(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属部片（１）を処理するためのプラズマプロセスであって、前記プロセスが、支持体（３０）と、電源（５０）に関連付けられたアノード−カソードシステム（４０）と、イオン性ガス状充填物入口（２１）と、真空システム（６０）に連結されたガス状充填物排出出口（２２）とが設けられた反応チャンバ（２３）を内部的に画定するプラズマ反応器（１０）を使用するステップを含み、前記プラズマ反応器（１０）は、外側カバーと、前記外側カバーから所定の距離で外側カバーの内部に設けられた金属ケーシングとを備え、前記プロセスがさらに、以下の洗浄および熱化学的な処理ステップを含み、すなわち、
ａ）支持体（３０）を接地されたアノードに接続し、かつカソードを電源（５０）の負電位に接続するステップと、
ｂ）金属部片（１）を反応チャンバ（２３）の内部において支持体（３０）上に配置するステップと、
ｃ）支持体および金属部片を、イオン性ガス状充填物入口を通して反応チャンバ内に上方かつ金属部片（１）が配置される支持体（３０）の平面に対して垂直方向に供給されたイオン性ガス状充填物で取り囲むステップと、
ｄ）反応チャンバ（２３）の内部を、反応チャンバ（２３）の内部において処理される金属部片（１）から電離される汚染物質の蒸発温度に、外側カバーの内側でプラズマ反応器の外側から加熱するステップと、
ｅ）金属部片（１）および支持体（３０）を取り囲む、高い運動エネルギーを有するイオンのガス状プラズマの形成、および汚染物質の分子電離のための金属部片（１）上への電子の衝突を誘発するために、放電をカソードにかけるステップと、
ｆ）ガス状充填物およびガス状態に維持された汚染物質を、反応チャンバ（２３）の内部から真空システムによって排出させるステップと、
ｇ）アノード−カソードシステム（４０）の通電極性を、支持体（３０）が金属部片（１）と共にカソードを画定するように反転させるステップと、
ｈ）支持体（３０）および金属部片（１）を、イオン性ガス状充填物入口を通して反応チャンバ（２３）内に上方かつ金属部片（１）が配置される支持体（３０）の平面に対して垂直方向に供給された新しいイオン性ガス状充填物で取り囲むステップと、
ｉ）反応チャンバ（２３）の内部を、プラズマ反応器（１０）の外側から加熱された状態に維持し、反応チャンバ（２３）の内部の温度を、所望の表面の熱化学的処理に必要とされるレベルまで導くステップと、
ｊ）金属部片（１）および支持体（３０）を取り囲むイオンのガス状プラズマの形成、および金属部片（１）上へのイオンの衝突を誘発するために、放電をカソードにかけるステップと、
ｋ）反応チャンバ（２３）の内部からガス状充填物を真空システムによって排出させるステップとを含み、
反応チャンバ（２３）が、金属ケーシング（２０）によって画定され、ステップｄ）において、反応チャンバ（２３）の内部が、金属ケーシング（２０）の外側から、かつ外側カバー（１１）内から加熱されることを特徴とする、プロセス。
【請求項２】
イオンのガス状プラズマの形成が、反応チャンバ（２３）の内部を加熱すること、および電離された汚染物質を蒸発させることに寄与することを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
金属部片から除去される汚染物質が、水素との反応性を呈する汚染物質および炭素および水素をベースにしたガス中で電離される炭化水素ベースの汚染物質によって規定される場合は、ガス状充填物が、水素を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項４】
金属部片から除去される汚染物質が、酸素との反応性を呈する汚染物質および炭素および水素をベースにしたガス中で電離される炭化水素ベースの汚染物質によって規定される場合は、ガス状充填物が、酸素を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項５】
金属部片から除去される汚染物質が、電離のためにより高い電子密度を必要とする場合は、ガス状充填物が、アルゴンと水素または酸素との混合物を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項６】
金属部片から除去される汚染物質が、その電離を窒素の存在によって動作させる場合は、ガス状充填物が、窒素とアルゴンまたは水素または酸素との混合物を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のプロセス。
【請求項７】
表面の熱化学的処理がニトロ化の場合、ガス状充填物が、水素および窒素を含有するガス状混合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
【請求項８】
表面の熱化学的処理が炭素ニトロ化またはニトロ炭化の場合、ガス状充填物が、水素、窒素および炭素を含有するガス状混合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
表面の熱化学的処理がセメンテーションの場合、ガス状充填物が、水素、アルゴンおよび炭素を含有するガス状混合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１０】
表面の熱化学的処理が、酸素ニトロ化、酸素ニトロ炭化、および酸素炭素ニトロ化である場合、ガス状充填物が、水素、窒素、アルゴン、炭素および酸素を含有するガス状混合物を含むことを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の金属部片を処理するためのプラズマプロセスを実施するプラズマ反応器であって、前記プラズマ反応器が、支持体（３０）と、電源（５０）に関連付けられたアノード−カソードシステム（４０）と、イオン性ガス状充填物入口（２１）と、真空システム（６０）に連結されたガス状充填物排出出口（２２）とが設けられた反応チャンバ（２３）を内部的に画定する金属ケーシング（２０）を備え、
