DE2322689A1 - Werkstueckhalterung fuer glimmentladungseinrichtung - Google Patents

Description

Werkstückhalterung für Glimmentladungseinrichtung

Die Erfindung betrifft allgemein eine Werkstückhalterung für eine Glimmentladungseinrichtung, die zur Ionennitrierung und ähnlichen Zwecken verwendet wird, und insbesondere betrifft sie eine isolierende Halterung, welche die Neigung zu Überschlägen oder Bogenentladungen (arcing) vermindern.

Bei der Glimmentladung wird ein Werkstück in eine luftdicht verschlossene Kammer eingeführt, welche ein ausgewähltes Gas oder Gasgemisch unter vermindertem Druck enthält. Dann wird ein elektrisches Potential zwischen dem Werkstück und der Kammer oder einer Hilfselektrode unter solchen Bedingungen

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eingestellt, bei denen eine Glimmentladung um das Werkstück herum gebildet wird. Die verschiedensten Verfahren können in einer solchen Glimmentladung durchgeführt werden. Beispielsweise kann eine Ionennitrierung durchgeführt werden, um eine harte Nitridschicht auf dem Werkstück auszubilden, wenn die Gasatmosphäre in der Kammer Stickstoff enthält. Eine der Beschränkungen bei einem Glimmentladungsverfahren besteht in der Neigung eines Zusammenbrechens der Glimmentladung zu einer Bogenentladung, welche das Werkstück beschädigt. Auch die Isolationsmaterialien, welche zur Halterung des Werkstückes und zu seiner Isolierung gegenüber dem Behälter verwendet werden könnten, unter-• liegen einer Beschädigung durch die normale Einwirkung der Glimmentladung.

Im US-Patent 3 1^1 989 wurde bereits vorgeschlagen, ein Werkstück durch ein leitendes Teil zu haltern, wobei Isolatoren an der Übergangsstelle zwischen dem leitenden Teil und dem Werkstück und an der Übergangsstelle zwischen dem leitenden Teil und dem Basis-

^: teil vorhanden sind. Voraussetzung ist dabei,' dass die Isolatoren durch einen Luftspalt geschützt werden, in den die Glimmentladung nicht eindringen kann. Das leitende Teil nimmt ein "gleitendes" · Potential ein, welches zwischen dem Potential des Arbeitsstückes und dem Potential des Basisteils liegt und die Tendenz zu einer Bogenentladung wird hierdurch vermindert. Obwohl diese Art einer Halterung für schwere Arbeitsstücke zufriedenstellend ist, erfordert sie einen besonderen geeigneten Zusammenbau der verschie-

; densten Bauelement und muss getrennt von der Elektrodenzuleitung angeordnet werden, welche mit dem Werktisch verbunden ist.

Es ist an sich bekannt, dass die Isolationsteile, welche der ,'Elektrode zugeordnet sind, ebenfalls gegenüber der Einwirkung der Glimmentladung dadurch geschützt werden können, dass in geeigneter Weise bestimmte Abmessungen an den Übergangsbereichen zwischen den isolierenden und leitenden Teilen ausgewählt werden, ! um auf diese Weise spitze Winkel oder verengte Spalte zu bilden,

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in -welche die Glimmentladung nicht eindringen kann. Beispiele für solche Konstruktionen jsind in den US-Patenten 2 762 9*15 und 2 929 9^7 beschrieben. Diese Konstruktionen verwenden sehr komplizierte Anordnungen als ein Mittel zum Schutz der Isolatoren, welche zu der elektrischen Zuleitung zum Werkstück gehören.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und wirksame isolierende Werkstückhalterung zu schaffen, welche die Tendenz zu einer Bogenentladung eines Werkstückes in einer Glimmentladungsanlage vermindert.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine einfache Werkstückhalterung zu schaffen, welche auch noch zu einer Abschirmung der Elektrode und der Isolatoren der Elektrode von der Glimmentladung dient. ,

Kurz gesagt umfasst die Erfindung eine Halterung in Form eines Keramikrohrs, welches die isolierte Elektrode für das Werkstück umgibt. Die Elektrode ist mit einem Werkstücktisch verbunden, welcher auf dem Keramikrohr aufsitzt und mit der oberen Oberfläche des Rohrs einen spitzen Winkel bildet. Aussen auf dem Keramikrohr ist durch kathodische Zerstäubung Metall aufgebracht (sputtered) und ergibt eine Oberfläche mit einem kontinuierlich verlaufenden Potentialgradienten, welcher die Neigung zur Bogenentladung vermindert. Das Innere des Keramikrohrs ist mit Einrichtungen ausgestattet, welche das Auftreten einer Glimmentladung im Inneren verhindern und auf diese Weise die Elektrode und den Isolator schützen.

