Verfahren zur Schaffung einer elektrischen Glimmentladung hoher Stromstärke in einem Entladungsgefäss Die Anwendung der Glimmentladung für tech nische Prozesse, insbesondere metallurgischer Art, ist bekannt. Es ist ebenfalls bekannt, hierbei metallische Entladungsgefässe zu verwenden und die erforder liche elektrische Energie durch isolierte Stromeinfüh- rungen zuzuführen, wobei die zu behandelnden Werk stücke als Elektroden angeordnet sein können.
Die Durchführung von Prozessen mittels Glimm- entladungen erfordert - teils zur Erzielung einer möglichst kurzen Behandlungszeit, teils zur Erzeugung der notwendigen Temperatur an den am Prozess be teiligten Flächen - einen Energieumsatz an vor bestimmten Flächen bis zu Werten von 50 Watt/cm2. Derartige Entladungsintensitäten konnten aber bis her entweder überhaupt nicht oder höchstens nur ganz kurzzeitig hergestellt werden, da einigermassen stabile Entladungszustände nur mit hohen Impedan zen in den Speisestromkreisen erzielbar waren, was einen hohen technischen Aufwand und schlechten Wirkungsgrad mit sich brachte.
Dementsprechend haben sich auch solche Glimmprozesse in industriel lem Massstab bisher nicht eingeführt und sind mehr oder weniger nur laboratoriumsmässig untersucht wor den. Ferner war bisher der grösstmögliche Energie umsatz in derartigen Entladungsgefässen durch die maximal zulässige Entladungsbeaufschlagung der Stromeinführungen beschränkt, und zwar auf relativ niedrige Werte im Vergleich zu den für die Durch führung technischer Prozesse erwünschten Leistungen.
Dazu kommt noch, dass bisher in den Speise stromkreisen derartiger Entladungsgefässe beträcht liche Widerstände zur Stabilisierung der Entladung erforderlich sind, die besonders bei Gleichstrom betrieb entsprechende Energieverluste bedingen, also die Wirtschaftlichkeit noch weiter verringern. Die vorliegende Erfindung bezweckt die über- windung dieser Mängel und betrifft ein Verfahren zur Schaffung einer elektrischen Glimmentladung hoher Stromstärke und grosser Entladungsintensität zur Durchführung metallurgischer, chemischer und anderer technischer Prozesse.
Hierbei ist kennzeich nend, dass bei Inbetriebnahme in einem Entladungs gefäss die Spannung an den Elektroden und der Gas druck so gewählt werden, dass eine Glimmentladung von im Vergleich zum betriebsmässigen Endzustand geringer Intensität erzeugt wird, und dass zur Erzie lung des betriebsmässigen Endzustandes ein Anlauf vorgang durchgeführt wird, bei dem Spannung und Gasdruck gesteigert werden, bis die für den betriebs mässigen Endzustand vorgesehene Entladungsinten sität erreicht ist.
Die Erfindung ist nachstehend in einigen Ausfüh rungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 10 näher be schrieben. Hierbei ist: Fig. 1 eine typische Strom/Spannungs-Kennlinie üblicher Glimmentladungen, im Vergleich mit einer nach dem hier gebrauchten Verfahren erzielbaren Kennlinie, Fig.2 und 3 je eine schematische Darstellung eines Entladungsgefässes zur Erläuterung des Ver fahrens, Fig. 4 ein Diagramm über den Anlaufvorgang, Fig. 5 und 6 je eine Photographie des Inneren des Rezipienten nach Fig. 9 zu Beginn und am Ende des Anlaufvorganges, Fig.
7 eine Strom/Spannungs-Kennlinie für eine Glimmlichtentladung im Entladungsendzustand, Fig. 8 eine schematische Darstellung eines weite ren Entladungsgefässes, Fig. 9 ein Anlagenschema und ein Entladungs gefäss zur Behandlung von Stahlrohren, Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine Stromein führung für das Entladungsgefäss nach Fig. 9.
Dem hier betriebenen Verfahren liegt die durch jahrelange Untersuchungen erhärtete Erkenntnis zu grunde, dass der zur Durchführung von metallurgi schen und chemischen Prozessen mittels Glimmentla dungen im technischen Massstab erforderliche hohe Energieumsatz, im Entladungsgefäss bei Dauerbetrieb nur dann erzielbar ist, wenn ein ganz aussergewöhn licher Entladungszustand erreicht und aufrechterhalten werden kann. Dies ist verständlich angesichts der Tatsache, dass ein Energieumsatz an den am Prozess beteiligten Flächen in der Grössenordnung von 30 bis 50 Watt pro cm2 und 20 000 Watt pro behandel tes Werkstück im tagelangen Dauerbetrieb erforder lich ist.
Unter den mittels Glimmentladungen durch zuführenden technischen Prozessen wird dabei vor allem das Eindiffundieren von Stoffen in Metall oberflächen verstanden, also beispielsweise das Nitrie ren (Einlagerung von Stickstoff), Borieren, Silizieren, Wolframieren usw., sowie Prozesse chemischer Art, wie Reduktionen, Hydrierungen, Polymetrisierungen usw. und Schmelzprozesse.
Ein derartiges Behandlungsverfahren ist verständ licherweise nur dann betriebssicher durchführbar, wenn es gelingt, einerseits einen stabilen Betrieb bei hoher Energiedichte, bei höchsten Temperaturen und auch bei lokalen Störungen an den Prozessflächen aufrechtzuerhalten, und anderseits energiereiche Glimmentladung auf die zu behandelnden oder sonst am technischen Prozess beteiligten Flächen und die denselben unmittelbar benachbarte Gasschicht zu konzentrieren, sei es, dass diese Flächen metallische Werkstücke oder nur Träger zu behandelnder Sub stanzen sind.
Bekanntlich zeigt die Strom/Spannungs-Kennlinie 65 einer beispielsweise mit Gleichspannung betrie benen elektrischen Gasentladung bisher bekannter Art gemäss Fig. 1 einen sogenannten normalen Be reich X und einen nach höheren Spannungswerten sich hieran anschliessenden anormalen Bereich Y, wobei sich an den anormalen Bereich Y bei einer weiteren Spannungs- bzw. Stromsteigerung ein fallender Kennlinienteil anschliesst, der zum Punkte 67 führt, bei dem die Glimmentladung in eine Bogenentladung übergeht.
Das Strom/Spannungsdiagramm der Fig. 1 und die Kennlinie 65 zeigen diesen typischen Verlauf von Glimmentladungen bei Gleichspannung gemäss dem bisherigen Stand der Technik und Wissenschaft (siehe z. B. Dosse, Mierdel, Der elektrische Strom im Hoch vakuum und in Gasen , Hirzel 1945, Seite 317, so wie Loeb Fundamental Prozess of electrical Dis- charges in Gases , Verlag Wiley, 1947, Seiten 606 bis 608).
Der normale Bereich X der Entladung endet bei jenem Strom, bei dem die spannungsführenden Elek trodenteile vollständig vom Glimmlicht bedeckt sind. Bei einer weiteren Spannungssteigerung nimmt die Spannung und die Entladungsstromstärke zu, wobei die grösser werdende Spannung, die sich bekanntlich weitgehend auf den sogenannten Kathodenfall un mittelbar vor der negativen Elektrode konzentriert bewirkt, dass die positiven Gasionen mit gesteigerter kinetischer Energie auf die Elektrodenfläche auf treffen. Bei Gleichspannungsbetrieb tritt dies an der Kathode dauernd auf, während bei Wechselspan nungsbetrieb jede Elektrode während je einer Halb periode zur Kathode wird.
Im Kathodenfallraum stellt sich bei ungestörter Glimmentladung ein Gleich gewichtszustand zwischen dem Ionenstrom zur Elek trodenfläche und den dort ausgelösten Elektronen ein. Die bei einer Spannungssteigerung zunehmende Ener gie der aufprallenden Ionen bewirkt eine Erhitzung der betreffenden Elektrode, was zu einer thermischen Elektronenemission des Elektrodenmetalls führt. Dieser thermische Emissionsstrom aus negativen Elek tronen und andere bisher erst wenig geklärte Emis sionsvorgänge an der Elektrode, in Wechselwirkung mit der benachbarten Gasschicht, können zu einer Kontraktion der Entladung auf einen Brennfleck und zur Zündung eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und der nächstgelegenen Gegenelektrode führen.
