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Verfahren zur Behandlung von Körpern unter niedrigem Druck mittels einer Glimment- ladung und Entladungsgefäss.
Gewisse Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von Körpern lassen sich bekanntlich mit besonderem Vorteil in einer Glimmentladung durch-
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bracht, das evakuiert und mit einem geeigneten Gas unter verhältnismässig niedrigem Druck gefüllt wird. Zwischen zwei Elektroden wird dann innerhalb des Gefässes eine Glimmentladung gezündet und für längere Zeit aufrechterhalten. Die Wir-
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Entladung aufladung, auf die für die Behandlung nötige Temperatur gebracht.
Vorzugsweise wird die Glimmentladung mit Gleichstrom betrieben. In diesem Fall pflegt man den zu behandelnden Körper selbst als Kathode der Entladung zu benutzen. Der eigentliche wirkame Teil der Entladung ist die Zone des sogenannten Kathodenfalles. Bildet der Körpet selbst die Kathode, so ist der Kathodenfall unmittelbar an den zu behandelnden Flächen wirksam.
Die Ausbreitung einer Glimmentladung ist bekanntlich eine Funktion der an den Elektroden liegenden Spannung. Bei verhältnismässig kleiner Spannung bedeckt die Entladung nur einen Teil der Kathode. Da dies für die Behandlung unzweck-
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pflegt manStellen dieser Fläche wirksam ist. Gleichwohl zeigt sich dann unter gewissen Umständen, dass die Oberfläche nach der Behandlung nicht gleichförmigen Charakter hat. So kommt es beispielsweise bei der Nitrierung von Stahl vor, dass gewisse Teile der nitrierten Schicht spröde ausfallen. In einem Schliff zeigen diese Teile dann eine Schicht aus dem Eisennitrid Fe2N von etwa 0, 01 bis 0, 02 mm
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von der Grösse und Gestalt des Körpers und der zu behandelnden Fläche ab.
Häufig treten solche Mängel auch. auf, wenn die zu behandelnde Fläche, die im allgemeinen vorher mechanisch bearbeitet wird, nicht unmittelbar nach der mechanischen Bearbeitung der Behandlung in der Glimmentla-
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Es ist schon vorgeschlagen worden, Glimmentladungen bei Spannungen von 5000. bis 30. 000 Volt zu betreiben. Mit diesen Angaben ist jedoch an sich nichts darüber gesagt, ob die Entladung bei Normalspannung oder oberhalb davon betrie-
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zurtrodenabstand, der Gasdruck, die Gasart und der Elektrodenwerkstoff genannt seien. Auch ein relativ hoher Spannungswert braucht daher nicht oberhalb der Normalspanmung zu liegen. Anderseits ist die Möglichkeit, die an den Elektroden eines Glimmentladungsgefässes liegende Spannung grösser zu machen als die Normalspannung, an sich nicht neu.
Sie wurde aber bisher nicht als zweckmässig empfohlen und galt in vieler Beziehung als nachteilig.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung von Körpern unter niedrigem Druck mittels einer Entladung, die in einem gasgefüllten Entladungsgefäss zwischen Elektroden brennt und insbesondere mit Gleiohstrom betrieben wird, wobei der zu behandelnde Körper die Kathode oder einen Teil der Kathode bildet und die Span-
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gungen der normalen Glimmentladung.
Dieses bekannte Verfahren wird gemäss der Erfindung in der Weise betrieben, dass bei der Behandlung der Oberfläche von metallischen Körpern, insbesondere bei der Nitrierung oder Karbonisierung von Körpern aus Stahl, die Spannung zwischen den Elek-
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ist als diegezeigt, dass die eingangs beschriebenen Mängel in der Gleichförmigkeit der Behandlung durch diese Mdiähahme vollständig oder nahezu vollständig beseitigt werden.
Obwohl die physikalischen Vorgänge noch nicht völlig erforscht sind, kann doch vermutet werden, dass die mit der Erfindung erzielten Vorteile auf der Wirkung des anomalen Kathodenfalles beruhen, der auf die zu behandelnde Fläche offenbar eine erheblich andere Wirkung hat, wenn man die Betriebsspannung um mindestens 100 Volt über die normale Brennspannung heraufsetzt.
Die Kenntnis der Werte der normalen Brennspannung kann man sich entweder experimentell oder durch Nachschlagen in Tabellen verschaffen.
Derartige Tabellen finden sich beispielsweise in Knoll, Ollendbrf, Rompe, Casentladungstabellen", Berlin, 1935, ferner in J. Slepian, "Conduction of Electricity in Gases", Pittsburgh, Westinghouse Electric & Manufacturing Company, 1933, S. 136. Diese Tabellen geben ; im allgemeinen den. Spannungsabfall im normalen Kathodenfall, kurz gesagt, den Kathodenfall der Glimmentladung an. Bei nicht übermässig hohem Abstand zwischen den Elektroden ist jedoch der normale Kathodenfall von der normalen Brennspannung so wenig verschieden, dass er praktisch der normalen Brennspannung gleichgesetzt werden kann. Durch Addition von 100 Volt ergibt sich daraus die zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung mindestens nötige Spannung.
