CN102099891A - 用于处理金属工件的等离子体方法和反应器 - Google Patents

Abstract

等离子体反应器(10)限定出反应室(23)，该反应室配设有金属工件(1)的支承体(30)，和阳极-阴极系统(40)，加热装置(70)安装在所述等离子体反应器(10)的外部。用于清洁操作的该等离子体方法包括以下步骤：将支承体(30)连接到接地阳极和将阴极连接到电功率源(50)的负电势部；将可离子化气态装料给进到反应室(23)中并且在工件污染物的气化温度下加热反应室(23)；向阴极施加放电；和排出气态装料和污染物。随后的加热处理包括步骤：反转阳极-阴极系统(40)的通电极性；向反应室(23)给进新的气态装料并且维持其处于加热；向阴极施加放电；从反应室(23)排出气态装料。

Description

用于处理金属工件的等离子体方法和反应器

技术领域

本发明涉及用于处理金属工件、特别是通过粉末冶金获得的多孔金属工件的等离子体方法和反应器，所述处理包括解离和除去存在于金属工件表面上或孔隙内的油及其它有机和无机污染物的清洁操作，并且通常还包括热化学处理所述金属工件的表面的操作，这些操作在等离子体反应性环境中、优选在相同反应器内实施。

背景技术

在大多数情形中，粉末冶金制得的工件在烧结步骤后需要进行校正，这是因为在烧结期间发生尺寸变化。在校正中使用润滑油以减小机械工具(machine tool)的摩擦和磨损，以及促进工件从校正基质(calibration matrix)中抽出。油同样用于贮存经烧结的工件和通过其它制造技术制得的工件。例如，冷冻机油用于机加工高精度工件。

针对改善成品工件的性能，例如抗磨损性、抗腐蚀性和抗疲劳性，通常使用表面热化学处理，例如渗氮(nitration)、渗碳(cementation)、碳氮共渗(carbonitration)等。为了实施这些热化学处理，特别当通过等离子体实施热化学处理时，工件表面上和孔隙内油的存在是不利的。例如，在等离子体渗氮期间，保留在工件孔隙内和表面上的油引起放电的不稳定性、反应器的污染、所形成的表层不适当形成物(例如硝酸盐)和经受低效率清洁处理的材料中碳的污染。因此，在表面硬化的热化学处理之前必须完全除去油。

按照常规，在超声中用有机溶剂(例如己烷、石油醚或醇)进行化学清洁，针对完全消除所有来自工件的有机残留物，还接着在工业电烘炉中于含有氢气或氧气的气氛中进行热处理。当存在连通的残留孔隙(其通常出现在烧结钢中)时，由于使用污染性产品，除污染物外，还特别难以清洁。

在一些已知的处理方法中，在不同设备以两个分离步骤进行表面的清洁和热化学处理操作，这需要非常长的处理时间，典型地为20小时，从而导致低的生产率和高的成本。

为了获得从金属工件的表面或孔隙完全去除油及其它有机和无机污染物，以及简化和缩减在相同的热循环中所述工件的随后表面热化学处理操作，相同申请人的巴西专利申请PI-0105593-3提出了物件的清洁和表面处理方法，根据所述申请，将待清洁的工件设置在等离子体反应器内部所提供且与所述反应器的阳极连接的支承体上，所述反应器的阴极与负电势连接。由支承体和工件所限定的组件被在低压力下且含有离子、中性原子和电子的电离气体包围，所述电离气体称作等离子体并且其通过异常放电产生。电子激发对由支承体和工件所限定且与反应器阳极连接的组件的电子轰击。

反应器内部气态等离子体的产生使工件周围形成的等离子体反应性环境用于催化使工件中存在于的油和其它可能污染物的分子解离的反应，从而使所述污染物气化并且使其在真空下通过从反应器内部排出而完全消除。等离子体通过快速的离子和中性原子碰撞阴极产生的热，通常足以提供分子解离的油的气化，而不要求较为适合催化各种清洁操作有关反应的等离子体参数的相应改变。

然而，在某些尺寸的等离子体反应器中(和在某些污染物的分子解离化学反应中)，可能出现反应器的不同内部区保持处在足够低的温度从而允许污染物蒸气在其解离之前冷凝并且逐渐沉积在等离子体反应器的这些相对冷的内部区中，使该系统污染有对随后表面处理有害的碳基化合物。