前記プラズマ反応器（１０）が、外側カバー（１１）を備え、金属ケーシング（２０）が、前記外側カバー（１１）から所定の距離で外側カバー（１１）の内部に設けられ、前記プラズマ反応器（１０）がさらに、外側カバー（１１）の内部に画定されかつ金属ケーシング（２０）を囲む加熱チャンバ（１３）と、金属ケーシング（２０）および反応チャンバ（２３）の内部を加熱するために、金属ケーシング（２０）の外側で加熱チャンバ（１３）内に装着された加熱手段（７０）とを備え、
プラズマ反応器がさらに、アノード−カソードシステム（４０）のアノードとカソードとの間の極性を反転させることが可能であり、洗浄ステップを実施するために支持体（３０）を接地されたアノードに接続しかつカソードを電源（５０）の負電位に接続すると共に、該洗浄ステップ後、熱化学的な処理ステップを実施するためにアノード−カソードシステム（４０）の通電極性を、支持体（３０）が金属部片（１）と共にカソードを画定するように反転すべく制御される切り替えシステム（９０）を備えることを特徴とする、プラズマ反応器。
【請求項１２】
加熱手段（７０）が、金属ケーシング（２０）からの放射によって反応チャンバ（２３）の内部に熱を伝達することを特徴とする、請求項１１に記載の反応器。
【請求項１３】
支持体（３０）が、アノード−カソードシステム（４０）の同じ電極（４１）に電気的に結合され、アノード−カソードシステム（４０）の他方の電極（４１）に結合された伝導要素（４２）によって挿入された、複数の平行な離間された順序よく配置された構造（３１）を備え、前記順序よく配置された構造（３１）の各々が、処理される少なくとも１つの金属部片（１）を担持することを特徴とする、請求項１１に記載の反応器。
【請求項１４】
金属ケーシング（２０）から反応チャンバ（２３）の内部への生成された熱放射の方向が、支持体（３０）の順序よく配置された構造（３１）の方向と平行である方向に従って起こることを特徴とする、請求項１３に記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属部片、特に粉末冶金によって得られた多孔性金属部片の処理のためのプラズマプロセスおよび反応器に関し、前記処理は、金属部片の表面上または孔内に存在する油ならびに他の有機および無機の汚染物質の電離および除去を伴う洗浄作業、および一般的には、前記金属部片の表面を熱化学的に処理する作業であって、プラズマ反応環境内で、好ましくは同じ反応器の内部において行われる作業もまた含む。
【背景技術】
【０００２】
多くの場合、粉末冶金によって生成された部片は、焼結中に発生する寸法の偏差により、焼結ステップ後に較正される必要がある。較正において、機械工具の摩擦および摩耗を低減するため、ならびに較正行列からの部片の抜き出しを容易にするために、潤滑油が使用される。油は、同様に、焼結部片および他の製造技術によって生成された部片を保存するためにも使用される。たとえば、冷凍機油は、高精度部片を機械加工するために使用される。
【０００３】
摩耗抵抗、腐食抵抗、および疲労抵抗などの仕上げられた部片の特性を改良することを目指して、ニトロ化、セメンテーション、炭素ニトロ化などの表面の熱化学的処理がしばしば使用される。これらの熱化学的処理を行うためには、部片の表面上および孔内の油の存在は、特に熱化学的プロセッシングがプラズマを介しておこなわれる場合、不利となる。たとえば、プラズマのニトロ化中、部片の孔内および表面上に保持された油は、放電における不安定性さ、反応器の汚染、形成される表層（たとえば硝酸塩）の不十分な形成、および非効率な洗浄を用いた処理にかけられた材料の炭素による汚染を生み出す。したがって、油は、表面硬化の熱化学的処理の前に完全に除去されなければならない。
【０００４】
従来、化学洗浄は、有機溶媒（たとえばヘキサン、石油エーテルまたはアルコールなど）を伴って超音波内で実施され、さらに、すべての有機残留物を部片から完全に解消することを目指して、産業用電気オーブン内において水素または酸素を含有する雰囲気での熱処理が続く。連通する残留孔が存在するとき、これは一般的には焼結鋼に発生するものであるが、洗浄は、特に困難であり、それに加えて使用された汚染生成物により汚染源となる。
【０００５】
一部の知られている処理方法では、表面を洗浄し、熱化学的に処理するための作業は、２つの別個のステップとして異なる装置で実施され、これは、通常、２０時間という非常に長いプロセッシング時間を必要とするため、低生産性および高コストにつながっている。
【０００６】
金属部片の表面または孔から油ならびに他の有機および無機の汚染物質を完全に除去し、さらに、同じ熱サイクルにおいて前記部片の後続の表面の熱化学的処理作業を簡易化し、短縮する目的で、同じ出願人のブラジル特許出願第ＰＩ−０１０５５９３−３号明細書の洗浄および表面処理目的のプロセスが提案されており、これに従って、洗浄される対象の部片が、プラズマ反応器の内側に設けられた支持体上に配置され、プラズマ反応器のアノードに接続され、前記反応器のカソードは、負電位に接続されている。支持体および部片によって画定された組立体は、低圧の、イオン、中性原子、および電子を含み、プラズマとして知られた、異常放電によって発生したイオン化ガスによって取り囲まれる。電子は、支持体および部片によって画定され、反応器のアノードに連結された組立体上で電子衝突を誘発する。
