DE2804605C2

DE2804605C2 - Verfahren und Vorrichtung zur thermochemischen Behandlung von Metallen

Info

Publication number: DE2804605C2
Application number: DE2804605A
Authority: DE
Inventors: Philippe Neuille en Thelle Le Francois
Original assignee: Vide Et Traitement Sa 60530 Neuillly-En-Thelle Fr
Current assignee: Vide Et Traitement Sa 60530 Neuillly-En-Thelle Fr
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1978-02-03
Publication date: 1984-04-05
Also published as: JPS60429B2; GB1601243A; FR2379615A1; FR2379615B1; ES466772A1; JPS53102841A; US4181541A; DE2804605A1

Description

a) ein möglichst schnelles Erhitzen des Werkstücks auf Behandlungstemperatur, bei dem man zwischen der Anode und der Kathode eine erste elektrische Spannung aufrecht erhält, und

b) Durchführung der eigentlichen thermischen Behandlung mit Anlegen einer Folge von Spannungsimpulsen zwischen der Kathode und Anode,

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dadurch gekennzeichnet, daß
im ersten Verfahrensschritt eine Gleichspannung benutzt und derart berechnet wird, daß der Arbeitspunkt des Ofens im Bereich der anomalen Entladung, aber ausreichend weit vom Bereich der Lichtbogenbildung entfernt liegt, und daß
im zweiten Verfahrensschritt der gesamte Energiegehalt jedes der Spannungsimpulse durch Speichern einer festgelegten elektrischen Energiemenge bemessen wird.

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

3. Vorrichtung zur Durchführund der thermoehemischen Behandlung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden des Ofens eine elektrische Energiequelle angeschlossen ist, die zum aufeinanderfolgenden, wahlweisen Anlegen von Gleichspannung oder einer Folge von Spannungsimpulsen an die Elektroden (14, 15) des Ofens ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energiequelle eine Schalteinheit mit vier in Brückenschaltung angeordneten Schaltern (1,2,3,4) enthält, von der zwei sich gegenüberliegende Brückenpunkte an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, während die beiden anderen Punkte (8,9) an die Reihenschaltung eines elektrischen Kondensators (10) und der Primärwicklung (11) eines Transformators (12) so angeschlossen sind, dessen Sekundärwicklung (13) über einen Gleichrichter (16) an die Elektroden (14, 15) des Ofens gelegt ist.

5. Vorrichtung 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 «in Schalter zum wahlweisen Einschalten jeweils eines dieser beiden Ausgänge vorgesehen ist. ω

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermochemischen Behandlung von Metallen wie Eisen oder Eisenlegierungen, durch Ionenbeschuß in einem Ofen, in dessen Inneren das 2:ur Behandlung dienende Gas unter sehr niedrigem Druck gehalten wird und der eine Anode und eine Kathode, auf der die Werkstücke angeordnet werden, enthält, wobei zwei aufeinanderfolgende Verfahrensschritte vorliegen:

b) Durchführung der eigentlichen thermischen Behandlung mit Anlegen einer Folge von Spannungsimpulsen zwischen der Kathode und Anode.

Bei bekannten thermochemischen Behandlungen von Metallen, insbesondere beim Nitrierhärten von Metallen und Legierungen setzt man die Werkstücke in einen Ofen, in welchem das Behandlungsgas, beispielsweise Ammoniak (NH3) auf einem Druck von einigen mbar gehalten wird. Eine erste Betriebsmöglichkeit besteht dann darin, zwischen der Kathode und Anode eine derartige Potentialdifferenz aufrecht zu erhalten, daß man sich nach einer Übergangsperiode auf demjenigen Teil der Spannungs-Stromstärken-Kurve befindet, bei derr eine elektrische Entladung nahe dem Bereich der Lichtbogenentstehung erfolgt. Dieser Bereich wird allgemein als »Bereich der anomalen Entladung« bezeichnet Diese Arbeitsmöglichkeit gestattet ein sehr schnelles Erhitzen des Werkstücks. Dagegen gestattet sie nicht eine gute Homogenität, insbesondere nicht bei der Behandlung von Werkstücken komplizierter Kontur oder solchen Werkstücken, die Durchgänge oder Vertiefungen aufweisen. Der Hauptnachteil dieser Arbeitsmöglichkeit beruht jedoch in der Tatsache, daß nahe an dem Bereich der Lichtbogenentladung gearbeitet wird, so daß häufig Lichtbogenzündungen auftreten, die die Werkstücke beschädigen, und dies trotz Benutzung von Systemen zum Lichtbogen-Abbrechen.

