DE3330144C2 - Verfahren zum gleichmässigen Erwärmen von Heizgut in einem Vakuumrezipienten - Google Patents

Abstract

Um eine möglichst gleichmäßige Erwärmung von Heizgut in einem Vakuumrezipienten durch Beschuß mit Elektronen aus einer Niedervoltbogenentladung zu erzielen, wird mit dem Plasmastrahl (16, Figur 2) nicht - wie bisher üblich - direkt auf das Heizgut (3) gezielt, sondern werden diejenigen Magnetfeldlinien, entlang denen das Plasma sich bevorzugt ausbreiten kann, am Heizgut vorbeigeführt. Vorzugsweise wird ein der Achse des Plasmastrahls paralleles Magnetfeld vorgesehen und das Heizgut mantelförmig um den Strahl herum angeordnet.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen von Heizgut in einem Vakuumrezipienten. Solche Verfahren werden z. B. zum Entgasen, Löten, Sintern, Härten und in Verbindung mit Beschichtungs- oder Ionenbehandlungsverfahren verwendet. Dabei soll eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Heizgutes erzielt werden. In bekannten Vakuum-Wärmebehandlungsöfen wird das Heizgut z. B. mit Heizflächen umgeben, deren Wärme durch Strahlung oder Wärmeleitung auf das Heizgut übertragen wird. Elektrisch leitendes Heizgut kann auch durch induzierte Ströme erhitzt werden, und bekannt ist ferner die Verwendung einer Glimmentladung als Wärmequelle, die im Falle der sogenannten anomalen Entladung die gesamte Kathodenfläche gleichmäßig bedeckt, so daß das als Kathode geschaltete Heizgut gleichmäßig erwärmt werden kann.
• Es ist weiter bekannt, Heizgut, z. B. zu schmelzende Metalle im Vakuum durch Elektronenbeschuß zu erhitzen. Dabei muß aber durch eine besondere geometrische Anordnung der Elektronenquelle dafür gesorgt werden, daß sich die gewünschte Temperaturverteilung auf dem Heizgut ergibt. Bisher war es nur mit entsprechend hohem Aufwand möglich, eine gleichmäßige Erwärmung zu erzielen. Normalerweise aber wird der Elektronenbeschuß gerade in entgegengesetztem Sinn eingesetzt, nämlich zur Erzeugung lokal eng begrenzter heißer Stellen mit großen Temperaturunterschieden zur Umgebung, wozu sich Elektronenstrahlen wegen ihrer leichten Fokussierbarkeit besonders eignen.
• Eine spezielle Form der Heizung durch Elektronenbeschuß stellt die Beheizung mittels eines Niedervoltbogens dar; unter einem Niedervoltbogen im Rahmen dieser Beschreibung ist eine Gasentladung zu verstehen, welche zwischen einer heißen, durch Glühemission Elektronen emittierenden Kathode einerseits und einer Anode andererseits brennt (es ist in diesem Zusammenhang unerheblich, ob die Kathode allein durch die Gasentladung auf Emissionstemperatur gehalten wird oder zusätzlich geheizt wird). Meistens wird in der Nähe der Kathode ein Edelgas eingelassen, z. B. in den Hohlraum einer Hohlkathode oder in eine besondere Glühkathodenkammer, welche über eine Öffnung mit dem Vakuumrezipienten verbunden ist. Es ist üblich, das aus der Hohlkathode oder aus der Glühkathodenkammer durch die Öffnung in den Rezipienten eintretende Plasma mit Hilfe eines Magnetfeldes zu bünden. Die Elektonen bewegen sich dabei auf engen Schraubenbahnen, deren Mittellinien weitgehend den Feldlinien des Magnetfeldes entsprechen. Anordnungen dieser Art sind z. B. aus den US-Patentschriften 32 10 454 und 41 97 175 bekannt. Beide beschreiben das Erhitzen eines Schmelzgutes, welches als Anode geschaltet ist, mittels eines magnetisch gebündelten Niedervoltbogens, der auf das Schmelzgut gerichtet ist (zielt). Letzteres wird dadurch erreicht, daß die magnetischen Feldlinien - und damit auch die gewendelten Elektronenbahnen - durch die erwähnte Öffnung und durch das Schmelzgut laufen. Der Niedervoltbogen wird also hierbei zur Erzeugung lokal begrenzter heißer Stellen mit großen Temperaturunterschieden zur Umgebung verwendet. Elektronenstrahlöfen oder Lichtbogenöfen für die Wärmebehandlung von Heizgut zu benutzen, dessen Oberfläche gleichmäßig erwärmt werden sollte, erschien, wie gesagt, schwierig, denn eine ausreichend gleichförmige Stromdichteverteilung auf dem Heizgut konnte man kaum erreichen.
