DE2804605A1

DE2804605A1 - Verfahren und ofen fuer thermochemische behandlung von metallen

Info

Publication number: DE2804605A1
Application number: DE19782804605
Authority: DE
Inventors: Philippe Le Francois
Original assignee: Vide et Traitement SA
Current assignee: Vide et Traitement SA
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1978-02-03
Publication date: 1978-08-10
Also published as: FR2379615B1; FR2379615A1; JPS53102841A; JPS60429B2; DE2804605C2; US4181541A; GB1601243A; ES466772A1

Description

PATENTANWALT DIPL.-PHYS. HEINRICH SEIDS

62 Wiesbaden ■ Bierstadter Höhe 15 ■ Postfach 12068 ■ Telefon (06121) 565382 Postscheck Frankfurt/Main 1810 08-602 · Bank Deutsche Bank 395 63 72 ■ Nass. Sparkaiie 1080030 65

Wiesbaden, den 26. Januar 1978 V 159 S/rd

Societe Anonyme dite:
VIDE ET TRAITEMENT
Place Charles Andrieu-F-6O53O Neuilly en Thelle

Verfahren und Ofen für thermochemische Behandlung von Metallen

Priorität: Französische Patentanmeldung

Nr. 77 03 501 vom 08. Febr. 1977

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und einen Ofen für thermochemische Behandlung von Metallen, wie beispielsweise Eisen oder Eisenlegierungen, durch Ionenbeschuß.

überschlägig weiß man, dass die Art der thermochemiechen Behandlung von Metallen, die sich besonders für

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Nitrierhärten von Metallen und Legierungen eignet, durch elektrische Entladung über ein verdünntes Gas erzielen lässt.

Dazu setzt man die Werkstücke in einen Ofen, in welchem das Behandlungsgas, beispielsweise Ammoniak (NH.,) auf einem Druck von einigen Torr gehalten wird.

Dieser Ofen enthält, verbunden mit einer Einrichtung zum Zuführen von elektrischem Strom unter hoher Spannung, eine Anode und eine Kathode, die als Träger für die Werkstücke dient. Zur Durchführung der thermochemischen Behandlung in solchen Öfen können zwei Betriebsmöglichkeiten in Betracht gezogen werden.

Eine erste Betriebsmoglichkeit besteht darin, zwischen der Kathode und der Anode eine derartige Potentialdifferenz aufrecht zu erhalten, dass man sich nach einer Übergangsperiode auf einem Teil der Spannungs-Stromstärken-Kurve fällt, der geeignet ist, eine elektrische Entladung in den im oben enthaltenen Gas nahe dem Bereich der Entstehung von Lichtbogen zu halten. Dieser Bereich wird allgemein als "Bereich der 'anomalen Entladung" bezeichnet.

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Diese Arbeitsmöglichkeit gestattet es, an der Kathode einen beträchtigen Energieüberschuß zu erhalten

■ und demzufolge ein sehr schnelles Erhitzen des Werkstücks hervorzurufen. Dagegen gestattet sie nicht eine gute Homogenität, insbesondere nicht bei der Behandlung von Werkstücken komplizierterer Kontur oder solchen Werkstücken, die Durchgänge oder Vertiefungen aufweisen.

! Im übrigen beruht ihr Hauptnachteil in der Tatsache,

; 10 dass nahe an dem Bereich der Bogenentladung gearbeitet

j wird, so dass häufig Lichtbogenzündungen auftreten mit

der Gefahr, die Werkstücke zu beschädigen, und dies

trotz Benutzung von Systemen zum Abbrechen von Licht-

j bogen.

Eine zweite denkbare Arbeitsmöglichkext für die thermochemische Behandlung besteht darin, anstelle eines Gleichstromes Stromimpulse hoher Spannung zu benutzen, deren Gesamtenergie doch einen vorherbestimmten Wert aufweist, der in der jö.se berechnet ist, dass es nicht möglich wird, auf der Spannungs-Stromstärken-Kurve in den der Bogenentladung entsprechenden Bereich zu kommen.

