DE102022211045A1 - Device and method for carrying out plasma-assisted thermochemical diffusion processes on metallic components - Google Patents
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Abstract
Bei der Vorrichtung zur Durchführung plasmagestützter thermochemischer Diffusionsprozesse an metallischen Bauteilen ist mindestens ein metallisches Bauteil auf einem Arbeitstisch (1) innerhalb einer Reaktionskammer (12) angeordnet und von einem Stahlmaschengitter (6) umschlossen. Das Stahlmaschengitter (6) weist in vertikaler Richtung oberhalb des/der Bauteile(s) eine Öffnung auf, und ist an einen negativen Pol einer ersten oder zweiten elektrischen Gleichstromquelle (5, 10) angeschlossen, wobei oberhalb der Öffnung ein scheibenförmiges Element (9) angeordnet ist, das mit Kohlenstoff gebildet ist oder vollständig aus Kohlenstoff besteht. Das scheibenförmige Element (9) ist an einen negativen Pol der ersten oder zweiten elektrischen Gleichstromquelle (5, 10) angeschlossen oder anschließbar. In der Reaktionskammer (12) ist ein Innendruck eingehalten, der kleiner als der Umgebungsdruck ist und eine Plasmabehandlung mit reaktiven Spezies, die mittels eines in die Reaktionskammer (12) über mindestens einen Gaseinlass (4) zugeführten Reaktionsgases gebildet worden sind, durchführbar ist.In the device for carrying out plasma-supported thermochemical diffusion processes on metallic components, at least one metallic component is arranged on a work table (1) within a reaction chamber (12) and enclosed by a steel mesh grid (6). The steel mesh grid (6) has an opening in the vertical direction above the component(s) and is connected to a negative pole of a first or second electrical direct current source (5, 10), wherein a disk-shaped element (9) is arranged above the opening, which is formed with carbon or consists entirely of carbon. The disk-shaped element (9) is connected or can be connected to a negative pole of the first or second electrical direct current source (5, 10). An internal pressure is maintained in the reaction chamber (12) which is lower than the ambient pressure and a plasma treatment can be carried out with reactive species which have been formed by means of a reaction gas fed into the reaction chamber (12) via at least one gas inlet (4).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung plasmagestützter thermochemischer Diffusionsprozesse an metallischen Bauteilen.The invention relates to a device and a method for carrying out plasma-assisted thermochemical diffusion processes on metallic components.
Konventionell verwendete metallische Werkstoffe erfüllen oft nicht die gewünschten Eigenschaften in Bezug auf die vorgesehenen Anwendungen. Daher ist die Modifikation der Oberflächeneigenschaften der aus derartigen metallischen Werkstoffen hergestellten Komponenten erforderlich, um eine zuverlässige Leistung und lange Lebensdauer zu erreichen. Unter den verschiedenen Oberflächenmodifizierungsverfahren haben plasmagestützte thermochemische Diffusionsprozesse aufgrund einfacher Prozessimplementierung, reduzierter Kosten und geringer Umweltbelastung großes Potenzial. Plasmagestützte Verfahren finden häufig Verwendung zur Verbesserung von Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, Dauerfestigkeit und Oberflächenhärte metallischer Bauteile. Verschiedene plasmagestützte Diffusionsbehandlungsverfahren wie das Plasmanitrieren (PN), das Plasmacarburieren (PC) und das Plasmanitrocarburieren (PNC) sind durch Einleiten von stickstoff- und/oder kohlenstoffhaltigen Vorläufergasen in die jeweilige Prozessatmosphäre realisierbar.Conventionally used metallic materials often do not meet the desired properties in relation to the intended applications. Therefore, modification of the surface properties of the components made from such metallic materials is necessary to achieve reliable performance and long service life. Among the various surface modification processes, plasma-assisted thermochemical diffusion processes have great potential due to simple process implementation, reduced costs and low environmental impact. Plasma-assisted processes are often used to improve wear and corrosion resistance, fatigue strength and surface hardness of metallic components. Various plasma-assisted diffusion treatment processes such as plasma nitriding (PN), plasma carburizing (PC) and plasma nitrocarburizing (PNC) can be implemented by introducing nitrogen and/or carbon-containing precursor gases into the respective process atmosphere.
Plasmagestützte thermochemische Diffusionsbehandlungen werden innerhalb eines Vakuumreaktors durchgeführt indem ein elektrisches Potential zwischen einem kathodisch geschalteten Arbeitstisch (mit den zu behandelnden Komponenten) und der anodisch geschalteten Reaktorwand besteht. Je nach thermochemischem Diffusionsbehandlungsverfahren wird/werden ein Gasgemisch aus H2 und N2 (für PN) und/oder eine in gewissen Grenzen vorgegebene Beimischung von CH4 (für PNC) verwendet. Wenn die Energie der Elektronen hoch genug ist, um Ionen zu generieren, kommt es zu einer Glimmentladung, die sich gleichmäßig über die Oberfläche der zu behandelnden Bauteile ausbreitet. Bei der Glimmentladung werden Elektronen von der Kathode zur Anode beschleunigt, wechselwirken mit den Molekülen der in den Reaktor eingebrachten Gase und erzeugen so eine Umgebung aus Elektronen, positiven und negativen Ionen, neutralen und energetischen Spezies. Die positiven Ionen werden beschleunigt und stoßen mit relativ hoher kinetischer Energie auf die negativ geladenen Komponenten (zu behandelnde Bauteile). Während dieses Prozesses werden die Komponenten vom negativen Glimmsaum bedeckt - diese Plasma-Festkörper-Grenzfläche wird als Kathodenhülle bezeichnet, in der alle Wechselwirkungen mit der Oberfläche stattfinden. Die Wechselwirkung zwischen den Spezies in der Kathodenhülle und der Oberfläche ist wesentlich für die Oberflächenmodifikation. Eine solche Wechselwirkung verursacht verschiedene Effekte, hauptsächlich die Erwärmung der Komponenten auf die Behandlungstemperatur und die Erzeugung der erforderlichen reaktiven Spezies für die Diffusion. Im Allgemeinen werden ca. 10 % - 20 % der zugeführten Plasmaenergie für die Aktivierung der chemischen Reaktionen und die Generierung reaktiver Spezies benötigt, während ca. 80 % - 90 % der Plasmaenergie in Form von Wärme zur Erhöhung der Bauteiltemperatur und zur Einstellung der gewünschten Behandlungstemperatur erforderlich sind.Plasma-assisted thermochemical diffusion treatments are carried out within a vacuum reactor by creating an electrical potential between a cathodically connected work table (with the components to be treated) and the anodically connected reactor wall. Depending on the thermochemical diffusion treatment process, a gas mixture of H 2 and N 2 (for PN) and/or an admixture of CH 4 (for PNC) specified within certain limits is used. If the energy of the electrons is high enough to generate ions, a glow discharge occurs that spreads evenly over the surface of the components to be treated. During the glow discharge, electrons are accelerated from the cathode to the anode, interact with the molecules of the gases introduced into the reactor and thus create an environment of electrons, positive and negative ions, neutral and energetic species. The positive ions are accelerated and collide with the negatively charged components (components to be treated) with relatively high kinetic energy. During this process, the components are covered by the negative glow line - this plasma-solid interface is called the cathode shell, where all interactions with the surface take place. The interaction between the species in the cathode shell and the surface is essential for surface modification. Such interaction causes various effects, mainly heating the components to the treatment temperature and generating the required reactive species for diffusion. In general, about 10% - 20% of the supplied plasma energy is required for activating the chemical reactions and generating reactive species, while about 80% - 90% of the plasma energy is required in the form of heat to increase the component temperature and set the desired treatment temperature.
