DE1177900B

DE1177900B - Process for the treatment of objects by means of glow discharge in technical processes

Info

Publication number: DE1177900B
Application number: DEE8557A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Berghaus; Hans Bucek
Original assignee: Elektrophysikalische Anstalt Bernhard Berghaus
Current assignee: Elektrophysikalische Anstalt Bernhard Berghaus
Priority date: 1953-02-17
Filing date: 1954-02-10
Publication date: 1964-09-10
Also published as: CH310968A

Description

Verfahren zur Behandlung von Gegenständen mittels Glimmentladung in technischen Prozessen Die Durchführung technischer, insbesondere metallurgischer Prozesse mit Hilfe bzw. unter der Einwirkung von Glimmentladungen gehört bereits seit langem zum Stand der Technik.Method for treating objects by means of glow discharge in technical processes The implementation of technical, especially metallurgical Processes with the help of or under the influence of glow discharges already belonged state of the art for a long time.

Ein besonderes Problem bei der Durchführung solcher Prozesse stellte bisher immer die Erzielung bestimmter vorgegebener bzw. gewünschter Temperaturen der einzelnen am Entladungsvorgang beteiligten Elektroden dar.A particular problem posed in the implementation of such processes so far always the achievement of certain predetermined or desired temperatures of the individual electrodes involved in the discharge process.

Dieses Problem ist insofern mit besonderen Schwierigkeiten verbunden, als die Temperatur der einzelnen Elektroden von einer Vielzahl von Faktoren abhängt. Die die Temperatur einer Elektrode im wesentlichen bestimmenden Hauptfaktoren, die ihrerseits wieder von einer Vielzahl von Einzelfaktoren abhängig sind, sind erstens die an der Elektrode pro Flächeneinheit im zeitlichen Mittel umgesetzte Entladungsenergie und zweitens die von der Elektrode pro Flächeneinheit im zeitlichen Mittel durch Wärmeableitung abgeführte Wärmeenergie. Bei der sich einstellenden Temperatur herrscht zwischen dieser zugeführten Entladungsenergie und der abgeführten Wärmeenergie Gleichgewicht.This problem is associated with particular difficulties in that than the temperature of the individual electrodes depends on a variety of factors. The main factors determining the temperature of an electrode, the are in turn dependent on a large number of individual factors, are first the mean discharge energy converted at the electrode per unit area over time and secondly, that of the electrode per unit area on average over time Heat dissipation dissipated heat energy. At the temperature that is set, there is balance between this supplied discharge energy and the dissipated thermal energy.

Demgemäß läßt sich also die Temperatur einer Elektrode grundsätzlich dadurch beeinflussen, daß entweder die im zeitlichen Mittel zugeführte Entladungsenergie oder die im zeitlichen Mittel abgeführte Wärmeenergie verändert wird.Accordingly, the temperature of an electrode can be basically thereby affect that either the time average supplied discharge energy or the heat energy dissipated over time is changed.

Maßnahmen zur Veränderung der im zeitlichen Mittel abgeführten Wärmeenergie sind im Zusammenhang mit Glimmentladungsprozessen bereits seit langer Zeit bekannt. So hat man z. B. zur Erhöhung der Wärmeabfuhr Kühlmittel, vorzugsweise in Form von Wasserkühlung, und zur Verringerung der Wärmeabfuhr Wärmeisolierungen und Wärmereflektoren angewendet. Eine Veränderung der im Mittel abgeführten Wärmeenergie ist aber grundsätzlich mit baulichen Maßnahmen verbunden, die einerseits eine meist nicht unbeträchtliche Erhöhung des mechanischen Aufwandes mit sich bringen und andererseits oft auch gar nicht oder nur unter überwindung großer Schwierigkeiten anwendbar sind.Measures to change the mean heat energy dissipated over time have been known for a long time in connection with glow discharge processes. So one has z. B. to increase the heat dissipation coolant, preferably in the form of Water cooling, and thermal insulation and heat reflectors to reduce heat dissipation applied. However, a change in the mean heat energy dissipated is fundamental associated with structural measures, which, on the one hand, are usually not inconsiderable Increase the mechanical effort with it and, on the other hand, often even cannot be used or can only be used with overcoming great difficulties.

So ist z. B. die Kühlung einer als Elektrode geschalteten Gefäßwandung zwar durchaus möglich, es bedarf aber zu diesem Zweck eines größeren technischen Aufwandes in Form einer doppelwandigen Ausführung derselben. Schwieriger ist schon die Kühlung von Stromdurchführungen, weil die Kühlmittelleitungen im allgemeinen innerhalb des Durchführungsleiters angeordnet werden müssen und dafür schon mechanische Präzisionsarbeit erforderlich ist. Unmöglich ist es dagegen in den meisten Fällen, innerhalb des Entladungsgefäßes angeordnete Elektroden von außen zu kühlen, insbesondere dann, wenn diese Elektroden die zu behandelnden Werkstücke sind.So is z. B. the cooling of a vessel wall connected as an electrode it is quite possible, but a larger technical one is required for this purpose Effort in the form of a double-walled execution of the same. It is more difficult the cooling of electrical feedthroughs, because the coolant lines in general must be arranged within the lead-through conductor and for this already mechanical Precision work is required. On the other hand, in most cases it is impossible to cool electrodes arranged inside the discharge vessel from the outside, in particular when these electrodes are the workpieces to be treated.

Immerhin bietet jedoch die Kühlung mit Hilfe von strömenden Kühlmitteln, wenn sie mit einigermaßen tragbarem technischem Aufwand anwendbar ist, die Möglichkeit einer Steuerung der im zeitlichen Mittel abgeführten Wärmeenergie durch entsprechende Einregelung der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels und damit also die Möglichkeit der genauen Einregelung einer gewünschten Elektrodentemperatur.At least the cooling with the help of flowing coolants offers if it can be applied with a reasonably affordable technical effort, the possibility a control of the heat energy dissipated in the time average by appropriate Adjustment of the temperature and the flow rate of the coolant and thus the possibility of precise regulation of a desired electrode temperature.