此外，在许多接随清洁操作并且在相同反应器内进行的表面热化学处理操作中，等离子体产生的热不足以维持获得所需表面处理所要求的加热速率和处理温度。

因此，如所述现有专利申请所公开的，即使通过反转阳极和阴极之间的电路，和通过用高动能离子的气态等离子体包围工件，以及通过向阴极施加放电以激发工件上的离子轰击来实施表面处理操作，也需要不是作为有关反应的应变量，而是针对在等离子体反应器内部获得对于所需表面处理足够且必需的温度水平来调节等离子体参数。在该情形中，反应器内所需的温度变化作为放电参数的应变量获得，但是会存在的一些情形是产生所确定的温度需要的放电强度导致在反应环境中形成电弧，从而除了热梯度负面地影响所形成的层的成形和均匀性外，还导致表面损伤(工件上的痕迹)和工件表面上碳沉积物的污染，从而损害随后的热化学处理。

在等离子体反应器中提供电阻加热是本领域中已知的。

在这些已知反应器之一中，提供外部电阻加热用以从通过烧结获得的工件除去粘合剂和可能的污染物。然而，在该已知结构中，将待经受处理用以除去粘合剂和污染物的工件施加到反应器阴极，导致形成电弧和随之使工件污染有碳，这对随后的表面处理是有害的。

在专利US6579493中公开的另一种已知类型的反应器中，提供内部电阻加热以获得足以从通过粉末冶金获得的金属工件除去粘合剂和某些污染物以及提供工件烧结的高温。然而，在这种类型的反应器内部提供电阻加热需要使用高成本材料例如钼，在内部电阻和反应器壁之间提供热辐射反射元件，以及在所述外壁中提供冷却。该解决方案不适于从受处理工件清洁去有机污染物，因为其允许油和其它污染物的挥发性蒸气在它们从反应环境排出之前冷凝和沉积在热辐射反射元件的冷区域和反应器壁上，使后者和其中含有的工件污染有损害工件随后表面热化学处理的碳基化合物。

由上述，需要提供这样的解决方案，该解决方案允许在反应器内部作为所需表面处理的应变量获得均一且均匀的高温，获得的方式不依赖于较为适合催化各种情形有关反应的放电参数。

发明内容

因此，本发明的目的是提供通过气态等离子体和在以完全不依赖于等离子体发生参数的方式产生和控制的温度下处理金属工件的等离子体方法和反应器。

本发明的另一个目的是提供如上所述的等离子体方法和反应器，该等离子体方法和反应器允许等离子体发生参数维持在对于催化有关反应足够且适当而不导致在反应环境中形成电弧的水平。

本发明的其它目的是提供如上所述的等离子体方法和反应器，该等离子体方法和反应器允许通过将等离子体反应器内部的温度维持在高于所述污染物冷凝温度的温度，通过气态等离子体使分子解离以及通过解离污染物的气化和排出来进行清洁操作。

本发明的又一个目的是提供如上所述的等离子体方法和反应器，该等离子体方法和反应器允许在实施清洁操的相同反应器中和在优选通过电阻加热获得及控制的温度下也通过气态等离子体进行金属工件表面的热化学处理操作。

这些和其它目的通过在限定出反应室的等离子体反应器中处理金属工件的等离子体方法获得，所述反应室配设有：支承体；与电功率源联结的阳极-阴极系统；可离子化气态装料入口；和与真空系统连接的气态装料排放出口。

本发明用于处理金属工件的等离子体方法包括以下清洁步骤：a)将支承体连接到接地阳极和将阴极连接到电功率源的负电势部；b)将金属工件设置在反应室内部中的支承体上；c)用给进到反应室中的可离子化气态装料包围所述支承体和金属工件；d)以待从反应室内部中进行处理的金属工件解离的污染物的气化温度，从等离子体反应器的外侧加热反应室的内部；e)向阴极施加放电，以在所述金属工件和支承体的周围激发形成高动能离子的气态等离子体，和使电子轰击在金属工件上用以污染物的分子解离；以及f)从反应室的内部排出气态装料和维持处于气态的污染物。在其中对清洁后的金属工件进行热化学处理的情形中，本发明用于处理金属工件的等离子体方法包括在清洁操作的步骤“f”后，在相同反应器中热化学处理金属工件的表面的另外步骤，所述步骤包括：g-反转阳极-阴极系统的通电极性使得具有金属工件的支承体限定出阴极；h-用给进到反应室中的新的可离子化装料包围支承体和金属工件；i-维持从等离子体反应器的外部加热的反应室的内部并且使其中的温度达到期望的表面热化学处理所需的水平；j-向阴极施加放电，以在所述金属工件和支承体的周围激发形成离子的气态等离子体，以及金属工件中的离子轰击；和k-从反应室的内部排出气态装料。

