TW200912039A - Furnace atmosphere activation method and apparatus - Google Patents

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200912039 九、發明說明： 相關申請的交叉引用 國臨時專利申 藉由參考方式 本申請要求了 2007年5月9曰提交的美 請No· 60/928,3 85的權利，其詳細闡述内容 被引入這裏。 發明所屬之技術領域 本發明涉及金屬或金屬陶瓷材料和工件部 | 1干的的高 溫、熱處理和使用反應氛圍的爐子或反應器。 ° 先前技術 本發明涉及金屬或金屬陶竟材料和工件部件的的古 溫、熱處理和使用反應氛圍的爐子或反應器。在本發S的 範圍内，所述氛圍和處理包括滲碳、氮化、碳氮共滲、滲 碳氮化、滲硼、非氧化退火或氧化還原、用於硬烊、軟焊 和燒結的還原性氛圍、用於相變合金的中性熱處理的碳勢 氛圍、固溶化、時效、球化處理、硬化、應力消除處理、 正火、惰性退火等等。所述氛圍的組份可以包括氮氣（N2)、 氫氣（Η2)、烴氣（HC)如：甲烷（CH4)、乙炔（c^2)、乙烯 (C2H4)、丙烧（C3HS)和許多較大分子量的烴類、氨（NH3)、 脫水醇如甲醇（CH3〇H)或乙醇（C2H5〇H)、一氧化碳（co)、 二氧化碳（C〇2)、水蒸氣（Ηζ0)、和惰性氣體如氬（Ar)和氦 (He)。所述氛圍附加組份可以包括反應副産物和由爐膛熱 負荷或爐壁和/或加熱部件産生的氣體以及從爐子外面泄 5 200912039 漏入的氣體，例如空氣。保護氣體可以是以混合物的形式 引入所述爐子，在進入爐子之前利用氣體流量控制裝置預 混合或可在爐腔裏面混合。對保護氣體供給的其他選擇可 以包括採用吸熱和放熱產生器産生的氣流，例如吸熱的混 合物通過用空氣重組CH4得到的2〇% c〇、4〇% h和4〇% N2 (除非另有說明’纟此中請中所有的百分數—致將應理解 爲體積比）、分離随3、或噴射和蒸發液體例如cH3〇H。 南，、、、處理中使用氛圍時有三個普遍的工藝控制問 題（1 )緩忮動力學作用或穩定性的氣體引入，（2 )裝入 爐子工件原料的表面狀態，和⑺環境空氣“。^， 把CH4庄人到爐子中滲碳可以緩慢地與氧氣（％ )或二氧 :碳起化學反應同時除去不希望有的氧氣（Ο。或二氧化 反或可以轉移爐氛圍的熱勢、和/或可以僅僅進行臨界 的刀離和反應’除非爐溫报高；‘然而，高溫會增大裴入的 金屬材^或卫件部件受損危險幾率。在使用h2、nh3和其

Cs %· ’或大或小程度上會發生相似的情况。同樣地， :入爐子的原料或工件表面可能覆著氧化皮、鐵銹 油的殘留蘇戸Η替）S , X &基· 膜所•要的： 氛圍的活性可能不能滿足於除去此 而要的處理時間和溫度範圍。最終，爐氛圍 —個包含02的污毕源可At + #另 弓丨入渗… 需要附加的還原，時常向氛圍中 礼’甚至大多數期望氛圍對具有特定的 工藝的部件來說爲情性環境，也就θ熱轉變 、么山 兄也就疋一種不包括還屌/ +、

Ο衩乳體的氛圍。上述的原位吸氣技術受到許多考膚S 的限制7 I , 以又川又N。卞夕考慮因辛 。歹1 ° ’用於在印刷電路板上軟焊重熔的N2氛圍中 6 200912039 添加h2的量，爲了安全必須控制低於5%，即消除開口或 半開口的重溶烘箱爆炸的風險，和溫度必須保持低水平， -般低於25K，以防止儀錶板和元件損壞。採用這此低 溫和濃度，由於緩慢還原動力學，所述心及氣和去除氧化 皮的效果才能勉强夠格達到限度。同樣的局限性可以在鋼 件採用沒有吸執、舍合1^1 n 另及…已a c〇巩圍的天然氣滲碳時發現。例 如，ch4熱分解並且迅逮的在鋼表面發生化學反應，工業 上引人注意的速度僅僅高於1000〇c，但是許多鋼在上述高 溫處理顯示出不希望得到晶粒長大。 大量方法已經被用來解决所述問題。真空爐被用於熱 處理以避免環境空氣滲漏和揮發裝入的原料或部件的雜質 冷凝物。可惜所有的真空㈣統的投人和運行都是昂貴 的。此外’使用真空爐不能解决氣體穩定性的問題。因此， 滲碳時必須使用更昂貴的和低穩定的煙類（hc#C2H2，而 使用最低成本的CH4是非常局限的。爲克服所述氣體穩定 性和裝入的工件部件最初覆膜的問題，已經發展出電聚真 工爐’但是那些系統的成本、處理複雜幾何結構部件的問 題和控制溫度的困難限制了電漿系統的利用。該系統的附 加的因素和類似的放電方法例如電暈放電、直接電弧或電 裝過渡電弧，是使所述工件部件（被處理的）成爲一個所 达電極閉合放電電路的要求。爐子或反應器變得更加複 Γ對Γ複雜的或電子的工件部件，電流可能損壞該工件 b在大氣£下運行的非過渡電弧熱電漿系統已經被 研究作爲氣體活性喷射器，其不需要關閉經過該工件部件 200912039

此，工業化規模的微波爐膛設備是複雜、昂貴 能象傳統的熱加熱爐子一樣靈活接受不同的金 件部件的幾何結構。

Drissen等（美國專利號5,717，186 5,717，186)提出了通過工件