• Um die dynamische Einwirkung eines direkt auf das Heizgut zielenden Plasmastrahls und eine ungleichmäßige Erhitzung zu vermeiden, ist in DE- AS 12 88 708 vorgeschlagen worden, für die Erhitzung eines Materials einen laminaren Plasmastrom zu verwenden, wobei das Material und eine Plasmabrenneranordnung in einer gaserfüllten Kammer unterzubringen sind und die in Richtung des ausgestoßenen Plasmastromes liegende Brennerachse exzentrisch und parallel zu einer den Materialträger durchdringend gedachten Mittelachse zu legen und um diese konzentrisch mit veränderbarer Drehzahl drehbar anzuordnen ist, und wobei außerdem der Materialträger in Richtung seiner Mittelachse verschiebbar sein sollte. Diese Lösung ergibt günstigere Arbeitsbedingungen für das Schmelzen eines Materials in einem Tiegel, ist aber wegen der erforderlichen Bewegungseinrichtungen für den Plasmabrenner konstruktiv aufwendig und zur gleichmäßigen Erwärmung größerer Flächen trotzdem nicht geeignet.
• Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum gleichmäßigen Erwärmen von Heizgut durch Beschuß desselben mit Elektronen aus einer magnetisch gebündelten Niedervoltbogenentladung anzugeben, die zwischen einer in einem Rezipienten angeordneten Anode und einer in einer mit dem Rezipienten über eine Öffnung in Verbindung stehenden Kathodenkammer befindlichen heißen Kathode aufrechterhalten wird. Dabei sollen nur die zu beheizenden Gegenstände und gegebenenfalls noch ihre Halterung erwärmt werden müssen und weder Strahlungsheizkörper oder Induktionsheizspulen noch Bewegungsvorrichtungen für den Plasmastrahlgenerator im Rezipienten untergebracht werden müssen.
• Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
• Indem während des Heizens gemäß Patentanspruch ein solches Magnetfeld aufrechterhalten wird, daß diejenigen Feldlinien, welche durch die Öffnung zwischen der Kathodenkammer und dem Rezipienten hindurchtreten, das Heizgut nicht durchstoßen, also an diesem vorbeizielen, wird bewirkt, daß die Elektronen aus dem durch das Magnetfeld gebündelten Plasma erst lateral ausgelenkt werden müssen, bevor sie die zu heizenden Flächen erreichen können. Dies bewirkt ferner, daß sie sich wegen ihrer großen Beweglichkeit längs der Magnetfeldlinien, aber geringen Beweglichkeit senkrecht dazu, großflächig auf das Heizgut verteilen, wodurch eine wesentlich gleichmäßigere Erwärmung erzielt wird als mit einem magnetisch gebündelten Plasmastrahl, der auf das Heizgut zu gerichtet ist.
• Die Erfindung ergibt auch den Vorteil, daß Einbauten, wie Heizkörper und Induktionsspulen eingespart werden können, wodurch Platz gewonnen wird für Vorrichtungen, die evtl. für andere Prozeßschritte im selben Rezipienten dringend benötigt werden; auch die Magnetspulen für die Führung des Plasmas können außerhalb des Rezipienten angeordnet werden.
• Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Diese Vorrichtung weist eine evakuierbare Heizkammer, eine darin befindliche Haltevorrichtung für ein Heizgut und eine mit einer eine heiße Kathode enthaltende, über eine Öffnung für den Durchtritt des durch die Niedervoltbogenentladung erzeugten Plasmas mit der Heizkammer in Verbindung stehende Kathodenkammer, sowie eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Heizkammer auf, und ist dadurch gekennzeichnet, daß durch die Öffnung hindurchtretende magnetische Feldlinien das in der Haltevorrichtung der Arbeitskammer gehalterte Heizgut nicht durchstoßen.
• Eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man mit einem zylindrischen Rezipienten, wenn die genannte Öffnung und die Magnetspule koaxial zum Rezipienten angeordnet werden. Das Heizgut kann dann um das in der Achse verlaufende Plasmabündel herum angeordnet werden, wobei das axiale Magnetfeld bewirkt, daß die Elektronen sich in der axialen Richtung leicht bewegen können, in radialer Richtung jedoch nur durch Streuung in Richtung zur Anode und damit zum Heizgut gelangen können. Diese Anisotropie bezüglich der Bewegungsfreiheit der Elektronen bewirkt eine gleichmäßige Stromdichte-Verteilung in axialer Richtung und damit die gleichmäßige Heizwirkung auf das um die Achse herum angeordnete Heizgut.
• Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, bei der die Haltevorrichtung für das Heizgut die Achse des Plasmabündels in der Heizkammer mantelförmig umgibt und eine koaxiale Magnetspule zur Erzeugung eines das Plasma bündelnden Magnetfeldes vorgesehen ist, umfassen die von ihr erzeugten stets in sich geschlossenen magnetischen Feldlinien, soweit sie durch die die Heizkammer und Kathodenkammer miteinander verbindende Öffnung hindurchtreten, das Heizgut, ohne diese zu schneiden.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert:
• Fig. 1 zeigt als erstes Beispiel eine Anordnung mit einem in der Achse eines zylindrischen Rezipienten verlaufenden Plasmastrahl entsprechend der vorerwähnten bevorzugten Ausführungsform.
• Fig. 2 zeigt eine andere Anordnung, bei der der Plasmastrahl senkrecht zur Rezipientenachse steht.
• In Fig. 1 bedeutet 1 einen glockenförmigen Vakuumrezipienten, in dem auf einer Halterung 2 das Heizgut 3 getragen ist. Die Halterung ist mittels einer elektrischen Isolation 4 an der Bodenplatte 5 des Rezipienten befestigt und wird eine über vakuumdichte Stromdurchführung 6 mit dem positiven Pol eines Speisegerätes 7 elektrisch verbunden. Am oberen Teil des Rezipienten ist eine Glühkathodenkammer 8 angebracht und über eine Öffnung 9 mit dem Innenraum des Rezipienten 1 verbunden. In dieser Glühkathodenkammer ist, von einer isolierenden Platte 11 getragen, die Glühkathode 12 untergebracht, die, wie in der Zeichnung angedeutet, ein durch Stromdurchgang geheizter Draht sein kann; sie kann aber auch in Form einer geheizten oder sich selbst aufheizenden Hohlkathode ausgebildet werden. Für das Einlassen von Gasen in die Glühkathodenkammer ist ein Regelventil 13 vorgesehen. Eine Magnetspule 14 erzeugt ein zum Rezipienten 1 koaxiales Magnetfeld. Folgt man der zentralen Feldlinie ausgehend von der Öffnung 9, so wird das Magnetfeld stärker und erreicht seine größte Intensität auf der Mittelebene der Magnetspule 14. Weiter unten divergieren die Feldlinien, die Feldstärke auf der Achse wird aber nie schwächer als in der Öffnung 9. Um den Heißprozeß durchzuführen, pumpt man mit Hilfe einer Hochvakuumpumpe am Pumpstutzen 15 den Rezipienten und die mit ihm verbundene Glühkathodenkammer 8 luftleer, bis ein Druck kleiner als etwa 0,01 Pa erreicht ist. Bei laufender Pumpe läßt man dann durch das Ventil 13 so viel Gas, z. B. das Edelgas Argon, einströmen, daß sich im Rezipienten ein Argondruck zwischen 0,1 Pa und 1 Pa einstellt. Man heizt dann die Glühkathode 12 und schaltet das Speisegerät 7 ein. Letzteres erzeugt eine elektrische Spannung von z. B. 100 Volt. (Um den Niedervoltbogen zu zünden, ist es zweckmäßig, die isolierte Wand mit der Öffnung 9 kurzzeitig auf Anodenpotential zu legen oder über einen Ohmschen Widerstand ständig mit dem Pluspol des Speisegerätes 7 zu verbinden, so daß die Zündung selbsttätig erfolgt.) Die durch die Öffnung 9 in den Rezipienten 1 eintretenden Elektronen folgen bei ausreichender Feldstärke (z. B. 0,01 Tesla) den Feldlinien auf gewendelten Bahnen mit sehr kleinen Radien, so daß entlang der zentralen Achse eine Plasmasäule entsteht, deren Durchmesser vom Durchmesser der Öffnung 9 bestimmt wird. Das Magnetfeld bewirkt, daß sich die Elektronen parallel zur Achse leichter bewegen können als senkrecht zur Achse. Dadurch wird der Elektronenstrom auf dem ganzen als Anode geschalteten Halter 2 verteilt. Bei einem Bogenstrom von 100 A und einer Bogenspannung von 50 V kann z. B. eine Heizleistung von etwa 3 kW (Wirkungsgrad: 60%) auf den Halter 2 und auf das Heizgut 3 übertragen werden. Die Strom-Spannungs-Charakteristik der Entladung und der Wirkungsgrad sind von der Magnetfeldstärke und vom Argon-Gasdruck abhängig.
