DE2000673B2 - Verfahren und vorrichtung zum nitrieren von metallstuecken durch ionisation - Google Patents

Description

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis S. dadurch gekennreichnei. daß die Wärmequelle (2) .-. R ein Verbrennungsofen, eis¹. Elektroofen, eine lndi::ktvonihei;ung-s.anordnun.g mit hoher oder niedriger Frequen: oder eine
Ordnung ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nitrieren von Metallstücken durch Ionisation, bei dem diese Stücke in einem Raum unter verringertem Druck auf ein eine kathodische Glimmlichtentladung auf der Oberflä-. ehe der Stücke hervorgerufenes negatives elektrisches Potential gebracht und mit einer außerhalb dieses Raumes angeordneten Wärmequelle durch eine Gehäusewandung hindurch erwärmt werden.
Ein derartiges Verfahren läßt sich der CH-PS 2 37 875

κ entnehmen. Der hier offenbarte Glimmentladungsofen besteht aus einer Haube, die auf einer Grundplatte ruht durch die eine Elektrode isoliert durchgeführt ist, die das zu behandelnde Werkstück trägt. Grundplatte und Haube dienen als zweite Elektrode. Ein Stabilisierungs-

ι. widerstand befindet sich in einem separaten Raum innerhalb der genannten Haube. Die im Stabilisierungswiderstand erzeugte Wärme soll so dem zu behandelnden Gut zugute kommen.
Es ist ferner bekannt, die Polarisation und einen Teil

je. der Erwärmung der zu nitrierenden Stücke durch Gleichstromaggregate zu erzeugen, die auf hohe Spannung regelbar sind. Dabei läßt sich unabhängig von der Polarisation eine Erhöhung der Erwärmung der Stücke durch eine ionische Wechselstrom-Entladung

:·, erreichen, die einer Gleichstrom-Entladung überlagert ist.

Die zur Durchführung dieser Verfahren erforderlichen Vorrichtungen sind kompliziert und ermöglicher keine vollständige Unabhängigkeit zwischen der Erwäir-

so mung der Metallstücke und der Intensität de: Nitriervorganges. Außerdem führt eine zur Erwärmung der zu nitrierenden Metallstücke benutzte Gleich- odei Wechselstrom-Entladung zu erheblichen Stromstärker in dem verdünnten Gas, so daß die ionische Entladung

.is die Tendenz zu einer die Metallstücke zerstörender Lichtbogenentladung erhält. Um diesen Nachteil mii Sicherheit auszuschließen, ist die Verwendung vor komplizierter elektronischen Spezialgeräten erforderlich, die die Lichtbogen unmittelbar nach ihrerr

.:c: Entstehen zuverlässig löschen. Die Notwendigkeit, irr Gleichstrom alle zu nitrierenden Oberflächen negativ zi polarisieren, zwingt zur Benutzung komplizierte! Hilfsanoden, falls die genannten Flächen Löcher odei Bohrungen aufweisen.

4> Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, da; eingangs erläuterte Verfahren so ?.u verbessern, daß e:

sich mit einfachem apparativen Aufwand durchführer läßt und einen weiten Regelbereich ermöglicht

Diese Aufgabe wird gemäß deir Erfindung dadurcl

so gelöst, daß die Metallstücke in dem mii Stickstof enthaltenden Gas gefüllten Raum mit der von dei elektrischen Potentialquelle unabhängigen Wärmequel Ie erwärmt werdea

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren:

" weist ein dichtes Gehäuse zur Aufnahme eines unte verringertem Druck ionisierten, Stickstoff enthaltender Gases und einen in diesem Gellläuse angeordneter Träger für die zu nitrierenden Metallstöcke aur. Dies* Vorrichtung ist gemäß der Erfindung dadurch gekenn

■ zeichnet, daß eine Wärmequelle auäerhaib zt-·. Gehäu ses im Bereich des Stücketrägers ur>d r*ej ζ.ώ eini Wechselstromquelle angeschlossene lop.is.iDo-.-ii.e-ie-ktro den innerhalb de-s Gehäuses derar; angeordnet sirid dai die an eine höhere Temperarur als die E.'esirc-dei hegenden Metalisiücke als warme Kaihoden irbenei and von dem daraus entstehenden Giescr.nc-hiereifek negativ polarisiert werden.

