DE1690663B2 - Einrichtung zur elektrischen Glimmnitrierung der Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken aus Eisen oder Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur elektrischen Glimmnitrierung der Innenflächen von Bohrungen und/oder kanalförmigen Vertiefungen in Werkstücken, insbesondere der Innenflächen von Rohren aus Eisen oder Stahl in einem Rezipienten. in dem mindestens zwei Werkstücke voneinander isoliert angeordnet sind und jedes der Werkstücke mit einem Pol einer Wechselspannung verbunden ist und die Bohrungen bzw. Kanäle gegenüber den Werkstücken isoliert angeordnete Innenelektroden aufweisen.

Bei der Glimmentladung werden die Moleküle eines unter vermindertem Druck stehenden Gases durch Stoßionisation und durch elektroncnstoßinduz.icrte Fragmentierung gespalten ur-i ionisiert. Die dabei gebildeten Ionen, geladene Radikale und Atome werden durch das elektrische Feld beschleunigt und treffen mit hoher kinetischer Energie auf der Eiektrodenoberfläche auf und rufen hier physikalische und chemische Veränderungen hervor.

Einer Anwendung dieser Wirkungen der Glimmentladung auf technische Fertigungsprozesse, insbesondere auf die Oberflächenbehandlung von Werkstücken, stand lange Zeit die Neigung der Glimmentladung im Wege, bei einer Steigerung der Entladungsleistung bis zu den bei technischen Fertigungsprozessen erforderlichen Werten in die unter diesen Entladungsbedingun-] gen stabilere Bogenentladung überzugehen.

Eine genaue Untersuchung dieses Überganges de Glimmentladung zur Bogenentladung führte zu der Er kcnntnis. daß die Zusammenschnürung der Glimmern ladung zu einer Bogenentladung an denjenigen Steiler der Kathodenoberfläche stattfindet, an denen infolge von Schmutz, mechanischen Aufrauhungen od. dgl. dic| Elcktronenaustrittsarbeit stark herabgesetzt ist. Die führt zu dem Schluß, daß der Übergang der Glimment ladung zur Bogenentladung verhindert werden kann wenn man die Kathodenoberfliiehe außerordentlich sorgfältig reinigt und »homogenisiert«, so daß die Elck troncnausirittsarbeit über die gesamte Kathodenober fläche weitgehend konstant ist. Damit gelang der we scnlliche Durchbruch der Glimmentladungstechnik. I der Folgezeit wurde die Glimmentladung bei mannigfa chen technischen Fertigungsprozessen angewandt.

Es sind eine Reihe von Verfahren und Einrichtunge

zur technischen Anwendung dieser Glimmentladung vorgeschlagen worden. Dabei wird im allgemeinen das zu beglimmende Werkstück als Kathode an eine Gleichstromquelle angeschlossen; die Wandung des Rezipienten für die Gasentladung dient als Anode. Bei 5 genügend großer Stromstärke und niedrigem Druck bedeckt das negative Glimmlicht der Glimmentladung die gesamte Kathodenoberfiäche, wobei die Form des als Kathode geschalteten Werkstücks im allgemeinen keine wesentliche Rolle spielt.

Diese Regel wird jedoch bei Hohlkörpern durchbrochen, deren (nnenoberflächen beglimmt werden sollen. Das Beglimmen der Innenflächen kurzer weitlumiger Kanäle gelingt noch auf relativ einfache Weise durch eine Erhöhung des Gasdruckes im Entladungsraum. Durch eine solche Druckerhöhung verkleinern sich nämlich alle Entladungszonen, außer dem Faradayschen Dunkelraum (eine positive Säule tritt in großvolumigen Entladungsräumen nicht auf). Das negative Glimmlicht wandert demgemäß bei einer Druckerhö- ao hung näher an die Kathode heran und kann oberhalb eines bestimmten Druckwerles auch in einen Kanal vorgegebener Weite eindringen. Dadurch wird der für (Ji? Glimmentladung wesentliche Bereich des Kathodenfalls, der zwischen Kathode und negativem Glimm- ?s licht liegt, in den Kanal hineinverlegt, so daß eine Entladung auch dort stattfinden kann.

