等離子體輔助氮表面處理的製作方法

2023-05-31 22:59:16

專利名稱：等離子體輔助氮表面處理的製作方法
技術領域：
本發明涉及表面處理系統及方法。更具體地說，本發明涉及使用等離子體催化劑在氣體中激發、調節和維持等離子體以及用於在氮表面處理過程中使用等離子體的系統和方法。
背景技術：
已知各種氮表面處理(例如，氮化、滲碳氮化(carbonitriding)、氮碳共滲(nitrocarburizing)等)用作表面硬化過程。這些過程可以包括將不同程度的氮擴散到各種鐵合金(例如，鋼)中來形成富氮的表面。擴散的氮會與鋼合金反應以增強表面硬度。氮表面處理會產生具有高表面硬度和軟核的組件。因此，氮表面處理對於處理諸如齒輪和軸的高磨損的組件有用。另外，氮表面處理會改善疲勞壽命和組件的耐蝕性。
在多數氮表面處理過程中，例如，通過組件的溫度和暴露於含氮的氣態環境的時間來控制氮擴散到鋼中的深度。最經常地，在包括氮的環境在熔爐中將要處理的部件加熱到所希望的溫度。包括氮化的氮表面處理的一個顯著的優點是沒有淬火就可以改善表面硬度。
當已知的氮表面處理方法可獲得可接受的表面硬度程度時，這些方法包括幾個缺點。例如，在大氣的氮處理烘箱中可以處理部件。然而，在這種烘箱中，部件的小或薄的部分一般比部件表面的剩餘部分加熱得更快。結果，這些部分會顯示出比部件的其餘部分更高的硬度。而且，大氣烘箱一般較慢且缺乏精確控制部件的溫度的能力。
氮表面處理也可以在真空爐中進行。在該設置中，可以將部件放置於真空室中，然後將其抽空。將部件加熱到所需的溫度，且可以將氮和任選的其它氣體供給真空室。儘管這種方法可以產生具有均勻硬度值的表面，然而在表面處理期間，建立和保持所需的真空耗費高且耗時。
同樣，通過將部件暴露到含氮的等離子體來進行例如包括氮化的氮表面處理。儘管與傳統的熔爐氮化方法相比等離子體氮化方法可以潛在地提高加熱速率，然而這些等離子體輔助方法一般包括使用昂貴的真空設備來建立必需的真空環境。
本發明解決了與已知的氮表面處理相關的一個或多個問題。

發明內容
本發明的一個方面提供了一種氮化物體的表面區域的等離子體輔助方法。該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到輻射(例如微波輻射)激發等離子體，其中等離子體含氮；以及將物體的表面區域暴露於等離子體一段足夠長的時間以將至少一些氮通過表面區域從等離子體轉移到物體。
本發明的另一方面提供了一種表面硬化物體的第一表面區域的方法。該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到輻射激發等離子體，其中等離子體含氮和碳；以及將物體的表面區域暴露於等離子體一段足夠長的時間以將至少一些氮和至少一些碳通過表面區域轉移到物體。
本發明的再一方面提供了一種用於等離子體輔助表面硬化物體的系統。該系統包括等離子體催化劑；容器，在其中形成腔，並且其中在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到輻射，激發含氮和碳中的至少一種的等離子體；以及輻射源，與腔相連，用於將輻射引入腔。
本發明還提供了多種等離子體催化劑，用於等離子體輔助氮化、滲碳氮化和氮碳共滲。


本發明的其它特徵將通過下面結合附圖的詳細描述變得明顯，其中相同的標號表示相同的部件，其中圖1表示根據本發明的氮等離子體系統的示意圖；圖1A表示根據本發明的部分氮等離子體系統的實施例，該系統通過向等離子體腔加入粉末等離子體催化劑來激發、調節或維持腔中的等離子體；圖2表示根據本發明的等離子體催化劑纖維，該纖維的至少一種成分沿其長度方向具有濃度梯度；圖3表示根據本發明的等離子體催化劑纖維，該纖維的多種成分沿其長度按比率變化；圖4表示根據本發明的另一個等離子體催化劑纖維，該纖維包括內層核芯和塗層；圖5表示根據本發明的圖4所示的等離子體催化劑纖維沿圖4的線5-5的截面圖；圖6表示根據本發明的等離子體系統的另一個部分的實施例，該等離子體系統包括延伸通過激發口的伸長型等離子體催化劑；圖7表示根據本發明在圖6的系統中使用的伸長型等離子體催化劑的
具體實施例方式
本發明提供了用於具有氮的表面的等離子體輔助處理的方法和裝置。根據本發明，可以用等離子體催化劑激發、調節和維持等離子體。
在此引入下列共同擁有並同時申請的美國專利申請的全部內容作為參考美國專利申請No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0008)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0009)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0010)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0011)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0012)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0015)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0016)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0017)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0018)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0020)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0021)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0023)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0024)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0025)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0026)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0027)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0028)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0029)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0030)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0032)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0033)。
