DE69626782T9 - Verfahren und gerät zur plasmabearbeitung - Google Patents

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N. Jesse MATOSSIAN
Peter Mikula
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Description

  • Diese Erfindung betrifft die Wärmebehandlung von Werkstücken und, genauer gesagt, die Plasmabehandlung von Werkstücken für eine reaktive oder nicht-reaktive Wärmebehandlung.
  • Viele Materialien wie etwa Metalle und Keramiken werden während der Herstellungsverfahren wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung wird typischerweise durch Aufheizen eines Werkstückes auf eine erhöhte Temperatur und Halten des Werkstückes bei dieser Temperatur über eine Zeitdauer erreicht. Die Wärmebe handlung kann das Aufheizen auf eine einzige Temperatur beinhalten oder eine komplexere Verarbeitung, wie etwa eine Folge von Heiz- und Kühlschritten. Die Wärmebehandlung kann ferner ein großes Werkstück oder viele kleinere Werkstücke betreffen.
  • Die Wärmebehandlung des Werkstückes (der Werkstücke) wird wegen einer Vielzahl von Gründen durchgeführt. Die Mikrostruktur und somit die Eigenschaften von vielen metallischen Legierungen können durch Wärmebehandlung verändert werden. Keramische Teile, die aus Pulvern hergestellt sind, können gesintert werden, um ihre Dichte und somit ihre Festigkeitseigenschaften zu vergrößern. Diese Arten von Behandlungen können im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden. Die Wärmebehandlung kann gleichfalls als das Behandeln in einem reaktiven Gas wie etwa in einer Stickstoffquelle oder Kohlenstoffquelle durchgeführt werden. Eine solche Behandlung führt ein Element aus dem reaktiven Gas in die Oberfläche des Werkstückes (der Werkstücke) ein, so dass dessen Oberflächeneigenschaften verändert werden, jedoch nicht seine inneren Eigenschaften. Zahlreiche Kombinationen dieser Behandlungen und viele andere Behandlungen sind möglich.
  • Die Vorrichtung, die zur Durchführung einer Wärmebehandlung benutzt wird, muss das Werkstück (die Werkstücke) beheizen und muss, in den hier interessierenden Situationen, auch die das Werkstück (die Werkstücke) umgebende Atmosphäre kontrollieren, während die Wärmebehandlung durchgeführt wird. Ein gut etabliertes Verfahren beinhaltet das Platzieren des Werkstückes (der Werkstücke) in einer Kammer, in der die Atmosphäre kontrolliert werden kann, und das Umgeben der Kammer mit einer Heizung, wie etwa einem Widerstandsheizer oder einer induktiven Heizung. Solche Behandlungsvorrichtungen sind seit vielen Jahren erhältlich.
  • In jüngerer Zeit hat sich die Plasmabehandlung eines Werkstückes (von Werkstücken) entwickelt, um eine Wärmebehandlung schneller und effektiver als mit anderen Verfahren durchführen zu können. Es wird ein Plasma erzeugt, das aus der gleichen Zahl von Elektronen und Ionen besteht und mit dem Werkstück (den Werkstücken) in Kontakt gebracht wird. Jedes Werkstück wird durch die Energie aufgeheizt, die darauf durch die Elektronen, durch die Ionen oder die gemeinsamen im Plasma vorhandenen Elektronen und Ionen übertragen wird. Die Wärmebehandlung kann in einem Plasma mit inertem Gas oder in einem Plasma mit reaktivem Gas durchgeführt werden und führt zu der Ablagerung einer Ionenart auf der Oberfläche des Werkstückes, die seine Oberflächeneigenschaften verändert. Eine Kühlung kann durch erzwungene oder nicht erzwungene Abschreckung erfolgen.
  • Aus dem Dokument US-A-4 394 234 ist ein Oberflächenbehandlungsverfahren mit Glühentladung bekannt, bei dem nur ausgewählte Bereiche des Werkstückes oberflächenbehandelt werden, die einer zugeordneten Sekundärelektrode benachbart sind oder davon umgeben sind. Eine Plasmaquelle ist vorgesehen, in der die Elektrode durch eine Wand des Behälters der Behandlungsvorrichtung gebildet ist. Die Kathode ist sowohl mit dem Werkstück als auch den zugeordneten Sekundärelektroden verbunden. Zwischen dem Werkstück und der zugeordneten Sekundärelektrode stellt sich ein gemeinsamer Grenzflächeneffekt von negativen Glühentladungen ein. Während der Behandlung wird der Gasdruck auf mehreren hundert Pa (mehreren Torr) gehalten.
  • Aus dem Dokument GB-A-2 261 227 ist eine Oberflächenbehandlungsvorrichtung zum Härten von Metallen bekannt, die eine Kammer ausreichender Größe umfasst, um ein Werkstück darin aufzunehmen, und die Kammerwände aufweist sowie Mittel zum Erzeugen eines reduzierten Gasdruckes innerhalb der Kammer 22, eine Plasmaquelle 40 eines sich ergebenden Plasmas 48, wobei die Plasmaquelle 40 einen vom Werkstück 26 abweichenden Elektronenemitter aufweist, und wobei das Potential des Emitters 42 unabhängig von dem Potential des Werkstückes ist.
  • Die Anode der Plasmaquelle ist innerhalb der Kammer der Behandlungsvorrichtung angeordnet. Der Gasdruck innerhalb der Kammer während der Behandlung ist geringer als 1,33 Pa (10 Millitorr).
  • Die verschiedenen zur Plasmabehandlung vorhandenen Verfahren können benutzt werden, jedoch haben sie Probleme oder Nachteile. Einigen fehlt eine genaue Kontrollierbarkeit oder sie sind relativ ineffizient. Andere erzeugen ein Plasma, das nicht kontrolliert werden kann, gleichmäßig oder kontrolliert ungleichmäßig zu sein, um das Werkstück (die Werkstücke) wie gewünscht zu behandeln, was zu einer ungleichförmigen Behandlung des Werkstückes (der Werkstücke) führt. Noch andere erlauben keine unabhängige Steuerung der Plasmaproduktion und Wärmebehandlung oder erzeugen ein hochdichtes Plasma. Andere arbeiten bei einem zu hohen Gasdruck, um eine schnelle Wärmebehandlung zu erlauben.