Dieser Übergang in die Bogenentladung ent spricht dem Punkt 67 der Kennlinie 65, der anschei nend dort gelegen ist, wo der Glimmentladungs- Kathodenfall durch die Elektronenemission des Elek trodenmetalls - wenigstens stellenweise - zum Ver schwinden gebracht ist. Die Gesamtentladungsspan nung der Bogenentladung ist stets weniger als die Hälfte der Glimmentladungsspannung bei Betrieb im normalen Bereich X der Kennlinie.
Für technische Prozesse mittels Glimmentladun- gen muss der Übergang in eine Bogenentladung unter allen Umständen vermieden werden, da eine solche lokale Überhitzung an einzelnen Punkten der Elek- trodenflächen ergibt und keine gleichmässigen, repro- duzierbaren Prozesse der hier behandelten Art er möglicht.
Dem Bestreben zur Steigerung der Energie dichte der Glimmentladungen war also bisher eine Grenze gesetzt durch die hierbei auftretende Erwär mung der Elektroden und deren thermische Elektro nenemission, die unweigerlich zu einem Übergang in eine Bogenentladung mit mehr oder weniger ausge prägter Kontraktion der Entladung auf begrenzte Elektrod'enbereiche, bei gleichzeitigem Absinken der Entladungsspannung auf Werte meist weit unter 100 Volt, führen musste. Es ist daher in der Vergangen heit nicht möglich gewesen, bei einer Steigerung des Energieumsatzes der Glimmentladung, den unstabilen Übergangsbereich der Entladungskennlinie von der Glimm- zur Bogenentladung zu vermeiden.
Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten ist die Durchführung eines Anlaufvorganges notwendig, nach dessen Vollendung der stationäre Entlad'ungs- endzustand erreicht ist, der mit vorbestimmtem Energieumsatz und vorbestimmter spezifischer Lei stung an den am Prozess beteiligten Flächen verläuft und im Dauerbetrieb aufrechterhalten werden kann, wobei der Energieumsatz und die spezifische Leistung an allen anderen Teilen vorgegebene Höchstwerte nicht überschreiten.
Das Verfahren ist dabei keines wegs auf bestimmte Elektrodenanordnungen und Formen der am Prozess beteiligten Flächen beschränkt und kann praktisch auf alle vorkommenden Fälle angewendet werden, wenngleich natürlich die Anord nung jeweils sinngemäss erfolgen muss. Jedenfalls stel len aber die zur Erläuterung des Verfahrens nach stehend verwendeten Fig. 2, 3 und 4 nur schematisch wiedergegebene Beispiele für geeignete Anordnungen und Entladungsgefässe dar.
Das Entladungsgefäss nach Fig. 2 zur Durchfüh rung eines derartigen Prozesses ist beispielsweise für den Betrieb an einer Spannung konstanter Polarität, aber nicht notwendigerweise konstanter Amplitude eingerichtet, und besteht aus dem abnehmbaren Ober teil 1 und dem Bodenteil 2, vorzugsweise beide aus elektrisch leitendem Material, etwa Metall. Die Teile <B>1</B> und 2 sind gasdicht miteinander verbunden und im Innenraum kann über die Gasabsaugleitung 3 und die Gaszuführungsleitung 4 eine Gasatmosphäre beliebigen Druckes und beliebiger Zusammensetzung geschaffen werden. Der Oberteil 1 weist eine isolierte Stromeinführung 5 auf, die hier den Anodenanschluss darstellt und im Bodenteil 2 ist eine entsprechende isolierte Stromeinführung 6 als Kathodenanschluss vorgesehen.
Beide Durchführungen sind gasdicht in den entsprechenden Wandungen 1 bzw. 2 eingebaut. Die Durchführung 6 trägt über geeignet ausgebildete Halterungen 7 die im technischen Prozess zu behan delnden Gegenstände, hier beispielsweise das metalli sche Werkstück B. Diesem gegenüber ist eine Elek trode 9 angeordnet, die an der Durchführung 5 be festigt ist und die Anode darstellt, aber am durch zuführenden technischen Prozess selbst nicht beteiligt sein soll.
Die Aufgabe besteht nun darin, die energie reiche Glimmentladung, in Fig. 2 gestrichelt mit 10 angedeutet, möglichst weitgehend auf die am Prozess beteiligten Aussenflächen des Werkstückes 8 zu be schränken und dort einen vorbestimmten Wert des Energieumsatzes bei vorgegebener spezifischer Lei stung zu erreichen, ohne dass die anderen spannungs führenden Teile, also die Innenseite der Stromein führungen 5 und 6, die Halterungen 7 und die Elek trode 9 eine den zulässigen Höchstwert überschrei tende Glimmentladungsbeaufschlagung aufweisen. Auch die Innenwandungen der Gefässteile 1 und 2 sollen weitgehend frei von solchen störenden und Energieverlusten ergebenden Glimmentladungen sein.
Die gleiche Aufgabenstellung liegt auch beim Wechselstrombetrieb eines derartigen Entladungs gefässes 1, 2 vor, jedoch besteht, wie in Fig. 3 ange deutet, hierbei kein Unterschied mehr zwischen der Anode und der Kathode, weshalb nunmehr gleichzeitig zwei Werkstücke 8a und 8b dem gewünschten Pro zess unterzogen werden können, die an der einen bzw. anderen Halterung 7 bzw. 9 befestigt und mit den Stromeinführungen 6 bzw. 5 verbunden sind. Die energiereiche Glimmentladung 10a und 10b soll hier möglichst weitgehend auf die beiden am Prozess be- teiligten Aussenflächen der Werkstücke 8a, 8b be schränkt werden.
Diese Aufgabenstellung - für die bisher be kannte Glimmentladungstechnik bei den für tech nische Verwendungszwecke notwendigen Leistungen völlig undurchführbar - ist nur dann lösbar, wenn der gewünschte Gasentladungs-Endzustand über einen Anlaufvorgang geschaffen wird. Jdoch ist bei den in der Praxis auftretenden, sehr unterschiedlichen tech nischen Prozessen, den verschiedenen Werkstück formen, den eventuellen Rückwirkungen seitens der am Prozess beteiligten Flächen usw. verständlicher weise eine sorgfältige Vorausplanung des erwünschten Prozesses erforderlich.
Bei dem hier zu verwendenden Anlaufvorgang wird zu Beginn ein Gasdruck und eine Elektroden spannurig eingestellt, die der jeweiligen nach dem oben genannten Regeln gestalteten Elektrodenanordnung und deren Anfangstemperatur angepasst sind und eine Glimmentladung bewirken, die wie üblich eine beliebige Ausdehnung aufweist.
Die Elektrodenspan nung und der Gasdruck werden so gewählt, dass in der Anfangsphase des Anlaufvorganges sämtliche spannungsführenden Teile mit einer Glimmhaut be deckt sind. An den für nachteilige Auswirkungen sol cher noch wenig energiereichen Glimmentladungen besonders empfindlichen isolierenden Stromeinführun- gen 5 und 6 sind noch näher zu beschreibende Mittel zu deren Unschädlichmachung vorgesehen.
Diese An fangsphase des Anlaufvorganges wird zeitlich so lange ausgedehnt, bis an den spannungsführenden Teilen alle zu Unregelmässigkeiten der Entladung Anlass ge- benden Mängel der Oberflächenschicht, etwa Ober- flächenverunreinigungen durch Berührung derselben beim Einbau, oder Gasausbrüche und dergleichen, durch die Wirkung der Glimmschicht beseitigt sind.
Durch den Temperaturanstieg während dieser An fangsphase können Änderungen der Elektrodenspan nung und des Gasdruckes notwendig werden, um die vollständige Glimmlichtbedeckung aller spannungs führenden Teile aufrechterhalten zu können.
Nach Beseitigung aller derartigen Unvollkommen- heiten der Oberflächenschicht bedeckt das Glimmlicht die .spaanungführenden Flächenteile als eine gleich mässige Leuchtschicht. Nunmehr wird unter ständiger Erhöhung des Gasdruckes und meist auch der Elek- trodenspannung die spezifische Leistung der Entladung an den am Prozess beteiligten Flächenerhöht und damit der Energieumsatz stufenweise vergrössert.