Eine zweite denkbare Arbeitsmöglichkeit für die thermochemische Behandlung besteht darin, anstelle eines Gleichstromes Impulse hoher Spannung zu benutzen, deren Gesamtenergie einen vorherbestimmten Wert aufweisen, der in der Weise berechnet ist, daß man auf der Spannungs-Stromstärken-Kurve nicht in den Bereich der Lichtbogenentladung kommt. Man erzielt so im wesentlichen Ionen hoher kinetischer Energie in begrenzter Menge, was gestattet, die Qualität der Behandlung und ihre Homogenitst zu erhöhen ohne eine zu starke Temperaturerhöhung vorzunehmen, die zu einer Beeinträchtigung von Maßhaltigkeit und Präzision der Werkstücke während der Behandlung führt. Ein Nachteil dieser Arbeitsweise ist, daß man die Behandlungstemperatur erst nach Verlauf eines recht langen Zeitraumes erreicht.

Bei einem aus DE-AS 19 12 114 bekannten Oberflächen-Diffusionsverfahren unter Verwendung von elektrischen Glimmentladungen findet ein Ionenbeschuß des metallischen Werkstückes statt, indem man eine Glimmentladung durch eine Folge von Stromstößen erzeugt und aufrecht erhält. Das bekannte Verfahren weist zwei Verfahrensschritte auf, nämlich einen ersten Verfahrensschritt zum Reinigen, Aktivieren und Erhitzen und einen zweiten Verfahrensschritt, der gezündet wird, wenn das Werkstück die Behandlungstemperatur angenommen hat. Der Unterschied zwischen den beiden Verfahrensabschnitten besteht darin, daß man das Verhältnis von Dauer der Stromstöße zur Dauer der Pausen ändert. Das bekannte Verfahren sieht somit in seinen beiden Abschnitten Glimmentladuneen unter

Stromstößen vor. Will man aber mittels Glimmentladung oder Stromstößen ein ausreichendes und schnelles Erhitzen des Werkstückes erreichen, dann muß man mit relativ hoher Spannung und mit relativ breiten Impulsen arbeiten. Es besteht demzufolge eine erhebliche und keinesfalls vernachlässigbare Neigung zum Zünden von Lichtbogen. Es sind deshalb Vorkehrungen notwendig, die die mit Lichtbogen auftretenden Gefahren und Nachteile am Werkstück mindern sollen.

Bei einem aus US-PS 31 90 772 bekannten Verfahren zur thermochernischen Behandlung von metallischen Hohlkörpern werden drei Elektroden benutzt, die auf verschiedenen elektrischen Potentialen gehalten sind. Eine dieser Elektroden dient zur Erzeugung eines lonenbeschusses in dem Hohlraum des Werkstückes, π während die zweite Elektrode, die einem Ionenbeschuß unterworfen ist, zum Aufheizen des zu behandelnden Werkstückes dient Bei diesem bekannten Verfahren lassen sich jedoch trotz erhöhtem Aufwand weder ausreichende Sicherheit gegen Zünden von Lichtbogen noch ein erwünschtes, schnelles Erhitzen der Werkstükke erreichen.