趿热處理工序來將邊緣滲碳效果不均自减到最小，該真空 電漿系統比傳統天然氣渗碳更加靈敏。GeGrges (美國專利 號5,989,363 )用實例說明了㈣屏在後放電、真空電浆氮 化的必要性。Giacobbe (歐洲專利號〇324294幻）描述工 件表面和通過一種利用水冷的熱電漿焊搶對工件表面淬 硬。He 和 paganessi ( PCT 公開號界〇2〇〇5/〇〇9932八1 )也 使用高功率的（50_500 kw)電漿反應器生成處理氣體，隨 後將其注入到真空爐。Czernich〇wski (美國專利號 M〇7,742 )公開了-系列試驗、標準大氣壓、"仙仏",電 漿法用於還原天然氣及其他烴類。現有數以百計的研究論 文涉及通過或多或少利用精心設計一般爲低壓、試驗規模 的電漿系統用於金屬處理熱處理應用以及氣流組合物的改 進。然而，大批金屬熱處理工業和熱力方法操作人員繼續 200912039 尋找在氣相和在工作 的、反應的氛圍系統 爐子或反應器的改進 費。 表面同時可以提高反應動力學的改進 ’同時可能是對現有的、標準或减壓 ’並且不需要高的資本或運行和維修 發明内容 方面’本發明提供—個供具有反應器室的受控 (controlled )氛圍反應器使用的活化氣體喷射器。該活化 氣體噴射器包括-限定了具有出口的活化室的殼體、適合 於連接第一氣體供給源的和向所述活化室内引入第一氣體 的第一進氣口、延伸到該活化室並終止在該活化室内的第 一電極、通電時提供輸出平均電壓至少1 kV和輸出平均電 流少於1 0A的連接到所述第一電極的電源、和處於所述活 化至中以及提供一個與所述第一電極相關的地電位的第二 電極。配置所述第一和第二電極以使得當所述電源通電時 在所述第一電極和第二電極之間發生放電，所述放電發生 的區域定義爲放電區。所述活化室、第一電極、第二電極 和第一進氣口的設置使得第一氣體是在通過出口離開所述 活化室之前通過所述放電區的。 另一方面，本發明包括一受控氛圍反應器系統，該系 統包括隨被處理的工件調節的反應器室，所述反應器室具 有一個排氣口，能夠集中將所述反應器室升高到至少90攝 氏度的溫度的至少一種熱源和至少一種氣體喷射器。每個 氣體喷射器包括一殼體，該殼體限定了具有與反應器室具 200912039 有流量關聯的出口的活化室、適於連接第—氣體供給源和 設置向所述活化室内引入第一氣體的第一進氣 凡u、延伸到 該活化室並終止在該活化室内的第一電極、通電時提供輸 出平均電壓至少1 kV和輸出平均電流少於丨〇Α的連接到所 述第一電極的電源、和處於所述活化室中以及提供一個與 所述第一電極相關的地電位的第二電極。配置所述第—= 第二電極以使得當所述電源通電時在所述第—電極和第一 電極之間發生放電，所述放電發生的區域定義爲放電區。 所述活化室、第-電極H極和第—進氣口的設置使 得第-氣體是在通過出Π離開所述活化室之前通過所述放 電區的。 逛有另一方 ，一—人，工机阁久愿器的 反應器室中活化氛圍的方法。按照所述方法，第—氣體從 高虔源供氣進人活化室内。將所述第—電極與提供輸出平 均電壓至少IkV和輸出平均電流少於1〇A的電源連接，在 設置於所述活化室内的第一電極和相對於第一電極具有地 電位的第二電極之間發峰访φ 门赞生放電。所述第一氣體曝露在該放 電下然後通過在活化室Φ相#从 ^ 至中形成的出口注入所述反應器室。 “ π亥弟一氣體注入該雙和為雇 挖汛圍反應益至時，反應器室保持 一個不低於1毫巴的懕士 ^上七墙 卜 垄力。备3亥弟一氧體注入該受控氛圍 反應器室時’反應器室保持至少9〇度的溫度。 實施方式 包括一個放電裝置以及該裝置在用 本發明詳述如下， 10 200912039 於加熱、熱化學或斟人H ^ *對金屬或含金屬部件的表面處理的傳統 爐中的用法。所$ # @ k得統爐可以是任一種控制氛圍熱處理 爐：一種室式、雜_v , 式或杯式爐、或一種在約一個大氣壓下

工作的連續帶推進彳+ ±θ — L A 式或輥底式爐、或一種在不低於1毫巴’ 勺减疋時使用的所5胃真空爐。對於每種情况，所述傳統爐 要求擁有自身的加熱元件和温度控制系統。所述裝置和方 法可以被用於本發明祛旦 赞月者，7、技術中限定的任一種氛圍和爐子 操作。 圖1不思I·生的顯示了本發明的一個實施例。這個實施 例包括-熱處理爐i 00，具有爐墙i 〇 i及其限定的其中放 -件2的爐I卜所述爐還包括多個加熱器5a、5b、5c, 排氣口 6和一個按照本發明所述的活化氣體喷射器2〇。 、所述活化氣體喷射器20具有一個擴展到所述爐腔i中 並且終止在出口 103的噴射器殼體7。在本實施例中，所 述喷射器殼體7是—普通的圓柱形管。氣體供應管21延伸 到所述嘴射器殼體7並且在到達所述出口丨〇3之前終止在 所述噴射器殼體7裏面。所述活化氣體噴射器2〇還包括電 極8、1〇4，其延伸到所述喷射器殼體7内並且終止在所述 出口 1〇3裏面，優選地配置在所述供應管21的出口端和所 述出口 103之間。電極104、喷射器殼體7、供給管21和 爐墙1〇1全部優選地接地（此處記載，上述接地導致了當 電極8通電時相對於所述電極8爲地電位）。電極8與高壓 電源110連接並且採用絕緣體38與電極ι〇4、噴射器殼體 7、供給管21和爐墙1〇1絕緣。所述絕緣體38優選地用不 11 200912039 含有機添加劑的能被用於所述電絕緣的氧化陶瓷原料製 成。例如包括氧化鋁'矽酸鹽、雲母石、菱鎂礦或玻璃。 可以使用任一種高壓、低電流電源11 0。