Be>, Anwendung d;s neuen Verfahren ur:2 ce

If

Vorrichtung gemäß der Erfindung läßt sich die Temperatur der zu nitrierenden Metallstücke unabhängig variieren sowie die Intensität des ionischen Flusses, also die Intensität des Nitriervorganges dadurch regeln, daß man gemäß einer unmittelbar aus der Praxis folgenden Technik die Regelung des Gasdruckes im Gehäuse und den Wert der lnduktanzen der gegen die Bildung eines Lichtbogens wirkenden selbstinduzierenden Wicklungen kombiniert. Empfindliche Regelvorrichtungen zur Erzeugung der Gasmischungen sind daher nicht mehr erforderlich.

Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird die Erwärmung der zu nitrierenden Metallstücke unter verringertem Druck in einem dichten Behälter bekannter Bauart bewirkt, und zwar durch einen an sich ebenfalls bekannten Ofen, dessen Regelvorrichtungen gleichfalls bekannt sind. Außerdem wird die nitrierende Ionisation unabhängig von einer elektrischen Anordnung mit verminderter Leistung erreicht.

Zur Ionisation des Gases unter vermindertem Druck sowie zur Polarisation der Metallstücke dient ein einfacher Transformator üblicher Bauart, der durch Industrie-Wechselstrom gespeist wird und mit bekannten Vorrichtungen regelbar ist.

Die Zündung der Lichtbogen in dem Nitriergehäuse wird durch die einfache Zwischenschaltung unbeweglicher Selbstinduktionselemente in den Stromkreis völlig vermieden, die weder einer Abnützung unterliegen, noch einer Wartung bedürfen. Der zur negativen Polarisierung der zu nitrierenden Stücke erforderliche Gleichrichtereffekt wird einzig und allein durch die kalten Elektroden und durch die im verschlossenen Gehäuse zu nitrierenden Metallstücke bewirkt.

Die Polarisation der Stücke entspricht nicht einer konstanten Spannungsdifferenz, sondern Halbperioden oder sinusförmigen Wechseln zwischen Null und einer regelbaren Maximalspannung bei einer Frequenz, die dem doppelten Wert der Netzfrequenz entspricht. Diese schnelle periodische Veränderung der zu nitrierenden Stücke bedingt die Gleichmäßigkeit der Nitrierung sogar im Inneren von Löchern und Bohrungen, ohne daß eine Veränderung der Lage oder der Stellung der Anoden erforderlich wäre.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schema einer Vorrichtung zum Nitrieren von Metallstücken durch Ionisation,

F i g. 2 ein Diagramm der Wellenform der Spannung zwischen einer Elektrode und dem Gehäuse während einer Wechselstromperiode,

Fig.3 ein Spannungsdiagramm an den Klemmen einer Selbstinduktionsspule während einer Wechselstromperiode,

Fig.4 ein Diagramm der Veränderung des Ionisationsstromes während einer Periode,

Fig.5 und 6 Schemata für andere Ausführungsformen für den elektrischen Speisestromkreis.

Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung zeigt ein Metallgehäuse 1 in Rohrform, dessen mittlerer Teil durch einen außen angeordneten Ofen 2 bekannter Bauart mit einem an sich ebenfalls bekannten Temperaturregler heizbar ist. In der gleichmäßig erwärmten Zone ist ein mit dem Gehäuse 1 elektrisch verbundener Träger 3 vorgesehen, der jedoch zur Zirkulation der ionisierten Gase Durchlässe aufweist. Auf den Träger 3 werden die zu nitrierenden Stücke A aufgesetzt. Das Gehäuse 1 ist an seinen Enden durch Deckel 4, 5 dicht geschlossen, die ebenfalls dicht

isolierende Durchgänge 4a, 5a bekannter Art zur Durchführung von Elektroden 6, 7 tragen. Letztere enden im Inneren des Gehäuses 1, vorzugsweise in Form einer Kugel oder eines Ellipsoids. Sie können aber auch als Platten, Zylinder oder in anderer Form ausgebildet sein. Das Gehäuse 1 kann bei 8 und 9 an den Enden des Ofens 2 durch Zirkulation von Wasser oder durch ein anderes bekanntes Mittel gekühlt werden.

