DE1690663C3 - Einrichtung zur elektrischen Glimmnitrierung der Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken aus Eisen oder Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zu elektrischen Glimmnitrierung der Innenflächen vor Bohrungen und/oder kanalförmigen Vertiefungen it Werkstücken, insbesondere der Innenflächen von Roh ren aus Eisen oder Stahl in einem Rezipienten, in den mindestens zwei Werkstücke voneinander isoliert an geordnet sind und jedes der Werkstücke mit einem Po einer Wechselspannung verbunden ist und die Bohrun gen bzw. Kanäle gegenüber den Werkstücken isolier angeordnete Innenelektroden aufweisen.

Bei der Glimmentladung werden die Moleküle eine: unter vermindertem Druck stehenden Gases durcl Stoßionisation und durch elektronenstoßinduziert« Fragmentierung gespalten und ionisiert. Die dabei ge bildeten Ionen, geladene Radikale und Atome werdet durch das elektrische Feld beschleunigt und treffen mi hoher kinetischer Energie auf der Elektrodenoberflä ehe auf und rufen hier physikalische und chemisch» Veränderungen hervor.

Einer Anwendung dieser Wirkungen der Glimmern ladung auf technische Fertigungsprozesse, tnsbesonde re auf die Oberflächenbehandlung von Werkstücken stand lange Zeit die Neigung der Glimmentladung irr Wege, bei einer Steigerung der Entladungsleistung bii zu den bei technischen Fertigungsprozessen erfordern chen Werten in die unter diesen Entladungsbedingun gen stabilere Bogenentladung überzugehen.

Eine genaue Untersuchung dieses Überganges der Glimmentladung zur Bogenentladung führte zu der Erkenntnis, daß die Zusammenschnürung der Glimment ladung zu einer Bogenentladung an denjenigen Steller der Kathodenoberfläche stattfindet, an denen infolge von Schmutz, mechanischen Aufrauhungen od. dgl. die Elektronenaustrittsarbeit stark herabgesetzt ist. Die führt zu dem Schluß, daß der Übergang der Glimment ladung zur Bogenentladung verhindert werden kann wenn man die Kathodenoberfläche außerordentlich sorgfältig reinigt und »homogenisiert«, so daß die Elektronenaustrittsarbeit über die gesamte Kathodenoberfläche weitgehend konstant ist. Damit gelang der wesentliche Durchbruch der Glimmentladungstechnik. Ir der Folgezeit wurde die Glimmentladung bei mannigfachen technischen Fertigungsprozessen angewandt.

Es sind eine Reihe von Verfahren und Einrichtungen

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 Gasentladur g dient als Anode. Bei 5 genügend großer Stromstärke und niedrigem Druck bedeckt das negative Glimmlicht der Glimmentladung die gesamte Kathodenoberfläche, wobei die Form des als Ka!bode geschalteten Werkstücks im allgemeinen keine wesentliche Rolle spielt. in

Diese Regel wird jedoch bei Hohlkörpern durchbrochen, deren lnnenoberflächen 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 Druckerhöhung näher an die Kathode heran und kann oberhalb eines bestimmten Druckwertes auch in einen Kanal vorgegebener Weite eindringen. Dadurch wird der für die Glimmentladung wesentliche Bereich des Kathodenfalls, der zwischen Kathode und negativem Glimmlicht liegt, in den Kanal hineinverlegt, so daß eine Ent ladung auch dort stattfinden kann.

Druckerhöhungsmaßnahmen reichen nicht Tiehr aus, sobald die Länge des Kanals größer ist als das Zehnbis Zwanzigfache von dessen Innendurchmesser. Dies ist insbesondere bei den langen und engen Bohrungen der Fall, wie sie bei Gewehr- und Geschützläufen vorhanden sind. Vielfach werden sogar schon solche Kanäle nicht ausreichend beglimmt, deren Länge mehr als das Doppelte des Durchmessers beträgt. Die Erklärung 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 Inneren 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 Kathodenabfalls ausreicht.