本发明还提供了用于处理金属工件并且在其中进行上述方法步骤的等离子体反应器，所述反应器具有在内部限定出所已描述的反应室的金属壳体，和安装该金属壳体外部以加热金属壳体和反应室内部的加热装置。根据本发明的一个方面，加热装置由至少一个与金属壳体热接触的电阻器形成。

根据本发明的一个特定方面，支承体包括多个平行且间隔开的有序化结构，所述有序化结构与阳极-阴极系统的同一电极电连接，并且其插入有与阳极-阴极系统的另一电极连接的导电元件，所述有序化结构中的每一个载有至少一个待处理的金属工件。在优选的构造中，向反应室内部产生热辐射的金属壳体部按照与有序化结构安装方向垂直的方向设置。

甚至在待在反应器内部实施的表面处理操作需要的温度并不如烧结操作所需的温度那样高并且达到约1100℃的值的情形中，将加热装置设置在反应器金属壳体外部使得后者呈现出较简单和较整洁的内部构造，从而避免在加热装置和所述壳体之间形成易于污染物的截留和随后沉积的中间区域。

附图说明

下面参考附图通过举出本发明实施方案的实例来描述本发明，并且其中：

图1示意性地表示根据本发明构造的等离子体反应器，描述了提供在安置于所述等离子体反应器内部的支承体上的一些金属工件；和

图2表示根据本发明进行构造并且在反应室内容纳工件支承体的等离子体反应器的简化和更为示意性的垂直截面图，所述工件支承体包括多个水平有序化结构。

具体实施方式

如上所述和如附图所描述，本发明涉及用于处理金属工件1的等离子体方法和反应器，所述方法在包括金属壳体20的等离子体反应器10中进行，所述金属壳体20具有可离子化气态装料入口21e和气态装料排放出口22，所述金属壳体20在内部限定出反应室23，在该反应室内部通常设置支承体30和与金属壳体20外的电功率源50连接的阳极-阴极系统40。反应室23与连接到金属壳体20的出22的真空系统60连接。将反应室23维持密封用于在其中产生等离子体，入口21与可离子化气态供给源(未示出)密封连接，出口22与真空系统60密封连接。

金属壳体20优选用耐高温钢(例如不锈钢AISI 310或309)形成，支承体30也用耐高温钢(例如不锈钢AISI 310或309)形成，但是可使用其它类型的材料，这取决于适当的处理温度。

金属壳体20呈棱柱型，例如具有壁延伸体20a的圆柱体，所述金属壳体为圆柱型时包括环绕侧壁和上端壁20b。

金属壳体20向下敞开以便可拆卸地和密封地位于和锁定在基底结构B上，与反应器操作性连接的部件适当地安装在该基底结构上并且将在先描述该基底结构。

本发明的等离子体反应器10还包括安装在该等离子体反应器10即其金属壳体20外的加热装置70，以加热金属壳体20和反应室23的内部，例如，产生从金属壳体20到反应室23内部的热辐射。

等离子体反应器10外部还配设有外罩11，该外罩通常由涂覆有足够热绝缘的材料(means)(例如氧化铝(aluminade)和二氧化硅(silicade)纤维)的碳钢制成，并且呈现出适当形状以在侧部和上部包围由金属壳体20和加热装置70限定的组件，从而限定出包围金属壳体20的加热腔室13且在其内部设置有加热装置70。

加热装置70通常由至少一个与金属壳体20热接触安装的电阻器71形成，该电阻器在金属壳体20和外罩11之间限定的加热腔室13的内部。根据实施本发明的方式，还提供了通风系统80，该通风系统包括至少一个通常设置在外罩11外部且配设有至少一个吸入嘴81a和至少一个向加热腔室13内部敞开的排放嘴81b的空气循环装置81，所述空气循环装置81能够在加热腔室13内部的至少部分中产生循环气流并且穿过吸入嘴和排放嘴81a、81b。在将空气循环装置81安装在加热腔室13外的情形中，吸入嘴和排放嘴81a、81b采取向加热腔室13内部敞开的管状延伸件的形式。