An das eine Ende des Gehäuses 1 ist über eine Leitung 10 eine Vakuumpumpe 11 mit allen üblichen Elementen zur Mengenregelung, zum Stillsetzen sowie für den Vor- und Rücklauf angeschlossen. Eine andere Leitung 12 dient über einen Schütz 12a bekannter Ausführung dem schnellen und diskontinuierlichen oder dem einer vorbestimmten Menge entsprechend langsamen Einlaß des Gases oder einer Gasmischung in das Gehäuse 1. Über eine Anzapfleitung 13 ist ein Manometer 14 oder ein anderes Instrument zur Messung des Vakuums an das bei 15 elektrisch geerdete Gehäuse 1 angeschlossen, so daß man in dessen Innerem den Gasdruck bestimmen und aufrechterhalten kann. Die Elektroden 6 und 7 sind in Serie zu den Selbstinduktionsspulen 16 und 17 mit einem Eisenkern an die Enden der Sekundärwicklung 18 eines Spannungstransformators 19 angeschlossen. Der Mittelpunkt 20 dieser Wicklung 18 ist geerdet. Die Primärwicklung 21 des Transformators 19 wird aus dem Netz 22 über einen an sich bekannten Spannungsregler gespeist, wie dies schematisch durch einen Regeltransformator 23 angedeutet ist. Man kann aber auch jede andere Vorrichtung mit derselben Funktion wählen. Zwei Meßvorrichtungen, nämlich ein Voltmeter 24 und ein Amperemeter 25 dienen zur Kontrolle der benutzten Spannungswerte und der Stromstärke, die für die Ionisation des Gases aufgenommen wird.

Die neue Vorrichtung, die unter verringertem Druck stehenden Stickstoff oder eine Stickstoff enthaltende Mischung bei bekannten Voraussetzungen enthält, gestattet ein Nitrieren unter Verwendung eines einzigen Wechselstromes, ohne diesen vorher durch eine besondere Vorrichtung gleichrichten zu müssen. Die Erfahrung zeigt, daß die Kombination des Gehäuses 1 zur Aufnahme des verdünnten Gases mit den Elektroden 6 und 7 die Rolle eines ionischen Gleichrichters spielt, wobei die auf den Träger 3 aufgebrachten und durch den Ofen 2 erwärmten Gegenstände wie eine warme Kathode wirken, wenn sich die Elektroden 6 und 7 in den Halbperioden des speisenden Wechselstromes wechselweise als Anoden verhalten, d. h., wenn bei jedem positiven Wechsel des Stromes der Stromkreis über Erde geschlossen wird. Auf diese Weise ist die negative Polarisation der Metallstücke nicht kontinuierlich, sondern sie schwingt zwischen Null und dem Maximum der gewählten Spannung mit einer doppelten Netzfrequenz, wodurch die folgenden Vorteile erreicht werden.

In erster Linie ist es bekannt, daß es zur Erzielung der Bedingungen für eine Nitrierung durch Ionisation notwendig ist, bei einer gegebenen Temperatur eine bestimmte kritische Polarisationsspannung zu überschreiten, unterhalb welcher die Atome des Stickstoffes nicht erregt werden und sich dementsprechend gegenüber dem Metall inaktiv verhalten. Oberhalb dieser Spannung erfolgt die Nitrierung und ihr Fortschritt als Funktion von der Zeit ist von der Zahl der angeregten Atome und infolgedessen von der Intensität des ionisierenden Stromes abhängig. Wenn die Polarisation durch einen Gleichstrom bewirkt wird, ist es schwierig, diese beiden Faktoren unabhängig

voneinander zu regeln:Tatsächlich bewirkt die kritische Spannung, sobald sie erreicht ist, sturzartig eine Ionisation, die die Stromstärke beträchtlich anhebt, indem sie den Durchgangswiderstand des Stromes durch das ionisierte Gas vermindert, bis sich ein Lichtbogen ausbildet. In diesem Augenblick wird der Spannungsgradient an dem Kontakt der zu nitrierenden Stücke, der eine Kathode bildet, zu Null. Es erfolgt keine Erregung der Stickstoffatome an der Oberfläche der Stücke mehr. Dadurch wird der Nitriereffekt mit einer entsprechenden Auswirkung auf die Zerstörung der Stücke in der Umgebung der Zündung des Lichtobgens unterdrückt. Erhält man umgekehrt am Ausgang einer Spannung, die die Form eines sinusförmigen Wechselstromes aufweist und deren Dauer Vioo Sekunde bei einer Netzfrequenz von 50 Hz aufweist, eine negative Polarisation, so wirkt sich die Ionisation und die Aktivierung der Stickstoffatome nur auf Spannungen in der Nähe des Scheitels der Sinuskurve und auf die Dauer in der Größenordnung von '/200 Sekunden aus, die durch Intervalle der gleichen Größenordnung unterbrochen sind, während welcher keinerlei Ionisation stattfindet.

Bei ausreichend hohen Spannungen würden diese Löschintervalle jedoch nicht ausreichen, um zusätzliche Phänomene zu verhindern, die die Bildung eines Lichtbogens ermöglichen. Die Selbstinduktionsspulen 16 und 17, die in Serie im Speisestrom der Elektroden liegen, lassen diese Bildung des Lichtbogens vermeiden. Dies zeigen oszillographische Aufzeichnungen, die zwischen den Punkten 6 und 7 und dem Gehäuse 1 aufgenommen worden sind.

