DE2705017A1

DE2705017A1 - Verfahren und vorrichtung zum entgasen eines metallischen werkstoffes

Info

Publication number: DE2705017A1
Application number: DE19772705017
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Amsler
Original assignee: Sprecher und Schuh AG
Current assignee: Rockwell Automation Switzerland GmbH
Priority date: 1976-10-19
Filing date: 1977-02-07
Publication date: 1978-04-20
Also published as: GB1543538A; JPS5351103A; CH598353A5

Description

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7. Februar 1977

Sprecher & Schuh AG, 5001 Aarau/Schweiz

Verfahren und Vorrichtung zum Entgasen eines metallischen Werkstoffes

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entgasen eines metallischen Werkstoffes im Vakuum, das für die Herstellung von Elektrodenblechen für Vakuumschalter besondes geeignet ist,

Aus der CH-PS 531 784 und der entsprechenden US-PS 3 866 005 ist es bekannt, für Vakuumschalter metallische Elektrodenbleche aus Eisen, Nickel, Chrom, Chrom-Nickel, Molybdän, Tantal oder Wolfram zu verwenden. Wie in diesen Patentschriften erwähnt ist, müssen diese Elektrodenbleche vor dem Einbau in einen Vakuumschalter sehr gut entgast werden.

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Dieses Entgasen der Elektrodenbleche bringt nun Schwierigkeiten mit sich. Man hat bereits versucht, Eisenbleche bei einer Temperatur von 1000 - 1200 C v/ährend etwa 3 Stunden im Vakuum zu entgasen. Der nach dieser Behandlung noch im Eisen vorhandene Gehalt an Sauerstoff beträgt jedoch noch etwa 300 ppm. Mit einem derart hohen Gasgehalt in den Elektrodenblechen kann das Vakuum im Vakuumschalter nicht über längere Zeit aufrechterhalten werden.

Es ist auch schon versucht worden, die Sauerstoffmoleküle in einem Eisenblech mittels Aluminium zu binden, doch lassen sich die im Eisen zurückbleibenden Schlackenpartikel nicht vollständig entfernen. Diese Schlackenpartikel verursachen bei einem Vakuumschalter in Lichtbogennähe Spratzen, was zu unerwünschten Wiederzündungen führt.

Mit den bekannten Vakuumschmelzverfahren, bei denen der Werkstoff durch Schmelzen im Vakuum entgast wird, wird nur eine unzureichende Entgasung erreicht. Insbesondere bei Eisen können die Gase nur unvollständig aus der Schmelze entfernt werden.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, die vorstehend genannten Nachteile zu beseitigen. Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zu schaffen, das bzw. die es erlaubt, einen metallischen Werk-

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stoff im Vakuum vollständiger zu entgasen, als das mit den bekann⁴en Verfahren und Vorrichtungen bisher möglich war. Dabei sollte der Gasgehalt im '/erkstoff nach der Entgasung weniger als 20 ppm betrafen.

Mese Aufgabe wird bei dem eingangs erwähnten Verfahren erfindunrsgemäß dadurch gelöst, daß zwar aus dem zu entgasenden metallischen Werkstoff gefertigte Elektroden in einem evnkuierten Gefäß in einem gegenseitigen Abstand angeordnet werden, daß zwischen den Elektroden ein diffuser, auf der gesamten Fläche der Elektroden brennender Lichtbogen erzeugt wird und die Elektroden dabei auf einer Temperatur gehalten werden, die kleiner ist als die Schmelztemperatur des Elektrodenwerkstoffes beim herrschenden Unterdruck, so daß der Elektrodenwerkstoff unter Freigabe der eingeschlossenen Gase verdampft, und daß die freiwerdenden Gase aus dem evakuierten Gefäß abgesaugt und die aus dem Lichtbogen austretenden Elektrodenwerkstoffdämpfe an einem die Elektroden in einem Abstand umgebenden, im Gefäß angeordneten Schirm aufgefangen werden, der auf einer Temperatur gehalten wird, die gleich oder niedriger ist als die Kondensationstemperatur der Werkstoffdämpfe beim herrschenden Unterdruck, so daß die Elektrodenwerkstoffdämpfe kondensieren und am Schirm der entgaste Elektrodenwerkstoff in fester Form abgelagert wird.

