Vorrichtung zur Durchführung von unter der Einwirkung einer mit Wechselstrom betriebenen Gasentladung ablaufenden Prozessen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung von Gasentladungs-, insbesondere von Glimmentladungsprozessen, bei spielsweise zur Oberflächenbehandlung von metalli schen Werkstücken.
Derartige Prozesse werden bekanntlich in Ent ladungsgefässen, bei grösseren Leistungen in metalli schen Gefässen durchgeführt, die eine dem jeweiligen Zweck entsprechende Gasatmosphäre enthalten und geeignete Elektrodeanordnungen im Inneren aufwei sen, zwecks Erzeugung einer elektrischen Gas- bzw. Glimmentladung bei Zuführung genügend hoher Spannungen zu den Elektroden. Bei der Oberflächen behandlung von Werkstücken oder anderem Behand lungsgut, etwa einer Schmelze, bildet meist das Be handlungsgut eine der Elektroden und ist über eine isolierte Stromdurchführung mit einem Pol der Span nungsquelle verbunden.
Zur Durchführung der genannten Gas- und Glimmentladungsprozesse wird häufig den Elektro den Gleichspannung zugeführt, wobei das Behand lungsgut meist als Kathode, in gewissen Fällen aber auch als Anode arbeitet. Zur Erzielung besonderer Effekte wird die Gleichspannung auch periodisch ein- und ausgeschaltet oder zwischen einem höheren und einem niedrigeren Wert periodisch aufeinander folgend umgeschaltet, wobei die Hochleistungsnnter- valle kürzer oder länger als die Zwischenintervalle sein können.
Häufig wird den Elektroden auch tech nischer Wechselstrom von 50 Hz zugeführt, meist einphasig, bei entsprechender Elektrodenanordnung aber auch mehrphasig. Auch diese Wechselspannung kann impulsartig ein- und ausgeschaltet werden oder in aufeinanderfolgenden Intervallen einen höheren bzw. niedrigeren Amplitudenwert besitzen.
In der Vergangenheit wurden gelegentlich bereits Unterschiede in der Wirksamkeit eines mit Gleich- oder mit Wechselspannung betriebenen Gas- bzw. Glimmentladung beobachtet. Jedoch konnten aus den jeweiligen Ergebnissen nicht ermittelt werden, worauf der Unterschied beruht und gewöhnlich wurde empirisch festgestellt, ob Gleich- oder Wechsel spannung für einen bestimmten durchzuführenden Prozess geeigneter sei.
Auf Grund von systematisch durchgeführten Un tersuchungen hat sich aber nunmehr gezeigt, dass sich bei Verwendung von Wechselstrom durch An passung der Frequenz des Wechselstroms an den jeweils durchzuführenden Prozess wesentlich bessere Ergebnisse erzielen lassen. Die erfündungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung von Prozessen, die in einem Entladungsgefäss unter Einwirkung einer mit Wechselstrom betriebenen Gasentladung ablau fen, kennzeichnet sich dadurch, dass Mittel vorgese hen sind, welche es erlauben, die Frequenz der spei senden Wechselspannung zu verändern.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Figur näher erläutert.
Das im Prinzipschema gezeichnete Ausführungs beispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt ein Glimmentladungsgefäss 1 aus Metall mit den Gaszufuhr- und Gasabsaugleitungen 2 bzw. 3 und dem im Inneren isoliert aufgehängten Werkstück 4, das z. B. in bekannter Weise in der Glimmentladung an der Oberfläche nitriert und gehärtet werden soll. Hierzu wird im Gefäss 1 eine stickstoffhaltige Atmo sphäre, z.
B. aus 30 Vol.o/o-, Stickstoff und 70 Vol 9/o Wasserstoff, bei einem Druck im Bereich von etwa 1 bis 100 mm Hg geschaffen, wobei zu Beginn des Prozesses zweckmässigerweise zwischen 1 bis 10 mm Hg Druck eingestellt und der Druck dann erst er- höht wird. Das Werkstück 4 ist über die isoliert im Gefäss 1 angeordnete Stromdurchführung 5 mit dem einen Ende der Sekundärwicklung 6 verbunden.