Da bei lässt sich erreichen, dass die spezifische Leistung der Glimmentladung an den nicht am eigentlichen Prozess beteiligten Flächen nicht im gleichen Aus mass ansteigt, unter Umständen sogar mehr und mehr sich verringert, so dass sich der Energieumsatz vor allem auf die erwünschten Flächen beschränkt, die dadurch in zunehmendem Masse erhitzt werden und sich der für den durchzuführenden metallurgischen oder chemischen Prozess erwünschten Temperatur nähern.
Dieser Entladungsendzustand wird nach einer für jeden Prozess und die Art und Grösse der beteilig- ten Flächen bzw. Gasschichten charakteristischen An laufzeit erreicht, wobei dann die energiereiche Glimm-
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Flächen konzentriert ist, und dort einen vorgegebenen Wert der spezifischen Leistung und des Energieum satzes aufweist, während an allen anderen spannung führenden Teilen und insbesondere den Stromeinfüh rungen die Entladungsbeaufschlagung einen gegebe nen Höchstwert nicht überschreitet.
Die Glimmentla- dung während des Anlaufvorganges kann, falls er wünscht, durch Einschaltung einer Serieimpedanz, bei spielsweise einer induktiven Impedanz, in den Speise stromkreis der Elektroden stabilisiert werden. Es kann an deren Stelle, oder auch zusätzlich, ferner eine praktisch trägheitslos wirkende Steuerung der Elektrodenspannung vorgesehen werden, die bei jeder Überschreitung eines vorbestimmten und einstellbaren Maximalstromes oder beim Unterschreiten einer ein stellbaren Mindestspannung eine kurzzeitige Ab senkung der Spannung bewirkt.
Beide Massnahmen dienen dazu, um eine unzulässige grosse lokale Er hitzung einzelner Flächenteile beim plötzlichen Auf treten starker Unregelmässigkeiten der Oberflächen schicht, etwa bei Gasausbrüchen, zu vermeiden.
Der Anlaufvorgang muss stets mit kleinerem Ener gieumsatz und niedriger spezifischer Leistung begin nen als für den angestrebten Endzustand vorgesehen, und zwar sollte die Leistungsaufnahme des Ent ladungsgefässes, gemessen an den Stromeinführungen, nicht mehr als etwa 50"/o derjenigen des Endzustandes betragen, oder noch niedriger liegen. Der Gasdruck p und die Leistung N sind, für einen typischen Prozess, abhängig von der Zeit t im Diagramm nach Fig. 4 wiedergegeben.
Ein Beispiel für die Erscheinungen beim Anlauf vorgang in einem zylindrischen Metallrezipienten 15 gemäss Fig. 9 von etwa 350 mm lichter Weite zeigen die Fig. 5 und 6, und zwar für die Oberflächen behandlung eines im Rezipienten isoliert aufgehängten Stahlrohres 27 von etwa 20 mm lichter Weite, 70 mm Aussendurchmesser und 24.00 mm Länge. Im Inneren des Rohres 27 ist ein Metalldraht 28 gespannt auf gehängt. Am oberen Ende ist senkrecht oberhalb des Rohres 27 ein schräg gestellter Spiegel angeordnet, über den durch ein Beobachtungsfenster am oberen Ende des Rezipienten 15 das Rohr 27 und die Innen wand des Rezipienten 15 während des Betriebes be obachtet werden können.
Die Aufgabe besteht hier darin, die energiereiche Entladung weitgehend auf die Innen- und Aussenseite des Rohres 27 zu kon zentrieren.
Zu Beginn des Anlaufvorganges bietet das Innere des Rezipienten 15 das in Fig. 5 wiedergegebene Bild, wenn die optische Achse der Aufnahmekamera mit der Achse des .Rezipienten 15 und des Rohres 27 zusammenfällt, wenn man also beispielsweise von oben oder unten in den Rezipienten 15 hereinphoto graphiert. Es ist ersichtlich, dass einzelne Stellen der Aussenseite des in der Mitte der Fig. 5 erscheinenden Rohres unregelmässige Glimmentladungserscheinun- gen zeigen, einige davon mit starker Emission, was Entladungsbahnen zwischen diesem Rohr und der
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bahnen vom Rohr in Richtung der Mitte der linken Seite der Fig. 5 sowie in Richtung der linken oberen Ecke der Fig.5 ergibt.
Stark emittierende Stellen würden ohne die genannten Massnahmen im Speise stromkreis ziemlich sicher zu Bogenentladungen zwi schen dem Rohr und der Rezipientenwandung führen. Die stark emittierenden Stellen der Wandung des Rohres rühren von Verunreinigungen, Oxydschichten oder anderen Mängel der Oberfläche her und wan dern in unregelmässiger Weise über dessen ganze Aussenseite.
Am Ende des Anlaufzustandes zeigt sieh dagegen das in Fig. 6 wiedergegebene Bild. Die Glimmentla- dung ist nunmehr weitgehend auf das Rohr konzen triert und an der Innenwandung des Rezipienten sind nur noch Glimmspuren (Anodenlichter) sichtbar. Die Glimmentladung hat ihren Endzustand mit vorgege bener Energiedichte erreicht, wobei im vorliegenden Fall das Stahlrohr eine Temperatur von 510 C auf weist und mit einer Energiedichte von etwa 1,5 Wattfcm2 an der gesamten Oberfläche betrieben wird. Die während des Anlaufvorganges im Speise stromkreis liegende Serienimpedanz ist ausgeschaltet.
Die Summe aller Impedanzen im Speisestromkreis soll nach Erreichen des Entladungsendzustandes nicht mehr als höchstens 309/o, vorzugsweise weniger als 101h, der Impedanz sämtlicher Entladungsstrecken betragen.
Der Zweck dieses Anlaufvorganges ist also, alle spannungsbeanspruchten Flächen innerhalb eines Ent ladungsgefässes vor der eigentlichen Oberflächen behandlung der in der Glimmentladung zu behandvIn- den Werkstücke von Verunreinigungen, Inhomogeni- täten, Oxydationen und anderen Mängeln der Ober flächen, die z.
B. zu Gasausbrüchen, örtlicher Ver dampfungen, hoher örtlicher Elektronenemission oder zu anderen Unregelmässigkeiten der Entladung Anlass geben könnten, so weit zu befreien, dass nach Ab schluss dieses Anlaufvorganges keine Stellen an den spannungsbeanspruchten Flächen mehr vorhanden sind, bei den sich während der eigentlichen Ober flächenbehandlung eine Bogenentladung ausbilden könnte. Um mit Sicherheit die Entstehung einer Bogen entladung zu verhindern, müssen nun verständlicher weise bei allen spannungsbeanspruchten Flächen die besagten Mängel der Oberfläche beseitigt werden.
Das bedeutet aber, dass alle spannungsbeanspruchten Flächen innerhalb des Anlaufvorganges einer Glimm entladungsbehandlung unterzogen werden müssen.
Zu den spannungsbeanspruchten Flächen gehören aber auch die Stromdurchführungen, beispielsweise bei dem in Fig. 9 dargestellten Rezipienten 15 die Stromdurchführungen 18 und 19.
Die Erzeugung einer Glimmentladung an den spannungsbeanspruchten Flächen der Schutzspalte der Stromdurchführungen ist nun innerhalb des zur Män gelbeseitigung an allen anderen spannungsbeanspruch ten Flächen vorgesehenen Anlaufvorganges im allge meinen deswegen nicht möglich, weil einerseits dieser Anlaufvorgang im allgemeinen in einem Druckbereich stattfindet, dessen obere, nach Beendigung des An laufvorganges erreichte Grenze der Druck ist, bei dem die eigentliche Oberflächenbehandlung des Werk stückes erfolgt, und anderseits die Stromdurchfüh rungen im allgemeinen mit einem derart bemessenen Schutzspaltsystem versehen sind,
dass das Eindringen von Glimmentladungen in diese Schutzspalte bei dem während der eigentlichen Oberflächenbehandlung herrschenden Druck weitgehend verhindert wird. Hierzu ist bekanntlich die Spaltbreite der Schutz spalte derart eng bemessen, dass ein Elektron bei dem herrschenden Betriebsdruck auf seinem Wege durch den Spalt eine geringere Anzahl von Ionen erzeugt als diejenige Anzahl von Ionen, die erforderlich ist, um an der Kathode bzw. an der Kathodenpotential aufweisenden Spaltfläche ein neues Elektron aus zulösen.