Druckerhöhungsmaßnahmen reichen nicht mehr aus. sobald die Länge des Kanals größer ist als das Zehnbis Zwanzigfache von dessen Innendurchmesser. Dies ist insbesondere bei den langen und engen Bchrungen der Fall, wie sie bei Gewehr- und Geschüt/Iäufcn vorhanden sind. Vielfach werden sogar schon solche Kanüle nicht ausreichend beglimmt, deren Länge mehr als das Doppelte des Durchmessers beträgt. Die Erklärung 3; dieser Erscheinung liegt darin, daß zu dem bei normalen Glimmentladungen vorhandenen Potentialgefälle im Bereich zwischen dem negativen Glimmlicht und der Anode noch ein die Elektronen zum offenen Kanalende treibendes Potentialgefälle im l.ineren des kathodischen Kanals erforderlich ist. Dieser Potentialabfall ist nun von einer bestimmten Stelle im Inneren des kathodischen Kanals an so groß, daß die verbleibende Spannung nicht mehr zum Aufbau des für die Glimmentladung wesentlichen Kaihodenabfalls ausreicht.

Zur Behebung dieser Schwierigkeit wird vorgeschlagen, in dem Inneren des kathodischen Kanals eine Hilfselektrode in Form eines Metallstabes od. dgl. anzubringen, der von der Kathode vollkommen isoliert und als Anode geschaltet sein muß. Diese Hilfsclektrode sorgt dafür, daß entlang der gesamten Kanalachse ein einheitliches Potential herrscht, welches überall ausreicht, die Glimmentladung /u unterhalten. Die Entladung findet jetzt, vorausgesetzt daß der Gasdruck genügend hoch ist, cntlarg der gesamten Kanallänge gleichmäßig statt.

Bei den frühen Versuchen zur Realisierung technischer Glimmprozcssc wurden ausschließlich Glcichspannungsquellen verwendet. Da zur Auslösung der Glimmentladung hohe Spannungen erforderlich sind. waren daher kostspielige und aufwendige Hilfsgeräte zur Gleichrichtung hochgespannter Wechselströme erforderlich.

Ls hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die Glimmentladungen mit einer Wechselspannung zu betreiben, um die aufwendigen Gleichrichtungsaggregate einzusparen. Gleich/ritig entstanden jedoch erhebliche Komplikationen infolge der rasch wechselnden Umpolarisierung der Elektroden. Diese Schwierigkeiten traten in erhöhtem Maß bei der Glimmbehandlung von Hohlkörpern auf, da hierbei die im Inneren des Hohlkörpers erforderliche Hilfselektrode abwechselnd anodisches und kathodisches Potential enthält. Die Hilfselektroden werden dabei während denjenigen Zeiten, in denen sie kathodisches Potential aufweisen, durch Kathodenzerstäubung abgetragen. In erhöhtem Maße besteht diese Gefahr bei sehr dünnen Hilfselektroden in Form von gespannten Drähten, die immer dann erforderlich sind, wenn Hohlkörper mit langen, dünnen Kanälen beglimmt werden müssen. Infolge der stark gekrümmten Oberfläche der dünnen drahtförmigen Hilfselektroden ist nämlich die Dichte der aus der Hilfselektrodenoberfläche radial austretenden Feldlinien derart groß, daß eine Materialzerstäubung in erheblich größerem Maße auftritt als bei Kathoden mit Oberflächen geringer Krümmung. Durch diese starke Beanspruchung der Hilfselektroden bei Wechselstrombelastung werden die mechanischen Eigenschaften, insbesondere durch Kerbsp." nungen, beeinträchtigt, was häufig /um Bruch der Innenelektroden und dadurch zu Betriebsstörungen der Anlage führt. Es war daher in all den Fällen, in denen lange, dünne Kaiiäle an der Kanalinnenwandung beglimmt werden sollten, nicht möglich, die Glimmanlage direkt mit Wechselstrom zu speisen. Die erforderlichen Gleichrichtungsaggregate machten den Fertigungsprozeß aber äußerst unwirtschaftlich.