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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch ein evakuiertes, an eine Vakuumpumpe angeschlossenes Gefäß, in dem die beiden in einem gegenseitigen Abstand angeordnete Elektroden vorhanden und zur Erzeugung des auf ihrer gesamten Fläche brennenden Lichtbogens an eine Spannung quelle abschließbar sind, durch eine Einrichtung zum Kühlen der Elektroden, um deren Temperatur auf einem Wert zu halten, der unterhalb der Schmelztemperatur des Elektrodenwerkstoffes beim im Gefäß herrschenden Unterdruck liegt, sowie dadurch, daß der zum Auffangen der aus dem Lichtbogen austretenden Elektrodenwerkstoffdämpfe dienende Schirm hohlzylindrisch ausgebildet und koaxial zu den Elektroden angeordnet ist.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert.

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Die einzige Figur zeigt schematisch im Schnitt eine Vorrichtung zum Entgasen eines metallischen Werkstoffes im Vakuum.

Die Vorrichtung weist ein gasdichtes Gefäss 1 aus Stahl auf, dessen Innenraum 2 über einen Anschlussstutzen 3 an eine nicht gezeigte Vakuumpumpe angeschlossen ist. Das Gefäss 1 ist mit einem äusseren Mantelraum 4 versehen, an den ein Zuflussrohr 5 und ein Abflussrohr 6 für ein Kühlmedium, z.B. Kühlwasser, angeschlossen ist. Das durch das Zuflussrohr 5 eintretende Kühlwasser fliesst durch den Mantelrauin 4 und kühlt dabei die Innenwand 7 des Gefässes 1.

Durch die obere und untere Gefässwandung ist je ein metallischer Elektrodenträger 8 bzw. 9 geführt. Zwischen jedem Elektrodenträger 8,9 und der entsprechenden Gefässwand ist eine Führung 10 bzw. 11 aus Isoliermaterial angeordnet, in der der zugeordnete Elektrodenträger 8 bzw. 9 längsverschiebbar geführt ist. Zwischen jeder Führung 10,11 und dem zugeordneten Elektrodenträger 8,9 ist ein metallischer Dichtungsbalg 12,13 angeordnet, der einen gasdichten Abschluss gewährleistet.

Die beiden Elektrodenträger 8,9, welche koaxial angeordnet sind, tragen an ihrem im Innenraum 2 des Gefässes 1 liegenden Ende eine Eiktrode 14,15, welche aus dem zu entgasenden Werkstoff, z.B. Eisen, besteht.

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Die beiden Elektroden 14,15 v/eisen zwei sich gegenüberliegende Flächen 14a,15a, die in einem Abstand a voneinander angeordnet sind, auf. Bei vorliegendem Ausführungsbeispiel weisen die Elektroden 14,15 einen kreisförmigen Querschnitt auf, wobei der Elektrodendurchmesser mindestens 30 mm betragen soll. Der Abstand a zwischen den Elektroden sollte mindestens 1 mm betragen.

Zur Kühlung der Elektroden 14,15 zirkuliert im Innern der Elektrodenträger 8,9 ein Kühlmedium 16, z.B. Kühlwasser. Im Hohlraum 8a,9a der Elektrodenträger 8,9 ist ein Zuleitungsrohr 17 bzw. 18 für das Kühlwasser angeordnet. Das aus dem Zuleitungsrohr 17,18 austretende Kühlwasser fliesst zwischen Zuleitungsrohr und der Wand des inneren Hohlraumes 8a,9a zurück und kühlt dabei den Elektrodenträger 8,9 und die Elektrode 14 bzw. 15.