例如，可以使 用具有110V至23 0V輸入電壓、平均輸出電壓在i千伏至 50千伏範圍（兩個頻率爲大約50Hz至60Hz )的交流電（交 Li·)電源。或者使用具有輸入電壓爲12V至230V、平均輸 出電壓在1千伏至50千伏範圍的直流（DC)電源。如果 使用直流電源，優選包括半波或全波整流器。用兩種情况 下’用於所述電源11 0的所述平均工作電流不大於1 〇 A是 較合宜的’更優選不大於5 A。特別地，可以用一種簡單、 廉"ί貝的父^11·或直^11·電源實現本發明。不要求使用高頻高壓 電源（也稱爲”脈衝”或π脈衝”電源）。 使用高壓低電流電源進行活化操作氣體使得所述活化 氣體喷射器20在间反應至溫下運行而不必利用液基（例 如水）冷却系統，並且比如果使用强電流的電源使用壽命較 長。低電流的使用會降低電極表面損壞或熔化的可能性。 高電壓的使用可以保證在所述操作氣流之内即使在弱電流 下也能大規模、大容量的放電。 優選的是所述喷射器殼體7伸入所述爐腔1内使得所 述電極8、1 04可以從所述爐腔1中吸熱。或者所述噴射器 殼體7可以安裝固定使得所述出口 1〇3同所述爐墙1〇1齊 平。所述噴射器殼體7具有一個内容積（此處相當於作爲 一個活化室）’其中工作氣體在注入所迷爐腔1之前被活 化0 12 200912039 當所述"熱”電極8由所述電源1 1 〇通電時，在所述II熱 ”電極8和所述接地的電極104 (或許和喷射器殼體7)之 間形成放電。在一個實施例中其中不設置單獨接地電極 104，所述放電將形成在所述"熱”電極8和所述噴射器殼體 7之間。所述操作氣流4流過供應管21然後穿過所述放電， 産生一個放電活化氣流9，直接的進入所述爐腔1之内。 所述放電活化氣流9然後擴充到所述爐内部，如圖採用箭 頭1 0所示。優選的是所述電極1 04、1 08設置爲使得當電 源通電時在所述電極1 04、1 08之間形成一個具有强度在1 kV/cm 至 1〇〇 kV/cm 的電場。 在大部分工作條件下’ 一部分所述擴充氣流1 0再循環 進入所述爐腔1之内並且在經過排氣口 6排出爐腔1之前 可能和所述工件2的表面12接觸’與另一個氣體—起存在 於所述爐腔1中。如果所述放電活化氣流9擴充至所述爐 腔1中，這就可能吸出並且帶走一部分體積的已經存在於 所述室中的氣體保護氣圍。這一吸出挾帶作用在圖1採用 箭頭11 a、1 lb作注解，導致所述放電活化氣流9和其餘所 述爐乱圍産生化學相互作用。因此，引入所述放電_活化氣 流9對所述爐鼠圍有兩個影響：（1 )所述放電-活化氣流9 被增加給所述爐氛圍以及（2 )在所述放電-活化氣流9和 所述爐氛圍現有氣體之間發生二次相互作用。所述二次相 互作用要求在引入所述放電-活化氣流9之前氣體需要存在 於所述爐腔1中。因此，所述二次相互作用不會在所述氛 圍啓動過程中壓力低於1毫巴（.mb ar ) ”硬-真空”爐腔内發 13 200912039 生 卜本發明不依*於各種活化氣體直接衝擊所述工 件2的表面12，並且它不需要所述工件2成爲那些導致所 述放電的電路的一部分（即沒有電荷施加於所述工件2 )。 因此’本發明提供了電襞_氮化和電離子.渗碳爐的改進方 案’它在下降的壓力和將所有的裝入工件接電源的要求下 運行。 所述活化氣體噴射器20 (更具體地說，所述活化室） 適合於在與所述爐腔i的工作溫度基本上同樣的溫度下運 盯。如果所述才呆作氣體是在_種比所述爐腔i的工作溫度 較低的裝槽溫度下供氣和/或如果所述活化室的一部分位 於爐腔！外，所述活化氣體噴射器2Q可以在比所述爐腔丄 的工作溫度低的裝槽溫度下運行。 本發明所述的活化氣體噴射器可以是採用許多種可供 選擇的受控-氛圍反應器系統和反應器室配置。在連續式反 應器室中應用（即反應器室具有裝料端和卸载端），優選地 在鄰近所述裝料端設置一個或多個活化氣體喷射器並且在 鄰近所述卸載端設置一個或多個活化氣體噴射器。 以下是本發明的一個特定的實施例。對於具有標稱成 分爲20% CO、40% &、和40% &的吸熱的、滲碳爐氛圍， 由於滲碳反應、所述工件上氧化皮的還原、或空氣進入爐 内而積聚過量的有害的C〇2不是罕見的。hc氣體引入例如 CH4可用於經以下化學反應糾正二氧化碳過多的問題： CH4+C〇2=2CO + 2H2。不過可惜的是，這個反應需要熱-啓動 並且即使熱啓動後也是緩慢的。

U 200912039 按照本發明’如果把注入到爐腔中的cH4氣體穿過放 電和/或電漿（以下簡稱"電啓動"）區，一部分氣流可能變 爲離子、原子、游離基和受激分子例如Η、η*、H+、H2*、 H3*、C2、CH、CH2、CH3、CH3 +等。所述放電中的團簇反 應可能同時産生原位不同類型的烴類例如c2_基活性乙炔 C2H2或乙烯（:出4。大多數産物，即使不是所有這些產物， 注入到所述爐内的氛圍中，與不希望有的co2起反應比傳 統的、僅熱啓動的CH4更加完全更加快速。 本發明可用於向所述爐内注入氛圍_改性氣體和/或氛 圍-合成氣體。一氛圍-改性氣體是其中至少一部分氣流變 爲離子、原子、游離基和受激分子，例如Η、Η*、H+、h2*、 H/、C2、CH、CH2、Ch3、CH，等。一氛圍_合成氣體是其 中進氣組合物發生轉變，也就是說，由於採用喷射器提供 的能量形成了新分子。 本發明五個附加的實施例展示在圖2A至3 C&2B。在 每個連續的實施例中，所述附圖表示的與圖ι中表示的特 徵對應的特徵標明作爲參考數位，該參考數位增加了 :。例如，所述活化氣體噴射器20在第二和第三實施例中 別;^明爲數位120和220作爲參考。在圖2A至3C中 些對應的特徵用數位標記提供給上下文，但不作爲所述附 加的實施例的描述的特定參考。 圖2A和2B表示第二實施例活化氣體噴射器12〇，其 包括具有開口端122、供給管m和電極1〇8的圓柱形杯 11 3。對這個實施例來說，採用所述杯n 3和所述開口