【０００７】
反応器の内部におけるガス状プラズマの発生により、部片の周りに形成されたプラズマの反応環境を使用して、油および部片内に存在する可能性のある他の汚染物質の分子を電離する反応に触媒作用を及ぼすことが可能になり、それによって前記汚染物質を蒸発させ、これを反応器の内部から、真空下で、排出によって完全に解消することが可能になる。プラズマによって、カソードに対する高速イオンおよび中性原子の衝突によって発生した熱は、たいてい、分子的に電離された油を蒸発させるのに十分なものであり、各洗浄作業において対象となる反応に触媒作用を及ぼすのにより適切になるようなプラズマパラメータにおける関連する変更を必要としない。
【０００８】
しかしながら、特定の寸法のプラズマ反応器反応では（および汚染物質の分子電離の特定の化学反応では）、反応器のさまざまな内側領域が、ある温度に留まるということが起こることがあり、この温度は、電離前に汚染物質の蒸気が凝縮し、それらがプラズマ反応器のその比較的低温の内側領域内に漸進的に堆積することを可能にするほどの低さであり、後続の表面処理に有害である炭素ベースの化合物でシステムが汚染される。
【０００９】
さらに、洗浄作業に続いて起こり、同じ反応器の内側で実施される多くの表面の熱化学的処理作業では、プラズマによって発生した熱は、所望の表面処理を得るために必要とされる加熱速度およびプロセス温度を維持するのには不十分である。
【００１０】
したがって、上記先行の特許出願に開示されたように、電気回路をアノードとカソードの間で反転することによって、またさらに、部片を高い運動エネルギーを有するイオンのガス状プラズマで取り囲むことによって、かつ部片上のイオン衝突を誘発するために放電をカソードにかけることによって表面処理作業が実行された場合でも、対象の反応に応じてではなく、所望の表面処理に十分であり、必要である、プラズマ反応器の内側の温度レベルを得ることを目指して、プラズマパラメータを調整する必要がある。この場合、反応器の内側で必要とされる温度変動が、放電パラメータに応じて得られるが、時には、温度勾配が、形成された層の構造および均一性に対して負の影響を及ぼすという事実に加えて、決定された温度の生成に必要とされる放電の強さが、反応環境において電気ア−クの形成をもたらし、表面損傷（部片上のマーク）および部片の表面上の炭素堆積物による汚染を引き起こし、その後の熱化学的処理を損なうという状況が存在し得る。
【００１１】
プラズマ反応器内に抵抗加熱を設けることが、当技術分野で知られている。
【００１２】
これらの知られている反応器の１つでは、焼結によって得られた部片から結合剤および可能性のある汚染物質を除去するために外部の抵抗加熱が設けられる。しかしながら、この知られている構造では、結合剤および汚染物質を除去するための処理にかけられる対象の部片は、反応器のカソードに当てがわれ、電気アークの形成および結果として生じる炭素による部片の汚染をもたらし、これは、その後の表面処理に有害になる。
【００１３】
米国特許第６５７９４９３号明細書に開示された反応器の別の知られているタイプでは、粉末冶金によって得られた金属部片から結合剤および特定の汚染物質を除去するのに十分高い温度を得るため、ならびに部片の焼結を提供するためにも、内側の抵抗加熱が設けられる。それにも関わらず、このタイプの反応器の内部に抵抗加熱を設けることは、モリブデンなどの高コストの材料を使用すること、および内側抵抗と反応器の壁の間に熱放射反射要素を設けること、さらに、前記外側壁に冷却を設けることを必要とする。この解決策は、処理下の部片から有機汚染物質を洗浄するには不十分であるが、これは、油および他の汚染物質が反応環境から排出される前に、これらの揮発性蒸気を凝縮させ、熱放射反射要素の低温領域および反応器の壁上に堆積させることを可能にして、反応環境およびその中に含有された部片を、後続の部片の表面の熱化学的処理を損なう炭素ベースの化合物で汚染するという理由からである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】ブラジル特許出願第ＰＩ−０１０５５９３−３号明細書
【特許文献２】米国特許第６５７９４９３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記から、反応器の内部において、それぞれの場合の対象となる反応に触媒作用を及ぼすのにより適切である放電パラメータから独立した方法で、所望の表面処理に応じて均一の、さらには高い温度を得ることを可能にする解決策を提供することが必要となる。
【００１６】
したがって、本発明の目的は、ガス状プラズマを用いて、かつプラズマ発生パラメータから完全に独立した方法で発生させた、制御された温度で、金属部片を処理するためのプラズマプロセスおよび反応器を提供することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、上記で述べられたプラズマプロセスおよび反応器であって、プラズマ発生パラメータを、反応環境内に電気アークの形成をもたらすことなく、対象となる反応に触媒作用を及ぼすのに十分であり、適切であるレベルに維持することを可能にするプラズマプロセスおよび反応器を提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、上記で述べられたプラズマプロセスおよび反応器であって、プラズマ反応器の内部を前記汚染物質の凝縮温度よりも高い温度に維持することにより、洗浄作業を、ガス状プラズマによる分子電離を通して、および電離された汚染物質の蒸発および排出を通して実施することを可能にするプラズマプロセスおよび反応器を提供することである。
【００１９】