Bei einem aus US-PS 30 35 205 bekannten Verfahren für thermokinetische Behandlung sollen an die den zu behandelnden Gegenstand tragende Elektrode in sich wiederholendem Zyklus während eines ersten Zeitintervalls eine höhere Gleichspannung und während eines zweiten Zeitintervalls eine niedere Gleichspannung angelegt werden. In beiden Intervallen wird somit elektrische Gleichspannung angelegt, und es fehlt der Betrieb mit Sparaiungsimpulsen. Außerdem müßte zj.uii Erhitzen des Werkstücks in einer für die praktische Durchführbarkeit des Verfahrens ausreichender Schnelligkeit zumindest die im ersten Zeitintervall angelegte Gleichspannung so hoch sein, daß erhebliche Gefahr }=> zum Zünden von Lichtbogen besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine kombinierte Arbeitsweise vorzuschlagen, bei der man in einem ersten Arbeitsschritt durch Anlegen einer vorher berechneten elektrischen Spannung zwischen der Anode und der Kathode des Ofens möglichst schnell, jedoch mit möglichst geringem Risiko der Entstehung von Lichtbogenentladungen auf Behandlungstemperatur erhitzt und in einem zweiten Arbeitsschritt nach Erreichen der Behandlungstemperatur den Ofen in Betrieb mit Spannungsimpulsen arbeiten läßt, wobei die Wärmeentwicklung bei dieser Betriebsweise die Behandlungstemperatur des Werkstücks aufrecht erhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im ersten Verfahrensschritt eine Gleichspannung w benutzt und derart berechnet wird, daß der Arbeitspunkt des Ofens im Bereich der anomalen Entladung, aber ausreichend weit vom Bereich der Lichtbogenbildung entfernt liegt, und daß im zweiten Verfahrensschritt der gesamten Energiegehalt jedes der Span- nungsimpulse durch Speichern einer festgelegten elektrischen Energiemenge bemessen wird.

Bevorzugt kann die Energie jedes Spar.nungsimpulses durch eine elektrische Kapazität bemessen werden.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden über bO die Lösung der gestellten Aufgabe hinaus wesentliche Vorteile erzielt:

1. Sicheres Abtrennen des Aufheizens von der eigentlichen Behandlung des Werkstücks, wobei in dem dafür vorgesehenen ersten Verfahrensschritt ein sehr schnelles Aufheizen der Werkstücke auf Behandlungstemperatur erlolgt;

2. Emission von Ionen hoher kinetischer Energie zur eigentlichen Behandlung im zweiten Verfahrensschritt ohne das Risiko eines übermäßigen Aufheizens der Werkstücke und

3. Beseitigung des Risikos der Entstehung elektrischer Lichtbogenentladungen in beiden Verfahrensschritten, was gestattet, auf die Benutzung von Einrichtungen zum Unterbrechen bzw. Löschen von Lichtbogenentladungen zu verzichten. Solche Einrichtungen sind in der Regel aufwendig und beeinträchtigen den Wirkungsgrad des Verfahrens bzw. einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Durch die Erfindung soll auch eine Vorrichtung geschaffen werden, die das Arbeiten in diesen beiden Betriebsweisen des Ofens gestattet. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an die Elektroden des Ofens eine elektrische Energiequelle angeschlossen ist, die zum aufeinanderfolgenden, wahlweisen Anlegen von Gleichspannung oder einer Folge von Spannungsimpulsen an die Elektroden des Ofens ausgebildet ist. Ein Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß der Ofen eine einzige elektrische Stromquelle aufweist, die für die beiden unterschiedlichen Betriebsweisen umschaltbar ist.

In bevorzugter Ausführungsform der Vorrichtung enthält die elektrische Energiequelle eine Schalteinheit mit vier in Brückenschaltung angeordneten Schaltern, von der zwei sich gegenüberliegende Brückenpunkte an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind, während die beiden anderen Punkte an die Reihenschaltung eines elektrischen Kondensators und der Primärwicklung eines Transformators angeschlossen sind, dessen Sekundärwicklung über einen Gleichrichter an die Elektroden des Ofens gelegt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine charakteristische Spannungs-Stromstärken-Kurve für elektrische Gasentladung und

F i g. 2 ein theoretisches Schema der Stromzuführung für die Anwendung im erfindungsgemäßen Verfahren.