Um in einem solchen Schutzspalt eine Glimm- entladung zu erzeugen, muss also die Anzahl der von einem Elektron auf seinem Wege durch den Spalt erzeugten Ionen erhöht werden. Dies erreicht man bekanntlich durch Steigerung des Druckes, weil da durch die sich umgekehrt proportional dem Druck verhaltende mittlere freie Weglänge des Elektrons entsprechend verringert wird und dementsprechend die Anzahl der Stösse und damit die Anzahl der erzeugten Ionen proportional dem Druck ansteigt.
Es ist im übrigen allgemein bekannt, dass man in einem Schutzspaltsystem durch Erhöhung des Druk- kes über den für dieses Schutzspaltsystem vorgesehe nen Betriebsdruck hinaus eine Glimmentladung inner halb der Schutzspalte erzwingen kann.
Nun stellen die die Spalte eines solchen Schutz spaltsystems begrenzenden Wandungen stets Flächen mit hoher Spannungsbeanspruchung dar. Es ist des wegen zweckmässig, auch bei diesen Flächen in einem weiteren Anlaufvorgang alle Mängel der Oberfläche zu beseitigen, die zu einer Bogenentladung führen könnten.
Unbedingt nötig ist dieser weitere Anlauf vorgang zwar nicht, weil erstens die Schutzspalte ja so bemessen ist, dass bei normalem Betriebsdruck, bei dem die eigentliche Oberflächenbehandlung des Werkstückes stattfindet, entweder gar keine oder nur eine stark behinderte Glimmentladung innerhalb der Schutzspalte auftritt, und weil zweitens eine tatsäch lich etwa an den Schutzspalten auftretende Bogen entladung nicht auf das Werkstück übergreifen, son dern lediglich zwischen den Flächen verschiedenen Potentials dieses Schutzspaltsystems bzw.
der Strom durchführung brennen kann, jedoch empfiehlt sich die Durchführung dieses weiteren Anlaufvorganges schon aus dem Grunde, weil man auch die bei Auf treten einer Bogenentladung eintretende Zerstörung der Stromdurchführung sowie Betriebsstörungen in Form von Unterbrechung der eigentlichen Ober- flächenbehandlung des zu behandelnden Werkstückes mit möglichst grosser Sicherheit vermeiden will.
Dieser weitere Anlaufvorgang zur Mängelbeseiti gung an allen die Schutzspalte begrenzenden Flächen wird in einem gegenüber dem genannten Betriebs druck wesentlich höheren Druckbereich durchgeführt und erfolgt ansonsten in gleicher Weisse wie der schon zuvor für alle anderen spannungsbeanspruchten Flä chen erläutert;
er kann im übrigen zeitlich auch vor dem erstgenannten Anlaufvorgang stattfinden. Der erforderliche Mindestdruck für diesen weiteren An laufvorgang ist weitgehend durch die geometrische Gestalt und die Dimensionen des Spaltsystems be stimmt.
Durch Herstellung eines genügend hohen Druckes im Entladungsgefäss gelingt es, eine Glimm- entladung nur zwischen den Schutzspalten zu zünden und damit eine weitgehende Konzentration der Glimm- entladung auf die Stromdurchführungen und deren Spaltsystem zu erreichen.
Die Betriebsspannung wird dabei auf einen Wert eingestellt, der zur Erzielung eines Temperaturanstie ges an den spannungsbeanspruchten, den Spalt be grenzenden Flächen ausreicht.
Eine beispielsweise Ausführung einer solchen isolierten Durchführung zeigt die Fig. 10 im Schnitt längs der Achse, eingebaut in den doppelwandigen Abschlussdeckel 16. Der Mittelleiter 52 mit dem in den Gefässinnenraum ragenden Befestigungsbolzen 52a für die Werkstückhalterung 26 (Fig. 9) ist für Wasserkühlung eingerichtet, wobei das Kühlwasser durch die Leitung 23 einströmt und durch die Lei tung 24 ausfliesst.
Der Mittelleiter 52 ist mittels der Isolierstücke 53 und 54 vom Abschlussdeckel 16 iso liert, welche Isolierstücke durch die Überwurfmutter 55 gegen entsprechende Stützflächen im Abschluss deckel 16 gepresst werden und einerseits einen gas dichten Abschluss, anderseits eine leichte Demontier- barkeit der gesamten Durchführung gewährleisten.
Der Mittelleiter 52 trägt an dem nach dem Gefäss- innenraum gerichteten Ende eine metallische Muffe 56, die mittels einer an der Innenwandung des Ab schlussdeckels 16 befestigten metallischen Kappe 5 7 teilweise abgeschirmt ist.
Das in Fig. 10 ersichtliche Spaltsystem verhindert eine energiereiche Glimment- ladung und erhöht dadurch den im Dauerbetrieb zu lässigen Höchstwert der Entladungsbeaufschlagung der Stromeinführung. Das Spaltsystem besteht aus dem Ringspalt 58 zwischen der (geerdeten) Kappe 57 und der spannungführenden Muffe 56, dem Haupt spalt 59 zwischen der (geerdeten) Wandung 16 und der spannungführenden Muffe 56, dem Querspalt 60 zwischen der spannungführenden Muffe 56 und dem Isolator 54, sowie dem Ringspalt 61 zwischen dem Isolierstück 54 und der (geerdeten) Wandung 16.
Durch die Verhinderung einer energiereichen Glimm- entladung infolge geeigneter Dimensionierung des Spaltsystems und der Wasserkühlung kann eine der artige Stromeinführung bei der für technische Pro zesse kaum zu vermeidenden Entladungsbeaufschla- gungen völlig betriebssicher verwendet werden.
Durch die Wirkung der Glimmentladung mit ihrem Ionenbombardement und die zumindest ober flächliche Erwärmung der spannungsbeanspruchten Flächen werden an denselben beim Anlaufvorgang alle Mängel beseitigt, die wie etwa eine Gasabgabe, Verdampfung, Elektronenemission oder dergleichen zu Unregelmässigkeiten der Entladung Anlass geben. Dieser Abschnitt des Anlaufvorganges wird jedenfalls so lange fortgesetzt, bis dies erreicht ist, was - wie die Erfahrung zeigt - stets gelingt.
Mit Vollendung des Anlaufvorganges ist, bei rich tiger Planung des Prozesses gemäss den obengenannten Regeln, die Elektrodenanordnung, insbesondere be züglich Temperatur und Beschaffenheit der am Prozess beteiligten Flächen, in einem Zustand, der stabilen Dauerbetrieb gewährleistet. Nach Erreichen eines sol chen stabilen Endzustandes sind beispielsweise an zwei verschiedenen Versuchsanordnungen die in Fig. 7 gezeigten Strom/Spannungs-Kennlinien gemessen wor den, die in ihrem prinzipiellen Verlauf dem Kenn linienteil 66 in Fig. 1 entsprechen.
Falls erwünscht, kann das Entladungsgefäss nunmehr sogar für kür zere Zeiträume, beispielsweise einige Minuten lang, ausser Betrieb gesetzt und anschliessend sofort mit der vollen Leistung wieder in Betrieb genommen werden. Dabei ist die Wahl der Stromdichte an den am Pro zess beteiligten Flächen von besonderer Bedeutung für die Stabilität des Entladungsendzustandes. Nur bei richtiger Wahl der Stromdichte für die Glimm- entladung gelingt es, den Übergang derselben in eine Bogenentladung bzw. in den unstabilen Teil der Kennlinie 65 in Fig. 1 zu vermeiden.
Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass der oben beschriebene Anlaufvorgang auch für alle anderen Glimmentladungsprozesse, für welche im Entladungsendzustand andere Verhältnisse vorliegen, ebenso vorgenommen werden kann und in entspre chender Weise die Voraussetzung zur Erzielung eines stabilen Entladungsendzustandes bildet.
