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Verfahren zur raschen Erhitzung elektrisch leitender Werkstoffe
Die rasche Erhitzung von Werkstoffen erfordert bekanntlich die Bereitstellung hoher
Energiekonzentrationen, für deren Erzeugung in den letzten Jahren zahlreiche Verfahren entwickelt worden sind. Beispielsweise kommen hiezu vielfach energiereiche, gebündelte Elektronenstrahlen zur
Verwendung, womit jedoch der Nachteil verbunden ist, dass bei diesem Verfahren im Vakuum gearbeitet werden muss. Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung hoher Energiekonzentrationen stellt der Laser-Strahl dar, welcher wieder mit dem Nachteil behaftet ist, dass er nur eine kleine
Gesamtleistung besitzt.
Am häufigsten wird für die rasche Erhitzung von Werkstoffen der Plasmastrahl verwendet, welcher im wesentlichen dadurch erzeugt wird, dass man einen Gasstrahl durch einen elektrischen Lichtbogen führt, in welchem er eine Ionisierung erfährt. Die Formgebung des austretenden
Plasmas erfolgt zumeist mittels Düsen, welche jedoch infolge der hohen Temperaturbelastung umständliche Kühlmassnahmen erforderlich machen oder einem starken Verschleiss unterworfen sind.
In der letzten Zeit wurde ein düsenloser Plasmabrenner entwickelt, bei welchem die
Querschnittsregelung im wesentlichen durch das elektromagnetische Feld des plasmaerzeugenden
Lichtbogens erfolgt. Doch auch mit diesem Verfahren ist ein gewisser Nachteil verbunden. Es zeigte sich nämlich beispielsweise beim Oberflächenhärten, dass die Kanten des Werkstückes infolge des an ihnen auftretenden hohen Feldstärkegradienten häufig bevorzugt weggeschmolzen wurden, so dass die Formbeständigkeit. der zu härtenden Oberfläche beeinträchtigt war.
Die Erfindung zeigt nun einen Weg, die angeführten Nachteile zu vermeiden. Ihr Prinzip besteht im wesentlichen darin, dass ein ionisierbares gasförmiges Medium in einem inhomogenen elektromagnetischen Wechselfeld hoher elektrischer Feldstärke ionisiert wird und das so entsprechende Plasmoid mit dem zu erhitzenden Werkstück in Verbindung gebracht wird.
Es ist zwar bereits bekannt, ein ionisierbares gasförmiges Medium in einem elektromagnetischen Wechselfeld zu ionisieren, es in einem Hochfrequenz-Lichtbogen aufzuheizen und es in dieser Form als Energieträger zu verwenden, doch handelt es sich hiebei um ein durch äussere Induktionsspulen erzeugtes elektromagnetisches Wechselfeld, dessen Magnetfeld sich axial durch die Spule erstreckt und dessen elektrische Feldlinien daher in sich geschlossen sind. Wird ein Gas in einem solchen Feld ionisiert, so kommt es im Plasma selbst zu starken Kurzschlussströmen, welche zu einer Aufheizung des Plasmas führen, so dass es als ein sehr heisser Strahl aus dem Plasmaerzeuger austritt. Der Nachteil besteht auch hiebei darin, dass die Formung eines solchen Plasmastrahles durch Düsen infolge des grossen Düsenverschleisses nur sehr schwer möglich ist.
Sind hingegen, wie im Falle der Erfindung, keine äusseren Induktionsspulen vorhanden, kommt es im Plasma zu keinem energieumwandelnden Leitungstrom, sondern nur zu Verschiebungsströmen, und das austretende ionisierte Gas ist zunächst kalt. Ein hineingehaltenes Stück Papier wird beispielsweise nicht einmal angekohlt. Das gleiche gilt für jede andere nichtleitende Substanz. Wird jedoch dieses Plasmoid mit einem leitenden Gegenstand in Verbindung gebracht, so wird der Stromkreis kapazitiv über das Werkstück geschlossen, d. h., das Werkstück fungiert als Sekundärstrahler und verbraucht Energie. In der Umgebung der Auftreffstelle des Plasmoides kommt es hiebei zu einer intensiven Hitzeentwicklung, die hinsichtlich ihrer Energiekonzentration der Hitzeentwicklung"heisser"Plasmastrahlen durchaus gleichzusetzen ist.
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Der grosse Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass es möglich ist, das kalte Plasmoid mittels Düsen aus nichtleitendem Material beliebig zu formen, ohne dass es zu einem Düsenverschleiss infolge von Temperaturbelastungen kommt. Beim Oberflächenhärten von Stahl fällt auch der schon besprochene Nachteil weg, dass die Kanten wegen des an ihnen auftretenden starken Feldstärkegradienten bevorzugt wegschmelzen. Die erzielten Härten sind ausserdem höher als bei herkömmlichen Oberflächenhärteverfahren. Beispielsweise konnte bei Schnellarbeitsstählen vom Typ
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oberflächengehärteten Zustand eine Härte von maximal 65 bis 66 RC aufweisen, mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens eine Härteschicht mit 68 RC und darüber erzeugt werden, welche ausserdem vollkommen gleichmässig war.
Bei einer Blechstärke von 2 mm betrug die Tiefe der Härteschicht in Richtung der Blechebene etwa 5 mm. Bei Stählen vom Typ 1, 25% C, 0, 20% Si, 0, 2% Mn wurden Mindesthärten von 1100 kp/mm2 (50 p) erreicht.
Als Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann beispielsweise folgende in Fig. l dargestellte Anordnung Verwendung finden : An die Auskoppelung eines Hochfrequenzerzeugers--l--ist eine das elektromagnetische Feld erzeugende stabförmige Elektrode--2-angeschlossen, welche von einem nichtleitenden Rohr-3-umgeben ist,-4-ist ein Rohrstutzen für die Gaszufuhr, --5-- die -Haltevorrichtung für den Kathodenstift,-6-das entstehende Plasmoid und--7--das als kapazitiver Rückschluss wirkende elektrisch leitende Werkstück. Auf dem Rohr-3-kann ein Aufsatz --8-- aus nichtleitendem Material befestigt werden, welcher mindestens eine Öffnung zur Formgebung des Plasmoides besitzt.
Diese Anordnung kann selbstverständlich die verschiedensten Abänderungen erfahren. So ist es z. B. möglich, die Stabelektrode-2-als Rohr auszubilden, welches gleichzeitig als Gaszuführung dient.
Eine besonders einfache Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist in Fig. 2 dargestellt und besteht aus einem elektrisch leitenden Rohr, vorzugsweise aus Kupfer, welches an
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intensiven Erhitzung des Werkstückes in der Umgebung der Auftreffstelle führt.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur raschen Erhitzung leitender Werkstoffe, und besteht darin, dass ein ionisierbares gasförmiges Medium in einem inhomogenen elektromagnetischen Wechselfeld ionisiert wird, und dass das aus dem System austretende Plasmoid mit den zu erhitzenden Partien des Werkstoffes in Verbindung gebracht wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur raschen Erhitzung elektrisch leitender Werkstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass ein ionisierbares gasförmiges Medium in einem inhomogenen elektromagnetischen Wechselfeld ionisiert wird und das derart erzeugte Plasmoid mit dem zu erhitzenden Werkstück in Verbindung gebracht wird.