DE1521273B2

DE1521273B2 - Glimmentladungsapparat

Info

Publication number: DE1521273B2
Application number: DE19661521273
Authority: DE
Inventors: Claude Kitchener Mar blehead Martin Stuart Waldo Salem Mass Jones (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-06-24
Filing date: 1966-06-24
Publication date: 1972-10-19
Also published as: US3423562A; DE1521273A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Glimmentladungsapparat zur Wärmebehandlung von als Kathode geschalteten Werkstücken unterschiedlicher Größe, Form und Anordnung in einem als Anode geschalteten Vakuumgefäß, insbesondere zum Glühen und Nitrieren.

Bei der Wärmebehandlung, insbesondere beim Glühen und Nitrieren wird gefordert, daß auf der gesamten Oberfläche der zu behandelnden Werkstücke die gleiche Temperatur herrscht, um z. B. beim Nitrieren eine Werkstückoberfläche von einheitlicher Nitriertiefe und -qualität zu erhalten.

Es sind verschiedene Anordnungen bekanntgeworden, bei denen die Werkstücke durch Glimmentladung behandelt werden, wobei verschiedene Gasarten bei niedrigen Drücken in einer Vakuumkammer verwendet werden. Die Gasionen, die der elektrischen Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode ausgesetzt sind, führen bei ihrem Aufprall auf die Werkstücke diesen die beim Abbremsen frei werdende hohe Energie in Form von Wärme zu. Die an der Werkstückoberfläche erzielbare Höchsttemperatur ist abhängig von der Größe des beim Abbremsen entstehenden Energieverlustes der Ionen. Zusätzlich muß aber noch der durch Strahlung von und zu den Werkstücken auftretende Wärmeaustausch berücksichtigt werden. Bei einem einfachen symmetrisehen Werkstück macht es keine Schwierigkeiten, eine konstante Temperatur durch eine Glimmentladung zu erreichen, da es in einer symmetrischen Glimmentladungskammer so angeordnet werden kann, daß es nach allen Richtungen in der gleichen

ίο Weise Strahlung emittiert als auch empfängt.

Es ist auch vorgeschlagen worden, eine größere Anzahl von gleichen und symmetrischen Werkstücken sternförmig so anzuordnen, daß sie in Hinsicht auf den Strahlungsaustausch mit der Behälterwand und den anderen Werkstücken an allen Punkten der Werkstückoberfläche den gleichen Bedingungen unterliegen. Diese Methode ist jedoch sehr beschwerlich und führt dazu, daß der Glimmentladungsapparat eine unsymmetrische Form annimmt, die nur für die Werkstücke einer gegebenen Form verwendbar ist.

Es ist ebenfalls bekannt, Strahlungsschutzschinne innerhalb der Vakuumkammern zu verwenden, um die durch Strahlung verursachte Wärmeübertragung zu kontrollieren oder zu 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 möglich gewesen, eine größere Anzahl von in Größe, Form und Anordnung unterschiedlichen Gegenständen zu gleicher Zeit bei konstanter Temperatur in einem elektrischen Glimmentladungsapparat zu behandeln.

In der USA.-Patentschrift 3190 727 wurde eine Glimmentladungsanordnung zur Nitrierung von Werkstücken mit komplizierten Formen vorgeschlagen, bei der eine Hauptentladeschaltung außerhalb des Werkstückbehälters zur Erzeugung der notwendigen Wärme dient. Dies geschieht mit Hilfe einer Entladung, die sich zeitlich entsprechend dem Verlauf der Spannung einer ersten Wechselspannungsquelle mit einer oder mehreren Phasen ändert. Der Werkstückbehälter dient dabei als eine Elektrode für diese Entladungsschaltung und dient auch als eine Elektrode einer zusätzlichen Hilfsentladeschaltung innerhalb des Werkstückbehälters. Diese verwendet ebenfalls eine Wechselspannungsquelle mit einer oder mehreren Phasen und eine dritte Elektrode im Inneren des an einem oder beiden Enden offenen zylindrischen Behälters. Lediglich diese zweite Hilfsentladeschaltung dient zur Erzeugung der für die Nitrierung benötigten Ionen im Inneren des Werkstückbehälters. Die Kompliziertheit der Anordnung ist vergrößert durch die Verwendung verschiedener Entladestrecken, und die Anordnung erfordert eine große Sorgfalt bei der Konstruktion und räumlichen Anordnung der entsprechenden Elektroden, und in diesem Zusammenhang wird in der Patentschrift auch noch eine Drehung der Elektroden und/oder der Werkstücke vorgeschlagen. Die Intensität, die Richtung und die räumliche Lage der Entladung zeigt dabei eine zeitliche Änderung, und die Temperatur, welche von verschiedenen Teilen der Oberfläche des Werkstückes und in verschiedenen Richtungen gesehen wird, ist nicht gleichmäßig.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Glimmentladungsapparat zu schaffen mit einfacher,