Koaxial zu den Elektrodenträgern 8,9 und den Elektroden 14,15 ist im Innenraum 2 des Gefässes 1 ein hohlzylindrischer Schirm 19 angeordnet, der auf nicht näher gezeigte Weise in seiner Lage festgehalten wird. Dieser Schirm 19 kann z.B. aus Eisen, Kupfer oder Nickel bestehen.

Zwischen Gefäss 1 und E lektroden trägem 8_#9 sind Widerstände 20,21 geschaltet, mit welchen das Potential des Schirmes 19, welcher gegenüber dem Gefäss 1 und den Elektrodenträgern 8,9 elektrisch isoliert ist, gesteuert wird.

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Die beiden Elektrodenträger 8,9 werden an eine nicht gezeigte Gleichspannungsquelle angeschlossen. Vorzugsweise wird der obere Elektrodenträger 8 mit dem negativen Pol und der untere Elektrodenträger 9 mit dem positiven Pol dieser Gleichspannungsquelle verbunden. Die Elektrode 14 wird somit zur Kathode und die Elektrode 15 wird zur Anode.

Zur Zündung des Gleichstrom-Lichtbogens werden die Elektroden 14,15 durch Verschieben der Elektrodenträger 8,9 miteinander in Berührung gebracht und anschliessend wieder voneinander getrennt. Mittels des im Hohlraum 8a,9a der Elektrodenträger 8,9 fliessenden Kühlwassers 16 werden die Elektroden 14,15 auf einer Temperatur gehalten, die kleiner ist als die Schmelztemperatur beim im Gefäss 1 herrschenden Unterdruck des Werkstoffes, aus dem die Elektroden 14,15 bestehen. Der zwischen den Elektrodenflächen 14a,15a brennende, schematisch dargestellte und mit 22 bezeichnete Lichtbogen muss diffus und auf der gesamten Elektrodenfläche 14a,15a brennen, so dass kein Brennfleck entsteht. Die Stromstärke des Lichtbogens 22 sollte mindestens 50 A betragen und die Stromdichte sollte oberhalb von 4A/cm liegen.

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Die bei brennendem Lichtbogen 22 von der Kathode (Elektrode 14) emittierten Elektronen bewirken durch Stossionisation die Bildung von positiven Ionen aus dem neutralen Metalldampf, der sich im Räume zwischen den Elektroden 14 und 15 befindet. Das Auftreffen dieser

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Ionen auf die Kathode bewirkt ein Verdampfen des Werkstoffes der Kathode. Dabei werden die im Werkstoff der Kathode eingeschlossenen Gase frei. Diese freiwerdende Gase werden mittels der Vakuumpumpe aus dem Innenraum 2 des Gefässes 1 abgesaugt, wie das durch den Pfeil A schematisch dargestellt wird. Durch entsprechende Dimensionierung dieser Vakuumpumpe v/ird der Druck im Innenraum 2 des Gefässes auf einem

-4 Wert gehalten, der vorzugsweise kleiner als 10 Torr ist.

Aus dem Lichtbogen 22 treten die Kathodenwerkstoffdämpfe in etwa rechtwinkliger: Richtung zum Lichtbogen aus, wie das durch die Pfeile B schematisch gezeigt ist. Diese Kathodenwerkstoffdämpfe werden nun vom Schirm 19 aufgefangen. Da der Schirm 19 auf einer Temperatur gehalten wird, die gleich oder kleiner ist als die Kondensationstemperatur der Kathodenwerkstoffdämpfe beim herrschenden Unterdruck, kondensieren die Werkstoffdämpfe am Schirm 19. Auf der Schirminnenseite lagert sich somit eine Schicht 23 aus dem Kathodenwerkstoff ab. Dieser abgelagerte Kathodenwerkstoff ist weitgehend frei von eingeschlossenen Gasen.

Die Temperatur des Schirmes 19 kann durch Einstellung dessen Abs tandes zum brennenden Lichtbogen 22 bzw. der Elektroden 14,15 und durch die Höhe des Stromes im Lichtbogen eingestellt werden. Zudem lässt sich die Schirmtemperatur auch durch die Kühlung vom Mantelraum 4 des Gefässes 1

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her beeinflussen.