  • Es besteht ein Bedürfnis nach einem Plasmabehandlungsverfahren und einer Vorrichtung, die zur nicht-reaktiven oder reaktiven Wärmebehandlung eines Werkstückes (von Werkstücken) verwendet werden können, und diese Nachteile oder Begrenzungen überwindet. Die gegenwärtige Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis und stellt damit zusammenhängende Vorteile bereit.
  • Die gegenwärtige Erfindung gibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von einem oder mehreren Werkstücken an, wie in den Ansprüchen 1 und 8 angegeben. Der Einsatz kann im Zusammenhang mit z. B. einem einzigen großen Teil, wie etwa einer Form für Kraftfahrzeuge, oder mit größeren Zahl von kleinen Teilen, wie etwa Zahnrädern für Kraftfahrzeuge, verwendet werden. Es gibt ein kontrolliertes Plasma mit variabler Dichte, das gleiche Zahlen von Ionen und Elektronen enthält, die das Werkstück (die Werkstücke) umgeben, was zu einer schnellen und effizienten Wärmebehandlung führt. Die Wärmebehandlung kann in einem Teildruck eines nicht-reaktiven Gases oder eines reaktiven Gases durchgeführt werden, um die Oberflächenbehandlung des Werkstückes (der Werkstücke) zu erreichen. Die Vorrichtung kann herkömmliche Abschreckverfahren nutzen oder auf Abschreckung völlig verzichten. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann eigenständig benutzt werden oder kann in herkömmliche Wärmebehandlungsöfen nachträglich eingebaut werden oder eingebaut werden, um ihre Fähigkeiten zu verbessern.
  • Gemäß der Erfindung weist eine Plasma-Wärmebehandlungsvorrichtung zur Wärmebehandlung eines Werkstückes eine Kammer ausreichender Größe auf, um darin ein Werkstück aufzunehmen, und besitzt eine Kammerwand. Ferner ist die Kammer mit Heizflächen, Wärmschutzschilden, Heizstäben oder dergleichen ausgerüstet, um die Beheizung der Werkstücke zu unterstützen. Die Vorrichtung weist ferner Mittel zum Erzeugen und Kontrollieren eines reduzierten Gasdruckes zwischen ungefähr 0,01 und ungefähr 100 Millitorr auf (0,00133 und ungefähr 13,3 Pa) innerhalb der Kammer auf, sowie Mittel zur selektiven Erzeugung eines Plasmas mit variabler Dichte, das die Kammer füllt. Das Potential des Plasmas ist nahezu dasjenige der Kammerwände. Der Plasma-Ionenanteil (Verhältnis von Ionen zu neutral dichten Atomen) variiert von ungefähr 0,1 im Druckbereich von 0,01–10 Millitorr (0,00133–1,33 Pa), bis zu 0,01 oder weniger bei Drücken von 10–100 Millitorr (1,33–13,3 Pa). Das Mittel zum Erzeugen des Plasmas schließt eine Plasmaquelle ein, die entweder innerhalb der Kammer angeordnet ist oder von der Kammer entfernt, jedoch in gasmäßiger Verwendung mit der Kammer. Das Mittel zum Erzeugen und Kontrollieren eines reduzierten Gasdruckes schließt vorzugsweise eine Vakuumpumpe oder die Kombination einer Vakuumpumpe und einer kontrollierten Gas-Rückfüllung ein, um ein reaktives Gas, wie etwa eine Quelle aus Stickstoff oder Kohlenstoff, oder ein nicht reaktives Gas, wie etwa Argon oder Neon, einzuführen.
  • Genauer gesagt weist eine bevorzugte Plasma-Heizvorrichtung eine Kammer ausreichender Größe auf, um ein Werkstück darin aufzunehmen, sowie eine Kammerwand sowie Mittel zum Erzeugen eines reduzierten Gasdruckes innerhalb der Kammer zwischen ungefähr 0,01 und ungefähr 100 Millitorr (0,00133 bis zu ungefähr 13,3 Pa). Das Mittel weist eine Vakuumpumpe auf, die mit dem Inneren der Vakuumkammer kommuniziert, sowie eine Quelle eines reaktiven oder eines nicht-reaktiven Gases, die mit dem Inneren der Kammer kommuniziert. Wenn eine reaktive Gasquelle benutzt wird, weist diese eine Quelle von Stickstoff oder Kohlenstoff auf. Wenn die Quelle eines nicht-reaktiven Gases verwendet wird, weist sie eine Quelle von Argon oder Neon auf. Die Vorrichtung weist ferner eine Plasmaquelle zur selektiven Erzeugung eines umgebenden Plasmas mit variabler Dichte auf.
  • Die Quelle kann lokal innerhalb der Kammer vorgesehen sein, oder außerhalb der Kammer davon entfernt. Die Plasmaquelle kann aus einem oder mehren Heizfäden bestehen, die innerhalb der Kammer vorhanden sind oder davon entfernt, jedoch in Verbindung mit der Kammer, sowie aus einer Stromquelle für den Heizfaden (die Heizfäden), und aus einer Faden-Vorspannungsquelle, die zwischen dem Faden (den Fäden) und der Kammerwand angeschlossen ist. Die Kammerwand ist als Anode ausgebildet, und der Faden ist Kathode für entweder eine entfernte oder eine lokale Plasmaquelle. Die Verwendung einer separaten Anode, die sich von der Kammerwand unterscheidet, ist nachteilig und kann dazu führen, dass das Kammerwandmaterial auf das Werkstück gesputtert wird. Die Fadenform und – orientierung kann ausgewählt werden, um die das Werkstück umgebende Plasmadichte zu kontrollieren. Alternativ kann die Plasmaquelle derselbe Faden (dieselben Fäden) sein, wobei jedoch anstelle einer Aktivierung durch Heizen eine Aktivierung durch Hochfrequenzenergie erfolgt. Im letzteren Fall dient der Faden als eine Antenne zur selektiven Erzeugung von Plasma.
  • In ihren zahlreichen Versionen kann die Vorrichtung ferner eine Quelle für eine Werkstück-Vorspannung aufweisen, die zwischen der Kammerwand, die als Plasmaelektrodenquelle dient, und dem Werkstück direkt oder einer Aufnahme für das Werkstück angeschlossen ist. Die Werkstückvorspannung spannt das Werkstück negativ als eine Kathode in Bezug auf die Kammerwand vor, die als Anode wirkt. Das Vorspannungspotential dient dazu, die Menge an Ionen- oder Elektronenbeschuss der Werkstückoberfläche zu steuern. Falls die Vorspannung ausreichend niedrig ist, wird sie sowohl einen Beschuss mit positiven Ionen als auch mit Elektronen erlauben. Falls sie ausreichend hoch ist, wird die Vorspannung nur positive Ionen in dem Plasma zum Werkstück beschleunigen. Im Falle der Verwendung eines reaktiven Gases bombardieren die positiven Ionen, heizen und reagieren mit der Werkstückoberfläche. Im Falle der Verwendung eines nicht-reaktiven Gases bombardieren die positiven Ionen und/oder Elektronen nur die Werkstückoberfläche und heizen diese.