通风系统80还可包括至少一个换气装置82，该换气装置通常具有类似于空气循环装置81的构造并且也设置在外罩11外部。换气装置82配设有至少一个吸入嘴82a和至少一个向加热腔室13内部敞开的排放嘴82b，所述换气装置82也与通常向大气敞开的进气管83以及与通常向大气敞开的排气管84连接。可按本领域已知的任何适当方式构造换气装置82以将大气可控地供给到加热腔室13的至少一个各自区域内部，并同时通过排气管84吸取和排出气氛，即从加热腔室13的至少一个各自内部区域中去除相应量的加热空气，从而允许实现加热腔室13内部区的一定加热程度。

加热腔室13内的空气循环或空气交换的强度可通过不同方法来实现，例如通过改变通风装置的运转速度(未示出)或者通过改变内部偏转装置的放置(也未示出)。

在所描述的实施方案中，提供了多个也起到换气装置82功能的空气循环装置81，所述装置以经适当控制以允许起到任何一种上述空气循环和空气交换功能的通风和偏转装置进行构造。

在附图描述的构造中，反应室23在上部提供有沿等离子体反应器10的金属壳体20的垂直轴设置的入口21，以均匀地分配来自所述入口21的可离子化气态装料。在这种构造中，支承体30由多个水平或基本上水平放置的有序化结构31形成，因此限定的工件支承体或安装平面垂直于其中通过入口21给进气态装料的方向，所述有序化结构31具有通孔以允许气态装料到达安装在距入口21更远的有序化结构31中的工件。

通过控制阀(未示出)的操控使可离子化气态装料进入反应室23和从反应室23中排出，所述控制阀受到自动驱动，例如通过控制器或其它特定控制装置(未示出)进行操控，但是所述控制阀可手工驱动。虽然没有说明阳极-阴极系统的切换可以或不可以自动进行，但是观察到用于对阀和阳极-阴极系统进行控制的这些装置是不限制本文所给观念的具体方面。

在已描述和如上所述的实施方案中，支承体30包括多个平行且间隔开的有序化结构31，所述有序化结构与阳极-阴极系统40的同一电极41电连接，并且其插入有与阳极-阴极系统40的另一电极41连接的导电元件42，所述有序化结构31中的每一个载有至少一个待处理的金属工件1。

通过使用任何适当的支承体结构将连接至另一电极41的导电元件42设置在有序化结构31之间的反应室23内部，所述支承体结构可由载有有序化结构31的支承体30本身的柱形结构构件32限定，仅需要将所述导电元件42相对于配设有各自有序化结构31的支承体30的结构按电绝缘关系进行安装。

根据本发明并且如所示例性地描述，设置加热装置70以加热所述金属壳体20的相邻壁延伸体，所述延伸是按照通常与反应室23高度的方向一致且垂直于有序化结构31的安装平面的方向。对于这种设置，从金属壳体20的所述壁延伸体辐射到反应室23的内部的热沿着与有序化结构31的安装方向平行的方向，从而在有序化结构31中使辐射自金属壳体20的所述壁延伸体的热更加有效地分布。

阳极-阴极系统40具有由所述电源(energizing)系统的阳极和阴极所限定的电极41。在本发明等离子体方法的清洁操作期间，将限定出阳极-阴极系统40的阳极的电极41与其中设置金属工件1的支承体30的有序化结构31连接，所述电极41接地，而限定出阳极-阴极系统的阴极的另一电极41与电功率源50电连接。

在等离子体方法中，在清洁操作后于相同反应器中实施热化学处理加工，将限定出阳极-阴极系统的阳极的电极41与电功率源50连接，而另一电极41接地。

如下所述，本发明允许实施清洁和热化学处理(例如渗氮、碳氮共渗、渗碳、氧氮共渗(oxynitration)、氧碳氮共渗(oxycarbonitration)和其它)，其中在相同设备中和在相同热循环中两个步骤均受助于等离子体，并且其中将阳极-阴极系统限制在反应室23的内部以允许等离子体发生，和随后利用等离子体反应性环境催化使金属工件1中遇到的污染物分子例如清洁操作中的油有机分子解离的反应。