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

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

Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die Glimmentladungen mit einer Wechselspannung zu betreiben, <>5 um die aufwendigen Gleichrichtungsaggregate einzusparen. Gleichzeitig 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 Kerbspannungen, beeinträchtigt, was häufig zum Bruch der Innenelektroden und dadurch zu Betriebsstörungen der Anlage führt. Es war daher in all den Fällen, in denen lange, dünne Kanäle 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 Gleichstromentladungen 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 der für den Vergütungsprozeß im Rohrinneren erforderlichen Glimmentladung Gleichrichteraggregate erforderlich, wenngleich diese weniger aufwendig sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung dci eingangs beschriebenen Art zur elektrischen Glimmni· trierung, insbesondere der Innenflächen von Rohrer aus Eisen oder Stahl, zu schaffen, bei der auch bei lan gerer Betriebsdauer keine Funktionsstörungen auftre ten, obwohl die Glimmentladung ausschließlich mi Wechselspannung betrieben wird.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabi sind die Innenelektroden so geschaltet, daß zwischer ihnen und der an den Werkstücken anliegenden Wech selspannung keine schaltungsmäßige Verbindung be steht und sie im wesentlichen das Potential des Plasma: der Glimmentladung aufweisen. Es hat sich überra schenderweise herausgestellt, daß bei einer solchen An Ordnung die Innenelektroden praktisch nicht als Entla dungskathode wirken.

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

Will man mit Einphasen-Wechselstrom arbeiten, se werden zweckmäßigerweise die zu behandelnder Werkstücke in zwei Gruppen aufgeteilt und jede dei beiden Werkstückgruppen mit je einem Pol der vor zugsweise regelbaren Einphasen-Wechselspannunj 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 600 Volt betragenden Dreiphasen-Wechselspannung verbunden.

Der Sternpunkt der Drehspannung liegt normalerweise frei. Der Recipient wird vorzugsweise mil Erde 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 Gasatmosphäre 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 Innenelektroden, die als Zuführung von für die Glimmnitrierung erforderlichen Gases zu den Bohrungen bzw. Kanälen dienen. Für die Gaszuleitung zu den einzelnen Innenelektroden ist im mittleren Bereich des Rezipientendeckels eine isoliert angeordnete Gasverteilungsspinne vorgesehen, mit der die rohrförmigen Innenelektroden mittels Gasverbindungsleitungen verbunden sind. Wenn die Gasverteilungsspinne und die Gasverbindungsleitungen aus Metall bestehen, so ist auf einfache Weise auch die elektrische Verbindung der innenelektroden 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 Gasvertei- !ungshülse vorgesehen, welche die Innenelektroden im Bereich der radialen Austrittsbohrungen mit Abstand umgibt. Vorzugsweise wird durch ein Gasumlaufsystem mit einer Vakuumpumpe und Druckregelventilen 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 schemaüscher 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 schcnatische Darstellung ähnlich F i g. 1. jedoch für eine Speisung mit Einphasen-Wechselstrom.

Die in F i g-1 schematisch dargestellte lonitrieranlage wird mit 50-Hz-Dreiphasen-Wechselstrom betrieben. Die Speisung erfolgt über einen allgemein mit 10 bezeichneten Drehstromtransformator mit drei Primärwicklungen 12, deren Eingangsklemmen 14 an das Drehstromnetz oder eine andere Drehstromquelle angeschlossen werden. Der Transformator 10 ist so ausgelegt, daß an jeder der drei Sekundärwicklungen 16 eine Spannung von etwa 500 Volt erzeugt wird. Jede Sekundärwicklung 16 weist einen regelbaren Abgriff 18 auf, mit dessen Hilfe die den Sekundärwicklungen entnommene Spannung variiert werden kann. Die Abgriffe 18 sind über Leitungen 20, 22, 24 mit zu behandelnden Rohren 26, 28, 30 \ erbunden. Diese Rohre 26, 28, 30 sind in einem durch strichpunktierte Linien darge-

To stellten Rezipienten 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 Innenelektroden 38 zentrisch angeordnet. Diese Innenelektroden sind von

>5 den sie umgebenden Metallrohren durch Spaltisolatoren 42 isoliert, die in F i g. 3 dargestellt sind. Die Innenelektroden 38 stellen sogenannte neutrale Elektroden dar. da sie mit der dem Rezipienten zugeführten Spannung nicht in direkter elektrisch leitender Verbindung stehen. Die Innenelektroden 38 sind durch eine Verbindungsleitung 44 miteinander verbunden. Sie können auch zusätzlich mit dem Rezipientengehäuse 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 Drehstromtransformators 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 gemeinsam mit einer Sekundärwicklung des Drehstromtransformators 10 verbunden sind. Die Zahl der in einer Charge bearbeitbaren Rohre ist lediglich durch die Abmessungen des Rezipienten 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 ar dem Rezipientendeckel 32 befestigt. Die Aufhängevorrichtung 46 umfaßt drei Halteplatten 48, 50 und 52. Die se tragen an ihren Unterseiten je zwei Ösen 54, in wel ehe die Rohre mittels Haken 60 eingehängt sind. Diese Haken sind mit Kopfstücken 66 am oberer Ende dei Rohre fest verbunden. In diese Kopfstücke 66 sind die Spaltisolatoren 42 fest eingesetzt. Jeder der Spaltisola toren 42 weist eine genau zentrierte axiale Bohrung auf, durch welche die Innenelektroden 38 hindurchge führt sind. Die Innenelektroden 38 weisen an ihren oberen Ende Außengewinde auf und sind mittels Mut tern 68 fest mit den Spaltisolatoren verschraubt.

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

Die Halteplatten 48, 50, 52 sind jeweils mittels zwe Aufhängungen 70 und einer Stromdurchführung 72 an Rezipientendeckel 32 befestigt. Sowohl die Aufhängun gen 70 wie die Stromdurchführungen 72 sind mittel Spaltisolatoren 74 gegenüber dem Rezipientendecke 32 isoliert. Jede Stromdurchführung 72 ist mit einer Abgriff 18 der Sekundärwicklungen 16 des Drehstrom transformators 10 verbunden (F i g. 1).

Während des Betriebs wird ein vorbestimmter Am

moniakgasgeruch in dem Rezipienten aufrechterhalten

Die Zufuhr von Ammoniak zum Rezipienten erfolg

über einen nicht dargestellten Kreislauf mit Druck

minderventilen 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- ^s deckeis 32 hindurchgeführt und mittels eines Spaltisolators 76 gegen den Rezipientendeckel elektrisch isoliert i$t. Am unterer Ende der Gasdurchführung 78 ist eine Casspinne 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 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' 3<> werden in der oben beschriebenen Weise am Rezipientendeckel 32 aufgehängt und mit den Gaszuführungen verbunden. Die Rohre werden sodann in den Rezipientcnbchälter 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 Vorglimmprozeß durchgeführt.

Der Vorglimmprozeß wird zweckmäßigerweise in einer Wasserstoffstmosphäre über etwa 12 Stunden durchgeführt. Im 'nneren des Rezipienten wird dabei ein niedriger Wasst %toffdruck aufrechterhalten. Der Wasserstoffdruck und die an den Elektroden anliegende Spannung sind dabei so gewählt, daß ein Übergang zur schädlichen Bogenentladung nicht staltfindet. Während dieses Vorgümmprozesses 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 leistungsitarken 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 wird der Wasserstoff im Innenraum des Rezipienten durch Ammoniak ersetz!. Dabei wird der Druck allmählich erhöht und die Glimmentladungsleistung bis zu der für die Behandlung erwünschten Entladungslei stung gesteigert.

Während dieses Glimmbehandlungsprozesses wer den die Ammoniakmoleküle durch Elektronen- unc lonenstoß ionisiert. Die dabei entstehenden Radikale Atome und Ionen treffen auf die zu behandelnde katho dische Metalloberfläche auf, dabei diffundiert der Stick stoff in Form von Nitridionen in die tieferen Metall schichten ein. Dieser Prozeß wird durch die hohe kine tische Energie der Stickstoffionen beim Aufprall auf die Metalloberfläche unterstützt. Da eine Festkörperdiffusion nur bei erhöhten Temperaturen abläuft, muß da: zu behandelnde Werkstück auf einer vorbestimmter Behandlungstemperatur (etwa 500⁰C) während der Behandlung gehalten werden. Diese Behandlungstemperatur wird durch die Glimmentladung selbst aufrechterhalten. Die dazu erforderliche Energie wird durch die kinetische Energie der auf die Metalloberfläche auftreffenden Teilchen geliefert.