  • Die Vorrichtung gemäß der Erfindung weist eine Quelle für ein umgebendes Plasma auf, die sich innerhalb der Kammer oder davon entfernt befindet. Der Ausdruck „umgebendes Plasma" wie hier benutzt, bezieht sich auf ein Plasma, das das Werkstück mit einem Plasma gewünschter Dichte umgibt, außer bei solchen Bereichen, die absichtlich gegenüber dem Plasma abgeschirmt sind, wie etwa maskierte Bereiche oder Bereiche, die eine Werkstückaufnahme kontaktieren. Das umgebende Plasma, in dem das Werkstück vollkommen aufgenommen ist, kann eine variable Dichte haben, um eine selektive Behandlung des Werkstückes zu erlauben. Bei herkömmlichen Plasma-Heizbehandlungsverfahren besteht eine solche Fähigkeit nicht.
  • Wenn das Plasma erzeugt wird, wird der Gasdruck kontrolliert, um die Menge an Ladungsaustausch in den auf das Werkstück als auch zum Kathodenfaden beschleunigten Ionen zu kontrollieren. Dies beeinflusst die Ionen-Bombardierungsenergie. Die Verwendung einer Fadenkathode kann gesputtertes Fadenmaterial auf das Werkstück einführen, was unerwünscht ist. Gleichfalls kann die Verwendung eines heißen, thermisch beheizten Fadens verdampftes Fadenmaterial erzeugen, das sich auf der Werkstückoberfläche ablagert, was gleichfalls unerwünscht ist. Um das verdampfte Material zu minimieren, wird die Fadentemperatur reduziert bis zu einem Punkt, bei dem die Verdampfung minimal ist, jedoch eine Elekronenemission zur Plasmaerzeugung noch optimal erreicht werden kann. Diese Temperatur beträgt ungefähr 2 000°C für Wolfram mit Thorium oder ungefähr 2 300°C für Wolfram. Um gesputtertes Fadenmaterial zu minimieren, wird die Fadenvorspannung auf einem niedrigen Wert bei einem festen Druck gehalten, um die Ionenenergie zu reduzieren, oder der Druck kann kontrolliert werden, um die Ionenenergie des Sputterns bei einer festen Fadenvorspannung zu reduzieren. Im letzteren Fall wird eine Fadenvorspannung von 40–60 V bei einem Druck von weniger als 10 Millitorr das gewünschte Ergebnis erzielen. Im letzteren Fall erzielt ein Druck von ungefähr 6,67–13,3 Pa (50–100 Millitorr) bei einer Fadenvorspannung von 40–60 V das gewünschte Ergebnis.
  • Die Plasmadichte, ihre Gleichförmigkeit und die Werkstückvorspannung werden kontrolliert, um die Gleichförmigkeit der Behandlung der Werkstückoberfläche zu steuern. Die Temperatur des Werkstückes wird unabhängig kontrolliert, um eine zusätzliche Kontrolle des Wärmebehandlungsprozesses zu erlauben. Kein herkömmliches Wärmebehandlungsverfahren erlaubt eine selektive Kontrolle dieser Parameter.
  • Im Gegensatz dazu ist bei dem Glühentladungsverfahren der Druck innerhalb der Kammer relativ hoch, in der Größenordnung von 40,0 bis 1 333 Pa (0,3–10 Torr) oder höher, was zum Ladungsaustausch führt, wodurch die Effizienz der Heizung der Ablagerung begrenzt wird. Der Ionenanteil ist typischerweise geringer als 0,001. Die Ionenbombardierung ist die einzige Quelle des Heizens des Werkstückes, und es gibt keine Elektronenbombardierung des Werkstückes. Es gibt keine unabhängige Kontrolle der Werkstücktemperatur und der Größe der Ionenbombardierung, die für die Oberflächenbehandlung verwendet wird. Ferner besteht bei dem Glühentladungsverfahren keine Möglichkeit, die Gleichförmigkeit der Oberflächenbehandlung selektiv zu steuern. Das Werkstück ist gleichmäßig in dem Plasma aufgenommen. Da das Werkstück bei der Glühentladung der kathodische Elektronenemitter ist, gibt es keine unabhängige Steuerung der Vorspannung und der Plasmadichte.
  • Zum Beispiel hat ein nicht-gleichförmiges, dreidimensionales Objekt, wie etwa ein Turbinenrad, einen 102 mm (4 Inch) dicken Innenradius und einen viel dünneren 25 mm (1 Inch) dicken Außenradius. Wegen dieses nicht gleichförmigen Querschnittes wird eine gleichförmige Ionenbombardierung des Teils mittels des Glühentladungsverfahrens zu einem nicht gleichförmigen Temperaturprofil führen, und folglich zu einer nicht gleichförmigen Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung, wenn ein reaktives Gas benutzt wird. Das gegenwärtige Verfahren erlaubt eine nicht gleichförmige Heizung, um eine gleichförmige Temperatur- und Oberflächenbehandlung eines solchen Teils zu erhalten. Bei einem anderen Beispiel hat ein kleinformatiges Werkstück, wie etwa ein kleines Zahnrad für ein Kraftfahrzeug, eine Größe in der Größenordnung von etwa 51 mm (2 Inch) im Durchmesser. Wenn mehrere hundert solcher Zahnräder zur gleichen Zeit in einer Gruppe innerhalb einer Wärmebehandlungsvorrichtung aufgekohlt werden, bombardiert das gleichförmige von dem Glühentladungsverfahren erzeugte Plasma gleichförmig. Da die Zahnräder im Inneren der Gruppe wärmemäßig durch die äußeren Zahnräder abge schirmt sind, werden die Zahnräder im Inneren auf eine höhere Temperatur als die äußeren Zahnräder geheizt. Das Ergebnis ist eine nicht-gleichförmige Wärmebehandlung. Das gegenwärtige Verfahren erlaubt eine gleichförmige, gleichzeitige Wärmebehandlung einer solchen großen Gruppe von kleinen Werkstücken.