^ ^ Z 15 200912039 限定的内容積是所述活化室。如同圖1所示的電極8’電 極1 08優選地連接一高壓低電流電源（未顯示）。所述電極 I 0 8擴展到所述杯11 3沿它的中心軸終止在杯113内（即並 未延伸過所述杯113的開口端122)並且是與所述杯113 絕緣的，優選地採用陶質、耐高溫的絕緣體1 3 8。所述杯 II 3是優選地由有傳導性的金屬製造並且採用接地線11 5 接地。 當工作時，把操作氣流114從外部來源從氣體輸送管 12 1經過注入口 140注入到所述杯11 3中。所述氣體輸送管 I 2 1和所述注入口 1 40優選地設置成與所述杯11 3的邊緣相 切。在進入杯113之後’操作氣體在杯11 3内渦旋，曝露 於於放電119下，沿所示箭頭1 〇9a、1 〇9b離開杯11 3。由 於在末端開口和短的11 3杯之内形成渦流的原因，一低壓 區在所述杯113的中心部分中形成，其吸入和吸出爐氛圍 氣體（用箭頭11 7表示）。吸氣氣流丨丨7和所述渦旋操作氣 流114混合沿線11 8a、11 8b出去。 在這個實施例中，在描述的渦流混合過程期間，放電 II 9在電極1 08和杯11 3之間延伸，這導致操作氣流丨i 4 和吸氣（爐氛圍）氣流117兩者均發生放電-活化反應。所 述放電119是由離散電弧和/或在熱電極1〇8尖端和所述杯 113的内徑之間的電子流形成的。如果所述氣流14的流量 不是過量的，也能注意到圍繞這些電弧生成的更均勻電漿 輝光。優選地，操作氣體的流量在在一定範圍内，從而導 致圍繞所述放電11 9産生相對均勻電漿輝光，所述輝光可 16 200912039 以由過量的操作氣流速度破壞。由於成切線方向注入的操 作氣流11 4形成的滿流影響，所述放電119也傾向於在杯 11 3内部圍繞旋轉。放電丨丨9的旋轉保證了沒有單-點電弧-源枯附在杯113的表面上，這降低了所述杯113内表面可 能的熱損傷。 圖2C表示了在圖2A和2B中的活化氣體噴射器的第 二實施例。在這個實施例中，所述活化氣體噴射器220包 括多重的切向噴射埠221a、221b、221c、221d可用於所述 操作氣體，這可以在杯2 i 3内提供更一致的渦旋保證。 圖3 A、3 B和3 C表示所述活化氣體喷射器的三個附加 實施例。除了喷注室3丨3的開口端322是由具有在其中形 成轴向孔3 3 1的蓋3 3 0部分遮蓋的之外，圖3 A中描繪出的 活化氣體噴射器320與活化氣體噴射器120 (表示在圖2A 和2B )是相同的。與活化氣體喷射器1 2〇相比，活化氣體 喷射器320降低了進入喷注杯313内爐氛圍氣體的吸出並 且提高了放電活化氣流309在它離開喷注杯3 13時的速 度。結果，隨著放電-活化氣流309，爐氣的吸出提高和挾 帶作用發生在所述杯外面。因此，在所述喷注杯3 13外， 吸氣爐氛圍3 11 a、3 11 b迅速地與放電活化氣流3 〇 9混合形 成新反應氣流3 1 0a、3 1 Ob。 在圖3B中畫出的活化氣體噴射器42〇不同於圖3A中 表示的活化氣體喷射器320，因爲它包括從軸向孔431伸 出的％脹管432。放電-活化氣流409沿所述膨脹管432的 軸線更快地運動，這將至少一些放電419擴展到膨脹管432 17 200912039 中。因此，在這個實施例中，活化室包括杯4i3和膨脹管 432兩者定義的内容積。採用較高操作氣流速度，放電419 的可見的、發光的部分可以輕易地超過膨脹管432 (即進 入所述爐腔之内）。放電_活化氣流4〇9的吸出、挾帶作用 和與爐氛圍混合發生在膨脹管432的外部、下游。與其他 實施例一樣，從爐氛圍（圖3B中標記爲數位41〇&、4i〇b 作爲參考）和放電·活化氣流4〇9吸出的氣體發生二次反 應。注入氣是採用與表示在圖2中注入活化氣體噴射器12〇 的同樣的方式供應給活化氣體喷射器32〇、携（圖3A和 3B )的。 圖3C所示的活化氣體喷射器⑽類似於活化氣體喷射 器㈣，但包括一串連的供給管521而不是成切線設置的 供給官421。爲了生成旋轉運動的操作氣體，渦流片523 設置在噴頭513内，正好位於熱電極5〇8頂端上游。渦流 片523優選地由高溫絕緣陶变製成並且在其上形成包括呼 多斜向的或螺旋狀的槽口 534。操作氣流514被强制通過 槽口 534 ’攻使操作氣流…圍繞喷射器抽線渦旋 成渦流。 & 上述所有的實施例中，噴射器殼體和電極可以由任一 有傳導性的、高溫耐蝕金屬 金製成，例如不銹鋼、鐵 …，5金、鎳合金、鎢、鉬以及它例&人& 的絕緣材料可…八， 熱電極使用 由任―合適的絕緣體㈣熱化學氧化陶-宪 製成，例如氧化鈕、& 4 瓦 .. 虽鋁，，工柱石、鋁矽酸鹽、陶瓷玻螭或 改性的氧化錯。 ^ 4 18 200912039 此外，許多活化氣體噴射器可被用於一個相同的爐 中，這取决於爐子尺寸、構造和熱處理或熱化學表面處理 工藝要求。