Die Prozessregelung einer plasmagestützten thermochemischen Diffusionsbehandlung metallischer Bauteile, d.h. die Regelung der Prozessatmosphäre, um die gewünschten Eigenschaften innerhalb der modifizierten Oberflächenschicht der Werkstücke zu erreichen, ist sowohl aus Sicht der Industrie als auch der Forschung von Interesse.The process control of a plasma-assisted thermochemical diffusion treatment of metallic components, i.e. the control of the process atmosphere in order to achieve the desired properties within the modified surface layer of the workpieces, is of interest from both an industrial and research perspective.
Um eine definierte Materialreaktion bei der plasmagestützten thermochemischen Diffusionsbehandlung zu erreichen, müssen folgende Prozess-Parameter berücksichtigt werden. Dies können die Behandlungstemperatur, die Behandlungsdauer, die Zusammensetzung des jeweiligen Prozessgases, die Durchflussrate des Prozessgases, der Prozessdruck und/oder die globalen Plasmaparameter (elektrische Spannung, Plasmastromdichte) sein. Die Regelung der Prozessatmosphäre ist abhängig von der Auswahl und Kombination von Druck, Temperatur, Zeit und der Prozessgaszusammensetzung (N2+H2-/+CH4). Die vorgenannten Einzel-Parameter beeinflussen jedoch wesentlich die Plasmaparameter, da unterschiedliche Korrelationen und Wechselwirkungen miteinander bestehen.In order to achieve a defined material reaction in plasma-assisted thermochemical diffusion treatment, the following process parameters must be taken into account. These can be the treatment temperature, the treatment duration, the composition of the respective process gas, the flow rate of the process gas, the process pressure and/or the global plasma parameters (electrical voltage, plasma current density). The control of the process atmosphere depends on the selection and combination of pressure, temperature, time and the process gas composition (N 2 +H 2 -/+CH4). However, the aforementioned individual parameters significantly influence the plasma parameters, as there are different correlations and interactions with each other.
Um eine zuverlässige Prozessregelung zu erreichen, sollten alle genannten Parameter separat und unabhängig voneinander regelbar sein. Dazu ist es notwendig, dass die speziellen Plasmaparameter, wie Vakuumdruck, elektrische Spannung und Plasmastromdichte festgelegt und die Temperatur der zu behandelnden Werkstücke separat, d.h. von den Plasmaparametern unabhängig, geregelt werden können.In order to achieve reliable process control, all of the above parameters should be separately and independently controllable. To achieve this, it is necessary that the specific plasma parameters, such as vacuum pressure, electrical voltage and plasma current density, can be defined and that the temperature of the workpieces to be treated can be controlled separately, i.e. independently of the plasma parameters.
Die Prozesssteuerung hängt also nicht nur von den vorgenannten globalen Behandlungsparametern ab, sondern auch von der Konfiguration des Reaktors.The process control therefore depends not only on the aforementioned global treatment parameters, but also on the configuration of the reactor.
Für die Konfiguration des Reaktors zur Gewährleistung einer zuverlässigen Prozessregelung ist die Entkopplung der Funktionen (i) Aufheizen der zu behandelnden Komponenten auf Behandlungstemperatur und (ii) Generierung der reaktiven Spezies vorteilhaft. Erstgenannter Aspekt beruht auf empirischen, materialspezifischen Erkenntnissen. Zweitgenannter Aspekt ist abhängig von der Konfiguration und den resultierenden technologischen Eigenschaften des verwendeten Reaktors.For the configuration of the reactor to ensure reliable process control, the decoupling of the functions (i) heating the components to be treated to treatment temperature and (ii) generation of the reactive species is advantageous. The first aspect is based on empirical, material-specific knowledge The second aspect depends on the configuration and the resulting technological properties of the reactor used.
Zur Gewährleistung einer zuverlässigen Prozessregelung für plasmagestützte thermochemische Diffusionsprozesse metallischer Bauteile sollten das Aufheizen auf Prozesstemperatur und die Generierung von reaktiven Spezies voneinander effizient getrennt und gleichzeitig unabhängig voneinander regelbar sein.To ensure reliable process control for plasma-assisted thermochemical diffusion processes of metallic components, heating to process temperature and the generation of reactive species should be efficiently separated from each other and at the same time independently controllable.
Der aktuelle Stand der Technik zur plasmagestützten Diffusionsbehandlung umfasst vier Technologien. Dies ist der konventionelle plasmagestützte Prozess im Kaltwand-Reaktor (
Im konventionellen Kaltwandreaktor unter Anwendung von kontinuierlichem Gleichstromplasma (DC) werden die zu behandelnden Bauteile mit Plasma beglimmt und durch die kinetische Energie infolge des lonenbeschusses aufgeheizt. Dieser Prozess wird durch die Regelung von elektrischer Spannung und Stromdichte gesteuert. Zum Erreichen und zur Aufrechterhaltung der Prozesstemperatur ist eine hohe Plasmaspannung (600 V - 800 V) an den Komponenten notwendig. Die Generierung reaktiver Spezies ergibt sich zwangsläufig und ist nicht unabhängig regelbar.In the conventional cold wall reactor using continuous direct current plasma (DC), the components to be treated are glowed with plasma and heated by the kinetic energy resulting from the ion bombardment. This process is controlled by regulating the electrical voltage and current density. A high plasma voltage (600 V - 800 V) is necessary on the components to achieve and maintain the process temperature. The generation of reactive species is inevitable and cannot be controlled independently.
Die Substitution von kontinuierlichem DC-Plasma kann durch gepulstes DC-Plasma realisiert werden, wobei die Regelung der Bauteiltemperatur durch einfache Anpassung der Plasma-Pulscharakteristik (Pulslänge, Pulspause) ohne elektrische Spannungsänderung erreichbar sein kann. Negative Effekte, wie Hohlkathoden- bzw. Lichtbogeneffekt, können effektiv unterdrückt und ein gleichmäßiges Behandlungsergebnis an Bauteilen mit komplexen Geometrien erhalten werden. Die Nutzung des Plasmas zum Aufheizen der metallischen Bauteile erfordert bis zu viermal so viel elektrische Leistung wie die plasmagestützte Diffusionsbehandlung selbst.Continuous DC plasma can be replaced by pulsed DC plasma, whereby the component temperature can be controlled by simply adjusting the plasma pulse characteristics (pulse length, pulse pause) without changing the electrical voltage. Negative effects such as hollow cathode or arc effects can be effectively suppressed and a uniform treatment result can be achieved on components with complex geometries. Using the plasma to heat up the metallic components requires up to four times as much electrical power as the plasma-assisted diffusion treatment itself.
Ein konventioneller Warmwandreaktor mit Heizsystem innerhalb der Reaktorwand sowie eine Anwendung des gepulsten DC-Plasmas nutzt zwei unabhängige Wärmequellen (elektrische Widerstandsheizung und Plasmabeglimmung). Die zu behandelnden metallischen Komponenten werden mit Hilfe von innerhalb der Reaktorwand installierten ohmschen Heizelementen aufgeheizt, eine (zusätzliche) Plasmabeglimmung ist nicht notwendig. Das gepulste DC-Plasma dient zur Oberflächenaktivierung der metallischen Bauteile, zur lonisierung der zugeführten Prozessgase sowie zur Generierung reaktiver Spezies. Das Plasma wird (hauptsächlich) zur Generierung reaktiver Spezies eingesetzt, somit ist die an den jeweiligen metallischen Bauteilen angelegte Plasmaspannung (400 V - 500 V) im Vergleich zum Kaltwandreaktor kleiner. Mittels Warmwandreaktoren werden die metallischen Bauteile mit wirtschaftlich vertretbarem Zeit- und Energieaufwand mit homogener Temperaturverteilung aufgeheizt.A conventional warm wall reactor with a heating system inside the reactor wall and an application of pulsed DC plasma uses two independent heat sources (electrical resistance heating and plasma glow). The metallic components to be treated are heated using ohmic heating elements installed inside the reactor wall; (additional) plasma glow is not necessary. The pulsed DC plasma is used to activate the surfaces of the metallic components, to ionize the supplied process gases and to generate reactive species. The plasma is (mainly) used to generate reactive species, so the plasma voltage applied to the respective metallic components (400 V - 500 V) is lower than in the cold wall reactor. Using warm wall reactors, the metallic components are heated with a homogeneous temperature distribution using economically justifiable time and energy.