在清洁操作期间，将金属壳体20连同气态装料一起加热，还通过等离子体发生使其在反应室23的内部受到一定的加热程度。在清洁操作中和在热化学处理操作中，离子的气态等离子体的形成均有助于加热反应室23的内部和使发生解离的污染物气化。

除了有助于反应室23内部中的污染物气化外，后者的外部加热允许以较少能量消耗获得在其内形成的气态等离子体。从外部提供给反应室23的电阻加热避免了反应室23内部中即在对金属工件1进行等离子体处理加工的环境中冷壁的存在。必须避免在反应室23内部中例如在加热金属工件1的初始阶段中存在冷壁，这是因为从进行处理的工件中蒸发的油倾向于沉积在反应室23的未得到足够加热的内部区域上。

因此，另外地和通常地，电阻外部加热避免了反应室23存在温度表现出低于污染物即气化的油的气化温度的壁或区，从而在通过真空系统60和通过金属壳体20的出口22抽排出所述污染物之前，阻止污染物在反应室23的这些较冷区中冷凝和沉积。

对于清洁操作，将待处理的金属工件1设置在支承体30的有序化结构31上，所述支承体安置在反应室23内部且与其金属壳体20电绝缘。在清洁操作期间，支承体30限定出阳极-阴极系统40的阳极，所述阳极接地，而导电元件42与处于负电势、充当放电阴极的电功率源50的出口连接。通过使用真空系统60在清洁操作中使反应室23的内部维持在低于大气压的压力下并且具有形成等离子体所需的值。在阳极-阴极系统40的阴极中提供放电之前，将可离子化气体装料通过金属壳体20的入口21给进到反应室23中。

在实施本发明的方式中，在清洁操作中，可离子化气态装料包含氢气，并且其还可包含含有氢气和至少一种由氩气、氮气构成的气体的气态混合物，或者包含含有氧气和其它气体例如氮气的混合物。工艺气体的选择将取决于待从金属工件除去的物质(例如油)的性质。

例如，气态装料包含：

-氢气，当待从金属工件除去的污染物对氢气表现出反应性，或者是基于在基于碳和氢的气体(例如甲烷(CH₄))中被解离的烃链时；

-氧气，当待从金属工件除去的污染物对氧气表现出反应性，或者是基于在基于碳和氧的气体(例如二氧化碳(CO₂))中被解离的烃链时；

-氩气与氢气或氧气的混合物，当待从金属工件除去的污染物需要用于解离的较高电子密度时；和

-氮气与氩气或氢气或氧气的混合物，当待从金属工件除去的污染物通过所述气体的混合物使它们的解离得到促进时。

其它污染物基本成分(base)的解离也能够依照本发明的原理。

清洁操作的主要原理在于通过电子轰击使油分子解离，产生较轻的分子或气态自由基，通过将气态装料和污染物从反应室23内部排出而将其从该反应室中除去。在实施本发明的方式中，通过真空系统60中的轰击在真空下进行所述排出，产生工件的有效清洁，以及维持反应室23的内部免除油沉积物和其它污染产物(主要是有机污染物)，清洁操作在约30℃-500℃的低温下实施，这取决于待除去污染物的性质。

在这种实施方案中，支承体30和待处理的金属工件1被随着放电产生的等离子体包围并且主要受到由等离子体中产生的电子轰击。在清洁步骤中接受放电并且起阴极作用的第二电极41主要受到离子轰击且因此受到加热。因为阴极中产生的热使金属工件1变暖，对于清洁操作，反应室23外部的加热装置70供给另外的热量，该热量对于获得避免污染物在反应室23内壁上的冷凝所需的加热速率和温度是必需的，所述加热速率和温度不依赖于等离子体参数进行设计。调节或设计这些等离子体参数以催化使污染物例如油的分子解离的反应。如所已述及，气态等离子体的形成还可有助于避免污染物在反应室23内壁上的冷凝所需的部分加热反应室23的内部。

反应室23外部的加热装置70的用途表现出以下优点：允许在反应室23的内部中获得均匀温度，以及避免在等离子体反应器10的内部由金属工件1的等离子体反应产生的蒸气和烟灰的沉积。由用于受限制的阳极-阴极系统40中的几何形状产生的另一个优点是，等离子体中产生的物质完全包围金属工件1，从而致使从金属工件1有效除去污染物例如油。