Während der Glimmentladung wird im Inneren des Rezipienten ein Plasma erzeugt. Es stellt sich dabei entsprechend der Frequenz des Drehstroms ein pulsierendes Raumpotentialfeld 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 Glimmentladungsschicht überzogen sind. Die Feldlinien verlaufen daher im Inneren der zu behandelnden Rohre radial von den zentralen Hilfselektroden zur Innenwandung.

Fs hat sich nun überraschenderweise jjezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung und! Schaltung der Innenclcktroden al.s neuirale Hiifselektroden ein star ker »Gleichrichtungseffekt« auftritt und die Innenelektrode praktisch in keinem Augenblick einer Wechselstrom-Periode als Entladungskathode wirksam wird. Die Lirsache 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 zu sein, daß die Inneneleklroden 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 Innenelektroden miteinander elektrisch verbunden und weisen daher das 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 angeordnet. Dies garantiert eine gleichmäßige Qualität und Behandlungsgüte.

Werden mit der oben beschriebenen Anordnung 2-cm-Geschützrohre von etwa 180 cm Länge behandelt, so haben die Innenelektroden zweckmäßie einen

Aiißendurchmesscr von etwa 6 mm und einen Innendurchmesser von etwa 2 mm. Die radialen Bohrungen (M weisen etwa einen Durchmesser von -1 mm und die aus Metall bestehenden Gaszuführungsleitungen 82 etwa einen Innendurchmesser von 6 bis 8 mm auf. D_xIIrCh 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 Re/ipienten 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 Rohrinnen wandung, gemessen nach Vikkers, von 300 kp/mm² auf 850 kp/mm² erhöht. Die Tiefe der gehärteten Schicht betrug etwa 0,35 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 ein Wechselstrom-Transformator UO mit einer Primärwicklung 112 und einer Sekundärwicklung 116. Die Primärwicklung 112 ist über die Anschlußklemmen 114 mit dem Wechselstromnetz verbunden. 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 Zeichnuneen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur elektrischen Glimmnitrierung der Innenflächen von Bohrungen und/oder kanalformigen Vertiefungen in Werkstücken, insbesondere der Innenflächen von Rohren aus Eisen oder Stahl in einem Rezipienten, in dem mindestens zwei Werkstücke voneinander isoliert angeordnet sind »nd jedes der Werkstücke mit einem Pol einer to Wechselspannung verbunden ist und die Bohrungen bzw. Kanäle gegenüber den Werkstücken isoliert tngeordnete Innenelektroden aufweisen, d a durch gekennzeichnet, daß die Innenelektroden (38, 138) so geschaltet sind, dab zwijchen ih-■en und der an den Werkstücken (26,28,30,26', 28', 10', 128) anliegenden Wechselspannung keine schal- tungsm'ä&ige 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 Rezipienten (34) metallisch leitend verbunden sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnden Werkstücke in zwei Gruppen aufgeteilt sind und jede der beiden Werkstückgruppen mit je einem Pol einer vorzugsweise ragelbaren 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.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Werkstücken eine Drehspan-Hung von 500 bis 600 Volt anliegt.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sternpunkt der Drehspantiung 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 1 bis 10 Torr, vorzugsweise 3,5 Torr, vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch rohrförmige Innenelektroden (38, 138) zur Zuführung mindestens eines Teils des far die Glimmnitrierung erforderlichen Gases in die Bohrungen bzw. Kanäle der Werkstükke.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß im mittleren Bereich des Rezipientendeckels (32) eine isoliert angeordnete Gasverteilungsspinne (80) vorgesehen ist, mit der die rohrförmigen Innenelektroden (38, 138) mittels

Gasverbindungsleitungen (82) verbunden sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gc kennzeichnet, daß die Gasverteilungsspinne (80 und die Gasverbindungsleitungen (82) aus Meta bestehen.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bi 13. dadurch gekennzeichnet, daß die Inneneiektro den (38, 138) etwa bis zur halben Tiefe bzw. Längt der Bohrungen bzw. Kanäle rohrförmig ausgebilde sind und etwa am Ende des rohrförmigen Ab Schnitts (90) radiale Austrittsbohrungen (94) für da Gas aufweisen.

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

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, daß die Gasverteilungshülse (98 glockenförmig ausgebildet ist.