Falls ein Ekektrodenwerkstoff mit Getterwirkung verwendet wird, muss die Schirmtemperatur so hoch gewählt werden, dass die freiwerdenden Gase vom Werkstoff nicht gegettert werden-Die Schirmtemperatur sollte im Dauerbetrieb mind. 600 C betragen.

Die Dicke der Schicht 23 aus Elektrodenwerkstoff ist von der Zeit, der Lichtbogenstromstärke und von einem Werkstoff abhängigen Faktor abhängig. Die abgelagerte Werkstoffschicht 23 kann leicht vom Schirm 19 gelöst werden. Der entgaste Werkstoff kann nun weiterverarbeitet, z.B. nachgewalzt oder gesintert werden.

Durch gemeinsames Verschieben der Elektrodenträger 8,9 samt Elektroden 14,15 kann die Lage des Lichtbogens bezüglich des feststehenden Schirmes 19 verändert werden. Auf diese Weise wird erreicht, dass auf der ganzen Länge des Schirmes 19 eine Werkstoffablagerung erfolgt.

Durch Kühlung der Elektroden 14,15 wird wie bereits erwähnt erreicht, dass die Elektrodentemperatur kleiner ist als die Schmelztemperatur des Elektrodenwerkstoffes beim herrschenden Unterdruck. Die Verdampfung des Elektrodenwerkstoffes erfolgt daher direkt aus dem festen Zustand, ohne dass der Elektrodenwerkstoff flüssig wird.

Da die Anode wärmer wird als die Kathode, wird die

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Anode vorzugsweise unten angeordnet, damit bei anfälligem Schmelzen der Anode der Werkstoff auf der Anode bleibt und nicht auf die Kathode fällt.

Bei einem mit der dargestellten Vorrichtung durchgeführten Versuch wurde im Innenraum 2 des Gefässes 1 ein

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Druck von 10 -10 Torr aufrechterhalten. Die Elektroden 14,15 bestanden aus "Armco"-Eisen und hatten einen Durchmesser von 40 mm. Der Elektrodenabstand a betrug ca. 1 cm. Die Lichtbogenstromstärke war 500 A, die Brennspannung des Gleichstromlichtbogens 22 betrug 20V. Die Elektroden 14,15 wurden soweit gekühlt, dass die Temperatur der Anode (Elektrode 15) 500-600° C betrug. Die Temperatur der Kathode (Elektrode 14) liess sich nicht genau bestimmen, war jedoch kleiner als die Temperatur der Anode. Der Lichtbogen 22 brannte dabei auf der gesamten Elektrodenfläche 14a,15a diffus und ohne Brennfleck.

Der Schirm 19 hatte einen Durchmesser von 80 mm und war somit 20 mm von den Elektroden 14,15 entfernt. Die den Schirm 19 koaxial umgebende Innenwand 7 des Gefässes 1 war in einem Abstand von 10 mm vom Schirm 19 angeordnet.

Die Temperatur des Schirmes 19 wurde auf ca. 1000° C oder höher eingestellt. Damit wurde erreicht, dass die freiwerdenden Gase vom abgelagerten Eisen nicht gegettert wurden.

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Das abgelagerte Eisen war praktisch gasfrei und konnte zu Elektrodenblechen für Vakuumschalter weiterverarbeitet werden.

Das beschriebene Verfahren und die dargestellte Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Herstellen von gasfreien Werkstoffen, welche für Elektrodenbleche für Vakuumschalter verwendet werden. Es sind jedoch auch andere Anwendungsgebiete möglich, bei denen gasfreie Werkstoffe benötigt werden.

Der bevorzugte Elektrodenwerkstoff ist wie beschrieben Eisen. Es können jedoch auch andere metallische Werkstoffe auf die beschriebene Weise entgast werden.