油分子的解离产生较轻的自由基和分子，它们在工作温度下维持气态物理状态并且通过真空系统60从等离子体反应器10中向外泵送。

在金属工件1的清洁操作完成时，将污染物蒸气连同等离子体操作中产生的其它气体一起从反应室23排出。因为在反应室23内部没有残留物，这是由于油和其它污染物通过等离子体中产生的活性物质活化分子解离而被完全除去，在所述金属工件1的清洁操作完成时，可通过将反应室23内部的温度升至与确定的热化学处理所需的温度相符的值来将负载的金属工件1在相同等离子体反应器10的内部进行处理。

在本发明的解决方案中，等离子体反应器20还包含切换系统90，该切换系统允许反转阳极-阴极系统40的阳极和阴极的极性，使得金属工件1(其在随着油和污染物的解离进行清洁操作期间必须与阳极连接)与阳极-阴极系统40的阴极连接用以通过等离子体进行热化学处理。

对于本发明，通过等离子体进行的清洁和热化学处理操作发生在相同等离子体反应器中，不需要中断加热。

清洁操作之后，随着污染物、特别是油的去除，通过经由金属壳体20的入口21将可离子化气体装料(其可类似于清洁操作中所用的装料或者含有用于所需热化学处理的加以确定的特定气体)引入到反应室23的内部，在相同的等离子体反应器10中开始热化学处理操作，将所述新的可离子化气态装料给进到反应室23的内部，以便包围支承体30和金属工件1。

在从中排出清洁操作的气体和蒸气后，将热化学处理操作的可离子化气体给进到反应室23的内部。

然后反转阴极和阳极之间的极性，使得金属工件1与阴极连接，在明确限定用于经清洁金属工件的加以确定的热化学处理的气体混合物中产生放电时，在相同等离子体反应器10中和在相同的热循环中进行这种处理。

应注意，本发明的热化学处理方法可改变给进可离子化气体装料和反转极性的这种步骤顺序，而不改变所获得的结果。

在新的气态装料进入和阳极-阴极系统40的极性反转后，该热化学处理方法还包括以下步骤：维持从等离子体反应器10的外侧加热的反应室23的内部并且将其内的温度达到期望的表面热化学处理所需的水平；向阴极施加放电，以激发围绕金属工件1和支承体30的离子的气态等离子体的形成，和金属工件1上的离子轰击；以及从反应室23的内部排出气态装料。

在热化学处理操作中，供给到反应室23的气态装料包含例如：当热化学处理为渗氮时，氢气和氮气的气态混合物；当表面热化学处理为氮碳共渗或碳氮共渗时，含有氢气、氮气和碳的气态混合物；当表面处理为渗碳时，含有氢气、氩气和碳的混合物；以及当表面热化学处理为氧氮共渗、氧氮碳共渗和氧碳氮共渗时，含有氧气、氢气、氮气、氩气和碳的气态混合物。可使用其它气体，这取决于所需的热化学处理。

对于热化学处理操作，通过起放电阴极作用的电极41，将支承体30连接到电功率源50的负电势部，而之前具有阴极功能的电极41接地，起放电阳极作用。在极性的这种反转后，即随着将支承体30上的金属工件1与放电阴极连接后，在相同等离子体反应器10中和在相同热循环中进行所需的等离子体热化学处理步骤。在每个清洁和热化学处理操作中，在反应室23中使待离子化的气态装料承受且维持在1.33×10¹帕(0.1托)至1.33×10⁴帕(100托)的低于大气压的压力，这些压力可通过包括例如真空泵的真空系统60的作用获得。清洁和热处理操作采用DC放电，其可在低压下在含有如上所限定的可离子化气体装料的气氛中释放，以产生电子和反应性原子氢或其它物质，这取决于等离子体发生所使用的气体。

包括通过等离子体进行清洁和热化学处理操作的本发明的方法，可用于通过粉末冶金或通过其它制造方法(例如机加工、冲压、冷挤压和其它)制得的金属工件1。本发明的方法在本发明的等离子体反应器10中于约3小时(对于总时间，包括为约6小时的清洁操作和热化学处理(例如渗氮))的时间段内促进金属工件1的清洁。这个处理时间可作为污染物和热化学处理的性质的应变量就较长或较短的时间段加以改变。

