DE1174345B

DE1174345B - Process for surface hardening of steel

Info

Publication number: DE1174345B
Application number: DEP23522A
Authority: DE
Inventors: James A Browning; Merle Lee Thorpe
Original assignee: PLASMA FLAME CORP
Current assignee: PLASMA FLAME CORP
Priority date: 1958-09-18
Filing date: 1959-09-14
Publication date: 1964-07-23

Description

Verfahren zum Oberflächenhärten von Stahl Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Oberflächenhärten von Stahl.Method of Surface Hardening of Steel The invention relates to to a method for surface hardening of steel.

Die Oberflächenhärtung von Stahlteilen, z. B. Wellen, die aus Gründen der Verschleißfestigkeit an der Oberfläche sehr hart und zur Bewahrung ausreichender Zähigkeit im Inneren weicher sein sollen, wobei vielfach eine verhältnismäßig geringe Härtetiefe gewünscht wird, wird bisher auf verschiedenen Wegen durchgeführt. Es ist einerseits bekannt, dünne gehärtete Oberflächenschichten durch Einsatzhärtung, Salzhärtung, Nitrieren od. dgl. zu erzeugen. Hierbei wird ein Stahlteil, dessen anfängliche Form und dessen Gefüge nicht hitzehärtbar ist, oberflächlich mit einem Stoff, wie Kohlenstoff und/oder Stickstoff, behandelt, um die Oberfläche während des Erhitzens über die Umwandlungstemperatur selektiv hitzehärtbar zu machen. So wird beispielsweise der Stahl erhitzt, während er mit einem kohlenstoffhaltigen Stoff in Berührung steht, damit während des Erhitzens Kohlenstoff in die Oberfläche hineinlegieren kann, oder der Stahl wird in Gegenwart von Ammoniak erhitzt, um Stickstoffabsorption an der Stahloberfläche zu bewirken. Die Oberflächenhärtungsmethode, bei der die Stahloberfläche selektiv hitzehärtbar gemacht wird, erfordert die Verwendung eines nicht härtbaren Kerns, so daß im Endprodukt die Oberfläche und der Kern verschiedene Legierungszusammensetzung haben. Dies kann Schwierigkeiten mit sich bringen. Diese Oberflächenhärtungsmethoden sind ferner nicht allgemein zur Behandlung von Teilen von zusammengebauten Maschinen anwendbar und können gewöhnlich nicht zur Härtung eines kleinen Teils der Oberfläche eines großen Stahlteils gebraucht werden, ohne daß der ganze Teil erhitzt wird.The surface hardening of steel parts, e.g. B. waves that cause reasons the wear resistance on the surface is very hard and sufficient to preserve Toughness on the inside should be softer, in many cases a relatively low one Depth of hardness is desired, has been carried out in various ways. It is known on the one hand, thin hardened surface layers by case hardening, Salt hardening, nitriding or the like. To produce. Here is a steel part whose initial shape and its structure is not thermosetting, superficially with a Substance, such as carbon and / or nitrogen, treated to the surface during of heating above the transition temperature to make it selectively thermosetting. So For example, the steel is heated while using a carbonaceous Fabric is in contact so that carbon enters the surface during heating can alloy into it, or the steel is heated in the presence of ammonia to absorb nitrogen to effect on the steel surface. The surface hardening method in which the Making the steel surface selectively thermosetting requires the use of a non-hardenable core, so that in the end product the surface and the core are different Have alloy composition. This can create difficulties. These Surface hardening methods are also not general for treating parts Applicable from assembled machines and usually cannot be used for hardening a small part of the surface of a large steel part can be used without that the whole part is heated.

Zur Oberflächenhärtung von Stahl kennt man andererseits die Verwendung von Gebläseflammen bzw. eines elektrischen Lichtbogens. Weiterhin hat man die Benutzung eines heißen Gasstrahles aus einer Raketenbrennkammer vorgeschlagen. Diese Verfahren beruhen auf einem Erhitzen des Werkstückes mittels Flammen. Hierdurch ist es nicht möglich, verhältnismäßig geringe Härtetiefen einzuhalten bzw. eine wirksame Kontrolle über die Härtetiefe zu erhalten. Bei Verwendung einer Flamme zum Erhitzen des Werkstückes ist die Geschwindigkeit des Überganges der Wärmeenergie derart, daß der Wärmeübergang von der Flamme zur Stahloberfläche nicht um so viel höher ist als der Wärmeübergang von der Stahloberfläche zum Kern, daß eine dünne Oberflächenschicht auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur erhitzt werden kann, während der verbleibende angrenzende Teil sich noch unterhalb dieser Temperatur befindet. Dies gilt ferner für eine Induktionshärtung, bei der die Erwärmung von innen heraus verhältnismäßig allmählich vor sich geht. Wenn man eine Oberflächenhärtung von begrenzter Tiefe durchführen wollte, war man bisher genötigt, die anfangs beschriebene Art der Härtung, d. h. Einsatzhärtung, Salzhärtung od. dgl., durchzuführen.On the other hand, the use for surface hardening of steel is known from blower flames or an electric arc. You can still use it proposed a hot gas jet from a rocket combustion chamber. These procedures are based on heating the workpiece by means of flames. It is not because of this possible to maintain relatively low hardness depths or an effective control about the hardness depth. When using a flame to heat the workpiece is the speed of the transfer of thermal energy such that the heat transfer from the flame to the steel surface is not so much higher than the heat transfer from the steel surface to the core that a thin surface layer to a temperature can be heated above the transition temperature while the remaining adjacent part is still below this temperature. This also applies for induction hardening in which the heating from the inside out is proportionate gradually going on. If you have a surface hardening of limited depth wanted to carry out, it was previously necessary to carry out the type of hardening described at the beginning, d. H. Case hardening, salt hardening or the like.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Oberflächenhärtung bei äußerst geringer Härtetiefe zu erzielen, wobei ein heißer Gasstrahl mit hoher Geschwindigkeit auf die zu härtende Oberfläche des Stahls gerichtet und danach der Stahl abgeschreckt wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß als Gasstrahl ein freier Plasmastrahl mit einer Temperatur von mindestens etwa 3850° C verwendet und das Plasma eines nicht oxydierend wirkenden Gases benutzt wird. Ein solches Gas kann insbesondere Stickstoff, Wasserstoff oder deren Gemische sein.The object of the invention is to provide surface hardening To achieve extremely low hardening depth, with a hot gas jet at high speed directed at the surface of the steel to be hardened and then quenched the steel will. The invention is characterized in that the gas jet is a free plasma jet with a temperature of at least about 3850 ° C is used and the plasma is one non-oxidizing gas is used. Such a gas can in particular Be nitrogen, hydrogen or mixtures thereof.

Unter Plasma wird ein Stoff in einem Energiezustand der Teilchenaktivität oberhalb des gasförmigen Zustandes verstanden, wobei zumindest einem Teil der Atome des Stoffes ein oder mehrere Elektronen entzogen sind, die ebenfalls im freien Zustand vorliegen. Mit dem Ausdruck »freier Plasmastrahl« wird ein Plasma bezeichnet, das von einem elektrischen Lichtbogen frei ist und keinen direkten Teil desselben darstellt, d. h. nicht zum Stromfluß zwischen den Elektroden beiträgt.Under plasma, a substance becomes in an energy state of particle activity understood above the gaseous state, with at least some of the atoms one or more electrons are withdrawn from the substance, which are also in the free state are present. The expression "free plasma jet" denotes a plasma that is produced by a electric arc is free and does not form a direct part of it, d. H. does not contribute to the flow of current between the electrodes.

Der mit dem Stahl in Berührung gebrachte freie Plasmastrahl mit der angegebenen Temperatur hat vorzugsweise eine Geschwindigkeit von mindestens 460 m/sec.The free plasma jet brought into contact with the steel with the The specified temperature is preferably at a rate of at least 460 m / sec.

Durch das Inberührungsbringen des freien Plasmastrahls mit der Stahloberfläche gemäß der Erfindung wird das Plasma zumindest teilweise in einen niedrigeren Energiezustand umgewandelt. Während dieser Umwandlung des mit dem Stahl in Berührung befindlichen Plasmas in den niedrigeren Energiezustand wird die Molekülbewegung, insbesondere die Molekülbewegung des Stahls, unmittelbar beschleunigt, wobei wenigstens ein Teil dieses Energieüberganges ohne entsprechende Temperatursenkung des Plasmas stattfindet. Ferner hat die Berührung des Plasmas mit dem Stahl zur Folge, daß den Stahlatomen einige Elektronen entzogen werden, die anschließend wieder eingefangen werden, wodurch Energie in situ frei wird. Darüber hinaus geht natürlich ein Teil der fühlbaren Wärme des Plasmas auf den Stahl über. Als Gesamtergebnis wird die durchschnittliche :Molekülgeschwindigkeit des Stahls sehr schnell erhöht, und wenn die Berührung mit dem freien Plasmastrahl für genügend lange Zeit vorgenommen wird, daß die Molekülgeschwindigkeit des Stahls höher ist als seine Molekülgeschwindigkeit bei der Umwandlungstemperatur, wird der Stahl nach Kühlung unter die Umwandlungstemperatur, beispielsweise durch Abschrecken, in überlegener Weise gehärtet.By bringing the free plasma jet into contact with the steel surface according to the invention the plasma is at least partially in a lower energy state converted. During this transformation of what is in contact with the steel Plasmas in the lower energy state will increase molecular movement, in particular the molecular movement of the steel, immediately accelerated, with at least a part this energy transfer takes place without a corresponding lowering of the temperature of the plasma. Furthermore, the contact of the plasma with the steel results in the steel atoms some electrons are withdrawn, which are subsequently recaptured, whereby Energy is released in situ. In addition, of course, there is a part of the tangible Heat the plasma to the steel. The overall result is the average : Molecular speed of steel increases very quickly, and when in contact with the free plasma jet is made for a long enough time that the molecular velocity of the steel is higher than its molecular velocity at the transition temperature, the steel is cooled below the transition temperature, for example by Quenching, hardened in a superior way.

Die Erhöhung der Molekülgeschwindigkeit des Stahls durch die Berührung mit dem freien Plasmastrahl auf die vorstehend beschriebene Weise findet mit minimalen nachteiligen Auswirkungen und ohne die Nachteile statt, die in Kauf zu nehmen sind, wenn der Stahl auf die übliche Weise erhitzt wird, beispielsweise mittels Flammen oder durch Induktion.The increase in the molecular speed of the steel through contact with the free plasma jet in the manner described above takes place with minimal adverse effects and without the disadvantages that have to be accepted, when the steel is heated in the usual way, for example by means of flames or by induction.