因此，對於末端開口的連續式爐，一種或多種 活化氣體噴射器可以安裴在靠近爐子的末端，以免爐子内 部與未反應的大氣的滲透。象這樣的系統將提供爐氛圍的 改進控制和均句性，而且由於消除了潜在的爆作氣體混合 空間從而提高了安全性。通過本發明實施例的試驗，申請 人已經注意到’高壓/低電流放電特性和二次氣體夾帶作用 的當前組合導致增强的氣體反應和爐氛圍的改性，即使提 供給"熱"電極的總功率是相對低的。至於根據本發明方法 注入HC氣體的情况’産生的灰粒的量也是微不足道的。 這與傳統的熱電疲（電狐）注射系統即"氣體加熱器”完全 不同’其是低壓/强電流的設備，其陽極經常地需要水：並 且在熱爐溫度超過1〇5〇cC(l922cF)時不能運行，其^於 -些金屬處理操作是理想的。由於熱的氣分子比那此A的 更容易分解和放電活化，本發明高壓/低電流裝置和配置喷 射器般料致它從爐腔丨中吸熱使活化氛圍使用比傳统的 熱電漿（電幻注射系統使用低得多的電能成爲可能。 …如上與電源、m有關的表述，通過利用一個低電流、

咼壓電源延長了喷射写雷才 ± " L ” 極的哥命。低電流電弧不易於熔 化電極表面，高壓電弧保證氣 、 乳體耽流（即使在弱電流水平） 大容量的放電。爲了實現本發明的目的，―”低電 ::=，，電源應該理解爲是—個具有平均電流輪出功率 於^培和平均電壓輸出功率至少1Gkv的電源。而渦 19 200912039 流穩定、自旋電漿柱和反應器是現有技術已知的，本發明 不同於現有技術的是通過放電吸出熱爐氛圍氣體進入它的 芯體（例如杯113 )内、將吸出的熱爐氛圍氣體與新鮮的操 作氣流混合和再一次通過放電排出生成的混合物，所有的 都使氣體電漿相互作用最大化。考慮到化學反應性可以做 出同樣的注解，現有技術中已知的高壓/低電流/高頻或脈衝 放電，一起被稱作非平衡或冷電漿。申請人注意到，當前 所述的高壓/低電流放電特性和二次氣體攜帶作用的組合 導致增强的氣體反應和爐氛圍的改性，即使放電使用的總 功率（功率=伏特x安培）是低的。 申請人使用與圖2A至3C所示相似的活化氣體噴射器 做了一系列爐氛圍活化試驗。實驗使用的操作氣體流速範 圍從10標準立方英尺/小時（〇 28 m3/hr)至21〇標準立方 英尺/小時（5.95 m3/hr)，兩個不同類型的高壓電源：（i ) 直流-電漿裝置在0.5A和2kV到1 0 kV之間工作（平均電 壓是大約2 kV，但當放電消失或電路斷開時提高到i 〇 kV) ’（ 2)交流-電漿或火花放電裝置（使用傳統的6〇 交流住宅電網）在大約1〇 kv電壓和0.09 A下工作。熱電 極尖端和所述交流喷射器（火花放電噴射器）中的接地電 極之間的最短距離設定爲〇·14英寸（〇.3 55 cm)，其産生最 大電場强度E爲28 kV/cm。在直流注入器中，熱電極（在 這種If况下的陰極）頂端和接地電極（在這種情况下的陽 極）之間的最短距離被設定爲1218英寸（〇 55 cm)，在穩 態運行期間其産生最大電場强度E爲4.5kv/cm，在擾亂模 20 200912039 型中田産生的放電微弱或消失時增至1 8 kV/cm。假定每種 喷射器近似的總能量輸入功率爲約i請，摩爾能量被加到 操作乱μ中，把環境的能量損耗排除在外，與氣流流速成 反比23.9 eV對應於1標準立方英尺/小時（0.028 m3/hr ) l速2.39 eV對應於10標準立方英尺/小時（0_28 m3/hr ) *速0.23 9 eV對應於1〇〇標準立方英尺/小時（2·8 Ah) :速0.12 eV對應於2〇〇標準立方英尺/小時（5 7 m3/hr ) 机速因此，在第一近似化概算中，較高操作氣體流速與 較低抓速樣預叶產生相等數量的活化氣體種類，但處於 _㈣料度和W形成較低的活化能量産物。在室溫 下試驗，—熱電偶被放入喷嘴出口處，顯示出約0.25英寸 ( m )活化氣流後部的平均溫度不超過2〇〇QF( 93。匸）， 由於使用了知作氣流流速’其溫度僅僅有很小的變化。申 請t採用所述裝置在陶竟材料襯裏、電加熱、中間生産規 扠相式爐中進仃巩圍活化實驗，使用规鐳射氣體分析儀 L_7從爐腫排烟處對産物氛圍取樣，分析儀是以拉曼 光4學原理爲基礎的。結果在下面介紹。 比較=Γ是根據本發明氛圍活化結果，該結果通過 、、的熱分解操作氣流的爐内氣體紐合物與 使用本U #作氣體活化方法的爐内氣體組合物進行比輕 獲得，其中本發明操作氣體活化方法包括：直流電漿或^ 漿"和父流火花放電或"火花放電”。該估算包括注人各種^ 基混合活性氣體，腿3和CH4，注入保持四個不同2 爐中：辦⑺叫_、_)、啊15=)的 21 200912039 和1〇〇〇°C ( 183〇°F)。全部混合物中NH3和CH4的濃度均 保持在較低的爆炸性/燃燒極限（爆炸下限）下面，這意味 著所述混合物可以釋放到大氣中沒有爆炸或燃燒的風險， 也就是說即使在非專用於易燃氣體處理的熱處理爐中也能 使用。 第一混合物在600〇C ( 1110吓）時進行測試，包括& 矛2_5 /〇的NH3，其在從〉主人口到爐子或到放電喷射器處測 得。第二混合物是①和3 4%的CH4。第三混合物由…和 2.2%的CH4組成。