Diese Möglichkeit ist bei Wärmeisolierungen und Wärmereflektoren nicht gegeben. Vielmehr ist die bei Anwendung von Wärmeisolierungen und Wärmereflektoren einmal erzielte Temperaturänderung einer Elektrode bei gleichbleibender Anordnung nicht mehr beeinflußbar, ganz abgesehen davon, daß die Höhe dieser Temperaturänderung wegen der Unübersichtlichkeit der übrigen Wärmeableitungswege im voraus nur sehr schwer und dann auch nur relativ ungenau zu bestimmen ist. Aus diesem Grunde und zudem natürlich auch wegen des nicht unbeträchtlichen technischen Aufwandes sind Wärmeisolierungen und Wärmereflektoren zur Erzielung bestimmter gewünschter Temperaturen der einzelnen am Entladungsvorgang beteiligten Elektroden, abgesehen von besonderen Spezialfällen, wenig geeignet.This option is not available with thermal insulation and heat reflectors given. Rather, it is when using thermal insulation and heat reflectors once achieved temperature change of an electrode with unchanged arrangement can no longer be influenced, quite apart from the fact that the level of this temperature change only very much in advance because of the confusion of the remaining heat dissipation paths difficult and then only relatively imprecise to determine. For this reason and in addition, of course, because of the not inconsiderable technical effort Thermal insulation and heat reflectors to achieve certain desired temperatures the individual electrodes involved in the discharge process, apart from of special special cases, not very suitable.

Zur Erzielung bestimmter gewünschter Temperaturen einzelner am Entladungsvorgang beteiligter Elektroden kommt daher eine Veränderung der im zeitlichen Mittel abgeführten Wärmeenergie im allgemeinen nur in Form von Kühlung mit Hilfe eines Kühlmittelstromes in Betracht, und das im wesentlichen auch nur bei Elektroden, die von außen leicht zugänglich sind, wie z. B. die Gefäßwandung oder Stromdurchführungen. Als Nachteil muß man dabei noch den mit der Kühlung verbundenen Energieverlust und den höheren technischen Aufwand sowohl für den komplizierteren mechanischen Aufbau der zu kühlenden Teile wie auch für das Kühlaggregat selbst in Kauf nehmen.To achieve certain desired temperatures individually in the discharge process of the electrodes involved, there is therefore a change in the mean value removed over time Thermal energy generally only in the form of cooling with the aid of a coolant flow into consideration, and essentially only with electrodes that are light from the outside are accessible, such as B. the vessel wall or power feedthroughs. As a disadvantage one must also consider the energy loss associated with cooling and the higher technical effort both for the more complicated mechanical structure of the to be cooled Accept parts as well as for the cooling unit itself.

Demgegenüber sind die Maßnahmen, die zur Veränderung der an den Elektroden im zeitlichen Mittel umgesetzten Entladungsenergie bekanntgeworden sind, nämlich die Veränderung des Entladungsstromes bzw. der Spannung zwischen den Elektroden und die Veränderung des Gasdruckes im Entladungsgefäß, mit einem wesentlich geringeren technischen Aufwand verbunden.In contrast, the measures taken to change the electrodes the time average converted discharge energy have become known, namely the change in the discharge current or the voltage between the electrodes and the change in the gas pressure in the discharge vessel, with a significantly lower rate technical effort connected.

Andererseits ist mit diesen bekannten Maßnahmen aber der entscheidende Nachteil verknüpft, daß zwischen den Temperaturen der einzelnen Elektroden eine bestimmte Zuordnung besteht, wie im folgenden kurz erläutert werden soll. Die an einer Elektrode umgesetzte Entladungsenergie bzw. die Energie, die aus der Entladung auf die Elektrode übertragen wird, ist gleich der Summe der Einzelenergiebeträge, die die auf die Elektrode aufprallenden Masseteilchen an dieselbe abgeben. Diese Summe der Einzelenergiebeträge wird durch die Zahl der aufprallenden Masseteilchen. deren Masse und deren mittlere Geschwindigkeit bei Aufprall bestimmt.On the other hand, with these known measures, the decisive one is Linked disadvantage that between the temperatures of the individual electrodes a there is a certain assignment, as will be briefly explained below. The on Discharge energy converted by an electrode or the energy resulting from the discharge is transferred to the electrode is equal to the sum of the individual amounts of energy, which the mass particles impacting on the electrode release to the same. These The sum of the individual amounts of energy is given by the number of impacting mass particles. whose mass and average speed on impact are determined.

Die Zahl der pro Zeiteinheit auf eine Elektrode aufprallenden Masseteilchen ist im wesentlichen durch den Strom bestimmt und ist in erster Näherung bei der anodisches Potential führenden Elektrode und der kathodisches Potential führenden Elektrode gleich. Die Masse der aufprallenden Masseteilchen ist bei der kathodischen Potential führenden Elektrode etwa gleich der Masse der Atome des verwendeten Gases und bei der anodisches Potential führenden Elektrode gleich der Elektronenmasse. Die mittleren Geschwindigkeiten beim Aufprall auf die kathodisches Potential und die anodisches Potential führende Elektrode sind im wesentlichen durch die Spannung und den Gasdruck bestimmt und stehen ebenfalls in einem eindeutigen Zuordnungsverhältnis.The number of mass particles impacting an electrode per unit of time is essentially determined by the current and, as a first approximation, is at the anodic potential leading electrode and the cathodic potential leading Electrode same. The mass of the impacting mass particles is cathodic Electrode carrying potential approximately equal to the mass of the atoms of the gas used and in the case of the electrode carrying anodic potential, it is equal to the electron mass. The mean velocities at impact on the cathodic potential and the electrodes carrying anodic potential are essentially due to the voltage and determine the gas pressure and are also in a clear allocation relationship.

