CN101307422B - 炉内气氛活化方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体喷射器，其中包括在气体喷射器中气体在注入热处理炉室之前经过高压/低电流放电区。气体的电活化促进了气体、炉腔中的气体和室内工件之间期望的反应。优选的是，热电极是带电的而气体喷射器的其他部分和炉子是接地的。

Description

炉内气氛活化方法及其装置
相关申请的交叉引用
本申请要求了2007年5月9日提交的美国临时专利申请No.60/928,385的权利，其详细阐述内容被引入这里供参考。
背景技术
本发明涉及金属或金属陶瓷材料和工件部件的的高温、热处理和使用反应气氛的炉子或反应器。在本发明的范围内，所述气氛和处理包括渗碳、氮化、碳氮共渗、渗碳氮化、渗硼、非氧化退火或氧化还原、用于硬钎焊、软钎焊和烧结的还原性气氛、用于相变合金的中性热处理的碳势气氛、固溶化、时效、球化处理、硬化、应力消除处理、正火、惰性退火等等。所述气氛的组分可以包括氮气(N2)、氢气(H2)、烃气(HC)如：甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、丙烷(C3H8)和许多较大分子量的烃类、氨(NH3)、脱水醇如甲醇(CH3OH)或乙醇(C2H5OH)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、水蒸气(H2O)、和惰性气体如氩(Ar)和氦(He)。所述气氛附加组分可以包括反应副产物和由炉膛热负荷或炉壁和/或加热部件产生的气体以及从炉子外面泄漏入的气体，例如空气。保护气体可以是以混合物的形式引入所述炉子，在进入炉子之前利用气体流量控制装置预混合或可在炉腔里面混合。对保护气体供给的其他选择可以包括采用吸热和放热发生器产生的气流，例如吸热的混合物通过用空气重整CH4得到的20％CO、40％H2和40％N2(除非另有说明，在此申请中所有的百分数一致将应理解为体积比)、分离NH3、或喷射和蒸发液体例如CH3OH。
在高温热处理中使用气氛时有三个普遍的工艺控制问题：(1)缓慢动力学作用或稳定性的气体引入，(2)装入炉子工件原料的表面状态，和(3)环境空气渗漏。例如，把CH4注入到炉子中渗碳可以缓慢地与氧气(O2)或二氧化碳起化学反应同时除去不希望有的氧气(O2)或二氧化碳，和/或可以转移炉内气氛的热势、和/或可以仅仅进行临界的分离和反应，除非炉温很高；然而，高温会增大装入的金属材料或工件部件受损危险几率。在使用H2、NH3和其他HCs时，或大或小程度上会发生相似的情况。同样地，装入炉子的原料或工件表面可能覆着氧化皮、铁锈或水基油的残留物厚膜，原始气氛的活性可能不能满足于除去此膜所需要的处理时间和温度范围。最终，炉内气氛外泄和另一个包含O2的污染源可能需要附加的还原，时常向气氛中引入渗碳气体，甚至大多数期望气氛对具有特定的热转变工艺的部件来说为惰性环境，也就是一种不包括还原和/或渗碳气体的气氛。上述的原位吸气技术受到许多考虑因素的限制。例如，用于在印刷电路板上软钎焊重熔的N2气氛中添加H2的量，为了安全必须控制低于5％，即消除开口或半开口的重熔烘箱爆炸的风险，和温度必须保持低水平，一般低于250℃，以防止仪表板和元件损坏。采用这些低温和浓度，由于缓慢还原动力学，所述H2吸气和去除氧化皮的效果才能勉强够格达到限度。同样的局限性可以在钢件采用没有吸热、包含CO气氛的天然气渗碳时发现。例如，CH4热分解并且迅速的在钢表面发生化学反应，工业上引人注意的速度仅仅高于1000℃，但是许多钢在上述高温处理显示出不希望得到晶粒长大。
大量方法已经被用来解决所述问题。真空炉被用于热处理以避免环境空气渗漏和挥发装入的原料或部件的杂质冷凝物。可惜所有的真空炉系统的投入和运行都是昂贵的。此外，使用真空炉不能解决气体稳定性的问题。因此，渗碳时必须使用更昂贵的和低稳定的烃类(HCs)如C2H2，而使用最低成本的CH4是非常局限的。为克服所述气体稳定性和装入的工件部件最初覆膜的问题，已经发展出等离子体真空炉，但是那些系统的成本、处理复杂几何结构部件的问题和控制温度的困难限制了等离子系统的利用。该系统的附加的因素和类似的放电方法例如电晕放电、直接电弧或等离子体过渡电弧，是使所述工件部件(被处理的)成为一个所述电极闭合放电电路的要求。炉子或反应器变得更加复杂，对于复杂的或电子的工件部件，电流可能损坏该工件部件。能在大气压下运行的非过渡电弧热等离子体系统已经被研究作为气体活性喷射器，其不需要关闭经过该工件部件的电路。尽管如此，高温和这些系统当前的要求缩短了电极的寿命至100小时或更少并且导致炉子被污染。新一代的微波炉膛系统排除了对真空或低压室的要求并且在电极快速的更换同时活化装入原料或工件部件的表面。尽管如此，工业化规模的微波炉膛设备是复杂、昂贵的，并且不能象传统的热加热炉子一样灵活接受不同的金属原料和工件部件的几何结构。
