DE102009052436A1 - Einrichtung für die Lichtbogenbehandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen - Google Patents

Einrichtung für die Lichtbogenbehandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Lichtbogenbehandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen, welche eine Vakuumkammer, ein Vakuumierungssystem, das zu behandelnde Metallerzeugnis, eine Stromversorgung für einen Lichtbogen, eine oder mehrere Elektroden, eine Zündungseinrichtung für die Bogenzündung zwischen der Oberfläche des zu behandelnden Metallerzeugnisses und der Elektrode, eine Einrichtung zur Verlagerung des Metallerzeugnisses in Bezug auf die Elektrode oder eine Einrichtung zur Verlagerung der Elektrode in Bezug auf das Metallerzeugnis aufweist, wobei das positive Potential der Stromversorgung des Lichtbogens an die Elektrode und das negative Potential an das zu behandelnde Metallerzeugnis angeschlossen ist. Damit der Energieaufwand minimiert und die Oberflächengüte bei der Behandlung von Oberflächen von Metallerzeugnissen erhöht wird, sieht die Erfindung vor, dass eine (oder mehrere) Elektrode(n) bei einem Druck in der Vakuumkammer im Bereich von 10,0 bis 1 x 10-3 Hg in einem Abstand von der Oberfläche des zu behandelnden Metallerzeugnisses angeordnet ist (sind), wobei der Abstand innerhalb der freien Weglänge der Elektronen in der elektrischen Entladung, d.h. im Bereich von 2,0 bis 200,0 mm, liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Lichtbogenbehandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die vorgeschlagene Einrichtung bezieht sich auf die Metallurgie, und zwar auf die Lichtbogenbehandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen im Vakuum. Sie kann in den Betrieben der Eisen- und Metallhüttenindustrie sowie in der Maschinenbauindustrie eingesetzt werden.
  • Es sind mehrere Verfahren und Einrichtungen zur Lichtbogenbehandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen bekannt (Urheberscheine Nr. 122.603, 224.716, 367.980, 1.113.106, 1.189.618; Patente der RF Nr. 2.012.694, 2.021.391, 2.064.524, 2.068.029, 2.074.903, 2.135.316, 2.144.096, 2.165.474, 2.170.283, 2.195.517; Patente der USA Nr. 4.950.377 , 4.971.667 , 5.246.741 , Patente Großbritanniens Nr. 2.055.939 ,
    Figure 00020001
    Patent Frankreichs Nr. 2.403.860 ; EP-Patent Nr. 0.175.538 ; Patente WO Nr. 92/6.965 , 93/13,238 , 97/00.106 , 99/28.520 ; "Plasmaphysik", 11978, 4(4), S. 425–428; R. F. Ivanovsky und andere, "Metallbehandlung nach Sputtertechnik", M., "Radio und Fernmeldewesen", 1986, S. 156–158 und andere).
  • Der gemeinsame Nachteil der oben aufgezählten Verfahren und Einrichtungen zur Lichtbogenbehandlung der Metallerzeugnisse besteht darin, dass diese Behandlung mit hohen Energieverlusten, geringer Leistungsfähigkeit und niedriger Behandlungsgüte verbunden ist. Das hängt damit zusammen, dass die Reinigung der Metallerzeugnisse mittels Kathodenflecken der Lichtbogenentladung vorgenommen wird. Die Kathodenflecken bewegen sich chaotisch über die zu reinigende Oberfläche, wenn der Elektrodenabstand die freie Weglänge der Elektronen des Lichtbogenplasmas mehrfach überschreitet.
  • Um die Bewegung der Kathodenflecken über die Oberfläche des zu behandelten Erzeugnisses, zum Beispiel während der Lichtbogenreinigung (Lichtbogenplasma-Reinigung der Metallerzeugnisse, Zeitschrift "Metallurgie", Nr. 4, 2005, S. 44) zu ordnen, wird die Bewegung der Kathodenflecken mittels Magnetfelder (Patent der RF Nr. 2.195.517) gesteuert.
  • Die Überlagerung des Außenmagnetfeldes mit der Lichtbogenentladung erhöht die Energieverluste wesentlich. Das liegt daran, dass diese Überlagerung den Spannungsabfall in der Bogenentladung noch mehr vergrößert (V. I. Rakhovsky, Physikgrundlagen der elektrischen Stromschaltung im Vakuum, NAUKA-Verlag, M., 1970, S. 250). Deswegen ist aus den Energieeinsparungsgründen ein solches Verfahren zur Steuerung der Bewegung von Kathodenflecken vorteilhafter, bei dem kein Außenmagnetfeld eingesetzt wird.