Da alle diese die Summe der Einzelenergiebeträge bestimmenden Komponenten für die kathodisches Potential führende Elektrode in einem bestimmten Zuordnungsverhältnis zu den Komponenten für die anodisches Potential führende Elektrode stehen, steht auch die gesamte, an der kathodisches Potential führenden Elektrode umgesetzte Energie in einem bestimmten Verhältnis zu der Energie, die an der anodisches Potential führenden Elektrode umgesetzt wird, und zwar im wesentlichen unabhängig von etwaigen Änderungen des Stromes, der Spannung oder des Gasdruckes.Since all of these components determine the sum of the individual amounts of energy for the electrode carrying the cathodic potential in a certain allocation ratio stand for the components for the electrode carrying anodic potential, stands also the entire energy converted at the electrode carrying the cathodic potential in a certain proportion to the energy leading to the anodic potential Electrode is implemented, essentially regardless of any changes the current, the voltage or the gas pressure.

Stellt man also z. B. an der kathodisches Potential führenden Elektrode mit Hilfe des Stromes und Spannung und gegebenenfalls auch des Gasdruckes eine bestimmte Temperatur durch Einregelung des Energieumsatzes an dieser Elektrode ein, so ist der Energieumsatz an der anodisches Potential führenden Elektrode und damit natürlich bei gegebenem Aufbau auch die sich einstellende Temperatur der anodisches Potential führenden Elektrode gegeben, mit anderen Worten, es läßt sich bei einem gegebenen Entladungsgefäß mit Hilfe von Strom, Spannung und Gasdruck nur die Temperatur einer Elektrode einstellen, während sich die Temperatur der anderen Elektrode dann zwangläufig ergibt.So if you put z. B. at the cathodic potential leading electrode with the help of the current and voltage and possibly also the gas pressure a certain Temperature by regulating the energy expenditure at this electrode, so is the energy turnover at the electrode carrying anodic potential and thus of course with a given structure also the temperature of the anodic potential leading electrode, in other words, it can be given with a given Discharge vessel with the help of current, voltage and gas pressure only the temperature of one Adjust the electrode while the temperature of the other electrode then inevitably increases results.

Natürlich ist das sich ergebende Verhältnis der Temperaturen der beiden Elektroden von dem Aufbau und der Dimensionierung derselben abhängig, was an folgendem Beispiel leicht zu ersehen ist: Liegt z. B. der Energieumsatz an der Kathode und damit die Temperatur derselben fest, so ist auch der Energieumsatz an der Anode gegeben. Würde man nun die Anodenfläche verändern, so würde sich in entsprechendem Maße der Energieumsatz pro Flächeneinheit an der Anode und damit auch die Temperatur der Anode ändern. Das sich ergebende Verhältnis der Temperaturen ist also durch konstruktive Maßnahmen wohl veränderbar, aber in den weitaus meisten Fällen ist der konstruktive Aufbau des Entladungsgefäßes und der Elektroden schon durch andere Gesichtspunkte und Forderungen bestimmt und liegt somit fest, und mit einem festliegenden Aufbau ist eben auch ;las Verhältnis der Temperaturen der Elektroden bereits festgelegt. Je nachdem, welche der beiden gebräuchlichen Stromarten, - Gleichstrom oder Wechselstrom -, man dabei zur Stromversorgung verwendet, ergibt sich eines von zwei verschiedenen festliegenden Verhältnissen der Temperaturen der Elektroden. Bei Verwendung von Wechselstrom beispielsweise ergibt sich bei beiden Elektroden der gleiche Energieumsatz und damit bei gleichen Dimensionen der Elektroden und gleicher Wärmeableitung auch für beide Elektroden die gleiche Temperatur. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß bei Kathodenzerstäubungsapparaten, die mit Wechselstrom betrieben werden sollten, bereits Mittel angewendet worden sind, um den Energieumsatz an der zu zerstäubenden Elektrode verschieden von dem Energieumsatz an der zu bestäubenden Elektrode zu machen, und zwar aus dem Grunde, weil bei der Verwendung von Wechselstrom sowohl die zu zerstäubende wie auch die zu bestäubende Elektrode zeitweise als Kathode arbeiten und somit von der zu bestäubenden Elektrode während der Halbperiode, während diese als Kathode arbeitet, ein Teil der Bestäubung wieder abgestäubt wird. Das ergibt zwar, und das ist der Zweck der Verwendung von Wechselstrom, eine äußerst gleichmäßige Bestäubung, jedoch nur dann, wenn der Energieumsatz an den beiden Elektroden verschieden ist, weil andernfalls die Abstäubung bei beiden Elektroden gleich groß ist und somit das in einer Halbperiode von der zu bestäubenden Elektrode abgestäubte und auf die zu bestäubende Elektrode aufgestäubte Material in der folgenden Halbperiode wieder vollständig von der zu bestäubenden Elektrode abgestäubt werden würde. Als Mittel zur Erzielung der Verschiedenheit der Energieumsätze an der zu bestäubenden und der zu zerstäubenden Elektrode wurden dabei in die Stromversorgungsleitung eingeschaltete, durch Widerstände überbrückte Richtleiter verwendet. Das gewünschte Temperaturverhältnis zwischen den Elektroden wurde bei diesen Kathodenzerstäubungsapparaten durch Kühlung einer Elektrode erzielt. Das Problem der Erzielung bestimmter gewünschter Temperaturen der einzelnen am Entladungsvorgang beteiligten Elektroden unabhängig von die Wärmeableitung beeinflussenden Mitteln war damit bei diesen Kathodenzerstäubungsapparaten nicht gelöst.Of course, the resulting relationship is the temperatures of the two Electrodes on the structure and the dimensions of the same depending on what the following Example is easy to see: Is z. B. the energy expenditure at the cathode and so that the temperature of the same is fixed, so is the energy conversion at the anode given. If one were to change the anode area, it would change accordingly Measures of the energy conversion per unit area at the anode and thus also the temperature change the anode. So the resulting ratio of temperatures is through constructive measures can be changed, but in the vast majority of cases it is the construction of the discharge vessel and the electrodes have already been done by others Points of view and demands are determined and therefore fixed, and with a fixed one The structure is just as well; the relationship between the temperatures of the electrodes has already been determined. Depending on which of the two common types of current - direct current or alternating current - If you use it for the power supply, you get one of two different ones fixed ratios of the temperatures of the electrodes. When using Alternating current, for example, results in the same energy consumption for both electrodes and thus with the same dimensions of the electrodes and the same heat dissipation as well the same temperature for both electrodes. In this context it should be mentioned that with cathode sputtering devices that should be operated with alternating current, Means have already been applied to the energy expenditure at the to be atomized Electrode different from the energy expenditure on the electrode to be dusted make, for the reason that when using alternating current both the electrode to be sputtered as well as the electrode to be dusted temporarily as a cathode work and thus of the electrode to be dusted during the half-cycle, during this works as a cathode, part of the pollination is dusted off again. That indeed, and that is the purpose of using alternating current, it is extremely uniform pollination, but only if the energy expenditure on the two electrodes is different because otherwise the sputtering is the same for both electrodes and thus that which is sputtered from the electrode to be dusted in a half-cycle and material sputtered onto the electrode to be dusted in the following half cycle would be completely dusted again from the electrode to be dusted. as Means of achieving the difference in the energy conversion in the pollinator and the electrode to be sputtered were connected to the power supply line, Directional conductors bridged by resistors are used. The desired temperature ratio between the electrodes was at these Cathode sputtering apparatus achieved by cooling an electrode. The problem of achieving certain desired Temperatures of the individual electrodes involved in the discharge process are independent of the means influencing the dissipation of heat was with these cathode sputtering devices unsolved.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung war daher, eine Methode zu finden, um bei einer Glimmentladungsapparatur die Temperatur der einzelnen am Entladungsvorgang beteiligten Elektroden bzw. Elektrodengruppen unabhängig voneinander beeinflussen und insbesondere einzeln einstellen zu können, und zwar unabhängig auch von Mitteln zur Beeinflussung der Wärmeableitung und vom Aufbau der Entladungsapparatur sowie insbesondere von der Anordnung und den Dimensionen der Elektroden.The problem underlying the invention was therefore, a Finding a method to measure the temperature of the individual in a glow discharge apparatus electrodes or electrode groups involved in the discharge process independently of one another influence and especially adjust individually, independently also of means for influencing the heat dissipation and of the construction of the discharge apparatus and in particular the arrangement and dimensions of the electrodes.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabenstellung bei einem Verfahren zur gleichzeitigen Behandlung mehrerer als Elektroden in einem Glimmenentladungsgefäß geschalteter Gegenstände, die technischen Prozessen, insbesondere metallurgischen Prozessen wie einer Diffusionsbehandlung, Glühen, Härten, Metallisieren usw. unterworfen werden sollen und von denen einer bzw. ein Teil mit einer anderen Temperatur als der andere bzw. der andere Teil behandelt werden soll, dadurch gelöst, daß der eine Teil der Gegenstände bzw. der eine Gegenstand einerseits, und der andere Teil der Gegenstände bzw. der andere Gegenstand andererseits als Elektroden jeweils entgegengesetzter Polarität geschaltet sind und daß zur Erzeugung der unterschiedlichen Temperaturen an die beiden Elektroden bzw. Elektrodengruppen eine Spannung periodisch wechselnder Polarität angelegt wird, die in den beiden Halbperioden Ströme verschiedenen Energieinhaltes von einer derartig unterschiedlichen Größe erzeugt, daß die Elektroden bzw. Elektrodengruppen auf die gewünschten unterschiedlichen Temperaturen gebracht und auf denselben gehalten werden.According to the invention, this object is in a method for simultaneous treatment of several as electrodes in a glow discharge vessel switched objects, the technical processes, especially metallurgical Subject to processes such as diffusion treatment, annealing, hardening, plating, etc. and of which one or a part with a different temperature than the other or the other part is to be treated, solved by the fact that the one Part of the objects or the one object on the one hand, and the other part of the Objects or the other object on the other hand as electrodes in each case opposite Polarity are switched and that to generate the different temperatures a voltage that changes periodically at the two electrodes or electrode groups Polarity is applied, the currents of different energy content in the two half-periods generated by such a different size that the electrodes or electrode groups brought to the desired different temperatures and kept at the same will.

Vorzugsweise wird dabei eine Spannung angelegt, die einen in Amplitude und/oder Zeitdauer aufeinanderfolgender Halbperioden verschiedener Polarität unterschiedlich großen Strom erzeugt. Zweckmäßig wird dabei ein nicht sinusförmiger Wechselstrom mit unmittelbaren aufeinanderfolgenden positiven und negativen Halbperioden unterschiedlichen Energieinhaltes erzeugt. Vorteilhaft kann auch an die Elektroden bzw. Elektrodengruppen eine Spannung angelegt werden, die mindestens einer Elektrode bzw. Hilfselektrode den .Strom mit einer Phasenverschiebung gegenüber den anderen Elektroden bzw. Hilfselektroden zuführt. Dabei wird die Phasenlage des zugeführten Stromes vorzugsweise durch im Stromkreis angeordnete Schaltelemente beeinflußt. Mit Vorteil können auch an die Elektroden bzw. Elektrodengruppen verkettete Spannungen aus einer Mehrphasen-Wechselspannungsquelle angelegt werden. Dabei können an die Elektroden bzw. Elektrodengruppen beispielsweise vorteilhaft kurzzeitig in zyklischer Reihenfolge jeweils verschiedene Phasenspannung von Mehrphasen-Wechselspannungsquellen angelegt werden.Preferably, a voltage is applied that has one amplitude and / or duration of successive half-periods of different polarity different generates large electricity. A non-sinusoidal alternating current is expedient with immediate successive positive and negative half-periods different Energy content generated. The electrodes or electrode groups can also be advantageous a voltage can be applied to the at least one electrode or auxiliary electrode the .Strom with a phase shift compared to the other electrodes or auxiliary electrodes feeds. The phase position of the supplied current is preferably determined by im Affected circuit arranged switching elements. The Electrodes or electrode groups concatenated voltages from a multiphase alternating voltage source be created. In this case, for example, the electrodes or groups of electrodes advantageously briefly different phase voltages in cyclic order can be applied by multiphase AC voltage sources.

Die erwähnten vorzugsweise anzuwendenden Maßnahmen zur Erzielung der unterschiedlichen Temperaturen sind natürlich nur als besonders vorteilhafte Beispiele für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu werten, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist. Vor allem können mit Vorteil auch Kombinationen der erwähnten Maßnahmen angewendet werden.The measures mentioned preferably to be applied to achieve the different temperatures are of course only as particularly advantageous examples for the implementation of the method according to the invention to be assessed on which the invention but is not limited. Above all, combinations of the mentioned measures are applied.

Im einzelnen wird zu dem erfindungsgemäßen Verfahren noch folgendes ausgeführt: Bei vielen Prozessen, die mit Glimmentladungen durchgeführt werden, insbesondere bei solchen metallurgischer Art, ist es notwendig, zusätzlich zu den im Entladungsraum angeordneten, als Elektroden geschalteten Werkstücken Hilfselektroden zu verwenden und diese wärmer oder auch kälter als die Werkstücke zu halten.In detail, the following also applies to the process according to the invention executed: In many processes that are carried out with glow discharges, especially with those of a metallurgical type, it is necessary in addition to the Workpieces connected as electrodes, arranged in the discharge space, auxiliary electrodes to use and to keep them warmer or colder than the workpieces.

Wenn man beispielsweise ein rohrförmiges Werkstück an seiner Innenwandung durch Aufstäubung und Eindiffusion von Metall veredeln will, so muß eine längs der Rohrachse angeordnete Hilfselektrode, die das auf das Werkstück aufzustäubende und in dasselbe einzudiffundierende Metall liefern soll, auf eine sehr viel höhere Temperatur als das Werkstück selbst gebracht werden, um die Abstäubung einer genügenden Menge von Metall von der Hilfselektrode zu gewährleisten. Will man hingegen ein langes rohrförmiges Werkstück mit sehr großem Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Bohrung an seiner Innenfläche nitrierhärten, so hat eine längs der Rohrachse angeordnete Hilfselektrode nur den Zweck, die Entladung einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Sie soll daher möglichst kühler als das Werkstück bleiben, zumindest aber nicht zusätzlich Energie aus der Entladung erhalten, die eine unnötige Aufheizung bewirken würde.For example, if you have a tubular workpiece on its inner wall wants to refine by sputtering and diffusion of metal, one must along the Auxiliary electrode arranged on the tube axis, which is to be sputtered onto the workpiece and to deliver into the same metal to be diffused, to a much higher temperature than the workpiece itself can be brought to the dusting of a sufficient amount of metal from the auxiliary electrode. But if you want a long one tubular workpiece with a very large ratio of length to diameter of the bore Nitride harden on its inner surface, so has one arranged along the pipe axis The only purpose of the auxiliary electrode is to initiate and maintain the discharge. It should therefore remain as cool as possible than the workpiece, but at least not receive additional energy from the discharge, which cause unnecessary heating would.

Solchen Hilfselektroden, die wie erwähnt zum Zwecke der Abstäubung stark erhitzt werden sollen, muß nun zur Erzielung und Aufrechterhaltung der gewünschten Arbeitstemperatur pro Zeiteinheit eine bestimmte Energie bzw. ein bestimmter Anteil der in der Glimmentladung umgesetzten Leistung zugeführt werden. Aber auch die in der Regel als Gegenelektroden geschalteten Werkstücke, in die das von diesen Elektroden abgestäubte Material eindiffundiert werden soll, müssen meist auf einer bestimmten Arbeitstemperatur gehalten werden, weil einerseits die gewünschte Eindiffusion eine gewisse Mindesttemperatur erfordert und andererseits zur Vermeidung von Gefügeänderungen in dem Werkstoff, z. B. bei Stahl, gewisse Maximaltemperaturen nicht überschritten werden dürfen. Bei der Hilfselektrode ist die Arbeitstemperatur nach oben durch den Schmelzpunkt des Kernmaterials, meist eines hochschmelzenden Materials wie Chrom, Wolfram, Molybdän, Tantal usw., und nach unten durch die für eine genügende Abstäubung erforderliche Mindesttemperatur begrenzt.Such auxiliary electrodes, as mentioned, for the purpose of dusting to be heated strongly, must now to achieve and maintain the desired Working temperature per unit of time a certain energy or a certain proportion the power converted in the glow discharge are supplied. But also the in usually workpieces connected as counter-electrodes, in which the from these electrodes If dusted material is to be diffused in, usually have to be on a specific Working temperature are kept because on the one hand the desired diffusion a requires a certain minimum temperature and on the other hand to avoid structural changes in the material, e.g. B. with steel, certain maximum temperatures are not exceeded may be. The working temperature of the auxiliary electrode has increased the melting point of the core material, usually a refractory material such as chromium, Tungsten, molybdenum, tantalum, etc., and down through the for sufficient dusting required minimum temperature limited.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß Hilfselektroden, die, entsprechend dem obenerwähnten Beispiel unmittelbar an dem durchzuführenden Prozeß teilnehmen oder zur Durchführung des Prozesses auf einer bestimmten Arbeitstemperatur gehalten werden müssen, im .Sinne der vorliegenden Erfindung als zu behandelnde Elektroden anzusehen sind.In this context it should be pointed out that auxiliary electrodes, which, according to the example mentioned above, directly on the one to be carried out Participate in the process or to carry out the process at a certain working temperature must be kept, in the sense of the present invention as to be treated Electrodes are to be viewed.