Die Weiterentwicklung der vorgenannten konventionellen plasmagestützten Verfahren ist die Aktivgitter-Technologie im Kaltwandreaktor. Hier wird das Plasma auf ein das Behandlungsgut umschließendes Metallgitter (= Aktivgitter, engl. active screen, AS) verlagert. Als Aktivgitter wird ein Stahl-basiertes Gitter verwendet, das innerhalb des Vakuumreaktors angeordnet und elektrisch mit der Gleichstromquelle zur Plasmagenerierung verbunden ist. Zwischen Vakuumreaktor und Aktivgitter wird das Plasma primär generiert. Das mit Plasma beaufschlagte Aktivgitter erfüllt zwei Funktionen: strahlungsbedingte Temperaturhomogenität auf dem Werkstück sowie Generierung reaktiver Spezies.The further development of the aforementioned conventional plasma-supported processes is the active grid technology in the cold wall reactor. Here, the plasma is shifted to a metal grid (= active screen, AS) that surrounds the material to be treated. A steel-based grid is used as the active grid, which is arranged inside the vacuum reactor and is electrically connected to the direct current source for plasma generation. The plasma is primarily generated between the vacuum reactor and the active grid. The active grid exposed to plasma fulfills two functions: radiation-related temperature homogeneity on the workpiece and generation of reactive species.
Das Aktivgitter-Plasma liefert die zum Erreichen der Prozesstemperatur notwendige Wärme, heizt die zu behandelnden metallischen Bauteile durch Wärmestrahlung auf und gewährleistet eine trägheitslose Temperaturkontrolle. Weiterhin wechselwirkt das Aktivgitter an der metallischen Oberfläche mit dem zugeführten (N2+H2-/+CH4)-Prozessgas und bildet infolge des Mechanismus des physikalischen Sputterns eine reaktive Gasmischung (Elektronen, positive und negative Ionen, neutrale und energetische Spezies). Um die am Aktivgitter generierten aktiven Spezies auf die zu behandelnden metallischen Bauteile zu lenken, wird das Behandlungsgut zusätzlich mit einem geringen elektrischen Potential (Bias) beaufschlagt. Infolge der starken Reduzierung der Plasmaentladung am Behandlungsgut werden Kanteneffekte sowie Hohlkathodenbildung reduziert bzw. vermieden, es können scharfe Kanten und Querschnittsübergänge sowie kleinste Bohrungen und Sacklöcher behandelt werden. Zur Regelung der Prozesstemperatur im Reaktor wird die dem Aktivgitter zugeführte Leistungsdichte mittels elektrischer Spannungsänderung variiert. Die Anwendung eines Stahl-Aktivgitters lässt die Behandlungsprozesse PN, PC und PNC zu.The active grid plasma provides the heat required to reach the process temperature, heats the metal components to be treated by thermal radiation and ensures inertia-free temperature control. The active grid on the metal surface also interacts with the supplied (N 2 +H 2 -/+CH 4 ) process gas and forms a reactive gas mixture (electrons, positive and negative ions, neutral and energetic species) as a result of the mechanism of physical sputtering. In order to direct the active species generated on the active grid onto the metal components to be treated, the material to be treated is additionally subjected to a low electrical potential (bias). As a result of the strong reduction in the plasma discharge on the material to be treated, edge effects and hollow cathode formation are reduced or avoided, sharp edges and cross-sectional transitions as well as the smallest bores and blind holes can be treated. To regulate the process temperature in the reactor, the power density supplied to the active grid is varied by means of an electrical voltage change. The use of a steel active grid allows the treatment processes PN, PC and PNC.
Die Substitution des Stahl-Aktivgitters durch ein Kohlenstoff-Aktivgitter (Graphit, kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff - CFC) im Kaltwandreaktor resultiert in verbesserten PNC-/PC-Prozessen. Infolge der Wechselwirkung zwischen der Plasmaentladung an der Kohlenstoffoberfläche des Kohlenstoff-Aktivgitters und dem N2-H2-Reaktionsgas entsteht ein hochreaktives Prozessgas, bestehend aus gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffen, Radikalen, Ammoniak, CN-haltigen Spezies und Kohlenmonoxid (CO). Der Bildungsmechanismus der flüchtigen ungesättigten Kohlenwasserstoffe (HCN, C2H2, CN und weitere) beruht auf dem Prinzip des chemischen Sputterns plasmaaktivierter Feststoffkohlenstoffoberflächen. Im Vergleich zum Stahl-Aktivgitter liegt die Generierungsrate reaktiver Spezies bei einem Kohlenstoff-Aktivgitter um ein bis zwei Größenordnungen höher. Die Anwendung eines Kohlenstoff-Aktivgitters im Kaltwandreaktor lässt die Behandlungsprozesse PC und PNC zu. Eine Zugabe gasförmiger Kohlenstoffträger (z.B. CH4) ist für PC bzw. PNC nicht mehr notwendig.The substitution of the steel active grid by a carbon active grid (graphite, carbon fiber reinforced carbon - CFC) in the cold wall reactor results in improved PNC/PC processes. As a result of the interaction between the plasma discharge on the carbon surface of the carbon active grid and the N 2 -H 2 reaction gas, a highly reactive process gas is created, consisting of from saturated and unsaturated hydrocarbons, radicals, ammonia, CN-containing species and carbon monoxide (CO). The formation mechanism of the volatile unsaturated hydrocarbons (HCN, C2H2, CN and others) is based on the principle of chemical sputtering of plasma-activated solid carbon surfaces. Compared to a steel active grid, the generation rate of reactive species with a carbon active grid is one to two orders of magnitude higher. The use of a carbon active grid in a cold-wall reactor enables the treatment processes PC and PNC. The addition of gaseous carbon carriers (e.g. CH 4 ) is no longer necessary for PC or PNC.
Ein Kaltwand-Reaktor mit kontinuierlichem DC-Plasma hat folgende Nachteile:
- Es ist keine Trennung von elektrischen Parametern der Plasmaentladung für die Heizung und für die Generierung reaktiver Spezies möglich. Eine hohe Plasmaleistung führt zu einer Überhitzung bei Bauteilen mit unterschiedlichem Flächen/Volumen-Verhältnis, Arcing, Kanteneffekt an Bauteiloberfläche, Hohlkathodeneffekt und hohem Energieverbrauch. Es ist keine konturentreue Behandlung, insbesondere bei Komponenten mit komplexen Geometrien und geringer Spaltgängigkeit (z.B. Sacklöcher) möglich.
- It is not possible to separate the electrical parameters of the plasma discharge for heating and for the generation of reactive species. A high plasma power leads to overheating of components with different area/volume ratios, arcing, edge effects on the component surface, hollow cathode effect and high energy consumption. Contour-accurate treatment is not possible, especially for components with complex geometries and low gap clearance (e.g. blind holes).