等離子體系統的說明圖1表示根據本發明的一個方面的氮表面處理系統10。在該實施例中，在位於輻射腔(即輻射器(applicator))14內部的容器中形成腔12。在另一個實施例中(未示出)，容器12和輻射腔14是同一個，從而不需要兩個獨立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一個或多個輻射透射(例如，透射微波)阻擋層，以改善其熱絕緣性能使腔12無需顯著地屏蔽輻射。
在一個實施例中，腔12在由陶瓷製成的容器內形成。由於根據本發明的等離子體可以達到非常高的溫度，因此可以使用能工作於大於約2,000華氏度，例如約3000華氏度的陶瓷。陶瓷材料可以包括重量百分比為29.8％的矽，68.2％的鋁，0.4％的氧化鐵，1％的鈦，0.1％的氧化鈣，0.1％的氧化鎂，0.4％的鹼金屬，該陶瓷材料為Model No.LW-30，由Pennsylvania，New Castle的New Castle Refractories公司出售。然而本領域的普通技術人員可知，根據本發明也可以使用其它材料，例如石英以及那些與上述不同的材料。應該理解本發明的其它實施例可包括旨在大約2,000華氏度以下的溫度下工作的材料。
在一個成功的實驗中，等離子體形成在部分開口的腔中，該腔在第一磚狀物內並以第二磚狀物封頂。腔的尺寸為約2英寸×約2英寸×約1.5英寸。在磚狀物中至少具有兩個與腔連通的孔一個用來觀察等離子體，並且至少一個用來供給形成等離子體的氣體。腔的尺寸和形狀取決於想要進行的等離子體過程。此外，腔至少應該設置成能夠防止等離子體上升/漂移從而離開主要處理區。
腔12可以通過管線20和控制閥22與一個或多個氣體源24(例如氬氣、氮氣、氫氣、氙氣、氪氣氣體源)相連，由電源28提供能量。管線20可以是能夠運送氣體的任意通道但應窄到足以防止顯著的輻射洩露。例如，管線20可以是管狀(例如在大約1/16英寸和大約1/4英寸之間，如大約1/8英寸)。而且，如果需要，真空泵可以與腔相連來抽走在等離子體處理中產生的任何不需要的氣體。
一個輻射洩漏探測器(未示出)安裝在源26和波導管30附近，並與安全聯鎖系統相連，如果檢測到洩漏量超過預定安全值時，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm2)規定的值，就自動關閉幅射電源(例如微波)。
由電源28提供能量的輻射源26通過一個或多個波導管30將輻射引入腔14。本領域的普通技術人員應該理解輻射源26可以直接連到腔14或腔12，從而取消波導管30。進入腔12的輻射可以用來激發腔內的等離子體。通過將附加的輻射例如微波輻射與催化劑相結合可以充分維持該等離子體並將其限制在腔內。
通過循環器32和調諧器34(例如，3通短線(3-stub)調諧器)提供輻射。調諧器34用來使作為改變激發或處理條件的函數的反射能減至最少，特別是在等離子體形成之前，因為微波能例如將被等離子體強烈吸收。
如下面更詳細的說明，如果腔14支持多模，尤其當這些模可持續或周期性地混合時，腔14內的輻射透射腔12的位置並不重要。例如，馬達36可以與模混合器38相連，使時間平均的輻射能量分布在腔14內大致均勻。而且，窗口40(例如石英窗)可以設置在鄰近腔12的腔14的一個壁上，使能用溫度傳感器42(例如光學高溫計)來觀察腔12內的處理。在一個實施例中，光學高溫計具有在某個跟蹤範圍之內隨溫度改變的電壓輸出。
傳感器42能夠產生作為腔12中相關工件(未示出)的溫度或者任意其它可監測的條件的函數的輸出信號，並將該信號供給控制器44。也可採用雙重溫度感應和加熱，以及自動冷卻速度和氣流控制。該控制器44又用來控制電源28的運行，其具有一個與輻射源26相連的輸出端和另一個與控制氣流進入腔12的閥22相連的輸出端。
儘管可以使用任何小於約333GHz頻率的輻射，例如可以採用由通訊和能源工業(CPI)提供的915GHz和2.45GHz微波源也能同樣成功地實現本發明。2.45GHz系統持續提供從大約0.5千瓦到大約5.0千瓦的可變微波能。3通短線調諧器使得阻抗與最大能量傳遞相匹配，並且採用了測量入射和反射能量的雙向連接器(圖1中未示出)。
如上所述，根據本發明可以使用任何小於大約333GHz頻率的輻射。例如，可採用諸如能量線頻率(大約50Hz至60Hz)這樣的頻率，儘管形成等離子體的氣體壓力可能降低以便有助於等離子體激發。此外，根據本發明，任何無線電頻率或微波頻率可以使用包括大於約100kHz的頻率。在大多數情況下，用於這些相對高頻的氣體壓力不需要為了激發、調節或維持等離子體而降低，因而在大氣壓和大氣壓之上能夠實現多種等離子體處理。該裝置用採用LabVIEW6i軟體的計算機控制，它能提供實時溫度監測和微波能量控制。通過利用適當數量數據點的平均值平滑處理來降低噪音。並且，為了提高速度和計算效率，在緩衝區陣列中儲存的數據點數目用移位寄存器和緩存區大小技術調整來限制。
高溫計測量大約1cm2的敏感區域溫度，用於計算平均溫度。高溫計用於探測兩個波長的輻射強度，並利用普朗克定律擬合這些強度值以測定溫度。然而，應知道也存在並可使用符合本發明的用於監測和控制溫度的其它裝置和方法。例如，在共有並同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0033)中說明了根據本發明可以使用的控制軟體，在此引入其整個內容作為參考。
腔14具有幾個具有輻射屏蔽的玻璃蓋觀察口和一個用於插入高溫計的石英窗。儘管不是必須使用，還具有幾個與真空泵和氣體源相連的口。
系統10還包括一個帶有用自來水冷卻的外部熱交換器的可選封閉循環去離子水冷卻系統(未示出)。在操作中，去離子水先冷卻磁電管，接著冷卻循環器(用於保護磁電管)中的裝卸處，最後流過焊接在腔的外表面上的水通道冷卻輻射腔。
等離子體催化劑根據本發明的等離子體催化劑可包括一種或多種不同的物質並且可以是惰性或者活性的。在氣體壓力低於、等於或大於大氣壓力的情況下，等離子體催化劑可以在其它物質中激發、調節和/或維持塗覆等離子體。