  • Unter den bekannten Verfahren liegt das ”Verfahren zur Behandlung der Erzeugnisoberfläche mittels Bogenentladung im Vakuum und der Einrichtung für seine Ausführung” (Patent der RF Nr. 2.145.643, C23C14/02, 1998) dem vorgeschlagenen Verfahren am nächsten. Dieses Verfahren und diese Einrichtung werden als Prototype der Erfindung angesehen.
  • Gemäß der bekannten Einrichtung wird die Elektrode (die Anode) in der Nähe der Oberfläche des zu behandelten Erzeugnisses (der Kathode) in der Vakuumkammer bei einem Druck von 10–10–3 Hg angeordnet. Die elektrische Ladung wird zwischen der Elektrode und dem zu behandelnden Erzeugnis gezündet. Die Behandlung (Oberflächenhärtung oder Entfernung von Oxiden und sonstigen Verunreinigungen) wird mittels Kathodenflecken bei ihrer Bewegung über die Oberfläche des Erzeugnisses durchgeführt.
  • Um die Energiekosten zu senken und eine hohe Behandlungsgüte des Erzeugnisses zu erreichen, muss die Bewegung der Kathodenflecken so gestaltet werden, dass die wiederholte und zumal mehrfache Bewegung der Kathodenflecken über die bereits behandelte Oberfläche des Erzeugnisses ausgeschlossen ist. Das kann erzielt werden, wenn die Bewegung der Kathodenflecken über die Oberfläche des zu behandelten Erzeugnisses mittels Verlagerung der Anode zum Erzeugnis oder des Erzeugnisses zur Anode gestaltet wird, wie es in der bekannten und als Prototyp gewählten Einrichtung der Fall ist.
  • Jedoch ist sogar in diesem Fall die Ausführung der bekannten Einrichtung mit hohen Energieverlusten, geringer Leistung und niedriger Behandlungsgüte verbunden.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, den Energieaufwand im Zusammenhang mit der Behandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen nach dem Lichtbogenverfahren zu vermindern und die Oberflächengüte und die Leistungsfähigkeit zu erhöhen.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Einrichtung für die Lichtbogenbehandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen umfasst eine Vakuumkammer, ein Vakuumierungssystem, das zu behandelnde Metallerzeugnis, eine Stromversorgung für den Lichtbogen, eine oder mehrere Elektroden, eine Zündungseinrichtung für die Bogenzündung zwischen der Oberfläche des zu behandelten Metallerzeugnisses und der Elektrode, eine Einrichtung zur Verlagerung des Metallerzeugnisses in Bezug auf die Elektrode oder eine Einrichtung zur Verlagerung der Elektrode in Bezug auf Metallerzeugnis. Dabei ist das positive Potential der Stromversorgung des Lichtbogens an die Elektrode und das negative Potential an das zu behandelnde Metallerzeugnis angeschlossen. Diese Lösung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch aus, dass bei einem Vakuumkammerdruck im Bereich von 10,0 bis 1 × 10–3 Hg die Elektrode oder mehrere Elektroden von der Oberfläche des zu behandelten Metallerzeugnisses in einem Abstand angeordnet sind, welcher innerhalb einer freien Weglänge der Elektronen bei der Lichtbogenentladung, d. h. von 2,0 bis 200,0 mm, liegt.
  • Die vorgeschlagene Einrichtung wird folgenderweise ausgeführt.
  • Um die Energiekosten zu minimieren und eine maximale Oberflächengüte des Metallerzeugnisses und die hohe Leistungsfähigkeit zu erreichen, muss für jeden Druckstand in der Vakuumkammer der Elektrodenabstand bzw. der Abstand zwischen der Elektrode (der Anode) und dem nächstliegenden Punkt der Oberfläche des zu behandelten Metallerzeugnisses entsprechend der vorgeschlagenen Einrichtung minimiert werden.