Das Warmwandverfahren mit gepulstem DC-Plasma hat die Nachteile, dass die gesamte Plasmaentladung an der Oberfläche des jeweiligen Bauteils erfolgt. Außerdem treten die zuvor erwähnten Probleme des Kaltwandreaktors noch immer auf. Es ist keine Trennung von elektrischen Parametern der Plasmaentladung für die Heizung und für die Generierung reaktiver Spezies möglich.The warm wall process with pulsed DC plasma has the disadvantage that the entire plasma discharge occurs on the surface of the respective component. In addition, the previously mentioned problems of the cold wall reactor still occur. It is not possible to separate the electrical parameters of the plasma discharge for heating and for the generation of reactive species.
Aufgrund der technologischen Begrenzung der maximal erreichbaren Temperatur durch die Wandheizung kann zusätzliche Wärme bei Hochtemperaturbehandlungen nur durch ein intensives Plasma an den jeweiligen Bauteilen erreicht werden. Auch in diesem Fall sind die oben genannten Nachteile weiterhin vorhanden.Due to the technological limitation of the maximum temperature that can be achieved by wall heating, additional heat during high-temperature treatments can only be achieved by using an intensive plasma on the respective components. Even in this case, the disadvantages mentioned above still exist.
Ein Stahl-Aktivgitter im Kaltwandreaktor bedingt folgende Nachteile. Es ist keine Entkopplung der elektrischen Parameter des Plasmas zum Aufheizen und zur Generierung reaktiver Spezies möglich. Die Höhe der Plasmaleistung am Stahl-Aktivgitter kann während des Prozesses über die Behandlungstemperatur gesteuert werden. Es tritt ein unerwünschter Materialübertrag vom Stahl-Aktivgitter auf die Bauteiloberfläche auf und es ist ein Mindestabstand zwischen Stahl-Aktivgitter und Bauteiloberfläche einzuhalten.A steel active grid in a cold wall reactor has the following disadvantages. It is not possible to decouple the electrical parameters of the plasma for heating and generating reactive species. The level of plasma power at the steel active grid can be controlled during the process via the treatment temperature. Undesirable material transfer occurs from the steel active grid to the component surface and a minimum distance must be maintained between the steel active grid and the component surface.
Es können Kontaminationen des Stahl-Aktivgitters mit chemischen Elementen, z.B. C, auftreten, die bei Folgeprozessen unkontrolliert freigegeben werden (Behandlungshistorie berücksichtigen). Die Lebensdauer eines Stahl-Aktivgitters ist infolge Verzug nach bestimmter Anzahl von Behandlungszyklen limitiert.Contamination of the steel active grid with chemical elements, e.g. C, can occur, which are released uncontrolled during subsequent processes (take treatment history into account). The service life of a steel active grid is limited due to distortion after a certain number of treatment cycles.
Die Nutzung eines Kohlenstoff-Aktivgitters im Kaltwandreaktor bedingt die Nachteile, dass während des Prozesses die elektrischen Parameter des Plasmas für die Aufheizung sowie für die Generierung reaktiver Spezies nicht entkoppelt sind. Die notwendige Konzentration an reaktiven Spezies kann nicht geregelt werden und ist daher zumeist zu hoch. Die Höhe der Plasmaleistung kann während des Prozesses über die Behandlungstemperatur gesteuert werden. Das Kohlenstoff-Aktivgitter unterliegt einer hohen Erosionsrate sowohl während des Aufheizens als auch während des eigentlichen Behandlungsprozesses. Die möglichen Behandlungsverfahren sind auf PC und PNC beschränkt; reines PN, ohne Kohlenstoffeinwirkung, kann nicht realisiert werden. Außerdem kann eine Verunreinigung bzw. Kohlenstoffkontamination des Reaktors nicht vermieden werden.The use of a carbon active grid in the cold wall reactor has the disadvantage that the electrical parameters of the plasma for heating and for the generation of reactive species are not decoupled during the process. The necessary concentration of reactive species cannot be regulated and is therefore usually too high. The level of plasma power can be controlled during the process via the treatment temperature. The carbon active grid is subject to a high erosion rate both during heating and during the actual treatment process. The possible treatment processes are limited to PC and PNC; pure PN, without carbon influence, cannot be realized. In addition, contamination or carbon contamination of the reactor cannot be avoided.
Aufgabe der Erfindung ist es eine zuverlässige Prozessregelung der plasmagestützten thermochemischen Diffusionsbehandlung von metallischen Bauteilen zu ermöglichen, wobei außerdem eine bessere Effektivität der eingesetzten Energie erreicht werden soll.The object of the invention is to enable reliable process control of the plasma-assisted thermochemical diffusion treatment of metallic components, while also achieving better effectiveness of the energy used.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 9 betrifft ein Verfahren, bei dem die Vorrichtung eingesetzt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved with a device having the features of
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens ein metallisches Bauteil auf einem Arbeitstisch in einer Reaktionskammer angeordnet und von einem Stahlmaschengitter umschlossen. Das Stahlmaschengitter weist in vertikaler Richtung oberhalb des/der Bauteile(s) eine Öffnung auf, diese Öffnung sollte zumindest eine freie Querschnittsfläche aufweisen, die ca. den radial äußeren Abmessungen eines scheibenförmigen Elements entspricht. Das Stahlmaschengitter ist an einen negativen Pol einer ersten oder zweiten elektrischen Gleichstromquelle angeschlossen.In the device according to the invention, at least one metal component is arranged on a work table in a reaction chamber and is enclosed by a steel mesh grid. The steel mesh grid has an opening in the vertical direction above the component(s); this opening should have at least a free cross-sectional area that corresponds approximately to the radially outer dimensions of a disk-shaped element. The steel mesh grid is connected to a negative pole of a first or second electrical direct current source.
Dabei ist oberhalb der Öffnung ein scheibenförmiges Element angeordnet, das mit Kohlenstoff gebildet ist oder vollständig aus Kohlenstoff besteht. Das scheibenförmige Element ist an einen negativen Pol einer ersten oder zweiten elektrischen Gleichstromquelle angeschlossen oder daran anschließbar. Die Gleichstromquellen können kontinuierlich oder gepulst betrieben werden.A disk-shaped element, which is made of carbon or consists entirely of carbon, is arranged above the opening. The disk-shaped element is connected to a negative pole of a first or second electrical direct current. power source or can be connected to it. The direct current sources can be operated continuously or pulsed.
An der Wandung der Reaktionskammer kann eine elektrische Widerstandsheizung angeordnet oder darin integriert sein, die an einen positiven Pol der ersten oder zweiten elektrischen Gleichstromquelle angeschlossen ist, wenn ein Warmwandreaktor eingesetzt werden soll.An electrical resistance heater may be arranged on or integrated into the wall of the reaction chamber and connected to a positive pole of the first or second electrical direct current source if a warm wall reactor is to be used.
In der Reaktionskammer ist ein Innendruck eingehalten, der kleiner als der Umgebungsdruck ist und ein Plasmaprozess mit reaktiven Spezies, die mittels eines in die Reaktionskammer über mindestens einen Gaseinlass zugeführten Reaktionsgases gebildet worden sind, durchführbar ist. Das jeweilige Reaktionsgas kann ein einziges Gas aber auch ein geeignetes Gasgemisch sein, je nachdem welche Oberflächenmodifikation an Bauteilen erreicht und welche plasmagestützte Diffusionsbehandlung durchgeführt werden soll. So kann bei einem Plasmacarburieren H2, beim Plasmanitrieren N2 und beim Plasmanitrocarburieren ein Gemisch von H2 und N2 als Reaktionsgas zugeführt werden. An internal pressure is maintained in the reaction chamber that is lower than the ambient pressure and a plasma process can be carried out with reactive species that have been formed by means of a reaction gas fed into the reaction chamber via at least one gas inlet. The respective reaction gas can be a single gas or a suitable gas mixture, depending on which surface modification is to be achieved on components and which plasma-assisted diffusion treatment is to be carried out. For example, H 2 can be supplied as a reaction gas in plasma carburizing, N 2 in plasma nitriding and a mixture of H 2 and N 2 in plasma nitrocarburizing.
