DE3406953C2

DE3406953C2 - Verfahren zum Erwärmen von Heizgut in einem Vakuumrezipienten

Info

Publication number: DE3406953C2
Application number: DE3406953A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Frastanz Schmid
Original assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden De GmbH
Current assignee: Balzers Hochvakuum 6200 Wiesbaden De GmbH
Priority date: 1983-04-19
Filing date: 1984-02-25
Publication date: 1986-03-13
Also published as: IT1173487B; SE8402168D0; SE8402168L; FR2544952A1; JPH0452600B2; GB8409959D0; ES531007A0; DE3406953A1; BE899450A; NL8401070A; IT8420239A0; ES8503428A1; GB2140199A; JPS59205190A

Abstract

Für die Behandlung eines Gutes unter Vakuum, z. B. vor dem Aufdampfen einer Schicht, ist häufig eine Erwärmung auf eine vorbestimmte Temperatur notwendig; die hierfür erforderliche Zeit geht wesentlich in die Produktionskosten ein. Zum Aufheizen kann eine Niedervoltbogenentladung zwischen dem Heizgut (3) als Anode und einer (in einer mit dem Rezipienten (1) über eine Öffnung (9) in Verbindung stehenden Kathodenkammer (8) befindlichen heißen Kathode (12) verwendet werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, in Verbindung damit nicht, wie bisher ausschließlich üblich, Argon sondern Helium und/oder Neon als Restgasatmosphäre zu verwenden. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß auf diese Weise eine wesentlich höhere Wärmeleistung als mit Argon auf das Gut (3) übertragen, also die erforderliche Heizzeit abgekürzt werden kann, ohne daß die Bogenentladung instabil wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen von Heizgut in einem Vakuumrezipientep-Solche Verfahren werden z. B. zum Entgasen, Löten, Sintern, Härten und in Verbindung mit Beschichtungs- oder lonenbehandlungsverfahren verwendet. 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 einigermaßen 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. Normalerweise wird Elektronenbeschuß eingesetzt zur Erzeugung lokal eng begrenzter heißer Stellen mit großen Temperaturunterschieden zur Umgebung, wozu sich die 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

ίο 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 bündeln. Die Elektronen bewegen sich dabei auf engen Schraubenbahnen, deren Mittellinien weitgehend den Feldlinien des Magnetfeldes entsprechen. Anordnungen dieser Art sind z. B. aus CH-PS 6 31 743 sowie aus den US-Patentschriften 32 10 454 und 41 97 175 und 35 62 141 bekannt. Diese Patentschriften beschreiben das Erhitzen eines Schmelzgutes, welches als Anode geschaltet ist, mittels eines magnetisch gebündelten Niedervoltbogens, der auf das Schmelzgut gerichtet ist (zielt). Der Niedervoltbogen wird hierbei also ebenfalls zur Erzeugung lokal begrenzter heißer Stellen mit großen Temperaturunterschieden zur Umgebung verwendet.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, mit dem Plasmastrahl nicht direkt auf das Heizgut zu zielen, sondem diejenigen Magnetfeldlinien, entlang denen das Plasma sich bevorzugt ausbreiten kann, am Heizgut vorbeizuführen, womit eine fast gleichmäßige Erwärmung der Heizgutoberfläche erreicht wird. Aber es zeigt sich, daß dann in vielen Fällen die Leistungsdichte auf dem Heizgut (Watt pro cm²) nicht mehr ausreichend ist, d. h. man erzielt die gewünschte Temperatur eines Werkstücks dann oft erst in Stunden, was bei teuren Produktionsanlagen (wie Vakuurr-Bedampfungsanlagen) wirtschaftlich sehr ins Gewicht lallt. Man weiß, daß man die Leistungsabgabe an der Anode einer Niedervoltbogenentladung nicht beliebig erhöhen kann. Aus langer Tradition heraus, aber auch aus Kostengründen, wurde bisher als neutrale Restgasatmosphäre ausschließlich Argon verwendet, und die Stromstärke einer solchen Argon-Niedervoltbogenentladung darf erfahrungsgemäß nicht über eine gewisse — je nach Elektrodenanordnung zwar etwas unterschiedliche — Grenze hinaus erhöht werden, um die Leistung zu erhöhen. Es zeigt sich nämlich, daß die Entladung dann dazu neigt,

so instabil zu werden, d. h. vor allem hochfrequente Schwingungen in einem breiten Frequenzbereich zu erzeugen, was unzulässig ist oder dann sehr teure Abschirmmaßnahmen erfordern würde.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, ein Verfahren zum Erwärmen von Heizgut unter Vakuum mittels eines Niedervoltbogens anzugeben, mit dem auf der Oberfläche des Heizgutes eine wesentlich höhere Leistungsdichte und damit eine bedeutend schnellere Erwärmung als bisher erzielt werden kann, ohne daß diese Leistung auf einen Fokus relativ kleinen Durchmessers beschränkt bleiben muß. Dieses erfindungsgemäße Verfahren zum Erwärmen von Heizgut in einem Vakuumrezipienten durch Beschüß des Heizgutes mit Elektronen aus einer zwischen einer im Rezipienten angeordneten Anode und einer in einer mit dem Rezipienten über eine Öffnung in Verbindung stehenden Kaihodenkammer befindlichen heißen Kathode in einer Restgasatmosphäre aufrecherhaltenen magnc-

lisch gebündelten Niedervoltbogenentladung, ist dadurch gekennzeichnet, daß als Restgasatmosphäre im wesentlichen Helium und/oder Neon verwendet wird.