F i g. 2 zeigt die Form eines dieser Wiederanstiege der Spannung zwischen dem Gehäuse 1 und der Elektrode 7 während einer ganzen Periode des Wechselstroms. Die Spannung steigt zuerst vom Punkt a zum Punkt b(Fig.2), wo sie die lonisationszündung bewirkt. Dann fällt sie bis zum Punkt c. In diesem Augenblick hört die Ionisation auf, die Gase im Inneren des Gehäuses 1 bewirken praktisch keine Entladung mehr zwischen der Elektrode 7 und dem Träger 3, und die Spannung folgt der theoretischen sinusförmigen Änderung bis zur folgenden Periode. Dasselbe Phänomen spielt sich zwischen der Elektrode 6 und dem Träger 3 mit einer Phasenverschiebung um eine halbe Periode ab.

Fig.3 zeigt den Spannungsanstieg während derselben Zeit an den Klemmen der Selbstinduktionsspule 17: Man sieht, daß während der Zeit, in der die Ionisation und infolgedessen auch die negative Polarisation der Stücke 3 erfolgt, ein Teil der durch die Spule 18 des Transformators gelieferten Spannung durch die Selbst-Induktionsspule 17 blockiert, dadurch die zwischen der Elektrode 7 und dem Träger 3 zur Verfügung stehende Spannung verringert und der Anstieg der Ionisierenden Stromstärke reduziert wird. Dies wirkt der Bildung eines Lichtbogens entgegen.

Schließlich Ist die Intensität des lonenflusses von den Elektroden 6.7 zu den Stücken A In F i g. 4 für eine volle Perlode des ionisierenden Stromes dargestellt. So IaDt die Vorrichtung gemäß der Erfindung unabhängig vergrößerte Polarisations-Kathoden und variierte Stärken des ionisierenden Stromes durch eine zweckmäßige Wahl des Wertes der Induktanz der Selbstinduktionswicklungen 16 und 17 erreichen, ohne daß ein Lichtbogen entsteht.

Ein weiterer Vorteil des neuen Verfahrens und der Vorrichtung gemäß der Erfindung resultiert aus der

Variation der Polarisationsspannung zwischen Null und einem Maximum mit der doppelten Netzfrequenz. Das elektrische Feld auf der Oberfläche der zu nitrierenden Stücke A, das die Verteilung der Glimmlichtentladung an der Kathode und dementsprechend auch die Wirksamkeit der Nitrierung bestimmt, ist nämlich nicht allein durch die Geometrie dieser Stücke, wie dies bei einem statischen Feld sein würde, bestimmt. Vielmehr wird es aufgrund der Frequenz der Variationen der Polarisation und ihrer Änderung der Orientierung von einer Elektrode zur anderen zu einer dynamischen Form geführt. Infolgedessen erfolgt die Polarisation der Stücke A und ebenso der diese bedeckenden kathodischen Glimmlichtentladung gleichmäßig auf ihre Oberfläche verteilt, und zwar selbst dann, wenn die Stücke Unebenheiten und nicht durchgehende Bohrungen aufweisen, deren Länge das lOfache ihres Durchmessers überschreiten kann. Auf diese Weise können solche Stücke vollkommen gleichmäßig und ohne Schwierigketten nitriert werden, während ein Nitrieren unter Verwendung von Gleichstrom ohne eine Spezialanordnung der Elektroden nach bekannten Verfahren unmöglich ist.

Ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen kann man die Selbstinduktionsspulen 16, 17 (Fig. 1) durch eine andere zwischen den Mittelpunkt 20 und die Erde eingeschaltete Selbstinduktionsspule ersetzen oder vervollständigen, diese Selbstinduktionsspulen variabel gestalten, zwischen den Punkt 20 und die Erde ein ergänzendes Gleichrichtersystem einschalten oder den Mittelpunkt 20 durch einen künstlichen Punkt 20a ersetzen, wie er in den F i g. 5 und 6 angedeutet ist. Um die Gleichrichterwirkung der durch das Gehäuse 1 und die Elektroden 6 und 7 gebildeten Vorrichtung zu vervollständigen, sind zwischen die Elektroden 6 und 7 an sich bekannte Gleichrichterclemente 27 und 28 eingeschaltet. Ihre Kathoden sind entsprechend mit den Elektroden 6 und 7 verbunden, während ihre Anoden gemeinsam den an Erde liegenden künstlichen Mittelpunkt 20a bestimmen. Eine Selbstinduklionsspule 26 kann beispielsweise zwischen den Punkt 20a und die Erde (Fig.5) eingeschaltet werden. Gemäß einer Variante kann man eine solche Sclbstinduktionsspulc aber auch zwischen einen der Gleichrichter, gegebenenfalls den Gleichrichter 28, und die Sekundärwicklung 18 (F ig. 6) legen.

