表面處理腔中的每個模都具有至少一個最大電場矢量，但是每個矢量會周期性出現(xiàn)在腔內(nèi)。通常，假設(shè)輻射的頻率不變，該最大值是固定的。然而，通過移動模混合器使它與輻射相作用，就可能移動最大值的位置。例如，?；旌掀?8可用于優(yōu)化氮表面處理腔14內(nèi)的場分布以便于優(yōu)化等離子體激發(fā)條件和/或等離子體維持條件。因此，一旦激活等離子體，為了均勻的時間平均等離子體處理(如加熱和/或氮表面處理)，可以改變模混合器的位置來移動最大值的位置。
因此，根據(jù)本發(fā)明，在等離子體激發(fā)期間可以使用模混合。例如，當(dāng)把導(dǎo)電纖維用作等離子體催化劑時，已經(jīng)知道纖維的方向能夠強(qiáng)烈影響最小等離子體激發(fā)條件。例如據(jù)報道說，當(dāng)這樣的纖維取向于與電場成大于60°的角度時，催化劑很少能改善或放松這些條件。然而通過移動反射表面進(jìn)入或接近氮表面處理腔，電場分布能顯著地改變。
通過例如安裝在輻射器腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)波導(dǎo)管接頭將輻射射入輻射器腔，也能實(shí)現(xiàn)模混合。為了在輻射腔內(nèi)在不同方向上有效地發(fā)射輻射，該旋轉(zhuǎn)接頭可以機(jī)械地運(yùn)動(如旋轉(zhuǎn))。結(jié)果，在輻射器腔內(nèi)可產(chǎn)生變化的場形式。
通過柔性波導(dǎo)管將輻射射入輻射腔，也能實(shí)現(xiàn)?；旌?。在一個實(shí)施例中，波導(dǎo)管可固定在腔內(nèi)。在另一個實(shí)施例中，波導(dǎo)管可伸入腔中。為了在不同方向和/或位置將輻射(如微波輻射)射入腔，該柔性波導(dǎo)管末端的位置可以以任何合適的方式連續(xù)或周期性移動(如彎曲)。這種移動也能引起?；旌喜⒂兄谠跁r間平均基礎(chǔ)上更均勻的等離子體處理(如加熱)?？蛇x擇地，這種移動可用于優(yōu)化激發(fā)的等離子體的位置或者其它的等離子體輔助處理。
如果柔性波導(dǎo)管是矩形的，波導(dǎo)管的開口末端的簡單扭曲將使輻射器腔內(nèi)的輻射的電場和磁場矢量的方向旋轉(zhuǎn)。因而，波導(dǎo)管周期性的扭曲可引起?；旌弦约半妶龅男D(zhuǎn)，這可用于輔助激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體。
因此，即使催化劑的初始方向垂直于電場，電場矢量的重新定向能將無效方向變?yōu)楦行У姆较?。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可知?；旌峡梢允沁B續(xù)的、周期性的或預(yù)編程的。
除了等離子體激發(fā)以外，在隨后的氮表面處理或其它類型的等離子體處理期間?；旌峡捎脕頊p少或產(chǎn)生(如調(diào)整)腔內(nèi)的“熱點(diǎn)”。當(dāng)微波腔只支持少數(shù)模時(如少于5)，一個或多個局部電場最大值可產(chǎn)生“熱點(diǎn)”(如在腔12內(nèi))。在一個實(shí)施例中，這些熱點(diǎn)可設(shè)置成與一個或多個分開但同時的等離子體激發(fā)或氮表面處理相一致。因此，等離子體催化劑可放在一個或多個這些激發(fā)或隨后的氮表面處理(例如等離子體處理)位置上。
多位置激發(fā)可使用不同位置的多種等離子體催化劑來激發(fā)氮表面處理等離子體。在一個實(shí)施例中，可用多纖維在腔內(nèi)的不同點(diǎn)處激發(fā)等離子體。這種多點(diǎn)激發(fā)在要求均勻等離子體激發(fā)時尤其有益。例如，當(dāng)?shù)入x子體在高頻(即數(shù)十赫茲或更高)下調(diào)節(jié)，或在較大空間中激發(fā)，或兩者都有時，可以改善等離子體的基本均勻的瞬態(tài)撞擊和再撞擊。可選地，當(dāng)在多個點(diǎn)使用等離子體催化劑時，可以通過將催化劑選擇性引入這些不同位置，使用等離子體催化劑在等離子體腔內(nèi)的不同位置連續(xù)激發(fā)氮表面處理等離子體。這樣，如果需要，在腔內(nèi)可以可控地形成氮表面處理等離子體激發(fā)梯度。