Infolge des sehr wirksamen und schnellen Energieüberganges bei Verwendung des freien Plasmastrahls ist es möglich, die Tiefe der Behandlung und Härtung sehr genau zu regeln. Weiterhin läßt sich erreichen, daß eine verhältnismäßig dünne Oberflächenschicht des Stahls bis zu einer gewünschten Tiefe ohne selektives Legieren der Oberfläche wie bei dem üblichen Einsatzhärten u. dgl. gehärtet werden kann. Infolge des sehr wirksamen Energieüberganges bei Verwendung des freien Plasmastrahls kann die gewünschte Härtetiefe äußerst genau eingehalten werden. Man erzielt eine sehr dünne gehärtete Schicht, deren Legierungszusammensetzung von der des Kerns nicht abweicht. Es findet also eine selektive Härtung einer dünnen Oberflächenschicht eines hitzehärtbaren Stahlkörpers statt. Hierbei ist es möglich, eine Oberflächenhärtung bis zu einer Tiefe von weniger als etwa 2,4 mm, vorzugsweise weniger als etwa 1,6 mm, vorzunehmen und sogar mikroskopisch dünne gehärtete Oberflächenschichten auszubilden.As a result of the very effective and rapid energy transfer when used of the free plasma jet it is possible to increase the depth of the treatment and hardening very much to regulate exactly. Furthermore, it can be achieved that a relatively thin surface layer of the steel to a desired depth without selective alloying of the surface as can be hardened with the usual case hardening and the like. As a result of the very effective energy transfer when using the free plasma jet can be the desired Depth of hardness are adhered to extremely precisely. A very thin hardened one is obtained Layer whose alloy composition does not differ from that of the core. It finds i.e. a selective hardening of a thin surface layer of a thermosetting one Steel body instead. It is possible to have a surface hardening of up to one Depth of less than about 2.4 mm, preferably less than about 1.6 mm and even form microscopic hardened surface layers.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird zweckmäßig in der Weise durchgeführt, daß in einem Hohlraum ein eingeschnürter Lichtbogen erzeugt wird, durch den das Gas geblasen wird. Hierbei wird das plasmabildende Gas mit einer solchen Geschwindigkeit durch eine Düse geleitet, daß es in Form eines freien Plassmastrahls austritt, die Berührung mit dem Lichtbogen verläßt und auf den Stahl auftrifft.The method according to the invention is expediently carried out in such a way that a constricted arc is generated in a cavity through which the Gas is blown. Here, the plasma-forming gas is released at such a speed passed through a nozzle that it exits in the form of a free plasma jet, the Leaves contact with the arc and strikes the steel.

Zur Behandlung gemäß der Erfindung eignen sich alle härtbaren Stähle, z. B. Kohlenstoff enthaltende Stähle. Zu den üblichen härtbaren Stählen gehören beispielsweise a) die Stähle, die nach ihrem hohen Kohlenstoffgehalt klassifiziert werden, z. B. Werkzeugstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von mher als 1 %; b) die Stähle, die nach ihren Legierungsbestandteilen klassifiziert werden, wobei der Legierungsbestandteil den Zweck hat, den Härtungsvorgang zu unterstützen, beispielsweise Molybdänstahl mit 1/201/o Kohlenstoff.All hardenable steels are suitable for the treatment according to the invention, z. B. Carbon containing steels. Common hardenable steels include for example a) the steels classified according to their high carbon content be e.g. B. Tool steel with a carbon content of more than 1%; b) the Steels that are classified according to their alloy components, whereby the alloy component has the purpose of supporting the hardening process, for example molybdenum steel with 1/201 / o carbon.

Es ist ferner möglich, den Stahl während der Behandlung in eine härtbare Form zu überführen, z. B. durch Zuführen von Kohlenstoff, Stickstoff od. dgl.It is also possible to turn the steel into a hardenable one during the treatment To convert form, e.g. B. by adding carbon, nitrogen or the like.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der in der Zeichnung gegebenen Beispiele eines Plasmaerzeugers und der Handhabung dieses Plasmaerzeugers erläutert.The invention is given below with reference to the in the drawing Examples of a plasma generator and the handling of this plasma generator are explained.

F i g. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Ausführungsform eines Plasmaerzeugers, der sich für das Verfahren gemäß der Erfindung eignet; F i g. 2 veranschaulicht schematisch eine Anordnung zum Härten eines zylindrischen Stahlstücks unter Verwendung des Plasmaerzeugers von F i g. 1; F i g. 3 ist ein senkrechter Schnitt durch eine Ausführungsform einer Düse, die sich für den Plasmaerzeuger gemäß der Erfindung eignet; F i g. 4 ist ein weiterer senkrechter Schnitt durch die in F i g. 3 dargestellte Düsenanordnung, und F i g. 5 ist ein schematischer senkrechter Schnitt durch eine Anordnung zur linearen progressiven Härtung eines Stahlstücks.F i g. 1 is a longitudinal section through an embodiment of a plasma generator, which is suitable for the method according to the invention; F i g. 2 illustrates schematically an arrangement for hardening a cylindrical piece of steel using of the plasma generator of FIG. 1; F i g. 3 is a vertical section through a Embodiment of a nozzle suitable for the plasma generator according to the invention suitable; F i g. FIG. 4 is another vertical section through the areas shown in FIG. 3 shown Nozzle arrangement, and F i g. 5 is a schematic vertical section through a Arrangement for linear progressive hardening of a piece of steel.

In F i g. 1 ist 1 ein Gehäuse aus Isoliermaterial, z. B. Kunstharz, wie Polyäthylen, Polyamid od. dgl. Dieses Gehäuse umgibt einen Körper 2 aus elektrisch leitendem Metall, z. B. Kupfer, Kupferlegierung, Messing, Aluminium, Stahl od. dgl. Der Körper 2 ist mit einer zentralen Gewindebohrung versehen, in die der Elektrodenhalter 3 aus leitendem Metall geschraubt ist. Der Elektrodenhalter 3 hat eine verstellbare Abschlußkappe 4 aus geeignetem elektrisch isolierendem Material, z. B. Kunstharz od. dgl. Im Körper 2 ist ferner die Ringnut 5 vorgesehen, die mit den Bohrungen oder Kanälen 6 und dem Gewindeanschluß 7, in den das wassergekühlte Stromzuführungskabel8 geschraubt wird, in Verbindung steht. An den leitfähigen Körper 2 ist der Körper 9 aus Isoliermaterial, z. B. Kunstharz, wie Polyäthylen, Polyamid od. dgl., geschraubt. Die Körper 2 und 9 sind durch die Dichtung 10 gegeneinander abgedichtet. Der isolierende Körper 9 hat eine zentrale Bohrung 12, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser des Elektrodenhalters 3, die den Elektrodenhalter umgibt und sich am oberen Ende nach außen ausweitet und dort mit den Bohrungen 6 in Verbindung steht. Der Elektrodenhalter 3 hat am unteren Ende eine zentrale Bohrung bzw. einen Durchgang 13, in den das dünne Rohr 14 mündet. Die Bohrung 12 steht ferner über die Seitenbohrung 15 mit dem Durchgang 13 in Verbindung. Das untere Ende des isolierenden Körpers 9 ist mit der Bohrung 16, die mit der Bohrung 12 in Verbindung steht, und mit einem die Verlängerung der Bohrung 16 darstellenden Rohr 17 versehen. Ferner befindet sich am unteren Ende des isolierenden Körpers 9 die Bohrung 18 mit dem Rohr 19 als deren Verlängerung. Die Bohrung 18 führt zu einer ringförmigen Ausnehmung 20 im Isolierkörper 9. Die Bohrung 13 im Elektrodenhalter 3 ist bei 22 rings um das Rohr 14 ausgeweitet und steht über die Kanäle 23-24 mit der Bohrung 18 und der Ausnehmung 20 in Verbindung. Ein Metallrohr 25, vorzugsweise aus Kupfer, Kupferlegierung, Stahl od. dgl., schmiegt sich außen an den isolierenden Körper 9 in Form eines Gehäuses und ist gegen diesen durch die Dichtungsringe 26 abgedichtet. Das Gehäuse 25 ist mit dem Gewindestutzen 27 zum Anschluß an ein wassergekühltes elektrisches Kabel versehen. Der Gewindestutzen 27 führt in die Ausnehmung 20. In das untere Ende des Elektrodenhalters 3 ist die Dauerelektrode 28 geschraubt. Sie besteht beispielsweise aus Wolfram oder thorhaltigem Wolfram. Sie ist hohl, und ihr hohles Inneres ist größer als das Rohr 14, so daß dieses nach unten in die Bohrung ragt und einen Ringraum zwischen der Innenwand der Elektrode 28 und der Außenfläche des Rohrs 14 frei läßt. Ein Düsenansatz 29, der vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie das Gehäuse 25 besteht, ist mit dem Flansch 30 am Gehäuse befestigt. Zwischen den Düsenansatz 29 und den isolierenden Körper 9 ist eine Scheibe 31 eingesetzt. Sie besteht vorzugsweise aus feuerfestem Material, z. B. Aluminiumoxyd. Die Scheibe 31 hat Öffnungen für die Rohre 17 und 19 und ist mit einer zentralen Bohrung versehen. In den Düsenkörper 29 ist die Düse 32 eingesetzt. Die aus Platin, Silber oder vorzugsweise Kupfer bestehende Düse 32 ist flüssigkeits- und gasdicht mit dem Düsenkörper verlötet und bildet mit diesem den Ringraum 33. Dieser ist auf der einen Seite über die Bohrung 34 mit dem Rohr 17 und auf der anderen Seite über die Bohrung 35 mit dem Rohr 19 verbunden. Der Düsenkörper und die feuerfeste Scheibe 31 bilden den geschlossenen Raum 36, in den die Elektrode 28 ragt.In Fig. 1, 1 is a housing made of insulating material, e.g. B. synthetic resin such as polyethylene, polyamide or the like. This housing surrounds a body 2 made of electrically conductive metal, for. B. copper, copper alloy, brass, aluminum, steel or the like. The body 2 is provided with a central threaded hole into which the electrode holder 3 made of conductive metal is screwed. The electrode holder 3 has an adjustable end cap 4 made of suitable electrically insulating material, e.g. B. synthetic resin or the like. In the body 2, the annular groove 5 is also provided, which is connected to the bores or channels 6 and the threaded connection 7 into which the water-cooled power supply cable 8 is screwed. To the conductive body 2, the body 9 is made of insulating material, for. B. synthetic resin such as polyethylene, polyamide or the like., Screwed. The bodies 2 and 9 are sealed against one another by the seal 10. The insulating body 9 has a central bore 12, the diameter of which is greater than the diameter of the electrode holder 3, which surrounds the electrode holder and expands outward at the upper end and is connected to the bores 6 there. The electrode holder 3 has at the lower end a central bore or a passage 13 into which the thin tube 14 opens. The bore 12 is also connected to the passage 13 via the side bore 15. The lower end of the insulating body 9 is provided with the bore 16, which is in communication with the bore 12, and with a tube 17 which represents the extension of the bore 16. Also located at the lower end of the insulating body 9 is the bore 18 with the tube 19 as its extension. The bore 18 leads to an annular recess 20 in the insulating body 9. The bore 13 in the electrode holder 3 is widened at 22 around the tube 14 and is connected to the bore 18 and the recess 20 via the channels 23-24. A metal tube 25, preferably made of copper, copper alloy, steel or the like, hugs the outside of the insulating body 9 in the form of a housing and is sealed against it by the sealing rings 26. The housing 25 is provided with the threaded connector 27 for connection to a water-cooled electrical cable. The threaded connector 27 leads into the recess 20. The permanent electrode 28 is screwed into the lower end of the electrode holder 3. It consists, for example, of tungsten or tungsten containing thorax. It is hollow, and its hollow interior is larger than the tube 14, so that this protrudes down into the bore and leaves an annular space between the inner wall of the electrode 28 and the outer surface of the tube 14 free. A nozzle attachment 29, which is preferably made of the same metal as the housing 25, is fastened to the housing by means of the flange 30. A disk 31 is inserted between the nozzle attachment 29 and the insulating body 9. It is preferably made of refractory material, e.g. B. alumina. The disc 31 has openings for the tubes 17 and 19 and is provided with a central bore. The nozzle 32 is inserted into the nozzle body 29. The nozzle 32 made of platinum, silver or preferably copper is soldered to the nozzle body in a liquid and gas-tight manner and forms the annular space 33 with it. This is on one side via the bore 34 with the pipe 17 and on the other via the bore 35 connected to the tube 19. The nozzle body and the refractory disc 31 form the closed space 36 into which the electrode 28 protrudes.