An der Sekundärwicklung wird durch den Abgriff 7 eine Spannung der gewünschten Höhe abgenommen, bei spielsweise zwischen 400 und 600 Volt, und über eine weitere isoliert im Gefäss 1 angebrachte Strom durchführung 8 mit der Gegenelektrode 9 im Gefäss 1 verbunden. Entsprechend der zwischen dem Werk stück 4 und der Gegenelektrode 9 herrschenden Spannung bildet sich zwischen ihnen eine elektri sche Glimmentladung aus. Da hier von der @Sekun- därwicklung 6 eine Wechselspannung geliefert wird, bildet das Werkstück 4 abwechselnd die Kathode bzw. die Anode in der Entladung.
Ausser der Sekundärwicklung 6 weist der Trans formatorkern 10 hier zwei in Reihe geschaltete Pri märwicklungen lla bzw. llb auf, die im vorliegen den Ausführungsbeispiel gleiche Windungszahl be sitzen. Gespeist werden die beiden Primärwicklun gen abwechselnd aus den am Drehstromnetz 14 an geschlossenen Gleichrichtern 12a bzw. 12b über die Schaltorgane 13a bzw. 13b, die im einfachsten Fall als Ein/Aus-Schalter, bei grösseren Leistungen aber als steuerbare elektronische Ventile ausgebildet sind. Die Öffnung oder Schliessung der Schaltorgane 13a, 13b erfolgt über das Steuergerät 15 im Gegentakt und mit einem zeitlich veränderbaren Rhythmus.
Also entsteht, bei gleichem Windungssinn der Pri märwicklungen 11a, 11b und der angedeuteten Rich tung der Ströme i" und ib, im Kern 10 ein in seiner Richtung wechselnder Magnetfluss, der in der Sekun därwicklung 6 die gewünschte Wechselpannung erzeugt.
Natürlich handelt es sich bei der Sekundärspan nung nur dann um eine einwellige Sinusspannung, wenn durch eine entsprechende Halbwellensteuerung der Schaltorgane 13a, 13b, die beiden Primärströme 1a und ib sich im gemeinsamen Mittelleiter 16 zu einem sinusförmigen Primärstrom i, addieren. An dernfalls enthält die Sekundärspannung mehr oder weniger Oberwellen, was aber in vielen Fällen nicht unerwünscht ist.
Wesentlich ist, dass die beschriebene Apparatur bei geeigneter Ausbildung des Steuergerätes 15 eine einfache Frequenzänderung der Betriebswechsel spannung an der Sekundärwicklung 6 ermöglicht. Dabei lässt sich ein relativ hoher Wirkungsgrad dieser frequenzvariablen Stromversorgung erzielen und bei genügend grosser Dimensionierung des Transforma- torkerns 10 auch ein Betrieb mit sehr niedrigen Fre quenzen, beispielsweise bis zu 0,1 Hz ermöglichen.
Die einfache und rasche Frequenzänderung gestaltet die Wahl einer für den jeweiligen Zweck besonders günstigen periodischen Glimmentladungsbeaufschla- gung des Behandlungsgutes. Es können auch zwei oder mehr unterschiedliche Frequenzen nacheinan der oder abwechselnd innerhalb vorgegebener Zeit intervalle verwendet werden. Dabei kann, falls er wünscht, auch die Betriebsspannung zusammen mit der Frequenz geändert werden.
Schliesslich besteht auch die Möglichkeit, die Überbrückung des Klem- menpaares 17 zu entfernen und eine Gleichspan nungsquelle mit der Sekundärwicklung 6 in Reihe zu schalten, also die in ihrer Frequenz einstellbare Wech selspannung einer Gleichspannung zu überlagern.
Bei systematischen Untersuchungen hat sich ge zeigt, dass tatsächlich durch die abwechselnde katho- dische und anodische Behandlung eines Werkstücks eine Oberflächenveredelung erzielen lässt, die bei Gleichspannungsbetrieb nicht oder nur bei längeren Behandlungszeiten bzw. bei höherer Energie erreich bar sind.
Anscheinend ist die aufeinanderfolgende Beeinflussung der Werkstückoberfläche durch das bei kathodischem Betrieb entstehende Ionenbombar- dement bzw. das bei anodischem Betrieb auftretende Elektronenbombardement von Bedeutung in bezug auf die Art der gebildeten Oberflächenzone. So wurde beispielsweise bei der Nitrierung von ;Stahloberflä chen mit einer günstigen Frequenz der Wechsel spannung, eine besonders gleichmässige Härtung längs der gesamten Werkstückoberfläche erzeugt.