而且，在多模氮表面處理腔中，腔中多個位置的催化劑的隨機(jī)分布增加了如下可能性根據(jù)本發(fā)明的至少一種纖維或任何其它惰性等離子體催化劑優(yōu)化沿電力線取向。但是，即使催化劑沒有優(yōu)化取向(基本上沒有與電力線對準(zhǔn))，也改善了激發(fā)條件。
而且，由于催化劑粉末可以懸浮在氣體中，可認(rèn)為具有每個粉末粒子具有位于腔內(nèi)不同物理位置的效果，從而改善了氮表面處理腔內(nèi)的激發(fā)均勻性。
雙腔等離子體激發(fā)/維持根據(jù)本發(fā)明的雙腔排列可用于激發(fā)和維持等離子體。在一個實(shí)施例中，系統(tǒng)至少包括第一激發(fā)腔和與第一激發(fā)腔流體連通的第二氮表面處理腔。為了激發(fā)等離子體，第一激發(fā)腔中的氣體選擇性地在等離子體催化劑存在的情況下受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射。這樣，接近的第一和第二腔可使第一腔中形成的等離子體激發(fā)第二氮表面處理腔中的氮表面處理等離子體，其可用附加的電磁輻射來調(diào)節(jié)或維持。
在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，第一腔可以非常小并主要或只設(shè)置用于等離子體激發(fā)。這樣，只需很少的微波能來激發(fā)等離子體，使激發(fā)更容易，尤其在使用根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑時。
在一個實(shí)施例中，第一腔基本上是單模腔，第二氮表面處理腔是多模腔。當(dāng)?shù)谝磺恢恢С謫文r腔內(nèi)的電場分布會劇烈變化，形成一個或多個精確定位的電場最大值。該最大值一般是等離子體激發(fā)的第一位置，將其作為安放等離子體催化劑的理想點(diǎn)。然而應(yīng)該知道，當(dāng)使用等離子體催化劑時，催化劑不需要設(shè)置在電場最大值之處，而且在大多數(shù)情況下，不需要取向于特定的方向。
氮表面處理過程根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種或多種等離子體輔助氮表面處理的方法。這些方法可以包括例如等離子體氮化、等離子體滲碳氮化和等離子體氮碳共滲以及任何其它的至少一些氮被吸收或擴(kuò)散進(jìn)物體的表面處理方法。如其中所使用的，等離子體輔助氮表面處理系統(tǒng)和方法并不限于使用氮作為表面處理劑。而且，根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助氮表面處理系統(tǒng)和方法可包括除了氮之外的碳、硼以及可被引入等離子體中且被吸收或擴(kuò)散進(jìn)物體的表面中或表面上的任何的其它元素。
在根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助氮化處理中，將來自氮源的氮原子供給等離子體。等離子體可加熱物體的至少一部分，等離子體中的氮原子會擴(kuò)散到物體中并能增加物體的平均氮濃度。氮可以不均勻地擴(kuò)散到物體的整個表面之上，或氮可以擴(kuò)散到物體的僅一個或多個表面區(qū)域中。
在根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助滲碳氮化過程中，將氮和碳原子供給等離子體。在該過程中，通過等離子體將要被處理的物體的至少一部分加熱到物體的至少一種材料成分的轉(zhuǎn)換溫度或以上。如其中所使用的，轉(zhuǎn)換溫度是發(fā)生相變(例如，當(dāng)奧氏體開始形成時)的溫度。例如，對于某種鐵合金，該轉(zhuǎn)換溫度可以是約750攝氏度。在滲碳氮化期間，例如，氮和碳會從等離子體擴(kuò)散到物體中，且氮和碳的擴(kuò)散基本同時發(fā)生。
在根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助氮碳共滲過程中，將氮和碳原子供給等離子體。在該過程中，將要被處理的物體的至少一部分通過等離子體加熱到物體的一種或多種材料成分的轉(zhuǎn)換溫度以下的溫度范圍內(nèi)。例如，對于某種鐵合金，該溫度范圍可以在約400攝氏度到約750攝氏度之間，或更具體地，在約400攝氏度到約650攝氏度之間。