• Die Spule 14 in dem Beispiel der Fig. 1 erzeugt im wesentlichen ein zur vertikalen Rezipientenachse paralleles Magnetfeld, und es ist ersichtlich, daß die in Achsnähe längs durch das Plasmabündel verlaufenden Magnetfeldlinien das Heizgut nicht schneiden. Im Raum zwischen dem Plasmabündel und den zu erhitzenden Flächen herrscht ein im wesentlichen achsenparalleles Magnetfeld, welches bewirkt, daß sich die Elektronen in Achsrichtung ziemlich gleichmäßig verteilen, bevor sie auf die zu erhitzenden Flächen auftreffen.
• In Fig. 2 sind funktionell entsprechende Teile gleich wie in Fig. 1 bezeichnet und zwar bedeutet wiederum 1 den Rezipienten, 2 die Haltevorrichtung für das Heizgut 3, die von der Bodenplatte 5 der Anlage getragen und dieser gegenüber durch den Isolator 4/6 elektrisch isoliert ist. An die Heizkammer ist seitlich die Glühkathodenkammer 8 angeflanscht, deren Aufbau der in Fig. 1 gezeigten Glühkathodenkammer entspricht. Außerdem ist wiederum eine Spule 14 vorgesehen, deren Achse jedoch im Gegensatz zu der Anordnung in Fig. 1 nicht mit der Längsachse des beim Betrieb aus der Glühkathodenkammer durch die Öffnung in die Heizkammer eintretenden Plasmabündels 16 zusammenfällt sondern dieser gegenüber mit einem gewissen Abstand parallel versetzt ist. Dies bewirkt, wie in Fig. 2 angedeutet, daß das durch die Öffnung 9 in die Heizkammer eintretende Plasmabündel 16 den durch die tieferliegende Spule 14 erzeugten magnetischen Feldlinien folgend, wie aus Fig. 2 ersichtlich, nach oben abgelenkt wird, wobei diejenigen magnetischen Feldlinien, welche in der Durchtrittsöffnung 9 parallel zum Plasmabündel verlaufen, das Heizgut nicht schneiden können. Andere Kraftlinien, die nicht durch die Öffnung 9 in die Heizkammer eintreten sondern etwa seitlich derselben durch die Zwischenwand zwischen der Glühkathodenkammer und der Heizkammer hindurchgehen, können zwar teilweise die zu heizenden Flächen durchstoßen, berühren den Plasmastrahl aber nicht. Im Gegensatz dazu wurde in bekannten Anordnungen das Magnetfeld gerade dazu benutzt, um das magnetischen Kraftlinien entlanglaufende Plasma auf die zu heizenden Flächen zu führen, was zu lokal stark ungleichmäßiger Erhitzung führte, da der Querschnitt des Plasmabündels eine sehr ungleichmäßige Ladungsträgerdichte besitzt. Gegenüber den bekannten Plasmaheizverfahren mit magnetischer Führung des Plasmas erbringt das erfindungsgemäße Verfahren eine wesentliche Verbesserung in der Gleichmäßigkeit der Erwärmung. Mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 beispielsweise konnte bei Erhitzung einer Charge von Werkzeugen ( Spiralbohrer aus Stahl) auf eine mittlere Temperatur von 500°C erreicht werden, daß sich zwischen den heißesten und den kältesten Stellen der Charge ein Temperaturunterschied von nur 30°C einstellte, obwohl die zu erwärmenden Werkzeuge ohne jede Strahlungsabschirmung gegen die auf Zimmertemperatur gehaltenen Wände des Rezipienten in diesem angeordnet waren. Eine derartige Gleichmäßigkeit kann mit anderen bekannten Heizverfahren nur mit einem wesentlich höheren Aufwand erkauft werden. Will man bei dem Heizverfahren nach der Erfindung etwa noch vorhandene geringe Temperaturunterschiede ausgleichen, kann man zusätzlich das Heizgut bewegen, wie dies z. B. durch den in Fig. 2 dargestellten Drehtisch ermöglicht wird.