Der Anlaufvorgang lässt sich an jeder Glimm- entladungsapparatur durchführen, vorzugsweise sol chen mit leitenden Wänden, entsprechend denjenigen nach Fig. 2 und 3. Anderseits zeigt die Fig. 8 eine Gefässbauart, bei der die beiden kuppelartigen Enden 12, 13 aus elektrisch leitendem Material bestehen, aber voneinander durch ein zylindrisches Zwischen stück 14 aus Isoliermaterial getrennt wird. Die Strom einführungen 5 bzw. 6 sind in den Endstücken 12 bzw. 13 vorgesehen. Die Gefässform kann natürlich weitgehend der Gestalt der zu behandelnden Gegen stände angepasst sein.
Es erscheint naherliegend, durch Verwendung von isolierenden Wandungen, in der Umgebung der Stromeinführungen auftretende Schwie rigkeiten zu umgehen. Jedoch ist dies nicht durchführ bar, da isolierende Innenwandungen beim Betrieb sehr rasch elektrisch leitend werden (Aufstäubung usw.).
Eine beispielsweise Ausführung eines Entladungs gefässes samt Steuermitteln für die Durchführung des Anlaufvorganges für einen Vergütungsprozess der Innenwandung eines Stahlrohres zeigt die Fig. 9 in schematischer Wiedergabe. Das Entladungsgefäss be steht hier aus einer langgestreckten zylindrischen Kammer 15, die durch je einen oberen und unteren Abschlussdeckel 16 bzw. 17 gasdicht verschlossen ist. Die Wandungen der Kammer 15 und beide Abschluss deckel 16, 17 sind doppelwandig ausgeführt, um einen Kühlwasserstrom hindurchleiten zu können. Durch die beiden Abschlussdeckel 16, 17 ragt je eine isolierte Stromeinführung 18 bzw. 19 in den Innenraum.
Auch diese Durchführungen 18, 19 sind wassergekühlt und der Kühlwasserstrom für das ge samte Entladungsgefäss wird vom Zuflussrohr 20 zu erst durch die Durchführung 19, über die Leitung 21 zum doppelwandigen Abschlussdeckel 17, durch die sen hindurch und über die Leitung 22 von unten aus in den Kühlmantel der Kammer 15 eingeleitet, ver lässt denselben oben über das Rohr 23, strömt durch die doppelwandige Abschlussplatte 16 und über die Leitung 24 zur Durchführung 18 und gelangt von dort zur Abflussleitung 25.
Im Innenraum des Ent ladungsgefässes ist beispielsweise an der oberen Durch führung 18 über den Bügel 26 ein Stahlrohr 27 aufgehängt, dessen Wandungen die am Prozess be teiligten Flächen sind. Da die zu behandelnde Boh rung des Rohres 27 eine Länge aufweisen soll, die ihren Durchmesser um mehr als den achtzigfachen Wert übertrifft, ist als Gegenelektrode ein dünner Stab 28 vorgesehen, der auf der unteren Durchführung 19 befestigt ist und längs der Rohrachse durch die Boh rung freitragend hindurchragt,
oder am oberen Ende mittels einer weiteren Stromeinführung an der Gefäss wand abgestützt werden kann. Damit liegt also das Rohr 27 als eine Elektrode am Anschluss 29 und der Stab 28 als andere Elektrode am Anschluss 30. Die Temperaturmessung des Werkstückes 27 erfolgt über ein Einblickfenster 31 mittels eines Strahlungs- pyrometers 32.
Der Innenraum des Entladungsgefässes kann über die Gasabsaugeitung 33 und das Ventil 35 mittels einer geeigneten Pumpeinrichtung 34 in vorgegebenem Ausmass evakuiert werden. Eine Unterdruckmessein- richtung 36 ist zur Anzeige des Gasdruckes vorhanden und steuert über das Gerät 37 das Gaszuflussventil 38 derart, dass der vorgesehene Gasdruck im Innen raum der Kammer 15 aufrechterhalten wird.
Die Zusammensetzung,der Gasatmosphäre im Innenraum des Entladungsgefässes kann durch Gaszufuhr über die Leitung 39 beeinflusst werden, die über das die Zuflussmenge regelnde Ventil 38 beispielsweise aus zwei Gasflaschen 40 bzw. 41 über die Druckreduzier- ventile 42 bzw. 43 und die Absperrventile 44 bzw. 45 gespeist wird. Die dargestellte Anlage mit zwei Gasflaschen 40, 41 ist beispielsweise für die Ver wendung eines inerten Gases, etwa Krypton, und die Zumischung eines anderen Gases, etwa Stickstoff, für die Gasatmosphäre im Entladungsgefäss einge richtet.
Die Elektrodenanschlüsse 29 und 30 sind hier mit dem negativen bzw. positiven Pol einer Gleich- spannungsquelle 46 verbunden, wobei in der Zu leitung zum Anschluss 29 eine veränderbare Serie, impedanz 47 vorgesehen ist, die mit dem Schalter 48 kurzgeschlossen werden kann. Die Gleichspannungs quelle 46 ist hier beispielsweise ein Gleichrichter, der am Anschluss 49 mit Einphasenwechselstrom gespeist wird und von der Regeleinrichtung 50 bezüglich seiner abgegebenen Spannung gesteuert werden kann. Diese Regeleinrichtung 50 wird einerseits durch ein Kom mandogerät 51 betätigt, anderseits aber auch durch die am Pyrometer 32 abgenommene, der Temperatur proportionalen Messspannung.
Die Gleichspannungs quelle 46 kann so eingerichtet sein, dass sowohl der positive wie auch der negative Pol erdfrei sind und das Entladungsgefäss selbst geerdet ist, oder es kann auch der positive Anschluss 30 samt dem Entladungs gefäss geerdet werden.
Während des Anlaufvorganges kann die Entla dungsspannung von Hand gesteuert werden. Hierbei ist der Schalter 48 offen, also liegt die Impedanz 47 zur Strombegrenzung der Glimmentladung im Elek trodenstromkreis. Die Steuereinrichtung 37 kann da bei zur Erzielung des erwünschten Gasdruckes eben falls von Hand gesteuert werden. Nach Vollendung des Anlaufvorganges wird die Serienimpedanz 47 kurzgeschlossen und die Elektrodenspannung auto matisch auf einem Wert gehalten, der die vorgegebene Temperatur der am Prozess beteiligten Flächen ge währleistet, wozu die Temperaturmesseinrichtung 32 den Regler 50 entsprechend beeinflusst.
Der beschriebene Anlaufvorgang ist sowohl für die Behandlung grosser Flächen einzelner Werkstücke, als auch für die gleichzeitige Behandlung kleiner Flä chen an einer Vielzahl von Werkstücken erforderlich, und es gelingt durch sinngemässe Anordnung der ein zelnen Werkstücke, gegebenenfalls unter Verwendung von Hilfselektroden, die energiereiche Glimmentla- dung auf die am Prozess beteiligten Flächen der ein zelnen Werkstücke zu beschränken. Bei Speisung des Entladungsgefässes mit Spannung konstanter Pola rität werden die Werkstücke sämtlich als Kathode geschaltet.
Bei Speisung mit Wechselspannung kön nen die Werkstücke gruppenweise zusammengeschal tet und an den einzelnen Phasen der Wechselspan nungsquelle angeschaltet werden, also beispielsweise drei solche Gruppen bilden, wenn die Speisung durch eine Dreiphasen-Wechselspannungsquelle erfolgt; vor teilhafterweise können die einzelnen Werkstücke in diesem Falle auch so angeschlossen werden, dass einander benachbarte jeweils an verschiedenen Phasen liegen.
Der Anlaufvorgang ist aber natürlich keineswegs nur bei der Durchführung metallurgischer Prozesse notwendig, sondern auch bei Prozessen zur Erzielung chemischer Reaktionen unentbehrlich.
Method for creating an electrical glow discharge of high amperage in a discharge vessel The use of the glow discharge for technical processes, particularly metallurgical ones, is known. It is also known to use metallic discharge vessels and to supply the required electrical energy through insulated current leads, it being possible for the work pieces to be treated to be arranged as electrodes.