Für eine möglichst gleichmäßige Erwärmung des Heizgutes wird empfohlen, während des Heizens ein Magnetfeld, dessen Magnetfeldlinien, welche durch die Öffnung zwischen der Kathodenkammer und dem Rezipienten hindurchtreten, das Heizgut und vorzugsweise auch die Anode nicht durchstoßen, aufrecht zu erhalten; besonders vorteilhaft ist es, das Heizgut selbst als Anode der Niedervoltbogenentladung zu schalten. Es hat sich auch gezeigt, daß es bequem möglich ist, mit Hilfe der Magnetfeldstärke (Induktion B) die Entladungsspannung auf einen gewünschten Wert einzustellen. Diese Spannung ist umso größer, je größer die magnetische Induktion B im Bereich der Bogenentladung ist. Die Anwendung eines Magnetfeldes bringt gleichzeitig den Vorteil, daß die Entladung bis zu höheren Spannungen hin stabil brennt, und zwar umso mehr, je größer B ist.

Ob man ggf. im Sinne der Erfindung besser Helium oder Neon als Restgasatmosphäre wählt, hängt davon ab, ob man eine größere oder geringere Zei-btäubungswirkung wünscht bzw. in Kauf nimmt (Der Zerstäubungseffekt tritt an Bauteilen bzw. Werkstücken im Rezipienten auf, die gegenüber der Anode ein negatives Potential aufweisen). Helium ergibt wegen seines kleineren Atomgewichtes einen kleineren Zerstäubungseffekt als Neon. Mitunter kann es vorteilhaft sein, eine Mischung von He und Ne als Restgasatmosphäre zu verwenden, um den Zerstäubungseffekt (z. B. für eine gleichzeitige Reinigung nachfolgend zu bedampfender Flächen durch sogenanntes Ionen-Ätzen) passend einzustellen).

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläüieri:

Die F i g. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung mit einem in der Achse eines zylindrischen Rezipienten verlaufenden Plasmastrahl. Das Heizgut ist um das in der Achse verlaufende Plasmabündel herum angeordnet, wobei ein axiales Magnetfeld bewirkt, daß die Elektronen sich in der axialen Richtung leicht bewegen, in radialer Richtung jedoch nur durch Streuung zu dem als Anode geschalteten zum Heizgut gelangen können. Diese Anisotropie bezüglich der Bewegungsfreiheit der Elektronen bewirkt eine gleichmäßig Stromdichte-Verteilung in axialer Richtung und damit die gleichmäßige Heizwirkungauf 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 als die stets in sich geschlossenen magnetischen Feldlinien, soweit sie durch die die Heizkammer und Kathodenkammer miteinander verbindende Öffnung hindurchtreten, das Heizgut, ohne diese zu schneiden, und zielen somit am Heizgut vorbei. Der Umstand, daß dabei die Elektronen aus dem durch das Magnetfeld gebündelten Plasma erst lateral ausgelenkt werden müssen, bevor sie die zu heizenden Flächen erreichen können, bewirkt, daß sie sich wegen ihrer großen Beweglichkeit längs der Magnetfeldlinien, aber geringen Beweglichkeit senkrecht dazu, großflächig auf d;is Heizgut verteilen, wodurch — wenn erwünscht — eine wescntlic-h gleichmäßigere Erwärmung erzieh werden kann als mit einem magnetisch gebündelten Plasmastrahl, der direkt auf das Heizgut zu gerichtet ist.