Vorteilhaft können mindestens zwei dieser unterschiedlichen plasmagestützten thermochemischen Diffusionsprozesse alternierend durch entsprechende Zuführung eines Reaktionsgases oder Reaktionsgasgemisches durchgeführt werden.Advantageously, at least two of these different plasma-assisted thermochemical diffusion processes can be carried out alternately by appropriately supplying a reaction gas or reaction gas mixture.
Ein scheibenförmiges Element kann aus reinem Kohlenstoff, z.B. Graphit bestehen. Es kann aber auch ein Verbundwerkstoff, wie z.B. faserverstärkter Kohlenstoff, insbesondere kohlenstofffaserverstärkter Kohlenstoff eingesetzt werden.A disk-shaped element can be made of pure carbon, e.g. graphite. However, a composite material such as fiber-reinforced carbon, in particular carbon fiber-reinforced carbon, can also be used.
Das scheibenförmige Element kann in einem Abstand zur Öffnung des Stahlmaschengitters angeordnet und gegenüber dem Stahlmaschengitter und der Wandung der Reaktionskammer elektrisch isoliert sein.The disc-shaped element can be arranged at a distance from the opening of the steel mesh grid and can be electrically insulated from the steel mesh grid and the wall of the reaction chamber.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, den Abstand des scheibenförmigen Elements zum vertikal oberen Stirnrand des Stahlmaschengitters mittels eines Verstellmechanismus zu verändern, um auf den jeweiligen Diffusionsprozess Einfluss zu nehmen. Dabei kann man den Abstand auch so verändern, dass der Abstand ausgehend von einem vorgegebenen Maximalabstand bis zu einer direkten Berührung des vertikal oberen Stirnrandes des Stahlmaschengitters verändert wird, und dadurch eine elektrische leitende Verbindung zwischen scheibenförmigem Element und Stahlmaschengitter erreicht ist. Bei Berührung kann ein elektrischer Stromfluss von einer Gleichstromquelle über das Stahlmaschengitter zum scheibenförmigen Element erreicht werden.However, it is also possible to change the distance between the disc-shaped element and the vertically upper front edge of the steel mesh grid using an adjustment mechanism in order to influence the respective diffusion process. The distance can also be changed in such a way that the distance is changed from a predetermined maximum distance to a direct contact with the vertically upper front edge of the steel mesh grid, thereby achieving an electrically conductive connection between the disc-shaped element and the steel mesh grid. When touched, an electrical current can flow from a direct current source via the steel mesh grid to the disc-shaped element.
Bevorzugt sollte der Abstand stufenlos veränderbar sein.Preferably, the distance should be continuously adjustable.
Durch eine Variation des Abstandes kann man auch Einfluss auf die Aktivierung der zur Oberflächenmodifizierung genutzten Spezies ausüben.By varying the distance, one can also influence the activation of the species used for surface modification.
Das scheibenförmige Element sollte austauschbar und bevorzugt scheibenförmige Elemente mit unterschiedlicher Dimensionierung einsetzbar sein. Auch durch die Dimensionierung kann man Einfluss auf den jeweiligen Diffusionsprozess nehmen um das Ergebnis entsprechend positiv zu beeinflussen, da das scheibenförmige Element auch als Kohlenstoffquelle fungieren kann. So kann vorteilhaft ein scheibenförmiges Element mit einer bestimmten Größe seiner Oberfläche eingesetzt werden, die beispielsweise die für den jeweiligen plasmagestützten thermochemischen Diffusionsprozess erforderliche Menge an Kohlenstoff bereitstellen kann.The disc-shaped element should be interchangeable and preferably disc-shaped elements with different dimensions should be usable. The dimensions can also influence the respective diffusion process in order to positively influence the result, since the disc-shaped element can also function as a carbon source. For example, a disc-shaped element with a certain surface area can be used, which can, for example, provide the amount of carbon required for the respective plasma-supported thermo-chemical diffusion process.
Das mindestens eine metallische Bauteil sollte auf dem Arbeitstisch elektrisch isoliert angeordnet und an keine elektrische Stromquelle angeschlossen sein. Eine üblicherweise genutzte negative BIAS-Spannung ist nicht erforderlich.The at least one metal component should be arranged on the work table in an electrically isolated manner and not connected to any electrical power source. A negative BIAS voltage, which is commonly used, is not required.
Die Wandung der Reaktionskammer kann an Erdpotential oder einen positiven Pol einer elektrischen Gleichstromquelle angeschlossen sein.The wall of the reaction chamber can be connected to earth potential or to a positive pole of a direct current electrical source.
Bei der Durchführung des Verfahrens werden je nach Art des angewandten plasmagestützten thermochemischen Diffusionsprozesses (Plasmacarburieren, Plasmanitrocarburieren, Plasmanitrieren) bestimmte Arten von prozessrelevanten Spezies erzeugt. Die Art der prozessrelevanten Spezies kann mittels Anlegen bzw. Veränderung des elektrischen Stromflusses zum scheibenförmigen Element und/oder des verwendeten Reaktionsgases geregelt werden.When the process is carried out, certain types of process-relevant species are generated depending on the type of plasma-assisted thermochemical diffusion process used (plasma carburizing, plasma nitrocarburizing, plasma nitriding). The type of process-relevant species can be controlled by applying or changing the electrical current flow to the disk-shaped element and/or the reaction gas used.
Bei der Durchführung des Verfahrens für ein Plasmacarburieren und/oder Plasmanitrocarburieren kann die Konzentration der prozessrelevanten Spezies gesteuert oder geregelt werden, wobei man zum Regeln folgende Regelgrößen nutzen kann. Als Funktion der am scheibenförmigen Element angelegten Plasmaleistung (elektrische Spannung), als Funktion des Abstands zwischen dem scheibenförmigen Element und dem Stahlmaschengitter, als Funktion der Größe/Oberfläche des scheibenförmigen Elements. Je nach der spezifischen Konfiguration von Aktiv-Hybrid-Systemen können einzelne oder mehrere der genannten drei Regelgrößen angewandt werden.When carrying out the process for plasma carburizing and/or plasma nitrocarburizing, the concentration of the process-relevant species can be controlled or regulated, whereby the following control variables can be used for control: As a function of the plasma power (electrical voltage) applied to the disk-shaped element, as a function of the distance between the disk-shaped element and the steel mesh grid, as a function of the size/surface of the disk-shaped element. Depending on the specific configuration of active hybrid systems, one or more of the three control variables mentioned can be applied.
Bei der Durchführung des Verfahrens für ein Plasmanitrieren ist ein elektrischer Stromfluss zum scheibenförmigen Element nicht aktiviert, so dass der einzige Steuerparameter die Plasmaleistung (elektrische Spannung) am Stahlmaschengitter ist.When carrying out the plasma nitriding process, an electric current flow to the disc-shaped element is not activated, so that the only control parameter is the plasma power (electrical voltage) on the steel mesh grid.
Ein plasmagestützter thermochemischer Diffusionsprozess mit der Zuführung des entsprechenden Reaktionsgases kann bei konstant gehaltener Temperatur und konstant gehaltenem Druck in der Reaktionskammer durchgeführt werden.A plasma-assisted thermochemical diffusion process with the supply of the corresponding reaction gas can be carried out at a constant temperature and constant pressure in the reaction chamber.