The implementation of processes by means of glow discharges requires - partly to achieve the shortest possible treatment time, partly to generate the necessary temperature on the surfaces involved in the process - an energy consumption on certain surfaces up to values of 50 watt / cm2. However, such discharge intensities could not be produced at all or at most only very briefly, since relatively stable discharge states could only be achieved with high impedance in the supply circuits, which entailed high technical effort and poor efficiency.
Correspondingly, such glow processes have not yet been introduced on an industrial scale and have more or less only been investigated in laboratories. Furthermore, the greatest possible energy conversion in such discharge vessels was previously limited by the maximum permissible discharge loading of the current inlets, namely to relatively low values compared to the performance desired for the implementation of technical processes.
In addition, considerable resistances have been required in the supply circuits of such discharge vessels to stabilize the discharge, which, particularly in the case of direct current operation, cause corresponding energy losses, thus reducing the economic efficiency even further. The present invention aims to overcome these deficiencies and relates to a method for creating an electric glow discharge of high amperage and high intensity for performing metallurgical, chemical and other technical processes.
It is characteristic here that the voltage at the electrodes and the gas pressure in a discharge vessel are selected in such a way that a glow discharge of low intensity compared to the operational end state is generated, and that a start-up process is used to achieve the operational end state is carried out, in which the voltage and gas pressure are increased until the discharge intensity provided for the operational end state is reached.
The invention is approximately examples below in some Ausfüh with reference to FIGS. 1 to 10 be described in more detail. Here: Fig. 1 is a typical current / voltage characteristic curve of conventional glow discharges, in comparison with a characteristic curve achievable by the method used here, Fig. 2 and 3 each a schematic representation of a discharge vessel to explain the method, Fig. 4 is a diagram about the start-up process, FIGS. 5 and 6, a photograph each of the interior of the recipient according to FIG. 9 at the beginning and at the end of the start-up process, FIG.
7 shows a current / voltage characteristic curve for a glow light discharge in the final discharge state, FIG. 8 shows a schematic representation of a further discharge vessel, FIG. 9 shows a system diagram and a discharge vessel for treating steel pipes, FIG. 10 shows a longitudinal section through a current inlet for the discharge vessel according to FIG. 9.
The process operated here is based on the knowledge, which has been corroborated by years of investigations, that the high energy consumption required to carry out metallurgical and chemical processes by means of glow discharge on a technical scale can only be achieved in the discharge vessel in continuous operation if a very unusual discharge state is reached and can be sustained. This is understandable in view of the fact that the energy consumption of the surfaces involved in the process in the order of magnitude of 30 to 50 watts per cm2 and 20,000 watts per treated workpiece is necessary for days of continuous operation.
The technical processes carried out by means of glow discharges are primarily understood to mean the diffusion of substances into metal surfaces, e.g. nitriding (storage of nitrogen), boriding, siliconizing, tungstening, etc., as well as processes of a chemical nature such as reductions, hydrogenations, Polymetrizations etc. and melting processes.
Such a treatment process can, of course, only be carried out reliably if it is possible to maintain stable operation at high energy density, at the highest temperatures and also in the event of local disturbances on the process surfaces, and to maintain a high-energy glow discharge on those to be treated or otherwise involved in the technical process To concentrate surfaces and the gas layer immediately adjacent to them, be it that these surfaces are metallic workpieces or only carriers of substances to be treated.
As is known, the current / voltage characteristic curve 65 shows an electric gas discharge of a previously known type, for example operated with direct voltage, according to FIG. 1, a so-called normal range X and an abnormal area Y following higher voltage values, with the abnormal area Y at a further increase in voltage or current is followed by a falling part of the characteristic curve, which leads to point 67, at which the glow discharge changes into an arc discharge.
The current / voltage diagram in FIG. 1 and the characteristic curve 65 show this typical course of glow discharges with direct voltage according to the prior art and science (see e.g. Dosse, Mierdel, The electric current in high vacuum and in gases, Hirzel 1945 , Page 317, as well as Loeb Fundamental Process of electrical Dis- charges in Gases, Verlag Wiley, 1947, pages 606 to 608).
The normal range X of the discharge ends with the current in which the live electrode parts are completely covered by the glow light. With a further increase in voltage, the voltage and the discharge current increase, whereby the increasing voltage, which is known to be largely concentrated on the so-called cathode drop immediately in front of the negative electrode, causes the positive gas ions to hit the electrode surface with increased kinetic energy. In DC operation, this occurs constantly at the cathode, while in AC operation, each electrode becomes the cathode for a half period.
If the glow discharge is undisturbed, a state of equilibrium between the ion current to the electrode surface and the electrons released there is established in the cathode drop chamber. The energy of the impacting ions, which increases with an increase in voltage, causes the electrode in question to be heated, which leads to thermal electron emission from the electrode metal. This thermal emission current from negative electrons and other so far little clarified emission processes at the electrode, in interaction with the neighboring gas layer, can lead to a contraction of the discharge on a focal point and to the ignition of an arc between the electrode and the nearest counter electrode.
This transition into the arc discharge corresponds to point 67 of the characteristic curve 65, which is apparently located where the glow discharge cathode fall due to the electron emission of the electrode metal - at least in places - is made to disappear. The total discharge voltage of the arc discharge is always less than half the glow discharge voltage when operating in the normal range X of the characteristic.
For technical processes using glow discharges, the transition to an arc discharge must be avoided under all circumstances, since such local overheating occurs at individual points on the electrode surfaces and does not enable uniform, reproducible processes of the type discussed here.
So far, efforts to increase the energy density of glow discharges have been limited by the resulting heating of the electrodes and their thermal electron emission, which inevitably leads to a transition into an arc discharge with a more or less pronounced contraction of the discharge to limited electrodes. with a simultaneous drop in the discharge voltage to values usually well below 100 volts. It has therefore not been possible in the past to avoid the unstable transition region of the discharge characteristic from glow to arc discharge when the energy consumption of the glow discharge increases.
To overcome these difficulties, it is necessary to carry out a start-up process, after the completion of which the steady state Entlad'ungs- is reached, which runs with a predetermined energy conversion and a predetermined specific power on the surfaces involved in the process and can be maintained in continuous operation, the energy conversion and the specific performance on all other parts does not exceed the specified maximum values.
The method is by no means limited to certain electrode arrangements and shapes of the surfaces involved in the process and can be applied to practically all cases, although the arrangement must of course be made in the same way. In any case, however, FIGS. 2, 3 and 4, which are used to explain the method below, are only schematically reproduced examples of suitable arrangements and discharge vessels.
The discharge vessel according to Fig. 2 for the implementation of such a process is set up, for example, for operation at a voltage of constant polarity, but not necessarily constant amplitude, and consists of the removable top part 1 and the bottom part 2, preferably both of electrically conductive material, about metal. The parts <B> 1 </B> and 2 are connected to one another in a gas-tight manner and a gas atmosphere of any pressure and any composition can be created in the interior via the gas suction line 3 and the gas supply line 4. The upper part 1 has an insulated current inlet 5, which here represents the anode connection, and a corresponding insulated current inlet 6 is provided as a cathode connection in the bottom part 2.
Both bushings are installed gas-tight in the corresponding walls 1 and 2. The implementation 6 carries over suitably trained brackets 7 to be treated in the technical process objects, here for example the metallic specific workpiece B. Opposite this is an electrode 9, which is fastened to the implementation 5 and represents the anode, but on should not be involved in the technical process itself.
The task now is to limit the energy-rich glow discharge, indicated by dashed lines in Fig. 2 with 10, as much as possible to the outer surfaces of the workpiece 8 involved in the process and to achieve a predetermined value of the energy conversion there at a given specific performance without that the other live parts, ie the inside of the Stromein guides 5 and 6, the brackets 7 and the electrode 9 have a maximum permissible value exceeding glow discharge exposure. The inner walls of the vessel parts 1 and 2 should also be largely free of such disruptive glow discharges resulting in energy losses.
The same task also applies to AC operation of such a discharge vessel 1, 2, but, as indicated in FIG. 3, there is no longer any difference between the anode and the cathode, which is why two workpieces 8a and 8b now perform the desired process simultaneously can be subjected, which are attached to one or the other holder 7 and 9 and connected to the current leads 6 and 5, respectively. The high-energy glow discharge 10a and 10b should be limited as far as possible to the two outer surfaces of the workpieces 8a, 8b involved in the process.