Eine Schwierigkeit kann bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dadurch entstehen, dass eine Glimmentladung, die mit Spannungen oberhalb der normalen Brennspannung betrieben wird, eine starke Tendenz hat, sich übermässig auszubreiten. Beim Betrieb im normalen Gebiet kann man die Ausbreitung durch geeignete Einstellung der Spannung steuern. Diese Möglichkeit besteht nicht oder nur in unzureichendem Masse, wenn man mit Spannungen arbeitet, die
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Teile der Gefässwandung oder der Halterung des zu behandelten Körpers erfasst. Die starke Erhitzung solcher Teile bedeutet einen beträchtlichen Energieverlust. Ausserdem wird der Gasverbrauch nutzlos erhöht, da die ergriffenen Teile dann ebenfalls unerwünschterweise der Behandlung unterworfen werden.
Ergreift die Entladung auch Stellen, an denen Metalllkörper, die auf Kathodenpo-
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hen, so können sehr beträchtliche Schädigungen eintreten.
Es ist an sich möglich, den Gefahren einer übermässigen Ausbreitung der Glimmentladung dadurch zu begegnen, dass man die Abstände zwischen Metallteilen von verschiedenem Potential gross macht. Das führt jedoch zu erheblichen Abmessungen des Behandlungsgefässes und ist daher weniger wirtschaftlich. Die Erfindung sieht statt
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Ka-thodenc'berfläche begrenzt. Diese Abschirmung kann aus einem Körper aus Isolierstoff bestehen, der die Kathode teilweise überdeckt und mit der Kathodenoberfläche einen Spalt bildet. Solche Spalte sind in der Physik der Gasentladungen als Mittel zur Begrenzung der Ausbreitung einer Entladung be-
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genannt.fläche der Einwirkung der Glimmentladung unterworfen werden sollen.
So wird beispielsweise ein Gefäss zur Behandlung der Innenfläche von Rohren mit mindestens einem metallenen Hohlzylinder ausgerüstet, dessen Innenraum die Bohrung des zu behandelnden Rohres räumlich fortsetzt und einen Zylinder aus Isolierstoff aufweist, dessen Aussenfläche mit der Innenfläche des metallenen Hohlzylinders einen Spalt bildet.
Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar zeigt Fig. l einen Längsschnitt durch ein Behandlungsgefäss zur Be-
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einem gegenüber Fig. 1 vergrösserten, angenähert natürlichen Massstab.
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10Halterung der zu behandelnden Körper. Die drei Einzelkammern 18, 19 und 20 können durch Öffnungen 21 und 22 in den Wandungen 16 und 17
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ihnen praktisch kein Druckunterschied besteht.
Besser ist es jedoch, diese Öffnungen fortzulassen.
Eine Leitung 23 mündet an der Öffnung 24 in das Gefäss. Durch sie kann Gas eingelassen wer-
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kannDie Wände 16 und 17 weisen Bohrungen 27 und 29 mit Schultern 28 und 30 auf. Diese Bohrungen dienen zur Aufnahme von Haltekörpern 34, die im einzelnen später in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben werden sollen. Sie dienen zur Halte- : rung der zu behandelnden Körper, die in dem ge-
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Durch die Rohre 32 erstrecken sich in gleichachsiger Anordnung Stäbe oder Rohre 35, deren Aussendurchmesser erheblich kleiner ist als der Innendurchmesser des zugehörigen Rohres 32. Die Stäbe 35 werden unten in zylindrischen Isolierkörpern 36 gehalten, die in Vertiefungen 37 im Deckel 131
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durchrungen 39 im Deckel 12 eingelassen sind.
Zur Unterstützung der Rohre 38 dienen Flansche 40. Jeder Stab 35 trägt an seinem oberen Ende eine Metallscheibe 41, die auf dem Flansch 40 liegt.
Durch Klammern 42 und Bolzen 43 werden die Scheiben 41 unter Zwischenschaltung einer Isolier-
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ter Dichtungen, gegen die Flansche 40 gezogen, so dass die Stäbe 35 festgelegt sind. An die Scheiben 41 sind Zuleitungen 45 angeschlossen.
Im Betrieb bilden die Rohre 32 die Kathoden und die Stäbe 35 die Anoden einer mit Gleichstrom gespeisten Glimmentladung, die im Raum 62
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an die positive Klemme 47 eines Gleichstromgene- rotors 46 angeschlossen, dessen negative Klemme
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des Gefässes 10 verbunden ist. Zur Erregung des Generators dient eine Wicklung 49, die über einen verstellbaren Widerstand 51 an eine Gleichstromquelle 50 angeschlossen ist.