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Man erzielt so im wesentlichen Ionen hoher kinetischer Energie in begrenzter Menge, was gestattet, die Qualität der Behandlung und ihre Homogenität zu erhöhen ohne eine zu starke Temperaturerhöhung vorzunehmen, die zu einer schlechten Erhaltung der Maßhaltigkeit und der Präzision der Werkstücke während der Behandlung führen würde.

Jedenfalls besteht ein Nachteil dieser Arbeitsweise darin, dass man die Behandlungstemperatur erst nach Verlauf eines recht langen Zeitraumes erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile der beiden oben angeführten möglichen Arbeitsweisen zu unterdrücken. Die Erfindung schlägt deshalb eine kombinierte Arbeitsweise vor, die darin besteht, dass

! 15 man in einem ersten Arbeitsschritt zu möglichst schneli

lern Erhitzen des Werkstückes auf Behandlungstemperatur

zwischen der Anode und der Kathode des Ofens eine derar

berechnete elektrische Gleichspannung aufrecht erhält, j dass sich der Arbeitspunkt des Ofens in dem Bereich

J 20 der anomalen Entladung der Spannungs-Stromstärken-Kurve des Ofens legt, aber an einen ausreichend weit vom Bereich der Bogenentladung entfernten Punkt, um die Möglichkeit zur Bildung eines Lichtbogens völlig zu vermeiden, und

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in einem zweiten Arbeitsschritt nach Erreichen der Dehandlungstemperatur den Ofen in Betrieb mit Spannungs-

impulsen arbeiten zu lassen, wobei die Wärmeent- ! wicklung dieser Betriebsweise ausreichend ist, um

5 die Behandlungstemperatur des Werkstücks aufrecht zu erhalten.

Durch die Erfindung soll auch ein Ofen geschaffen werden, der das Arbeiten in diesen beiden Betriebsweisen gestattet. Der Ofen soll vorteilhafterweise eine einzige elektrische Stromzuführungsquelle aufweisen.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden als Beispiel anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine charakteristische Spannungs-

Stromstärken-Kurve für elektrische

' Gasentladung und

^: Fig. 2 ein theoretisches Schema der Strom-

: Zuführung für die Anwendung im erfin-

dungsgemässen Verfahren.

Wie bekannt (vergl. Kohlrausch, Praktische Physik, Band 2, Teubner-Verlag 1962, Seite 409) enthält die

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charakteristische Spannungs-Stromstärken-Kurve der selbständigen Gasentladung, die zum besseren Verständnis der beiden gemäss der Erfindung kombinierten Arbeitsweisen des Ofens wiedergegeben wird, im wesentliehen:

- einen Bereich OA, sehr geringer Ströme;

- einen Bereich AB, in welchem die Spannung praktisch konstant ist und dem Bereich der Dunkelentladung bzw. Townsendentladung entspricht;

- einen Bereich BC, der unternormalen Glimmentladung;

- einen Bereich DE der normalen Glimmentladung;

- einen Bereich EF der anomalen Entladung oder anomalen Glimmentladung, und

- einen Bereich FG der Bogenentladung.

Um so die thermoschemische Behandlung nach der oben erwähnten ersten Arbeitsweise einzurichten benutzt man zwischen der Kathode und der Anode eine Gleichspannung, die es gestattet, nach einem Übergang einen permanenten Arbeitspunkt des Ofens einzunehmen, der nahe dem Punkt F, d.h. nahe dem Bereich der Bogenentladung liegt. Das Interesse, den Arbeitspunkt so nahe wie

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möglich dem Punkt. F zu legen, ruht auf der Tatsache, dass es zur Erzielung einer wirksamen Behandlung notwtiiidii/ ist, ionen zu erhalten, die mit beträchtlicher kinetischer Energie geladen sind.

Dabei ist zu beachten, dass vor Erreichen dieses permanenten Arbeitspunktes nahe dem Punkt F sich der Arbeitspunkt des Ofens zeitlich (Übergangszeit) entlang der Kurvenabschnitte OA, AB, BC, CD, CE entwickelt, um schliesslich an den permanenten Arbeitspunkt auf dem Kurvenabschnitt EF zu gelangen.

Während dieser Übergangsperiode ist die benutzte Energie Ej. wohl definiert und kann experimentell ermittelt werden.

Die zweite oben erwähnte Arbeitsweise besteht darin, zwischen der Kathode und der Anode des Ofens Hochspannungsimpulse anzulegen,die stark oberhalb der Arbeitsspannung der ersten Betriebsweise liegen, deren (Impuls-) Gesamtenergie in der Weise begrenzt ist, dass nur ein Übergangsregime eingerichtet wird, während dessen Ablauf der Arbeitspunkt sich auf der Spannungs-Stromstärken-Kurve ausgehend vom Punkt O bis zu einem entfernt vom Punkt F liegenden Grenzpunkt verschiebt,derart, dass keinerlei Gefahr zur Bildung eines nennenswerten

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Lichtbogens besteht.

Die Tatsache, dass mit hoher Spannung gearbeitet wird, ergibt, dass man Ionen hoher kinetischer Energie erhält und demzufolge eine sehr wirksame Behandlung des Werkstücks, und dies mit einem Mindestmaß von Erhitzung, da die Gesamtenergie und die Ionendichte begrenzt sind.

Wie oben erwähnt, wird gemäss der Erfindung vorgeschlagen die beiden oben erläuterten Betriebsweisen zu kombinieren, um im ersten Verfahrensschritt die erste Betriebsweise zu benutzen, bis das Werkstück aif die Behandlungstemperatur gebracht ist, und dann die zweite Betriebsweise einzusetzen.

Es ist in diesem Zusammenhang zu beachten, dass die erfindungsgemäss vorgeschlagene Kombination nicht eine blosse Aneinanderreihung oder Gegenüberstellung der beiden Behandlungsweisen darstellt. Tatsächlich hat die erste Arbeitsweise im wesentlichen den Zweck, ein schnelles Erhitzen des Werkstückes hervorzurufen. Demzufolge ist es nicht notwendig, dass der Arbeitspunkt so nahe wie möglich an den Bereich der Bogenentladung herangenommen wird, um erhebliche kinetische Energie der Ionen zu erhalten, aber auch das Risiko der Bildung

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eines Lichtbogenregimes einzugehen. In der Praxis wählt man daher einen Arbeitspunkt, der ausreichend fern vom Punkt F liegt, damit sich kein Lichtbogenregime entwickelt. Dies stellt keinen Nachteil dar, weil man sich nicht in einer Behandlungsphase des Werkstücks befindet. Tatsächlich erfolgt die eigentliche Behandlung im wesentlichen in der zweiten Betriebsweise des Bogens.

Gemäss Figur 2 enthält die elektrische Stromzuführungsvorrichtung, die die beiden doen erläuterten Arbeitsweisen des Ofens gestattet, eine Schaltereinheit mit vier Schaltern 1, 2, 3 und 4, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Die beiden sich gegenüberliegenden Ecken oder Knotenpunkte 6 und 7 dieser Brückenschaltung sind an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, während die beiden anderen Eckpunkte oder Knotenpunkte 8 und 9 an die Reihenschaltung eines elektrischen Kondensators 10 und der Primärwicklung 11 eines Transformators 12 angeschlossen sind. Die Sekundärwicklung 13 des Transformators ist ihrerseits über einen Gleichrichter 16 an die beiden Elektroden 14 und 15 (Kathode und Anode des Ofens) angeschlossen. so wird .in der zweiten Betriebsweise das impulsregiMe in zweifachem Schalttakt aufgebaut, nämlich:

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a) Laden des Kondensators 10 durch Schliessen der Schalter 1 und 3 und Offenhalten der Schalter 2 und 4;

b) Entladen des Kondensators 10 über die Primärwicklung 11 des Transformators 12 durch Öffnen

der Schalter 1 und 3 und Schliessen der Schalter 2 und 4.