本発明の別の目的はまた、上記で述べられたプラズマプロセスおよび反応器であって、金属部片の表面を、これもまたガス状プラズマにより、洗浄作業が行われた同じ反応器内で、好ましくは抵抗加熱によって得られ制御された温度で、熱化学的に処理する作業を可能にするプラズマプロセスおよび反応器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
これらおよび他の目的は、支持体と、電源に関連付けられたアノード−カソードシステムと、イオン性ガス状充填物入口と、真空システムに連結されたガス状充填物排出出口とが設けられた反応チャンバを画定するプラズマ反応器内で金属部片を処理するためのプラズマプロセスを通して達成される。
【００２１】
本発明の金属部片を処理するためのプラズマプロセスは、次のステップ、すなわちａ）支持体を接地されたアノードに、カソードを電源の負電位に接続するステップと、ｂ）金属部片を反応チャンバの内部において支持体上に配置するステップと、ｃ）支持体および金属部片を、反応チャンバ内に供給されたイオン性ガス状充填物で取り囲むステップと、ｄ）反応チャンバの内部を、プラズマ反応器の外側から、反応チャンバの内部において処理された金属部片から電離される対象の汚染物質の蒸発温度で加熱するステップと、ｅ）金属部片および支持体を取り囲む、高い運動エネルギーを有するイオンのガス状プラズマの形成、および汚染物質の分子電離のための金属部片内の電子の衝突を誘発するために、放電をカソードにかけるステップと、ｆ）ガス状充填物およびガス状態に維持された汚染物質を、反応チャンバの内部から排出させるステップとを含む。
【００２２】
金属部片が、洗浄後に熱化学的処理にかけられる場合、本発明の金属部片を処理するためのプラズマプロセスは、洗浄作業のステップ「ｆ」の後、同じ反応器内で金属部片の表面を熱化学的に処理するさらなるステップを含み、前記ステップは、ｇ−アノード−カソードシステムの通電極性を、支持体が金属部片と共にカソードを画定するように反転させるステップと、ｈ−支持体および金属部片を、反応チャンバ内に供給された新しいイオン性充填物で取り囲むステップと、ｉ−反応チャンバの内部を、プラズマ反応器の外側から加熱された状態に維持し、反応チャンバの内部の温度を、所望の表面の熱化学的処理に必要とされるレベルまで導くステップと、ｊ−金属部片および支持体を取り囲むイオンのガス状プラズマの形成、および金属部片内のイオン衝突を誘発するために、放電をカソードにかけるステップと、ｋ−反応チャンバの内部からガス状充填物を排出させるステップとを含む、さらなるステップを含む。
【００２３】
本発明はまた、上記で説明されたプロセスステップが中で実施される、金属部片を処理するためのプラズマ反応器であって、すでに説明された反応チャンバを内部的に画定する金属ケーシングと、金属ケーシングおよび反応チャンバの内部を加熱するために金属ケーシングに外部的に装着された加熱手段とを有する、反応器も有する。
【００２４】
本発明の１つの態様によれば、加熱手段は、金属ケーシングと熱接触する少なくとも１つの抵抗器によって形成される。
【００２５】
本発明の特定の態様によれば、支持体は、アノード−カソードシステムの同じ電極に電気的に結合され、アノード−カソードシステムの他方の電極に結合された伝導要素によって挿入された、複数の平行の離間された順序よく配置された構造を備え、前記順序よく配置された構造の各々は、処理される対象の少なくとも１つの金属部片を担持する。好ましい構造では、反応チャンバの内側への熱放射を生成する金属ケーシング部分は、順序よく配置された構造の装着方向に対して直角の方向に従って配設される。
【００２６】
反応器の内側で行われる表面処理作業が、焼結作業に必要とされる温度ほど高くなく、約１１００℃の値に達する温度を必要とする場合であっても、加熱手段を反応器の金属ケーシングの外部に配置することにより、反応器がより簡単かつより清潔な内部構造を有することが可能になり、加熱手段と前記ケーシングの間に、汚染物質の捕捉および後続の堆積を起こしやすくする中間領域を形成することが回避される。
【００２７】
本発明は、本発明の実施形態の例として与えられた添付の図を参照して以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】前記プラズマ反応器の内部内に装着された支持体上に設けられたいくつかの金属部片を図示する、本発明によって構築されたプラズマ反応器を概略的に表す図である。
【図２】本発明によって構築され、反応チャンバの内側に複数の水平の順序よく配置された構造を備える部片の支持体を収容する、プラズマ反応器の簡略化された、かなり概略的な垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
上記で述べられ、付属の図に示されるように、本発明は、金属部片１を処理するためのプラズマプロセスおよび反応器に関し、前記プロセスは、イオン性ガス状充填物入口２１ｅおよびガス状充填物排出出口２２を有する、金属ケーシング２０を備えるプラズマ反応器１０内で実施され、前記金属ケーシング２０は、通常、支持体３０および金属ケーシング２０の外部の電源５０に関連付けられたアノード−カソードシステム４０が内側に配置された反応チャンバ２３を内部的に画定する。反応チャンバ２３は、金属ケーシング２０の出口２２に連結された真空システム６０に結合される。反応チャンバ２３は、その中でのプラズマ発生のために密封状態に維持され、入口２１は、イオンガス供給源（図示されず）に密封式に結合され、出口２２は、真空システム６０に密封式に結合される。
【００３０】