Es kann mindestens ein Bauteil aus einem hochlegierten Stahl über einen niedriglegierten Stahl bis hin zu einem unlegiertem Kohlenstoffstahl mit dem entsprechenden plasmagestützten thermochemischen Diffusionsprozess behandelt werden. Dabei kann man unter einem hochlegierten Stahl eine Legierung verstehen, bei der mindestens ein Legierungselement einen mittleren Gehalt von 5 Masse.-% überschreitet, und unter einem niedriglegierten Stahl kann man eine Legierung verstehen, in der maximal 0,5 Masse.-% Kohlenstoff und/oder maximal 5 Masse-% mindestens eines weiteren Legierungselements enthalten ist/sind.At least one component made from a high-alloy steel, a low-alloy steel or an unalloyed carbon steel can be treated with the corresponding plasma-assisted thermo-chemical diffusion process. A high-alloy steel can be understood as an alloy in which at least one alloying element exceeds an average content of 5% by mass, and a low-alloy steel can be understood as an alloy in which a maximum of 0.5% by mass of carbon and/or a maximum of 5% by mass of at least one other alloying element is/are contained.
Bei der Erfindung können technische Modifikationen in der Konfiguration innerhalb einer Reaktionskammer bzw. des Reaktors vorgenommen werden, um eine Entkopplung der Erwärmung der Bauteile auf Behandlungstemperatur von der Generierung der für die Diffusionsbehandlung erforderlichen reaktiven Spezies zu realisieren und gleichzeitig neue flexible Prozessparametervariationen (Freiheitsgrade) zu ermöglichen.In the invention, technical modifications can be made in the configuration within a reaction chamber or reactor in order to realize a decoupling of the heating of the components to treatment temperature from the generation of the reactive species required for the diffusion treatment and at the same time to enable new flexible process parameter variations (degrees of freedom).
Das neue Konzept eines Aktiv-Hybrid-Systems basiert auf aus Stahl-basierten und C-basierten plasmabeaufschlagten Oberflächen innerhalb der Reaktionskammer. Damit kann eine definierte Oberflächenmodifikation der jeweiligen Bauteile effektiv und effizient während eines plasmagestützten thermochemischen Diffusionsprozesses geregelt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen bevorzugt zylindrischen Käfig, der in Form eines Stahlmaschengitter ausgebildet und um einen Arbeitstisch und die darauf angeordneten zu behandelnden Bauteile herum in der Reaktionskammer angeordnet ist, auf. Eine Feststoff-Kohlenstoffscheibe ist in einem vorgebbaren Abstand über dem Stahlmaschengitter und dem Arbeitstisch mit Hilfe von elektrischen Isolierungen oder elektrisch vollständig getrennt angeordnet.The new concept of an active hybrid system is based on steel-based and C-based plasma-exposed surfaces within the reaction chamber. This allows a defined surface modification of the respective components to be effectively and efficiently controlled during a plasma-supported thermochemical diffusion process. The device according to the invention has a preferably cylindrical cage, which is designed in the form of a steel mesh grid and is arranged around a work table and the components to be treated arranged thereon in the reaction chamber. A solid carbon disk is arranged at a predeterminable distance above the steel mesh grid and the work table with the help of electrical insulation or completely electrically separated.
In einem solchen Aktiv-Hybrid-System generiert die plasmabeaufschlagte Feststoff-Kohlenstoffscheibe als scheibenförmiges Element in Abhängigkeit von der angelegten Plasmaleistung bzw. Plasmaleistungsdichte, Konzentrationen prozessrelevanter reaktiver Spezies für die Diffusionsbehandlung in regelbarer Form. Das plasmabeaufschlagte bevorzugt hohlzylindrische Stahlmaschengitter dient der trägheitslosen Temperatureinstellung sowie der weiteren Aktivierung der an der plasmaaktivierten Feststoff-Kohlenstoffoberfläche generierten reaktiven Spezies.In such an active hybrid system, the plasma-exposed solid carbon disk as a disk-shaped element generates concentrations of process-relevant reactive species for the diffusion treatment in a controllable form depending on the applied plasma power or plasma power density. The plasma-exposed, preferably hollow-cylindrical steel mesh grid serves to set the temperature without inertia and to further activate the reactive species generated on the plasma-activated solid carbon surface.
Das Aktiv-Hybrid-System ist eine neue technologische Entwicklung für plasmagestützte thermochemische Diffusionsprozesse, und kann sowohl innerhalb von Kaltwand- als auch Warmwandreaktoren Anwendung finden.The active hybrid system is a new technological development for plasma-assisted thermochemical diffusion processes and can be used in both cold-wall and warm-wall reactors.
Die Erfindung bietet flexible Ansätze für die Nutzung des Aktiv-Hybrid-Systems in Reaktoren/Vakuumkammern in Hinblick auf das Energiemanagement für die Feststoff-Kohlenstoffscheibe als scheibenförmiges Element sowie das Stahlmaschengitter und ermöglicht neue Freiheitsgrade der Plasma- und Prozessparameter.The invention offers flexible approaches for the use of the active hybrid system in reactors/vacuum chambers with regard to the energy management for the solid carbon disk as a disk-shaped element as well as the steel mesh grid and enables new degrees of freedom of the plasma and process parameters.
In Reaktionskammern im industriellen Maßstab entstehen Probleme aufgrund der begrenzten Lebensdauer der generierten reaktiven Spezies. Diese Partikel sind möglicherweise nicht mehr aktiv, wenn sie die Oberfläche der zu behandelnden Bauteile erreichen, was zu ungleichmäßig behandelten Bauteilen führen kann. Daher kann die Verwendung von Plasma am Stahlmaschengitter die generierten reaktiven Spezies aus der festen Kohlenstoffscheibe weiter aktivieren und deren Reaktionsfähigkeit an der Bauteiloberfläche verbessern.In industrial-scale reaction chambers, problems arise due to the limited lifetime of the generated reactive species. These particles may no longer be active when they reach the surface of the components to be treated, which can lead to unevenly treated components. Therefore, the use of plasma on the steel mesh can further activate the generated reactive species from the solid carbon disk and improve their reactivity at the component surface.
Das am Stahlmaschengitter generierte Plasma kann trägheitslos auf Temperaturinhomogenitäten innerhalb der Reaktionskammer reagieren, garantiert die Temperaturhomogenität und ermöglicht eine optimale und schnelle Temperaturregelung.The plasma generated on the steel mesh grid can react without inertia to temperature inhomogeneities within the reaction chamber, guarantees temperature homogeneity and enables optimal and rapid temperature control.
Die neue technologische Erfindung/Entwicklung kann sowohl für Hochtemperaturbehandlung mit Temperaturen bis 590 °C als auch insbesondere für Niedertemperaturbehandlungen mit Temperaturen < 400 °C eingesetzt werden.The new technological invention/development can be used both for high-temperature treatment with temperatures up to 590 °C and especially for low-temperature treatment with temperatures < 400 °C.
Bei Warmwandreaktoren wird die gewünschte Behandlungstemperatur hauptsächlich durch die Wandheizung erreicht und der kleinere Teil der Wärme kann durch Plasma am Stahlmaschengitter zur endgültigen Regelung der Behandlungstemperatur zur Verfügung gestellt werden. Die reaktiven Spezies, welche an der Kohlenstoff-Feststoffquelle generiert werden, können vom Plasma am Stahlmaschengitter weiter aktiviert werden und dadurch die Reaktionsfähigkeit an der Bauteiloberfläche verbessern.In warm wall reactors, the desired treatment temperature is mainly achieved by the wall heating and the smaller part of the heat can be provided by plasma on the steel mesh grid for the final control of the treatment temperature. The reactive species generated at the carbon solid source can be further activated by the plasma on the steel mesh grid and thereby improve the reactivity at the component surface.