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zuverlässiger Schaltung und Anordnung der Elek- buchse 12 wird durch eine Metallhülse 13 mit gleitroden unter Verwendung einer Gleichspannungs- tendem elektrischem Potential vor der Glimmentquelle und einer Glimmentladungsstrecke außerhalb ladung geschützt. Neben den als Anode wirkenden eines Werkstückbehälters. Vakuumgefäß 1 und Gefäßboden 3 wird eine zusätz-

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, 5 liehe zylindrische Hilfsanode 14, die mit Metalleinen Glimmentladungsapparat zu erhalten, bei dem fußen 15 auf dem Gefäßboden 3 befestigt ist, koneine gleichförmige Oberflächentemperatur von Werk- zentrisch um den Behälter 18 angeordnet. Der Bestücken komplizierter Form möglich ist und eine hälter 18, in dessen Wand Öffnungen 20 angeordnet solche gleichförmige Temperaturverteilung auch er- sind, nimmt die verschieden geformten Werkstücke reicht werden kann bei der gleichzeitigen Bearbeitung io 15 bis 17 auf und kann mit einem Deckel 19 vervon Werkstücken mit stark unterschiedlicher Größe schlossen werden. Ein Thermoelement 21 wird zur und Form. Temperaturmessung in den Behälterraum geführt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Die den Behälter 18 und die Werkstücke 15 bis 17

die Beschränkungen zu beseitigen bezüglich der Not- umgebene gebrochene Linie soll die an der Katho-

wendigkeit, die Werkstücke in einer ganz bestimm- 15 denoberfiäche stattfindende Glimmentladung anzei-

ten Art und Weise anzuordnen, um eine gleichför- gen. Diese Linien sind auch in der F i g. 2 angedeutet,

mige Wärmebehandlung zu erhalten. in der außerdem noch mit E_a und E_k die elektrischen

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- Potentiale von Anode und Kathode und mit T₁₃, T₁₆

löst, daß in. dem Vakuumgefäß ein als Kathode ge- usw. die an den entsprechenden Teilen herrschenden

schalteter verschließbarer Behälter zur Aufnahme der 2° Temperaturen bezeichnet sind.

Werkstücke angeordnet ist und an dem Behälter Öff- In der F i g. 3 ist eine scheibenförmige Hilfsanode

nungen zum Eintritt der Gasionen vorgesehen sind. 28 als »heiße Anode« innerhalb des Behälters 18

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird eine angeordnet. Diese Anode 28 ist durch eine elekzylindrische Hilfsanode konzentrisch um den Behäl- trisch leitende Verbindungsstange 29, die durch eine ter innerhalb des Vakuumgefäßes, oder eine schei- 25 Öffnung 31 im Deckel 30 des Behälters 18 geführt benförmige Hilfsanode wird innerhalb des Behälters wird, mit der Kuppel des Vakuumgefäßes 1 verangeordnet. Vorteilhafterweise werden als Öffnungen bunden.

zum Eintritt der Gasionen Löcher in der Behälter- In der F i g. 4 wird ein der F i g. 1 ähnlicher

wand vorgesehen, deren Durchmesser mindestens Glimmentladungsapparat dargestellt, bei dem ledig-

V100 der Entfernung zwischen dem Loch und der am 3° lieh die zylinderförmige Hilfsanode fehlt. Die Fig. 5

weitesten entfernten Stelle innerhalb des Behälters und 6 zeigen dagegen einen abgeänderten Aufbau

betragen. Als Öffnung kann auch der Spalt zwischen des Behälters 33. Wie aus der Fig. 6 zu ersehen ist,

den überlappenden Enden einer als Spirale ausge- hat die Behälterwand 33 einen spiralförmigen

bildeten Behälterwand oder eine zusätzliche, ver- Grundriß, wobei der Spalt 34 zwischen den beiden

schließbare Öffnung an dem Behälterdeckel vorge- 35 überlappenden Enden als Eintrittsöffnung für die

sehen werden. Gasionen vorgesehen ist. Der Deckel 19 hat eine

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind dementsprechend abgeänderte Form,

in der Zeichnung dargestellt und werden im folgen- Eine größenveränderliche Öffnung 42 ist in dem

den näher beschrieben. Es zeigt Deckel 41 des Behälters 18 nach F i g. 7 dadurch

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Glimment- 40 geschaffen worden, daß eine Scheibe 43 an einer ver-

ladungsapparat, schiebbaren Stange 44 befestigt ist, die durch eine ab-

Fig. 2 einen horizontalen Querschnitt entspre- gedichtete Führung 46 in der Kuppel des Vakuum-

chend Linie I-I aus F i g. 1, gefäßes 1 hindurchgeführt wird und mit einem außer-