根據本發明的一種形成等離子體的方法可包括使腔內氣體在惰性等離子體催化劑存在的情況下受到小於大約333GHz頻率的電磁輻射。根據本發明的惰性等離子體催化劑包括通過使根據本發明的局部電場(例如電磁場)變形而誘發等離子體的任何物體，而無需對催化劑施加附加的能量，例如通過施加電壓引起瞬間放電。
本發明的惰性等離子體催化劑也可以是例如納米粒子或納米管。這裡所使用的術語「納米粒子」包括最大物理尺寸小於約100nm的至少是半導電的任何粒子。並且，摻雜和不摻雜的、單層壁和多層壁的碳納米管由於它們異常的導電性和伸長形狀對本發明的激發等離子體尤其有效。該納米管可以有任意合適的長度並且能夠以粉末狀固定在基板上。如果固定的話，當等離子體激發或維持時，該納米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些預定方向)。
本發明的惰性等離子體也可以是例如粉末，而不必包括納米粒子或納米管。例如它可以形成為纖維、粉塵粒子、薄片、薄板等。在粉末態時，催化劑可以至少暫時地懸浮於氣體中。如果需要的話，通過將粉末懸浮於氣體中，粉末就可以迅速分散到整個腔並且更容易被消耗。
在一個實施例中，粉末催化劑可以加載到滲碳腔內並至少暫時地懸浮於載氣中。載氣可以與形成等離子體的氣體相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入氣體中。例如，如圖1A所示，輻射源52可以對包括等離子體腔60(例如，在其中進行氮表面處理)的電磁輻射腔55施加輻射。粉末源65將催化劑粉末70供給氣流75。在一個可選實施例中，粉末70可以先以大塊(例如一堆)方式加入腔60，然後以任意種方式分布在腔內，包括氣體流動穿過或越過該塊狀粉末。此外，可以通過移動、搬運、撒下、噴灑、吹或以其它方式將粉末送入或分布於腔內，將粉末加到氣體中用來激發、調節或維持塗覆等離子體。
在一個實驗中，通過在伸入腔的銅管中設置一堆碳纖維粉末來使等離子體在腔內激發。儘管有足夠的輻射被引入腔內，銅管屏蔽粉末受到的輻射而不發生等離子體激發。然而，一旦載氣開始流入銅管，促使粉末流出銅管並進入腔內，從而使粉末受到輻射，在約大氣壓下腔內等離子體幾乎瞬間激發。
根據本發明的粉末催化劑基本上是不燃的，這樣它就不需要包括氧或者不需要在氧存在的情況下燃燒。如上所述，該催化劑可以包括金屬、碳、碳基合金、碳基複合物、導電聚合物、導電矽橡膠彈性體、聚合物納米複合物、有機無機複合物和其任意組合。
而且，粉末催化劑可以在等離子體腔內基本均勻的分布(例如懸浮於氣體中)，並且等離子體激發可以在腔內精確地控制。均勻激發在一些應用中是很重要的，包括在要求等離子體暴露時間短暫的應用中，例如以一個或多個爆發的形式。還需要有一定的時間來使粉末催化劑本身均勻分布在整個腔內，尤其在複雜的多腔的腔內。因而，根據本發明的另一個方面，粉末等離子體可以通過多個激發口引入腔內以便在其中更快地形成更均勻的催化劑分布(如下)。
除了粉末，根據本發明的惰性等離子體催化劑還可包括，例如，一個或多個微觀或宏觀的纖維、薄片、針、線、繩、細絲、紗、細繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須或其任意混合物。在這些情況下，等離子體催化劑可以至少具有一部分，該部分的一個物理尺寸基本上大於另一個物理尺寸。例如，在至少兩個垂直尺寸之間的比率至少為約1∶2，也可大於約1∶5或者甚至大於約1∶10。
因此，惰性等離子體催化劑可以包括至少一部分與其長度相比相對細的材料。也可以使用催化劑束(例如纖維)，其包括例如一段石墨帶。在一個實驗中，成功使用了一段具有大約三萬股石墨纖維的、每股直徑約為2-3微米的帶。內部纖維數量和束長對激發、調節或維持等離子體來說並不重要。例如，用大約1/4英寸長的一段石墨帶得到滿意的結果。根據本發明成功使用了一種碳纖維是由Salt Lake City，Utah的Hexcel公司出售的商標為Magnamite的Model No.AS4C-GP3K。此外，還成功地使用了碳化矽纖維。
根據本發明另一個方面的惰性等離子體催化劑可以包括一個或多個如基本為球形、環形、錐形、立方體、平面體、圓柱形、矩形或伸長形的部分。
上述惰性等離子體催化劑包括至少一種至少是半導電的材料。在一個實施例中，該材料具有強導電性。例如，根據本發明的惰性等離子體催化劑可以包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基複合物、導電聚合體、導電矽橡膠彈性體、聚合納米複合物、有機無機複合物或其任意組合。可以包括在等離子體催化劑中的一些可能的無機材料包括碳、碳化矽、鉬、鉑、鉭、鎢和鋁，雖然相信也可以使用其它導電無機材料。
除了一種或多種導電材料以外，本發明的惰性等離子體催化劑還可包括一種或多種添加劑(不要求導電性)。如這裡所用的，該添加劑可以包括使用者想要加入等離子體的任何材料。例如在半導體和其他材料的摻雜過程中，可通過催化劑向等離子體加入一種或多種摻雜劑。參見，例如，共有並同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney DorketNo.1837.0026)，在此引入其整個內容作為參考。催化劑可以包括摻雜劑本身或者，它可以包括分解後能產生摻雜劑的前體材料。因此，根據最終期望的等離子體複合物和使用等離子體處理，等離子體催化劑可以以任意期望的比率包括一種或多種添加劑和一種或多種導電材料。
惰性等離子體催化劑中的導電成分與添加劑的比率隨著其被消耗的時間變化。例如，在激發期間，等離子體催化劑可以要求包括較大百分比的導電成分來改善激發條件。另一方面，如果在維持等離子體時使用，催化劑可以包括較大百分比的添加劑。本領域普的通技術人員可知用於激發和維持等離子體的等離子體催化劑的成分比率可以相同。
預定的比率分布可以用於簡化許多等離子體處理，例如氮化、滲碳氮化、氮碳共滲。在許多常規的等離子體處理中，等離子體中的成分是根據需要來增加的，但是這樣的增加一般要求可編程裝置根據預定計劃來添加成分。然而，根據本發明，催化劑中的成分比率是可變的，因而等離子體本身的成分比率可以自動變化。這就是說，在任一特定時間等離子體的成分比率依賴於當前被等離子體消耗的催化劑部分。因此，在催化劑內的不同位置的催化劑成分比率可以不同。並且，等離子體的成分比率依賴於當前和/或在消耗前的催化劑部分，尤其在流過等離子體腔內的氣體流速較慢時。