In den isolierenden Körper 9 ist der Gewindeanschluß 37 eingearbeitet, der zum Gaskanal 38 führt. Dieser führt zu den Gasverteilungs-Ringnuten 39 und diese wiederum zu dem die Elektrode 28 umgebenden Gasaustrittsraum 40.In the insulating body 9, the threaded connection 37 is incorporated, which leads to gas duct 38. This leads to the gas distribution ring grooves 39 and these again to the gas outlet space 40 surrounding the electrode 28.

An Stelle des Ringspalts, der durch die zum Raum 40 führenden Gasverteilungsnuten gebildet wird, kann eine einzelne geschlossene Nut vorgesehen werden, in die der Kanal 38 führt. Diese Nut kann durch eine Vielzahl kreisförmig angeordneter Löcher mit dem Raum 40 verbunden werden. Diese Löcher sind vorzugsweise in einem Winkel von der Mitte der Achse der Elektrode 28 so anzuordnen, daß dem Gas ein kontrollierter Drall verliehen wird. So können die Löcher in einem Winkel von 10 bis 30° von der Achse der Düse 28 angeordnet werden. In allen Fällen ist es überaus wichtig, daß die Gasverteilung rings um die Elektrode gleichmäßig ist. Das Ende der Elektrode 28 hat Kegelstumpfform mit abgeflachter Spitze und ragt zum Teil in die zylindrische Düse 32.Instead of the annular gap which is formed by the gas distribution grooves leading to the space 40, a single closed groove can be provided into which the channel 38 leads. This groove can be connected to the space 40 by a large number of holes arranged in a circle. These holes are preferably positioned at an angle from the center of the axis of the electrode 28 so that a controlled swirl is imparted to the gas. Thus, the holes can be arranged at an angle of 10 to 30 ° from the axis of the nozzle 28. In all cases it is extremely important that the gas distribution around the electrode is uniform. The end of the electrode 28 has the shape of a truncated cone with a flattened tip and partially protrudes into the cylindrical nozzle 32.

Im Betrieb sind die wassergekühlten elektrischen Kabel bei 7 und 27 angeschlossen. Diese Kabel sind auf die übliche Weise konstruiert und bestehen aus einem metallischen elektrischen Leiter, der von einem mit Kanälen für die Durchführung von Kühlwasser versehenen Isoliermantel umgeben ist. Das Kühlwasser fließt aus den wassergekühlten elektrischen Kabeln 8 in die Ringnut 5, durch die Bohrungen 6 und durch den durch die Bohrung 12 gebildeten Ringraum. Von hier fließt ein Teil des Kühlwassers durch die Bohrung 15, Bohrung 13 und Rohr 14 in das Innere der Hohlelektrode 28, die dadurch gekühlt wird, nach oben durch den das Rohr 14 umgebenden Ringraum, durch die Kanäle 23-24 in die Bohrung 18, zur ringförmigen Ausnehmung 20 und durch das bei 27 angeschlossene wassergekühlte elektrische Kabel nach außen zu einem Abfluß oder im Kreislauf zurück in die Vorrichtung. Ein weiterer Teil des Kühlwassers aus dem durch die Bohrung 12 gebildeten Ringraum fließt durch die Bohrung 16, Rohr 17, Bohrung 34, um den Ringraum 33 zwecks Kühlung der Düse 32, durch die Bohrung 35, Rohr 19, Bohrung 18 zum ringförmigen Raum 20 und durch das wassergekühlte elektrische Kabel mit dem anderen Teil des Wassers nach außen.In operation, the water-cooled electrical cables are connected at 7 and 27. These cables are constructed in the usual way and consist of a metallic electrical conductor surrounded by an insulating jacket provided with channels for the passage of cooling water. The cooling water flows from the water-cooled electrical cables 8 into the annular groove 5, through the bores 6 and through the annular space formed by the bore 12. From here, part of the cooling water flows through the bore 15, bore 13 and tube 14 into the interior of the hollow electrode 28, which is thereby cooled, up through the annular space surrounding the tube 14, through the channels 23-24 into the bore 18, to the annular recess 20 and through the water-cooled electrical cable connected at 27 to the outside to a drain or in the circuit back into the device. Another part of the cooling water from the annular space formed by the bore 12 flows through the bore 16, pipe 17, bore 34, around the annular space 33 for the purpose of cooling the nozzle 32, through the bore 35, pipe 19, bore 18 to the annular space 20 and through the water-cooled electrical cable with the other part of the water to the outside.

Eine Stromquelle, z. B. ein üblicher Schweißgenerator, ist an das wassergekühlte Kabel 8 angeschlossen. Der Strom fließt durch den leitenden Körper 2 zum Elektrodenhalter 3 und dann zur Elektrode 28. Die Leitung von entgegengesetzter Polarität bzw. Erde ist bei 27 angeschlossen und mit der Düse 32 über den Düsenkörper 29 und das Gehäuse 25 elektrisch verbunden.A power source, e.g. B. a common welding generator, is to the water-cooled cable 8 connected. The current flows through the conductive body 2 to electrode holder 3 and then to electrode 28. The lead from opposite Polarity or earth is connected at 27 and to nozzle 32 via the nozzle body 29 and the housing 25 are electrically connected.

Sobald das Kühlwasser durch die wassergekühlten Leitungen und die Vorrichtung fließt, wie vorstehend beschrieben, und eine geeignete Stromquelle bei 7 und 27 angeschlossen ist, kann ein Lichtbogen zwischen der Düse 32 und der Elektrode 28 gezündet werden. Dies kann geschehen, indem entweder der Elektrodenhalter 3 mit Hilfe der Isolierkappe 4 zur Auslösung des Lichtbogens nach unten geschraubt und dann zurückgeschraubt wird oder ein auslösender hochfrequenter Wechselstrom an die Anschlüsse 7 und 27 gelegt wird. Nachdem der Lichtbogen gezündet ist, kann er durch Verschrauben des Elektrodenhalters 3 in geeigneter Weise einreguliert werden. Vor dem Zünden des Lichtbogens wird ein plasmabildendes Medium aus einem geeigneten Druckspeicher bei 37 eingeführt. Von hier strömt es durch die Kanäle 38-39 zum Austritt 40 und in die Kammer 36. Das plasmabildende Gas strömt die Elektrode 28 entlang, über die kegelstumpfförmige Spitze der Elektrode und durch die Düse. Es bildet eine Hülle um den Lichtbogen zwischen diesem und der Innenwand der Düse 32, verengt den Lichtbogen und zwingt ihn durch die Düse, wie bei 41 angedeutet. In der Düse wird das plasmabildende Gas in freies Plasma umgewandelt. Es verläßt die Düse und wird außerhalb der Berührung mit dem Lichtbogen als freier Plasmastrom aus der Düse ausgestoßen. Das plasmabildende Gas wird in die Kammer 36 vorzugsweise mit einer solchen Geschwindigkeit und/oder mit einem solchen Druck eingeführt, daß es aus der Düse 32 als freier Plasmastrom mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 1,5 m, vorzugsweise von wenigstens 15 m und am zweckmäßigsten von wenigstens 460 m/Sekunde austritt.Once the cooling water flows through the water-cooled conduits and device as described above and a suitable power source is connected at 7 and 27, an arc can be struck between the nozzle 32 and the electrode 28. This can be done either by screwing the electrode holder 3 down using the insulating cap 4 to trigger the arc and then screwing it back, or by applying a triggering high-frequency alternating current to the connections 7 and 27. After the arc has been ignited, it can be adjusted in a suitable manner by screwing the electrode holder 3 together. Before the arc is ignited, a plasma-forming medium is introduced from a suitable pressure accumulator at 37. From here it flows through the channels 38-39 to the outlet 40 and into the chamber 36. The plasma-forming gas flows along the electrode 28, over the frustoconical tip of the electrode and through the nozzle. It forms an envelope around the arc between it and the inner wall of the nozzle 32, narrows the arc and forces it through the nozzle, as indicated at 41. The plasma-forming gas is converted into free plasma in the nozzle. It leaves the nozzle and is ejected from the nozzle as a free plasma stream outside of contact with the arc. The plasma-forming gas is introduced into the chamber 36 preferably at such a rate and / or at such a pressure that it emerges from the nozzle 32 as a free plasma stream at a rate of at least 1.5 m, preferably at least 15 m and most suitably emerges at least 460 m / second.

Die Hülle aus plasmabildendem Gas um den Lichtbogen kühlt den Außenumfang des Lichtbogens, verringert den Grad der Ionisierung und erhöht damit den elektrischen Widerstand des Außenumfangs. Hierdurch wird wiederum verstärkter Stromfluß durch die Bahn mit geringerem Widerstand im Kern des Lichtbogens bewirkt und damit der Lichtbogen verengt und seine Temperatur erhöht. Die Verengung des Lichtbogens ist progressiv, und zwar ist sie am inneren Ende der Düse stärker. Durch Einstellung des Verhältnisses der Gasströmungsgeschwindigkeit zum Stromfluß kann der Lichtbogen veranlaßt werden, sich auf seinem Weg in die Düsenbohrung allmählich auszuweiten, bis er die Bohrung an einem gewünschten Punkt berührt. Vorzugsweise soll der Lichtbogen eine größere Strecke in die Düse ragen, bis er diese berührt.The envelope of plasma-forming gas around the arc cools the outer circumference of the arc, reduces the degree of ionization and thus increases the electrical Resistance of the outer circumference. This in turn increases the flow of current causes the path with lower resistance in the core of the arc and thus the Electric arc narrowed and its temperature increased. The narrowing of the The arc is progressive, and it is stronger at the inner end of the nozzle. By Adjustment of the ratio of the gas flow rate to the current flow can the arc will be caused to gradually move on its way into the nozzle bore until it touches the hole at a desired point. Preferably the arc should protrude a greater distance into the nozzle until it touches it.

Um die größtmögliche Plasmamenge im austretenden Gasstrom zu erzeugen, sind die Gasströmungsgeschwindigkeit und der Strom so aufeinander abzustimmen, daß der Lichtbogen sich gerade dann ausweitet, bevor er aus der Düse austreten würde, wie in den Figuren schematisch angedeutet.In order to generate the largest possible amount of plasma in the exiting gas flow, the gas flow rate and the flow are to be coordinated with one another in such a way that the arc expands just before it would exit the nozzle, as indicated schematically in the figures.