在8〇〇〇c ( 147〇〇F)時進行測試，第— 混合物由N2和3.4%的ch4組成第二混合物由乂和2.2% 的CH4組成。由N2和2.4¼的CH4組成的混合物在85〇〇c (156〇°F)時進行測試。在1830°F)時進行測試， 第-混合物由％和3_41%的Ch4組成，第二混合物由 和2.2%的CH4組成。所有的測試都是在陶瓷襯裏爐上進行 的，以免催化分解爐壁上的氣體。 估算是基於比較具有同樣的操作氣體組合物的熱和活 化狀態時爐膛排烟中的仏脈和化麵3平均摩爾比得出 的。較高比率（y軸所示）示爐氣中的氣流較高的分解 和反應，而較低的比率表示缺少象這樣較應和惰性的不 希望有的性能。雖鍊φ λ廿丁 . 主献π体a …、甲明人並不b楚哪種特定的氣體和放 電反應是從注入的NH3和CH*中釋放札的原因，但是一般 的化學什S法將建議通過利用以下標準反應：m NH3— n NH3 + 0.5(m-n)N2+1_5(m_n)H2，其中，標在圖 4 上的 IVNH3比值等於^(^…。叫混合物的標準反應可以 22 200912039 用同樣的方法記錄，除此之外，烴類產物不能用本測試使 用的氣體分析系統確定，並且其組份（新Hc分子可能較 低的Η含量，例如C^2 )可能不同於最初注入Ch4，而且 其對於金屬的表面提供增强的活性。如圖4所示，將操作 氣體注入使用直流和交流放電的爐氛圍中，導致了所期望 的氣體反應的增强，特別是在操作溫度低於i 〇〇〇C)c時。對 金屬加工工業來講這一操作溫度是非常有用的。 圖5晝出了爐氛圍中的NH3和出運轉_時間濃度，取 樣是從爐膛排烟處，在525°C ( 975°F)實驗，包括注入包 括12%而3的操作氣流進入比中。第一測試（在圖5中標 記爲，，未活化”）其中沒有使用放電活化，顯示出NH3濃度 最低的下降和從NH3分解釋放的出的最低的濃度。第二測 試（在圖5中標記爲"交流火花放電”），其中使用交流火花 放電注入，導致原始nh3濃度（從12%到8 8%)最强的下 降和獲得最高的H2 (高達4%)。第三測試（在圖5中標記 爲”直流電漿’，）其中使用直流電漿，結果産生的Μ%和^ 辰度落在第一和第二測試得到的濃度之間。 圖6表示使用如圖4所示的同樣的工藝氛圍活化的效 ^，包括兩個主要區別：（1)摻入N2中的时是^札而不 是CH4，（ 2 ) Ο”雜質的來源是用重度氧化的鋼部件裝入其 中的形式被加到爐中。由於鐵氧化物的還原以及精煉鐵的 >及會產生C〇2 ’並且期望的但驅動緩慢反應的和c〇2 產生CO和Η2 ’氛圍活化的估算是基於和（H2 + c⑴ ’HC的摩爾比。如圖6所示’直流_電漿嗔射系統在爐内進 23 200912039 行期望活化反應時最有效，交流火花放電噴射“有效性 稍差，而傳統的熱啓動系統（即沒有放電活化）的有效性 最小的。 山圖7所不是對Aisi_SAei〇i〇鋼部件（具有初始 的石厌水平，按重量計算）渗碳測試的比較結果，使用是 統的熱啓動方法和本發明所述的直流_電漿 ：丧 碳是在㈣。C⑴㈣）進行3小時處理，在敎和第斤= 期間使用糝人2.5則4輯，在第二直流_電 ^運仃中使用摻入2.5%CH4的氬㈤。渗碳步驟之後，所 有的樣品沒有進行附^ 仃附加的淬火及回火操作，均隨爐冷却到 至溫。渗碳的結果由採用鋼橫截面上的顯微硬声“ 度計上的HV-硬度）你s山Λ 士 _ 乍馬〇奴鋼表面下深度（微米）的函 進仃估算的。最高的表面和亞表層硬度顯示滲碳的最大 程度’其出現在電漿活化N2_25%CH4氣流時。電聚活化 2.5 /〇CH4 m生非常類似的結果。使用傳統的熱啓 Ϊ渗碳的鋼部件的表面硬度是相當地低的。值得注意的 -，這些測試表明當用作主要的氣體注入操作氣流時…比 ^(Ar的反應性稍差並且比&更昂貴）稍微更有效。這 表示放電中的主if* i 要反應、在所用氛圍中二次氣體反應和在 鋼表面上反應是由； 在的活化驅動的，不穩定的氣體種類 少與注入的不起反應的載能體差不多。 ^ ° 二的是N2電漿活化的結果，滲碳測試在圖7中 «。出’而且附加的滲碳測試在同樣的狀態下進行，使用的 ’’部件具有增强初始的碳水平：〇1% (按重量計算）對應 24 200912039 於綱侧鋼號刚部件、0.5%(按重量計算）對應於 AISI-SAEl〇5〇部件以及〇·75% (按重量計算）對應於 AISI-SAE1075部件。在圖8中所示的圖表中，溫度表示二 γ軸（左邊爲攝氏度而右邊爲華氏度）並且碳含量（％按^ 里汁异）表不爲X軸。三個測試的結果用標有箭頭的線 加的、表示在標準Fe-C二元相圖中。結果表明在所有的三個 測试中無論初始碳含量是多少，圖8中標明如π例子”的表 面碳水平都增加到〇.9% (按重量計算），因此决定於直流 放電/舌化N2_2.5%CH4氛圍的渗碳勢。 *爲了促進表面氧化鋼部件的非氧化退火使用純的Η〗 氣圍進行了附加試驗。传用7·-括*r ^ ^使用了二種熱軋-縮尺模型試驗試 ，.AISI-SAE1010碳鋼、A2卫具鋼和3〇4奥氏體不鱗鋼。 退火測試是在100(pc( 1830OF)進行的，時間爲2小時， 使用仏操作氣流流量爲90標準立方英尺/小時W m ~)。三試樣中的—個是用傳統的、熱氛圍處理的， 另個疋用X流火花放電注入和活化&氛圍處理的。兩 固測試結束後，碳鋼的表面都被還原並且爲光亮的。工具 鋼的表面僅是交流-火花放電活化測試被還原並且爲光亮 面而傳統％ g 6式驗却不行。任何測試之後不錄鋼的表 册疋不光儿的，但疋父流_火花試驗使得初始的氧化膜具 有，褐色的膜表示存在有金屬氮化物。 表1列出了本發明的一些實施例的特徵。 25 200912039