根據本發明的惰性等離子體催化劑可以是均勻的、不均勻的或漸變的。而且，整個催化劑中等離子體催化劑成分比率可以連續或者不連續改變。例如在圖2中，成分比率可以平穩改變形成沿催化劑100長度方向的比率梯度。催化劑100可包括一股在段105含有較低濃度的一種或多種成分並向段110連續增大濃度的材料。
可選擇地，如圖3所示，在催化劑120的每一部分比率可以不連續變化，例如包括濃度不同的交替段125和130。應該知道催化劑120可以具有多於兩段的形式。因此，被等離子體消耗的催化劑成分比率可以以任意預定的形式改變。在一個實施例中，當等離子體被監測並且已檢測到特殊的添加劑時，可以自動開始或結束進一步的處理。
改變被維持的等離子體中的成分比率的另一種方法是通過在不同時間以不同比率引入具有不同成分比率的多種催化劑。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多種催化劑。在不同位置引入時，在腔內形成的等離子體會有由不同催化劑位置決定的成分濃度梯度。因此，自動化系統可包括用於在等離子體激發、調節和/或維持等離子體以前和/或期間機械插入可消耗等離子體催化劑的裝置。
根據本發明的惰性等離子體催化劑也可以被塗覆。在一個實施例中，催化劑可以包括沉積在基本導電材料表面的基本不導電塗層。或者，催化劑可包括沉積在基本不導電材料表面的基本導電塗層。例如圖4和5表示了包括內層145和塗層150的纖維140。在一個實施例中，為了防止碳的氧化，等離子體催化劑包括塗覆鎳的碳芯。
一種等離子體催化劑也可以包括多層塗層。如果塗層在接觸等離子體期間被消耗，該塗層可以從外塗層到最裡面的塗層連續引入等離子體，從而形成限時釋放(time-release)機制。因此，塗覆等離子體催化劑可以包括任意數量的材料，只要部分催化劑至少是半導電的。
根據本發明的另一實施例，為了基本上減少或防止輻射能洩漏，等離子體催化劑可以完全位於輻射腔內。這樣，等離子體催化劑不會電或磁連接於包括腔的容器、或腔外的任何導電物體。這可以防止在激發口的瞬間放電，並防止在激發期間和如果等離子體被維持可能在隨後電磁輻射洩漏出腔。在一個實施例中，催化劑可以位於伸入激發口的基本不導電的延伸物末端。
例如，圖6表示在其中可以設置有等離子體腔165的輻射腔160。等離子體催化劑170可以延長並伸入激發口175。如圖7所示，根據本發明的催化劑170可包括導電的末梢部分180(設置於腔160內)和不導電部分185(基本上設置於腔160外，但是可伸入腔)。該結構防止了末梢部分180和腔160之間的電氣連接(例如瞬間放電)。
在如圖8所示的另一個實施例中，催化劑由多個導電片段190形成，所述多個導電片段190被多個不導電片段195隔開並與之機械相連。在這個實施例中，催化劑能延伸通過在腔中的一個點和腔外的另一個點之間的激發口，但是其電氣不連續的分布有效地防止了產生瞬間放電和能量洩漏。
作為上述惰性等離子體催化劑的替換物，根據本發明可以使用活性等離子體催化劑。使用根據本發明的活性催化劑形成氮表面處理等離子體的方法包括在活性等離子體催化劑存在的情況下使腔中的氣體受到頻率小於約333GHz的電磁輻射，其產生或包括至少一種電離粒子或電離輻射。將意識到，惰性和活性等離子體催化劑都可以用於相同的表面處理過程中。
根據本發明的活性等離子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能夠向氣態原子或分子傳遞足夠能量來使氣態原子或分子失去至少一個電子的任何粒子或者高能波包。利用源，電離輻射和/或粒子可以以聚焦或準直射束的形式直接引入腔，或者它們可以被噴射、噴出、濺射或者其它方式引入。
例如，圖9表示輻射源200將輻射引入腔205。等離子體腔210可以設置於腔205內並允許氣體流過口215和216。源220可以將電離輻射和/或粒子225引入腔210。源220可以用電離粒子可以穿過的金屬屏蔽來保護，但也屏蔽了對源220的輻射。如果需要，源220可以水冷。
根據本發明的電離輻射和/或粒子的實例可包括x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、質子及其任意組合。因此，電離粒子催化劑可以是帶電荷(例如來自離子源的離子)或者不帶電荷並且可以是放射性裂變過程的產物。在一個實施例中，在其中形成有等離子體腔的容器可以全部或部分地透過電離粒子催化劑。因此，當放射性裂變源位於腔外時，該源可以引導裂變產物穿過容器來激發等離子體。為了基本防止裂變產物(如電離粒子催化劑)引起安全危害，放射性裂變源可以位於輻射腔內。
在另一個實施例中，電離粒子可以是自由電子，但它不必是在放射性衰變過程中發射。例如，電子可以通過激發電子源(如金屬)來引入腔內，這樣電子有足夠的能量從該源中逸出。電子源可以位於腔內、鄰近腔或者甚至在腔壁上。本領域的普通技術人員可知可用任意組合的電子源。產生電子的常用方法是加熱金屬，並且這些電子通過施加電場能進一步加速。
除電子以外，自由能質子也能用於催化等離子體。在一個實施例中，自由質子可通過電離氫產生，並且選擇性地由電場加速。
多模輻射腔輻射波導管、腔或室被設置成支持或便於至少一種電磁輻射模的傳播。如這裡所使用，術語「模」表示滿足Maxwell方程和可應用的邊界條件(如腔的)的任何停滯或傳播的電磁波的特殊形式。在波導管或腔內，該模可以是傳播或停滯電磁場的各種可能形式中的任何一種。每種模由其電場和/或磁場矢量的頻率和極化表徵。模的電磁場形式依賴於頻率、折射率或介電常數以及波導管或腔的幾何形狀。
橫電(TE)模是電場矢量垂直於傳播方向的模。類似地，橫磁(TM)模是磁場矢量垂直於傳播方向的模。橫電磁(TEM)模是電場和磁場矢量均垂直於傳播方向的模。中空金屬波導管一般不支持輻射傳播的標準TEM模。儘管輻射似乎沿著波導管的長度方向傳播，它之所以這樣只是通過波導管的內壁以某一角度反射。因此，根據傳播模，輻射(例如微波)沿著波導管軸線(通常指z軸)具有一些電場成分或者一些磁場成分。
在腔或者波導管中的實際場分布是其中模的疊加。每種模可以用一個或多個下標(如TE10(「Tee ee one zero」))表示。下標一般說明在x和y方向上含有多少在導管波長的「半波」。本領域的普通技術人員可知波導管波長與自由空間的波長不同，因為波導管內的輻射傳播是通過波導管的內壁以某一角度反射。在一些情況下，可以增加第三下標來定義沿著z軸在駐波形式中的半波數量。
對於給定的輻射頻率，波導管的尺寸可選擇得足夠小以便它能支持一種傳播模。在這種情況下，系統被稱為單模系統(如單模輻射器)。在矩形單模波導管中TE10模通常佔主導。
