[发明专利]用于金属零件表面的热化学处理的等离子处理和反应器

说明书

反应器(R)具有反应室(RC)，该反应室(RC)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(RC)中，通过阴极(3)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。

技术领域

本发明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。本发明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。

背景技术

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-Co surface alloying layer formed by plasmasurface alloying in pure iron.Applied Surface Science，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)。

通过该发明，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。