在本發(fā)明的說明性實(shí)施例中，如上所述，在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體(例如，通過氣體源24提供)受到輻射(例如，微波輻射)可以激發(fā)等離子體。如圖1所示，該等離子體激發(fā)發(fā)生在腔12內(nèi)，腔12可以形成在設(shè)置于微波腔(即，輻射器)14內(nèi)部的容器中。例如，通過提供到等離子體的任意氮源將氮供給激發(fā)的等離子體。在一個實(shí)施例中，這種源可以是等離子體催化劑本身。也就是說，等離子體催化劑可包括通過與等離子體接觸被等離子體所消耗的氮。
而且，在本發(fā)明的一個具體的實(shí)施例中有用的等離子體催化劑可包括根據(jù)為具體的氮表面處理過程選擇的預(yù)定的比率分布的兩種或多種不同的材料。例如，在一個實(shí)施例中，第一材料非常適合于促進(jìn)等離子體激發(fā)，第二材料可用作氮的主要源。等離子體催化劑同樣包括允許各種其它氮表面處理的附加材料。例如，等離子體催化劑可包括碳源，當(dāng)被等離子體消耗時為等離子體提供碳，用于氮碳共滲和/或滲碳氮化過程。這些材料可包含于在包括那些如圖2-5、7、8所示及其任意組合的配置中的等離子體催化劑中。
使用不同于或除了等離子體催化劑之外的氮源，同樣可以將氮提供給等離子體。這種氮源例如通過接觸等離子體能夠?qū)⒌峁┙o等離子體?？梢蕴峁┙o等離子體的氮源的例子包括氮?dú)?、含氮?dú)怏w或液體(例如，氨、二氧化氮、一氧化氮、一氧化二氮或其它)、含氮固體、亞硝酸銨及其任意組合中的至少一種。這些氮源可以在激發(fā)等離子體時就存在于腔12中，或在激發(fā)等離子體之后將氮源供給腔12。如果氮源為氣態(tài)，則可以配置氣體源24，不僅供給等離子體源氣體而且還供給氮源氣體(例如，氣體源24可以配置有多種氣體容器和多種閥22)。
類似地，在氮碳共滲等離子體和/或滲碳氮化等離子體中的碳可以由不同于或除了等離子體催化劑外的碳源提供。這種碳源例如可以通過接觸等離子體為等離子體提供碳?？梢蕴峁┙o等離子體的碳源的例子包括含碳?xì)怏w、碳?xì)浠衔餁怏w(例如，甲烷或其它)、粉狀碳、碳納米管、碳納米粒子、碳纖維、石墨、固體碳、氣化碳(例如，通過包括例如激光燒蝕的方法從碳源分離的碳粒子)、木炭、焦碳、無定形碳、鑄鐵及其任意組合中的至少一種。這些碳源可以在激發(fā)表面處理等離子體時就存在于腔12中，或在激發(fā)等離子體之后將碳源供給腔12。如果碳源為氣態(tài)，則可以配置氣體源24不僅供給等離子體源氣體而且還供給碳源氣體(例如，氣體源24可以配置有多種氣體容器和多種閥22)。因此，將意識到，根據(jù)本發(fā)明可以使用一種或多種分離的源或合成源。
在根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助表面處理期間，在等離子體中存在的氮和可選的碳可擴(kuò)散到物體中。例如，物體的至少一個表面區(qū)域可以暴露于等離子體一段足夠長的時間，以將氮和可選的碳中至少一些通過表面區(qū)域從等離子體轉(zhuǎn)移到物體上。
而且，根據(jù)預(yù)定的比率分布，暴露于等離子體的表面區(qū)域會使物體的表面區(qū)域吸收附加的碳和氮。例如，根據(jù)本發(fā)明的等離子體可以制成包括與時間相關(guān)的碳濃度和與時間相關(guān)的氮濃度中的一種或兩種。通過等離子體中的氮和/或碳濃度的變化，可以控制氮和/或碳被物體吸收和擴(kuò)散進(jìn)物體的比率以基本上符合預(yù)定的比率分布。另外，可以改變等離子體中的氮和/或碳濃度，以獲得暴露于等離子體的物體表面區(qū)域以下的氮和/或碳的預(yù)定的深度分布。
可以通過例如根據(jù)具體的時間/數(shù)量分布，從氮和碳源將氮和碳引入腔12中來控制等離子體中的氮和碳濃度。另外，可以使用等離子體催化劑改變這些濃度，如上所述。例如，等離子體催化劑可以按比率至少包括氮和碳。通過將等離子體催化劑與等離子體接觸，催化劑被等離子化以便將等離子體催化劑中的氮和碳以基本相同的比率從催化劑轉(zhuǎn)移到等離子體。