  • Es ist bekannt (V. P. Kulikov, "Schmelzschweißverfahren", Minsk, Verlag DESIGN PRO, 2000, S. 22), dass eine elektrische Ladung drei spezifische Zonen aufweist, nämlich den Kathodenraum, die Bogensäule und den Anodenraum. In jeder dieser Zonen wird Energie abgegeben, welche dem Produkt des Entladungsstroms und der Größe des Spannungsabfalls in diesen Ladungszonen gleich ist.
  • Bei der Behandlung der Oberfläche der Metallerzeugnisse wird nur der Kathodenraum der Entladung benutzt. Dieser Kathodenraum ist imstande, unabhängig, d. h. ohne andere Zonen der Entladung, dass so genannte Kurzlichtbögen entstehen (V. I. Rakhovsky, "Physikgrundlagen der elektrischen Stromschaltung im Vakuum», NAUKA-Verlag, M, 1970, S. 254). Dabei wird der geringstmögliche Spannungsabfall im Bogen unter vorgegebenen Bedingungen erreicht, welcher dem Kathodenabfall gleich ist. Folglich werden auch die niedrigsten Energieaufwände im Bogen erreicht.
  • Somit wird der geringste Energieaufwand im Zusammenhang mit der Aufrechterhaltung der Lichtbogenentladung unter sonst gleichen Umständen bei der Behandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen mittels Katodenflecken von Kurzlichtbögen erreicht. Gemäß den Angaben von zahlreichen Forschungen stimmt die Länge des Kathodenraums ungefähr mit der freien Weglänge des Elektrons überein. Diese freie Weglänge des Elektrons beträgt beim Druckbereich von 10–10–3 Hg ca. 7 × 10–3–200 mm. Mit Rücksicht auf diese Tatsache, um den geringstmöglichen Energieaufwand sicherzustellen, darf die Bogenlänge bei der Behandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen innerhalb des genannten Druckbereichs die oben erwähnten Größen nicht überschreiten ("Physikleistungen", Band 125, Ausgabe 4, 1978, S. 694).
  • Es sei bemerkt, dass es in der Praxis sehr schwer ist, die Elektrodenabstände von 7 × 10–3 mm in der Lichtbogenentladung zu realisieren. Deswegen muss als der kleinste Elektrodenabstand die Größe von 2,0 mm akzeptiert werden (V. I. Rakhovsky, "Physikgrundlagen der elektrischen Stromschaltung im Vakuum", NAUKA-Verlag, M., 1970, S. 200–202). Dieser Abstand kann ziemlich einfach bei der Produktion eingestellt werden. Es hat keinen Sinn, diesen Abstand unter 2,0 mm vorzugeben, weil dies einen geringfügig energiespezifischen Vorteil ergibt, während die Aufgabe der verfahrenstechnischen Bewerkstelligung eines solchen Abstands wesentlich erschwert wird.
  • Folglich können die geringsten Energieaufwände im Zusammenhang mit der Erhaltung des Elektrolichtbogens innerhalb eines Druckbereichs von 10–10–3 H bei einem Elektrodenabstand realisiert werden, welcher ungefähr der freien Weglänge der Elektronen des Plasmabogens, d. h. im Bereich von 2,0–200 mm, gleich ist.
  • Während der Versuche im Zusammenhang mit der Lichtbogenbehandlung von Metallerzeugnissen ("Metallicheskiye Stranitsy", Nr. 10, 2005, S. 2) wurde beobachtet, dass die Bewegungen der Kathodenflecken über die Oberfläche des zu behandelten Metallerzeugnisses bei der Verminderung des Elektrodenabstandes mehr geordnet und regelmäßiger werden. Während des elektrischen Schweißens wurde ebenfalls festgestellt (V. M. Nerovny, V. M. Yampolsky "Lichtbogenschweißabläufe im Vakuum», M., Maschinenbauverlag, 2002), dass es mit der Verminderung der Bogenlänge einfacher ist, die Kathodenflecken mittels einer Verlagerung der Elektroden oder des Metallerzeugnisses zu steuern.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, den Elektrodenabstand (als die zweite Elektrode wirkt dabei das zu behandelnde Metallerzeugnis) innerhalb von 2,0–200,0 mm bei einem Druck im Bereich von 10–10–3 Hg einzuhalten, bei dem die Verlagerung von Kathodenflecken über die Oberfläche des zu behandelten Erzeugnisses besser zu steuern ist, ohne dafür ein Außenmagnetfeld für diese Zwecke einsetzen zu müssen, das den Energieaufwand in der Lichtbogenentladung erhöht.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die Erfindung wird näher erläutert.