一些實施例的邊界條件 活化各種熱處理和熱化學表面處理 的氛圍包括然而並非局限於採用 N2、H2、HC、CO、NH3、裂解氣、 醇蒸氣和稀有氣體組份進行渗碳、 渗氮和還原組合物__ 電活化分爲兩步驟進行：放電中， 其中發生最初的氣體反應；和下 游，爐氛圍的夾帶氣流發生二次反 Μ__ 在工作期間不須冷却並且從處理掉 土吸收熱量取得顯荖啟要 氣體分子在操作氣流中可以不必熱 分解或完全分解 可能需要爐氛圍的存在使得二次反 應發生；優選的爲大氣壓力但低壓運 轉（高於1毫巴）仍然是有效的 耐咼溫的金屬和陶瓷原料結構 優質陶瓷絕緣材料可能用在噴射器 中 在大延伸的工業熱處理線中可能需 要多噴咀噴頭和更複雜的電源 高壓/低電流工作將電極的磨損減 到最少而同時把産生的各種氣體的 化學反應性增加到最大限度；直流 和低頻的2-相交流（可以不大於 電源是小型的並且#甘0 裝置和方法可以被改進成任何傳統 的爐子或反應器；可能同時被用來 改進末端開口的連續式爐中進行工 鲁控制和安全性 徵 ;又有電流經過工件，經過電流需要 處理許多電子元件，因此促進了爐 子設計和生產經營的簡化和防止工 件部件邊緣和複曲面構造的不均勻 ，化氣體種類之間缺乏直接的碰撞 疋使用工件部件作爲一個電極降低 了預期表面反應的動力的方法的特 本領域技術人員可以判斷出上述，述的實施例的可 26 200912039 能改變並沒有脫離本發明寬廣的發明構思。可以理解，因 此本發明不揭限於特殊的實施例，但是要覆蓋申請專利 範圍的全部範圍之内的所有改變。 圖式簡單說明 、，以下本發明的優選實施例的詳細說明最好是結合附圖 進仃理解。爲了闡明本發明，實施例附圖描述是目前優選 的然而，可以理解的是本發明並不局限於附圖中所示的 精確的方案和手段。 .疋個熱處理爐的剖面圖圖解，包括一個按昭本 發明的活化氣體喷射器； …、本 圖2A是一個變換實施例具有開口出口的活化氣體 射器的正視圖； a、 圖2B是圖2A沿線2B_2B剖開的截面圖； 圖2C疋另一個活化氣體噴射器變換實施例的正視 圖’它類似於圖2A所示的活化氣體嘴射器，但包括 供给管； 至μ 圖3Α是另 圖’它類似於圖 加限制出口； 一個活化氣體噴射器變換實施例的剖面 2Α所示的活化氣體喷射器，但包括—個外 施例的剖面 但在出口包括 圖3 Β是另一個活化氣體喷射器變換實 圖，它類似於圖3Α所示的活化氣體喷射器 ~~個膨脹管； 器實施例的剖面 圖3C是另一個方案活化氣體噴射 27 200912039 :口它包括一個串連的供給管和斜向的進八嗔射一的 圖4是一個柱狀圖表表 卞个问溫度和利 用不同的活化法氛圍活化的效果，包括熱活 e i 1 IU 置流電>lf

和交流火花放電； I 圖5是一個圖表表示簡3和&在活化爐氛圍的運行時 間分布，利用熱啓動、直流電漿和交流火花放電； 圖6是一個柱狀圖表表示具有A污染的氛圍利 用不同的活化法活化的效果，包括熱啓動、直流電漿和交 流火花放電； 圖7是一個圖表表示AISI-SAE1010鋼部件利用直流電 水（採用Ar或N2作爲注入氣的基本分量）活性渗碳和熱 處理（採用N2作爲注入氣的基本分量）後測試的微觀硬度； 圖8是一個利用直流電漿活性滲碳測試的概要。 主要元件符號說明 1··爐腔；2_·工件；4、114、51 4..操作氣流； 5a、5b、5c·.加熱器；6..排氣口； 7..喷射器殼體； 8、104、108、508..電極；9、309、409..放電活化氣流； 12..表面；20、120、220、320、420、520.•活化氣體噴射器； 21··供應管；38、138..絕緣體；100··熱處理爐；101.·爐墙； 1〇3_.出口； 110.·電源；113、213、413.·杯； 119、419..放電；121..氣體輸送管；122、322..開口端； 140·.注入口 ； 117.·吸氣氣流；115·.接地線； 28 200912039 221a、221b、221c、221d··喷射埠； 3 11a、311b..吸氣爐氛圍；331.·轴向孔； 3 10a、3 10b··新反應氣流；330.·蓋；3 13..喷注室； 42 1、521··供給管；5 23.•渦流片；53 4·.槽口 ； 5 13..喷頭 29

Claims (1)