Die Zuleitung 23 ist über ein Drosselventil 58 an einen Gasbehälter 57 angeschlossen. Die Saug-
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einerpumpe 59 mit Auslass 60.
Zu Beginn des Betriebes wird das Gefäss 10 durch die Pumpe 59 bei geschlossenem Ventil 58 evakuiert. Hierauf wird das Ventil 58 teilweise ge- öffnet-und damit Gas eingelassen, bis das Gefäss
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und geeignete Einstellung der Generatorspannung die Glimmentladung zwischen den Teilen 32 und
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werden kann.
Nachstehend seien Beispiele für die Nitrierung und die Karbonisierung der Oberfläche von Stahlkörpern gegeben.
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wirdStromdichte von 3 bis 4 Milliampere pro cm2, bezogen auf die zu behandelnde Fläche, durchgeführt. Die dabei an den Elektroden liegende Spansung beträgt 650 Volt. Bei Eisenelektroden und einem Abstand von etwa 5 cm zwischen Kathode und Anode ist in Ammoniak der normale Kathodenfall etwa 450 Volt. Die Betriebsspannung liegt in dem vorliegenden Beispiel also etwa 200 Volt über der normalen Brennspannung. Die Behandlung kann nach etwa 6 Stunden als beendet angesehen werden.
Bei der Karbonisierung der Oberfläche eines Stahlkörpers dient als Gas beispielsweise Methan bei einem Druck von 10 mm Quecksilber und einer Stromdichte von 6 bis 7 Milliampere pro
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troden ist 700 Volt. In Methan ist der Kathodenfall gleichfalls etwa 450 Volt. Die Betriebsspannung liegt in diesem Beispiel also etwa 250 Volt oberhalb der normalen Brennspannung. Die Dauer der Behandlung beträgt bei der Karbonisierung etwa 2 Stunden.
Die Teile 34, die in Fig. 3 im einzelnen dargestellt sind, dienen nicht nur zur Halterung der Rohre 32, sondern auch zur Begrenzung der Glimmentladung. Sie bestehen je aus einer Büchse 64 mit Flansch 65 und Boden 66, die in eine der Bohrungen 27 der Platten 16 und 17 eingesetzt ist. Der Boden 66 dient dabei als Anschlag für die Stirnfläche des Rohres 32. In jede Büchse 64 ist ein Isolierrohr 67 eingesetzt, das mit einem Flansch 68 versehen ist, der in einer Ausdrehung 69 der Büchse 64 liegt und durch eine Metallbüchse 70 gehalten wird, die durch Gewinde 71 mit der Büchse 64 verschraubt ist.
Die Büchse 64 weist eine konische Innenfläche 72 auf, die sich nach
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an seiner Mündung 75 die grösste Breite hat.
Beim Fehlen der Teile 64 und 67 würde sich die Glimmentladung nicht nur auf den Raum 62 innerhalb des Rohres 32 erstrecken, sondern sich auch in der oberen Kammer 18 und der unteren Kammer 20 in erheblichem Masse ausbreiten, also zwischen der Anode 35 und den Flächen 63 und
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32 überschlagen. Dies wird durch die Büchsen 64 in Verbindung mit dem Isolierrohr 67 und Spalt
74 vermieden. Diese Teile'bewirken, dass die Glimmentladung ausserhalb des Bereiches 62 nur 1 noch im Bereich 76 brennt, damit also praktisch auf das Gebiet. beschränkt ist, wo sie nützlich wirkt.
Das Isolierrohr 67 hat den weiteren Zweck, die Halterung, der Anode 35 zu verbessern. Auf das 1 Rohr 67 ist oben eine Meta'l1büchse 78 gesetzt, die durch einen Sprengring 79 gehalten wird, der in einer Ringnut 80 liegt. Dieser Sprenring wird nach dem Aufsetzen der Büchse durch Klemmschrauben
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das Innere des Isolierrohres und damit in den eigentlichen Bereich 62 der Glimmentladung l treten.
Soll die Aufnahmefähigkeit des Gefässes nicht
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spruch genommenen Bohrungen 39 im Deckel 12 durch Deckel 86 abgedichtet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Behandlung von Körpern unter niedrigem Druck mittels einer Glimmentladung, die in einem gasgefüllten Endadungsgefäss zwischen Elektroden brennt und insbesondere mit Gleichstrom betrieben wird, wobei der zu behandelnde Körper die Kathode oder einen TeM der Kathode bildet und die Spannung zwischen den
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Entladung unter den Bedingungen der normalen Glimmentladung, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Behandlung der Oberfläche von metallischen Körpern, insbesondere bei der Nitrierung oder Karbonisierung von Körpern aus Stahl, die Spannung zwischen den Elektroden um mindestens 100 Volt grösser ist als die Brennspannung der Entladung
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den Bedingungenladung.
2. Entladungsgefäss zur Durchführung des Ver-