金属ケーシング２０は、好ましくは耐火鋼（たとえばステンレス鋼ＡＩＳＩ  ３１０または３０９として）で形成され、支持体３０は、耐火鋼（たとえばステンレス鋼ＡＩＳＩ  ３１０または３０９として）で形成されるが、適切なプロセス温度によって他のタイプの材料が使用され得る。
【００３１】
金属ケーシング２０は、角柱形状、たとえば、周囲側壁および上側端壁２０ｂを円筒形状内に含む壁延長部２０ａを有する円筒を呈する。
【００３２】
金属ケーシング２０は、取り外し可能かつ密封式に基部構造Ｂ上に着座し、係止されるように下方が開放しており、基部構造Ｂには、これから先に説明される、反応器に作業可能に関連付けられた構成要素部品が適切に装着される。
【００３３】
本発明のプラズマ反応器１０は、たとえば金属ケーシング２０から反応チャンバ２３の内部への熱放射を生成して、金属ケーシング２０および反応チャンバ２３の内部を加熱するために、プラズマ反応器１０に外部的に、すなわちその金属ケーシング２０に装着された加熱手段７０をさらに備える。
【００３４】
プラズマ反応器１０にはまた、一般的には適切な断熱手段（たとえばアルミナシリカ繊維）でコーティングされた炭素鋼製の外側カバー１１が外部的に設けられ、この外側カバー１１は、金属ケーシング２０および加熱手段７０によって画定された組立体を横方向および上方向に取り囲むような適切な形状を呈し、金属ケーシング２０の周りの、加熱手段７０が内側に配置される加熱チャンバ１３をする。
【００３５】
加熱手段７０は、全体的に、金属ケーシング２０と熱接触して装着された少なくとも１つの抵抗器７１によって、金属ケーシング２０と外側カバー１１の間に画定された加熱チャンバ１３の内側に形成される。本発明を実施する方法によれば、全体的に外側カバー１１の外部に配置され、加熱チャンバ１３の内部に開放された少なくとも１つの吸引ノズル８１ａおよび少なくとも１つの放出ノズル８１ｂが設けられた少なくとも１つの空気循環手段８１を備える換気システム８０が設けられ、前記空気循環手段８１は、加熱チャンバ１３の内部の少なくとも一部に、吸引および放出ノズル８１ａ、８１ｂを通して循環空気流を生成することができる。空気循環手段８１が加熱チャンバ１３に外部的に装着される場合では、吸引および放出ノズル８１ａ、８１ｂは、加熱チャンバ１３の内部に開放された管状の延長部の形態をとる。
【００３６】
換気システム８０は、さらに、少なくとも１つの空気交換手段８２を備えることができ、全体的にその構造は、空気循環手段８１のものに類似しており、これもまた外側カバー１１に外部的に配置される。
【００３７】
空気交換手段８２には、加熱チャンバ１３の内部に開放された少なくとも１つの吸引ノズル８２ａおよび少なくとも１つの放出ノズル８２ｂが設けられ、前記空気交換手段８２はまた、全体的に大気に開放された空気流入ダクト８３および全体的に大気に開放された空気排出ダクト８４にも連結される。空気交換手段８２は、加熱チャンバ１３の少なくとも１つの個々の領域の内部に大気の空気を制御して供給し、一方で、空気排出ダクト８４を通して、加熱チャンバ１３の少なくとも１つの個々の内部領域から除去された加熱済み空気の対応する量を、引き出し大気に吐き出して、加熱チャンバ１３の内部領域のある程度の加熱を生じさせることを可能にするために、当技術分野で知られている任意の適切な方法で構築され得る。
【００３８】
加熱チャンバ１３内の空気循環または空気交換の強度は、たとえば、図示されていないが換気手段の作業速度を変更することによって、またはこれもまた図示されていないが内側の偏向手段の位置決めを変更することによってなど、さまざまな方法で達成され得る。
【００３９】
図示された実施形態では、空気交換手段８２の機能も実行する複数の空気循環手段８１が設けられ、前記手段は、上記で述べられた空気循環および空気交換の機能のいずれか１つを実行することを可能にするように適切に制御された換気および偏向の手段を用いて構築される。
【００４０】
添付の図に示された構造では、反応チャンバ２３には、上方に入口２１が設けられ、このとき入口２１は、イオン性ガス状充填物を前記入口２１から均一に分配するために、プラズマ反応器１０の金属ケーシング２０の垂直軸内に配置されている。この構造では、水平にまたはほぼ水平に配設され、したがって部片の支持体、またはガス状充填物が入口２１を通って供給される方向に対して直角である装着平面を画定する複数の順序よく配置された構造３１によって、支持体３０が形成され、前記順序よく配置された構造３１は、ガス状充填物が、入口２１からさらに離れた順序よく配置された構造３１内に装着された部片に到達することを可能するために貫通開口部を有する。
【００４１】
イオン性ガス状充填物は、図示されない制御弁の命令によって反応チャンバ２３へと流入され、反応チャンバ２３から排出され、この制御弁は、たとえば制御ユニットまたは他の特有の制御手段（図示されず）によって命令されて自動的に駆動されるが、前記制御弁は、手動で駆動され得る。これも図示されていないが、アノード−カソードシステムの切り替えは、自動的に実施されてもされなくてもよく、弁およびアノード−カソードシステムを制御するためのこれらの手段は、本明細書に提示された概要を制限しない特定の態様である。
【００４２】
図示され、上記で述べられたような実施形態では、支持体３０は、アノード−カソードシステム４０の同じ電極４１に電気的に結合され、アノード−カソードシステム４０の他方の電極４１に結合された伝導要素４２によって挿入された複数の平行な離間された順序よく配置された構造３１を備え、前記順序よく配置された構造３１の各々は、処理される対象の少なくとも１つの金属部片１を担持する。
【００４３】