貫穿等離子體催化劑該比率可以是均勻的，或可以在等離子體催化劑內(nèi)改變。例如，等離子體催化劑可包括多個部分，其中每個部分具有各自不同的氮與碳的比率。在這種實(shí)施例中，部分等離子體催化劑可以順序被等離子化，以便將氮和碳轉(zhuǎn)移到等離子體的比率依賴于被等離子化的部分。等離子體催化劑也可以包括按根據(jù)沿等離子體催化劑的一維或多維的比率梯度改變的比率的氮和碳。
通過暴露于等離子體中，熱量可以以任意所希望的速率有效地從等離子體傳送到物體。例如，可以設(shè)置使物體的溫度以大于每分鐘400攝氏度的速率上升。不論速率如何改變，幾乎都可以以任意的溫度進(jìn)行表面處理。然而，較高的溫度會利于氮和/或碳擴(kuò)散進(jìn)物體中。
在根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例中，在大約400攝氏度和大約650攝氏度之間的溫度下進(jìn)行氮化。同樣，在大約400攝氏度和大約650攝氏度之間的溫度下進(jìn)行氮碳共滲處理。在至少650攝氏度的溫度下進(jìn)行根據(jù)本發(fā)明的滲碳氮化處理，更具體地，至少750攝氏度。根據(jù)本發(fā)明這些范圍和值以上或以下的溫度也是可能的。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，來自等離子體的氮和可選的碳可以擴(kuò)散進(jìn)物體中大約0.01英寸和大約0.1英寸之間的擴(kuò)散深度，盡管也可能是其它擴(kuò)散深度。結(jié)果，在該擴(kuò)散區(qū)域中的氮和可選的碳的含量如希望地增加，例如在包括許多類型的鋼(例如，AISI 4140、AISI 4340、氮化鋼和其它)的含鐵物體中。根據(jù)本發(fā)明，也可以表面處理非含鐵材料。
當(dāng)可以激發(fā)含氮的表面處理等離子體而沒有使用催化劑時，在某些實(shí)施例中，等離子體催化劑可以用來激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體。例如，在根據(jù)本發(fā)明的惰性或活性等離子體催化劑存在的情況下可以減少激發(fā)表面處理等離子體所需的輻射能量密度。該減少能以具有相對低量的輻射能量的控制方式產(chǎn)生等離子體，其當(dāng)物體的敏感部分被暴露于表面處理等離子體時是有用的。在一個控制的實(shí)施例中，使用約10W/cm3以下的時間平均輻射能量(例如，微波能量)密度，可以激發(fā)等離子體。而且，使用約5W/cm3以下的時間平均輻射能量密度，也可以激發(fā)等離子體。有利地，沒有真空設(shè)備也可以獲得這些相對低的能量密度。
因此，使用等離子體催化劑可便于控制含氮的表面處理等離子體和使用該等離子體的過程。具體地，因?yàn)榈入x子體是輻射包括微波輻射的有效吸收體，用于激發(fā)含氮的表面處理等離子體的任何輻射主要且直接被等離子體吸收。因此，在產(chǎn)生等離子體的早期階段引入氮表面處理腔中的輻射能量可以較少地被反射。結(jié)果，使用等離子體催化劑可以增加對如下的控制暴露于等離子體的物體的加熱速率、物體的溫度和使用等離子體的具體過程(例如，氮化、氮碳共滲、滲碳氮化或任何其它的等離子體輔助過程)的速率，并可以降低在氮表面處理過程的早期階段的強(qiáng)輻射反射的可能性。
在整個包括小于、等于或大于大氣壓的寬范圍的氣壓下，使用等離子體催化劑也能激發(fā)含氮的表面處理等離子體。例如，根據(jù)本發(fā)明的含氮的表面處理等離子體，不僅可以在總氣壓小于大氣壓的真空環(huán)境中產(chǎn)生，而且在等離子體催化劑存在的情況下也可以在大氣壓或以上幫助等離子體激發(fā)。在一個實(shí)施例中，含氮的表面處理等離子體可以在自具有至少大約760乇的初始壓力水平的氣態(tài)環(huán)境的腔中激發(fā)。而且，根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助氮表面處理過程可以通過將物體暴露于具有至少大約760乇氣壓的環(huán)境中的等離子體中進(jìn)行。