' Fig. 3, 4, 5 und 7 schematische Darstellungen ver- halb angebrachten Handgriff 45 betätigt werden schiedener anderer Ausführungsbeispiele des erfin- 45 kann,

dungsgemäßen Glimmentladungsapparates, Beim Betrieb des Glimmentladungsapparates nach

F i g. 6 einen Querschnitt entsprechend Linie H-II F i g. 1 werden die zu behandelnden Werkstücke 15

aus F i g. 5, bis 17 wahllos in dem Behälter 18 angeordnet. Nach-

F i g. 8 ein grafisches Bild deS Verlaufs des elek- dem der Behälter 18 mit dem Deckel 19 abgedeckt trischen Potentials im Raum zwischen Anode und 5° und das Vakuumgefäß 1 und der Gefäßboden 3 mit

Kathode. Hilfe von Schrauben (nicht gezeigt) gasdicht ver-

Die F i g. 1 zeigt das glockenförmige Vakuumge- schlossen worden ist, wird das Vakuumgefäß 1 über

faß 1, das von einem Kühlrohrmantel 2 umgeben ist den Gasanschluß 7 mit einem passenden Gasgemisch

und mit einer Dichtung 4 zwischen dem Vakuum- zum Nitrieren, beispielsweise mit einem Stickstoffgefäß 1 und seinem Boden 3 gegen die Umgebung 55 Wasserstoff-Gemisch, versorgt und von einer

vakuumdicht gehalten wird. Das Vakuumgefäß 1 Vakuumpumpe 6 auf einen Druck von wenigen

und dessen Boden 3 bestehen aus einem leitenden Millimetern Quecksilbersäule gehalten. Nach dem

Material und werden als Anode an den positiven Anlegen einer Spannung wird sich zwischen den als

Pol der regelbaren Spannungsquelle 5 angeschlossen. Anode geschalteten Bauteilen 1, 3, 14 und den als Eine Vakuumpumpe 6 dient zur Evakuierung der 60 Kathode wirkenden Behälter 18 und Werkstücken 15

Vakuumkammer. In dem Gefäßboden 3 sind neben bis 17 eine Potentialverteilung einstellen, wie sie in

dem Gasanschluß 7 auch eine leitende Durchfüh- der F i g. 8 der Zeichnung dargestellt ist. Während

rung 8 und eine Metallplatte 9 zum Anschluß des sich das Potential in dem größten Teil des Zwischen-

Behälters 18 an den negativen Pol der regelbaren raumes von der Anode zur Kathode nur geringfügig Spannungsquelle 5 isoliert gegenüber dem Gefäß- 65 ändert, tritt fast der gesamte Potentialabfall nahe der

boden 3 angeordnet. Die Isolierung erfolgt mittels Kathode auf. Aber schon der geringe Potentialabfall

einer Isolierplatte 11, Schrauben 10 aus Isolier- hinter der Anode veranlaßt die Gasionen, durch die

material und einer Isolierbuchse 12. Die Isolier- öffnung 20 in das Innere des Behälters 18 einzutre-