Zwar wird die in der Figur dargestellte Konstruktion bevorzugt, bei der die Elektrode 28 teilweise in die Bohrung der Düse 32 ragt, jedoch ist diese Ausführungsform nicht unbedingt erforderlich; vielmehr kann die Spitze der Elektrode 28 einen Abstand zum Eingang der Düse 32 aufweisen. Bei einer solchen Ausführungsform ist es zweckmäßig, wenn die Gashülle nicht nur den Lichtbogen in der Düse selbst umgibt, sondern darüber hinaus um den Teil des Lichtbogens zwischen der Elektrodenspitze und dem Düseneingang strömt.Although the construction shown in the figure, in which the electrode 28 partially protrudes into the bore of the nozzle 32, is preferred, this embodiment is not absolutely necessary; rather, the tip of the electrode 28 can be at a distance from the inlet of the nozzle 32. In such an embodiment it is expedient if the gas envelope not only surrounds the arc in the nozzle itself, but also flows around the part of the arc between the electrode tip and the nozzle inlet.

Vorzugsweise wird Gleichstrom von solcher Polarität verwendet, daß die Elektrode 28 die emittierende Elektrode ist. Es kann jedoch ein Strom beliebiger Polarität oder auch Wechselstrom verwendet werden. Es zeigte sich jedoch, daß bei Verwendung der Elektrode 28 als emittierende Elektrode der Elektrodenabbrand minimal ist, ein stabilerer und gut liegender Lichtbogen erhalten wird und eine viel längere Lebensdauer und einwandfreier Betrieb erzielt werden.Preferably, direct current is used of such a polarity that electrode 28 is the emitting electrode. However, a current of any polarity or alternating current can be used. It was found, however, that when the electrode 28 is used as the emitting electrode, the electrode erosion is minimal, a more stable and well-positioned arc is obtained, and a much longer service life and perfect operation are achieved.

Fast jedes Material in Gasform oder flüssiger Form kann als plasmabildendes Medium den Vorrichtungen gemäß der Erfindung zugeführt werden. Wo auch immer der Ausdruck »Plasmagas«, »plasmabildendes Gas« oder ein ähnlicher Ausdruck verwendet wurde, soll dieser auch das Gas einer anfänglich in die Vorrichtung eingeführten Flüssigkeit einschließen, wobei diese Flüssigkeit zu einem Gas verdampft wird, bevor zusätzliche Energie das Gas weiter in ein Plasma umwandelt. Soll als plasmabildendes Material ein Stoff verwendet werden, der bei Raumtemperatur normalerweise fest oder flüssig ist, kann dieser Stoff natürlich zur überführung in den gasförmigen Zustand vorgewärmt werden, bevor er durch die Lichtbogensäule in ein Plasma umgewandelt wird.Almost any material in gas or liquid form can be considered plasma-forming Medium are fed to the devices according to the invention. Wherever that The expression "plasma gas", "plasma-forming gas" or a similar expression is used this should also initially introduce the gas into the device Enclose liquid, this liquid being vaporized into a gas before additional energy converts the gas further into a plasma. Should as a plasma-forming one Material a substance can be used that is normally solid or at room temperature is liquid, this substance can of course be converted into a gaseous state be preheated before being converted to plasma by the arc column will.

Die Wahl des plasmabildenden Materials hat auf der Grundlage der erwünschten Eigenschaften zu erfolgen, die es bei Umwandlung in das Plasma annimmt. Eine der erforderlichen Haupteigenschaften des Plasmas ist seine Fähigkeit, Energie wirksam auf den Stahl zu übertragen. Durch diese Energieübertragung wird die Molekülgeschwindigkeit des Stahls erhöht.The choice of plasma forming material has to be based on the one desired Properties that it assumes when converted into the plasma. One of the The main properties required of the plasma is its ability to make energy efficient to be transferred to the steel. This transfer of energy increases the speed of molecules of steel increased.

Ferner muß in den meisten Fällen zur Bildung des Plasmas ein Stoff verwendet werden, der mit dem Stahl nicht reagiert bzw. sich mit ihm nicht verbindet. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, ein nicht oxydierendes Gas, am zweckmäßigsten ein nicht oxydierendes Gas mit mehratomigem Molekülaufbau, wie Stickstoff, Wasserstoff, zu verwenden. Auch andere Gase, z. B. Inertgase wie Argon und Helium, sind geeignet. Es wurde gefunden, daß z. B. Stickstoff besser als Helium und Argon den thermischen Einschnüreffekt hervorbringt, der die Lichtbogensäule in einen engen Kanal zwingt, wie vorstehend beschrieben.Furthermore, in most cases, a substance must be used to form the plasma that does not react with the steel or does not bond with it. In this regard it is advantageous to use a non-oxidizing gas, most expediently a non-oxidizing gas with a polyatomic molecular structure, such as nitrogen, hydrogen, to use. Other gases, e.g. B. Inert gases such as argon and helium are suitable. It has been found that e.g. B. nitrogen better than helium and argon the thermal Produces a constriction effect that forces the arc column into a narrow channel, as described above.

In gewissen Fällen, besonders aus wirtschaftlichen Gründen, kann es zweckmäßig sein, Luft als plasmabildendes Gas zu verwenden. Hierbei ist es vorteilhaft, eine geringe Menge eines verhältnismäßig inerten Gases einzuleiten, das die Elektroden umgibt und sie vor oxydierenden Einflüssen der Luft schützt.In certain cases, especially for economic reasons, it can be appropriate to use air as the plasma-generating gas. Here it is advantageous Introduce a small amount of a relatively inert gas into the electrodes surrounds and protects it from oxidizing influences of the air.

Gegebenenfalls können aus betrieblichen Gründen Gemische verschiedener Gase oder anderer Materialien als plasmabildende Stoffe verwendet werden. Beispielsweise wurde ein Gemisch von Wasserstoff und Argon mit Erfolg gebraucht, um die bei Verwendung von reinem Wasserstoff erforderliche Lichtbogenspannung zu verringern. Auch Gemische von Stickstoff und Wasserstoff sind vorteilhaft.If necessary, for operational reasons, mixtures of different Gases or other materials are used as plasma-forming substances. For example A mixture of hydrogen and argon was successfully used to control the in use to reduce the arc voltage required by pure hydrogen. Mixtures too of nitrogen and hydrogen are beneficial.

Als ein weiteres unerwartetes Ergebnis der Verwendung des zweiatomigen Gases Stickstoff wurde die Verringerung des prozentualen Wärmeverlustes durch die Düsenwände mit steigender Stickstoffkonzentration festgestellt.As another unexpected result of using the diatomic Gas was reducing the percentage of heat lost through the nitrogen gas Nozzle walls found with increasing nitrogen concentration.

In der folgenden Tabelle sind die berechneten Plasmatemperaturen angegeben, die mit verschiedenen Gasen bei verschiedenen Voreinstellungen erzielbar sind. H= Gas- Strom- Durch- Gas menge aufnahme schnittliche Volum- Gastemperatur prozent ms/h * kW ° C N2 0 0,85 25 10000 N2 0 5,66 25 4150 N2 0 2,26 50 9400 H1 100 4,25 25 3400 H2 100 5,66 70 8900 N2 + H2 45 2,26 40 10000 A 0 1,42 25 13900 He 0 1,42 25 17800 NH3 75 4,25 30 4400 CH, 75 5,66 40 4700 * Bezogen auf Standardbedingungen (760 mm, 60° F). Die meisten Werkstoffe für die hier beschriebenen Vorrichtungen lassen sich leicht vom Fachmann auswählen, da die an diese Werkstoffe gestellten Anforderungen eindeutig aus dieser Beschreibung ersichtlich sind. Es ist beispielsweise offensichtlich, daß elektrisches Isoliermaterial verwendet werden muß, um die Elektrodenelemente so zu trennen, daß Kurzschlüsse vermieden werden. Ebenso ist es selbstverständlich, daß elektrisch leitende Werkstoffe für die Teile verwendet werden müssen, durch die der Strom zu den Elektroden fließen soll.The following table shows the calculated plasma temperatures that can be achieved with different gases with different default settings. H = gas- electricity- through- Average gas consumption Volume gas temperature percent ms / h * kW ° C N2 0 0.85 25 10000 N2 0 5.66 25 4150 N2 0 2.26 50 9400 H1 100 4.25 25 3400 H2 100 5.66 70 8900 N2 + H2 45 2.26 40 10,000 A 0 1.42 25 13900 He 0 1.42 25 17 800 NH3 75 4.25 30 4400 CH, 75 5.66 40 4700 * Based on standard conditions (760 mm, 60 ° F). Most of the materials for the devices described here can easily be selected by a person skilled in the art, since the requirements placed on these materials are clearly evident from this description. For example, it will be apparent that electrical insulating material must be used to separate the electrode elements so as to avoid short circuits. It also goes without saying that electrically conductive materials must be used for the parts through which the current is to flow to the electrodes.

Es erweist sich als besonders vorteilhaft, als emittierende Elektrode (Kathode) thorhaltiges Wolfram, d. h. Wolframlegierungen mit 1 bis Z% Thorium, Rest im wesentlichen Wolfram, zu verwenden. Bei Verwendung von Gleichstrom kann für die als Anode dienende Elektrode ein Grundmaterial, wie Kupfer, gewählt werden, vorausgesetzt, daß sie in Form eines dünnen Mantels hergestellt und ausreichend mit Wasser gekühlt wird, wie es beispielsweise bei der Düse 32 in F i g. 1 dargestellt ist. Bei Verwendung von thorhaltigem Wolfram für die emittierende Elektrode und für die als Düse dienende wassergekühlte Elektrode erhalten beide Elektroden eine verhältnismäßig lange Lebensdauer. Bei Normalbetrieb ist die Lebensdauer der wassergekühlten Elektrode unendlich. In Versuchen hat sich ergeben, daß die aus thorhaltigem Wolfram bestehende emittierende Elektrode eine Erosion von nur 0,5 mm in einer Betriebszeit von 20 Stunden aufweist, wenn Strom von 400 A und 1,13 m3 Stickstoff je Stunde als Plasmagas mit einer Düse von 4,762 mm 'Durchmesser verwendet werden.It proves to be particularly advantageous as an emitting electrode (Cathode) thor-containing tungsten, d. H. Tungsten alloys with 1 to Z% thorium, remainder essentially tungsten. When using direct current, the a base material such as copper can be selected as the electrode serving as anode, provided that that they are made in the form of a thin jacket and sufficiently cooled with water becomes, as is the case with the Nozzle 32 in FIG. 1 shown is. When using thorium-containing tungsten for the emitting electrode and for the water-cooled electrode serving as a nozzle, both electrodes receive one relatively long service life. In normal operation, the service life is the water-cooled Electrode infinite. Tests have shown that the tungsten containing thoracic existing emitting electrode an erosion of only 0.5 mm in one operating time of 20 hours if current of 400 A and 1.13 m3 nitrogen per hour as Plasma gas with a 4.762 mm 'diameter nozzle can be used.

Die Größenverhältnisse der Plasma erzeugenden emittierenden Elektrode und Düsenelektrode erwiesen sich als wichtig für die wirksame Leistung. Vorzugsweise wird der Außendurchmesser der emittierenden Elektrode (wie beispielsweise bei 28 in F i g. 1 dargestellt) größer als die Bohrung der Düsenelektrode (beispielsweise als 32 in F i g. 1 dargestellt) gewählt. Ferner ist es zweckmäßig, daß das Verhältnis der Länge der Bohrung der Düsenelektrode zum Durchmesser dieser Bohrung größer ist als 2: 1, vorzugsweise weniger als 3: 1, jedoch am vorteilhaftesten nicht mehr als 15: 1.The proportions of the plasma generating emitting electrode and nozzle electrode were found to be important to effective performance. Preferably the outer diameter of the emitting electrode (such as at 28 in Fig. 1) larger than the bore of the nozzle electrode (for example than 32 in Fig. 1) is selected. It is also appropriate that the ratio the length of the bore of the nozzle electrode is greater than the diameter of this bore than 2: 1, preferably less than 3: 1, but most preferably no more than 15: 1.