  • Bei dem intensivierten Glühentladungsverfahren wird ein separater Faden-Emitter zu der Verwendung des Werkstückes als der kathodische Elektroden-Emitter vorgesehen. Der Kammerdruck ist typischerweise ungefähr 2,0 bis 46,6 Pa (15–350 Millitorr), mit dem Ergebnis, dass der Ladungsaustausch im Vergleich zu dem einfachen Glühentladungsverfahren reduziert wird. Der Ionenanteil beträgt ungefähr 0,01 oder weniger. Es besteht keine Möglichkeit zur selektiven Plasmaerzeugung.
  • Bei dem Plasmaquellen-Nitrierverfahren eliminiert die Verwendung einer entfernten Plasmaquelle die Verwendung des Werkstückes als kathodischen Elektronenemitter und erlaubt einen Betrieb bei niedrigem Druck, um den Ladungsaustausch zu reduzieren oder zu eliminieren. Es besteht keine Möglichkeit zur unabhängigen Steuerung der Werkstücktemperatur oder der Ionenenergie oder zur selektiven Plasmaerzeugung. Bei dem gegenwärtigen Ansatz überwindet thermische Plasma-Ionenbeheizung (PIH) die Grenzen dieser herkömmlichen Wärmebehandlungsverfahren. Ein Plasma wird unabhängig erzeugt, entweder innerhalb der Kammer oder entfernt von der Kammer (jedoch in gasmäßiger Verbindung mit der Kammer), um die Plasmadichte unabhängig von der Werkstückvorspannung zu steuern. Es werden externe Wandheizer verwendet, und Heizfäden können verwendet werden, um selektiv das Beheizen des Werkstückes zu unterstützen, unabhängig von der Vorspannung und dem Ionenbombardierungsprozess. Die Vorspannung und der verwendete Gasdruck werden selektiv kontrolliert, unabhängig voneinander, um die Größe des Ladungsaustausches und die Ionenbombardierung des Werkstückes zu kontrollieren. Der Gasdruck kontrolliert ferner den Ladungsaustausch von Ionen, die den Kathodenfaden bombardieren. Diese Druckkontrolle erlaubt es, dass die Ionen-Bombardierungsenergie und die Ionendichte (d. h. die Plasmadichte) unabhängig voneinander variiert werden. Sie kann ferner dazu beitragen, dass das gesputterte Fadenmaterial, das sich auf der Werkstückoberfläche ablagert, reduziert wird. Das erzeugte Plasma zur Behandlung eines Werkstückes kann selektiv kontrolliert werden, um gleichförmig oder nicht gleichförmig zu sein, in Abhängigkeit von der Art der gewünschten Wärmebehandlung.
  • Bei der Plasma-Ionenbeheizung wird der Betriebsdruck innerhalb der Kammer in einem Bereich zwischen 0, 00133 und ungefähr 13,3 Pa (0,01 bis zu ungefähr 100 Millitorr) gesteuert. Falls der Druck unterhalb von ungefähr 0,00133 Pa (0,01 Millitorr) ist, ist das Plasma nicht ausreichend dicht, um eine Heizung und Oberflächenbehandlung zu erreichen. Falls der Druck oberhalb von ungefähr 1,33 Pa (10 Millitorr) liegt, beginnt der Ladungsaustausch zu einem wichtigen Effekt zu werden, und ist oberhalb von ungefähr 13,3 Pa (100 Millitorr) stark vergrößert. Der Druck wird im Zusammenhang mit der Werkstückvorspannung und der Fadenvorspannung ausgewählt.
  • Die gegenwärtige Erfindung gibt eine deutliche Verbesserung in der Plasmabehandlung gegenüber dem Stand der Technik an. Werkstücke können selektiv wärmebehandelt werden, mit oder ohne eine reaktive Atmosphäre, mit einer hohen Effizienz und Gleichförmigkeit der Behandlung. Andere Merkmale und Vorteile der gegenwärtigen Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführung im Zusammenhang mit der zugehörigen Zeichnung deutlich, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung verdeutlicht.
  • 1 ist eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung;
  • 2 ist ein Verfahrensflussdiagramm zur Ausführung der Erfindung;
  • 3 ist eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit einem Faden und Heizern, die um ein irregulär geformtes Werkstück angeordnet sind;
  • 4 ist eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit einem geformten Heizfaden;
  • 5 ist eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit mehreren Fäden;
  • 6 ist eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit zahlreichen Werkstücken;
  • 7 ist eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit einer entfernten Plasmaquelle;
  • 8 ist eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit einem Faden, der durch Hochfrequenzenergie angeregt ist.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 20, die zur Durchführung der gegenwärtigen Erfindung geeignet ist, schematisch. Die Vorrichtung 20 weist eine Kammer 22 mit einer vakuumdichten Kammerwand 24 und einem oder mehreren Strahlungsheizkörpern 25 auf. Die Kammer 22 muss eine ausreichende Größe haben, um ein Werkstück 26 darin aufzunehmen. Das Werkstück 26 ist vorzugsweise auf einer Aufnahme 28 aufgenommen, die elektrisch gegenüber der Kammerwand 24 isoliert ist (außer bei der optionalen Anlegung einer Werkstückvorspannung, wie nachfolgend beschrieben wird).
  • Die Atmosphäre innerhalb der Kammer 22 wird durch eine Kombination von Evakuierung und Rückfüllung kontrolliert. Eine Vakuumpumpe kommuniziert mit dem Inneren der Kammer 22 über ein steuerbares Absperrventil 32. Die Vakuumpumpe 30 weist vorzugsweise eine Diffusionspumpe und eine mechanische Pumpe von ausreichender Größe auf, um ein ausreichend hohes Vakuum in der Größenordnung von 1,33 × 10–4 Pa (10–6 Torr) innerhalb der Kammer 22 zu erzeugen, falls gewünscht. Der Vakuumpegel kann jedoch durch Betätigung des Absperrventils 32 kontrolliert werden und kann insbesondere auf ein geringeres Vakuum eingestellt werden, falls gewünscht.