Drissen等(美国专利号5,717,186)提出了通过工件在离子真空热处理炉子里控制直流气流的辅助测量方法。Law等(美国专利号5,059,757)设计了一种在相同炉子里限制煤烟的方法。Orita(美国专利号5,605,580)用一种多级热处理工序来将边缘渗碳效果不均匀减到最小，该真空等离子系统比常规天然气渗碳更加灵敏。Georges(美国专利号5,989,363)用实例说明了辐射屏在后放电、真空等离子体氮化的必要性。Giacobbe(欧洲专利号0324294A1)描述工件表面和通过一种利用水冷的热等离子体焊枪对工件表面淬硬。He和Paganessi(PCT公开号WO2005/009932A1)也使用高功率的(50-500kW)等离子体反应器生成处理气体，随后将其注入到真空炉。Czernichowski(美国专利号6,007,742)公开了一系列试验、标准大气压、″GlidArc″等离子体法用于还原天然气及其他烃类。现有数以百计的研究论文涉及通过或多或少利用精心设计一般为低压、试验规模的等离子系统用于金属处理热处理应用以及气流组合物的改进。然而，大批金属热处理工业和热力方法操作人员继续寻找在气相和在工作表面同时可以提高反应动力学的改进的、反应的气氛系统，同时可能是对现有的、标准或减压炉子或反应器的改进，并且不需要高的资本或运行和维修费。
附图说明
以下本发明的优选实施例的详细说明最好是结合附图进行理解。为了阐明本发明，实施例附图描述是目前优选的。然而，可以理解的是本发明并不局限于附图中所示的精确的方案和手段。
图1是一个热处理炉的剖面图图解，包括一个按照本发明的活化气体喷射器；
图2A是一个变换实施例具有开口出口的活化气体喷射器的正视图；
图2B是图2A沿线2B-2B剖开的截面图；
图2C是另一个活化气体喷射器变换实施例的正视图，它类似于图2A所示的活化气体喷射器，但包括多重的供给管；
图3A是另一个活化气体喷射器变换实施例的剖面图，它类似于图2A所示的活化气体喷射器，但包括一个外加限制出口；
图3B是另一个活化气体喷射器变换实施例的剖面图，它类似于图3A所示的活化气体喷射器，但在出口包括一个膨胀管；
图3C是另一个方案活化气体喷射器实施例的剖面图，它包括一个串连的供给管和斜向的进入喷射器壳内的槽口；
图4是一个柱状图表表示NH3和CH4在不同温度和利用不同的活化法气氛活化的效果，包括热活化、直流等离子体和交流火花放电；
图5是一个图表表示NH3和H2在活化炉内气氛的运行时间分布，利用热激活、直流等离子体和交流火花放电；
图6是一个柱状图表表示具有O2污染的C2H4气氛利用不同的活化法活化的效果，包括热激活、直流等离子体和交流火花放电；
图7是一个图表表示AISI-SAE1010钢部件利用直流等离子体(采用Ar或N2作为注入气的基本分量)活性渗碳和热处理(采用N2作为注入气的基本分量)后测试的微观硬度；
图8是一个利用直流等离子体活性渗碳测试的概要。
发明内容
一方面，本发明提供一个供具有反应器室的受控(controlled)气氛反应器使用的活化气体喷射器。该活化气体喷射器包括一限定了具有出口的活化室的壳体、适合于连接第一气体供给源的和向所述活化室内引入第一气体的第一进气口、延伸到该活化室并终止在该活化室内的第一电极、通电时提供输出平均电压至少1kV和输出平均电流少于10A的连接到所述第一电极的电源、和处于所述活化室中以及提供一个与所述第一电极相关的地电位的第二电极。配置所述第一和第二电极以使得当所述电源通电时在所述第一电极和第二电极之间发生放电，所述放电发生的区域定义为放电区。所述活化室、第一电极、第二电极和第一进气口的设置使得第一气体是在通过出口离开所述活化室之前通过所述放电区的。
另一方面，本发明包括一受控气氛反应器系统，该系统包括随被处理的工件调节的反应器室，所述反应器室具有一个排气口，能够集中将所述反应器室升高到至少90摄氏度的温度的至少一种热源和至少一种气体喷射器。每个气体喷射器包括一壳体，该壳体限定了具有与反应器室具有流量关联的出口的活化室、适于连接第一气体供给源和设置向所述活化室内引入第一气体的第一进气口、延伸到该活化室并终止在该活化室内的第一电极、通电时提供输出平均电压至少1kV和输出平均电流少于10A的连接到所述第一电极的电源、和处于所述活化室中以及提供一个与所述第一电极相关的地电位的第二电极。配置所述第一和第二电极以使得当所述电源通电时在所述第一电极和第二电极之间发生放电，所述放电发生的区域定义为放电区。所述活化室、第一电极、第二电极和第一进气口的设置使得第一气体是在通过出口离开所述活化室之前通过所述放电区的。
还有另一方面，本发明提供一种在受控气氛反应器的反应器室中活化气氛的方法。按照所述方法，第一气体从高压源供气进入活化室内。将所述第一电极与提供输出平均电压至少1kV和输出平均电流少于10A的电源连接，在设置于所述活化室内的第一电极和相对于第一电极具有地电位的第二电极之间发生放电。所述第一气体暴露在该放电下然后通过在活化室中形成的出口注入所述反应器室。当该第一气体注入该受控气氛反应器室时，反应器室保持一个不低于1毫巴的压力。当该第一气体注入该受控气氛反应器室时，反应器室保持至少90度的温度。