Die emittierende Elektrode hat ein zugespitztes Ende, z. B. eine konische Spitze, deren Innenwinkel beispielsweise 40 bis 120- beträgt. Es erweist sich als zweckmäßig, die Spitze des konischen Endes der Elektrode etwas abzustumpfen, so daß die Elektrodenspitze abgeflacht ist und insgesamt eine Kegelstumpfform aufweist. Der Durchmesser der abgeflachten Spitze der Elektrode kann zwischen 0,74 und 6,35 mm liegen und beträgt vorzugsweise 1,59 bis 4,76 mm. Bei einer 9,525-mm-Elektrode, die mit einer Düse von 5,556 mm Durchmesser bei 400 A und mit 1,7 m3 Stickstoff je Stunde als Plasmagas verwendet wird, wird eine abgeflachte Spitze mit einem Durchmesser von 3,175 mm bevorzugt. Im algemeinen soll der Durchmesser des abgeflachten Teils der Elektrodenspitze mit der Stromstärke größer werden.The emitting electrode has a pointed end, e.g. B. a conical Tip, the interior angle of which is, for example, 40 to 120-. It turns out to be expedient to slightly blunt the tip of the conical end of the electrode, so that the electrode tip is flattened and overall has a truncated cone shape. The diameter of the flattened tip of the electrode can be between 0.74 and 6.35 mm and is preferably 1.59 to 4.76 mm. For a 9.525 mm electrode, the one with a nozzle with a diameter of 5.556 mm at 400 A and with 1.7 m3 of nitrogen is used as plasma gas per hour, a flattened tip with a diameter of 3.175 mm is preferred. In general, the diameter of the flattened part should be the electrode tip increase with the current strength.

So sollte beispielsweise bei einer Elektrode und Düse der gleichen Größe, wie vorstehend angegeben, und bei der gleichen Stickstoffmenge die abgeflachte Spitze vorzugsweise einen Durchmesser von 6,35 mm haben, wenn die Stromstärke 700 A beträgt. Wird die Stromstärke auf etwa 2000 A gesteigert, ist vorzugsweise eine abgeflachte Spitze mit einem Durchmesser von 12,7 mm oder mehr zu verwenden. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist die emittierende Elektrode konzentrisch mit der Bohrung in der Gegenelektrode und dicht bei dieser angeordnet, und zwar vorzugsweise so, daß der kürzeste Abstand zwischen der emittierenden Elektrode und der Gegenelektrode nicht mehr als zwei Durchmesser der Bohrung der Gegenelektrode und am vorteilhaftesten 1/a bis 1 Durchmesser der Bohrung beträgt.For example, an electrode and nozzle should be the same Size as indicated above, and for the same amount of nitrogen, the flattened one Tip preferably have a diameter of 6.35 mm when the current is 700 A is. If the amperage is increased to about 2000 A, one is preferred use a flattened tip with a diameter of 12.7 mm or more. at the preferred embodiment of the device according to the invention is the emitting Electrode concentric with and close to the hole in the counter electrode arranged, preferably so that the shortest distance between the emitting Electrode and the counter electrode no more than two diameters of the bore of the Counter electrode and most advantageously 1 / a to 1 diameter of the bore.

Diese Abmessungen und Stellungen der Elektroden sind wichtig für wirksamen und stabilen Betrieb der Vorrichtung. Im allgemeinen ist es bei diesen Vorrichtungen erwünscht, eine möglichst große Menge des durch die Vorrichtung strömenden Plasmagases in wirkliches Plasma umzuwandeln. Auf diese Weise wird Verschwendung von Gas sowie der nachteilige Kühleffekt von Gas, dessen Temperatur unter der Plasmatemperatur liegt, vermieden. Größenverhältnis und Stellung der emittierenden Elektrode zur Düsenelektrode und die richtige Wahl des Verhältnisses von Durchmesser zur Länge der Düse sind wichtig für dieses Resultat. Wie bereits erläutert, verengt das durch die Düse strömende Gas die Lichtbogenbahn, jedoch est es wichtig, daß dieser verengende Effekt in Richtung zum Düsenende geringer wird, so daß a) praktisch das gesamte Gas durch die Lichtbogensäule zum Plasmazustand erhitzt wird und b) die Lichtbogenbahn sich am Ende der Düsenbohrung ausweitet und verbreitert und die Düse am Ende der Bohrung oder an ihrer Außenfläche neben der Bohrung berührt. Der Vorteil der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung liegt darin, daß diese Ziele erreicht werden und im wesentlichen das gesamte aus der Düsenöffnung austretende Gas die Form eines freien Plasmastrahls hat. Um diese Ziele zu erreichen, ist es nicht notwendig, daß die Bohrung der Düsenelektrode zylindrisch ist, vielmehr ist es bisweilen erwünscht, daß die Bohrung sich verjüngt oder konisch zuläuft oder sich mit einer allmählichen Änderung des Konuswinkels verjüngt, so daß die Bohrung leicht gewölbt ist. Wenn dem austretenden Plasmastrahl eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit gegeben werden soll, ist es in manchen Fällen erwünscht, die Bohrung so zu verjüngen, daß das Austrittsende kleiner ist als der Eintritt. Dies käme für den Fall in Frage, in dem die zur Erzeugung der gewünschten Geschwindigkeit erforderliche kleine Verengung am Austrittsende für das Eintrittsende deshalb zu klein ist, weil kurzschließende Lichtbogenbildung bei einer so kleinen Bohrung am Eintrittsende auftreten könnte. In anderen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Bohrung der Düsenelektrode in entgegengesetzter Richtung zu verjüngen, so daß die größte Bohrung am Austrittsende liegt. Dies käme für Fälle in Frage, in denen die Gasströmung so schwach ist, daß die verengte Lichtbogensäule sich auf ihrem Wege durch die Bohrung erheblich ausweitet. Durch Ausweiten der Düsenbohrung ist es ferner möglich, die Wände der Düsenbohrung von der verbreiterten Lichtbogenbahn so weit entfernt zu halten, daß vorzeitige Bogenbildung und vorzeitiger Kurzschluß mit der Düsenwand verhindert wird.These dimensions and positions of the electrodes are important for effective and stable operation of the device. Generally it is with these devices Desirably, as large an amount as possible of the plasma gas flowing through the device to convert into real plasma. This way it becomes waste of gas as well the adverse cooling effect of gas, its temperature below the plasma temperature is avoided. Size ratio and position of the emitting electrode to Nozzle electrode and the right choice of the ratio of diameter to length the nozzle are important for this result. As already explained, this narrows down The gas flowing through the nozzle of the arc path, however, it is important that this is narrowing Effect in the direction of the nozzle end is less, so that a) practically the entire Gas is heated to a plasma state by the arc column and b) the arc path expands and widens at the end of the nozzle bore and the nozzle at the end of the Touches the hole or on its outer surface next to the hole. The advantage of the preferred Embodiment of the device according to the invention is that these goals can be achieved and substantially all of the emerging from the nozzle opening Gas takes the form of a free plasma jet. To achieve these goals, it is it is not necessary that the bore of the nozzle electrode is cylindrical, rather it is it is sometimes desirable that the bore tapers or tapers or tapers with a gradual change in the cone angle so that the bore is slightly arched. If the exiting plasma jet has a relatively high If speed is to be given, in some cases it is desirable to drill the hole to taper so that the exit end is smaller than the entry. This would come for the case in question in which the speed required to produce the desired speed small constriction at the exit end is too small for the entry end because short-circuiting arcing with such a small hole at the inlet end could occur. In other cases it can be useful to drill the nozzle electrode taper in the opposite direction so that the largest hole is at the outlet end lies. This would come into question in cases where the gas flow is so weak that the narrowed arc column expands considerably on its way through the bore. By widening the nozzle bore, it is also possible to remove the walls of the nozzle bore to keep so far away from the widened arc path that premature Arcing and premature short circuit with the nozzle wall is prevented.

Aus dieser Bauart ergibt sich ein stabiler Lichtbogen infolge des natürlichen Regeleffektes dieser Arbeitsweise.This design results in a stable arc as a result of the natural control effect of this way of working.

Für ordnungsgemäßes Arbeiten einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, wie sie beispielsweise in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben wurde, ist es wichtig, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Plasmagases richtig auf den zum Lichtbogen gehenden Strom abgestimmt wird. Wird das Gas überhaupt nicht angestellt und der Lichtbogen bei hoher Stromstärke zum inneren Ende der Düse gezogen, wird dieses schnell angefressen und durchlöchert. Es ist daher gewöhnlich ratsam, das Plasmagas aufzudrehen, bevor der Lichtbogen gezündet wird, und diesen nur bei niedriger Stromstärke zu zünden. Danach wird allmählich die Stromzufuhr zum Lichtbogen verstärkt. Es ist in einigen Fällen ratsam, Vorkehrungen zum automatischen Ablauf dieser Funktionen unter Verwendung der bekannten automatischen Vorrichtungen zu treffen, um Schäden an der Vorrichtung zu vermeiden, die sich aus der Unterlassung des Bedienungsmannes, den Gas- und Stromfluß richtig einzustellen, ergeben könnten. Sowohl die Lichtbogenbahn als auch der regellose Plasmastrahl emittieren Ultraviolett- und Infrarotstrahlen. Es ist daher ausreichender Augenschutz für die Bedienungsleute in der Nähe der Vorrichtung ratsam.For proper operation of a device according to the invention, as, for example, in connection with FIG. 1, it is important to that the flow rate of the plasma gas is correctly adjusted to that of the arc outgoing stream is tuned. If the gas is not turned on at all and the Arc drawn at high amperage to the inner end of the nozzle, this is quickly pitted and perforated. It is therefore usually advisable to use the plasma gas to turn up before the arc is ignited, and this only at low amperage to ignite. After that, the current supply to the arc is gradually increased. It is In some cases it is advisable to take precautions to ensure that these functions run automatically using the known automatic devices to take damage to avoid on the device, which results from the failure of the operator, adjust the gas and current flow correctly, could result. As well as the arc path as well as the random plasma jet emit ultraviolet and infrared rays. It is therefore sufficient eye protection for the operators near the device is advisable.

Der aus der Düse 32 austretende freie Plasmastrahl wird auf den zu behandelnden Stahl gerichtet. Er muß mit dem Stahl so lange in Berührung bleiben, daß die Molekülgeschwindigkeit in dem behandelten Teil des Stahls über die Molekülgeschwindigkeit des Stahls bei der Umwandlungstemperatur erhöht wird. Die Umwandlungstemperatur liegt je nach der Type des behandelten Stahls gewöhnlich in der Nähe von etwa 870° C. Die genaue Umwandlungstemperatur für jeden speziellen Stahltyp ist natürlich bekannt und in der Fachliteratur zu finden.The free plasma jet emerging from the nozzle 32 is directed towards the treated steel directed. He must stay in touch with the steel for so long that the molecular speed in the treated part of the steel is about the molecular speed of the steel is increased at the transition temperature. The transition temperature is usually in the vicinity of about 870 ° depending on the type of steel being treated C. The exact transition temperature for any particular type of steel is natural known and can be found in the specialist literature.