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ten. Wenn die Öffnungen genügend groß gemacht net. Zum Erreichen einer einheitlichen Temperatur werden, wird die Glimmentladung auch an den Werk- der Werkstücke wird hier vorausgesetzt, daß nach stücken 15 bis 17 stattfinden, obwohl diese der einer gewissen Anlaufzeit die Hilfsanode 28 durch Anode nicht direkt gegenüberstehen. Da der die Strahlung auf die Temperatur der Werkstücke 15 Werkstücke 15 bis 17 fassende Behälter 18 genau 5 bis 17 und des Behälters 18 erwärmt worden ist. Eine der gleichen Glimmentladungsenergie wie die Werk- verschließbare Öffnung 42 nach F i g. 7 wird zusätzstücke selbst ausgesetzt ist, wird eine einheitliche lieh vorgesehen, um bei Beginn der Wärmebehand-Temperatur an der Oberfläche erreicht. Die Wärme- lung einen erhöhten Eintritt der Gasionen zu ermögübertragung durch Konvektion soll dabei vernach- liehen. Nach Abschluß des Anlaufvorganges wird lässigt werden. Die durch Strahlung verursachte 10 diese Öffnung 42 mit Hilfe des Handgriffes 45 verWärmeübertragung richtet sich nach dem Stefan- schlossen, und die Gasionen treten nur noch durch Boltzmannschen Gesetz, wonach die zwischen zwei die Öffnungen 20 in das Innere des Behälters 18 ein. Körpern durch Strahlung ausgetauschte Wärmemenge Die in den F i g. 3 bis 7 abgebildeten Glimmentder Differenz der vierten Potenzen der absoluten ladungsapparate haben den Nachteil, daß infolge des Temperaturen proportional ist. Da nun zwischen den 15 Fehlens der zylinderförmigen, als Strahlungsschutz-Werkstücken 15 bis 17 und den sie umgebenden schirm wirkenden Hilfsanode 14 der Behälter 18 Wänden des Behälters 18 kaum Temperaturdifferen- größere Wärmeverluste durch Abstrahlung erleidet zen auftreten, ist auch der Wärmeaustausch durch und damit die Konstanz der Temperatur nicht in dem Strahlung innerhalb des Behälters vernachlässigbar Maße gewährleistet ist wie bei dem Apparat nach klein. Anfängliche Temperaturunterschiede werden 20 den F i g. 1 und 2. Andererseits ist diese Ausführung ausgeglichen, so daß die Unregelmäßigkeiten in einfacher und weniger aufwendig und reicht im allge-Form, Größe und Anordnung der Werkstücke meinen aus.
schließlich keinen Einfluß mehr haben. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile be-

Die Temperatur der Hilfsanode 14 hängt haupt- stehen insbesondere darin, daß die Wärmebehandsächlich ab vom Wärmegewinn durch Strahlung von 25 lung einer Vielzahl von Werkstücken in einer Glimmden Außenwänden des Behälters 18, während die entladung durchgeführt werden kann ohne RückTemperatur des Vakuumgefäßes 1 etwas oberhalb sieht auf Größe, Form und Anordnung der Teile, der Umgebungstemperatur liegt, verursacht durch Außerdem wird durch den Aufbau des erfindungsge-Strahlung von der Hilfsanode 14. mäßen Glimmentladungsapparates die Möglichkeit

Die in den F i g. 3 bis 7 dargestellten Glimment- 30 der Werksrückbeschädigung durch Lichtbogen weit-

ladungsapparate arbeiten nach dem gleichen Prinzip, gehend verhindert, da bei der Bildung eines Licht-

wobei allerdings die Hilfsanode 14 wegfällt. In der bogens dieser meistens an dem der Anode direkt

F i g. 3 ist zwar noch eine scheibenförmige Hilfs- gegenüberstehenden Außenmantel des Behälters

anode 28 vorgesehen, diese wirkt aber als »heiße entstehen wird und daher die im Inneren des Behäl-

Anode« und ist innerhalb des Behälters 18 angeord- 35 ters befindlichen Werkstücke unbeeinflußt bleiben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Glimmentladungsapparat zur Wärmebehandlung von als Kathode geschalteten Werkstücken unterschiedlicher Größe, Form und Anordnung in einem als Anode geschalteten Vakuumgefäß, insbesondere zum Glühen und Nitrieren, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vakuumgefäß (1) ein als Kathode geschalteter verschließbarer Behälter (18) zur Aufnahme der Werkstücke (15 bis 17) angeordnet ist und an dem Behälter (18) Öffnungen (20) zum Eintritt der Gasionen vorgesehen sind.

2. Elektrischer Glimmentladungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrische Hilfsanode (14) konzentrisch um den Behälter (18) innerhalb des Vakuumgefäßes (1) angeordnet ist.

3. Elektrischer Glimmentladungsapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine scheibenförmige Hilfsanode (28) innerhalb des Behälters (18) angeordnet ist.

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 Vioo der Entfernung zwischen dem Loch (20) und der am weitesten entfernten Stelle innerhalb des Behälters (18) betragen.

5/ Elektrischer Glimmentladungsapparat nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als öffnung der Spalt (34) zwischen den überlappenden Enden einer als Spirale ausgebildeten Behälterwand vorgesehen wird.

6. Elektrischer Glimmentladungsapparat nach den Ansprüchen 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine verschließbare Öffnung (42) an dem Behälterdeckel (41) und Mittel (43, 44, 45, 46) zum Verschließen der Öffnung (42) vorgesehen sind.