具体实施方式
本发明详述如下，包括一个放电装置以及该装置在用于加热、热化学或对金属或含金属部件的表面处理的常规炉中的用法。所述常规炉可以是任一种控制气氛热处理炉：一种室式、箱式或杯式炉、或一种在约一个大气压下工作的连续带推进式或辊底式炉、或一种在不低于1毫巴的减压时使用的所谓真空炉。对于每种情况，所述常规炉要求拥有自身的加热元件和温度控制系统。所述装置和方法可以被用于本发明背景技术中限定的任一种气氛和炉子操作。
图1示意性的显示了本发明的一个实施例。这个实施例包括一热处理炉100，具有炉墙101及其限定的其中放置工件2的炉腔1。所述炉还包括多个加热器5a、5b、5c，排气口6和一个按照本发明所述的活化气体喷射器20。
所述活化气体喷射器20具有一个扩展到所述炉腔1中并且终止在出口103的喷射器壳体7。在本实施例中，所述喷射器壳体7是一普通的圆柱形管。气体供应管21延伸到所述喷射器壳体7并且在到达所述出口103之前终止在所述喷射器壳体7里面。所述活化气体喷射器20还包括电极8、104，其延伸到所述喷射器壳体7内并且终止在所述出口103里面，优选地配置在所述供应管21的出口端和所述出口103之间。电极104、喷射器壳体7、供给管21和炉墙101全部优选地接地(此处记载，上述接地导致了当电极8通电时相对于所述电极8为地电位)。电极8与高压电源110连接并且采用绝缘体38与电极104、喷射器壳体7、供给管21和炉墙101绝缘。所述绝缘体38优选地用不含有机添加剂的能被用于所述电绝缘的氧化陶瓷原料制成。例如包括氧化铝、硅酸盐、云母石、菱镁矿或玻璃。
可以使用任一种高压、低电流电源110。例如，可以使用具有110V至230V输入电压、平均输出电压在1千伏至50千伏范围(两个频率为大约50Hz至60Hz)的交流电(交流)电源。或者使用具有输入电压为12V至230V、平均输出电压在1千伏至50千伏范围的直流(DC)电源。如果使用直流电源，优选包括半波或全波整流器。用两种情况下，用于所述电源110的所述平均工作电流不大于10A是较合宜的，更优选不大于5A。特别地，可以用一种简单、廉价的交流或直流电源实现本发明。不要求使用高频高压电源(也称为″脉冲″或″脉冲″电源)。
使用高压低电流电源进行活化工艺气体使得所述活化气体喷射器20在高反应器室温下运行而不必利用液基(例如水)冷却系统，并且比如果使用强电流的电源使用寿命较长。低电流的使用会降低电极表面损坏或熔化的可能性。高电压的使用可以保证在所述工艺气流之内即使在弱电流下也能大规模、大容量的放电。
优选的是所述喷射器壳体7伸入所述炉腔1内使得所述电极8、104可以从所述炉腔1中吸热。或者所述喷射器壳体7可以安装固定使得所述出口103同所述炉墙101齐平。所述喷射器壳体7具有一个内容积(此处相当于作为一个活化室)，其中工作气体在注入所述炉腔1之前被活化。
当所述″热″电极8由所述电源110通电时，在所述″热″电极8和所述接地的电极104(或许和喷射器壳体7)之间形成放电。在一个实施例中其中不设置单独接地电极104，所述放电将形成在所述″热″电极8和所述喷射器壳体7之间。所述工艺气流4流过供应管21然后穿过所述放电，产生一个放电活化气流9，直接的进入所述炉腔1之内。所述放电活化气流9然后扩充到所述炉内部，如图采用箭头10所示。优选的是所述电极104、108设置为使得当电源通电时在所述电极104、108之间形成一个具有强度在1kV/cm至100kV/cm的电场。
在大部分工作条件下，一部分所述扩充气流10再循环进入所述炉腔1之内并且在经过排气口6排出炉腔1之前可能和所述工件2的表面12接触，与另一个气体一起存在于所述炉腔1中。如果所述放电活化气流9扩充至所述炉腔1中，这就可能吸出并且带走一部分体积的已经存在于所述室中的气体保护气氛。这一吸出挟带作用在图1采用箭头11a、11b作注解，导致所述放电活化气流9和其余所述炉内气氛产生化学相互作用。因此，引入所述放电-活化气流9对所述炉内气氛有两个影响：(1)所述放电-活化气流9被增加给所述炉内气氛以及(2)在所述放电-活化气流9和所述炉内气氛现有气体之间发生二次相互作用。所述二次相互作用要求在引入所述放电-活化气流9之前气体需要存在于所述炉腔1中。因此，所述二次相互作用不会在所述气氛激活过程中压力低于1毫巴(mbar)″硬-真空″炉腔内发生。此外，本发明不依靠于各种活化气体直接冲击所述工件2的表面12，并且它不需要所述工件2成为那些导致所述放电的电路的一部分(即没有电荷施加于所述工件2)。因此，本发明提供了等离子-氮化和电离子-渗碳炉的改进方案，它在下降的压力和将所有的装入工件接电源的要求下运行。
所述活化气体喷射器20(更具体地说，所述活化室)适合于在与所述炉腔1的工作温度基本上同样的温度下运行。如果所述工艺气体是在一种比所述炉腔1的工作温度较低的装罐温度下供气和/或如果所述活化室的一部分位于炉腔1外，所述活化气体喷射器20可以在比所述炉腔1的工作温度低的装罐温度下运行。