他方の電極４１に結合された伝導要素４２は、順序よく配置された構造３１を担持する支持体３０自体の構造的に円柱状の要素３２によって画定され得る任意の適切な支持体構造を使用することによって、反応チャンバ２３の内部において、順序よく配置された構造３１の間に配置され、個々の順序よく配置された構造３１が設けられた支持体３０の構造に関連して電気的に絶縁された前記伝導要素４２を装着することだけが必要となる。
【００４４】
本発明によれば、かつ例示的に図示されたように、加熱手段７０は、前記金属ケーシング２０の隣接する壁延長部を加熱するように配置され、たいていは反応チャンバ２３の高さの方向と同一方向にあり、順序よく配置された構造３１の装着平面に対して直角である方向に従って延びている。この配置では、金属ケーシング２０の前記壁の延長部から反応チャンバ２３の内部に放射された熱は、順序よく配置された構造３１の装着方向に対して平行な方向をたどり、順序よく配置された構造３１内での、金属ケーシング２０の前記壁の延長部から放射された熱の分配をより効率的にする。
【００４５】
アノード−カソードシステム４０は、前記通電システムのアノードおよびカソードによって画定されたその電極４１を有する。本発明のプラズマプロセスの洗浄作業中、アノード−カソードシステム４０のアノードを画定する電極４１は、金属部片１が中に配置される支持体３０の順序よく配置された構造３１に結合され、前記電極４１は接地されるが、一方でアノード−カソードシステムのカソードを画定する他の電極４１は、電源５０に電気的に結合される。
【００４６】
洗浄作業後に同じ反応器内で、熱化学的処理のプロセスが行われるプラズマプロセスでは、アノード−カソードシステムのアノードを画定した電極４１が、電源５０に連結されるが、一方で他方の電極４１は接地される。
【００４７】
以下で説明されるように、本発明は、洗浄および熱化学的処理（たとえばニトロ化、炭素ニトロ化、セメンテーション、酸素ニトロ化、酸素炭素ニトロ化およびその他）を実行することを可能にし、ここでは、その両方のステップが、同じ装置および同じ熱サイクル内でプラズマによって補助され、また、アノード−カソードシステムは、プラズマ発生を可能にし、その結果としてプラズマ反応環境を利用して、洗浄作業における油有機分子などの金属部片１内に見出された汚染物質分子を電離する反応に触媒作用を及ぼすために、反応チャンバ２３の内部に閉じ込められる。
【００４８】
洗浄作業中、金属ケーシング２０は、これもまたプラズマ発生時に反応チャンバ２３の内側である程度の加熱にかけられたガス状充填物と共に加熱される。イオンのガス状プラズマの形成は、洗浄作業および熱化学的処理作業の両方において、反応チャンバ２３の内部の加熱および電離された汚染物質の蒸発に寄与する。
【００４９】
反応チャンバ２３の内部における汚染物質の蒸発に寄与することに加えて、反応チャンバ２３の外部加熱は、その中で形成されるガス状プラズマを少ないエネルギー消費で得ることを可能にする。
【００５０】
反応チャンバ２３に外部的に設けられた抵抗加熱は、反応チャンバ２３の内部、すなわち、金属部片１がプラズマ処理プロセスを受ける環境内の低温壁の存在を回避する。処理された部片から蒸発した油は、反応チャンバ２３の十分に加熱されていない内側領域上に堆積する傾向があるため、たとえば金属部片１を加熱する初期段階では、反応チャンバ２３の内部に低温壁が存在することを回避する必要がある。
【００５１】
したがって、追加の概ね抵抗性の外部加熱は、蒸発した油のものである汚染物質の蒸発温度よりも低い温度を有する反応チャンバ２３の壁または領域の存在を回避し、前記汚染物質が、吸引によって、真空システム６０を通り、金属ケーシング２０の出口２２を通って排出される前に、反応チャンバ２３のこれらのより低温の領域内に汚染物質が凝縮および堆積することが妨げられる。
【００５２】
洗浄作業に関しては、処理される対象の金属部片１は、反応チャンバ２３の内側に装着され、その金属ケーシング２０から電気的に絶縁された支持体３０の順序よく配置された構造３１上に配置される。洗浄作業中、支持体３０は、アノード−カソードシステム４０の接地されたアノードを画定するが、その一方では伝導要素４２は、負電位の電源５０の出口に接続され、放電のカソードとして働く。反応チャンバ２３の内部は、真空システム６０を使用して、大気圧より低い圧力かつ洗浄作業におけるプラズマの形成に合わせた所望の値で維持される。イオン性ガスの充填物は、アノード−カソードシステム４０のカソードにおける放電をもたらす前に、金属ケーシング２０の入口２１を通って反応チャンバ２３内に供給される。
【００５３】
本発明を実施する方法では、洗浄作業におけるイオン性ガス状充填物は、水素を含み、これはまた、水素と、アルゴン、窒素からなるガスの少なくとも１つとのガス状混合物、または酸素と、たとえば窒素などの他のガスとを含む混合物を含むこともできる。プロセスガスの選択は、金属部片から解消される物質の性質（たとえば油）によって決まる。
【００５４】
たとえば、ガス状充填物は以下を含む：
金属部片から除去される対象の汚染物質が、水素との反応性を呈する、または炭素および水素（たとえばメタン（ＣＨ４））ベースのガス中で電離された炭化水素鎖ベースのものであるときは、水素、
金属部片から除去される対象の汚染物質が、酸素との反応性を呈する、または炭素および酸素（たとえば二酸化炭素（ＣＯ２））ベースのガス中で電離された炭化水素鎖ベースのものであるときは、酸素、
より高い電子密度が、金属部片から除去される対象の汚染物質を電離するために望ましいときは、アルゴンおよび水素または酸素の混合物、および
金属部片から除去される対象の汚染物質が、その電離を前記ガスの混合物によって進める場合は、窒素およびアルゴンまたは水素または酸素の混合物。
【００５５】
他の汚染物質ベースの電離もまた、本発明の原理によって可能である。
【００５６】