反应室23外部的加热装置70使金属壳体20的内壁变暖，从而避免污染物例如油滴的沉积。可维持等离子体稳定并且通过等离子体发生使来自金属工件的全部污染物装料解离，以及维持反应室23免除油和烟灰，允许为加热和为随后借助于等离子体在相同等离子体反应器中进行热化学处理加工提供连续性。通过使用辅助的电阻加热系统并且使反应室23保持在约500℃，没有出现任何类型的沉积和烟灰形成，保持放电整体稳定，从而在约3小时内通过分子解离使污染物例如油完全除去。最终温度和清洁时间均可作为污染物的化学性质的应变量。

在其中将金属工件1连接到阳极的该清洁步骤后，反转极性并且将金属工件1的支承体30连接到阴极。

在排出用于该清洁处理的气体后，将反应室23内的温度升高至约350℃-约900℃的值，用于进行热化学处理过程。

在将气态混合物装料改变为例如氢气和氮气并且在480℃-590℃的温度下加热反应室时，在相同的等离子体反应器1中和在相同的热循环中实施等离子体渗氮，或者热化学处理，从而致使总的处理时间和能量消耗减小，因此降低制备成本。能够使用其它温度范围(比作为实例所引述的范围高或低的温度)并且所述温度作为待进行的热化学处理类型的应变量来限定。

在等离子体反应器10中以工业规模处理金属工件1，其中在相同的热循环中进行等离子体清洁操作和热化学处理操作例如等离子体渗氮。通过光学和电子显微镜法以及通过X射线衍射分析来分析所述金属工件1。结果显示，所获得的渗氮层类似于通过常规方法所获得的那种，所述常规方法即没有以单一热循环实施并且用有机溶剂通过常规方法进行清洁操作以及使用其它设备除去热。然而，要重要地指出，当通过该使用等离子体的新型方法实施处理来除去油时，总处理时间显著较短，从而产生较高的生产率。此外，用等离子体除去油的方法不使用污染反应物例如己烷及其它，所述污染反应物传统地用于化学清洁处理。本方法的其它优点涉及使用受限的阴极-阳极系统40，这允许在支承体中的工件之间使用较小的距离，从而与其它已知的现有技术系统相比，允许在相同的反应室23体积中提供较大量的工件和/或就相同的生产率而言利用尺寸减小的设备。最后，使用相同的等离子体反应器10来进行清洁步骤(例如油去除)和热化学处理步骤(例如渗氮)，通过以外部电阻加热使用受限的阴极-阳极系统，产生很大的投资减少。

虽然本文中仅描述了实施本发明的一种方式，但是应理解可对构件的形式或配置作出改变，而不背离本说明书所附的权利要求书中限定的构造概念。

Claims (23)

1.用于处理金属工件的等离子体方法，该方法在限定出反应室(23)的等离子体反应器(10)中进行，所述反应室(23)配设有：支承体(30)；与电功率源(50)联结的阳极-阴极系统(40)；可离子化气态装料入口(21)；和与真空系统(60)连接的气态装料排放出口(22)，该方法的特征在于其包括以下清洁步骤：

a)将支承体(30)连接到接地阳极和将阴极连接到电功率源(50)的负电势部；

b)将金属工件(1)设置在反应室(23)内部中的支承体(30)上；

c)用给进到反应室中的可离子化气态装料包围所述支承体和金属工件；

d)在待从反应室(23)内部中进行处理的金属工件(1)解离的污染物的气化温度下，从等离子体反应器(10)的外侧加热反应室(23)的内部；

e)向阴极施加放电，以在所述金属工件(1)和支承体(30)的周围激发形成高动能离子的气态等离子体，和金属工件(1)上的电子轰击用以污染物的分子解离；以及

f)从反应室(23)的内部排出气态装料和维持处于气态的污染物。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于离子的气态等离子体的形成有助于加热反应室(23)的内部和使发生解离的污染物气化。

3.根据权利要求1或2中任一项的方法，其特征在于在反应室(23)内部使待离子化的气态装料承受约1.33×10¹帕(0.1托)至1.33×10⁴帕(100托)的低于大气压的压力。

4.根据权利要求1、2或3中任一项的方法，其特征在于气态装料选自氢气、氧气、氩气、氮气和它们的混合物中的任意气体。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于，当待从金属工件除去的污染物限定为对氢气表现出反应性的污染物或者限定为将在基于碳和氢的气体中被解离的基于烃的污染物时，气态装料包含氢气。