本发明所述的活化气体喷射器可以是采用许多种可供选择的受控-气氛反应器系统和反应器室配置。在连续式反应器室中应用(即反应器室具有装料端和卸载端)，优选地在邻近所述装料端设置一个或多个活化气体喷射器并且在邻近所述卸载端设置一个或多个活化气体喷射器。
以下是本发明的一个特定的实施例。对于具有标称成分为20％CO、40％H2、和40％N2的吸热的、渗碳炉气氛，由于渗碳反应、所述工件上氧化皮的还原、或空气进入炉内而积聚过量的有害的CO2不是罕见的。HC气体引入例如CH4可用于经以下化学反应纠正二氧化碳过多的问题：CH4+CO2＝2CO+2H2。不过可惜的是，这个反应需要热-激活并且即使热激活后也是缓慢的。
按照本发明，如果把注入到炉腔中的CH4气体穿过放电和/或等离子体(以下简称″电激活″)区，一部分气流可能变为离子、原子、游离基和受激分子例如H、H*、H+、H2 *、H3 *、C2、CH、CH2、CH3、CH3 +等。所述放电中的团簇反应可能同时产生原位不同类型的烃类例如C2-基活性乙炔C2H2或乙烯C2H4。大多数产物，即使不是所有这些产物，注入到所述炉内的气氛中，与不希望有的CO2起反应比常规的、仅热激活的CH4更加完全更加快速。
本发明可用于向所述炉内注入气氛-改性气体和/或气氛-合成气体。一气氛-改性气体是其中至少一部分气流变为离子、原子、游离基和受激分子，例如H、H*、H+、H2 *、H3 *、C2、CH、CH2、CH3、CH3 +等。一气氛-合成气体是其中进气组合物发生转变，也就是说，由于采用喷射器提供的能量形成了新分子。
本发明五个附加的实施例展示在图2A至3C&2B。在每个连续的实施例中，所述附图表示的与图1中表示的特征对应的特征标明作为参考数字，该参考数字增加了100倍。例如，所述活化气体喷射器20在第二和第三实施例中分别标明为数字120和220作为参考。在图2A至3C中一些对应的特征用数字标记提供给上下文，但不作为所述附加的实施例的描述的特定参考。
图2A和2B表示第二实施例活化气体喷射器120，其包括具有开口端122、供给管121和电极108的圆柱形杯113。对这个实施例来说，采用所述杯113和所述开口端122限定的内容积是所述活化室。如同图1所示的电极8，电极108优选地连接一高压低电流电源(未显示)。所述电极108扩展到所述杯113沿它的中心轴终止在杯113内(即并未延伸过所述杯113的开口端122)并且是与所述杯113绝缘的，优选地采用陶质、耐高温的绝缘体138。所述杯113是优选地由有传导性的金属制造并且采用接地线115接地。
当工作时，把工艺气流114从外部来源从气体输送管121经过注入口140注入到所述杯113中。所述气体输送管121和所述注入口140优选地设置成与所述杯113的边缘相切。在进入杯113之后，工艺气体在杯113内涡旋，暴露于于放电119下，沿所示箭头109a、109b离开杯113。由于在末端开口和短的113杯之内形成涡流的原因，一低压区在所述杯113的中心部分中形成，其吸入和吸出炉内气氛气体(用箭头117表示)。吸气气流117和所述涡旋工艺气流114混合沿线118a、118b出去。
在这个实施例中，在描述的涡流混合过程期间，放电119在电极108和杯113之间延伸，这导致工艺气流114和吸气(炉内气氛)气流117两者均发生放电-活化反应。所述放电119是由离散电弧和/或在热电极108尖端和所述杯113的内径之间的电子流形成的。如果所述气流14的流量不是过量的，也能注意到围绕这些电弧生成的更均匀等离子体辉光。优选地，工艺气体的流量在在一定范围内，从而导致围绕所述放电119产生相对均匀等离子体辉光，所述辉光可以由过量的工艺气流速度破坏。由于成切线方向注入的工艺气流114形成的涡流影响，所述放电119也倾向于在杯113内部围绕旋转。放电119的旋转保证了没有单-点电弧-源粘附在杯113的表面上，这降低了所述杯113内表面可能的热损伤。
图2C表示了在图2A和2B中的活化气体喷射器的第三实施例。在这个实施例中，所述活化气体喷射器220包括多重的切向喷射端口221a、221b、221c、221d可用于所述工艺气体，这可以在杯213内提供更一致的涡旋保证。
图3A、3B和3C表示所述活化气体喷射器的三个附加实施例。除了喷注室313的开口端322是由具有在其中形成轴向孔331的盖330部分遮盖的之外，图3A中描绘出的活化气体喷射器320与活化气体喷射器120(表示在图2A和2B)是相同的。与活化气体喷射器120相比，活化气体喷射器320降低了进入喷注杯313内炉内气氛气体的吸出并且提高了放电活化气流309在它离开喷注杯313时的速度。结果，随着放电-活化气流309，炉气的吸出提高和挟带作用发生在所述杯外面。因此，在所述喷注杯313外，吸气炉内气氛311a、311b迅速地与放电活化气流309混合形成新反应气流310a、310b。