除了物體的單一表面區(qū)域或部分的等離子體輔助氮表面處理外，根據(jù)本發(fā)明也可以處理物體的整個表面區(qū)域。另外，在物體上的一個或多個分離的表面區(qū)域可以選擇地被氮化、氮碳共滲、滲碳氮化。從含氮表面處理等離子體可以有效地掩蔽物體的某些表面，以基本上防止這些區(qū)域暴露于等離子體。在這些區(qū)域中，基本上將出現(xiàn)非直接表面處理(例如，氮和/或碳的擴(kuò)散)。
例如，可以以這種方式配置腔12以防止物體的某些表面區(qū)域暴露于等離子體中。如前所述，腔12中的輻射模的數(shù)量和等級依賴于腔的尺寸或配置。在腔12內(nèi)存在要被氮表面處理的物體也會影響腔內(nèi)的輻射模中的場分布。金屬物體上的電磁輻射的垂直入射的邊界條件需要表面處的電場為零且第一最大值出現(xiàn)在離物體表面四分之一波長的距離。因此，如果在金屬物體的表面和腔的內(nèi)壁之間的間隙小于約輻射的四分之一波長，則很少或沒有等離子體維持在這些區(qū)域中，且滿足該條件的物體表面區(qū)域很少或沒有經(jīng)受氮表面處理。通過配置腔12的壁或通過用于控制物體的表面和腔壁之間距離的任何其它合適的方法，通過腔12內(nèi)的物體的位置可以提供這些“掩蔽的”表面區(qū)域。
用于基本上防止在物體的特定表面區(qū)域處的表面處理的第二種方法，可包括定向與腔12相關(guān)的物體，以便使物體的至少一部分位于腔內(nèi)，且物體的另一部分位于腔的外部。可以表面處理腔內(nèi)的部分，位于腔外部的部分基本上可以保持無表面處理。
本領(lǐng)域那些普通技術(shù)人員將意識到，根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助氮表面處理方法根本不需要在腔內(nèi)發(fā)生。相反，形成于腔內(nèi)的含氮表面處理等離子體可以流過孔，并在腔的外部使用以表面處理物體。例如，在共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney DorketNo.1837.0025)中說明了用于形成根據(jù)本發(fā)明的等離子體噴射(jet)的方法和設(shè)備，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。
為了產(chǎn)生或保持在腔12內(nèi)基本上均勻的時間平均輻射場分布，可以提供?；旌掀?8，如圖1所示。可選地，或任選地，當(dāng)物體被暴露于等離子體時，該物體可以相對于等離子體移動。這種運(yùn)動可將物體的整個表面的更均勻的暴露于等離子體中，其會使氮和可選的碳根據(jù)基本上均勻的分布擴(kuò)散進(jìn)物體的表面中。而且，這種運(yùn)動也有助于控制物體的加熱(例如，加熱物體的某區(qū)域比其它區(qū)域更快或基本上均勻加熱該部分的整個表面)。
在根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助氮表面處理過程期間，可以將電勢偏壓施加給物體。通過將等離子體中帶電碳原子吸引到物體，這種電勢偏壓便于加熱物體，其會促進(jìn)物體上的等離子體的均勻覆蓋。而且，電勢偏壓會將帶電氮和可選的碳原子向物體加速，其也會增加氮/碳的擴(kuò)散率。例如施加到物體上的電位偏壓可以是AC偏置、DC偏置或脈沖DC偏置?？梢愿鶕?jù)特定應(yīng)用選擇偏置的量級。例如，依據(jù)所希望的電離種類的吸引速率，電壓的量級可在0.1伏至100伏變動，或甚至幾百伏。而且，該偏置可以是正的或負(fù)的。
在前述的實(shí)施例中，為了簡化說明，各種特征被集合在單個實(shí)施例中。這種公開方法不意味著本發(fā)明權(quán)利要求書要求了比每個權(quán)利要求中明確敘述的特征更多的特征。而是，如下列權(quán)利要求所述，創(chuàng)造性方面要比前述公開的單個實(shí)施例的全部特征少。因此，下列權(quán)利要求被加入到該具體實(shí)施方式