• Unter Heizgut im Sinne der vorstehenden Beschreibung werden nicht nur Gegenstände sondern auch Materialien z. B. in Form von Pulvern.
• Ganz besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, da die hiefür benötigten Vorrichtungen oft auch für andere Verfahrensschritte eingesetzt werden können, z. B. zum Beschuß des Heizgutes mit positiven Ionen aus der Niedervoltbogenentladung. Das Heizgut liegt in diesem Falle auf einem im Vergleich zur (separaten) Anode negativen Potential, so daß Gasausbrüche am Heizgut zu Funkenentladungen führen können, welche schädliche Spuren auf dem Heizgut hinterlassen. Solche Gasausbrüche können mittels einer vorhergehenden Entgasungsphase durch Erwärmen des zu behandelnden Gutes vermieden werden. Ein Beschuß mit positiven Ionen wird z. B. bei den sogenannten Ion-Plating-Prozessen oder beim Ionitrieren durchgeführt.

Claims (8)

1. Verfahren zum gleichmäßigen Erwärmen von Heizgut in einem Vakuumrezipienten durch Beschuß des Heizgutes mit Elektronen aus einer magnetisch gebündelten Niedervoltbogenentladung, die zwischen einer im Rezipienten angeordneten Anode und einer in einer mit dem Rezipienten über eine Öffnung in Verbindung stehenden Kathodenkammer befindlichen heißen Kathode aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Heizens ein solches Magnetfeld aufrechterhalten wird, daß diejenigen Magnetfeldlinien, welche durch die Öffnung zwischen der Kathodenkammer und dem Rezipienten hindurchtreten, das Heizgut nicht durchstoßen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld aufrechterhalten wird, bei dem diejenigen Magnetfeldlinien, welche durch die genannte Öffnung hindurchtreten, die Anode der Niedervoltbogenentladung nicht durchstoßen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizgut selbst als Anode der Niedervoltbogenentladung geschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich zu erhitzender Oberflächen des Heizgutes ein zu diesen paralleles Magnetfeld aufrechterhalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizgut um das Plasmabündel herum angeordnet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizgut gleichzeitig bewegt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der folgenden mit einer evakuierbaren Heizkammer, einer darin befindlichen Haltevorrichtung für ein Heizgut und einer eine heiße Kathode enthaltenden Kathodenkammer, die über eine Öffnung für den Durchtritt des durch die Niedervoltbogenentladung erzeugten Plasmas mit der Heizkammer in Verbindung steht, sowie mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Heizkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes derart angeordnet ist, daß durch die Öffnung hindurchtretende magnetische Feldlinien das in der Haltevorrichtung der Arbeitskammer gehalterte Heizgut nicht durchstoßen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Haltevorrichtung für das Heizgut die Achse des Plasmabündels in der Heizkammer mantelförmig umgibt und eine Magnetspule zur Erzeugung eines das Plasma bündelnden Magnetfeldes vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule derart angeordnet ist, daß die von ihr erzeugten magnetischen Feldlinien, soweit sie durch die die Heizkammer und Kathodenkammer miteinander verbindende Öffnung hindurchtreten, das Heizgut umfassen.