Es ist wichtig, daß nur der freie Plasmastrahl mit dem Stahl in Berührung gebracht wird, daß diese Berührung außerhalb des Einflusses des Lichtbogens erfolgt und der Lichtbogen sich nicht bis zum Stahl erstreckt oder diesen berührt.It is important that only the free plasma jet is in contact with the steel is brought that this contact takes place outside the influence of the arc and the arc does not extend to or touch the steel.

Nach der Berührung des Stahls mit dem freien Plasmastrahl und der Erhöhung der Molekülgeschwindigkeit des Stahls über die der Umwandlungstemperatur entsprechende Molekülbewegung wird der Stahl abgeschreckt, indem man ihn mit einem Kühlmedium, wie Wasser, Öl oder Luft, in Berührung bringt oder in gewissen Fällen sogar nur abkühlen läßt.After the steel comes into contact with the free plasma jet and the Increase in the molecular velocity of the steel above that of the transformation temperature The steel is quenched by touching it with a corresponding molecular movement Bringing cooling medium, such as water, oil or air, into contact or in certain cases even just let it cool down.

Die dem Stahl durch die Behandlung verliehenen Eigenschaften hängen zum Teil vom Abschrecken ab. Wird beispielsweise ein hochgekohlter Stahl behandelt, kann er durch schnelles Abschrecken in einem Kühlmedium, z. B. Wasser oder Öl, in ein hartes martensitisches Gefüge umgewandelt werden. Weniger schnelles Abschrecken führt zu einem Gefüge, wie Bainit, von mittlerer Härte.The properties given to the steel by the treatment depend on it partly from quenching. For example, if a high-carbon steel is treated, it can by rapid quenching in a cooling medium, e.g. B. water or oil, in a hard martensitic structure can be converted. Less quick quenching leads to a structure, like bainite, of medium hardness.

Das Abschrecken kann auf die gleiche Weise vorgenommen werden, wie es in Verbindung mit der üblichen Hitzehärtung von Stählen der Fall und in der Technik allgemein bekannt ist.Quenching can be done in the same way as it is the case in connection with the usual heat hardening of steels and in technology is well known.

Wie in F i g. 2 dargestellt, wird das Stahlstück 201 in Form eines zylindrischen Körpers zwischen den Lagerspitzen 202 und 203 beispielsweise einer üblichen Drehbank gehalten und rotiert. Der Plasmaerzeuger 204 der in F i g. 1 dargestellten Bauart wird neben dem Stück 201 montiert, so daß der freie Plasmastrahl 205, der aus der Düse austritt, auf das Stück 201 gerichtet ist. Während das Werkstück 201 rotiert, wird der Plasmaerzeuger 201 in Längsrichtung des Werkstücks in Richtung des Pfeiles 206 bewegt. Durch die Berührung des freien Plasmastrahls 205 mit dem sich drehenden Werkstück 201 ergibt sich ständig ein Metallstreifen 207, dessen Molekülgeschwindigkeit höher ist als die Molekülgeschwindigkeit bei der Umwandlungstemperatur von beispielsweise 870° C. Während der Plasmaerzeuger 204 in Richtung des Pfeils 206 bewegt wird, bewegt sich dieser Streifen ständig axial längs des Werkstücks, so daß die ganze Oberfläche des Werkstücks 201 mit dem freien Plasmastrahl in Berührung gekommen ist, wenn der Plasmaerzeuger 204 über die Länge des Werkstücks bewegt worden ist.As in Fig. 2, the steel piece 201 in the form of a cylindrical body is held and rotated between the bearing tips 202 and 203, for example a conventional lathe. The plasma generator 204 of the FIG. 1 is mounted next to the piece 201 so that the free plasma jet 205 emerging from the nozzle is directed onto the piece 201. While the workpiece 201 rotates, the plasma generator 201 is moved in the longitudinal direction of the workpiece in the direction of the arrow 206 . The contact of the free plasma jet 205 with the rotating workpiece 201 constantly results in a metal strip 207, the molecular speed of which is higher than the molecular speed at the transition temperature of, for example, 870 ° C. While the plasma generator 204 is moved in the direction of the arrow 206, it moves this strip is always axially along the workpiece, so that the entire surface of the workpiece 201 has come into contact with the free plasma jet when the plasma generator 204 has been moved over the length of the workpiece.

Direkt hinter dem Plasmastrahl 205 ist das Werkstück 201 von einem ringförmigen Spritzkopf 208 umgeben, der gleichzeitig mit dem Plasmaerzeuger 204 bewegt wird. Aus diesem Spritzkopf ist ein Kühlmedium, wie Wasser, Öl oder Luft, mit hoher Geschwindigkeit auf die vorher mit dem freien Plasmastrahl behandelte Metalloberfläche gerichtet, die auf diese Weise abgeschreckt wird, so daß das ganze Werkstück fortschreitend mit dem freien Plasmastrahl behandelt und anschließend abgeschreckt wird.Directly behind the plasma jet 205 is the workpiece 201 of one ring-shaped spray head 208 surrounded simultaneously with the plasma generator 204 is moved. A cooling medium such as water, oil or air is released from this spray head at high speed on the previously treated with the free plasma jet Metal surface that is quenched in this way, so that the whole Workpiece progressively treated with the free plasma jet and then is deterred.

Die Tiefe, bis zu der diefe Behandlung und Härtung wirksam ist, hängt von der Geschwindigkeit des Energieübergangs vom freien Plasmastrahl auf das Metall und die Zeit der Berührung des freien Plasmastrahls mit dem Metall ab.The depth to which this treatment and curing is effective depends the speed of energy transfer from the free plasma jet to the metal and the time of contact of the free plasma jet with the metal.

Die Geschwindigkeit .des Energieübergangs vom freien Plasmastrahl auf den Stahl ist äußerst hoch, wenn er als Wärmeübergang gemessen wird, und beträgt mehr als das Sechsfache desjenigen der heißesten technisch verfügbaren Flamme, nämlich der Sauerstoff-Acetylen-Flamme. Abgesehen davon, daß ein direkter Elektronenentzug und Wiedereinfangen der Elektronen im Stahl selbst bewirkt wird, findet bei der Übertragung von Energie aus dem freien Plasmastrahl auf den Stahl und der Senkung der Temperatur des freien Plasmastrahls eine Rekombination der dissoziierten Partikeln statt. Hierbei werden riesige Mengen Wärmeenergie sowohl in Form fühlbarer Wärme als auch von Strahlungswärme frei, so daß eine verhältnismäßig große Menge Wärmeenergie bei nahezu konstanter Temperatur des freien Plasmastrahls auf den Stahl übertragen werden kann.The speed of the energy transfer from the free plasma jet on the steel is extremely high when measured as heat transfer, and amounts to more than six times that of the hottest technically available flame, namely the oxygen-acetylene flame. Apart from the fact that a direct electron withdrawal and recapture of the electrons in the steel itself is effected, takes place in the Transfer of energy from the free plasma jet to the steel and the countersink the temperature of the free plasma jet causes a recombination of the dissociated particles instead of. Here, huge amounts of heat energy are used both in the form of sensible heat as well as free from radiant heat, so that a relatively large amount of thermal energy transferred to the steel at an almost constant temperature of the free plasma jet can be.

Bei der Erzeugung dünner, gehärteter Oberflächenschichten gemäß der Erfindung ist die Verwendung eines Kühlmediums nicht immer erforderlich, da es möglich ist, die Ausbildung einer erhitzten dünnen Außenschicht des Stahls so zu regulieren, daß die übrige Masse des Stahls bzw. der Kern unter der Oberflächenschicht genügend kalt ist, um die Außenschicht unmittelbar nach der Entfernung des Plasmastrahls abzuschrecken.When producing thin, hardened surface layers according to Invention, the use of a cooling medium is not always necessary as it is possible is to regulate the formation of a heated thin outer layer of the steel in such a way that that the remaining mass of the steel or the core under the surface layer is sufficient is cold to the outer layer immediately after the removal of the plasma jet to deter.

Wird ein Abschreckmittel verwendet, verstärkt dieses die Kühlwirkung des verhältnismäßig kalten Kern. Das zusätzliche Abschreckmittel, wie Luft, Wasser oder Öl, ist unmittelbar nach der Entfernung des Plasmastrahls auf die Oberfläche des Stahls zu richten.If a detergent is used, it will increase the cooling effect the relatively cold core. The additional deterrent, such as air, water or oil, is immediately after the removal of the plasma jet on the surface straightening the steel.

In vielen Fällen ist es vorteilhaft, einen Plasmaerzeuger, z. B. die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung, zu verwenden, der einen Plasmastrahl mit scharf abgegrenztem Umfang erzeugt. Mit einem solchen Strahl ist es möglich, die behandelte Stahlfläche mit konstanter Geschwindigkeit vor dem Plasmastrahl vorbeizuführen oder umgekehrt den Plasmastrahl mit konstanter Geschwindigkeit über die zu behandelnde Fläche zu führen. In solchen Fällen bestimmen die Größe des scharf begrenzten Strahls und die Geschwindigkeit, mit welcher der Strahl über die Oberfläche geführt wird, genau die Länge der Zeit, die eine Flächeneinheit dem Plasma ausgesetzt ist.In many cases it is advantageous to use a plasma generator, e.g. B. the in Fig. 1 shown device to use, which a plasma jet with sharp limited scope generated. With such a beam it is possible to get the treated To move the steel surface at a constant speed in front of the plasma jet or reversed the plasma jet with constant speed over the to be treated Lead surface. In such cases determine the size of the sharply defined beam and the speed at which the jet is guided over the surface, exactly the length of time that a unit of area is exposed to the plasma.

In gewissen Fällen ist eine andere Gestalt des Plasmastrahls zweckmäßig, z. B. die Form eines länglichen Bandes od. dgl. Es wurde festgestellt, daß sich die Form des Plasmastrahls in der gewünschten Weise durch entsprechende Ausbildung der Düse 32 (F i g. 1) des Plasmaerzeugers bestimmen läßt.In certain cases a different shape of the plasma jet is appropriate, z. B. od the shape of an elongated band. Like. It was found that the shape of the plasma jet in the desired way through appropriate training the nozzle 32 (Fig. 1) of the plasma generator can be determined.

F i g. 3 und 4 zeigen eine Ausführungsform einer Düse zur Erzeugung eines Plasmastrahls in Form eines langen, schmalen Bandes. Der in F i g. 4 dargestellte Schnitt ist im Winkel von 90° durch die Ebene von F i g. 3 gelegt. In diesen Figuren ist 328 die emittierende Elektrode entsprechend der Elektrode 28 in F i g. 1, und 332 stellt einen zylindrischen Düseneinsatz entsprechend der Düse 32 in F i g. 1 dar.F i g. 3 and 4 show an embodiment of a nozzle for generating a plasma jet in the form of a long, narrow band. The in F i g. 4 shown Cut is at an angle of 90 ° through the Level of FIG. 3 laid. In these figures, 328 is the emitting electrode corresponding to the electrode 28 in FIG. 1, and 332 represents a cylindrical nozzle insert corresponding to FIG Nozzle 32 in FIG. 1 represents.