Ein besseres Verständnis weiterer Aufgaben und Vorteile und der praktischen Durchführung der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Die Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Ansicht im Schnitt für eine Glimmentladungsanlage.

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Die Fig· 2 zeigt eine vergrösserte Schnittansicht der Werkstückhalterung und der Elektrodenanordnung.

Figur 1 zeigt eine Metallkuppel 1, welche durch geeignete, nicht gezeigte Einrichtungen mit einem metallischen tragenden Basisteil 2 verbunden und mit einer gasdichten Abdichtung 3 ausgestattet, ist. Der Kuppelteil 1 und der Basisteil 2 bestehen aus elektrisch leitendem Material und gestatten den Aufbau einer •Glimmentladung mit einem in einer Kammer 5 angeordneten Werkstück 4 durch Einstellung eines in geeigneter Weise beherrschten elektrischen .Potentials. Der Glimmentladungsstrom wird von einer Versorgungsquelle 6 geliefert. Es kann Wechselstrom verwendet werden; vorzugsweise wird jedoch Gleichstrom verwendet, wobei das Werkstück 4 mit dem negativen Anschluss verbunden ist. Ein Dreiwegeventil 25 gestattet eine Verbindung der Kammer 5 zunächst mit einem Vakuumsystem und dann mit einem Gasfüllsystem 8. Auf diese Weise kann die Kammer 5 zuerst evakuiert und dann mit einer geeigneten Atmosphäre zur Durchführung eines Bearbeitungsverfahrens · an dem Werkstück 4 gefüllt werden. Unter den richtigen Bedingungen wird um das Werkstück herum eine Glimmentladung 9 erhalten.

Figur 2 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Das Werkstück 4 ruht auf einem elektrisch leitenden Werkstücktisch 10, welcher an seiner Unterseite elektrisch' mit der Elektrode 11 verbunden ist. Die Elektrode 11 erstreckt sich nach unten durch eine Bohrung 12 in den Basisteil 2 der Anlage und ist mit der negativen Netzzuleitung 13 verbunden. Die Elektrode 11 ist mithilfe eines Isolationsrohrs 14 aus Quarzglas (Pyrex) von der Basis 2 isoliert. Eine Hülse für ein Thermocouple 15 erstreckt sich durch das Innere der Elektrode 11 und durch eine Bohrung in dem Werkstückstisch nach oben. Geeignete gasdichte Abdichtungen sind hier lediglich schematisch bei 17, 18 und· 19 dargestellt und dichten die. Zwischenräume zwischen den vorgenannten Teilen ab.

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Geraäss der vorliegenden Erfindung ruht der Werkstückstisch auf einem Keramikrohr 20, welches die Elektrode 11 und ihren Isolator 14 umschliesst. Das Rohr 20 ist vorzugsweise- aus' Alundum (künstlicher Korund) (AIpO.-) gebildet, welches eines der preisgünstigsten und festesten Keramikma'terialien darstellt. Zirkon, Beryllium oder verschiedene Oxidkeramiken sind ebenfalls geeignet; sie sind jedoch kostspieliger.

Der Werkstückstisch 10 besitzt einen überhängenden Lippenteil 21 am Umfang, welcher an seiner inneren Kante nach unten unter einem Winkel von etwa 20 bis 30° zu der Oberfläche des Keramikrohrs 20 divergiert. Dies ist ein kritischer Gesichtspunkt der Erfindung, da der spitze Winkel gewählt wird, um ein Eindringen der Glimmentladung in den konvergierenden Spalt 22 zwischen dem Lippenteil 21 und dem Rohr 20 zu verhindern.

Das Äussere des Rohrs 20, mit Ausnahme des Bereiches des Spaltes 22, ist mit einer- dünnen Ablagerung oder Schicht eines durch kathodische Zerstäubung aufgebrachten Metalls bedeckt; die Bildung der Schicht wird noch im einzelnen erörtert, und die Schicht besitzt vorzugsweise einen Widerstandswert in der Grössenordnung von 10 bis 10' 0hm-cm.

Schliesslich ist auf dem Boden der Anlage zwischen dem Elektrodenisolator 14 und dem Keramikrohr 20 im Innern des Keramikrohrs eine Schutzschicht aus granulatförmigem isolierendem Material 24 angeordnet. Dieses Material kann ausgewählt werden unter den Oxiden von Aluminium, Zirkon, Beryllium .usw. Jedoch ist gewöhnlicher gewaschener Strandsand völlig ausreichend, da er ziemlich grob ist, sehr wenig Gas absorbiert, leicht verwendet werden kann und wenig kostspielig ist.