  • Die Kammer 22 kann mit einem Gas aus einer Gasquelle 34 rückgefüllt werden. Die Gasquelle weist eine Gasversorgung 36 auf, die mit dem Inneren der Kammer 32 über ein Rückfüllventil 38 kommuniziert. Wenn die Vorrichtung 20 nur zur Wärmebehandlung verwendet werden soll, ohne eine chemische Behandlung der Oberfläche des Werkstückes, mag die Gasquelle 34 überhaupt nicht verwendet werden oder sie kann verwendet werden, um ein inertes Gas wie etwa Argon in die Kammer 22 zuzuführen. Wenn die Vorrichtung 20 zur reaktiven Oberflächenbehandlung des Werkstückes während der Beheizung verwendet werden soll, führt die Gasquelle 34 ein reaktives Gas wie etwa eine Gasquelle von Stickstoff, Kohlstoff oder Bor aus der Gasversorgung 36 zu.
  • Der Gesamtgasdruck innerhalb der Kammer 22 wird in einem Bereich von etwa 0,00133 bis zu etwa 13,3 Pa (0,01 bis ungefähr 100 Millitorr) kontrolliert, um den Ionenanteil über den Bereich von ungefähr 0,1 bis zu 0, 001 zu steuern. Ein herkömmlicher Weg, um den Gasdruck genau zu steuern, besteht darin, das Absperrventil 32 zu öffnen, um es der Vakuumpumpe 30 zu erlauben, die Kammer 22 auf ein etwas höheres Vakuum als gewünscht zu pumpen. Das Rückfüllventil 38 wird, wenn notwendig, geöffnet, um Gas aus der Versorgung 36 in die Kammer einfließen zu lassen, um den gewünschten Gesamtdruck einzustellen. Das Vakuum innerhalb der Kammer 22 ist so ein kontinuierlich gepumptes dynamisches Vakuum, was wirksam ist, um die gewünschte Atmosphäre in einem gleichmäßigen Zustand zu halten und um Unreinheiten, die von dem Werkstück 26 oder der Kammerwand 24 ausgehen könnten, zu entfernen. Alternativ ist es gleichfalls im Rahmen der Erfindung, dass die Kammer statisch gepumpt wird, indem zunächst die Kammer mit der Vakuumpumpe 30 evakuiert wird und das Absperrventil 32 geschlossen wird. Gas wird durch das Ventil 38 eingefüllt, bis der gewünschte Druck erreicht ist, und das Ventil 38 wird geschlossen. Die Kammer kann ferner Permanentmagnete oder Elektromagnete aufweisen, die auf der Außenseite angeordnet sind, um die Plasmaeinschließung zu unterstützen.
  • Innerhalb der Kammer 22 wird Plasma erzeugt, indem eine Plasmaquelle 40 innerhalb der Kammer 22 betrieben wird. Die Plasmaquelle 40 weist einen Elektronenemitter auf, vorzugsweise in der Form eines oder mehrerer Fäden 42, die innerhalb der Kammer 22 vorgesehen sind. Die Fäden können aus Wolfram oder Wolfram mit Thorium bestehen, oder die Fäden können durch hohle Kathoden ersetzt sein. Die Fadenform und -geometrie kann eingestellt werden, um der Kontur oder, Form der Werkstückoberfläche zu folgen, um die Plasmadichte anzupassen und damit die Wärmebehandlungsverteilung auf der Werkstückoberfläche. Es können mehr als ein Faden mit unterschiedlichen Formen an verschiedenen Orten in der Kammer 22 platziert werden, um die Form und Dichte des sich ergebenden Plasmas, das innerhalb der Kammer positionierte Werkstück (die Werkstücke) einschließt, auf vollständig und gleichförmig oder auf nicht vollständig und nicht gleichförmig zu kontrollieren.
  • Eine Emitterstromquelle 44 führt dem Faden 42 einen Strom zu. Der Stromfluss durch den Faden 42 heizt den Faden auf und bewirkt eine Emission von Elektronen aus dem Faden in das Innere der Kammer 22. Eine Fadenvorspannung 46, VEMIT, von typischerweise ungefähr 50 bis 100 V wird zwischen dem Faden 42 und der Kammerwand 24 angelegt, so dass ein Plasma 48 innerhalb des Inneren der Kammer 22 gebildet wird. Es ist wichtig, dass die Kammerwände als Anode dienen, um sicherzustellen, dass das Potential des Plasmas in der Nähe von demjenigen der Kammerwand ist.
  • Elektronen und Ionen aus dem Plasma 48 treffen auf das Werkstück 26 auf und bewirken seine Aufheizung. Die Fadentemperatur, die Vorspannung und der Druck werden sämtlich ausgewählt, um den gewünschten Ionenanteil zu erzeugen. Das Werkstück 26 kann elektrisch auf einem fliegenden Potential isoliert sein und es wird dennoch das Plasma heizen. Dieser Ansatz wird vorzugsweise verwendet, falls das Werkstück ein nicht-leitfähiges Material wie etwa eine Keramik ist.
  • Optional kann eine Werkstück-Vorspannung 50, VBIAS, von ungefähr 2 000 V zwischen dem Werkstück 26 (oder dem Bereich der Auflage 28, die elektrisch mit dem Werkstück 26 verbunden ist) und der Kammerwand 24 angeschlossen sein. Das Werkstück 26 wird negativ oder kathodisch in Bezug auf die Kammerwand 24 durch die Vorspannung 50 gemacht. Das kathodische Potential des Werkstückes 26 dient zur Beschleunigung aller positiven Ionen in dem Plasma zum Werkstück 26. Dieser Ansatz wird vorzugsweise verwendet, falls das Werkstück aus elektrisch leitfähigem Material wie etwa einem Metall besteht, oder wenn es zum Zwecke der Wärmebehandlung elektrisch leitfähig gemacht werden kann. In Abhängigkeit von der Größe der Vorspannung 50 werden Elektronen das Werkstück gleichzeitig mit Ionen bombardieren. Diese Möglichkeit erlaubt eine größere Flexibilität beim Heizen der Werkstückoberfläche.
  • Im Betrieb wird, wie in 2 dargestellt, eine Plasmabehandlungsvorrichtung 20 irgendeiner der hier beschriebenen Konfigurationen bereitgestellt (Schritt 60). Das Werkstück 26 wird in die Kammer 22 geladen (Schritt 62) und die Kammer wird abgedichtet. Eine Mehrzahl von Werkstücken könnte geladen werden. Das Werkstück (die Werkstücke), das in der Kammer platziert wird, kann elektrisch leitfähig oder nicht leitfähig sein, kann von einfacher oder komplizierter Form (Formen) sein. Es ist ferner keine Begrenzung der Art von Werkstücken bekannt, außer dass es der Plasmabehandlungsumgebung widerstehen muss. Ein relativ großes Werkstück von Interesse für die Erfinder ist eine Form, die beim Formen von Kraftfahrzeugblechen verwendet wird. Ein solch großes Werkstück wird vorzugsweise selbst wärmebehandelt, eins nach dem anderen. Ein relativ kleines Werkstück von Interesse für die Erfinder ist ein Stahlzahnrad für ein Kraftfahrzeug, dessen Oberfläche unter Verwendung des gegenwärtigen Verfahrens gehärtet wird.