隨著波導管(或波導管所連接的腔)的尺寸增加，波導管或輻射器有時能支持附加的高階模，形成多模系統。當能夠同時支持多個模時，系統往往表示為被高度模化(highly moded)。
一個簡單的單模系統具有包括至少一個最大和/或最小的場分布。最大的量級很大程度上依賴於施加於系統的輻射的量。因此，單模系統的場分布是劇烈變化和基本上不均勻的。
與單模腔不同，多模處理腔可以同時支持幾個傳播模，在疊加時其形成混合場分布形式。在這種形式中，場在空間上變得模糊，並因此場分布通常不顯示出腔內最小和最大場值的相同強度類型。此外，如下的詳細說明，可以用一個模混合器來「混合」或「重新分布」模(如利用輻射反射器的機械運動)。這種重新分布有望提供腔內更均勻的時間平均場分布。
根據本發明的多模腔可以支持至少兩個模，並且可以支持多於兩個的多個模。每個模有最大電場矢量。雖然可以有兩個或多個模，但是只有一個模佔主導並具有比其它模大的最大電場矢量量級。如這裡所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量級之間的比率小於約1∶10，或者小於約1∶5，或者甚至小於約1∶2。本領域的普通技術人員可知比率越小，模之間的電場能量越分散，從而使腔內的電磁輻射能越分散。
處理腔內等離子體的分布非常依賴於所施加的輻射的分布。例如，在一個純單模系統中只可以有一個電場最大值的位置。因此，強等離子體只能在這一個位置產生。在許多應用中，這樣一個強局部化的等離子體會不合需要的引起不均勻等離子體處理或加熱(即局部過熱和加熱不足)。
根據本發明無論使用單或多模處理腔，本領域的普通技術人員可知在其中形成等離子體的腔可以完全封閉或者半封閉。例如，在特定的應用中，如在等離子體輔助熔爐中，腔可以全部密封。參見，例如，共有並同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0020)，在此引入其整個內容作為參考。然而在其它應用中，可能需要將氣體流過腔，從而腔必須一定程度地打開。這樣，流動氣體的流量、類型和壓力可以隨時間而改變。這是令人滿意的，因為便於形成等離子體的如氬氣的特定氣體更容易激發，但在隨後的等離子體處理中不需要。
模混合在許多氮表面處理應用中，需要腔內包括均勻的等離子體。然而，由於微波輻射可以有較長波長(如幾十釐米)，很難獲得均勻分布。結果，根據本發明的一個方面，多模腔內的輻射模在在一段時間內可以混合或重新分布。因為腔內的場分布必須滿足由腔的內表面設定的所有邊界條件，可以通過改變內表面的任一部分的位置來改變這些場分布。
根據本發明的一個實施例中，可移動的反射表面位於氮表面處理腔內。反射表面的形狀和移動在移動期間將總體上改變腔的內表面的反射特性。例如，一個「L」型金屬物體(即「模混合器」)在圍繞任意軸旋轉時將改變腔內的反射表面的位置或方向，從而改變其中的輻射分布。任何其它不對稱形狀的物體也可使用(在旋轉時)，但是對稱形狀的物體也能工作，只要相對移動(如旋轉、平移或兩者結合)引起反射表面的位置和方向上的一些變化。在一個實施例中，模混合器可以是圍繞非圓柱體縱軸的軸旋轉的圓柱體。
多模氮表面處理腔中的每個模都具有至少一個最大電場矢量，但是每個矢量會周期性出現在腔內。通常，假設輻射的頻率不變，該最大值是固定的。然而，通過移動模混合器使它與輻射相作用，就可能移動最大值的位置。例如，模混合器38可用於優化氮表面處理腔14內的場分布以便於優化等離子體激發條件和/或等離子體維持條件。因此，一旦激活等離子體，為了均勻的時間平均等離子體處理(如加熱和/或氮表面處理)，可以改變模混合器的位置來移動最大值的位置。
因此，根據本發明，在等離子體激發期間可以使用模混合。例如，當把導電纖維用作等離子體催化劑時，已經知道纖維的方向能夠強烈影響最小等離子體激發條件。例如據報導說，當這樣的纖維取向於與電場成大於60°的角度時，催化劑很少能改善或放鬆這些條件。然而通過移動反射表面進入或接近氮表面處理腔，電場分布能顯著地改變。
通過例如安裝在輻射器腔內的旋轉波導管接頭將輻射射入輻射器腔，也能實現模混合。為了在輻射腔內在不同方向上有效地發射輻射，該旋轉接頭可以機械地運動(如旋轉)。結果，在輻射器腔內可產生變化的場形式。
通過柔性波導管將輻射射入輻射腔，也能實現模混合。在一個實施例中，波導管可固定在腔內。在另一個實施例中，波導管可伸入腔中。為了在不同方向和/或位置將輻射(如微波輻射)射入腔，該柔性波導管末端的位置可以以任何合適的方式連續或周期性移動(如彎曲)。這種移動也能引起模混合併有助於在時間平均基礎上更均勻的等離子體處理(如加熱)。可選擇地，這種移動可用於優化激發的等離子體的位置或者其它的等離子體輔助處理。
如果柔性波導管是矩形的，波導管的開口末端的簡單扭曲將使輻射器腔內的輻射的電場和磁場矢量的方向旋轉。因而，波導管周期性的扭曲可引起模混合以及電場的旋轉，這可用於輔助激發、調節或維持等離子體。
因此，即使催化劑的初始方向垂直於電場，電場矢量的重新定向能將無效方向變為更有效的方向。本領域的技術人員可知模混合可以是連續的、周期性的或預編程的。
除了等離子體激發以外，在隨後的氮表面處理或其它類型的等離子體處理期間模混合可用來減少或產生(如調整)腔內的「熱點」。當微波腔只支持少數模時(如少於5)，一個或多個局部電場最大值可產生「熱點」(如在腔12內)。在一個實施例中，這些熱點可設置成與一個或多個分開但同時的等離子體激發或氮表面處理相一致。因此，等離子體催化劑可放在一個或多個這些激發或隨後的氮表面處理(例如等離子體處理)位置上。
多位置激發可使用不同位置的多種等離子體催化劑來激發氮表面處理等離子體。在一個實施例中，可用多纖維在腔內的不同點處激發等離子體。這種多點激發在要求均勻等離子體激發時尤其有益。例如，當等離子體在高頻(即數十赫茲或更高)下調節，或在較大空間中激發，或兩者都有時，可以改善等離子體的基本均勻的瞬態撞擊和再撞擊。可選地，當在多個點使用等離子體催化劑時，可以通過將催化劑選擇性引入這些不同位置，使用等離子體催化劑在等離子體腔內的不同位置連續激發氮表面處理等離子體。這樣，如果需要，在腔內可以可控地形成氮表面處理等離子體激發梯度。
而且，在多模氮表面處理腔中，腔中多個位置的催化劑的隨機分布增加了如下可能性根據本發明的至少一種纖維或任何其它惰性等離子體催化劑優化沿電力線取向。但是，即使催化劑沒有優化取向(基本上沒有與電力線對準)，也改善了激發條件。
而且，由於催化劑粉末可以懸浮在氣體中，可認為具有每個粉末粒子具有位於腔內不同物理位置的效果，從而改善了氮表面處理腔內的激發均勻性。