洗浄作業の主要な原理は、電子衝突によって油分子を電離することにあり、その結果、反応チャンバ２３の内側からガス状充填物および汚染物質を排出することによって反応チャンバ２３から解消される、より軽量の分子またはガス状ラジカルが生じる。本発明を実施する方法では、排出は、真空下で、衝突を介して真空システム６０によって起こり、部片の効率的な洗浄を生み出すと共に、反応チャンバ２３の内部を、油堆積物および他の汚染物質生成物、主に有機物が除かれた状態に維持し、洗浄作業は、解消される対象の汚染物質の性質によって、約３０℃から５００℃の範囲内の低温で行われる。
【００５７】
そのような実施形態では、支持体３０および処理される対象の金属部片１は、放電によって発生したプラズマによって取り囲まれ、主にプラズマ内に発生した電子によって衝突される。洗浄ステップでは、放電を受け入れ、カソードとして動作する第２の電極４１は、主にイオンによって衝突され、その結果加熱される。カソード内で生成された熱が、洗浄作業のために金属部片１を温めるとき、反応チャンバ２３の外部の加熱手段７０は、反応チャンバ２３の内側壁上の汚染物質の凝縮を回避するのに必要とされる加熱速度および温度を得るのに必要な追加の熱量を供給し、前記加熱速度および温度は、プラズマパラメータとは独立してプログラムされる。これらのプラズマパラメータは、たとえば油などの汚染物質の分子を電離する反応に触媒作用を及ぼすように調整またはプログラムされる。すでに述べられたように、ガス状プラズマの形成もまた、反応チャンバ２３の内側壁上の汚染物質の凝縮を回避するのに必要とされる反応チャンバ２３の内部の加熱の部分で寄与することができる。
【００５８】
反応チャンバ２３の外部の加熱手段７０の使用は、均一な温度を反応チャンバ２３の内部において得ることを可能にすると共に、プラズマ反応器１０の内側の、金属部片１内のプラズマ反応から生じる蒸気および煤煙の堆積を回避するという利点を有する。閉じ込められたアノード−カソードシステム４０内に使用されるジオメトリからの別の利点は、プラズマ内で発生した種が、金属部片１を完全に取り囲み、油などの汚染物質を金属部片１から効率的に除去することをもたらすことである。
【００５９】
油分子の電離は、より軽量のラジカルおよび分子を生成し、これらは、作業温度においてガス状の物理的状態を維持し、真空システム６０によってプラズマ反応器１０から外向きに圧送される。
【００６０】
汚染物質の蒸気は、金属部片１の洗浄作業の完了時に、プラズマ作業において生成された他のガスと共に反応チャンバ２３から放出される。油および他の汚染物質が、プラズマ内に発生した活性種によって活性化された分子電離によって完全に解消されたために、反応チャンバ２３の内側には残留物は存在しないため、金属部片１の負荷は、同じプラズマ反応器１０の内側で、前記金属部片１の洗浄作業の完了時に、反応チャンバ２３の内部における温度を、決定された熱化学的処理に必要とされる値に適合する値まで上昇させることによって処理され得る。
【００６１】
本発明の解決策では、プラズマ反応器２０は、アノード−カソードシステム４０のアノードとカソードの間の極性を反転させることを可能にする切り替えシステム９０をさらに備え、それにより、油および汚染物質の電離を伴う洗浄作業中、必然的にアノードに接続される金属部片１は、プラズマによる熱化学的処理のためにアノード−カソードシステム４０のカソードに連結される。
【００６２】
本発明では、プラズマによって実施される洗浄および熱化学的処理作業は、同じプラズマ反応器内で起こり、加熱を中断させる必要はない。
【００６３】
汚染物質、特に油の除去を伴う洗浄作業後、熱化学的処理作業が、同じプラズマ反応器１０内で、金属ケーシング２０の入口２１を通して、洗浄作業において使用されたものに類似し得る、あるいは所望の熱化学的処理に合わせて決定された特有のガスを含有することができるイオン性ガスの充填物を反応チャンバ２３の内部に導入することによって開始され、前記新しいイオン性ガス状充填物は、支持体３０および金属部片１を取り囲むように反応チャンバ２３の内部に供給される。
【００６４】
熱化学的処理作業のイオン性ガスは、洗浄作業のガスおよび蒸気を反応チャンバ２３の内部から排出した後に、反応チャンバ２３の内部に供給される。
【００６５】
次いで、カソードとアノードの間の極性は、金属部片１がカソードに接続されるように反転され、すでに洗浄された金属部片の決定された熱化学的処理に合わせて詳細に規定されたガス混合物中に放電が発生した際、同じプラズマ反応器１０内かつ同じ熱サイクルでこの処理を実施する。
【００６６】
本発明の熱化学的処理のプロセスは、得られる結果を変更することなく、イオン性ガスの充填物を供給し、極性を反転させるというこの一連のステップにおいて変更を呈することができることに留意されたい。
【００６７】
新しいガス状充填物が流入し、アノード−カソードシステム４０の極性が反転した後、熱化学的処理プロセスは、次のステップ、反応チャンバ２３の内部を、プラズマ反応器１０の外側から加熱された状態に維持し、反応チャンバ２３の内部の温度を、所望の表面の熱化学的処理に必要とされるレベルまで導くステップと、金属部片１および支持体３０を取り囲むイオンのガス状プラズマの形成および金属部片１上へのイオン衝突を誘発するために、放電をカソードにかけるステップと、および反応チャンバ２３の内部からガス状充填物を排出させるステップと、をさらに含む。
【００６８】
