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Diese Erfindung betrifft die Wärmebehandlung
von Werkstücken
und, genauer gesagt, die Plasmabehandlung von Werkstücken für eine reaktive oder
nicht-reaktive Wärmebehandlung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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1 ist
eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung;
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2 ist
ein Verfahrensflussdiagramm zur Ausführung der Erfindung;
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3 ist
eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit einem Faden
und Heizern, die um ein irregulär
geformtes Werkstück angeordnet
sind;
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4 ist
eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit einem geformten Heizfaden;
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5 ist
eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit mehreren Fäden;
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6 ist
eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit zahlreichen
Werkstücken;
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7 ist
eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit einer entfernten Plasmaquelle;
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8 ist
eine schematische Ansicht einer Plasma-Ionenheizvorrichtung mit einem Faden,
der durch Hochfrequenzenergie angeregt ist.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die 1 und 3–8 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.
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Zwei Arten der Vorrichtung 20 wurden
in Übereinstimmung
mit den schematischen Zeichnungen der 1–2 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.
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Beispiel 1 – Nitrieren
von Stahl (nicht gemäß der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 2 – Aufkohlen
von Stahl (nicht gemäß der Erfindung)
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 3 – Heizen
ohne Werkstückvorspannung (nicht
gemäß der Erfindung)
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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.
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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.
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Beispiel 4 – Selektive
Plasmaerzeugung
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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.
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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.