專利名稱：利用直流輝光放電的細長金屬管內(nèi)表面常溫注氮方法
技術領域：
本發(fā)明屬于低溫等離子體技術領域中材料表面改性技術，涉及到一種在細長金屬管內(nèi)產(chǎn)生直流輝光等離子體在常溫下對細長金屬管內(nèi)表面進行氮離子注入改性的方法?？捎糜谲姽尮芘诠?、化學激光武器中的鹵素氣液輸送管、核反應堆循環(huán)水管、汽車發(fā)動機的活塞部件的內(nèi)表面改性處理。
背景技術：
在金屬表面(特別是鋼)注入(滲入)氮離子可以大大提高金屬表面的硬度、耐腐蝕、耐磨等性能，是一種很好的金屬表面改性技術途徑。目前利用各種類型的等離子體源離子注入技術都可以在形狀較規(guī)則的工件外表面注入(滲入)氮離子。但是對于大長徑比(比如長1000mm直徑10mm的管，長徑比100∶1)的細長金屬管內(nèi)表面的改性并不適用。并且現(xiàn)有的技術要求工件具有較高的溫度(450℃以上)，對處于常溫(室溫)下的工件不能取得滿意的效果。在大長徑比的細長金屬管內(nèi)表面均勻地注入(滲入)氮離子是一個急需解決的技術難題，此外如果能夠在常溫(室溫)下對工件表面注入(滲入)氮離子，可以大大降低設備和工藝的復雜程度。
目前已經(jīng)有采用微波等離子體技術在大長徑比的金屬管內(nèi)表面注入氮離子的報道。微波等離子體技術的技術方案是采用微波等離子體技術在管內(nèi)局部形成長度很短的一段氮氣等離子體，在微波天線和金屬管之間附加幾十kV的負高壓，將氮離子注入到金屬管內(nèi)表面。由于管內(nèi)形成的等離子體較短，需要一個機械驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動電磁線圈沿管移動，從而引導管內(nèi)有限長度的等離子體在管內(nèi)移動來實現(xiàn)在整個管內(nèi)表面注入氮離子。整套裝置的電源設備、機械設備和真空設備構(gòu)成復雜，成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用直流輝光放電等離子體的細長金屬管內(nèi)表面常溫注氮方法，解決其他方法所帶來的設備和工藝復雜、成本昂貴等問題。
本發(fā)明的技術方案如下在細長金屬管的軸線上拉一根細鎢絲，與金屬管構(gòu)成同軸電極結(jié)構(gòu)。鎢絲作為陽極，通過一個外部電阻接地。整個電極結(jié)構(gòu)用絕緣材料包裹放入真空系統(tǒng)中。在真空系統(tǒng)中通入氬氣和氮氣或氨氣的混合氣體并使真空壓力保持1Pa-103Pa范圍。在金屬管上加恒定直流負電壓，在陽極鎢絲的周圍形成強電場區(qū)域，常溫下引起氣體放電，從而在整個金屬管內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的圓筒狀的直流輝光等離子體，在等離子鞘層的加速下向細長金屬管內(nèi)表面均勻地注入氮離子。
本發(fā)明的效果和益處是利用幾千伏穩(wěn)恒直流電壓源常溫下在細長金屬管內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的圓筒狀直流輝光等離子體，等離子體長度通過外加電壓能夠進行調(diào)節(jié)控制，可以在長50mm至2000mm直徑大于5mm的細長金屬管內(nèi)表面均勻地注入氮離子。由于采用幾千伏穩(wěn)恒直流電壓源且對真空度要求不高、無需對待處理金屬管進行加熱和散熱，因而設備成本低，使用和維護方便。


附圖為利用直流輝光放電的細長金屬管內(nèi)表面常溫注氮的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1恒定直流高壓電源，2待處理細長金屬管，3細鎢絲，4絕緣陶瓷管，5真空室容器外壁，6接地電阻，7質(zhì)量流量控制器，8質(zhì)量流量控制器，9氬氣鋼瓶，10氮氣或氨氣鋼瓶，11機械真空泵。