Bei Kaltwandreaktoren wird die gewünschte Behandlungstemperatur hauptsächlich durch die Erwärmung durch Plasma am Stahlmaschengitter erreicht. Darüber hinaus kann das Plasma am Stahlmaschengitter die Generierung der aktiven Spezies durch das Plasma an der festen Kohlenstoffscheibe weiter aktivieren.In cold wall reactors, the desired treatment temperature is mainly achieved by heating by plasma on the steel mesh grid. In addition, the plasma on the steel mesh grid can promote the generation of the active species further activated by the plasma on the solid carbon disk.
Mit der Erfindung können sowohl PN, PC als auch PNC Prozesse realisiert werden.With the invention, both PN, PC and PNC processes can be realized.
Reaktionskammern für die plasmagestützte thermochemische Diffusionsbehandlung haben folgende Komponenten: Reaktionskammer mit einem Pumpsystem, um einen Gasdruck von ca. 10 Pa - 1000 Pa (ca. 0,1-10 mbar) zu erhalten, Gasversorgung für das Einleiten von Reaktivgasen, elektrische Stromversorgung zur Generierung einer Glimmentladung, ggf. eine elektrische Stromquelle für eine separate Wandheizung, einen Arbeitstisch und Prozessregeleinheit.Reaction chambers for plasma-assisted thermochemical diffusion treatment have the following components: reaction chamber with a pump system to maintain a gas pressure of approx. 10 Pa - 1000 Pa (approx. 0.1-10 mbar), gas supply for introducing reactive gases, electrical power supply for generating a glow discharge, if necessary an electrical power source for a separate wall heater, a work table and process control unit.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by way of example.
Dabei zeigen:
-
1a -d Beispiele für Vorrichtungen nach dem Stand der Technik; -
2 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
3 ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
4 ein drittes Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
5 ein viertes Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und -
6 ein fünftes Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1a -d examples of devices according to the state of the art; -
2 an example of a device according to the invention; -
3 another example of a device according to the invention; -
4 a third example of a device according to the invention; -
5 a fourth example of a device according to the invention and -
6 a fifth example of a device according to the invention.
In den
Beim in
Auf dem Arbeitstisch 1 ist ein Traggestell 2 angeordnet, auf dem nicht gezeigte Bauteile, die zu behandeln sind, angeordnet sind. Das Traggestell 2 mit den Bauteilen ist von einem hohlzylindrischen Stahlmaschengitter 6 umschlossen. Das Stahlmaschengitter 6 ist an der vertikal nach oben weisenden Stirnseite offen und mit einem negativen Pol der ersten elektrischen Stromquelle 5 elektrisch leitend verbunden.A
Arbeitstisch 1 und Traggestell 2 sind mittels eines elektrischen Isolators 8 voneinander getrennt.Work table 1 and
Oberhalb der Öffnung des Stahlmaschengitters 6 ist ein scheibenförmiges Element 9 aus Kohlenstoff angeordnet und mittels keramischer elektrisch isolierender Elemente 7 und 11 an der Wandung der Reaktionskammer 12 befestigt. Scheibenförmiges Element 9 und Stahlmaschengitter 6 sind in einem Abstand zueinander angeordnet und elektrisch voneinander getrennt.A disk-shaped
Über den Gaseinlass 4 kann Reaktionsgas in die Reaktionskammer 12 in dosierter Form zugeführt werden, wenn der plasmaunterstützte Diffusionsprozess durchgeführt werden soll. Das scheibenförmige Element 9 ist mit einem negativen Pol der zweiten Gleichstromquelle 10 elektrisch leitend verbunden. Ein positiver Pol der zweiten elektrischen Stromquelle 10 ist mit der Widerstandsheizung verbunden. Ein elektrischer Stromfluss zum scheibenförmigen Element 9 erfolgt erst dann, wenn eine ausreichende Temperatur für den jeweiligen Diffusionsprozess an den Bauteilen erreicht worden ist. Die Erwärmung dazu erfolgt überwiegend mittels der elektrischen Widerstandsheizung 3. Sie kann durch Glimmentladung und/oder eine Generierung von Plasma am Stahlmaschengitter 6 unterstützt werden.Reaction gas can be fed into the
Mit dem Plasma vom Stahlmaschengitter 6 können die mittels des Plasmas, das am scheibenförmigen Element 9 reaktive Spezies aktiviert, weiter zusätzlich aktiviert werden, wodurch eine gleichmäßige Modifizierung an den Oberflächen der jeweiligen Bauteile erreicht werden kann.With the plasma from the
An die Bauteile muss keine negative BIAS-Spannung angelegt werden.No negative BIAS voltage needs to be applied to the components.
Das zweite in
Über eine geeignete Steuerung bzw. Regelung kann auch damit eine sequentielle Generierung von Plasma mit dem scheibenförmigen Element 9 erreicht werden, bei dem die erforderliche Bauteiltemperatur mittels der elektrischen Widerstandsheizung 3 ggf. unterstützt mit einem Plasma, das am Stahlmaschengitter 6 generiert werden kann, erreicht worden ist.By means of a suitable control or regulation, a sequential generation of plasma can also be achieved with the disk-shaped
Beim in
Das scheibenförmige Element 9 ist auf die Öffnung des Stahlmaschengitters 6 so aufgesetzt, dass zwischen Stahlmaschinengitter 6 und scheibenförmigem Element 9 ein elektrisch isolierendes Element 7 angeordnet ist, so dass keine elektrisch leitende Verbindung besteht. Auch hier kann die Plasmabildung am scheibenförmigen Element 9 und Stahlmaschengitter 6 jeweils einzeln geregelt oder gesteuert werden, so dass es möglich ist zuerst nur Plasma am Stahlmaschengitter 6 zu generieren. Erst nach Erreichen einer Mindesttemperatur an den Bauteilen kann das scheibenförmige Element 9 zugeschaltet und auch dort dann Plasma generiert werden, um die reaktiven Spezies zu aktivieren. Mit dem Plasma, das am Stahlmaschengitter 6 generiert wird, kann dann weitere Energie an die angeregten Spezies übertragen werden.The disk-shaped
Das in
Das in
Der Stellmechanismus 13 ist mit einem elektrisch isolierenden Element 7 am Stahlmaschengitter 6 befestigt, so dass bei Einhaltung eines Abstandes zwischen scheibenförmigem Element 9 und dem oberen Stirnrand des Stahlmaschengitters 6 keine elektrisch leitende Verbindung zwischen diesen beiden Elementen besteht. So kann nur am Stahlmaschengitter 6 ein Plasma generiert werden, das auch zur zusätzlichen Erwärmung der Bauteile genutzt werden kann.The
Das scheibenförmige Element 9 kann aber mit dem Stellmechanismus 13 soweit auf das Stahlmaschengitter 6 zu bewegt werden, dass sich beide Elemente berühren und dann elektrisch leitend miteinander verbunden sind. In dieser Position kann zusätzlich auch Plasma am scheibenförmigen Element 9 generiert und dabei können die jeweiligen Spezies aktiviert werden. Mit dem Plasma vom Stahlmaschengitter 6 kann eine zusätzliche Aktivierung der Spezies erreicht werden. Durch eine entsprechende geometrische Gestaltung des radial äußeren Randes des scheibenförmigen Elements 9 kann auch mindestens ein Spalt an der Öffnung des Stahlmaschengitters 6 offen gelassen werden.However, the disk-shaped
Bei den hier gezeigten und beschriebenen Beispielen handelt sich um Warmwandreaktoren, die überwiegend mit der elektrischen Widerstandsheizung 3 erwärmt werden. Die Wärme des mit dem Stahlmaschengitter 6 generierten Plasmas trägt dann zu einem kleineren Teil zur Erwärmung bei.The examples shown and described here are warm wall reactors that are mainly heated using the
Man könnte bei den Beispielen auch auf die elektrische Widerstandsheizung 3 verzichten und einen Kaltwandreaktor entsprechend betreiben. Die Erwärmung der Bauteile würde dann allein mittels des Plasmas, das mit dem Stahlmaschengitter 6 generiert wird, erreicht werden. Das Stahlmaschengitter 6 und die erste bzw. zweite Gleichstromquelle 5 bzw. 10 müssten nur entsprechend dimensioniert sein und betrieben werden.In the examples, it would also be possible to dispense with the
In den Figuren sind gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Ein plasmagestützter thermochemischer Diffusionsbehandlungsprozess wird üblicherweise in mehreren Schritten wie Erhitzen, Sputtern, Diffusionsbehandlung und Abkühlen durchgeführt. Der Schritt der Diffusionsbehandlung bei einer bestimmten Zeit und Temperatur wird als der wichtigste Schritt des gesamten Prozesses angesehen. Je nach chemischer Zusammensetzung des zu behandelnden Bauteils und dem Endziel der Behandlung kann die Temperatur bei der Diffusionsbehandlung variiert werden. Daher können je nach der bei der Diffusionsbehandlung angewandten Temperatur zwei Schlüsseltechnologien eingesetzt werden: die Niedertemperatur- und die Hochtemperaturtechnologie. Die Niedertemperaturtechnologie im Bereich von 400 °C - 460 °C wird vor allem bei hochlegierten Stählen, wie z. B. nichtrostenden Stählen, angewandt. Hier ist das Hauptziel der Behandlung die Bildung einer modifizierten Schicht (expandierte Phase) nahe der Oberfläche des behandelten Bauteils als Ergebnis der N- und/oder C-Diffusion.In the figures, like elements are identified by the same reference numerals. A plasma-assisted thermo-chemical diffusion treatment process is usually carried out in several steps such as heating, sputtering, diffusion treatment and cooling. The step of diffusion treatment at a specific time and temperature is considered to be the most important step of the entire process. Depending on the chemical composition of the component to be treated and the final goal of the treatment, the temperature during the diffusion treatment can be varied. Therefore, depending on the temperature applied during the diffusion treatment, two key technologies can be used: low-temperature and high-temperature technology. Low-temperature technology in the range of 400 °C - 460 °C is mainly used for high-alloy steels, such as stainless steels. Here, the main goal of the treatment is the formation of a modified layer (expanded phase) close to the surface of the treated component as a result of N and/or C diffusion.