Es ist ersichtlich, dass die in der Sekundärwicklung 13 des Transformators entwickelten und demzufolge auf die Anode 14 und die Kathode 15 des Ofens gelegten Impulse erhöhte Spannung (Übersetzungsverhältnis des Transformators) aufweisen, während ihre Gesamtenergie allein Funktion der Klemmenspannung am Kondensator IO und des Kapazitätswertes des Kondensators 10 ist. Demzufolge ist nur notwendig, die Spannung des zugeführten Gleichstromes und bzw. oder die Kapazität des Kondensators 10 zu wählen bzw. einzurichten, um zu verhindern, dass der Arbeitspunkt des Ofens in einen gefährlichen Bereich läuft.

Um die erste Betriebsweise auszuführen, führt man die Schaltvorgänge an den Schaltern 1,2,3 und 4 in gleicher Heise durch, aber mit einer sehr stark erhöhten Frequenz derart, dass man am Ausgang des Gleichrichters 16 eine Gleichspannung erhält. Wohlgemerkt muss der

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Spannungswert am Ausgang des Gleichrichters 10 dann merklich unterhalb der Impulsspannung liegen, wie sie bei der zweiten (Impuls-) Betriebsweise benutzt wird. Demzufolge kann man auf der Sekundärwicklung 13 des Transformators 12 einen getrennten Ausgang für eine zweite Arbeitsweise vorsehen, zusammen mit einer Schaltvorrichtung, die je nach vorgesehener Arbeitsweise den einen oder den anderen Ausgang einschaltet.

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Claims

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1) Verfahren zur thermochemischen Behandlung von Metallen wie Eisen oder Eisenlegierungen, durch Ionenbeschuß in einem Ofen, in welchem das Behandlungsgas unter sehr niedrigem Druck gehalten wird und der eine Kathode enthält, auf der die Werkstücke angeordnet werden, gekennzeichnet durch:
- einen ersten Verfahrensschritt zu möglichst schnellem Erhitzen des Werkstücks auf Behandlungstemperatur, in welchem man zwischen der Anode und der Kathode eine derart berechnete elektrische Gleichspannung aufrecht erhält, dass sich der Arbeitspunkt des Ofens in den Bereich der anomalen Entladung der Spannungs-Stromstärken-Kurve des Ofens legt, aber an einen ausreichend weit vom Bereich der Lichtbogenbildung entfernten Punkt,

um die Möglichkeit zur Bildung eines Lichtbogens möglichst auszuschliessen und

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- einen zweiten Verfahrensschritt, in welchem man zwischen der Kathode und der Anode eine Folge von Hochspannungsimpulsen begrenzten Energiegehaltes anlegt, derart, dass sich im Verlauf jedes Impulses der Arbeitspunkt des Ofens auf der Spannungs-Stromstarken-Kurve bis zu einem Endpunkt verschiebt,

der ausreichend weit vom Bereich der Lichtbogenbildung entfernt ist, um die Bildung eines Lichtbogens auszuschliessen.

2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie jedes Spannungsimpulses durch eine elektrische Kapazität bemessen wird.

3) Ofen für thermoschemische Behandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an die Elektroden des Ofens eine Einrichtung zu elektrischer Energie- '

i zuführung angeschlossen ist, die zum aufeinander- j folgenden, wahlweisen Anlegen von Gleichspannung oder einer Folge von Sparinungsimpulsen an die Elektroden (14, 15) des Ofens ausgebildet ist.

4) ofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtuncj zur elektrischen Energiezuführung eine

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Schalteinheit mit vier in Brückenschaltung angeordneten Schaltern (1, 2, 3, 4) enthält, von der zwei sich gegenüberliegende Ecken an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, während die beiden anderen Ecken (8, 9) an die Reihenschaltung eines elektrischen Kondensators (lo) und die Primärwicklung (11) eines Transformat-ors (12) angeschlossen sind, dessen Sekundärwicklung (13) über einen Gleichrichter (16) an die Elektroden (14, 15) des Ofens gelegt ist.

5) Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (13) des Transformators zwei Ausgänge, nämlich einen Ausgang für Gleichspannungsbetrieb und einen Ausgang für Impulsbetrieb, aufweist und dass ein Schalter zum wahlweisen Einschalten jeweils eines dieser beiden Ausgänge vorgesehen ist.

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