Es ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem ein Teil der Glimmentladungsleistung einer Wechselspannungsquelle entnommen wird. Bei diesem Verfahren werden zwischen den Innenelektroden und den jeweils zugeordneten Werkstücken Gleichstromcntladungen und zwischen den Werkstücken untereinander Wechselstromentladungen erzeugt, wobei die Wechselstromentladungen in erster Linie zur Aufheizung der Werkstücke dienen sollen. Es sind jedoch auch bei diesem Verfahren zur Aufrechterhaltung drr für den Vergütungsprozeß im Rohrinneren erforderlichen Glimmentladung Gleichrichteraggregate erforderlich, wenngleich diese weniger aufwendig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es. eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art zur elektrischen Glimmnitrierung, insbesondere der Innenflächen von Rohren au^c Eisen oder Stahl, zu schaffen, bei der auch bei längerer Betriebsdauer keine Funktionsstörungen auftreten, obwohl die Glimmentladung ausschließlich mit Wechselspannung betrieben wird.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe sind die Innenelektroden so geschaltet, daß zwischcr ihnen und der an den Werkstücken anliegenden Wcch selspannung keine schaltungsmäßige Verbindung bc steht und sie im wesentlichen das Potential des Plasma; der Glimmentladung aufweisen. Es oat sich überra schcnderweise herausgestellt, daß bei einer solchen An Ordnung die Innenelektroden praktisch nicht als Entla dungsLathode wirken.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind alle In neneiektrodcn metallisch leitend miteinander verbun den. Dabei können auch die Innenelektroden mit den Rezipientcn metallisch leitend verbunden sein.

Will man mit Einphasen-Wechselstrom arbeiten, s< werden zweckmäßigerweise die zu behandelndei Werkstücke in zwei Gruppen aufgeteilt und jede de beiden Werkstückgruppen mit je einem Pol der vor zugsweise regelbaren Einphascn-Wechselspannun; verbunden.

Soll mit Dreiphasen-Wechselstrom gearbeitet wer

den, so werden die zu behandelnden Werkstücke in drei Gruppen aufgeteilt und jede der drei Werkstückgruppen mit je einer Phase einer zweckmäßigerweise regelbaren, vorzugsweise 500 bis bOO Volt betragenden Dreiphasen-Wechselspannung verbunden.

Der Sternpunkt der Drehspannung liegt normalerweise frei. Der Rczipicnt wird vorzugsweise mit F.rdc verbunden. Bei Verwendung von Drehstrom werden die Werkstücke im Rezipienten vorzugsweise rotationssymmetrisch angeordnet. Dabei ist es zweckmäßig, einen Rezipienten zu verwenden, der eine allgemein zylindrische Form aufweist.

Zur Glimmnitrierung der Innenfläche der Bohrungen wird im Rezipienten eine Gasatmosphärc vorgesehen, die aus einem Gemisch von Ammoniak, Stickstoff und Wasserstoff besteht.