中，每個權(quán)利要求本身作為本發(fā)明的一個單獨(dú)的優(yōu)選實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種氮化物體的第一表面區(qū)域的方法，該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射激發(fā)氮化等離子體，其中所述等離子體含氮；以及將所述物體的第一表面區(qū)域暴露于所述等離子體一段足夠長的時間以將至少一些所述氮通過所述第一表面區(qū)域從所述等離子體轉(zhuǎn)移到所述物體。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括惰性等離子體催化劑和活性等離子體催化劑中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括氮，其中該方法還包括通過允許所述等離子體消耗所述等離子體催化劑將氮加入所述等離子體。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括粉末碳、碳納米管、碳納米粒子、碳纖維、石墨、固體碳及其任意組合中的至少一種。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括通過預(yù)定的比率分布確定總量的至少兩種不同材料。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括x射線、γ輻射、α粒子、β粒子、中子、質(zhì)子及其任意組合中的至少一種。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括電子和離子中的至少一種。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括含氮化合物、金屬、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物、有機(jī)無機(jī)復(fù)合物及其任意組合中的至少一種。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中所述激發(fā)步驟發(fā)生在腔中，其中所述氣體具有至少大約760Torr的初始壓力水平。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中在至少大約760Torr的壓力下進(jìn)行所述暴露步驟。
11.如權(quán)利要求1的方法，還包括將所述氮擴(kuò)散進(jìn)在所述第一表面區(qū)域以下的物體中。
12.如權(quán)利要求11的方法，其中所述擴(kuò)散步驟進(jìn)行到多達(dá)大約0.01英寸和大約0.1英寸之間的深度。
13.如權(quán)利要求1的方法，其中在低于大約10W/cm3的時間平均輻射能量密度下進(jìn)行所述激發(fā)步驟。
14.如權(quán)利要求1的方法，其中所述物體具有第二表面區(qū)域，并且其中所述暴露步驟還包括基本上防止將所述第二表面區(qū)域暴露于所述等離子體。
15.如權(quán)利要求14的方法，還包括將所述物體設(shè)置在腔內(nèi)以便通過小于所述輻射波長的大約25％的距離將所述第二表面區(qū)域與所述腔的內(nèi)壁分開。
16.如權(quán)利要求12的方法，還包括相對于腔設(shè)置所述物體，以將所述第一表面區(qū)域設(shè)置在所述腔內(nèi)并將所述第二表面區(qū)域設(shè)置在所述腔外部。
17.如權(quán)利要求1的方法，還包括?；旌纤鲚椛洹?br> 18.如權(quán)利要求1的方法，其中所述暴露步驟包括提供所述輻射到腔；以及提供所述氣體到所述腔。
19.如權(quán)利要求1的方法，還包括施加DC偏壓到所述物體。
20.如權(quán)利要求19的方法，其中所述DC偏壓是脈沖DC偏壓。
21.如權(quán)利要求1的方法，還包括通過提供含氮?dú)怏w到所述等離子體將所述氮引入所述等離子體。
22.如權(quán)利要求1的方法，其中所述激發(fā)步驟還包括在形成所述等離子體之后將所述氮引入所述等離子體。
23.如權(quán)利要求22的方法，其中所述引入步驟包括將含氮的固體材料和含氮的氣態(tài)材料中的至少一種提供給所述等離子體。
24.如權(quán)利要求1的方法，其中所述物體包括鐵。