在图3B中画出的活化气体喷射器420不同于图3A中表示的活化气体喷射器320，因为它包括从轴向孔431伸出的膨胀管432。放电-活化气流409沿所述膨胀管432的轴线更快地运动，这将至少一些放电419扩展到膨胀管432中。因此，在这个实施例中，活化室包括杯413和膨胀管432两者定义的内容积。采用较高工艺气流速度，放电419的可见的、发光的部分可以轻易地超过膨胀管432(即进入所述炉腔之内)。放电-活化气流409的吸出、挟带作用和与炉内气氛混合发生在膨胀管432的外部、下游。与其他实施例一样，从炉内气氛(图3B中标记为数字410a、410b作为参考)和放电-活化气流409吸出的气体发生二次反应。注入气是采用与表示在图2中注入活化气体喷射器120的同样的方式供应给活化气体喷射器320、420(图3A和3B)的。
图3C所示的活化气体喷射器520类似于活化气体喷射器420，但包括一串连的供给管521而不是成切线设置的供给管421。为了生成旋转运动的工艺气体，涡流片523设置在喷头513内，正好位于热电极508顶端上游。涡流片523优选地由高温绝缘陶瓷制成并且在其上形成包括许多斜向的或螺旋状的槽口534。工艺气流514被强制通过槽口534，这使工艺气流514围绕喷射器轴线涡旋然后形成涡流。
上述所有的实施例中，喷射器壳体和电极可以由任一有传导性的、高温耐蚀金属或合金制成，例如不锈钢、铁镍钴合金、镍合金、钨、钼以及它们的合金。热电极使用的绝缘材料可以由任一合适的绝缘体和耐热化学氧化陶瓷制成，例如氧化铝、富铝红柱石、铝硅酸盐、陶瓷玻璃或改性的氧化锆。
此外，许多活化气体喷射器可被用于一个相同的炉中，这取决于炉子尺寸、构造和热处理或热化学表面处理工艺要求。因此，对于末端开口的连续式炉，一种或多种活化气体喷射器可以安装在靠近炉子的末端，以免炉子内部与未反应的大气的渗透。象这样的系统将提供炉内气氛的改进控制和均匀性，而且由于消除了潜在的爆作气体混合空间从而提高了安全性。通过本发明实施例的试验，申请人已经注意到，高压/低电流放电特性和二次气体夹带作用的当前组合导致增强的气体反应和炉内气氛的改性，即使提供给″热″电极的总功率是相对低的。至于根据本发明方法注入HC气体的情况，产生的灰粒的量也是微不足道的。这与常规的热等离子体(电弧)注射系统即″气体加热器″完全不同，其是低压/强电流的设备，其阳极经常地需要水冷并且在热炉温度超过1050℃(1922°F)时不能运行，其对于一些金属处理操作是理想的。由于热的气分子比那些冷的更容易分解和放电活化，本发明高压/低电流装置和配置喷射器壳体导致它从炉腔1中吸热使活化气氛使用比常规的热等离子体(电弧)注射系统使用低得多的电能成为可能。
如上与电源110有关的表述，通过利用一个低电流、高压电源延长了喷射器电极的寿命。低电流电弧不易于熔化电极表面，高压电弧保证气体气流(即使在弱电流水平)巨大的、大容量的放电。为了实现本发明的目的，一″低电流、高压″电源应该理解为是一个具有平均电流输出功率少于10安培和平均电压输出功率至少1.0kV的电源。而涡流稳定、自旋等离子体柱和反应器是现有技术已知的，本发明不同于现有技术的是通过放电吸出热炉内气氛气体进入它的芯体(例如杯113)内、将吸出的热炉内气氛气体与新鲜的工艺气流混合和再一次通过放电排出生成的混合物，所有的都使气体等离子体相互作用最大化。考虑到化学反应性可以做出同样的注解，现有技术中已知的高压/低电流/高频或脉冲放电，一起被称作非平衡或冷等离子体。申请人注意到，当前所述的高压/低电流放电特性和二次气体携带作用的组合导致增强的气体反应和炉内气氛的改性，即使放电使用的总功率(功率＝伏特x安培)是低的。
申请人使用与图2A至3C所示相似的活化气体喷射器做了一系列炉内气氛活化试验。实验使用的工艺气体流速范围从10标准立方英尺/小时(0.28m3/hr)至210标准立方英尺/小时(5.95m3/hr)，两个不同类型的高压电源：(1)直流-等离子体装置在0.5A和2kV到10kV之间工作(平均电压是大约2kV，但当放电消失或电路断开时提高到10kV)，(2)交流-等离子体或火花放电装置(使用常规的60Hz交流住宅电网)在大约10kV电压和0.09A下工作。热电极尖端和所述交流喷射器(火花放电喷射器)中的接地电极之间的最短距离设定为0.14英寸(0.355cm)，其产生最大电场强度E为28kV/cm。在直流注入器中，热电极(在这种情况下的阴极)顶端和接地电极(在这种情况下的阳极)之间的最短距离被设定为0.218英寸(0.55cm)，在稳态运行期间其产生最大电场强度E为4.5kV/cm，在扰乱模型中当产生的放电微弱或消失时增至18kV/cm。假定每种喷射器近似的总能量输入功率为约1kW，摩尔能量被加到工艺气流中，把环境的能量损耗排除在外，与气流流速成反比：23.9eV对应于1标准立方英尺/小时(0.028m3/hr)流速、2.39eV对应于10标准立方英尺/小时(0.28m3/hr)流速、0.239eV对应于100标准立方英尺/小时(2.8m3/hr)流速、0.12eV对应于200标准立方英尺/小时(5.7m3/hr)流速。因此，在第一近似化概算中，较高工艺气体流速与较低流速一样预计产生相等数量的活化气体种类，但处于降低的体积浓度和优先形成较低的活化能量产物。在室温下试验，一热电偶被放入喷嘴出口处，显示出约0.25英寸(6.3mm)活化气流后部的平均温度不超过200°F(93℃)，由于使用了工艺气流流速，其温度仅仅有很小的变化。申请人采用所述装置在陶瓷材料衬里、电加热、中间生产规模箱式炉中进行气氛活化实验，使用ARI激光气体分析仪LGA2017从炉膛排烟处对产物气氛取样，分析仪是以拉曼光谱学原理为基础的。结果在下面介绍。