Wie bekannt (vergl. Kohlrausch, Praktische Physik, Band 2, Teubner-Verlag 1962, Seite 409), enthält die charakteristische Spannungs-Stromstärken-Kurve der selbständigen Gasentladung, die zum besseren Verständnis der beiden gemäß der Erfindung kombinierten Arbeitsweisen des Ofens wiedergegeben wird, im wesentlichen:

— 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 DEder normalen Glimmentladung;

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

— einen Bereich FC der Bogenentladung.

Um so die thermochemische Behandlung nach der obenerwähnten ersten Arbeitsweise einzurichten, benutzt man zwischen der Kathode und der Anode eine Gleichspannung, die es gestattet, nach einer Übergangsperiode einen permanenten Arbeitspunkt des Ofens einzustellen, der nahe dem Punkt F, d. h. nshe dem

Bereich der Bogenentladung liegt. Das Interesse, den Arbeitspunkt so nahe wie möglich dem Punkt F zu legen, beruht auf der Tatsache, daß zur Erzielung einer wirksamen Behandlung Ionen mit beträchtlicher kinetischer Energie notwendig sind.

Dabei ist zu beachten, daß vor Erreichen dieses permanenten Arbeitspunktes nahe dem Punkt Fsich der Arbeitspunkt des Ofens zeitlich entlang der Kurvenabschnitte OA, AB, DC, CD, Dfentwickelt.

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

Die zweite obenerwähnte Arbeitsweise besteht darin, zwischen der Kathode und der Anode des Ofens Hochspannungsimpulse anzulegen, die stark oberhalb der Ai beitsspannung der ersten Betriebsweise liegen. Deren (Impuls-)Gesamtenergie ist in der Weise begrenzt, daß nur ein Übergangsbereich 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 Lichtbogenbildung 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.

Wie oben erwähnt, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die beiden oben erläuterten Betriebsweise zu kombinieren, um im ersten Verfahrensschritt die erste Betriebsweise zu benutzen, bis das Werkstück auf 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 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 eines Lichtbogens einzugehen. In der Praxis wählt man daher einen Arbeitspunkt, der ausreichend fern vom Punkt F liegt. Dies stellt keinen Nachteil dar, weil man sich nicht in einer Behandlungsphase des Werkstücks befindet. Tatsächlich erfolgt die eigentliche Behandlung im wesentlichen im zweiten Verfahrensschritt.

Gemäß Fig.2 enthält die elektrische Stromversorgungsvorrichtung, die die beiden oben 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 Knotenpunkte 6 und 7 dieser Brückenschaltung sind an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, während die beiden anderen 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:

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 (Gegeninduktivität des Transformators) aufweisen, während ihre Gesamtenergie allein Funktion der Klemmenspannung am Kondensator 10 und des Kapazitätswertes des Kondensators 10 ist. Demzufolge ist nur notwendig, die Spannung des zugeführten Gleichstromes und bzw. oder die Kapazität 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 Weise durch, aber mit einer sehr stark erhöhten Frequenz derart, daß man am Ausgang des Gleichrichters 16 eine Gleichspannung erhält. Wohlgemerkt muß der Spannungswert am Ausgang des Gleichrichters 10 dann merklich unterhalb der Impulsspannung liegen, wie sie bei der zweiten 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur thermochemischeri Behandlung von Metallen, wie Eisen oder Eisenlegierungen, durch Ionenbeschuß in einem Ofen, in dessen Inneren das zur Behandlung dienende Gas unter sehr niedrigem Druck gehalten wird und der eine Anode und eine Kathode, auf der die Werkstücke angeordnet werden, enthält, wobei zwei aufeinanderfolgende Verfahrensschritte vorliegen: