DE1521273A1

DE1521273A1 - Glimmentladungsapparat

Info

Publication number: DE1521273A1
Application number: DE19661521273
Authority: DE
Inventors: Kitchener Jones Claude; Waldo Martin Stuart
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-06-24
Filing date: 1966-06-24
Publication date: 1969-08-07
Also published as: US3423562A; DE1521273B2

Description

Genoral Electric Company

159, Madison Avenue

New York, N. Yo 10 016 (USA) Werner/oo Erf.-Nr. Vte 10/034

Docket 17D-1400

Gl lament ladung sapparat

(äs wird die Priorität der Anmeldung in USA« Sorial-No» 466 S30₄ vom 24c Juni 1965 beansprucht)

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Gliiwaentladungsappparat zur Wärmebehandlung von als Katode geschalteten Werkstücken unterschiedlicher GrOUe₁ For« und Anordnung in einem als Anode geschalteten Vakuumgefäß, insbesondere zum Glühen und Nitrieren.

Bei der Wärmebehandlung, insbesondere bei« Glühen und Nitrieron wird gefordert, daß auf der gesamten Oberfläche der zu behandelnden Werkstücke die gleiche Temperatur herrscht, uia So B. beim Nitrieren eine Werkstückoberfläche von ein*· heitlicher Nitriertiefe und -Qualität su erhalten«

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lis Bind verschiedene Anordnungen bekannt geworden, bei denen die ttdrkstücke durch Glinmentladung behandelt worden, wobei verschiedene Gasarten bei niedrigen Drücken in einer Vakuumkammer verwendet wordenο Öle Gasionen, die der elektrischen Potentialdiffcrenz zwischen Anode und Kairode ausgesetzt sind, führen bei ihrem Aufprall auf die Workstücke diesen die bein Abbremsen frei werdende hohe Energie in Form von warme asu» Die an der Werkstückoberfläche erzielbare Höchsttemperatur ist abhängig von der Größe des beim Abbremsen entstehenden iSner« gieverlustes der Ionen, Zusätzlich muß aber noch dor durch Strahlung von und zu den ierkstticken auftretende Wärmeaustausch berücksichtigt werden« Bei einem einfachen symmetrischen Werkstück macht oa kmböcckeine Schwierigkeiten eine konstante Temperatur durch eine Glimmentladung zu erreichen_s da es in ei' symmetrischen Glimmentladungskanuaer so angeordnet worden kann, daß es nach allen Richtungen in dor gleichen (.eise Strahlung emittiert als auch empfängt ο

Bs ist auch vorgeschlagen worden, eine größere Anzahl von gleichen und symmetrischen werkstücken sternförmig so anzuordnen, daß sie in Hinsicht auf den ütrahlungeaustausch mit der Behälterwand und den anderen «.erkstücken an allen Punkten der »'.arkstücksoberflache den gleichen Bedingungen unterliegen. Diese Methode ist jedoch sehr beschwerlich und führt dazu, der Gliminentladungsapparat eine unsymmetrische Form an-

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ninnt, die nur für die werkstücke einer gegebenen For« verwendbar ist«

Es iat ebenfalle bekannt, Strahlungaschutzschirtnß innerhalb der Vakmnakaannorn zu vorwenden, um die durch Strahlung vertirsachte U'änaoübertragung zu kontrollieren oder nxi verringern,; Die Anordnung dieser Schirme ist jedoch nicht einfach, da deren Temperaturen von der Emission und Absorption der Strahlung abhängig ist, die sehr umständlich zu bestimmen sind«

Bisher ist es nicht iaoglich gewesen, eine größere Anzahl von in Größe, Fora und Anordnung unterschiedliche Gegenstände! EU gleicher Zeit bei konstanter Temperatur in eine« elektrischen Glimatentladungsapparat *u behandeln.

Aufgabe dor Erfindung ist es daher, eine solche ttaraebehand*

lung, bei dar die Temperatur an allen Punkten der Oberflüche

durch Glimmentladung der Körper gleich sein soll,/in einfacher Weise asu ermöglichen

Diese Aufgabe wird erTindungsgeioüä dadurch gelöst, daß in de« Vakuumgefäß ein als Kawde geschalteter verschließbarer Dehäl· ter JBur Aufnahme der werkstücke angeordnet ist und an den Behälter-frfnungen zum Eintritt der Gasionen vorgesehen sind₍

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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird eine zylindrische Hilfeanode konzentrisch um den Behälter innerhalb » des Vakuumgefäßes oder eine scheibenförmige Hilfsanode wird innerhalb des Behälters angeordnete Vorteilhafterweise werden als Öffnungen zum Eintritt der Gasionen Löcher in der Behälterwand vorgesehen_t deren Durchmesser mindestens 1/100 der Entfernung zwischen dem Loch und dor an weitesten entfernten Stelle innerhalb des Behälters

auch

betragen. Als öffnung kann/der Spalt zwischen den Überlappenden iinden einor als Spirale ausgebildeten Behälterwand oder eine zusätzliche, verschließbare Öffnung an den Behälterdeckel vorgesehen werden.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und worden In folgenden ntihor beschrieben.

lie zeigen

Figur 1 «inen Längsschnitt durch den Glimaentladungsappurat

Figur 2 einen horisontalen Querschnitt entsprechend Linie I-I aus Figur 1

Figuren 3, 4, S und 7 scheiaatieche Darstellungen verschiedener anderer Ausführungsbeispiele des erfindungegeeäßon Gliouuentladungsapparates

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Figur 6 einen Querschnitt entsprechend Linie IX-II aus Figur 5

Figur θ ein grafisches Bild des Verlaufs des elektrischen Potentials im Raum zwischen Anode und Kathode.

Die Figur 1 zeigt das glockenförmige Vakuumgefäß 1, das von

einem Kühlrohrmantel 2 umgeben ist und ait einer Dichtung 4 zwi- ™ sehen, dem Vakuumgefäß 1 und seinem Boden 2 gegen die Umgebung vakuumdicht gehalten wird. Das Vakuumgefäß 1 und dessen Boden 3 bestehen aus einem leitenden Material und werden als Anode an den positiven Pol der regelbaren Spannungsquelle 5 angeschlossenν Sine Vakuumpumpe G dient zur Evakuierung der Vakuumkammer. In dow Gefäßboden 3 sind neben de« Gasanschluß 7 auch eine leitende Durchführung 8 und eine Metallplatte 9 zu« Anschluß des Behälters 18 an den negativen Pol der regelbaren Spannungsquelle S isoliert gegenüber dem GefäÜboden 3 angeordnet, Die Isolierung erfolgt mittels einer Isolierplatte 11, Schrauben 10 aus Isoliermaterial und einer Isolijrbuchse 12* Dia IaoHörbuchs© wird durch eine Metallhülse 13 mit gleitendem elektrischen Potential vor der Glimmentladung geschützt. Neben dan als Anode wirkenden Vakuumgefäß 1 und Gefaßboden 3 wird eine zusätzliche ,zylindrische Hilfsanode 14, die alt Metal If USe η 15 auf den Gefaßboden 3 befestigt ist« konsten-

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triech u/n den Behälter 18 angeordnet* Dor !!ehalter 18, in dessen Wand Öffnungen 20 angeordnet sind, niuuat dio verschieden geformten Werkstücke 15 ,- 17 auf und kann mit einem Deckel 19 verschlossen werden» lain thermoelement 21 ivlrd zur Temperaturmessung in den Uehälterraun

Die den Behälter 18 und die Werkstücke 15 - 1? umgebene

fa

gebrochene Linie soll die an der Katodenoberfläche stattfindende Glimmentladung anzeigen. Diese Linien sind auch in der Figur 2 angedeutet,, in der außerdem noch »it M_& und EL die elektrischen Potentiale von Anode und Katrode und mit T₁₅, T₁₆ usw« die an den entsprechenden Telten herrschenden Temperaturen bezeichnet sind.

In der Figur 3 1st eine scheibenförmige Hilfsanode 28 als "heiße Anode" innerhalb des Behälters 18 angeordnet» Diese Anode 28 ist durch eine elektrisch leitende Verbindungsatange 29, die durch eine Öffnung 31 im Deckel 30 des Behälters geführt wird,mit der Kuppel des Vakuumgefäßes 1 verbunden,

In der Figur 4 wird ein der Figur 1 ähnlicher Glimmentladung«« apparat dargestellt, bei dem lediglich die zylinderfüraige Hilfsanode fehlt. Die Figuren 5 und 6 zeigen dagegen einen abgeänderten AuJ'bau des Behälters 33. Wie aus der Figur 6 zu ersehen ie* hat die Behälterwand 33 einen spiralförmigen

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Grundriss, wobei der Spalt 34 zwischen den beiden über» läppenden Snden als Eintritteöffnung für die Gasionen vorgesehen ist. Der Deckel 36 hat eine dementsprechend abgeänderte Pore. *■ "^ΐΛί·«

I2ine gröüenveründerlicho öffnung 42 ist in den Deckel 41 des Behälters 18 nach Figur 7 dadurch geschaffen worden, daß eine Scheibe 43 an einer verschiebbaren Stange 44 befestigt ist, die durch eine abgedichtete Führung 46 in der Kuppel des Vakuuugefäßos 1 bindurchgefUhrt wird und Kit ein«« außerhalb angebrachten Uandgriff /betätigt werden kann.

Bein Betrieb des Glinueontladungsapparates werden die «ujbehandelnden .verkstüoke 15 - 17 wahllos in den Behälter 18 an- ■· ^: geordnet, ^achden der Behälter 18 alt den Deckel 19 abgedeckt und das Vakuumgefäß 1 und der Gcfußboden 3 «it Hilf« von Schrauben (nicht gezeigt) gasdicht verschlossen worden (j ist, wird das Vakuumgefäß 1 Über den Gasanschluß 7 *lt ein·« passenden Gasgemisch, sun Nitrieren beispielsweise alt eines Stickstoff-UasserstQffgowisch, versorgt und von einer Vakuuapuape 6 auf einen Druck von wenigen Milliaotern Quecksilber säule gehaltene Nach den Anlegen einer Spannung wird sich zwischen den als Anode geschalteten Bauteilen 1, 3, 14 und den als Kaifide wirkenden Behälter 18 und äorlcetücken 15 eine Potentialverteilung einstollen wlo sie in der Figur 8

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der Zeichnung dargestellt ist· Während sich das Potential in dem größten Teil des Zwischenraumes von der Anode st|r

Katode nur geringfügig ändert, tritt fast dor gesamte Po-

h. schon. ■ ;

tentialabfall naho dar KatJode auf, Abor mtäfc der geringe Potentialabfall hinter der Anode veranlaßt die Gaslonen durch die öffnung 20 in das Innere des Behälters 18 ein-

>eutreten. Wenn die öffnungen genügend groß gemacht werden, .■ ■ ■ ^vI'::

wird die Glimmentladung auch an den werkstücken 13 - 17-.; .

stattfinden, obwohl diose der Anode nicht direkt gegenüber·- stehen. Da der die Vierkstücke 15 - 17 fassende Behälter 18 genau der gleichen Gliiomentladungsenergie wie die uerkstUcke selbst ausgesetzt ist, wird eine einheitliche Temperatur an der Oberfläche erreicht, Die iVärmeUbertragung durch Konvektion soll dabei vernachlässigt worden. Die durch Strahlung verursachte 'tVärmeiibertragung richtet sich nach dem Stefan

BoIbstoannechcn Gesetz, wonach die zwischen zwei Körporn durch

vierten. Strahlung ausgetauschte Wärmemenge der Differenz der ^TPoten*· zen der absoluten Temperatunnpropertional ist. Da nun zwischen den werkstück η 15-17 und den sie umgebenden Winden des Behälters 18 kaum Temperaturdifferenzen auftreten, ist auch der Wärmeaustausch durch Strahlung innerhalb des Behälters vernachlässigbar klein. Anfängliche Temperaturunterschiede werden' ausgeglichen, so daß die Unregelmäßigkeiten in Form, Größe und Anordnung dor Werkstücke schließlich keinen BinfluQ mehr haben,

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Die Temperatur der Hilfsanode 14 hängt hauptsächlich ab vom »Väraegewinn durch Strahlung von den Außenwänden dee Behälters 18, während die Temperatur des Vakuumgefäß s 1 etwas oberhalb der Umgebungstemperatur liegt» verursacht durch Strahlung von der Hilfsanode 14»

Die in den Figuren 3-7 dargestellten Glirataentladungsapparate arbeiten nach dom gleichen Prinzip, wobei allerdings die Hilfsanode 14 wegfällt ο In der Figur 3 ißt zwar noch eine scheibenförmig© Hilfsanode 23 vorgesehen, diese wirkt aber als "heißa Anode" und ist innorhalb des Behälters 18 angeordnet., Zum Erreichen einer einheitlichen Temperatur der Werkstücke wird hier vorausgesetzt, daß nach einer ge* wiesen Anlaufzeit die Hilfsanode 28 durch Strahlung auf die Temperatur der Werkstücke 15 ~ 17 und des »ehälter8 18 erwärmt worden ist» Eine verschließbare Öffnung 42 nach Figur 7 wird zusätzlich vorgesehen, üb bei Beginn der Wärmebehandlung einen erhöhten Eintritt der Gasionen zu ermöglichen,,. Nach/bschluß des AnlaufVorganges wird diese Öffnung «ixt Hilfe des Handgriffes 45 verschlossen und die Gasionen treten nur noch durch die öffnungen 20 in das Innere des Behält ere 13 ein«

Die in den Figuren 3-7 abgebildeten Glinaentladungsappar*·" te haben den Nachteil, daß infolg· d«e Fehlens der aylinder«

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fönaigenals Strahl ungsechutzechirat wirkenden Hilfsanode 14 der Behälter 18 größere Warneverluste durch Abstrahlung erleidet und damit die Konstanz der Temperatur nicht in dem Maße gewährleistet ist wie bei den Apparat nach den Figuren 1 und 2» Andererseits ist diese Ausführung einfacher und weniger aufwendig und reicht in allgemeinen aus,

* Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin_s daß die Wärmebehandlung einer Vielzahl von Werkstücken in einer Glimmentladung durchgeführt werden kanu ohne Rückeicht auf Größe, Fora und Anordnung der Teile„ Außerdem wird durch den Aufbau des erfindungsgentißen Glinuaentla» dungsapparates die Möglichkeit der il'erkatück^beschädigung durch Lichtbogen weitgehend verhindert, iia bei der Bildung eines Lichtbogens »^sser meistens an dem der Anode direkt gegen« Überstehenden Auiienmantel des Behälters entstehen wird und daher die im Inneren des Behälters befindlichen UerWfrtiicko unbeeinflußt bleiben..

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Claims

Goneral Electric Company 159« Madison Avenue New York, N« Y. 10 016 (USA) tVerner/oe Erf.-Nr. We 10/034 Docket 170-1400 Patentansprüche

1. Elektrischer Glituientladungsapparat zur Wärmobehandlung ▼on als Kavode geschalteten Werkstücken unterechiedlicher Grotte, Fora und Anordnung in einem ala Anode geschalteten Vakuumgefäß, insbesondere sum Glühen und Nitrieren, dadurch gekennzeichnet, daß In dea Vakuumgefäll (1) ein als Katfode geschalteter verschließbarer Behälter (18) zur Aufnähe» der Werkstücke 15 - 17 angeordnet ist und an dea Behälter (18) öffnungen (20) zum eintritt der Gasionen vorgesehen sind.

2. elektrischer Gliiaaentladungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafi eine zylindrisch· Hilfsanode (14) konzentrisch ua den Behälter (18) innorhalb des VakmiagefäSes (1) angeordnet 1st«

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Zo Elcftri scher GXiuiinontladungaappa^at nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine scheibenförmige Hilfsanode (28) innerhalb des Behälters (18) angeordnet 1st»

4« Elektrischer Glimmentladungsapparat nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet-, daß als öffnungen zum eintritt der Gasionen Löcher (20) in der Behälterwand vorgesehen sind, deren Durchmesser mindestens 1/100 der Entfernung zwischen dem Loch (20) und der am weitesten entfernten Stelle innerhalb des Behälters (18) betragene

5ο iSlektrischor Glimiaentladungsapporat nach den Ansprüchen 1 und 2,dadurch gekennzeichnet, daß als öffnung der Spalt (34) »wischen den überlappenden fänden einer als Spirale ausgebildeten Behälterwand vorgesehen wird«

6ο iSlektrischer Glinmentladungsapparat nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine verschließbare öffnung (42) an dem Behälterdeekel (41) und Mittel (43, 44, 45, 46) zum Verschließen der öffnung (42) vorgesehen sind«

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