25.如權(quán)利要求1的方法，還包括通過所述等離子體將所述物體的至少所述第一表面區(qū)域加熱到大約400℃和大約650℃之間。
26.如權(quán)利要求1的方法，還包括以每分鐘至少400℃的速率加熱所述物體的至少一部分直到所述第一表面區(qū)域的溫度達(dá)到至少大約400℃。
27.如權(quán)利要求1的方法，其中所述暴露步驟還包括相對于所述等離子體移動所述物體的所述第一表面區(qū)域。
28.一種表面硬化物體的第一表面區(qū)域的方法，該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射激發(fā)等離子體，其中所述等離子體含氮和碳；以及將所述物體的第一表面區(qū)域暴露于所述等離子體一段足夠長的時間以將至少一些所述氮和至少一些所述碳通過所述第一表面區(qū)域轉(zhuǎn)移到所述物體。
29.如權(quán)利要求28的方法，其中所述暴露步驟使所述第一表面區(qū)域根據(jù)預(yù)定的比率分布吸收碳和氮。
30.如權(quán)利要求28的方法，其中在所述暴露期間，所述等離子體具有與時間相關(guān)的碳濃度和與時間相關(guān)的氮濃度中的至少一種，以在所述物體的第一表面區(qū)域以下獲得預(yù)定的深度分布。
31.如權(quán)利要求28的方法，其中所述等離子體催化劑按比率至少包括氮和碳，其中所述暴露步驟包括等離子化所述催化劑，以便所述等離子體催化劑中的氮和碳基本上以所述比率從所述等離子體催化劑轉(zhuǎn)移到所述等離子體。
32.如權(quán)利要求31的方法，其中所述等離子體催化劑包括多個催化劑部分，每個所述部分具有各自不同的氮碳比率，其中所述等離子化步驟包括順序等離子化所述部分，以使將氮和碳轉(zhuǎn)移到所述等離子體的比率依賴于被等離子化的部分。
33.如權(quán)利要求28的方法，還包括通過將含碳?xì)怏w、氣化碳和固體碳中的至少一種供給所述等離子體，將所述碳引入所述等離子體。
34.如權(quán)利要求28的方法，其中所述物體包括鐵。
35.如權(quán)利要求28的方法，還包括通過所述等離子體將所述物體的至少一部分加熱到大約400℃和大約650℃之間。
36.如權(quán)利要求28的方法，還包括通過所述等離子體將所述物體的至少一部分加熱到大約750攝氏度。
37.如權(quán)利要求28的方法，還包括以每分鐘至少大約400攝氏度的速率加熱所述物體的至少一部分。
38.一種用于等離子體輔助表面硬化物體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括等離子體催化劑；容器，在其中形成腔，并且其中在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射，激發(fā)含氮和碳中的至少一種的等離子體；以及輻射源，與所述腔相連，用于將所述輻射引入所述腔。
39.如權(quán)利要求38的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑包括惰性催化劑和活性催化劑中的至少一種。
40.如權(quán)利要求38的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑至少包括以預(yù)定的氮碳比率的氮和碳。
41.如權(quán)利要求38的系統(tǒng)，其中所述等離子體催化劑包括多個催化劑部分，每個所述部分具有各自不同的預(yù)定的氮碳比率。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于等離子體輔助氮表面處理的方法和系統(tǒng)。該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下使氣體受到電磁輻射來激發(fā)含氮的等離子體。將物體的表面區(qū)域暴露于等離子體一段足夠長的時間以將至少一些氮通過表面區(qū)域從等離子體轉(zhuǎn)移到物體。
文檔編號H05H1/46GK1653204SQ03810278
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月8日
發(fā)明者D·庫馬爾, S·庫馬爾 申請人:達(dá)納公司