1. 200912039 十、申請專利範圍： 1、一種與受控氛圍反應器共同使用的活化氣體喷射 器’該受控氛圍反應器具有反應器室，所述活化氣體喷射 器包括： 限定了活化室的殼體，該活化室具有出口； 適合於與第一氣體供給源連接的第一進氣口並且通過 該進氣口將第一氣體引入活化室内； 延伸到活化室並且終止在活化室内的第一電極； 連接到第一電極的電源，當通電時提供平均電壓輸出 至少1 kv和平均電流輸出少於1 〇 A ;和 曝露於活化室中並且相對於第一電極設置爲地電位的 第二電極； 其中設置第一和第二電極以使得當所述電源通電時在 第一電極和第二電極之間發生放電，所述放電發生的區域 定義爲放電區；和 其中活化室、第一電極、第二電極和第一進氣口的設 置使得第一氣體在通過出口離開所述活化室之前通過放電 區0 一 2如申吻專利乾圍第丨項所述的活化氣體噴射器，其 :虽電源通電時在第一和第二電極之間形成電場，所述電 場具有在1 kv/cm至100 kv/cm之間的强度。 3、如申請專利範圍帛1項所述的活化氣體喷射器，其 30 200912039 中第一電極包括殼體。 4、如申請專利範圍第1 中活化室適合於在與反應器 不使用冷却系統。 項所述的活化氣體噴射器，其 至基本上相同的溫度下操作而 5、如申請專利範圍第1 中電源包括非脈衝功率電源 項所述的活化氣體喷射器，其 6、如申請專利範圍第1 中活化室和第一進氣口設置 口被引入活化室時，使第— 渦流或旋流。 項所述的活化氣體喷射器，其 是’當第一氣體通過第一進氣 氧體從第一進氣口到出口形成 ，7、如巾請專利範圍第1項所述的活化氣體喷射器，其 中活化室具有-個圓柱形的部分並且第一進氣口是成切線 連接到圓柱形部分的。 8、 如申研專利範圍第i項所述的活化氣體喷射器，更 進一步的包括一個位於活化室内的渦流片。 9、 一個受控-氛圍反應器系統，包括： 一個用於容納待處理工件的反應器室，所述反應器室 具有一個排氣口； 31 200912039 至少一個熱源，所述至少_彳田也 主夕個熱源是能夠用來集中升 高反應器室到至少90攝氏度的 ” σ ^ , 厌，和至少一個氣體喷射 器，母個至少一個氣體噴射器包括： 限定-活化室的殼體，該活化室具有與反應器室具有 流量關聯的出口； 適合於與第-氣體供給源連接的第一進氣口並且該進 氣口設置用來將第一氣體引入活化室内； 延伸到活化室並且終止在活化室内的第一電極； 連接到第-電極的電源，當通電時提供輸出至少m 的平均電壓和輸出少於1 〇 A的平均電流；和 曝露於活化室中並且相對於第一電極設置爲地電位的 第二電極； 其中ax置第和第二電極以使得當所述電源通電時在 所述第一電極和第二電極之間發生放電，所述放電發生的 區域定義爲放電區； 其中所述活化室、第一電極、第二電極和第一進氣口 的設置使得第一氣體在通過出口離開活化室之前通過放電 區 〇 1 〇、如申請專利範圍第9項所述的控制-氛圍反應器系 統，其中第二電極包括殼體。 11、如申請專利範圍第9項所述的控制-氛圍反應器系 統，其中當電源通電時在第一和第二電極之間形成電場， 32 200912039 所述電場具有在1 kV/Cm到1〇〇 kv/cm之間的强度。 12、如中請專利範園帛9項所述的控制·氛圍反應器系 統，其中活化室被設計成與反應器室基本上相同的溫度下 操作而沒有使用冷却系統。 1 3、如申明專利範圍第9項所述的控制_氛圍反應器系 統，其中虽至少一個放電活化器工作時反應器室保持至少 1毫巴的壓力。 14·、如申請專利範圍第9項所述的控制_氛圍反應器系 統’其中活化室至少部分位於反應器室内。 1 5、如申請專利範圍第9項所述的控制—氛圍反應器系 統，其中反應器室適於對工件進行一個或多個以下操作： 滲碳、滲氮、碳氮共滲、滲碳氮化、滲硼、非氧化退火、 氧化還原、硬焊、軟焊、燒結、中和碳勢退火和惰性退火。 16、 如申請專利範圍第9項所述的控制-氛圍反應器系 統，其中反應器室包括一個具有載入端和卸載端的連續式 反應器室和包括鄰近载入端設置的第一氣體噴射器和鄰近 卸載端設置的第二氣體喷射器的至少一個氣體噴射器。 17、 一種受控氛圍反應器的反應器室中的氛圍活化方 33 200912039 法，所述方法包括： ί、應第一氣體從高壓源供氣體進入活化窒内； 將所述第一電極與提供輸出平均電壓至少丨kv和輸出 平句電抓^於1 〇A的電源連接，在設置於所述活化室内的 第電極和相對於第一電極具有地電位的第二電極之間發 生放電； 將苐一氣體曝露在放電下； 將在活化至中形成的第一氣體通過出口排到反應器室 中； 當該第-氣體注入該受控氛圍反應器室時，反應器室 保持一個不低於1毫巴的壓力；和 當该第-氣體注入該氛圍控制反應器室時，反應器室 保持一個至少90度的溫度。 18、 如申請專利範圍第17項所述的方法，其中： 將第-氣體引入活化室内包括將第一氣體引入至少部 分設置在反應器室之内的活化室内。 19、 如申請專利範圍f 17項所述的方法，更進一步的 包括： 吸出至夕分活化室内的氛圍；和將至少一部分 所述氛圍曝露在放電下。 2〇、如中請專利範圍第17項所述的方法，更進一步的 34 200912039 包括： 熱處理設置在所述反應器室之内至少部分金屬工件 和當正在執行申請專利範圍第丨8項的步驟時進行至少· 部分熱處理步驟。 21、如申請專利範圍第17項所述的方法，更進—步的 包括： 活化至與反應器室在基本上相同的溫度下工作。 22、如申請專利範圍第17項所述的方法，更進一步的 包括： / ' 如申請專利範圍f 18項使用的步驟，進行以下组中的 一個或多個操作：渗礙、滲氮、碳氮共渗、滲碳氮化、渗 棚、無氧化退火、氧化還原、硬焊、軟焊、燒結、中和碳 勢退火和惰性的退火。 23、如申請專利範圍第 包括進入反應器室中的第一 燃燒極限的濃度。 22項所述的方法，更進一步的 氣體保持低於較低的爆炸性/ 24、如申請專利範圍第 配置第一和第二電極， 極之間形成場强在1 kV/cm 1 7項所述的方法，其中·· 使得當使用生成步驟時，在電 至100 kv之間的電場。 35