Eine besonders hochwertige Nitrierschicht erzielt man auf der Wandung der Bohrungen bzw. Kanäle der Werkstücke, wenn man während der Behandlung mindestens einen Teil des für die Glimmnitrierung erforderlichen Gases in die Bohrungen bzw. Kanäle der Werkstücke einleitet. Zu diesem Zweck verwendet man rohrförmige Inncneleklroden, die als Zuführung von für die Glimmnitrierung erforderlichen Ciases zu den Bohrungen bzw. Kanälen dienen. Für die Gaszulcitung zu den einzelnen Inncnelektrodcn ist im mittleren Bereich des Rezipientendeckels eine isoliert angeordnete Gasverteilungsspinnc vorgesehen, mit der die rohrförmigen Innenelektroden mittels Gasverbindungsleitungen verbunden sind. Wenn die Gasvcrteilungsspinne und die Gasverbindungsleitungen aus Metall bestehen. so ist auf einfache Weise auch die elektrische Verbindung der Innenelcktroder untereinander hergestellt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Innenelektroden etwa bis zur halben Tiefe bzw. Länge der Bohrungen bzw. Kanäle rohrförmig ausgebildet, wobei etwa am Ende des rohrförmigen Abschnitts radiale Austrittsbohrungen für den Gasaustritt vorgesehen sind. Zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung des aus den Austrittsbohrungen ausströmenden Gases ist eine vorzugsweise glockenförmige Gasverteilungshülse vorgesehen, welche die Innenelektroden im Bereich der radialen Austrittsbohrungen mit Abstand umgibt. Vorzugsweise wird durch ein Gasumlaufsystcm mit einer Vakuumpumpe und Druckrcgelventilen dafür Sorge getragen, daß im Rezipienten während der Behandlung ein Gasdruck von 1 bis 10 Torr, vorzugsweise 3.5 Torr, aufrechterhalten bleibt.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer mit Dreiphasen-Wechselstrom gespeisten erfindungsgemäß ausgebildeten Glimmentladungsanlage,

F i g. 2 den mittleren Bereich eines zu behandelnden Rohres, das mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Innenelektrode versehen ist, im Längsschnitt,

F i g. 3 die Aufhängung der zu behandelnden Rohre am Deckel des Rezipienten in perspektivischer Darstellung.

F i g. 4 eine schematische Darstellung ähnlich F i g. 1, jedoch für eine Speisung mit Einphasen-Wechselstrom.

Die in F i g.! schematisch dargestellte lonitrieranlage wird mit SO-Hz-Dreiphasen-Wechsclstrom betrieben. Die Speisung erfolgt über einen allgemein mit 10 bezeichneten Drchstromtransformalor mit drei Primärwicklungen 12. deren Eingangsklemmen 14 an das DrchstFomnctz oder eine andere Drchstromqucllc angeschlossen werden. Dor Transformator 10 ist so ausgelegt, daß an jeder der drei Sekundärwicklungen lh eine Spannung von etwa 500 Volt erzeugt wird. |edc Sekundärwicklung 16 weist einen regelbaren Abgriff 18

s auf, mit dessen Hilfe die den Sekundärwicklungen ent nommenc Spannung variiert werden kann. Die Abgriffe 18 sind über Leitungen 20. 22, 24 mit zu behandelnden Rohren 26. 28. 30 verbunden. Diese Rohre 26. 28. 30 sind in einem durch strichpunktierte Linien dargcstellten Rczipienlen 34 isoliert angeordnet. Die Leitungen 20. 22 und 24 sind isoliert durch die Wandung des Rezipienten 34 hindurchgeführt. Im Inneren der drei zu behandelnden Rohre 26, 28, 30 sind Inncnelektrodcn 38 zentrisch angeordnet. Diese Inncnclektrodcn sind von

is den sie umgebenden Metallrohrcn durch Spaltisolatoren 42 isoliert, die in F i g. 3 dargestellt sind. Die Inncnelektrodcn 38 stellen sogenannte neutrale Elektroden dar. da sie mit der dem Rczipienlen zugeführten Spannung nicht in direkter elektrisch leitender Verbindung stehen. Die Inncnelektrodcn 38 sind durch eine Vcrbindungsleitung 44 miteinander verbunden. Sie können auch zusätzlich mit dem Rczipientengehäusc verbunden sein. In der Praxis wird man in einem Rezipienten im allgemeinen nicht drei, sondern sechs, neun oder zwölf Rohre anordnen und die Sekundärwicklungen des Drehstronitransformators jeweils mit einer Gruppe von zwei bzw. drei oder vier der zu behandelnden Rohre verbinden. In F i g. 3 ist eine Anordnung mit insgesamt sechs Rohren dargestellt, von denen jeweils zwei

w gemeinsam mit einer Sekundärwicklung des Drehstromtransformalors 10 verbunden sind. Die Zahl der in einer Charge bcarbeisbi.ren Rohre ist lediglich durch die Abmessungen des Kczipitntcn und durch den Raumbedarf der Rohre selbst begrenzt.

Wie aus F i g. 3 ersichtlich, sind die eine Charge bildenden sechs Rohre 26, 26', 28, 28', 30, 30' mittels einer allgemein mit 46 bezeichneten Aufhängevorrichtung an dem Rezipicntendeckcl 32 befestigt. Die Aufhängevorrichtung 46 umlaßt drei Halteplattcn 48.50 und 52. Dicse tragen an ihren Unterseiten je zwei Ösen 54, in welche die Rohre mittels Haken 60 eingehängt sind. Diese Haken sind mit Kopfstücken 66 am oberen Ende der Rohre fest verbunden. In diese Kopfstücke 66 sind die Spaltisolatoren 42 fest eingesetzt. Jeder der Spaltisolatorcn 42 weist eine genau zentrierte axiale Bohrung auf, durch welche die Inneneleklrodeti 38 hindurchgeführt sind. Die Innenelektroden 38 weiser an ihrem oberen Ende Außengewinde auf und sind mittels Muttern 68 fest mit den Spaltisolatorcn verschraubl.

Im unleren Bereich der zu behandelnden Rohre sine die Innenelektroden 38 mittels Fußstücken 67 unc Spaltisolatoren 43 gehalten. Es kann vorteilhaft sein das untere Ende der Innenelektroden mit Außengewin de zu versehen, so daß dieselben mittels Muttern ge spannt werden können, um sie genau zenlrisch und ge radlinig im Innern der Rohre auszurichten.

Die Haitcplatten 48, 50, 52 sind jeweils mittels zwe Aufhängungen 70 und einer Stromdurchführung 72 an Rezipientendeckel 32 befestigt. Sowohl die Aufhängun

fco gen 70 wie die Stromdurchführungen 72 sind mittel Spaltisolatoren 74 gegenüber dem Rezipicntendeckc 32 isoliert. Jede Stromdurchführung 72 ist mit einer Abgriff 18 der Sekundärwicklungen 16 des Drchstron transformator 10 verbunden (F i g. 1).

<>5 Während des Betriebs wird ein vorbestimmter An moniakgasgcruch in dem Rezipienten aufrechterhaltet Die Zufuhr von Ammoniak zum Rezipienten erfol;

über einen nicht dargestellten Kreislauf mit Drucl

minderventilcn und Vakuumpumpe. Durch diesen Kreislauf wird in das Innere der Rohre Ammoniak geleitet. Hierzu wird Ammoniakgas mit einem Druck von etwa 100 Torr über eine Gasdurchführung 78 gepumpt. welche durch den mittleren Bereich des Rezipienten· deckeis 32 hindurchgeführt und mittels eines Spaltisolak^s 76 gegen den Rezipientendeckel elektrisch isoliert ist. Am unteren Ende der Gasdurchführung 78 ist eine Gasspinne 80 mit sechs Gasauslässen angeordnet. Jeder der Gasauslässe ist über einen biegsamen Metallschlauch 82 und eine Kappe 84 mit dem oberen Ende einer der neutralen Innenelektroden 38 verbunden.

Wie aus F i g. 2 und 3 ersichtlich, bestehen die neutralen Innenelektroden 38 aus je einem oberen rohrförmigen Elektrodenteil 90 und einem unteren massiven »5 Elektrodenteil 92. Beide sind fest miteinander verschraubt. Das Ammoniakgas strömt von dem Gasdurchlaßrohr 78 durch die Gasspinne 80, die biegsamen Metallschläuche 82, über die Kappen 84 in den oberen rohrförmigen Elektrodenteil 90. In der Nähe der ^ao Schraubverbindung zwischen den beiden Elektrodenteilen 90 und 92 weist das Rohr 90 vier radiale Bohrungen 94 auf. durch die das Ammoniakgas in den Rohrinnenraum % gelangt. Eine Hülse 98 lenkt das aus den Bohrungen 94 ausströmende Ammoniakgas entlang der ^a5 Innenelektrode nach unten und bewirkt eine gleichmäßige Verteilung des Gases.

Im folgenden soll die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben werden.