  • Solche kleinen Werkstücke werden vorzugsweise in großen Gruppen von bis zu mehreren hundert Werkstücken gleichzeitig wärmebehandelt. Die Wandheizkörper 25 der Vakuumkammer werden eingestellt, um das Werkstück auf eine gewünschte Temperatur aufzuheizen. Zusätzlich kann Strahlungsleistung von dem Faden 42 als auch Ionen- oder Elektronenbombardierung von dem Plasma mittels der Vorspannung zusammen mit den Wandheizkörpern verwendet werden, um die Werkstücktemperatur einzustellen.
  • Ein Gasdruck von ungefähr 0,00133 bis zu ungefähr 13,3 Pa (0,01 bis ungefähr 100 Millitorr) wird innerhalb der Kammer verwendet (Schritt 64). Falls das Verfahren nur zur Wärmebehandlung verwendet wird, wird der Gasdruck nur durch kontrolliertes Vakuumpumpen erhalten, oder durch eine Kombination von kontrolliertem Vakuumpumpen und einer kontrollierten Rückfüllung mit einem inerten Gas, um den gewünschten Druck zu erreichen. Falls das Verfahren zur reaktiven Oberflächenbehandlung verwendet wird, wird der gewünschte Gasdruck durch die Kombination von kontrolliertem Vakuumpumpen und kontrolliertem Rückfüllen mit einem reaktiven Gas aus der Gasquelle 34 erhalten. Beispielhaft und ohne begrenzend zu wirken, kann eine Oberflächennitrierung erreicht werden, indem mit Stickstoffgas rückgefüllt wird, und es kann eine Oberflächenaufkohlung erreicht werden, indem mit Methan, Butylen, Toluol oder einem anderen Kohlenstoff enthaltenden Gas rückgefüllt wird, das sich mit einer entsprechenden Ablagerung von Kohlenstoff auf der Oberfläche des Werkstückes zersetzt. Der Gasdruck kann aktiv während der Wärmebehandlung gesteuert werden, um die Größe des Ladungsaustausches zu kontrollieren und somit die Größe der Oberflächenbehandlung. Diese Kontrolle kann mit einer festen Vorspannung erreicht werden oder alternativ kann der Gasdruck festgehalten werden und die Vorspannung variiert werden.
  • Wie oben diskutiert kann die Verarbeitung beim Werkstück mit einem fliegenden Potential erreicht werden oder alternativ kann das Werkstück vorgespannt werden (Schritt 66). Der Schritt 66 ist deshalb optional.
  • Die Plasmaquelle 40 wird betrieben, um innerhalb der Kammer 22 das gewünschte Plasma 48 zu erzeugen. Vom Plasma wird Energie auf das Werkstück übertragen, wodurch das Werkstück aufgeheizt wird. Der Vorspannschritt 66 wird, soweit er durchgeführt wird, gleichzeitig mit dem Betrieb der Plasmaquelle ausgeführt (Schritt 68). Die Vorspannung kann pulsierend oder kontinuierlich sein, wie gewünscht. Die Vorspannung vergrößert die Energie aller positiven Ionen, die auf die Oberfläche des Werkstückes während der reaktiven Verarbeitung beschleunigt wird. Sie beeinflusst ferner die Größe der Elektronen-Bombardierung, die auf das Werkstück auftrifft, was gleichfalls die Aufheizung des Werkstückes unterstützt. Die Plasmaquelle wird so lange wie notwendig betrieben, um die gewünschte Wärmebehandlung zu erhalten.
  • Das Teil wird zunächst mit niedriger Spannung vorgespannt, 10–50 V, um die Oberfläche des Teils langsam zu bombardieren. Die Ionenquelle kann ein inertes Gas, wie etwa Argon, sein, um die Oberfläche des Teils vor der tatsächlichen Wärmebehandlung sauber zu sputtern. Das Gas kann dann zu einer aktiven Quelle des gewünschten Elementes gewechselt werden, um die Wärmebehandlung durchzuführen. Alternativ kann dasselbe Gas sowohl zum Sputtern als auch für die Wärmebehandlung verwendet werden.
  • Die 3 bis 8 zeigen Ausführungen der Erfindung, die mit der obigen Beschreibung der Vorrichtung und des Verfahrens, das verwendet wird, konsistent sind. Bei 3 ist das einzige Werkstück 26 irregulär geformt. Ein einziger Faden 42 und verschiedene geformte Strahlungsheizkörper 25 sind in enger Nachbarschaft zu dem schwersten Abschnitt des Werkstückes positioniert, um so vorzugsweise den schwersten Abschnitt des Werkstückes aufzuheizen. Das Ergebnis ist eine kontrollierte gleichförmige oder nicht gleichförmige Wärmebehandlung. Das heißt, in einigen Fällen kann es bevorzugt sein, alle Bereiche des irregulär geformten Werkstückes gleichmäßig wärmezubehandeln (und optional oberflächenzubehandeln). In anderen Fällen kann es bevorzugt sein, Bereiche des Werkstückes bevorzugt wärmezubehandeln (und optional oberflächenzubehandeln). Die umsichtige Positionierung des Fadens und der Heizkörper und die Verarbeitungsparameter erlauben eine solche Auswahl der Behandlung.
  • In 4 ist der einzige Faden 42 geformt, um ein gewünschtes Ergebnis zu liefern. In diesem Fall ist der Faden 42 dazu geformt, an die Oberfläche des Werkstückes angepasst zu sein. Ein erstes Segment 42a des Fadens ist gewunden, um so eine größere Emission zu erreichen, als ein zweites Segment 42b.
  • In 5 wird ein ähnlicher Ansatz verwendet, außer dass mehrere Fäden 42c, 42d und 42e verwendet werden. Die Fäden werden positioniert, um eine gewünschte Beheizung der Oberfläche des Werkstückes und eine Plasmadichte im Bereich des Werkstückes zu erhalten. Die Verwendung von mehreren Fäden 42 hat den Vorteil, dass jeder Faden unabhängig von den anderen steuerbar ist.
