CN100554493C - 利用直流辉光放电的细长金属管内表面常温注氮方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于低温等离子体技术领域中材料表面改性技术，公开了一种利用直流辉光放电等离子体的细长金属管内表面常温注氮方法。其特征是：采用同轴电极结构、氩气和氮气或氨气Pa的气压下，利用几千伏的直流恒定高电压在细长金属管内产生稳定的圆筒状直流辉光等离子体，管内产生的圆筒状直流辉光等离子体的长度通过电压源电压进行控制，无需对待处理金属管加热或散热，在常温下对整个细长金属管内表面进行氮离子注入。本发明效果和益处是可以在直径5mm以上，长度5mm-2000mm的金属管表面均匀地进行氮离子注入，由于采用几千伏稳恒直流电压源，对真空度要求不高，无需对待处理金属管加热或散热，因而设备成本低，使用和维护方便。
Description
技术领域
本发明属于低温等离子体技术领域中材料表面改性技术，涉及到一种在细长金属管内产生直流辉光等离子体在常温下对细长金属管内表面进行氮离子注入改性的方法。可用于军工枪管炮管、化学激光武器中的卤素气液输送管、核反应堆循环水管、汽车发动机的活塞部件的内表面改性处理。
背景技术
在金属表面(特别是钢)注入(渗入)氮离子可以大大提高金属表面的硬度、耐腐蚀、耐磨等性能，是一种很好的金属表面改性技术途径。目前利用各种类型的等离子体源离子注入技术都可以在形状较规则的工件外表面注入(渗入)氮离子。但是对于大长径比(比如长1000mm直径10mm的管，长径比100∶1)的细长金属管内表面的改性并不适用。并且现有的技术要求工件具有较高的温度(450℃以上)，对处于常温(室温)下的工件不能取得满意的效果。在大长径比的细长金属管内表面均匀地注入(渗入)氮离子是一个急需解决的技术难题，此外如果能够在常温(室温)下对工件表面注入(渗入)氮离子，可以大大降低设备和工艺的复杂程度。
目前已经有采用微波等离子体技术在大长径比的金属管内表面注入氮离子的报道。微波等离子体技术的技术方案是：采用微波等离子体技术在管内局部形成长度很短的一段氮气等离子体，在微波天线和金属管之间附加几十kV的负高压，将氮离子注入到金属管内表面。由于管内形成的等离子体较短，需要一个机械驱动机构驱动电磁线圈沿管移动，从而引导管内有限长度的等离子体在管内移动来实现在整个管内表面注入氮离子。整套装置的电源设备、机械设备和真空设备构成复杂，成本很高。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用直流辉光放电等离子体的细长金属管内表面常温注氮方法，解决其他方法所带来的设备和工艺复杂、成本昂贵等问题。
本发明的技术方案如下：
在细长金属管的轴线上拉一根细钨丝，与金属管构成同轴电极结构。钨丝作为阳极，通过一个外部电阻接地。整个电极结构用绝缘材料包裹放入真空系统中。在真空系统中通入氩气和氮气或氨气的混合气体并使真空压力保持1Pa-103Pa范围。在金属管上加恒定直流负电压，在阳极钨丝的周围形成强电场区域，常温下引起气体放电，从而在整个金属管内产生稳定的圆筒状的直流辉光等离子体，在等离子鞘层的加速下向细长金属管内表面均匀地注入氮离子。
本发明的效果和益处是：利用几千伏稳恒直流电压源常温下在细长金属管内产生稳定的圆筒状直流辉光等离子体，等离子体长度通过外加电压能够进行调节控制，可以在长50mm至2000mm直径大于5mm的细长金属管内表面均匀地注入氮离子。由于采用几千伏稳恒直流电压源且对真空度要求不高、无需对待处理金属管进行加热和散热，因而设备成本低，使用和维护方便。
附图说明
附图为利用直流辉光放电的细长金属管内表面常温注氮的装置结构示意图。
图中1恒定直流高压电源，2待处理细长金属管，3细钨丝，4绝缘陶瓷管，5真空室容器外壁，6接地电阻，7质量流量控制器，8质量流量控制器，9氩气钢瓶，10氮气或氨气钢瓶，11机械真空泵。
具体实施方案
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方案。
在待处理细长金属管轴线上拉一根直径100至200微米的钨丝构成同轴电极结构，并在细管外套一个绝缘陶瓷管(具体尺寸视要改性的细长金属管的尺寸选定)。用直径10cm左右的不锈钢管制成真空室(真空室具体的长度和直径视要改性的细长金属管的尺寸选定)，将用绝缘陶瓷管套好的待处理细长金属管放入真空室中。用机械泵(抽速＞4升/秒)将真空室抽至10-1Pa以下，然后向真空室输入氩体和氮气或氨气混合气体，混合比控制在氩气40-60％的范围。气体流量通过质量流量计进行控制，调整气体流量和气体混合比例，使真空室内气压保持在1Pa-103Pa范围内的一个稳定值。芯线钨丝通过外部电阻接地，采用恒定直流电压源给待处理细长金属管加负的恒定直流高电压，待管内放电点火后逐步增高电压，使直流辉光等离子体充满整个管内。点火电压与以下因素有关：金属管材料种类、管径、管内表面光洁度、钨丝直径和表面光洁度、气体混合比、气压等，要根据具体情况确定，比如直径10毫米的304不锈钢管、60％氩气、10Pa、100微米钨丝，点火电压大约在380-450伏左右。直流恒定电压源的额定电压和功率根据待处理细长金属管的最大长度而定，对于长2000mm直径10mm的金属管可选择额定电压3kV，额定功率3000W的直流电压源。
Claims (1)
- 一种利用直流辉光放电的细长金属管内表面常温注氮方法，其特征是：在细长金属管轴线上拉一根直径100至200微米的钨丝构成同轴电极结构，在同轴电极结构的外部套一个绝缘陶瓷管后放入真空室内，向真空室内通入氩气占40-60％的氩气和氮气或氨气混合气体，在1Pa-103Pa的气压下，利用直流恒定电压源加负高压在细长金属管内产生稳定的圆筒状直流辉光等离子体，管内产生的圆筒状直流辉光等离子体的长度通过电压源电压进行控制，无需对待处理金属管加热或散热，在常温下对整个细长金属管内表面进行氮离子注入。
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