Im Gegensatz zu dem obenerwähnten Beispiel nehmen bei einer Nitrierhärtung, Karburierung usw. die Hilfselektroden nicht unmittelbar am Prozeß teil, so daß es also an sich für die Durchführung des Prozesses keine Rolle spielt, welche Betriebstemperaturen sich bei den Hilfselektroden einstellen. In der Regel verwendet man jedoch bei solchen Prozessen für die Hilfselektroden Materialien wie Eisen und Stahl, deren Temperaturbelastbarkeit beschränkt ist. Insbesondere wenn die Hilfselektrode als Draht ausgebildet ist, bewirken bei solchen Materialien energiereiche Entladungen, die bei Gasausbrüchen aus dem Material der Werkstücke auftreten können, infolge der mit diesen verbundenen hohen Temperaturen auch bei kurzer Einwirkungsdauer leicht Beschädigungen und sogar das Abschmelzen der Hilfselektrode, insbesondere dann, wenn die Betriebstemperatur der Hilfselektrode relativ hoch liegt. Es ist daher ganz allgemein anzustreben, bei derartigen Prozessen den Hilfselektroden keine zusätzliche Energie aus der Entladung zuzuführen, besonders da sie im allgemeinen schon durch Wärmestrahlung aus ihrer Umgebung aufgeheizt werden. Diese Aufgabe, die Temperatur der Hilfselektrode möglichst niedrig zu halten, war mit den bisher bekannten Mitteln schon lösbar, und zwar durch Betrieb mit Gleichstrom und Schaltung des Werkstücks als Kathode und der Hilfselektrode als Anode. Dabei kann das Werkstück bis zu einer sehr hohen Temperatur erhitzt werden, und die Hilfselektrode bleibt praktisch auf der relativ niedrigen Temperatur, die sich durch Wärmestrahlung aus ihrer Umgebung einstellt. Es gibt jedoch auch bei solchen Prozessen, an denen die Hilfselektroden nicht unmittelbar teilnehmen, Fälle, in denen die Aufrechterhaltung bestimmter Betriebstemperaturen der Hilfselektroden erforderlich ist, z. B. wenn die Kondensation eines dampfförmig in das Entladungsgefäß eingeführten Vergütungselementes auf der Hilfselektrode verhindert werden soll. In diesen Fällen, in denen eine Lösung mit den bekannten Mitteln auf elektrischem Wege bisher nicht möglich war, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls mit Vorteil anwenden.In contrast to the example mentioned above, in the case of nitriding, Carburizing, etc. the auxiliary electrodes do not directly participate in the process, so it So in itself for the implementation of the process does not matter which operating temperatures adjust themselves to the auxiliary electrodes. As a rule, however, it is used for such Processes for the Auxiliary electrode materials such as iron and steel, whose temperature resistance is limited. Especially when the auxiliary electrode is designed as a wire, cause high-energy discharges in such materials, which can occur when gas escapes from the material of the workpieces, as a result the associated high temperatures, even with a short exposure time Damage and even melting of the auxiliary electrode, especially if when the operating temperature of the auxiliary electrode is relatively high. It is therefore In general, the aim is not to add any additional electrodes to the auxiliary electrodes in such processes To supply energy from the discharge, especially since it is generally already through Heat radiation from their surroundings are heated up. This task, the temperature Keeping the auxiliary electrode as low as possible was possible with the previously known means already solvable, namely by operating with direct current and switching the workpiece as the cathode and the auxiliary electrode as the anode. The workpiece can be up to one very high temperature, and the auxiliary electrode remains practically on the relatively low temperature caused by thermal radiation from their surroundings adjusts. However, there are also processes in which the auxiliary electrodes do not participate immediately, cases in which the maintenance of certain operating temperatures the auxiliary electrodes is required, e.g. B. when the condensation of a vapor Prevented compensation element introduced into the discharge vessel on the auxiliary electrode shall be. In those cases where a solution by the known means comes up electrical path was previously not possible, the inventive method also use with advantage.

Die Erfindung ist an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert: Die F i g. 1 zeigt schematisch die Behandlung eines rohrförmigen, als Elektrode geschalteten Werkstückes 2 mit einem großen Verhältnis von Länge zu Durchmesser. Längs der Rohrachse des Werkstückes ist die Hilfselektrode 4 angeordnet. Das Entladungsgefäß 1 ist nur schematisch angedeutet, also ohne Darstellung der erforderlichen Pumpenanlagen, Gasversorgung, Regelorgane usw. Das Werkstück 2 ist an einer durch den Deckel des Entladungsgefäßes führenden Stromdurchführung 3 befestigt und die Hilfselektrode 4 an einer zweiten Stromdurchführung 5. Die Stromquelle 6 ist mit nicht dargestellten Steuerorganen versehen und an die beiden Elektroden im Entladungsgefäß, also das Werkstück 2 und die Hilfselektrode 4 angeschlossen. Die Stromquelle 6 liefert einen Wechselstrom mit einem Verlauf, wie beispielsweise in F i g. 2 gezeigt, und ist z. B. zur Abstäubung von Metall von der Hilfselektrode 4 und Aufstäubung und Eindiffusion desselben in die Innenwand des rohrförmigen Werkstückes 2 so mit dem Werkstück und der Hilfselektrode verbunden, daß die Hilfselektrode während der langen Impulse und das Werkstück während der kurzen Impulse Kathode ist. Hierbei ist es nicht von prinzipieller Bedeutung, ob die Stromkurve wie in F i g. 2 dargestellt oder in einer anderen Kurvenform verläuft, maßgebend sind lediglich die Energieinhalte der positiven und der negativen Halbwelle, die unterschiedlich so einzustellen sind, daß an den Elektroden die gewünschten Temperaturen erzeugt werden, z. B. wie in F i g. 2 angedeutet. Dabei ist es gegebenenfalls von anderen Faktoren des in der Gasentladung durchzuführenden Prozesses abhängig, ob man die Amplitude der Halbwellen, also die an die Elektroden angelegte .Spannung variiert; oder bei gleichen Spannungswerten die zeitliche Dauer der Halbwellen unterschiedlich wählt. Bei den für technische Prozesse vorwiegend in Frage kommenden Gasdruckbereichen wird der größte Teil der zugeführten Energie an der Kathode umgesetzt, es wird mithin der Elektrode mehr Wärme zugeführt, die den größeren Energieanteil als negativer Pol in der Entladung erhält. Bei Anwendung entsprechender elektrotechnischer Mittel ist es möglich, die einzustellenden und aufrechtzuerhaltenden Temperaturen der Elektroden über den ganzen praktisch interessierenden Bereich stufenlos einzuregeln. Die Frequenz des zur Erzeugung der unterschiedlichen Temperaturen verwendeten unsymmetrischen Wechselstromes kann in weiten Grenzen variiert werden, im allgemeinen wird die obere Frequenzgrenze durch die lonisierungs- oder Entionisierungszeit bestimmt.The invention is explained in more detail using a few exemplary embodiments: The F i g. 1 shows schematically the treatment of a tubular, as an electrode switched workpiece 2 with a large ratio of length to diameter. The auxiliary electrode 4 is arranged along the pipe axis of the workpiece. The discharge vessel 1 is only indicated schematically, i.e. without showing the required pump systems, Gas supply, control organs, etc. The workpiece 2 is on a through the lid of the Discharge vessel leading electrical leadthrough 3 attached and the auxiliary electrode 4 on a second current feedthrough 5. The current source 6 is not shown with Provided control organs and to the two electrodes in the discharge vessel, so that Workpiece 2 and the auxiliary electrode 4 connected. The power source 6 provides one Alternating current with a curve such as that shown in FIG. 2, and is z. B. for sputtering metal from the auxiliary electrode 4 and sputtering and diffusion the same in the inner wall of the tubular workpiece 2 so with the workpiece and connected to the auxiliary electrode that the auxiliary electrode during the long pulses and the workpiece is cathode during the short pulses. Here it is not of fundamental importance, whether the current curve as in F i g. 2 shown or in a other curve shape, only the energy content of the positive ones is decisive and the negative half-wave, which are to be set differently so that at the Electrodes the desired temperatures are generated, e.g. B. as in FIG. 2 indicated. It may depend on other factors in the gas discharge Process depends on whether the amplitude of the half-waves, i.e. those at the electrodes applied voltage varies; or the duration if the voltage values are the same the half-waves selects differently. Mainly for technical processes The gas pressure ranges in question is the largest part of the energy supplied implemented at the cathode, it is therefore supplied to the electrode more heat, which receives the greater proportion of energy as the negative pole in the discharge. When applied corresponding electrical means, it is possible to set and temperatures of the electrodes to be maintained over the whole area of practical interest The range can be adjusted steplessly. The frequency of the used to generate the different Temperatures used asymmetrical alternating current can vary within wide limits are, in general, the upper frequency limit by the ionization or Deionization time determined.

Die F i g. 3 zeigt schematisch ein Beispiel für die kombinierte Anwendung unterschiedlicher Phasenlage und unterschiedlicher Spannung zwischen Werkstück und Hilfselektrode, wobei die Speisung mit normalem technischem Wechselstrom über einen Transformator 7 erfolgt. Das Entladungsgefäß 1 ist wiederum mit zwei Stromdurchführungen 3 und 5 und einem rohrförmigen Werkstück 2 sowie einer Hilfselektrode 4 versehen. Das Werkstück soll beispielsweise nitriert und hierzu auf einer bestimmten Temperatur, z. B. 500° C, gehalten werden. Der Hilfselektrode ist in diesem Falle nur so viel Wärme bzw. Leistung zuzuführen, daß deren Temperatur hoch genug ist, um eine gleichmäßige Entladung im Innern des Werkstückes zu gewährleisten. Das wird dadurch erreicht, daß einerseits die Hilfselektrode eine verringerte Spannung gegen die Hauptelektrode erhält, und zwar durch Anschluß an den Abgriff $ der Sekundärwicklung des Transformators 7, und andererseits ein entsprechend gewählter Kondensator 9 in die Zuleitung zur Hilfselektrode 4 geschaltet wird; wodurch eine weitere Beeinflussung des der Hilfselektrode zugeführten Stromes sowohl infolge der durch den Kondensator verursachten Phasenverschiebung als auch infolge des als Vorschaltwiderstand wirkenden Scheinwiderstandes des Kondensators bewirkt wird. Die volle Spannung der Sekundärwicklung liegt in diesem Falle zwischen dem Werkstück und einer weiteren Elektrode, die hier von der Wandung des Entladungsgefäßes 1 gebildet wird.The F i g. 3 schematically shows an example of the combined use of different phase positions and different voltages between the workpiece and the auxiliary electrode, with the supply of normal technical alternating current via a transformer 7. The discharge vessel 1 is in turn provided with two current feedthroughs 3 and 5 and a tubular workpiece 2 and an auxiliary electrode 4. The workpiece should, for example, nitrided and for this purpose at a certain temperature, e.g. B. 500 ° C. In this case, the auxiliary electrode only needs to be supplied with enough heat or power that its temperature is high enough to ensure a uniform discharge inside the workpiece. This is achieved in that, on the one hand, the auxiliary electrode receives a reduced voltage against the main electrode, namely by being connected to the tap of the secondary winding of the transformer 7, and on the other hand, a suitably selected capacitor 9 is connected in the supply line to the auxiliary electrode 4 ; as a result of which the current supplied to the auxiliary electrode is further influenced, both as a result of the phase shift caused by the capacitor and as a result of the impedance of the capacitor acting as a series resistor. In this case, the full voltage of the secondary winding lies between the workpiece and a further electrode, which is formed here by the wall of the discharge vessel 1.