  • In 6 werden mehrere Werkstücke 26 in die Kammer 22 eingesetzt. Die strahlenden Wandheizer 25 werden derart ausgewählt und mit Leistung beaufschlagt, dass in Kombination mit der von dem Faden 42 erzeugten Wärme, jedes Werkstück 26 gleichmäßig aufgeheizt wird, unabhängig von seiner Position in Bezug auf die anderen Werkstücke. Falls eine nicht-gleichförmige Wärmebehandlung erwünscht ist, wird jedes Werkstück individuell vorgespannt, oder die Fadenkonfiguration kann verändert werden.
  • Bei 7 wird die Plasmaquelle 40 entfernt von der Kammer 22 angeordnet, jedoch besteht eine gasförmige Kommunikation zwischen der Plasmaquelle 40 und dem Inneren der Kammer 22. Das Plasma wird in der entfernten Plasmaquelle erzeugt und diffundiert in die Kammer 22. Es ist wichtig, dass das Plasma nicht gleichförmig ist und dass das Plasma ein Potential in der Nähe desjenigen der Kammerwand hat.
  • Gemäß 8 wird der Faden 42 durch einen Hochfrequenzübertrager 70 (RF) angeregt, der von einem RF-Generator 72 aktiviert wird. Das heißt, die thermische Leistungsquelle wird durch eine RF-Leistungsquelle ersetzt. Der Faden 42 wirkt als eine Antenne.
  • Die 1 und 38 zeigen eine Anzahl von Merkmalen, durch die eine selektiv gleichförmige oder nicht-gleichförmige Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung erreicht werden kann. Die verschiedenen Merkmale können zusammen in Kombinationen anders als die dargestellten verwendet werden, und es ist nicht beabsichtigt, dass die Betriebskonfigurationen auf die hier dargestellten begrenzt sind. Zum Beispiel könnten Mehrfachfäden mit verschiedenen Werkstücken verwendet werden.
  • Zwei Arten der Vorrichtung 20 wurden in Übereinstimmung mit den schematischen Zeichnungen der 12 der vorherigen Vorrichtungsbeschreibung hergestellt und betrieben. Die erste Kammer 22 war ein Zylinder von ungefähr 2 Fuß im Durchmesser und 3 Fuß Länge. Die zweite Kammer war ein Zylinder von ungefähr 4 Fuß im Durchmesser und 8 Fuß in der Länge. Es wurden Versuche durchgeführt, um die Funktionsfähigkeit des gegenwärtigen Ansatzes sicherzustellen. Die folgenden Beispiele sind dazu vorgesehen, die Verwendung der Erfindung zu illustrieren, sollten jedoch nicht so verstanden werden, dass dadurch der Rahmen der Anwendung der Erfindung in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird.
  • Beispiel 1 – Nitrieren von Stahl (nicht gemäß der Erfindung
  • Verschiedene Werkstückplatten aus 304-Edelstahl, die jeweils ungefähr einen Durchmesser von 2 Inch und eine Dicke von 1/8 Inch hatten, wurden auf einer Telleraufnahme in der ersten Vorrichtungskammer platziert. Die Kammer wurde auf einen Hintergrunddruck von ungefähr 1,33–4,0 × 10–4 Pa (1–3 × 10–6 Torr) evakuiert und dann mit Stickstoffgas auf einen Druck von ungefähr 6,66 × 10–2 Pa (5 × 10–4 Torr) rückgefüllt.
  • Ein einziger Emissionsfaden wurde unter Verwendung einer AC-Emissionsstromquelle beheizt, um eine Fadenstrom von 20 A und eine Fadenspannung von 40 V bereitzustellen. Eine nicht gleichförmige Plasmaentladung wurde unter Verwendung eines einzigen Fadens erzeugt, die klein genug war, um ein lokales Plasma zu erzeugen, das dann die Kammer nicht gleichförmig ausfüllte. Eine Faden-Vorspannung von 150 V DC und 4 A wurde verwendet. Eine DC-Werkstück-Vorspannung von ungefähr 150 V und 100 mA wurde 30 min lang angelegt. Während dieser Zeit wurde die Temperatur des Teils bei ungefähr 400°C gehalten. Es wurde keine externe Beheizung durch die Kammerwände verwendet.
  • Die Platten wurden nach Beendigung der Nitrierung mikroskopisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass Stickstoff in Feststofflösung in die Oberfläche der Platten eingedrungen war. An den behandelten Platten und unbehandelten Platten wurden zum Vergleich Verschleißtests unter Verwendung eines Verschleißtesters mit einem Stift auf einer Platte durchgeführt. Die Verschließtests verifizierten eine Lastaufnahmekapazität der behandelten Platten, die ungefähr das Tausendfache der Lastaufnahmekapazität der unbehandelten Platten betrug.
  • Beispiel 2 – Aufkohlen von Stahl (nicht gemäß der Erfindung)
  • Zahnrad-Rohlinge von ungefähr 1 bis 1/2 Inch Durchmesser und einer Höhe von 0,7 Inch, die aus 4118H-Zahnradstahl bestanden, wurden in der ersten Kammer behandelt. Die Kammer wurde auf einen Hintergrunddruck von ungefähr 1,33 bis 4,0 × 10–4 Pa ( 1–3 × 10–6 Torr) evakuiert und auf ungefähr 0,67 bis 1,33 Pa (5– 10 Millitorr) mit Toluolgas (C7H8) rückgefüllt.
  • Die Entladungsspannung war 150 V bei einem Strom von 10 A. Eine Werkstückvorspannung von ungefähr 700–1000 V wurden an das Werkstück angelegt, um die Zahnrad-Rohlinge ohne die Verwendung von externen Kammerheizern auf ungefähr 900°C zu heizen. Ein Vorspannungsstrom von 400–550 mA wurde beobachtet. Die Zahnrad-Rohlinge erreichten die Temperatur ungefähr 5 min nachdem die Vorspannung angelegt wurde. Die Vorspannung wurde danach auf ungefähr 400 V reduziert, um die Temperatur bei 900°C zu halten. Nach 30 min wurde die Bearbeitung unterbrochen. Die Zahnrad-Rohlinge wurden auf Umgebungstemperatur abgekühlt und aus der Kammer entfernt.