Die zu behandelnden Rohre 26, 26'. 28. 28'. 30. 30' werden in der oben beschriebenen Weise am Rezipientendeckel 32 aufgehängt und mit den Gaszuführungen verbunden. Die Rohre werden sodann in den Rezipientenbehälter 34 eingehängt, wobei der obere Rand des Rezipienten in eine auf der Unterseite des Rezipientendeckeis 32 ausgebildete Ringnut 100 eingreift.

Vor der eigentlichen Glimmbehandlung wird ein Vorgümmprozeß durchgeführt.

Der Vorglimmprozeß wird zweckmäßigerweise in einer Wasserstoffatmosphäre über etwa 12 Stunden durchgeführt. Im Inneren des Rezipienten wird dabei ein niedriger Wasserstoffdruck aufrechterhalten. Der Wasserstoffdruck und die an den Elektroden anliegende Spannung sind dabei so gewählt, daß ein Übergang zur schädlichen Bogenentladung nicht stattfindet. Während dieses Vorglimmprozesses wird der Wasserstoff durch Elektronenstoß ionisiert und fragmentiert, und die erzeugten Protonen und Wasserstoffatome schlagen auf die kathodischen Werkstoffflächen auf und hydrieren hier u. a. den eingelagerten Kohlenstoff. Durch die dabei entstehenden Zwischenräume kann bei der eigentlichen Glimmbehandlung der Nitridstickstoff in die tieferen Metallschichten eindringen. Vor allem aber wird bei der Vorbehandlung jede Art von Verunreinigung der zu behandelnden Oberfläche beseitigt, ebenso werden alle scharfen Ecken, Spitzen od. dgl. abgetragen, so daß die Metalloberfläche weitgehend »homogenisiert« wird und sich bei der nachfolgenden leistungsstarken Glimmentladung beim Ionisieren für eine Bogenentladung keine Ansatzpunkte mehr vorhanden sind.

Nach dieser Vorbehandlung und nach Beseitigung aller Unvollkommenheiten der Oberflächenschicht bedeckt das Glimmlicht die spannungsführenden Flächenteile als eine gleichmäßige Leuchtschicht. Nunmehr ⁶S wird der Wasserstoff im Innenraum des Rezipienten durch Ammoniak ersetzt. Dabei wird der Druck allmählich erhöht und die Glimmentladungsleistung bis zu der für die Behandlung erwünschten Entladungslcistung gesteigert.

Während dieses Glimmbchandlungsprozcsses werden die Ammoniakmolcküle durch Elektronen- und lonenstoß ionisiert. Die dabei entstehenden Radikale. Atome und Ionen treffen auf die /u behandelnde kathodische Metalloberfläche auf, dabei diffundiert der Stickstoff in Form von Nitridionen in die tieferen Mctallschichten ein. Dieser Prozeß wird durch die hohe kinetische Energie der Stickstoffionen beim Aufprall auf die Metalloberfläche unterstützt. Da eine Festkörperdiffusion nur bei erhöhten Temperaturen abläuft, muß das zu behandelnde Werkstück auf einer vorbestimmten Behandlungstemperatiir (etwa 500⁰C) während der Behandlung gehalten werden. Diese Behandlungstcmperatur wird durch die Glimmentladung selbst aufrechterhalten. Die dazu erforderliche Energie wird durch die kinetische Energie der auf die Metalloberfläche auftreffcndcn Teilchen geliefert.

Während der Glimmentladung wird im Inneren des Rezipienten ein Plasma erzeugt. Es stellt sich dabei entsprechend der Frequenz des Drehstroms ein pulsierendes Raumpotentialfcld im Innenraum des Rezipienten ein. Die zentral im Inneren der zu behandelnden Rohre angeordneten Hilfselektroden nehmen das an den Ausgängen der Rohre herrschende Plasmapotential an und sorgen dafür, daß dieses Potential auch entlang den Längsachsen der Rohre wirksam ist. Dadurch wird ein zusätzlicher Spannungsabfall im Inneren der zu behandelnden Rohre im wesentlichen vermieden, so daß das negative Glimmlicht die Rohrinnenräume völlig durchzieht und die Innenwandungen von einer gleichmäßigen Glimnicntladungsschicht überzogen sind. Die Feldlinien verlaufen daher im Inneren der zu behandelnden Rohre radial von den zentralen Hilfselektroden zur Innenwandung.

Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung und Schaltung der Innenelektroden als neutrale Hilfselektroden ein starker »Gleichrichtungscffekt« auftritt und die Innenelektrode praktisch in keinem Augenblick einer Wechselstrom-Periode als Entladungskathode wirksam wird. Die Ursache für diesen Gleichrichtungseffekt ist nicht völlig aufgeklärt. Es darf jedoch als sicher angenommen werden, daß zur Erklärung dieses »Gleichrichtungseffektes« die unterschiedlichen Oberflächengrößen der Hilfselektroden und der Innenflächen der zu behandelnden Rohre nicht ausreicht. Wesentlich scheint vielmehr z.u sein, daß die Innenelektroden das im Bereich der oberen und unteren öffnungen der zu behandelnden Rohre vorhandene Potential des Plasmas annehmen.

Durch das elektrisch leitende Plasma und gegebenenfalls durch die Verbindungsleitung 44, die im vorliegenden Beispiel durch die Metallschläuche 82 und die Gasspinne 80 realisiert ist. sind die lnnenelektroder miteinander elektrisch verbunden und weisen daher da? gleiche Potential auf.

Bei Drehstromspeisung hat sich als besonders günstig eine symmetrische Anordnung der Rohre im Inneren des Rezipienten erwiesen, bei der eine dreizählige Symmetrieachse vorliegt. Bei einer solchen Anordnung sind alle drei Rohre an äquivalenten Stellen angeord net. Dies garantiert eine gleichmäßige Qualität und Be handlungsgüte.

Werden mit der oben beschriebenen Anordnunf 2-cm-Geschützrohre von etwa 180 cm Länge behan delt, so haben die Innenelektroden zweckmäßig cinei

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Außendurchmesser von etwa 6 mm und einen Innendurchmesser von etwa 2 mm. Die radialen Bohrungen 94 weisen etwa einen Durchmesser von 1 mm und die aus Metall btstehenden Gaszuführungsleitungen 82 etwa einen Innendurchmesser von 6 bis 8 mm auf. Durch diese wird pro Rohr etwa 1.6 bis 2 l/h Ammoniakgas mit etwa 100 Torr in die Innenelektroden 38 und durch die Bohrungen 94 in das Innere der zu behandelnden Rohre gepumpt. Über einen Druckregelventile und eine Vakuumpumpe aufweisenden Kreislauf wird im Rezipienten ein Gasdruck von etwa 3.5 Torr aufrechterhalten, und die durch die Zuführung von Ammoniak in das Innere der Rohre und durch den Ammoniakverbrauch bei der lonitrierung, der etwa 0,6 Liter pro Stunde und Rohr beträgt, hervorgerufenen Änderungen werden ausgeglichen. Bei einer gleichzeitigen Behandlung von zwölf Rohren wird die Anordnung für 35 kW angelegt und mit Drehstrom von 500 bis 600 V und 50 Hz betrieben. Nach einer Gesamtbehandlung von etwa 60 Stunden, von denen etwa 12 Stunden auf die Vorbehandlung mit Wasserstoff entfallen, hatte sich die Härte der Rohrinnenwandung, gemessen nach Vikkers, von 300 kp/mm² auf B50 kp/mm² erhöht. Die Tiefe der gehärteten Schicht betrug etwa 035 bis 0,50 mm. Mit der vorstehend beschriebenen Anordnung können etwa fünfzig Chargen ohne Störung und Reparatur des Rezipientendeckels, der Aufhängung und der Stromversorgung gefahren werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung der isoliert aufgehängten Hilfselektroden ist nicht auf die Verwendung von Drehstrom begrenzt. F i g. 4 zeigt eine Anordnung,