雙腔等離子體激發/維持根據本發明的雙腔排列可用於激發和維持等離子體。在一個實施例中，系統至少包括第一激發腔和與第一激發腔流體連通的第二氮表面處理腔。為了激發等離子體，第一激發腔中的氣體選擇性地在等離子體催化劑存在的情況下受到頻率小於大約333GHz的電磁輻射。這樣，接近的第一和第二腔可使第一腔中形成的等離子體激發第二氮表面處理腔中的氮表面處理等離子體，其可用附加的電磁輻射來調節或維持。
在本發明的一個實施例中，第一腔可以非常小並主要或只設置用於等離子體激發。這樣，只需很少的微波能來激發等離子體，使激發更容易，尤其在使用根據本發明的等離子體催化劑時。
在一個實施例中，第一腔基本上是單模腔，第二氮表面處理腔是多模腔。當第一腔只支持單模時腔內的電場分布會劇烈變化，形成一個或多個精確定位的電場最大值。該最大值一般是等離子體激發的第一位置，將其作為安放等離子體催化劑的理想點。然而應該知道，當使用等離子體催化劑時，催化劑不需要設置在電場最大值之處，而且在大多數情況下，不需要取向於特定的方向。
氮表面處理過程根據本發明，可以提供一種或多種等離子體輔助氮表面處理的方法。這些方法可以包括例如等離子體氮化、等離子體滲碳氮化和等離子體氮碳共滲以及任何其它的至少一些氮被吸收或擴散進物體的表面處理方法。如其中所使用的，等離子體輔助氮表面處理系統和方法並不限於使用氮作為表面處理劑。而且，根據本發明的等離子體輔助氮表面處理系統和方法可包括除了氮之外的碳、硼以及可被引入等離子體中且被吸收或擴散進物體的表面中或表面上的任何的其它元素。
在根據本發明的等離子體輔助氮化處理中，將來自氮源的氮原子供給等離子體。等離子體可加熱物體的至少一部分，等離子體中的氮原子會擴散到物體中並能增加物體的平均氮濃度。氮可以不均勻地擴散到物體的整個表面之上，或氮可以擴散到物體的僅一個或多個表面區域中。
在根據本發明的等離子體輔助滲碳氮化過程中，將氮和碳原子供給等離子體。在該過程中，通過等離子體將要被處理的物體的至少一部分加熱到物體的至少一種材料成分的轉換溫度或以上。如其中所使用的，轉換溫度是發生相變(例如，當奧氏體開始形成時)的溫度。例如，對於某種鐵合金，該轉換溫度可以是約750攝氏度。在滲碳氮化期間，例如，氮和碳會從等離子體擴散到物體中，且氮和碳的擴散基本同時發生。
在根據本發明的等離子體輔助氮碳共滲過程中，將氮和碳原子供給等離子體。在該過程中，將要被處理的物體的至少一部分通過等離子體加熱到物體的一種或多種材料成分的轉換溫度以下的溫度範圍內。例如，對於某種鐵合金，該溫度範圍可以在約400攝氏度到約750攝氏度之間，或更具體地，在約400攝氏度到約650攝氏度之間。
在本發明的說明性實施例中，如上所述，在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體(例如，通過氣體源24提供)受到輻射(例如，微波輻射)可以激發等離子體。如圖1所示，該等離子體激發發生在腔12內，腔12可以形成在設置於微波腔(即，輻射器)14內部的容器中。例如，通過提供到等離子體的任意氮源將氮供給激發的等離子體。在一個實施例中，這種源可以是等離子體催化劑本身。也就是說，等離子體催化劑可包括通過與等離子體接觸被等離子體所消耗的氮。
而且，在本發明的一個具體的實施例中有用的等離子體催化劑可包括根據為具體的氮表面處理過程選擇的預定的比率分布的兩種或多種不同的材料。例如，在一個實施例中，第一材料非常適合於促進等離子體激發，第二材料可用作氮的主要源。等離子體催化劑同樣包括允許各種其它氮表面處理的附加材料。例如，等離子體催化劑可包括碳源，當被等離子體消耗時為等離子體提供碳，用於氮碳共滲和/或滲碳氮化過程。這些材料可包含於在包括那些如圖2-5、7、8所示及其任意組合的配置中的等離子體催化劑中。
使用不同於或除了等離子體催化劑之外的氮源，同樣可以將氮提供給等離子體。這種氮源例如通過接觸等離子體能夠將氮提供給等離子體。可以提供給等離子體的氮源的例子包括氮氣、含氮氣體或液體(例如，氨、二氧化氮、一氧化氮、一氧化二氮或其它)、含氮固體、亞硝酸銨及其任意組合中的至少一種。這些氮源可以在激發等離子體時就存在於腔12中，或在激發等離子體之後將氮源供給腔12。如果氮源為氣態，則可以配置氣體源24，不僅供給等離子體源氣體而且還供給氮源氣體(例如，氣體源24可以配置有多種氣體容器和多種閥22)。
類似地，在氮碳共滲等離子體和/或滲碳氮化等離子體中的碳可以由不同於或除了等離子體催化劑外的碳源提供。這種碳源例如可以通過接觸等離子體為等離子體提供碳。可以提供給等離子體的碳源的例子包括含碳氣體、碳氫化合物氣體(例如，甲烷或其它)、粉狀碳、碳納米管、碳納米粒子、碳纖維、石墨、固體碳、氣化碳(例如，通過包括例如雷射燒蝕的方法從碳源分離的碳粒子)、木炭、焦碳、無定形碳、鑄鐵及其任意組合中的至少一種。這些碳源可以在激發表面處理等離子體時就存在於腔12中，或在激發等離子體之後將碳源供給腔12。如果碳源為氣態，則可以配置氣體源24不僅供給等離子體源氣體而且還供給碳源氣體(例如，氣體源24可以配置有多種氣體容器和多種閥22)。因此，將意識到，根據本發明可以使用一種或多種分離的源或合成源。
在根據本發明的等離子體輔助表面處理期間，在等離子體中存在的氮和可選的碳可擴散到物體中。例如，物體的至少一個表面區域可以暴露於等離子體一段足夠長的時間，以將氮和可選的碳中至少一些通過表面區域從等離子體轉移到物體上。
而且，根據預定的比率分布，暴露於等離子體的表面區域會使物體的表面區域吸收附加的碳和氮。例如，根據本發明的等離子體可以製成包括與時間相關的碳濃度和與時間相關的氮濃度中的一種或兩種。通過等離子體中的氮和/或碳濃度的變化，可以控制氮和/或碳被物體吸收和擴散進物體的比率以基本上符合預定的比率分布。另外，可以改變等離子體中的氮和/或碳濃度，以獲得暴露於等離子體的物體表面區域以下的氮和/或碳的預定的深度分布。
可以通過例如根據具體的時間/數量分布，從氮和碳源將氮和碳引入腔12中來控制等離子體中的氮和碳濃度。另外，可以使用等離子體催化劑改變這些濃度，如上所述。例如，等離子體催化劑可以按比率至少包括氮和碳。通過將等離子體催化劑與等離子體接觸，催化劑被等離子化以便將等離子體催化劑中的氮和碳以基本相同的比率從催化劑轉移到等離子體。
貫穿等離子體催化劑該比率可以是均勻的，或可以在等離子體催化劑內改變。例如，等離子體催化劑可包括多個部分，其中每個部分具有各自不同的氮與碳的比率。在這種實施例中，部分等離子體催化劑可以順序被等離子化，以便將氮和碳轉移到等離子體的比率依賴於被等離子化的部分。等離子體催化劑也可以包括按根據沿等離子體催化劑的一維或多維的比率梯度改變的比率的氮和碳。