Das Rohr 1 kann durch ein Gehäuse anderer Form ersetzt und die Elektroden können verschiedenartig ungeordnet werden, um die geforderte Gleichrichterwirkung zu erhalten.

Die Vorrichtungen zur Messung der Spannung und der Stromstärke können in einer von der im Schema der FI g. 1 dargestellten Art abweichen. Die Stromstärke kann beispielsweise direkt zwischen dem Punkt 20 und der Erde und die Spannung der Polarisation zwischen einer der Elektroden 6 oder 7 und der Erde durch Vorrichtungen von der Art kathodischer Oszillographen gemessen werden oder durch elektronische oder elektromagnetische Voltmeter oder dergleichen. Der Wirkungsgrad der Selbstinduktionsspulen kann beispielsweise durch Messung der Spannung an ihren Klemmen überwacht werden.

Das Oas oder die Oasmischung im Gehäuse kann Stickstoff oder Stickstoff und Wasserstoff oder ein ganz anderes Oas sein, das die geforderte Oleichrlchterwirkung ergibt.

Das Gehäuse kann durch alle bekannten Mittel, beispielsweise durch einen Verbrennungsofen, durch

einen elektrischen Ofen, durch Induktion hoher oder niedriger Frequenz, durch Widerstandsheizung oder dergleichen erwärmt werden. Es kann auch kalt bleiben, wobei man die Heizung derart in das Innere verlegt, daß sie nur die zu nitrierenden Stücke erwärmt.

Bezugszeichen

A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ti

Metallstücke Gehäuse Heizung Träger Deckel lonisationselektroden

Kühlung am Gehäuseende Leitung zu Vakuumpumpe

12.1

Leitung Schütz

Anzapfleitung zu Manometer Erdung von

Scibslinduktionsspulcn

Sekundärspule

Transformator

Mittelpunkt von

Primärwicklung

Netz

Regeltransformator

Voltmeter

Amperemeter

Sclbstinduktionsspule

Glcichrichterclcmente

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Nitrieren von Metallstücken durch Ionisation, bei dein diese Stücke in einem Raum unter verringertem Druck auf ein eine kathodischc Glimmlichtentladung auf der Oberfläche der Stücke hervorgerufenes negatives elektrisches Potential gebracht und mit einer außerhalb dieses Raumes angeordneten Wärmequelle durch eine Gehäusewandung hindurch erwärmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstücke (A) in dem mit Stickstoff enthaltenden Gas gefüllten Raum mit der von der elektrischen Potentialqiiellc unabhängigen Wärmequelle (2) erwärmt werden.

2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch I mit einem dichten Gehäuse zur Aufnahme eines unter verringertem Druck ionisierten, Stickstoff enthaltenden Gases und einem in diesem Gehäuse angeordneten Träger für die zu nitrierenden Metallstücke, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmequelle (2) außerhalb des Gehäuses (1) im Bereich des Stücketrägers (3) und zwei an eine Wechselstromquelle (18) angeschlossene Ionisationselektroden (6, 7) innerhalb des Gehäuses (1) derart angeordnet sind, daß die an eine höhere Temperatur als die Elektroden (6, 7) liegenden Metallstücke (A) als warme Kathoden arbeiten und von dem daraus entstehenden Gleichrichtereffekt negativ polarisiert werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (8, 9) zur Kühlung der lonisationselektroden (6, 7) an dem Gehäuse (!) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden im Gehäuse (1) angeordneten Elektroden (6, 7) an die Enden einer Sekundürspule (18) eines Transformators (19) angeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Elektroden (6, 7) unter Zwischenschaltung einer Selbstinduktionsspule (16, 17) an die Sekundärspule (18) angeschlossen ist, deren Mittelpunkt (20) an Erde liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt (20) der Sekundärspule (18) unter Zwischenschaltung einer zusätzlichen Selbstinduklionsspule an die Erde angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (6, 7) an die Kathoden der beiden Gleichrichterelemenie (27, 28) angeschlossen sind, deren Anoden gemeinsam an Erde liegen.

S. Vorrichtung nach Anspruch 6. dadurch gekennzcichneu daß der Verbindunjppunkt der beiden Gleiehrichterelemente (27. 28) unter Zwischenschaltung einer Sclbstinduktions-spule (26) an die Erde