图4所示的是根据本发明气氛活化结果，该结果通过比较使用常规的、“热”分解工艺气流的炉内气体组合物与使用本发明工艺气体活化方法的炉内气体组合物进行比较获得，其中本发明工艺气体活化方法包括：直流等离子体或″等离子体″和交流火花放电或″火花放电″。该估算包括注入各种N2基混合活性气体，NH3和CH4，注入保持四个不同温度的炉中：600℃(1110°F)、800℃(1470°F)、850℃(1560°F)、和1000℃(1830°F)。全部混合物中NH3和CH4的浓度均保持在较低的爆炸性/燃烧极限(爆炸下限)下面，这意味着所述混合物可以释放到大气中没有爆炸或燃烧的风险，也就是说即使在非专用于易燃气体处理的热处理炉中也能使用。
第一混合物在600℃(1110°F)时进行测试，包括N2和2.5％的NH3，其在从注入口到炉子或到放电喷射器处测得。第二混合物是N2和3.4％的CH4。第三混合物由N2和2.2％的CH4组成。在800℃(1470°F)时进行测试，第一混合物由N2和3.4％的CH4组成第二混合物由N2和2.2％的CH4组成。由N2和2.4％的CH4组成的混合物在850℃(1560°F)时进行测试。在1000℃(1830°F)时进行测试，第一混合物由N2和3.41％的CH4组成，第二混合物由N2和2.2％的CH4组成。所有的测试都是在陶瓷衬里炉上进行的，以免催化分解炉壁上的气体。
估算是基于比较具有同样的工艺气体组合物的热和活化状态时炉膛排烟中的H2/HC和H2/NH3平均摩尔比得出的。较高比率(y轴所示)显示炉气中的气流较高的分解和反应，而较低的比率表示缺少象这样的反应和惰性的不希望有的性能。虽然申请人并不清楚哪种特定的气体和放电反应是从注入的NH3和CH4中释放H2的原因，但是一般的化学计量法将建议通过利用以下标准反应：mNH3→nNH3+0.5(m-n)N2+1.5(m-n)H2，其中，标在图4上的H2/NH3比值等于1.5(m/n-1)。CH4混合物的标准反应可以用同样的方法记录，除此之外，烃类产物不能用本测试使用的气体分析系统确定，并且其组分(新HC分子可能较低的H含量，例如C2H2)可能不同于最初注入CH4，而且其对于金属的表面提供增强的活性。如图4所示，将工艺气体注入使用直流和交流放电的炉内气氛中，导致了所期望的气体反应的增强，特别是在操作温度低于1000℃时。对金属加工工业来讲这一操作温度是非常有用的。
图5画出了炉内气氛中的NH3和H2运转-时间浓度，取样是从炉膛排烟处，在525℃(975°F)实验，包括注入包括12％NH3的工艺气流进入N2中。第一测试(在图5中标记为″未活化″)其中没有使用放电活化，显示出NH3浓度最低的下降和从NH3分解释放的H2的最低的浓度。第二测试(在图5中标记为″交流火花放电″)，其中使用交流火花放电注入，导致原始NH3浓度(从12％到8.8％)最强的下降和获得最高的H2(高达4％)。第三测试(在图5中标记为″直流等离子体″)其中使用直流等离子体，结果产生的NH3和H2浓度落在第一和第二测试得到的浓度之间。
图6表示使用如图4所示的同样的工艺气氛活化的效果，包括两个主要区别：(1)掺入N2中的HC是C2H4而不是CH4，(2)O2-杂质的来源是用重度氧化的钢部件装入其中的形式被加到炉中。由于铁氧化物的还原以及精炼铁的渗碳会产生CO2，并且期望的但驱动缓慢反应的HC和CO2产生CO和H2，气氛活化的估算是基于H2/HC和(H2+CO)/HC的摩尔比。如图6所示，直流-等离子体喷射系统在炉内进行期望活化反应时最有效，交流-火花放电喷射系统有效性稍差，而常规的热激活系统(即没有放电活化)的有效性最小的。
图7所示是对AISI-SAE1010钢部件(具有0.1％初始的碳水平，按重量计算)渗碳测试的比较结果，使用是常规的热激活方法和本发明所述的直流-等离子体活化法。所述渗碳是在850℃(1560°F)进行3小时处理，在热和第一直流-等离子体运行期间使用掺入2.5％CH4的N2，在第二直流-等离子体运行中使用掺入2.5％CH4的氩(Ar)。渗碳步骤之后，所有的样品没有进行附加的淬火及回火操作，均随炉冷却到室温。渗碳的结果由采用钢横截面上的显微硬度(维氏硬度计上的HV-硬度)作为渗碳钢表面下深度(微米)的函数进行估算的。最高的表面和亚表层硬度显示渗碳的最大程度，其出现在等离子体活化N2-2.5％CH4气流时。等离子体活化Ar-2.5％CH4气流产生非常类似的结果。使用常规的热激活法渗碳的钢部件的表面硬度是相当地低的。值得注意的是，这些测试表明当用作主要的气体注入工艺气流时N2比Ar(Ar的反应性稍差并且比N2更昂贵)稍微更有效。这表示放电中的主要反应、在所用气氛中二次气体反应和在钢表面上反应是由存在的活化驱动的，不稳定的气体种类至少与注入的不起反应的载能体差不多。