This task - completely impracticable for the previously known glow discharge technology for the services necessary for technical uses - can only be solved if the desired final gas discharge state is created via a start-up process. However, with the very different technical processes that occur in practice, the different workpiece shapes, the possible repercussions on the part of the surfaces involved in the process, etc., it is understandable that careful planning of the desired process in advance is necessary.
In the start-up process to be used here, a gas pressure and an electrode voltage are set at the beginning, which are adapted to the respective electrode arrangement designed according to the above-mentioned rules and their initial temperature and cause a glow discharge which, as usual, has any expansion.
The electrode voltage and the gas pressure are selected in such a way that all live parts are covered with a glow membrane in the initial phase of the start-up process. Means to render them harmless are provided on the insulating current inlets 5 and 6, which are particularly sensitive to adverse effects of such as yet low-energy glow discharges.
This initial phase of the start-up process is extended until all defects in the surface layer that give rise to irregularities in the discharge, such as surface contamination caused by touching the same during installation, or gas outbreaks and the like, are eliminated by the action of the glow layer on the live parts are.
As a result of the temperature increase during this initial phase, changes in the electrode voltage and the gas pressure may be necessary in order to be able to maintain complete glowing light coverage of all live parts.
After all such imperfections in the surface layer have been eliminated, the glowing light covers the surface parts that carry machining as a uniform luminous layer. The specific power of the discharge on the surfaces involved in the process is now increased with a constant increase in the gas pressure and usually also the electrode voltage, and thus the energy conversion is increased in stages.
It can be achieved that the specific power of the glow discharge does not increase to the same extent on the surfaces not involved in the actual process, and may even decrease more and more, so that the energy conversion is mainly limited to the desired surfaces that as a result are heated to an increasing extent and approach the temperature desired for the metallurgical or chemical process to be carried out.
This final discharge state is reached after a start-up time that is characteristic of each process and the type and size of the surfaces or gas layers involved, with the high-energy glow
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Areas is concentrated, and there has a predetermined value of the specific power and the energy conversion rate, while on all other live parts and especially the Stromeinfüh ments the discharge does not exceed a given maximum value.
The glow discharge during the start-up process can, if so desired, be stabilized by connecting a series impedance, for example an inductive impedance, to the supply circuit of the electrodes. In their place, or in addition, a practically inertial control of the electrode voltage can be provided, which causes a short-term decrease in voltage whenever a predetermined and adjustable maximum current is exceeded or when an adjustable minimum voltage is not reached.
Both measures serve to avoid an unacceptably large local heating of individual parts of the surface if severe irregularities in the surface layer suddenly appear, for example in the event of gas eruptions.
The start-up process must always begin with a lower energy consumption and a lower specific power than intended for the desired end state, namely the power consumption of the discharge vessel, measured at the current inlets, should not be more than about 50 "/ o that of the end state, or even more The gas pressure p and the power N are, for a typical process, shown as a function of the time t in the diagram according to FIG.
An example of the phenomena during the start-up process in a cylindrical metal receptacle 15 according to FIG. 9 of about 350 mm clear width are shown in FIGS. 5 and 6, specifically for the surface treatment of a steel tube 27 of about 20 mm clear width suspended in isolation in the recipient , 70 mm outer diameter and 24.00 mm length. Inside the tube 27, a metal wire 28 is suspended tensioned. At the upper end, an inclined mirror is arranged vertically above the tube 27 through which the tube 27 and the inner wall of the recipient 15 can be observed during operation through an observation window at the upper end of the recipient 15.
The task here is to largely concentrate the high-energy discharge on the inside and outside of the tube 27.
At the beginning of the start-up process, the inside of the recipient 15 offers the image shown in FIG. 5 when the optical axis of the recording camera coincides with the axis of the recipient 15 and the tube 27, for example when one takes a photo of the recipient 15 from above or below graphed. It can be seen that individual places on the outside of the tube appearing in the middle of FIG. 5 show irregular glow discharge phenomena, some of them with strong emission, which results in discharge paths between this tube and the
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tracks from the tube in the direction of the middle of the left side of FIG. 5 and in the direction of the upper left corner of FIG.
Without the measures mentioned, highly emitting points in the feed circuit would almost certainly lead to arc discharges between the tube and the recipient wall. The highly emissive points on the wall of the pipe are caused by impurities, oxide layers or other defects in the surface and wander in an irregular manner over the entire outside.
At the end of the start-up state, however, the picture shown in FIG. 6 shows. The glow discharge is now largely concentrated on the tube and only traces of glow (anode lights) are visible on the inside wall of the recipient. The glow discharge has reached its final state with a given energy density, in which case the steel tube has a temperature of 510 C and is operated with an energy density of about 1.5 wattfcm2 over the entire surface. The series impedance in the supply circuit during the start-up process is switched off.
The sum of all impedances in the supply circuit should not be more than a maximum of 309 / o, preferably less than 101h, of the impedance of all discharge paths after the end of discharge state has been reached.
The purpose of this start-up process is therefore to remove impurities, inhomogeneities, oxidations and other defects in the upper surfaces from all stressed surfaces within a discharge vessel before the actual surface treatment of the workpieces to be treated in the glow discharge.
B. to gas outbreaks, local evaporation, high local electron emission or other irregularities in the discharge could give rise to liberate so far that after the end of this start-up process, there are no more places on the stressed surfaces where there are during the actual upper surface treatment could form an arc discharge. In order to prevent the occurrence of an arc discharge with certainty, it is understandable that the aforementioned surface defects must be eliminated on all surfaces subject to stress.
This means, however, that all stressed areas must be subjected to a glow discharge treatment during the start-up process.
The voltage-loaded areas also include the power feedthroughs, for example the power feedthroughs 18 and 19 in the recipient 15 shown in FIG. 9.
The generation of a glow discharge on the stressed surfaces of the protective gaps of the electrical feedthroughs is now generally not possible within the start-up process provided for the elimination of defects on all other voltage-stressed surfaces, because on the one hand this start-up process generally takes place in a pressure area, the upper one after completion the limit of the start-up process reached is the pressure at which the actual surface treatment of the workpiece takes place and, on the other hand, the power feedthroughs are generally provided with a protective gap system of this type,
that the penetration of glow discharges into these protective gaps is largely prevented under the pressure prevailing during the actual surface treatment. For this purpose, as is known, the gap width of the protective gap is so narrow that an electron at the prevailing operating pressure generates a smaller number of ions on its way through the gap than the number of ions that is required to reach the cathode or cathode potential having cleavage surface to trigger a new electron.
In order to generate a glow discharge in such a protective gap, the number of ions generated by an electron on its way through the gap must be increased. As is known, this is achieved by increasing the pressure, because the mean free path of the electron, which is inversely proportional to the pressure, is correspondingly reduced and the number of collisions and thus the number of ions generated increases proportionally to the pressure.
It is generally known that in a protective gap system, by increasing the pressure above the operating pressure provided for this protective gap system, a glow discharge can be forced within the protective gap.
Now the walls delimiting the gaps of such a protective gap system always represent areas with high voltage stress. Because of this, it is advisable to remove all defects in the surface that could lead to an arc discharge in a further start-up process.
This further start-up process is not absolutely necessary because, firstly, the protective gap is dimensioned in such a way that at normal operating pressure, at which the actual surface treatment of the workpiece takes place, either no glow discharge at all or only a severely hindered glow discharge occurs within the protective gap, and secondly, because an arc discharge that actually occurs at the protective gaps does not spread to the workpiece, but only between the surfaces of different potentials of this protective gap system or
the power feedthrough can burn, but the implementation of this further start-up process is recommended for the reason that the destruction of the power feedthrough that occurs when an arc discharge occurs as well as operational disruptions in the form of interruption of the actual surface treatment of the workpiece to be treated with as large as possible Wants to avoid security.
This further start-up process to eliminate deficiencies in all surfaces delimiting the protective gaps is carried out in a pressure range that is significantly higher than the above-mentioned operating pressure and is otherwise in the same white as the previously explained for all other stressed surfaces;
it can also take place before the first-mentioned start-up process. The minimum pressure required for this further start-up process is largely determined by the geometric shape and the dimensions of the gap system.