通過暴露於等離子體中，熱量可以以任意所希望的速率有效地從等離子體傳送到物體。例如，可以設置使物體的溫度以大於每分鐘400攝氏度的速率上升。不論速率如何改變，幾乎都可以以任意的溫度進行表面處理。然而，較高的溫度會利於氮和/或碳擴散進物體中。
在根據本發明的一個實施例中，在大約400攝氏度和大約650攝氏度之間的溫度下進行氮化。同樣，在大約400攝氏度和大約650攝氏度之間的溫度下進行氮碳共滲處理。在至少650攝氏度的溫度下進行根據本發明的滲碳氮化處理，更具體地，至少750攝氏度。根據本發明這些範圍和值以上或以下的溫度也是可能的。
根據本發明的一個方面，來自等離子體的氮和可選的碳可以擴散進物體中大約0.01英寸和大約0.1英寸之間的擴散深度，儘管也可能是其它擴散深度。結果，在該擴散區域中的氮和可選的碳的含量如希望地增加，例如在包括許多類型的鋼(例如，AISI 4140、AISI 4340、氮化鋼和其它)的含鐵物體中。根據本發明，也可以表面處理非含鐵材料。
當可以激發含氮的表面處理等離子體而沒有使用催化劑時，在某些實施例中，等離子體催化劑可以用來激發、調節或維持等離子體。例如，在根據本發明的惰性或活性等離子體催化劑存在的情況下可以減少激發表面處理等離子體所需的輻射能量密度。該減少能以具有相對低量的輻射能量的控制方式產生等離子體，其當物體的敏感部分被暴露於表面處理等離子體時是有用的。在一個控制的實施例中，使用約10W/cm3以下的時間平均輻射能量(例如，微波能量)密度，可以激發等離子體。而且，使用約5W/cm3以下的時間平均輻射能量密度，也可以激發等離子體。有利地，沒有真空設備也可以獲得這些相對低的能量密度。
因此，使用等離子體催化劑可便於控制含氮的表面處理等離子體和使用該等離子體的過程。具體地，因為等離子體是輻射包括微波輻射的有效吸收體，用於激發含氮的表面處理等離子體的任何輻射主要且直接被等離子體吸收。因此，在產生等離子體的早期階段引入氮表面處理腔中的輻射能量可以較少地被反射。結果，使用等離子體催化劑可以增加對如下的控制暴露於等離子體的物體的加熱速率、物體的溫度和使用等離子體的具體過程(例如，氮化、氮碳共滲、滲碳氮化或任何其它的等離子體輔助過程)的速率，並可以降低在氮表面處理過程的早期階段的強輻射反射的可能性。
在整個包括小於、等於或大於大氣壓的寬範圍的氣壓下，使用等離子體催化劑也能激發含氮的表面處理等離子體。例如，根據本發明的含氮的表面處理等離子體，不僅可以在總氣壓小於大氣壓的真空環境中產生，而且在等離子體催化劑存在的情況下也可以在大氣壓或以上幫助等離子體激發。在一個實施例中，含氮的表面處理等離子體可以在自具有至少大約760乇的初始壓力水平的氣態環境的腔中激發。而且，根據本發明的等離子體輔助氮表面處理過程可以通過將物體暴露於具有至少大約760乇氣壓的環境中的等離子體中進行。
除了物體的單一表面區域或部分的等離子體輔助氮表面處理外，根據本發明也可以處理物體的整個表面區域。另外，在物體上的一個或多個分離的表面區域可以選擇地被氮化、氮碳共滲、滲碳氮化。從含氮表面處理等離子體可以有效地掩蔽物體的某些表面，以基本上防止這些區域暴露於等離子體。在這些區域中，基本上將出現非直接表面處理(例如，氮和/或碳的擴散)。
例如，可以以這種方式配置腔12以防止物體的某些表面區域暴露於等離子體中。如前所述，腔12中的輻射模的數量和等級依賴於腔的尺寸或配置。在腔12內存在要被氮表面處理的物體也會影響腔內的輻射模中的場分布。金屬物體上的電磁輻射的垂直入射的邊界條件需要表面處的電場為零且第一最大值出現在離物體表面四分之一波長的距離。因此，如果在金屬物體的表面和腔的內壁之間的間隙小於約輻射的四分之一波長，則很少或沒有等離子體維持在這些區域中，且滿足該條件的物體表面區域很少或沒有經受氮表面處理。通過配置腔12的壁或通過用於控制物體的表面和腔壁之間距離的任何其它合適的方法，通過腔12內的物體的位置可以提供這些「掩蔽的」表面區域。
用於基本上防止在物體的特定表面區域處的表面處理的第二種方法，可包括定向與腔12相關的物體，以便使物體的至少一部分位於腔內，且物體的另一部分位於腔的外部。可以表面處理腔內的部分，位於腔外部的部分基本上可以保持無表面處理。
本領域那些普通技術人員將意識到，根據本發明的等離子體輔助氮表面處理方法根本不需要在腔內發生。相反，形成於腔內的含氮表面處理等離子體可以流過孔，並在腔的外部使用以表面處理物體。例如，在共有並同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney DorketNo.1837.0025)中說明了用於形成根據本發明的等離子體噴射(jet)的方法和設備，在此引入其整個內容作為參考。
為了產生或保持在腔12內基本上均勻的時間平均輻射場分布，可以提供模混合器38，如圖1所示。可選地，或任選地，當物體被暴露於等離子體時，該物體可以相對於等離子體移動。這種運動可將物體的整個表面的更均勻的暴露於等離子體中，其會使氮和可選的碳根據基本上均勻的分布擴散進物體的表面中。而且，這種運動也有助於控制物體的加熱(例如，加熱物體的某區域比其它區域更快或基本上均勻加熱該部分的整個表面)。
在根據本發明的等離子體輔助氮表面處理過程期間，可以將電勢偏壓施加給物體。通過將等離子體中帶電碳原子吸引到物體，這種電勢偏壓便於加熱物體，其會促進物體上的等離子體的均勻覆蓋。而且，電勢偏壓會將帶電氮和可選的碳原子向物體加速，其也會增加氮/碳的擴散率。例如施加到物體上的電位偏壓可以是AC偏置、DC偏置或脈衝DC偏置。可以根據特定應用選擇偏置的量級。例如，依據所希望的電離種類的吸引速率，電壓的量級可在0.1伏至100伏變動，或甚至幾百伏。而且，該偏置可以是正的或負的。
在前述的實施例中，為了簡化說明，各種特徵被集合在單個實施例中。這種公開方法不意味著本發明權利要求書要求了比每個權利要求中明確敘述的特徵更多的特徵。而是，如下列權利要求所述，創造性方面要比前述公開的單個實施例的全部特徵少。因此，下列權利要求被加入到該具體實施方式
中，每個權利要求本身作為本發明的一個單獨的優選實施例。
權利要求
1.一種氮化物體的第一表面區域的方法，該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到頻率小於約333GHz的電磁輻射激發氮化等離子體，其中所述等離子體含氮；以及將所述物體的第一表面區域暴露於所述等離子體一段足夠長的時間以將至少一些所述氮通過所述第一表面區域從所述等離子體轉移到所述物體。