Bei Vergleichsversuchen wurden gleichartige Werkstücke bei jeweils gleicher Temperatur und Gaszusammen setzung sowie bei gleichem Gasdruck jeweils 25 Stunden mit Gleichspannung bzw. mit angenähert sinusförmiger Wechselspannung von etwa 20 Hz be handelt. Ein Vergleich der Nitrierschichten ergab zwar angenähert gleiche Oberflächenhärte der unter schiedlich behandelten Werkstücke, aber bei der mit Wechselspannung nitrierten Probe eine merk lich grössere Nitriertiefe und anscheinend auch eine bessere Verzahnung der gehärteten Oberflächen schicht mit dem Kernmaterial.
Die Duktilität der Schicht bei der mit Wechselspannung behandelten Probe scheint auch günstiger zu sein, jedenfalls ergab bei ähnlichen Versuchen mit Feuerwaffenrohren die mit Wechselspannung nitrierte Innenwandung eine bessere Verschleissfestigkeit.
Soweit bisher ermittelt werden konnte, lässt sich für verschiedene Legierungen und Werkstoffe jeweils ein optimaler Frequenzbereich bei Wechselspannungs- betrieb auffinden, was sich durch einfache Vergleichs messungen an beispielsweise 6 Proben feststellen lässt, die unter sonst gleichen Bedingungen z. B. mit Frequenzen von 0,1/1'10/50(100j200 Hz behan delt werden. Ist das so ermittelte günstigste Frequenz- gebiet bekannt, dann kann mit einigen weiteren Pro ben dessen Umgebung genauer überprüft werden, und die optimale Frequenz festgestellt werden.
Dabei handelt es sich um einfache, in jedem metallurgi schen Betrieb übliche Routine-Prüfungen, die dem Fachmann geläufig sind.
Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, bei kom plizierten Werkstücken und z. B. bei engen Rohren die optimale Behandlungsfrequenz erneut festzustellen, selbst wenn das günstigste Frequenzgebiet für die betreffende Legierung bereits bekannt ist. Beispiels weise hat sich ergeben, dass bei engen und langen Bohrungen für die Innenwandungen eine andere Fre- quenz optimal ist als für die Aussenwandungen. Von Vorteil ist hierbei auch eine abwechselnde Behand lung mit zwei Frequenzen, die in kürzeren oder län geren Abständen zur Anwendung kommen.
Device for carrying out processes taking place under the influence of a gas discharge operated with alternating current. The present invention relates to a device for carrying out gas discharge, in particular glow discharge processes, for example for the surface treatment of metallic workpieces.
Such processes are known to be carried out in Ent discharge vessels, with greater powers in metallic vessels containing a gas atmosphere suitable for the respective purpose and suitable electrode arrangements inside aufwei sen, for the purpose of generating an electrical gas or glow discharge when supplying sufficiently high voltages to the electrodes . When treating the surface of workpieces or other material to be treated, such as a melt, the material to be treated usually forms one of the electrodes and is connected to one pole of the voltage source via an insulated current feedthrough.
To carry out the gas and glow discharge processes mentioned, the electric is often fed to the DC voltage, with the treatment material mostly working as a cathode, but in certain cases also as an anode. In order to achieve special effects, the direct voltage is also switched on and off periodically or switched between a higher and a lower value periodically one after the other, the high-power intervals being shorter or longer than the intermediate intervals.
Often the electrodes are also supplied with technical alternating current of 50 Hz, mostly single-phase, but also multi-phase with the appropriate electrode arrangement. This alternating voltage can also be switched on and off in a pulse-like manner or have a higher or lower amplitude value in successive intervals.
In the past, differences in the effectiveness of a gas or glow discharge operated with direct or alternating voltage have occasionally been observed. However, it was not possible to determine from the respective results what the difference was based on and it was usually empirically determined whether DC or AC voltage was more suitable for a specific process to be carried out.
On the basis of systematically carried out investigations, however, it has now been shown that when using alternating current, by adapting the frequency of the alternating current to the respective process to be carried out, significantly better results can be achieved. The device according to the invention for carrying out processes which expire in a discharge vessel under the action of a gas discharge operated with alternating current is characterized in that means are provided which allow the frequency of the alternating voltage to be changed.
In the following an embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the figure.
The embodiment of the device according to the invention drawn in the schematic diagram shows a glow discharge vessel 1 made of metal with the gas supply and gas suction lines 2 and 3 and the workpiece 4, which is insulated inside and suspended, for example. B. to be nitrided and hardened in a known manner in the glow discharge on the surface. For this purpose, a nitrogen-containing atmosphere is in the vessel 1, z.