By creating a sufficiently high pressure in the discharge vessel, it is possible to ignite a glow discharge only between the protective gaps and thus to achieve an extensive concentration of the glow discharge on the electrical feedthroughs and their gap system.
The operating voltage is set to a value that is sufficient to achieve a rise in temperature on the stressed surfaces bordering the gap.
An example of an embodiment of such an insulated bushing is shown in FIG. 10 in a section along the axis, installed in the double-walled end cover 16. The central conductor 52 with the fastening bolt 52a for the workpiece holder 26 (FIG. 9) protruding into the interior of the vessel is set up for water cooling, wherein the cooling water flows in through line 23 and flows out through line 24.
The center conductor 52 is insulated from the cover 16 by means of the insulating pieces 53 and 54, which insulating pieces are pressed by the union nut 55 against corresponding support surfaces in the closing cover 16 and ensure on the one hand a gas-tight seal and on the other hand easy dismantling of the entire implementation.
At the end directed towards the interior of the vessel, the central conductor 52 carries a metallic sleeve 56 which is partially shielded by means of a metallic cap 5 7 attached to the inner wall of the end cover 16.
The gap system shown in FIG. 10 prevents a high-energy glow discharge and thereby increases the maximum value of the discharge loading of the current introduction which is permissible in continuous operation. The gap system consists of the annular gap 58 between the (grounded) cap 57 and the live sleeve 56, the main gap 59 between the (grounded) wall 16 and the live sleeve 56, the transverse gap 60 between the live sleeve 56 and the insulator 54, and the annular gap 61 between the insulating piece 54 and the (grounded) wall 16.
By preventing a high-energy glow discharge as a result of suitable dimensioning of the gap system and the water cooling, such a current introduction can be used in a completely operationally safe manner for the discharge charges which can hardly be avoided for technical processes.
Due to the effect of the glow discharge with its ion bombardment and the at least superficial heating of the stressed surfaces, all deficiencies are eliminated during the start-up process that give rise to irregularities in the discharge, such as gas emission, evaporation, electron emission or the like. This section of the start-up process is in any case continued until this is achieved, which - as experience shows - always succeeds.
With the completion of the start-up process, if the process is properly planned in accordance with the above rules, the electrode arrangement, in particular with regard to the temperature and condition of the surfaces involved in the process, is in a state that ensures stable continuous operation. After such a stable final state has been reached, the current / voltage characteristics shown in FIG. 7 are measured, for example, on two different test arrangements, which correspond in their basic course to characteristic line part 66 in FIG.
If desired, the discharge vessel can now even be put out of operation for shorter periods of time, for example for a few minutes, and then immediately put back into operation with full power. The choice of current density on the surfaces involved in the process is of particular importance for the stability of the final state of discharge. Only with the correct choice of the current density for the glow discharge is it possible to avoid the transition of the same to an arc discharge or to the unstable part of the characteristic curve 65 in FIG.
However, it should be expressly pointed out that the start-up process described above can also be carried out for all other glow discharge processes for which other conditions exist in the final discharge state and accordingly forms the prerequisite for achieving a stable final discharge state.
The start-up process can be carried out on any glow discharge apparatus, preferably those with conductive walls, corresponding to those according to FIGS. 2 and 3. On the other hand, FIG. 8 shows a vessel design in which the two dome-like ends 12, 13 are made of electrically conductive material , but is separated from each other by a cylindrical intermediate piece 14 made of insulating material. The current introductions 5 and 6 are provided in the end pieces 12 and 13, respectively. The shape of the vessel can of course largely be adapted to the shape of the objects to be treated.
It seems obvious to use insulating walls to circumvent difficulties that occur in the vicinity of the current inlets. However, this is not feasible because insulating inner walls very quickly become electrically conductive during operation (sputtering, etc.).
An example of an embodiment of a discharge vessel including control means for carrying out the start-up process for a tempering process for the inner wall of a steel pipe is shown schematically in FIG. 9. The discharge vessel be here consists of an elongated cylindrical chamber 15 which is closed gas-tight by an upper and lower cover 16 and 17, respectively. The walls of the chamber 15 and both end covers 16, 17 are double-walled in order to be able to pass a flow of cooling water through them. An insulated power inlet 18 or 19 protrudes into the interior through the two end caps 16, 17.
These bushings 18, 19 are water-cooled and the cooling water flow for the entire discharge vessel ge is from the inlet pipe 20 to first through the bushing 19, via the line 21 to the double-walled cover 17, through the sen and via the line 22 from below into the Introduced into the cooling jacket of the chamber 15, it leaves the same at the top via the pipe 23, flows through the double-walled end plate 16 and via the line 24 to the passage 18 and from there to the drain line 25.
In the interior of the discharge vessel, for example, a steel tube 27 is suspended from the upper guide 18 via the bracket 26, the walls of which are the surfaces involved in the process. Since the Boh to be treated tion of the pipe 27 should have a length that exceeds its diameter by more than eighty times the value, a thin rod 28 is provided as a counter electrode, which is attached to the lower passage 19 and tion along the pipe axis through the Boh protrudes unsupported,
or can be supported at the upper end by means of a further power inlet on the vessel wall. The tube 27 is therefore located as an electrode on the connection 29 and the rod 28 as the other electrode is located on the connection 30. The temperature of the workpiece 27 is measured via a viewing window 31 by means of a radiation pyrometer 32.
The interior of the discharge vessel can be evacuated to a predetermined extent via the gas suction line 33 and the valve 35 by means of a suitable pump device 34. A vacuum measuring device 36 is provided to display the gas pressure and controls the gas supply valve 38 via the device 37 in such a way that the intended gas pressure in the interior of the chamber 15 is maintained.
The composition of the gas atmosphere in the interior of the discharge vessel can be influenced by supplying gas via the line 39, which is fed via the valve 38 which regulates the flow rate, for example from two gas bottles 40 and 41 via the pressure reducing valves 42 and 43 and the shut-off valves 44 and 45 is fed. The system shown with two gas bottles 40, 41 is for example for the use of an inert gas, such as krypton, and the admixture of another gas, such as nitrogen, for the gas atmosphere in the discharge vessel is set up.
The electrode connections 29 and 30 are here connected to the negative or positive pole of a DC voltage source 46, with a variable series impedance 47 being provided in the supply line to connection 29, which can be short-circuited with the switch 48. The direct voltage source 46 is here, for example, a rectifier which is fed with single-phase alternating current at connection 49 and which can be controlled by the regulating device 50 with regard to its output voltage. This control device 50 is actuated on the one hand by a command device 51, but on the other hand also by the measurement voltage that is proportional to the temperature and is taken from the pyrometer 32.
The DC voltage source 46 can be set up so that both the positive and the negative pole are floating and the discharge vessel itself is earthed, or the positive connection 30 together with the discharge vessel can also be earthed.
The discharge voltage can be controlled manually during the start-up process. Here, the switch 48 is open, so the impedance 47 is to limit the current of the glow discharge in the elec trode circuit. The control device 37 can also be controlled by hand if to achieve the desired gas pressure. After completion of the start-up process, the series impedance 47 is short-circuited and the electrode voltage is automatically kept at a value that ensures the specified temperature of the surfaces involved in the process, for which the temperature measuring device 32 influences the controller 50 accordingly.
The start-up process described is necessary both for the treatment of large areas of individual workpieces and for the simultaneous treatment of small areas on a large number of workpieces, and by analogous arrangement of the individual workpieces, if necessary with the use of auxiliary electrodes, the high-energy glow discharge It is important to limit the application to the areas of the individual workpieces involved in the process. When the discharge vessel is supplied with voltage of constant polarity, the workpieces are all connected as cathodes.
When supplied with AC voltage, the workpieces can be switched together in groups and switched on to the individual phases of the AC voltage source, so, for example, form three such groups when the supply is from a three-phase AC voltage source; Before geous enough, the individual workpieces in this case can also be connected in such a way that adjacent ones are each on different phases.
The start-up process is of course by no means only necessary when performing metallurgical processes, but is also indispensable for processes to achieve chemical reactions.