2.如權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括惰性等離子體催化劑和活性等離子體催化劑中的至少一種。
3.如權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括氮，其中該方法還包括通過允許所述等離子體消耗所述等離子體催化劑將氮加入所述等離子體。
4.如權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括粉末碳、碳納米管、碳納米粒子、碳纖維、石墨、固體碳及其任意組合中的至少一種。
5.如權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括通過預定的比率分布確定總量的至少兩種不同材料。
6.如權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括x射線、γ輻射、α粒子、β粒子、中子、質子及其任意組合中的至少一種。
7.如權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括電子和離子中的至少一種。
8.如權利要求1的方法，其中所述等離子體催化劑包括含氮化合物、金屬、碳、碳基合金、碳基複合物、導電聚合體、導電矽橡膠彈性體、聚合納米複合物、有機無機複合物及其任意組合中的至少一種。
9.如權利要求1的方法，其中所述激發步驟發生在腔中，其中所述氣體具有至少大約760Torr的初始壓力水平。
10.如權利要求1的方法，其中在至少大約760Torr的壓力下進行所述暴露步驟。
11.如權利要求1的方法，還包括將所述氮擴散進在所述第一表面區域以下的物體中。
12.如權利要求11的方法，其中所述擴散步驟進行到多達大約0.01英寸和大約0.1英寸之間的深度。
13.如權利要求1的方法，其中在低於大約10W/cm3的時間平均輻射能量密度下進行所述激發步驟。
14.如權利要求1的方法，其中所述物體具有第二表面區域，並且其中所述暴露步驟還包括基本上防止將所述第二表面區域暴露於所述等離子體。
15.如權利要求14的方法，還包括將所述物體設置在腔內以便通過小於所述輻射波長的大約25％的距離將所述第二表面區域與所述腔的內壁分開。
16.如權利要求12的方法，還包括相對於腔設置所述物體，以將所述第一表面區域設置在所述腔內並將所述第二表面區域設置在所述腔外部。
17.如權利要求1的方法，還包括模混合所述輻射。
18.如權利要求1的方法，其中所述暴露步驟包括提供所述輻射到腔；以及提供所述氣體到所述腔。
19.如權利要求1的方法，還包括施加DC偏壓到所述物體。
20.如權利要求19的方法，其中所述DC偏壓是脈衝DC偏壓。
21.如權利要求1的方法，還包括通過提供含氮氣體到所述等離子體將所述氮引入所述等離子體。
22.如權利要求1的方法，其中所述激發步驟還包括在形成所述等離子體之後將所述氮引入所述等離子體。
23.如權利要求22的方法，其中所述引入步驟包括將含氮的固體材料和含氮的氣態材料中的至少一種提供給所述等離子體。
24.如權利要求1的方法，其中所述物體包括鐵。
25.如權利要求1的方法，還包括通過所述等離子體將所述物體的至少所述第一表面區域加熱到大約400℃和大約650℃之間。
26.如權利要求1的方法，還包括以每分鐘至少400℃的速率加熱所述物體的至少一部分直到所述第一表面區域的溫度達到至少大約400℃。
27.如權利要求1的方法，其中所述暴露步驟還包括相對於所述等離子體移動所述物體的所述第一表面區域。
28.一種表面硬化物體的第一表面區域的方法，該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到頻率小於約333GHz的電磁輻射激發等離子體，其中所述等離子體含氮和碳；以及將所述物體的第一表面區域暴露於所述等離子體一段足夠長的時間以將至少一些所述氮和至少一些所述碳通過所述第一表面區域轉移到所述物體。
29.如權利要求28的方法，其中所述暴露步驟使所述第一表面區域根據預定的比率分布吸收碳和氮。
30.如權利要求28的方法，其中在所述暴露期間，所述等離子體具有與時間相關的碳濃度和與時間相關的氮濃度中的至少一種，以在所述物體的第一表面區域以下獲得預定的深度分布。
31.如權利要求28的方法，其中所述等離子體催化劑按比率至少包括氮和碳，其中所述暴露步驟包括等離子化所述催化劑，以便所述等離子體催化劑中的氮和碳基本上以所述比率從所述等離子體催化劑轉移到所述等離子體。
32.如權利要求31的方法，其中所述等離子體催化劑包括多個催化劑部分，每個所述部分具有各自不同的氮碳比率，其中所述等離子化步驟包括順序等離子化所述部分，以使將氮和碳轉移到所述等離子體的比率依賴於被等離子化的部分。
33.如權利要求28的方法，還包括通過將含碳氣體、氣化碳和固體碳中的至少一種供給所述等離子體，將所述碳引入所述等離子體。
34.如權利要求28的方法，其中所述物體包括鐵。
35.如權利要求28的方法，還包括通過所述等離子體將所述物體的至少一部分加熱到大約400℃和大約650℃之間。
36.如權利要求28的方法，還包括通過所述等離子體將所述物體的至少一部分加熱到大約750攝氏度。
37.如權利要求28的方法，還包括以每分鐘至少大約400攝氏度的速率加熱所述物體的至少一部分。
38.一種用於等離子體輔助表面硬化物體的系統，該系統包括等離子體催化劑；容器，在其中形成腔，並且其中在等離子體催化劑存在的情況下，通過使氣體受到頻率小於約333GHz的電磁輻射，激發含氮和碳中的至少一種的等離子體；以及輻射源，與所述腔相連，用於將所述輻射引入所述腔。
39.如權利要求38的系統，其中所述等離子體催化劑包括惰性催化劑和活性催化劑中的至少一種。
40.如權利要求38的系統，其中所述等離子體催化劑至少包括以預定的氮碳比率的氮和碳。
41.如權利要求38的系統，其中所述等離子體催化劑包括多個催化劑部分，每個所述部分具有各自不同的預定的氮碳比率。
全文摘要
本發明提供了用於等離子體輔助氮表面處理的方法和系統。該方法包括在等離子體催化劑存在的情況下使氣體受到電磁輻射來激發含氮的等離子體。將物體的表面區域暴露於等離子體一段足夠長的時間以將至少一些氮通過表面區域從等離子體轉移到物體。
文檔編號H05H1/46GK1653204SQ03810278
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月7日 優先權日2002年5月8日
發明者D·庫馬爾, S·庫馬爾 申請人:達納公司