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Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren sin Entgasen eines metallischen Werkstoff es im Vakuum, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aus dem zu entgasenden metallischen Werkstoff gefertigte Elektroden in eine· evakuierten Gefäß in eines gegenseitigen Abstand angeordnet werden, daß zwischen den Elektrodenfein diffuser, auf der gesamten Fläche der Elektroden brennender Lichtbogen erzeugt wird und die Elektroden dabei auf einer Temperatur gehalten werden, die kleine^ eis die Schmelztemperatur des Elektrodenwerkstoffes bein herrschenden Unterdruck, so daß der Elektrodenwerkstoff unter Freigabe der eingeschlossenen Gase verdampft, und daß die freiwerdenden Gase aus dem evakuierten Gefäß abgessugt und die aus den Lichtbogen austretenden Elektrodenwerkstoffdämpfe an einem die Elektroden in einem Abstand umgebenden,im Gefäß angeordneten Schirm aufgefangen werden, der auf einer Temperatur gehalten wird, die gleich oder niedriger ist als die Kondeneationetemperatur der Werkstoffdämpfe beim herrschenden Unterdruck, so daß die Elektrodenwerkstoff dämpfe kondensieren und am Schirm der entgaste Elektrodenwerkstoff in fester Form abgelagert wird·

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß da8 evakuierte Gefäß während der Lichtbogenerzeugung gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Verwendung von Elektroden aus Eisen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Verwendung von Elektroden mit kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser von mindestens 30 mm·

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden auf mindestens 1 mm eingestellt wird. - 13 -

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ORIGINAL INSPECTED

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichstroalichtbogen Bit einer Stromdichte τοη wenigstens AtJevr erzeugt wird.

7. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da? in Gefäß ein Druck erzeugt wird, der gleich oder kleiner als 10 Torr ist.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, de3 die Temperatur des Schiras auf mindestens 600⁰C gehalten wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der /ηSprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein evakuiertes, an eine Vakuumpumpe angeschlossenes Gefäß (1), in dem die beiden in einem gegenseitigen Abstand (a) angeordnete Elektroden (14,15) vorhanden und zur Erzeugung des auf ihrer gesamten Fläche (14a, 15a) brennenden Lichtbogens (22) an eine Spannungsquelle anschließbar sind, durch eine Einrichtung (17, 18) zum Kühlen der Elektroden (14, 15)jia deren Temperatur auf einem Wert zu halten, der unterhalb der Schmelztemperatur des Elektrodenwerkstoffes beim im Gefäß (1) herrschenden Unterdruck liegt, sowie dadurch, daß der zum Auffangen der aus dem Lichtbogen (22) austretenden Elektrodenwerkstoffdämpfe dienende Schirm (19) hohlzylindrisch ausgebildet und koaxial zu den Elektroden (14, 15) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (19) aus einem metallischen Werkstoff besteht·

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, da3 das Gefäß (1) auf seiner Außenseite einen von einem Kühlmedium durchströmten Mantelraum (4) aufweist.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, d83 jede Elektrode (14, 13) an einen in seiner Achsrichtung verschiebbaren, durch die Gefäßwand hindurchgeführten aetalli-8chen, gegenüber dem Gefä£ (1) elektrisch isolierten Elektrodentrftger (8, 9) angebracht ist und daS die Elektrodenträger (8, 9) Ii Innern einen Hohlraun aufweisen, durch den ein Kühl-■ediui (16) fließt.

13· Vorrichtung nach einen der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (14, 15) übereinander angeordnet sind und die obere Elektrode (14) an den negativen Pol einer Gleichspannungsquelle und die untere Elektrode (15) an den positiven Pol der Gleichspannungsquelle anschlieSbar Ist.

14· Vorrichtung nach den Ansprüchen 10 und 12, dadurch gekennzeichnet, da3 zwischen jedei Elektrodenträger (8, 9) und den Gefäß (1) ein Widerstand (20, 21) zur Steuerung des Potentials des gegenüber den Gefäß (1) und den Elektrodenträgern (8, 9) elektrisch isolierten Schirmes (19) angeordnet ist.

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