图8所示的是N2等离子体活化的结果，渗碳测试在图7中给出，而且附加的渗碳测试在同样的状态下进行，使用的钢部件具有增强初始的碳水平：0.1％(按重量计算)对应于AISI-SAE钢号1010部件、0.5％(按重量计算)对应于AISI-SAE1050部件以及0.75％(按重量计算)对应于AISI-SAE1075部件。在图8中所示的图表中，温度表示为Y轴(左边为摄氏度而右边为华氏度)并且碳含量(％按重量计算)表示为X轴。三个测试的结果用标有箭头的线叠加的表示在标准Fe-C二元相图中。结果表明在所有的三个测试中无论初始碳含量是多少，图8中标明如″例子″的表面碳水平都增加到0.9％(按重量计算)，因此决定于直流放电活化N2-2.5％CH4气氛的渗碳势。
为了促进表面氧化钢部件的非氧化退火使用纯的H2气氛进行了附加试验。使用了三种热轧-缩尺模型试验试样：AISI-SAE 1010碳钢、A2工具钢和304奥氏体不锈钢。退火测试是在1000℃(1830°F)进行的，时间为2小时，使用H2工艺气流流量为90标准立方英尺/小时(2.55m3/hr)。三试样中的一个是用常规的、热H2气氛处理的，而另一个是用交流火花放电注入和活化H2气氛处理的。两个测试结束后，碳钢的表面都被还原并且为光亮的。工具钢的表面仅是交流-火花放电活化测试被还原并且为光亮的，而常规的、热试验却不行。任何测试之后不锈钢的表面都是不光亮的，但是交流-火花试验使得初始的氧化膜具有带褐色的膜表示存在有金属氮化物。
表1列出了本发明的一些实施例的特征。
表1
应用 一些实施例的边界条件
活化各种热处理和热化学表面处理的气氛包括然而并非局限于采用N2、H2、HC、CO、NH3、裂化气、醇蒸气和稀有气体组分进行渗碳、渗氮和还原组合物 气体分子在工艺气流中可以不必热分解或完全分解
电活化分为两步骤进行：放电中，其中发生最初的气体反应；和下游，炉内气氛的夹带气流发生二次反应 可能需要炉内气氛的存在使得二次反应发生；优选的为大气压力但低压运转(高于1毫巴)仍然是有效的
在工作期间不须冷却并且从处理炉中吸收热量取得显著效果 耐高温的金属和陶瓷原料结构
高压/低电流工作将电极的磨损减到最少而同时把产生的各种气体的化学反应性增加到最大限度；直流和低频的2-相交流(可以不大于60Hz)电源是小型的并且便宜的 优质陶瓷绝缘材料可能用在喷射器中
装置和方法可以被改进成任何常规的炉子或反应器；可能同时被用来改进末端开口的连续式炉中进行工艺控制和安全性 在大延伸的工业热处理线中可能需要多喷咀喷头和更复杂的电源
没有电流经过工件，经过电流需要处理许多电 活化气体种类之间缺乏直接的
子元件，因此促进了炉子设计和生产经营的简化和防止工件部件边缘和复曲面构造的不均匀处理 碰撞是使用工件部件作为一个电极降低了预期表面反应的动力的方法的特征
本领域技术人员可以判断出上述-描述的实施例的可能改变并没有脱离本发明宽广的发明构思。可以理解，因此，本发明不局限于特殊的实施例，但是要覆盖权利要求的全部范围之内的所有改变。

Claims (23)

1.一种与用于渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗碳氮化、渗硼、非氧化退火或氧化还原气氛，用于硬钎焊、软钎焊和烧结的还原性气氛、用于相变合金的中性热处理的碳势气氛、固溶化、时效、球化处理、硬化、应力消除处理、正火或惰性退火的受控气氛反应器共同使用的活化气体喷射器，该受控气氛反应器具有反应器室，所述活化气体喷射器包括：
限定了活化室的壳体，该活化室具有出口；
适合于与第一气体供给源连接的第一进气口并且通过该进气口将第一气体引入活化室内；
延伸到活化室并且终止在活化室内的第一电极；
连接到第一电极的电源，当通电时提供平均电压输出至少1KV和平均电流输出少于10A；和
暴露于活化室中并且相对于第一电极设置为地电位的第二电极；
其中设置第一和第二电极以使得当所述电源通电时在第一电极和第二电极之间发生放电，所述放电发生的区域定义为放电区；
其中活化室、第一电极、第二电极和第一进气口的设置使得第一气体在通过出口离开所述活化室之前通过放电区；和
其中所述电源包括非脉冲功率电源。
2.如权利要求1所述的活化气体喷射器，其中当电源通电时在第一和第二电极之间形成电场，所述电场具有在1kV/cm到100kV/cm之间的强度。
3.如权利要求1所述的活化气体喷射器，其中第二电极包括壳体。
4.如权利要求1所述的活化气体喷射器，其中活化室适合于在与反应器室相同的温度下操作而不使用冷却系统。
5.如权利要求1所述的活化气体喷射器，其中活化室和第一进气口设置是，当第一气体通过第一进气口被引入活化室时，使第一气体从第一进气口到出口形成涡流或旋流。