具體實施方案以下結(jié)合技術方案和附圖詳細敘述本發(fā)明的具體實施方案。
在待處理細長金屬管軸線上拉一根直徑100至200微米的鎢絲構(gòu)成同軸電極結(jié)構(gòu)，并在細管外套一個絕緣陶瓷管(具體尺寸視要改性的細長金屬管的尺寸選定)。用直徑10cm左右的不銹鋼管制成真空室(真空室具體的長度和直徑視要改性的細長金屬管的尺寸選定)，將用絕緣陶瓷管套好的待處理細長金屬管放入真空室中。用機械泵(抽速＞4升/秒)將真空室抽至10-1Pa以下，然后向真空室輸入氬體和氮氣或氨氣混合氣體，混合比控制在氬氣40-60％的范圍。氣體流量通過質(zhì)量流量計進行控制，調(diào)整氣體流量和氣體混合比例，使真空室內(nèi)氣壓保持在1Pa-103Pa范圍內(nèi)的一個穩(wěn)定值。芯線鎢絲通過外部電阻接地，采用恒定直流電壓源給待處理細長金屬管加負的恒定直流高電壓，待管內(nèi)放電點火后逐步增高電壓，使直流輝光等離子體充滿整個管內(nèi)。點火電壓與以下因素有關金屬管材料種類、管徑、管內(nèi)表面光潔度、鎢絲直徑和表面光潔度、氣體混合比、氣壓等，要根據(jù)具體情況確定，比如直徑10毫米的304不銹鋼管、60％氬氣、10Pa、100微米鎢絲，點火電壓大約在380-450伏左右。直流恒定電壓源的額定電壓和功率根據(jù)待處理細長金屬管的最大長度而定，對于長2000mm直徑10mm的金屬管可選擇額定電壓3kV，額定功率3000W的直流電壓源。
權(quán)利要求
一種利用直流輝光放電的細長金屬管內(nèi)表面常溫注氮方法，其特征是在細長金屬管軸線上拉一根直徑100至200微米的鎢絲構(gòu)成同軸電極結(jié)構(gòu)，在同軸電極結(jié)構(gòu)的外部套一個絕緣陶瓷管后放入真空室內(nèi)，向真空室內(nèi)通入氬氣占40-60％的氬氣和氮氣或氨氣混合氣體，在1Pa-103Pa的氣壓下，利用直流恒定電壓源加負高壓在細長金屬管內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的圓筒狀直流輝光等離子體，管內(nèi)產(chǎn)生的圓筒狀直流輝光等離子體的長度通過電壓源電壓進行控制，無需對待處理金屬管加熱或散熱，在常溫下對整個細長金屬管內(nèi)表面進行氮離子注入。
全文摘要
本發(fā)明屬于低溫等離子體技術領域中材料表面改性技術，公開了一種利用直流輝光放電等離子體的細長金屬管內(nèi)表面常溫注氮方法。其特征是采用同軸電極結(jié)構(gòu)、氬氣和氮氣或氨氣Pa的氣壓下，利用幾千伏的直流恒定高電壓在細長金屬管內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的圓筒狀直流輝光等離子體，管內(nèi)產(chǎn)生的圓筒狀直流輝光等離子體的長度通過電壓源電壓進行控制，無需對待處理金屬管加熱或散熱，在常溫下對整個細長金屬管內(nèi)表面進行氮離子注入。本發(fā)明效果和益處是可以在直徑5mm以上，長度5mm－2000mm的金屬管表面均勻地進行氮離子注入，由于采用幾千伏穩(wěn)恒直流電壓源，對真空度要求不高，無需對待處理金屬管加熱或散熱，因而設備成本低，使用和維護方便。
文檔編號C23C8/36GK1851036SQ20061020050
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月31日
發(fā)明者溫小瓊, 王德真 申請人:大連理工大學