  • Später wird der Ablauf der Lichtbogenbehandlung der Oberfläche des Metallerzeugnisses beschrieben. Das Metallerzeugnis wird in die Vakuumkammer eingebracht. Das negative Potential wird von der Stromversorgung des Elektrolichtbogens dem Metallerzeugnis zugeführt. Über der zu behandelnden Oberfläche des Metallerzeugnisses werden die Elektrode und die Zündungseinrichtung angeordnet. Das positive Potential von der Stromversorgung des Elektrolichtbogens wird der Elektrode zugeführt. Der Abstand zwischen der Elektrode und der Oberfläche des Metallerzeugnisses wird innerhalb der freien Weglänge der Elektronen in der elektrischen Entladung eingestellt. Beim Druck in der Vakuumkammer im Bereich von 10 bis 1 × 10–3 Hg entspricht dieser Abstand ca. 2,0 bis 200,0 mm. Mit dem Vakuumierungssystem wird in der Vakuumkammer der gemäß dem Behandlungsprogramm des Metallerzeugnisses vorgegebene Druck aufgebaut. Dieser Druck liegt im Bereich von 10–1 × 10–3 Hg.
  • Nachdem der vorgegebene Druck in der Vakuumkammer erreicht ist, wird an die Elektrode und an das Metallerzeugnis eine Spannung von der Stromversorgung des Elektrolichtbogens angelegt. Anhand der Zündungseinrichtung für den Elektrolichtbogen wird eine Gasentladung erzeugt. Mit Hilfe der Einrichtung zur Verlagerung der Elektrode oder der Einrichtung zur Verlagerung des Metallerzeugnisses wird der Kathodenraum der elektrischen Entladung über die Oberfläche des Metallerzeugnisses bewegt.
  • Der wirtschaftliche Nutzeffekt der Verbesserung der Oberflächengüte (der Reinigung) der Oberfläche von Stahlerzeugnissen unter Einsatz der vorgeschlagenen Einrichtung wurde versuchsweise in den Anlagen von AOZT CLUSTER (St. Petersburg, Russland) nachgewiesen.
  • Die Lichtbogenbehandlung wurde an warmgewalzten Metallbändern mit einer Stärke von 3,0 mm, einer Breite von 250 mm und einer Länge von 2000 mm angewendet. Der Druck in der Vakuumkammer betrug während der Versuche 10–2 Hg. Die Stromstärke in der Lichtbogenentladung zwischen der Graphitelektrode und dem Metallband (wobei ihre Oberflächen parallel angeordnet waren) betrug ca. 600 A. Bei einer Bogenlänge von 300,0 mm und einer Stromstärke von 600 Ampere betrug der Spannungsabfall ca. 25,4 Volt. Das entspricht einer abgegebenen Bogenleistung von 15250 Watt.
  • Die Abnahme des Elektrodenabstandes (der Bogenlänge) bis auf 7,0 mm entsprach beim vorgegebenen Druck in der Vakuumkammer ungefähr der freien Weglänge der Elektronen in der Gasentladung im Vakuum einem Druck von 10–2 Hg. Bei dieser Abnahme des Elektrodenabstandes fiel die Bogenspannung bei der Stromstärke von 600 Ampere bis auf 17,2 Volt ab. Das entsprach einer abgegebenen Bogenleistung von 10320 Watt.
  • Der Vergleich der Behandlungsergebnisse der Stahlbandoberfläche (Ergebnisse der Oxidentfernung) hat gezeigt, dass die Behandlungsgüte bei gleicher Behandlungszeit (3 Sekunden) im Falle eines kurzen Lichtbogens (7 mm) höher ist, als bei einem langen Lichtbogen (300 mm). Dabei nahm der Energieaufwand im Zusammenhang mit der Reinigung beim kurzen Lichtbogen (7 mm) um 4920 Watt, d. h. um 32,3% ab. Die Behandlungsgüte des Stahlbandes wurde dadurch verbessert, dass die Bewegung der Kathodenflecken über die zu reinigende Oberfläche bei einer Verkürzung der Bogenlänge mehr geordnet war. Das heißt, die Kathodenflecken folgten der Bewegung der Elektrode 1 nach. Bei einem 300 mm langen Lichtbogen bewegten sich die Kathodenflecken entlang der zu reinigenden Oberfläche chaotisch. Dies verursachte hohe Energieverluste. Die Leistungsfähigkeit nahm mit der Verkürzung des Lichtbogens auch um 15–20% zu.