6.如权利要求1所述的活化气体喷射器，其中活化室具有一个圆柱形的部分并且第一进气口是成切线连接到圆柱形部分的。
7.如权利要求1所述的活化气体喷射器，更进一步的包括一个位于活化室内的涡流片。
8.一个用于渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗碳氮化、渗硼、非氧化退火或氧化还原气氛，用于硬钎焊、软钎焊和烧结的还原性气氛、用于相变合金的中性热处理的碳势气氛、固溶化、时效、球化处理、硬化、应力消除处理、正火或惰性退火的受控-气氛反应器系统包括：
一个用于容纳待处理工件的反应器室，所述反应器室具有一个排气口；
至少一个热源，所述至少一个热源是能够用来集中升高反应器室到至少90摄氏度的温度；和至少一个气体喷射器，每个至少一个气体喷射器包括：
限定一活化室的壳体，该活化室具有与反应器室具有流量关联的出口；
适合于与第一气体供给源连接的第一进气口并且该进气口设置用来将第一气体引入活化室内；
延伸到活化室并且终止在活化室内的第一电极；
连接到第一电极的电源，当通电时提供输出至少1KV的平均电压和输出少于10A的平均电流；和
暴露于活化室中并且相对于第一电极设置为地电位的第二电极；
其中设置第一和第二电极以使得当所述电源通电时在所述第一电极和第二电极之间发生放电，所述放电发生的区域定义为放电区；
其中所述活化室、第一电极、第二电极和第一进气口的设置使得第一气体在通过出口离开活化室之前通过放电区；和
其中所述电源包括非脉冲功率电源。
9.如权利要求8所述的受控-气氛反应器系统，其中第二电极包括壳体。
10.如权利要求8所述的受控-气氛反应器系统，其中当电源通电时在第一和第二电极之间形成电场，所述电场具有在1kV/cm到100kV/cm之间的强度。
11.如权利要求8所述的受控-气氛反应器系统，其中活化室被设计成与反应器室相同的温度下操作而没有使用冷却系统。
12.如权利要求8所述的受控气氛反应器系统，其中当至少一个放电活化器工作时反应器室保持至少1毫巴的压力。
13.如权利要求8所述的受控-气氛反应器系统，其中活化室至少部分位于反应器室内。
14.如权利要求8所述的受控-气氛反应器系统，其中反应器室适于对工件进行一个或多个以下操作：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗碳氮化、渗硼、非氧化退火、氧化还原、硬钎焊、软钎焊、烧结、中和碳势退火和惰性退火。
15.如权利要求8所述的受控-气氛反应器系统，其中反应器室包括一个具有加载端和卸载端的连续式反应器室和包括邻近加载端设置的第一气体喷射器和邻近卸载端设置的第二气体喷射器的至少一个气体喷射器。
16.一种用于渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗碳氮化、渗硼、非氧化退火或氧化还原气氛，用于硬钎焊、软钎焊和烧结的还原性气氛、用于相变合金的中性热处理的碳势气氛、固溶化、时效、球化处理、硬化、应力消除处理、正火或惰性退火的活化受控气氛反应器的反应器室中的气氛方法，所述方法包括：
供应第一气体从高压源供气体进入活化室内；
将所述第一电极与提供输出平均电压至少1kV和输出平均电流少于10A的非脉冲电源连接，在设置于所述活化室内的第一电极和相对于第一电极具有地电位的第二电极之间发生放电；
将第一气体暴露在放电下；
将在活化室中形成的第一气体通过出口排到反应器室中；
当该第一气体注入该受控气氛反应器室时，反应器室保持一个不低于1毫巴的压力；和
当该第一气体注入该受控气氛反应器室时，反应器室保持一个至少90摄氏度的温度。
17.如权利要求16所述的方法，其中：
将第一气体引入活化室内包括将第一气体引入至少部分设置在反应器室之内的活化室内。
18.如权利要求16所述的方法，更进一步的包括：
吸出至少一部分活化室内的气氛；和将至少一部分所述气氛暴露在放电下。
19.如权利要求17所述的方法，更进一步的包括：
热处理设置在所述反应器室之内至少部分金属工件；和当正在执行权利要求17的步骤时进行至少一部分热处理步骤。
20.如权利要求16所述的方法，更进一步的包括：
活化室与反应器室在相同的温度下工作。
21.如权利要求17所述的方法，更进一步的包括：
如权利要求17使用的步骤，进行以下组中的一个或多个操作：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗碳氮化、渗硼、无氧化退火、氧化还原、硬钎焊、软钎焊、烧结、中和碳势退火和惰性的退火。
22.权利要求21所述的方法，更进一步的包括进入反应器室中的第一气体保持低于爆炸性/燃烧下限的浓度。
23.权利要求16所述的方法，其中：
配置第一和第二电极，使得当使用生成步骤时，在电极之间形成场强在1kV/cm至100kV/cm之间的电场。
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