Bei einer PNC-Diffusionsbehandlung eines Bauteils aus AISI 316L im Niedertemperaturverfahren (440 °C) kann man beispielsweise mit einer Vorrichtung mit zwei Gleichstromquellen 5 und 10 arbeiten.For example, when performing a PNC diffusion treatment of an AISI 316L component using a low-temperature process (440 °C), a device with two direct
Das mindestens eine Bauteil wird auf einem Arbeitstisch elektrisch von diesem isoliert innerhalb der Reaktionskammer 12 angeordnet.The at least one component is arranged on a work table within the
In der Reaktionskammer 12 wird ein Innendruck von 0,1 mbar eingestellt, um eine Dichtheitsprüfung durchzuführen.An internal pressure of 0.1 mbar is set in the
Die Aufheizphase wird mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsheizung 3, die an der Wand der Reaktionskammer 12 angeordnet ist, realisiert, um eine Temperatur von 380 °C zu erreichen, die mit Thermoelementen am Traggestell 2 gemessen werden kann. Dabei werden 30 l/h H2 bei einem Druck von 1,5 mbar über die Reaktionsgaszuführung 4 in die Reaktionskammer 12 eingeführt. Es wird eine Temperatur von etwa 450 °C an der elektrischen Widerstandsheizung 3 an der Wand erreicht.The heating phase is carried out using an
Nach Erreichen der Temperatur von 380 °C wird bei einem H2-Durchfluss von 30 l/h und einem Ar-Durchfluss von 3 l/h bei 1 mbar eine elektrische Spannung von 380 V - 450 V an das Stahlmaschengitter 6 mit einer effektiven Oberfläche von ca. 4 m2 angelegt, wobei am Stahlmaschengitter 6 eine negative Glimmentladung erfolgt. In diesem Fall wird das Tragegestell 2 mit Hilfe eines keramischen Isolierelements 8 auf einem gleitenden elektrischen Potential gehalten. In diesem Schritt wird die gemessene Temperatur am Tragegestell 2 aufgrund der Plasmastrahlung auf 420 °C erhöht, während die Temperatur der elektrischen Widerstandsheizung 3 an der Wand leicht von 450 °C auf 410 °C gesenkt wird. Daher wird die Endtemperatur am Beschickungsgestell 2 durch die Nutzung sowohl der Wandheizung als auch des Plasmas geregelt. Eine solche Bedingung führt zu einem Plasmastrom von etwa 12 A - 16 A und einer Plasmaleistung von etwa 1,8 kW - 2,5 kW. Es ist erwähnenswert, dass in diesem Schritt die zweite elektrische Gleichstromquelle 10, die mit dem scheibenförmigen Element 9 als festen Kohlenstoffquelle verbunden ist, ausgeschaltet ist.After reaching the temperature of 380 °C, at an H 2 flow of 30 l/h and an Ar flow of 3 l/h at 1 mbar, an electrical voltage of 380 V - 450 V is applied to the
Der oben beschriebene Zustand wird 30 Minuten lang bei einer konstanten Temperatur von 420 °C aufrechterhalten, um die Oberfläche der zu behandelnden Bauteile zu reinigen und zu aktivieren.The condition described above is maintained for 30 minutes at a constant temperature of 420 °C in order to clean and activate the surface of the components to be treated.
Der PNC-Behandlungsschritt (Diffusion von N und C in die Oberfläche der Bauteile) wird unter folgenden Bedingungen eingeleitet: gewünschtes Reaktionsgasgemisch N2:H2, Druck von 2 mbar - 3 mbar, 400 V- 450 V und 30 A - 35 A an der ersten elektrischen Gleichstromquelle 5, einer Plasmaleistung von 3,5 kW - 4,5 kW und Endbehandlungstemperatur von 440 °C. Zusätzlich wird der Kohlenstoff durch chemisches Sputtern am scheibenförmigen Element 9 als Kohlenstoffquelle aus kohlenstoffbasiertem Materialien (wie CFC oder Graphit) zugeführt. Dabei wird das scheibenförmige Element 9 mit Hilfe von Halteelementen 11 und elektrisch isolierendem Element 7 aus einer Keramik mit einer effektiven Oberfläche von 0,2 m2 oben in der Reaktionskammer 12 befestigt, die mit der Durchführung der zweiten elektrischen Gleichstromquelle 10 verbunden ist. An das scheibenförmige Element 9 wird eine elektrische Spannung von 350 V - 400 V angelegt, was zu einem elektrischen Stromfluss von etwa 4 A - 6 A und einer Plasmaleistung von etwa 0,5 kW - 0,6 kW führt. Die Konzentrationen der erzeugten prozessrelevanten Molekülspezies sind hoch genug, um eine gleichmäßige und dicke durch Plasmanitrocarburieren erhaltenen Diffusionsschicht nahe der Oberfläche der behandelten Bauteile auszubilden. In diesem Schritt wird die Temperatur des elektrischen Widerstandsheizelements 3 an der Wand aufgrund des höheren Beitrags der Plasmaerwärmung leicht von 410 °C auf 380 °C gesenkt.The PNC treatment step (diffusion of N and C into the surface of the components) is initiated under the following conditions: desired reaction gas mixture N 2 :H 2 , pressure of 2 mbar - 3 mbar, 400 V - 450 V and 30 A - 35 A at the first electrical direct
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LI, C. X.: Active screen plasma nitriding – an overview. In: Surface engineering, Vol. 26, 2010, No. 1-2, S. 135-141. - ISSN 0267-0844 |
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