ίο die mit Einphasen-Wechselstrom betrieben wird. Zur Stromversorgung dient eiin Wechselstrom-Transformator 110 mit einer Primärwicklung 112 und einer Sekundärwicklung 116. Die Primärwicklung 112 ist über die Anschlußklemmen 114 mit dem Wechselstromnetz ver-

is bunden. Die Sekundärwicklung 116 ist über die Verbindungsleitung 120 und den variablen Abgriff 118 mit den beiden zu behandelnden Rohren 126 und 128 verbunden. Im Inneren der Rohre 126 und 128 ist je eine Hilfselektrode 138 isoliert angeordnet. Die Hilfselektroden

ao 138 sind mittels einer Verbindungsleitung 140 miteinander verbunden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur elektrischen Glimmnitrierung der Innenflächen von Bohrungen und/oder kanu!- förmigen Vertiefungen in Werkstücken, insbesondere der Innenflächen von Rohren aus Eisen oder Stahl in einem Rezipienten, in dem mindestens zwei Werkstücke voneinander isoliert angeordnet sind und jedes der Werkstücke mit einem Pol einer Wechselspannung verbunden ist und die Bohrungen bzw. Kanäle gegenüber den Werkstücken isoliert angeordnete Innenelektroden aufweisen, d a durch gekennzeichnet, daß die Innenelektroden (38,138) so geschaltet sind, daß zwischen ihnen und der an den Werkstücken (26,28,30,26'. 28', 30', 128) anliegenden Wechselspannung keine schaltungsmäßige Verbindung besteht und sie im wesentlichen das Potential des Plasmas der Glimmentladung aufweisen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Innenelektroden (38. 138) metallisch leitend miteinander verbunden sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektroden (38. 138) mit dem Rezipienien (34) metallisch leitend verbunden sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnden Werkstucke in zwei Gruppen aufgeteilt sind und jede der beiden Wericstückgruppen mit je einem Pol einer vorzugsweise regelbaren Einphasen-Wechselspannung verbunden ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnden Werkstücke in drei Gruppen aufgeteilt sind und jede der drei Werkstückgruppen mit je einer Phase einer vorzugsweise regelbaren Dreiphasen-Wechselspannung verbunden ist.

b. Einrichtung nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß an den Werkstücken eine Drehspan· nung von 500 bis 600 Volt anliegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Sternpunkt der Drehspannung frei liegt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezipient (34) mit Erde verbunden ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß zur Glimmnitrierung der Innenfläche der Bohrungen im Rezipienten eine Gasatmosphäre vorgesehen ist. die aus einem Gemisch von Ammonniak, Stickstoff und Wasserstoff besteht.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9. dadurch gekennzeichnet, daß im Rezipienten (34) während der Behandlung ein Gasdruck von I bis 10 Torr, vorzugsweise 3,5 Torr, vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 10, gekennzeichnet durch rohrförmige Innenelektroden (38, 138) zur Zuführung mindestens eines Teils des für die Glimmniirierung erforderlichen Gases in die Bohrungen bzw. Kanäle der Werkstükke.

12. Einrichtung nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Bereich des Rezipientendcckels (32) eine isoliert angeordnete Gasverteilungsspinnc (80) vorgesehen ist, mit der die rohrförmigen Innenelektroden (38, 138) mittels

Gasverbindungbleitungen (82) verbunden sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverteilungsspinne (80) und die Gasverbindungsleitungen (82) aus Metall bestehen.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13. dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektroden (38, 138) etwa bis zur halben Tiefe bzw. Länge der Bohrungen bzw. Kanäle rohrförmig ausgebildet sind und etwa am Ende des rohrförmigen Abschnitts (90) radiale Austrittsbohrungen (94) für das Gas aufweisen.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasverteilungshülse (98) vorgesehen ist, welche die Innenelektroden (38,138) im Bereich der radialen Austrittsbohrungen (94) mit Abstand umgibt.

16. Einrichtung nach Anspruch 15. dadurch gekennzeichnet, daß die Gasverteiiungshüise (98) glockenförmig ausgebildet ist.