熱化学的処理作業において、反応チャンバ２３に供給されたガス状充填物は、たとえば、熱化学的処理がニトロ化の場合は水素および窒素のガス状混合物、表面の熱化学的処理がニトロ炭化または炭素ニトロ化である場合は水素、窒素および炭素を含有するガス状混合物、表面処理がセメンテーションである場合は水素、アルゴンおよび炭素を含有する混合物、および表面の熱化学的処理が酸素ニトロ化、酸素ニトロ炭化または酸素炭素ニトロ化の場合は酸素、水素、窒素、アルゴンおよび炭素を含有するガス状混合物を含む。所望の熱化学的プロセスによって他のガスが使用され得る。
【００６９】
熱化学的処理作業に関しては、支持体３０は、放電のカソードとして動作する電極４１を通して電源５０の負電位に接続され、一方で、接地される前にカソード機能を有していた電極４１は、放電のアノードとして動作している。極性のこうした反転の後、すなわち、支持体３０上の金属部片１が放電のカソードに接続された状態で、プラズマによる熱化学的処理の所望のステップが、同じプラズマ反応器１０内かつ同じ熱サイクルで実施される。
【００７０】
反応チャンバ２３内でイオン化されるガス状充填物は、洗浄作業および熱化学的処理作業の各々において、１．３３×１０１パスカル（０．１トル）、１．３３×１０４パスカル（１００トル）程度の大気より低い圧力で受けられ、維持され、これらの圧力は、たとえば真空ポンプを備える真空システム６０の働きによって得られる。洗浄作業および熱処理作業は、上記で規定されたように、イオン性ガス充填物を含有する低圧下の雰囲気で送り出され得るＤＣ放電を利用し、その結果、プラズマ発生に利用されたガスによって電子および反応性原子状水素または他の種を生成する。
【００７１】
プラズマによる洗浄作業および熱化学的処理作業を含む本発明のプロセスは、粉末冶金または他の製造プロセス（たとえば機械加工、スタンピング、冷間押し出し、およびその他）によって生成された金属部片１に使用され得る。本発明のプロセスは、約３時間の間、本発明のプラズマ反応器１０内で金属部片１の洗浄を促進し、洗浄作業および熱化学的処理（たとえば、ニトロ化）を含む合計時間は、約６時間となる。このプロセッシング時間は、汚染物質および熱化学的プロセスの性質に応じて、より長いまたはより短い期間に変更され得る。
【００７２】
反応チャンバ２３の外部にある加熱手段７０は、金属ケーシング２０の内側壁を温め、油滴などの汚染物質の堆積を回避する。プラズマを安定して維持し、汚染物質の充填物全体を金属部片からプラズマ発生によって電離すると共に反応チャンバ２３を油および煤煙が除かれた状態に維持することが可能であり、それによって、加熱に連続性を与え、引き続いて同じプラズマ反応器内でプラズマの助けを得て、熱化学的処理のプロセスを実施することが可能になる。補助の抵抗加熱システムを使用し、反応チャンバ２３を約５００℃に保つことにより、いかなるタイプの堆積および煤煙形成も発生せず、放電は、全体的に安定した状態に保たれ、約３時間の間、分子電離を介して油などの汚染物質を完全に除去することを可能にする。最終温度および洗浄時間の両方は、汚染物質の化学的性質に応じて変更され得る。
【００７３】
金属部片１がアノードに接続されたこの洗浄ステップの後、極性が反転され、金属部片１の支持体３０は、カソードに接続される。
【００７４】
洗浄プロセスで使用されたガスの排出後、熱化学的処理のプロセスを実施するために、反応チャンバ２３の内部における温度は、約３５０℃と約９００℃の間の値まで上昇する。
【００７５】
ガス状混合物の充填物を、たとえば水素および窒素に変更し、反応チャンバを４８０℃と５９０℃の間の温度で加熱する際、同じプラズマ反応器１内かつ同じ熱サイクルにおいてプラズマニトロ化または他の熱化学的処理が行われ、その結果合計のプロセッシング時間およびエネルギー消費が低減され、したがって生産コストが低減される。他の温度範囲が可能であり（例として引用した範囲より高いまたは低い温度）、これは、実行される熱化学的処理のタイプに応じて規定される。
【００７６】
金属部片１は、プラズマ反応器１０内で、工業規模で処理されており、ここでは、プラズマ洗浄およびプラズマニトロ化などの熱化学的処理の作業が、同じ熱サイクル内で実施された。前記金属部片１は、光学および電子顕微鏡法によって、およびＸ線回折解析によって分析された。結果として、得られたニトロ化層は、従来のプロセス、すなわち単一の熱サイクルで行われず、有機溶媒との慣習的プロセスによって洗浄作業を実施し、他の装置を使用して熱を除去するプロセスによって得られたものと類似していることが示されている。しかしながら、処理が、プラズマを用いて油を除去するこの新規のプロセスによって行われた場合、その合計の処理時間が有意に短くなり、その結果、より高い生産性をもたらすことに注目することが重要である。さらに、プラズマによって油を除去するプロセスは、化学洗浄プロセスで慣習的に使用されているヘキサンおよびその他などの汚染反応剤を使用しない。本プロセスのさらなる利点は、支持体内の部片間でより小さい距離を使用することを可能にする閉じ込められたカソード−アノードシステム４０の使用に関連しており、それにより、反応チャンバ２３の同じ容積内により多くの量の部片を設けることおよび／または他の知られている従来技術のシステムに比べて、同じ生産性で寸法が低減された装置を利用することが可能になる。最終的には、外部の抵抗加熱を備えた閉じ込められたカソード−アノードシステムを使用することにより、同じプラズマ反応器１０を使用して洗浄する（たとえば油の除去）ステップおよび熱化学的処理（ニトロ化など）ステップを実行することは、かなりの投資の低減につながる。
【００７７】
本発明を実施する１つの方法のみを本明細書で例示されてきたが、本明細書に添付される特許請求の範囲に定義された構成概念から逸脱することなく、構成要素の形態および配置において変更が加えられ得ることを理解されたい。
【図１】
0005722768.tif 000002
【図２】
0005722768.tif 000003