Der Düseneinsatz 332 ist zu einer länglichen, schmalen Schlitzdüse 301 ausgezogen. Wie aus F i g. 3 ersichtlich, erweitert sich die Schlitzdüse, wenn man sie von einer Seite betrachtet, verengt sich jedoch, wie aus F i g. 4 ersichtlich, bei Betrachtung aus einer Stellung im Winkel von 90° von der ersten Blickrichtung, so daß der Austritt des Teils 301 die Form eines länglichen engen Spalts oder Bandes hat.The nozzle insert 332 is an elongated, narrow slot nozzle 301 moved out. As shown in FIG. 3, the slot nozzle expands when however, if one looks at it from one side, it narrows, as can be seen from FIG. 4 can be seen, when viewed from a position at an angle of 90 ° from the first viewing direction, so that the exit of part 301 is in the form of an elongated narrow gap or band Has.

Der Teil 332 der Düse ist mit einem Kühlwassermantel 333 entsprechend dem Mantel 33 von F i g. 1 versehen. Die Wasserzufuhr erfolgt durch den Kanal 334 entsprechend dem Kanal 34 von F i g. 1. Das durch 334 in den Mantel 333 eintretende Wasser verläßt diesen durch die Austrittsleitung 335 entsprechend dem Kanal 35 von F i g. 1.The part 332 of the nozzle is provided with a cooling water jacket 333 corresponding to the jacket 33 of FIG. 1 provided. The water is supplied through the channel 334 corresponding to the channel 34 of FIG. 1. The water entering the jacket 333 through 334 leaves it through the outlet line 335 corresponding to the channel 35 of FIG. 1.

Zusätzlich ist der Teil 301 der Düse mit dem Kühlmantel 304 versehen, der aus Leitung 334 durch den Kanal 302 gespeist wird. Das Kühlwasser verläßt den Mantel durch den Kanal 303 und Austritt 335.In addition, the part 301 of the nozzle is provided with the cooling jacket 304, which is fed from line 334 through the channel 302. The cooling water leaves the jacket through channel 303 and outlet 335.

In jeder anderen Hinsicht sind die Bauart und der Betrieb identisch mit der im Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebenen Vorrichtung. Der Lichtbogen wird zwischen der Elektrode 328 und der Düse gezündet. Die um den Lichtbogen geführte Hülle aus plasmabildendem Gas muß ausreichen, den Lichtbogen zu verengen und ihn wenigstens über einen Teil der Düsenlänge in die Düse hineinzuzwingen, und zwar vorzugsweise so, daß er zum Teil 301 der Düse dicht an deren Austritt verläuft. Das plasmabildende Gas hat die Form eines länglichen Bandes oder Streifens.In all other respects the design and operation are identical with the in connection with F i g. 1 described device. The arc will ignited between electrode 328 and the nozzle. The one led around the arc Sheath of plasma-forming gas must be sufficient to narrow the arc and it Forcing into the nozzle over at least part of the nozzle length, namely preferably so that part 301 of the nozzle runs close to its outlet. The plasma-generating gas is in the form of an elongated ribbon or strip.

Der Plasmaerzeuger mit der in F i g. 3 und 4 dargestellten Düsenkonstruktion kann beispielsweise zur progressiven Härtung von Oberflächenbereichen von Stahl verwendet werden. Auf diese Weise läßt sich eine lineare progressive Härtung erreichen, wie sie in üblicher Weise nach dem Flammenhärtungsverfahren durchgeführt wird.The plasma generator with the in F i g. 3 and 4 shown nozzle construction can for example be used for the progressive hardening of surface areas of steel be used. In this way a linear progressive hardening can be achieved, as it is carried out in the usual way after the flame curing process.

Bei der in F i g. 5 dargestellten Anordnung werden zwei Plasmaerzeuger 501 und 502 mit der in F i g. 3 und 4 dargestellten Düsenkonstruktion zur Härtung von Drehbankführungen verwendet. Die Plasmaerzeuger 501 und 502 erzeugen die bandförmigen Plasmastrahlen 503 und 504, die auf die Führungen 505 und 506 der Drehbank 507 gerichtet sind. Die Plasmaerzeuger bewegen sich längs der Führung der Drehbank und richten dabei die Plasmastrahlen gegen die Führungen. Den Plasmaerzeugern kann unmittelbar eine Abschreckvorrichtung folgen, die hinter dem Plasmastrahl einen Strahl eines Abschreckmediums, wie Wasser, Öl oder Luft, auf die Führungen sprüht.In the case of the in FIG. 5, two plasma generators 501 and 502 are provided with the arrangement shown in FIG. 3 and 4 shown nozzle construction used for hardening lathe guides. The plasma generators 501 and 502 generate the belt-shaped plasma jets 503 and 504 which are directed onto the guides 505 and 506 of the lathe 507. The plasma generators move along the guide of the lathe and direct the plasma jets against the guides. The plasma generators can be followed directly by a quenching device which, behind the plasma jet, sprays a jet of a quenching medium, such as water, oil or air, onto the guides.

Plasmaerzeuger mit der beispielsweise in F i g. 3 und 4 dargestellten Düsenform können auch z. B. beim Drehhärtungsverfahren angewendet werden, beispielsweise zum Härten von Zahnrädern. Die ganze Breite der Stirnfläche muß hierbei der Einwirkung des freien Plasmastrahls ausgesetzt werden, während das Zahnrad schnell durch den Strahl gedreht wird. Auf diese Weise wird die ganze Oberfläche des Zahnrades behandelt. Das Abschrecken kann erfolgen, indem das ganze Zahnrad in ein Kühlmittelbad fallen gelassen wird. Beispiel 1 An einen üblichen Gleichstrom-Schweißgenerator für 600 A wird mit Hilfe wassergekühlter Kabel, die gleichzeitig zur Kühlwasserzufuhr dienen, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Plasmaflamme, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, mit folgenden Abmessungen angeschlossen: Durchmesser der Elektrode 28 . . 9,525 mm Innenwinkel der konischen Elek- trodenspitze ............... 40° Durchmesser des abgeflachten Endes der Elektrodenspitze . . 6,35 mm Durchmesser der Kammer 36 . . 19,05 mm Länge der Kammer 36 . . . . . . . . 25,4 mm Durchmesser der Düse 32 ..... 5,6 mm Länge der Düse 32 . . . . . . . . . . . 28,6 mm Kühlwasser aus einem üblichen Stadtwassernetz wird bei einer Temperatur von etwa 18° C und einem Druck von 4,2 kg/cm2 in einer Menge von 13,61/Minute dem Eintrittsende eines der wassergekühlten Kabel zugeführt. Das andere Kabel ist an einen Abfluß angeschlossen.Plasma generator with the example shown in FIG. 3 and 4 shown nozzle shape can also, for. B. can be used in the rotary hardening process, for example for hardening gears. The entire width of the end face must be exposed to the action of the free plasma jet, while the gear wheel is rotated quickly by the jet. In this way the entire surface of the gear is treated. Quenching can be done by dropping the entire gear into a coolant bath. EXAMPLE 1 A device for generating a plasma flame, as shown in FIG. 1, is attached to a conventional direct current welding generator for 600 A with the aid of water-cooled cables which also serve to supply cooling water. 1 is connected with the following dimensions: Diameter of the electrode 28. . 9.525 mm Inner angle of the conical elec- tip tip ............... 40 ° Diameter of the flattened End of the electrode tip. . 6.35 mm Chamber diameter 36. . 19.05 mm Chamber length 36. . . . . . . . 25.4 mm Diameter of the nozzle 32 ..... 5.6 mm Length of nozzle 32. . . . . . . . . . . 28.6 mm Cooling water from a conventional city water network is fed to the inlet end of one of the water-cooled cables at a temperature of around 18 ° C and a pressure of 4.2 kg / cm2 in an amount of 13.61 / minute. The other cable is connected to a drain.

Ein üblicher Hochfrequenzgenerator zum Lichtbogenzünden wird über die vom Schweißgenerator kommenden Kabel angeschlossen, so daß durch Schließen des Schalters am Hochfrequenzgenerator ein Hochfrequenzzündstrom der Elektrode aufgedrückt werden kann.A common high frequency generator for arc ignition is over the cables coming from the welding generator are connected so that by closing the Switch on the high-frequency generator, a high-frequency ignition current of the electrode is pressed can be.

Als Gas zur Plasmaerzeugung dient in diesem Fall Stickstoff, der von einer Flasche durch ein übliches Druckreduzierventil, einen üblichen Mengenmesser und dann durch einen Gummischlauch dem Gaseintritt der Vorrichtung zugeführt wird. Zur Regulierung des Gasstroms ist ein Nadelventil in die Gasleitung eingebaut.In this case, nitrogen is used as the gas for generating the plasma a bottle through a common pressure reducing valve, a common flow meter and then fed through a rubber hose to the gas inlet of the device. A needle valve is built into the gas line to regulate the gas flow.

Der Druckregler an der Stickstoffflasche wird auf 3,5 kg/cm2 eingestellt und das Nadelventil so weit geöffnet, daß zunächst 2,27 m3/Stunde (gemessen bei Standardbedingungen) einströmen. Der Lichtbogen wird gezündet, indem der Schweißgenerator zunächst auf eine Leerlaufspannung von 110 V und eine Stromstärke von 100 A bei 55 V eingestellt und dann der Schalter des Hochfrequenzgenerators geschlossen wird. Unmittelbar nach dem Zünden des Lichtbogens wird der Schalter am Hochfrequenzgenerator wieder geöffnet.The pressure regulator on the nitrogen bottle is set to 3.5 kg / cm2 and the needle valve opened so wide that initially 2.27 m3 / hour (measured at Standard conditions). The arc is ignited by the welding generator initially to an open circuit voltage of 110 V and a current of 100 A. 55 V is set and then the switch of the high-frequency generator is closed. Immediately after the arc is ignited, the switch on the high-frequency generator is activated opened again.

Die Stickstoffzufuhr wird vom. Anfangswert auf einen Endwert von 1,13 m3/Stunde gebracht. Gleichzeitig wird der Strom von der anfänglichen Einstellung auf 55 V und 500 A verstärkt.The nitrogen supply is from. Initial value brought to a final value of 1.13 m3 / hour. At the same time, the current is boosted from the initial setting to 55V and 500A.

Eine heiße Plasmaflamme mit einer Temperatur von etwa 9150° C tritt aus der Düse der Vorrichtung aus.A hot plasma flame with a temperature of about 9150 ° C occurs from the nozzle of the device.