B. from 30 vol.o / o, nitrogen and 70 vol 9 / o hydrogen, created at a pressure in the range of about 1 to 100 mm Hg, at the beginning of the process expediently set between 1 to 10 mm Hg pressure and the Pressure is only then increased. The workpiece 4 is connected to one end of the secondary winding 6 via the current feedthrough 5 arranged in an insulated manner in the vessel 1.
A voltage of the desired level is taken from the secondary winding through the tap 7, for example between 400 and 600 volts, and connected to the counter electrode 9 in the vessel 1 via a further insulated current leadthrough 8 mounted in the vessel 1. According to the voltage prevailing between the work piece 4 and the counter electrode 9, an electrical glow discharge forms between them. Since an alternating voltage is supplied here by the secondary winding 6, the workpiece 4 alternately forms the cathode and the anode in the discharge.
In addition to the secondary winding 6, the transformer core 10 has two series-connected primary windings 11a and 11b, which in the present embodiment have the same number of turns. The two primary windings are fed alternately from the rectifiers 12a and 12b connected to the three-phase network 14 via the switching elements 13a and 13b, which in the simplest case are designed as on / off switches, but for higher powers as controllable electronic valves. The switching elements 13a, 13b are opened or closed via the control device 15 in push-pull mode and with a rhythm that can be changed over time.
So arises, with the same direction of winding of the primary windings 11a, 11b and the indicated direction of the currents i "and ib, in the core 10 a directional magnetic flux that generates the desired alternating voltage in the secondary winding 6.
Of course, the secondary voltage is only a single-wave sinusoidal voltage if the two primary currents 1a and ib are added to a sinusoidal primary current i in the common central conductor 16 through a corresponding half-wave control of the switching elements 13a, 13b. Otherwise the secondary voltage contains more or fewer harmonics, but this is not undesirable in many cases.
It is essential that the described apparatus, with a suitable design of the control device 15, enables a simple frequency change of the alternating operating voltage on the secondary winding 6. This makes it possible to achieve a relatively high efficiency of this variable-frequency power supply and, given a sufficiently large dimensioning of the transformer core 10, it can also operate at very low frequencies, for example up to 0.1 Hz.
The simple and rapid change in frequency shapes the choice of a periodic glow discharge application of the material to be treated which is particularly favorable for the respective purpose. Two or more different frequencies can also be used one after the other or alternately within a predetermined time interval. If so desired, the operating voltage can also be changed along with the frequency.
Finally, it is also possible to remove the bridging of the pair of terminals 17 and to connect a DC voltage source in series with the secondary winding 6, ie to superimpose the frequency-adjustable AC voltage on a DC voltage.
Systematic investigations have shown that the alternating cathodic and anodic treatment of a workpiece can actually achieve a surface refinement that cannot be achieved with direct voltage operation or only with longer treatment times or with higher energy.
Apparently, the successive influencing of the workpiece surface by the ion bomb dementia that occurs during cathodic operation or the electron bombardment that occurs during anodic operation is important with regard to the type of surface zone formed. For example, when nitriding steel surfaces with a favorable frequency of the alternating voltage, a particularly uniform hardening was created along the entire surface of the workpiece.
In comparative tests, similar workpieces were treated at the same temperature and gas composition as well as at the same gas pressure for 25 hours with direct voltage or with approximately sinusoidal alternating voltage of about 20 Hz. A comparison of the nitriding layers showed approximately the same surface hardness of the differently treated workpieces, but with the sample nitrided with alternating voltage, a noticeably greater nitriding depth and apparently better interlocking of the hardened surface layer with the core material.
The ductility of the layer in the sample treated with alternating voltage also appears to be more favorable; in any case, in similar tests with firearm barrels, the inner wall nitrided with alternating voltage showed better wear resistance.
As far as it has been possible to determine so far, an optimal frequency range can be found for different alloys and materials in alternating voltage operation. B. can be treated with frequencies of 0.1 / 1'10 / 50 (100j200 Hz. If the most favorable frequency range determined in this way is known, then its surroundings can be checked more precisely with a few additional samples and the optimal frequency can be determined .
These are simple routine tests that are customary in every metallurgical plant and are familiar to those skilled in the art.
It has also been found to be advantageous in com plicated workpieces and z. B. determine the optimal treatment frequency again in narrow pipes, even if the most favorable frequency range for the alloy in question is already known. For example, it has emerged that, in the case of narrow and long bores, a different frequency is optimal for the inner walls than for the outer walls. An alternating treatment with two frequencies that are used at shorter or longer intervals is also advantageous.