In F i g. 4 ist als weiteres Beispiel eine mehrphasige Anordnung mit gleicher Wirkungsweise gezeigt. Der Dreiphasentransformator 10 ist mit seiner Sekundärseite an drei gleichen Werkstücken 11, 12, 13 angeschlossen, so daß die volle verkettete Spannung zwischen denselben liegt. Die Hilfselektroden 14, 15, 16 sind gemeinsam an den Sternpunkt der Sekundärwicklung des Transformators gelegt, führen also gegenüber den Werkstücken nur die kleinere Phasenspannung. Durch den variablen Widerstand 17 kann, wenn erwünscht, eine weitere Reduktion der jeweils zwischen den Hilfselektroden und den Werkstücken liegenden Spannung bzw. des durch die Hilfselektroden fließenden Stromes erzielt werden. Selbstverständlich wäre es auch möglich, die Hilfselektroden an Anzapfungen der ,Sekundärwicklung des Transformators 10 zu legen, oder durch phasenschiebende Mittel in den Zuleitungen, zyklische Vertauschung der soeben erwähnten Anzapfungen an den einzelnen Phasen usw. die erforderlichen Temperaturdifferenzen zwischen den Elektroden regelbar zu machen.In Fig. 4 shows a multiphase arrangement with the same mode of operation as a further example. The three-phase transformer 10 is connected with its secondary side to three identical workpieces 11, 12, 13 so that the full line-to-line voltage lies between them. The auxiliary electrodes 14, 15, 16 are jointly connected to the neutral point of the secondary winding of the transformer, so they only carry the lower phase voltage compared to the workpieces. The variable resistor 17 can, if desired, achieve a further reduction in the voltage between the auxiliary electrodes and the workpieces or in the current flowing through the auxiliary electrodes. Of course, it would also be possible to connect the auxiliary electrodes to the taps of the secondary winding of the transformer 10, or to make the necessary temperature differences between the electrodes controllable by phase-shifting means in the supply lines, cyclical interchanging of the taps just mentioned on the individual phases, etc.

Diese Beispiele sind in keiner Weise erschöpfend. Es kann mit gleichem Erfolg auch mit zweiphasigen Anordnungen gearbeitet werden, oder auch mit sechsphasigen Schaltungen usw. Auch durch Einschaltung von phasenschiebenden Mitteln unter Anwendung von nur zwei Elektroden ohne dritte Bezugselektrode können schon weitgehende Temperaturdifferenzen ererzielt und aufrechterhalten werden. Die Anwendung dieser oder anderer Maßnahmen wird weitgehend von der Art des durchzuführenden Prozesses und von praktischen Erwägungen, wie der Anzahl der gleichzeitig zu behandelnden Gegenständen, deren Form, Wirkungsgrad der Anlage usw. beeinflußt. Auch die Möglichkeit grobstufiger oder kontinuierlicher Regelbarkeit spielen für die Auswahl der im einzelnen anzuwendenden Verfahrenstechnik je nach dem Anwendungszweck eine Rolle. In manchen Fällen ist es nur nötig, eine Elektrode wärmer oder kühler zu halten, ohne bestimmte Temperaturen genau festzulegen. Dann wird man z. B. von den einfachen Maßnahmen bei geeignetem Anschluß an verkettete Mehrphasenspannungen Gebrauch machen, in anderen Fällen ist hingegen feinstufige Einstellung erforderlich, dann sind die übrigen angeführten Möglichkeiten vorzuziehen. Die zur Temperaturbeeinflussung dienenden Mittel können naturgemäß auch vorteilhaft als Steuergeräte für eine automatische Regelung der Temperatur herangezogen werden, die bei der Durchführung von Prozessen in technischem Maßstab praktisch immer angewendet wird.These examples are in no way exhaustive. It can do the same Successful work can also be done with two-phase arrangements, or with six-phase arrangements Circuits etc. Also by using phase-shifting means only two electrodes without a third reference electrode can result in significant temperature differences achieved and maintained. The application of these or other measures depends largely on the nature of the process to be carried out and practical considerations, such as the number of objects to be treated at the same time, their shape, efficiency of the system, etc. influenced. Also the possibility of coarse or continuous steps Controllability plays a role in the selection of the individual process technology to be used a role depending on the application. In some cases it is only necessary to have a Keeping the electrode warmer or cooler without setting specific temperatures. Then you will z. B. of the simple measures with a suitable connection to chained Make use of multiphase voltages, but in other cases it is finely graduated Setting required, then the other options listed are to be preferred. The means used to influence the temperature can of course also be advantageous are used as control devices for automatic temperature control, which are practically always used in the implementation of processes on an industrial scale will.

Claims

Claims: 1. Method for the simultaneous treatment of several objects connected as electrodes in a glow discharge vessel, the technical Processes, especially metallurgical processes such as diffusion treatment, Annealing, hardening; Plating, etc. are to be subjected and one of which or one part is treated at a different temperature than the other or the other part should be indicated that one part of the objects or one object on the one hand and the other part of the objects or the other Object on the other hand connected as electrodes of opposite polarity in each case are and that to generate the different temperatures at the two electrodes or groups of electrodes a voltage of periodically changing polarity is applied, the currents in the two half-periods of different energy content of such a different size produces that the electrodes or electrodes, groups on brought the desired different temperatures and kept at the same will.

2. The method according to claim 1, characterized in that the electrodes or electron groups a voltage is applied, which one in amplitude and / or Duration of successive half-periods of different polarity different generates large electricity (Fig. 2).

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that that a non-sinusoidal alternating current with immediately successive positive ones and negative half-periods of different energy content are generated (F i g. 2).

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that an the electrodes or electrode groups a voltage is applied that is at least the current with a phase shift compared to an electrode or auxiliary electrode the other electrodes or auxiliary electrodes (Fig. 3).

5. Procedure according to Claim 4, characterized in that the phase position of the supplied current through Switching elements arranged in the circuit is influenced (9 in FIG. 3).

6. Procedure according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrodes or electrode groups concatenated voltages from a multiphase AC voltage source are applied (Fig. 4).

7. The method according to claim 1, characterized in that that to the electrodes or electrode groups briefly in cyclical order Different phase voltages are applied from polyphase AC voltage sources will. Considered publications: German patent specifications No. 716 705, 731866; Swiss patent specification No. 204 862.