6.根据权利要求2的方法，其特征在于，当待从金属工件除去的污染物限定为对氧气表现出反应性的污染物或者限定为将在基于碳和氧的气体中被解离的基于烃的污染物时，气态装料包含氧气。

7.根据权利要求2的方法，其特征在于，当待从金属工件除去的污染物需要用于解离的较高电子密度时，气态装料包含氩气与氢气或氧气的混合物。

8.根据权利要求2的方法，其特征在于，当待从金属工件除去的污染物通过氮气的存在使它们的解离得到活化时，气态装料包含氮气与氩气或氢气或氧气的混合物。

9.根据权利要求1或2中任一项的方法，其特征在于，反应室内部的温度保持在约30℃-约500℃。

10.根据权利要求1的方法，其特征在于在真空下实施反应室(23)内部中气态装料和处于气态的污染物的排出。

11.根据权利要求1-10中任一项的方法，其特征在于，在清洁操作的步骤“f”后，其包括在相同的等离子体反应器(10)中热化学处理金属工件(1)的表面的另外步骤，所述步骤包括：

g-反转阳极-阴极系统(40)的通电极性使得具有金属工件(1)的支承体(30)限定出阴极；

h-用给进到反应室(23)中的新的可离子化气态装料包围支承体(30)和金属工件(1)；

i-维持从等离子体反应器(10)的外部加热反应室(23)的内部并且使其中的温度达到期望的表面热化学处理所需的水平；

j-向阴极施加放电，以在所述金属工件(1)和支承体(30)的周围激发形成离子的气态等离子体，以及金属工件(1)上的离子轰击；和

k-从反应室(23)的内部排出气态装料。

12.根据权利要求11的方法，其特征在于，在真空下实施从反应室(23)的内部排出气态装料。

13.根据权利要求11或12中任一项的方法，其特征在于，在清洁操作中的气态装料排出后，使反应室内部的温度升至约350℃-约900℃的值。

14.根据权利要求11、12或13中任一项的方法，其特征在于，在反应室(23)内部使待离子化的气态装料承受约1.33×10¹帕(0.1托)至1.33×10⁴帕(100托)的低于大气压的压力。

15.根据权利要求11-14中任一项的方法，其特征在于，当表面热化学处理为渗氮时，气态装料包含含有氢气和氮气的气态混合物。

16.根据权利要求11-14中任一项的方法，其特征在于，当表面热化学处理为碳氮共渗或氮碳共渗时，气态装料包含含有氢气、氮气和碳的气态混合物。

17.根据权利要求11-14中任一项的方法，其特征在于，当表面热化学处理为渗碳时，气态装料包含含有氢气、氩气和碳的气态混合物。

18.根据权利要求11-14中任一项的方法，其特征在于，当表面热化学处理为氧氮共渗、氧氮碳共渗和氧碳氮共渗时，气态装料包含含有氢气、氮气、氩气、碳和氧气的气态混合物。

19.用于处理金属工件的等离子体反应器，该等离子体反应器包括在内部限定出反应室(23)且配设有以下的金属壳体(20)：支承体(30)；与电功率源(50)联结的阳极-阴极系统(40)；可离子化气态装料入口(21)；与真空系统(60)连接的气态装料排放出口(22)，该等离子体反应器的特征在于其包括安装在金属壳体(20)的外部的加热装置(70)以加热金属壳体(20)和反应室(23)的内部。

20.根据权利要求19的反应器，其特征在于，加热装置(70)通过来自金属壳体(20)的辐射将热传递到反应室(23)的内部。

21.根据权利要求20的反应器，其特征在于，加热装置(70)由至少一个与金属壳体(20)热接触的电阻器(71)形成。

22.根据权利要求21的反应器，其特征在于，

支承体(30)包括多个平行且间隔开的有序化结构(31)，所述有序化结构与阳极-阴极系统(40)的同一电极(41)电连接，并且其插入有与阳极-阴极系统(40)的另一电极(41)连接的导电元件(42)，所述有序化结构(31)中的每一个载有至少一个待处理的金属工件(1)。

23.根据权利要求22的反应器，其特征在于，从金属壳体(20)向反应室(23)的内部产生的热辐射的方向是按照与支承体(30)的有序化结构(31)的方向平行的方向。

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