  • Es wurden dann an den Zahnrad-Rohlinge Mikrostrukturuntersuchungen durchgeführt. Die Zahnrad-Rohlinge wurden gleichförmig auf eine Konzentration von ungefähr 0,8–0,9 Kohlenstoff bis zu einer Tiefe von ungefähr 0,3–0,4 mm auf gekohlt. Dies ist die gewünschte Kohlenstoffkonzentration und -tiefe, die für ein kommerzielles Produkt erforderlich ist.
  • Beispiel 3 – Heizen ohne Werkstückvorspannung (nicht gemäß der Erfindung)
  • Zahnrad-Rohlinge der in 2 verwendeten Art wurden in der ersten Kammer auf der isolierten Unterlage platziert und elektrisch fliegend gelassen, ohne dass eine Werkstückvorspannung angelegt wurde. Dieser Ansatz war im übrigen ähnlich demjenigen gemäß 2, außer dass 1-Butan-Gas (C4H8) in die Kammer bei einem Druck von ungefähr 1,33 Pa (10 Millitorr) rückgefüllt wurde.
  • Der Faden wurde unter Verwendung eines AC-Stroms von 60 A und einer Spannung von 160 V beheizt. Die Entladungsspannung war 150 V, und ein Strom von 40 A wurde erhalten. Nach ungefähr 5 min Behandlung erreichten die Zahnrad-Rohlinge eine Gleichgewichtstemperatur von ungefähr 730°C. Das Fließpunktpotential der Zahnrad-Rohlinge war 30–40 V. Dies führte zu der Ablagerung einer Kohlenstoffschicht an der Oberfläche des Zahnrad-Rohlinges, die später zur Aufkohlung des Zahnrads benutzt wurde.
  • Beispiel 4 – Selektive Plasmaerzeugung
  • Vier Fäden wurden in der zweiten Kammer platziert. Die Fäden hatten Längen von 4 Fuß und wurden in einer gleichmäßigen Weise über die Länge der Kammer aufgehängt. Ein Werkstück-Aufnahmetisch von 2 Fuß Breite mal 4 Fuß Länge wurde verwendet. Mehrere Platten aus 304-Edelstahl wie beim Beispiel 1 wurden auf dem Aufnahmetisch platziert. Durch die gleichmäßige Aktivierung von vier Fäden wurden gleichmäßige Plasmen erzeugt, was zu einer gleichförmigen Nitrierung führte. Nicht gleichförmige Plasmen wurden erzeugt, indem nur ein einziger Faden aktiviert wurde, was zu einer nicht-gleichförmigen Nitrierung führte.
  • Obwohl ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Zwecke der Illustration im Detail beschrieben wurde, können zahlreiche Modifikationen und Verbesserungen gemacht werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Demnach soll die Erfindung nicht begrenzt sein, außer durch die zugehörigen Ansprüche.

Claims (10)

  1. Plasmaheizvorrichtung zum Beheizen eines Werkstückes (26) mit: einer Kammer (22) ausreichender Größe, um das Werkstück (26) darin aufzunehmen, und mit einer Kammerwand (24), einem Mittel (30, 38) zur Erzeugung eines reduzierten Gasdruckes innerhalb der Kammer (22) von ungefähr 0,01 bis ungefähr 100 Millitorr (0,00133–13,3 Pa) während der Beheizung des Werkstückes, einer Plasmaquelle (40) eines umgebenden Plasmas (48), wobei die Plasmaquelle (40) einen Elektronenemitter aufweist, der nicht das Werkstück (26) ist, wobei das Potential des Emitters (42) unabhängig von dem Potential des Werkstücks ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerwand (24) als eine Anode ausgebildet ist, und dass ein Strahlungsheizkörper (25) innerhalb der Kammer (22) angeordnet ist, um das Beheizen des Werkstückes (26) zu unterstützen, wobei der Strahlungsheizkörper (25) unabhängig von der Plasmaquelle (40) betreibbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkstück (26) innerhalb der Kammer (22) aufgenommen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstück-Vorspannungsquelle (50) zwischen dem Werkstück (26) und der Kammerwand (24) angeschlossen ist.
  4. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (3038) zum Erzeugen eines reduzierten Gasdruckes eine Quelle (34) eines Gases umfasst, die mit dem Inneren der Kammer (22) in Verbindung steht.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (34) eines reaktiven Gases eine Quelle (34) eines nicht-reaktiven Gases ist.
  6. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (3038) zum Erzeugen eines reduzierten Druckes aufweist: eine Vakuumpumpe (30), die mit dem Inneren der Vakuumkammer (22) in Verbindung steht und eine Quelle (34) eines Gases, die kontrolliert mit dem Inneren der Kammer (22) in Verbindung steht, und wobei die Plasmaquelle (40) eines umgebenden Plasmas (48) aufweist: einen Glühdraht (42), der innerhalb der Kammer (22) angeordnet ist, eine Stromquelle (44) für den Glühdraht (42) und eine Draht-Vorspannungsquelle (46), die zwischen dem Draht (42) und der Kammerwand (24) angeschlossen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (42) wenigstens zwei Drähte (42a42e) umfasst.
  8. Verfahren zum Beheizen eines Werkstücks (26) mit: Bereitstellen (60) einer Vorrichtung (20) mit: einer Kammer (22) ausreichender Größe, um das Werkstück (26) darin aufzunehmen und mit einer Kammerwand (24); und einer Plasmaquelle (40) eines umgebenden Plasmas (48), das lokal innerhalb der Kammer (22) vorgesehen ist, wobei die Kammerwand (24) als eine Anode ausgebildet ist, wobei die Kammer ferner einen Elektronenemitter aufweist, der nicht das Werkstück (26) ist, wobei das Potential des Emitters (42) unabhängig vom Potential des Werkstücks ist, einen Radialheater (25) innerhalb der Kammer (22), der vorgesehen ist, um das Beheizen des Werkstückes (26) zu unterstützen, Platzieren (62) des Werkstückes (26) innerhalb der Kammer (22), während des Beheizens des Werkstücks Erzeugen (64) eines Gasdruckes von ungefähr 0,01 bis ungefähr 100 Millitorr (0,00133–13,3 Pa) innerhalb der Kammer (22) und Betreiben (68) der Plasmaquelle (40), um das Werkstück (26) zu beheizen und Betreiben des Strahlungsheizers (25) unabhängig von der Plasmaquelle (40).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Schritt, der während des Schrittes (68) des Betreibens der Plasmaquelle durchgeführt wird, indem der Gasdruck variiert wird, um den Ladungsaustausch in dem Plasma (48) zu kontrollieren.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt (55) des negativen Vorspannens des Werkstückes (26).
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