Für die Schicht 24 ist nicht unbedingt ein granulatförmiges Material erforderlich. Eine Keramikscheibe würde die gleiche Punktion der Verhinderung des Aufbaüs einer Glimmentladung zwischen'·der Unterseite des Tisches 10 und der Basis 2 ergeben.

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Die, durch kathodische Zerstäubung aufgebrachte Metallablagerung 23, welche auf dem Rohr 20 eine leitende Schicht mit hohem Widerstand bildet, wird während der ersten Arbeitsgänge mit der Anlage sorgfältig geschaffen. Dabei wird zunächst mit einem sauberen Rohr 20 begonnen und es wird kathodisch zerstäubtes Metall vom Werkstück und vom Werkstückstisch aufgebaut. Bei diesen ersten wenigen Durchläufen wird sorgfältig darauf geachtet, dass eine niedrige Leistung "für die Glimmentladung verwendet und die Schicht· auf diese Weise aufgebaut wird. Danach ist keine weitere Sorgfalt erforderlich, da die Dicke der Schicht sieh selbst einstellt. Der Spalt 22 verhindert das Eindringen der Glimmentladung oder die Ausbildung einer Schicht aus zerstäubtem Metall am Oberteil des Rohrs 20. Daher bleibt der Werkstückstisch von dem Basisteil isoliert.

Die Arbeitsweise der Erfindung ist wie folgt: Innerhalb des Keramikrohrs 20 verhindert die Isolationsschicht 24 aus Sand das Einstellen einer Glimmentladung. Daher ist der elektrische Isolator 14 vor den schädlichen Einwirkungen der Glimmentladung geschützt.

Auf der Aussenseite des Rohrs 20 neigt der Widerstand der leitenden, jedoch mit einem hohen Widerstand ausgestatteten Metallschicht dazu, einen gleichförmigen Potentialgradienten zwischen dem Werkstückstisch und dem Basisteil einzustellen. Dies vermindert die Tendenz zum Auftreten einer Bogenentladung zwischen dem Basisteil und dem Werkstück oder dem Werkstückstisch.

Der Widerstand der Schicht 23 ändert sich mit der Dicke der Schicht. Mit dem Abscheiden einer grösseren Metallmenge wird der Widerstand kleiner und die erhöhte Erhitzung dampft das überschüssige Metall ab, so dass die Schicht eine Gleichgewichtsdicke und einen Gleichgewichtswiderstand einnimmt. In dieser Weise ist die Schicht 24 selbststeuernd.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   }. Werkstückhalterung für eine Glimment ladungs anlage,

   dadurch' gekennzeichnet , dass sie

   umfasst:

   einen leitenden 'Basisteil (2) in der Anlage, ein auf dem Basisteil angeordnetes Keramikrohr (20),

   -einen auf dem Keramikrohr (20).getragenen Werkstückstisch (10), - welcher Teile (21) besitzt, die einen schützenden Spalt (22) um die obere äussere Oberfläche des Rohrs (20) herum bilden, wobei dieser Spalt (22) zur Verhinderung des Eintritts der Gliiimentladung bemessen ist,

   eine leitende Schicht (23), welche im wesentlichen den Aussenbereich des Keramikrohrs (20) mit Ausnahme der von dem Spalt

   (22) geschützten Fläche überzieht, und

   eine in den Basisteil (2) eintretende isolierte Elektrode (11), welche sich durch das Rohr (20) erstreckt und mit dem Werkstückstisch (10) elektrisch verbunden ist.
2. 2. Werkstückhalterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Teile des Werkstücktisches (10) einen lippenförmigen Teil (21) umfassen, der sich um die obere äussere Oberfläche des Rohrs (20) herum nach unten erstreckt und mit demselben einen spitzen Winkel in der Grössenordnung von 20 bis 30° bildet.
3. 3. Werkstückhalterung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die leitende Schicht

   (23) eine durch kathodisches Zerstäuben aufgebrachte Metallablagerung umfasst, welche einen durchschnittlichen Flächenwiderstand in der Grössenordnung von 10 bis 10' 0hm-cm besitzt.

   U. Werkstückhalterung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass das

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   Basisteil (2) -mit einer Schicht {2k) aus isolierendem Material zwischen der Innenseite" des Keramikrohrs (20) und der Aussenseite der isolierten Elektrode (11) bedeckt ist, um das Auftreten einer Glimmentladung in dem Rohr, zu verhindern.

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