Eine Stahlwelle beispielsweise aus Molybdänstahl mit einem Durchmesser von 38 mm wird in eine Drehbank eingespannt und mit 500 UpM. Der Plasmaerzeuger wird in einem Abstand von 13 mm von der Oberfläche der Welle montiert und mit einer Geschwindigkeit von 38 cm/Minute die Welle entlang bewegt, so daß jeder Teil der Oberfläche der Welle 5 Sekunden mit dem freien Plasmastrahl in Berührung kommt. Ein Kupferrohr mit einem Innendurchmesser von 13 mm in Form eines Rings mit einem Durchmesser von 44,5 mm, der mit nach innen gerichteten und dicht nebeneinanderstehenden Düsen besetzt ist, wird über das Ended der Welle geschoben. Durch dieses Rohr wird Wasser mit einer Temperatur von 18° C und einem Druck von 4,55 kg/cm2 geleitet. Das aus den Düsen austretende Wasser ist auf die Welle gerichtet. Der Ring wird gleichzeitig mit dem Plasmaerzeuger unmittelbar hinter dem freien Plasmastrahl in einem Abstand von 10 mm bewegt. Durch die Behandlung wird die Oberfläche der Welle so gehärtet, daß sie eine Rockwell-C8-Härte von etwa C65 hat. Die ursprüngliche Oberfläche der Welle hatte eine Rockwell-C-Härte von 0. Die Härtetiefe beträgt 2,4 mm. Beispiel 2 Aus einem Stahl-Rohstück von 127 mm Durchmesser und 25,4 mm Stirnbreite wird ein stirnverzahntes Zahnrad hergestellt. Am Umfang werden übliche Evolventenzähne von 14'/2' mit Durchmesserteilung 10 eingeschnitten. Der Werkstoff des Rohstücks besteht aus Stahl SAE 2335, d. h. einem nickellegierten Stahl mit etwa 311/o Nickel und etwa 0,35% Kohlenstoff. Die Zahnoberflächen sollen nur auf eine Tiefe von etwa 0,25 mm gehärtet werden.A steel shaft made, for example, of molybdenum steel with a diameter of 38 mm is clamped in a lathe and at 500 rpm. The plasma generator is mounted at a distance of 13 mm from the surface of the shaft and is moved along the shaft at a speed of 38 cm / minute so that every part of the surface of the shaft comes into contact with the free plasma jet for 5 seconds. A copper pipe with an inner diameter of 13 mm in the form of a ring with a diameter of 44.5 mm, which is filled with inwardly directed and closely spaced nozzles, is pushed over the end of the shaft. Water at a temperature of 18 ° C and a pressure of 4.55 kg / cm2 is passed through this pipe. The water emerging from the nozzles is directed towards the shaft. The ring is moved at the same time as the plasma generator, immediately behind the free plasma jet, at a distance of 10 mm. The treatment hardens the surface of the shaft so that it has a Rockwell C8 hardness of approximately C65 . The original surface of the shaft had a Rockwell C hardness of 0. The hardness depth is 2.4 mm. Example 2 A face-toothed gear is produced from a steel blank with a diameter of 127 mm and a face width of 25.4 mm. Conventional involute teeth of 14 '/ 2' with a diameter division 10 are incised on the circumference. The material of the blank consists of steel SAE 2335, ie a nickel alloy steel with about 311 / o nickel and about 0.35% carbon. The tooth surfaces should only be hardened to a depth of about 0.25 mm.

Der Zahnradrohling wird auf einer senkrechten Welle montiert, die einen Teil einer Vorrichtung bildet, mit der das Zahnrad taktweise durch einen Winkel, der jeweils einem Zahn entspricht, weitergedreht werden kann.The gear blank is mounted on a vertical shaft that forms part of a device with which the gear wheel is cycled through an angle, each corresponding to a tooth, can be rotated further.

Eine Plasmaerzeugungsvorrichtung der im Beispiel l beschriebenen Ausführung wird mit einer Düse mit schlitzförmiger Verlängerung, wie in F i g. 3 und 4 dargestellt, von 0,5 cm Breite und 0,64 cm Länge versehen, so daß sie einen scharf begrenzten Plasmastrahl ausstößt, dessen Breite etwa der Höhe eines Zahnes entspricht. Der Plasmaerzeuger ist an einer Vorrichtung montiert, mit der er auf und ab parallel zur Welle und in einem solchen Abstand zu dieser bewegt werden kann, daß der Plasmastrahl auf eine Zahnfläche trifft, wenn ein Zahnrad an der Welle montiert ist. Dem Plasmaerzeuger wird Stickstoffgas in einer Menge von 1,7 m3/Minute und Strom von 500 A und 55 V zugeführt.A plasma generating device of the type described in Example 1 is made with a nozzle with a slot-shaped extension, as in FIG. 3 and 4 shown, 0.5 cm wide and 0.64 cm long, so that they sharply delimited one Ejects plasma jet, the width of which corresponds approximately to the height of a tooth. Of the Plasma generator is mounted on a device that allows it to go up and down in parallel can be moved to the shaft and at such a distance from it that the plasma jet meets a tooth surface when a gear is mounted on the shaft. The plasma generator becomes nitrogen gas in an amount of 1.7 m3 / minute and current of 500 A and 55 V. fed.

Neben der Düse des Plasmaerzeugers ist eine Wasserdüse montiert, der gewöhnliches Leitungswasser von etwa 16° C zugeführt wird. Die Wasserdüse ist so ausgebildet, daß sie einen schmalen Strahl von etwa 11,41,/Minute ausstößt und auf den Teil des Zahns unmittelbar unterhalb der Stelle, wo der Plasmastrahl auftrifft, richtet und sich mit dem gleichen Mechanismus auf und ab bewegt, der den Plasmaerzeuger bewegt.A water nozzle is mounted next to the nozzle of the plasma generator, the Ordinary tap water of around 16 ° C is supplied. The water nozzle is like that designed to eject and open a narrow jet of about 11.41 / minute the part of the tooth immediately below where the plasma jet hits, and moves up and down with the same mechanism that the plasma generator emotional.

Das ungehärtete Zahnrad wird auf der Welle montiert. Das Plasma und das Wasser werden in Fluß gebracht, wobei der Führungsmechanismus so eingestellt ist, daß der Plasmastrahl und der Wasserstrahl unter dem ungehärteten Zahnrad liegen. Der Führungsmechanismus wird nun in Gang gesetzt und der Plasma- und Wasserstrahl mit einer Geschwindigkeit von 89 cm/Minute senkrecht bis über die Oberkante des Zahnrades hinaus bewegt. Der Plasmastrahl und Wasserstrahl werden dann abgestellt, und der Führungsmechanismus wird in die untere Stellung zurückgeführt. Das Zahnrad wird dann um einen Zahn weitergedreht und der Vorgang wiederholt. Es kann zweckmäßig sein, ein wassergekühltes Abschirmblech vorzusehen, das zwischen den Plasma-und Wasserstrahl und das Zahnrad geschoben wird, damit der Plasmaerzeuger in die Ausgangsstellung zurückgeführt werden kann, ohne ihn oder das Wasser abzustellen.The unhardened gear is mounted on the shaft. The plasma and the water are brought into flow with the guide mechanism adjusted is that the plasma jet and the water jet lie under the uncured gear. The guiding mechanism is now set in motion and the plasma and water jets at a speed of 89 cm / minute vertically to over the upper edge of the Gear moved out. The plasma jet and water jet are then switched off, and the guide mechanism is returned to the lower position. The gear is then turned by one tooth and the process repeated. It can be expedient be to provide a water-cooled shielding plate between the plasma and Water jet and the gear wheel is pushed so that the plasma generator is in the starting position can be returned without turning off it or the water.

Nachdem alle Zähne an einer Seite gehärtet worden sind, wird das Zahnrad umgedreht und das Ganze wiederholt, um die Zähne an der anderen Seite zu härten.After all the teeth on one side have been hardened, the gear becomes flipped over and repeated to harden the teeth on the other side.

Eine Prüfung ergibt, daß die Härtetiefe 0,254 ± 0,05 mm beträgt. Bei Messung mit einem Oberflächenhärtemesser, der sich für dünne gehärtete Oberflächen eignet, ergibt sich für die Außenfläche des Zahns eine Rockwell-Härte von etwa C58. Beispiel 3 Der im Beispie12 beschriebene Versuch wird wiederholt, jedoch ist in diesem Fall die Wasserdüse nicht zusammen mit der Plasmadüse montiert; statt dessen befindet sich die Wasserdüse an der anderen Seite des Zahnrades diametral gegenüber dem Plasmastrahl.A test shows that the hardness depth is 0.254 ± 0.05 mm. When measured with a surface durometer, which is suitable for thin hardened surfaces, the outer surface of the tooth has a Rockwell hardness of about C58. Example 3 The experiment described in Example 12 is repeated, but in this case the water nozzle is not mounted together with the plasma nozzle; instead, the water nozzle is on the other side of the gear, diametrically opposite the plasma jet.

In diesem Fall erfolgt die Kühlung der durch den Plasmastrahl erhitzten Oberfläche durch den verhältnismäßig kalten Stahlkern im Zahn, dessen Oberfläche erhitzt worden ist. Die Wasserdüse ist lediglich aus dem Grunde an der Rückseite des Zahnrades angebracht, den Kern des Zahnrades während der Härtung bei ungefähr Raumtemperatur zu halten, so daß die Kerntemperatur des Zahnrades sich beim Erhitzen jedes folgenden Zahns nicht allmählich ändert.In this case, those heated by the plasma jet are cooled Surface due to the relatively cold steel core in the tooth, its surface has been heated. The water nozzle is only on the back for the reason of the gear attached to the core of the gear during hardening at about Maintain room temperature so that the core temperature of the gear increases when heated each subsequent tooth does not change gradually.

Diese Hilfskühlung ist unter Umständen nicht erforderlich und würde nicht gebraucht, wenn genügend Zeit zwischen der Behandlung der Einzelzähne liegen würde. Beispiel 4 Die Angriffsfläche eines langen, stabförmigen Ventilstößels soll gehärtet werden, um Verschleiß an dieser Stelle zu vermeiden. Die Wärmebehandlung soll ohne Verziehen eines vorfabrizierten Stabes erfolgen, der aus unlegiertem Stahl mit 0,90% Kohlenstoff besteht.This auxiliary cooling is possibly not and would not be necessary not used if there is enough time between the treatment of the individual teeth would. Example 4 The contact surface of a long, rod-shaped valve tappet should hardened to avoid wear at this point. The heat treatment should be done without warping a prefabricated rod made of carbon steel with 0.90% carbon.

In diesem Fall ist es nur erforderlich, das Ende des Stabes 1,5 Sekunden einem aus 80% Stickstoff und 200/0 Wasserstoff erzeugten Plasmastrahl auszusetzen.In this case it is only necessary to hold the end of the rod 1.5 seconds to a plasma jet generated from 80% nitrogen and 200/0 hydrogen.

Eine zusätzliche Kühlung ist nicht notwendig, da die Oberfläche durch den Kern des Stabes gekühlt wird.Additional cooling is not necessary because the surface is through the core of the rod is cooled.

Es wird eine gehärtete, verschleißfeste Oberfläche erhalten. Der Stab ist durch die Erhitzung weder verzogen noch vorgespannt.A hardened, wear-resistant surface is obtained. The rod is neither warped nor pretensioned by the heating.

Claims

Claims: 1. Method for surface hardening of steel, at a hot gas jet at high speed on the surface to be hardened the steel is straightened and then the steel is quenched, characterized in that that the gas jet is a free plasma jet with a temperature of at least about 3850 ° C used and the plasma of a non-oxidizing gas, in particular of nitrogen, Hydrogen or mixtures thereof.

2. The method according to claim 1, characterized in that a cavity in a constricted arc is generated through which the gas is blown. Into consideration printed publications: German Patent Specifications No. 619 699, 642 709; magazine "Metalloberfläche, Edition A", 1951, Issue 9, pp. A 133 to A 139; »VDI magazine«, 1957, No. 31, p. 1590.