  • Die vorgeschlagene Einrichtung für die Lichtbogenbehandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen stellt gegenüber dem Prototyp und anderen technischen Lösungen mit ähnlichem Anwendungszweck eine Senkung des Energieaufwandes im Zusammenhang mit der Behandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen sowie eine Erhöhung der Oberflächengüte und der Leistungsfähigkeit sicher.
  • Ein hoher Wirkungsgrad der vorgeschlagenen Einrichtung wurde durch Versuche nachgewiesen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4950377 [0003]
    • US 497667 [0003]
    • US 5246741 [0003]
    • GB 2055939 [0003]
    • FR 2403860 [0003]
    • EP 0175538 [0003]
    • WO 92/6965 [0003]
    • WO 93/13238 [0003]
    • WO 97/00106 [0003]
    • WO 99/28520 [0003]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ”Plasmaphysik”, 11978, 4(4), S. 425–428 [0003]
    • R. F. Ivanovsky und andere, ”Metallbehandlung nach Sputtertechnik”, M., ”Radio und Fernmeldewesen”, 1986, S. 156–158 [0003]
    • Lichtbogenplasma-Reinigung der Metallerzeugnisse, Zeitschrift ”Metallurgie”, Nr. 4, 2005, S. 44 [0005]
    • V. I. Rakhovsky, Physikgrundlagen der elektrischen Stromschaltung im Vakuum, NAUKA-Verlag, M., 1970, S. 250 [0006]
    • V. P. Kulikov, ”Schmelzschweißverfahren”, Minsk, Verlag DESIGN PRO, 2000, S. 22 [0016]
    • V. I. Rakhovsky, ”Physikgrundlagen der elektrischen Stromschaltung im Vakuum», NAUKA-Verlag, M, 1970, S. 254 [0017]
    • ”Physikleistungen”, Band 125, Ausgabe 4, 1978, S. 694 [0018]
    • V. I. Rakhovsky, ”Physikgrundlagen der elektrischen Stromschaltung im Vakuum”, NAUKA-Verlag, M., 1970, S. 200–202 [0019]
    • ”Metallicheskiye Stranitsy”, Nr. 10, 2005, S. 2 [0021]
    • V. M. Nerovny, V. M. Yampolsky ”Lichtbogenschweißabläufe im Vakuum», M., Maschinenbauverlag, 2002 [0021]

Claims (3)

  1. Einrichtung für die Lichtbogenbehandlung der Oberfläche von Metallerzeugnissen, welche eine Vakuumkammer, ein Vakuumierungssystem, das zu behandelnde Metallerzeugnis, eine Stromversorgung für einen Lichtbogen, eine oder mehrere Elektroden, eine Zündungseinrichtung für die Bogenzündung zwischen der Oberfläche des zu behandelten Metallerzeugnisses und der Elektrode, eine Einrichtung zur Verlagerung des Metallerzeugnisses in Bezug auf Elektrode oder eine Einrichtung zur Verlagerung der Elektrode in Bezug auf das Metallerzeugnis aufweist, wobei das positive Potential (+) der Stromversorgung des Lichtbogens an die Elektrode und das negative Potential (–) an das zu behandelnde Metallerzeugnis angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine (oder mehrere) Elektroden bei einem Druck in der Vakuumkammer im Bereich von 10,0 bis 1 × 10–3 Hg in einem Abstand von der Oberfläche des zu behandelten Metallerzeugnisses angeordnet ist (sind), wobei der Abstand innerhalb der freien Weglänge der Elektronen in der elektrischen Entladung, d. h. im Bereich von 2,0 bis 200,0 mm, liegt.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsgüte bei gleicher Behandlungszeit (3 Sekunden) bei einem kurzen Lichtbogen (7 mm) höher ist als bei einem langen Lichtbogen (300 mm) und dass dabei der Energieaufwand bei der Behandlung des Metallerzeugnisses wesentlich reduziert ist.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verkürzung der Bogenlänge (7 mm) die erzeugten Kathodenflecken der Bewegung der Elektrode gleichmäßig folgen.
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