In der F i g. 1 bedeutet 1 einen glockenförmigen Vakuumrezipienten, in dem von einer Haltevorrichtung 2 das Heizgut 3 getragen ist. Die Haltevorrichtung 2 ist mittels einer elektrischen Isolation 4 an der Bodenplatte 5 des Rezipienten befestigt und wird über eine vakuumdichte Stromdurchführung 6 mit dem postitiven Pol eines Speisegerätes 7 elektrisch verbunden. Am oberen ίο Teil des Rezipienten ist eine Glühkathodenkarr.mer 8 vorgesehen 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 ein durch Stromdurchgang geheizter Draht sein kann; sie kann aber auch in Form einer geheizten oder sich selbst aufheizenden Hohlkathode ausgebildet werden. Ein Regelventil 13 dient dem Einlassen von Gasen in die Glühkathodenk£.mmer. Die Magnetspule 14 erzeugt ein zum Rezipienten 1 koaxiales Magnetfeld Vor Durchführung eines Heizprozesses wird der Rezipierte und die mit ihm verbundene Glühkathodenkammer mit Hilfe einer Hochvakuumpumpe durch den Pumpstutzen 15 evakuiert, bis ein Druck kleiner als etwa 0,01 Pa erreicht ist. Bei 1ε jfender Pumpe läßt man nun durch das Ventil 13 so viel Helium oder Neon oder eine Mischung dieser Gase einströmen, daß sich im Rezipienten ein Druck 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 en'lang der zentralen Achse eine Plasmasäule entsteht, deren Durchmesser vom Durchmesser der Öffnung 9 bestimmt wird. Mit einem Bogenstrom von 100 A und einer Bogenspannung von 70 V konnte z. B. eine Heizleistung von etwa 4,2 kW (Wirkungsgrad: 60%) auf den Halter 2 bzw. auf das Heizgut 3 übertragen werden.

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 ebenfalls ein im wesentlichen achsenpuraheles Magnetfeld, welches, wie erwähnt, bewirkt, daß sich die Elektronen in Achsrichtung zie~nlich gloichmäßig verteilen, bevor sie auf die zu erhitzenden Flächen auftreffen.

Mit der Vorrichtung gemäß F i g. 1 konnte bei einer Charge von Werkzeugen (Spiralbohrer aus Stahl) eine Erhitzung auf eine mittlere Temperatur von 35O⁰C innerhalb von 12 Minuten erreicht werden, wobei sich zwischen den heißesten und den kältesten Stellen der Charge ein Temperaturunterschied von nur 25°C einstellte; dies obwohl die zu erwärmenden Werkzeuge ohne jede Strahlungsabschirmung gegen die auf Zimmertemperatur gehaltenen Wände des Rezipienten in diesem angeordnet waren. Eine derartige Schnelligkeit und Gleichmäßigkeit der Erwärmung könnte mit anderen bekannten Heizverfahren mir mit pinpm uiocomi;,^

höheren Aufwand erkauft werden. Welcher Fortschritt schon allein dadurch erreicht wird, daß Helium anstelle von Argon als Restgasatmosphäre verwendet wird, zeigt die nachstehende Tabelle, in der für die beschriebene Anlage die Zeiten, die bei einem Bogenstrom von 180 Ampere zum Aufheizen der gleichen Heizgutcharge auf die angegebene Temperatur erforderlich waren, für Argon und Helium angegeben sind:

Temperatur	Heizzeit in	Minuten mit
	Argon	Heliuir
200	17,0	4.9
250	25,5	6.9
300	36,8	9.3
350	54,0	12.0
400	110.0	15.6

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Es zeigt sich also, daß mit Helium als Restgasatmo-Sphäre eine wesentliche Verkürzung der Heizzeit erreicht wird, nämlich schon für Temperaturen unterhalb von etwa 300^c fast auf 1/4. Eine ähnlich große Heizzeitverkürzung erzielt man auch mit Neon.

Will man bei dem Heizverfahren nach der Erfindung etwa noch vorhandene geringe Temperaturunterschiede des Heizgutes völlig ausgleichen, kann man dieses zusätzlich bewegen, z. B. die Haltevorrichtung 2 um ihre vertikale Achse rotieren lassen.

Unter Heizgut im Sinne der vorstehenden Beschrei- jo bung werden nicht nur Gegenstände, sondern auch Materialien, z. B. in Form von Pulvern, verstanden.

Ganz besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren oft deshalb, weil die hierfür benötigten Vorrichtungen auch noch für andere Verfahrensschritte eingesetzt werden können, z. B. zum Beschüß des Heizgutes mit positiven Ionen aus der Niedervoltbogenentladung.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erwärmen von Heizgut in einem Vakuumrezipienten durch Beschüß des Heizgutes mit Elektronen aus einer zwischen einer im Rezipienten angeordneten Anode und einer in einer mit dem Rezipienten über eine öffnung in Verbindung stehenden Kathodenkammer befindlichen heißen Kathode in einer Restgasatmosphäre aufrechterhaltenen, magnetisch gebündelten Niedervoltbogenentladung, dadurch gekennzeichnet, daß als Restgasatmosphäre im wesentlichen Helium und/oder Neon verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Heizens ein Magnetfeld dessen Magnetfeldlinien, welche durch die öffnung zwischen Kathodenkammer und Rezipienten hindurchtreten, das Heizgut nicht durchstoßen, aufrechterhäJten wird.

3. Verfahren nach Anspruch Ί, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld dessen Magnetfeldlinien, welche durch die öffnung zwischen Kathodenkammer und Rezipienten hindurchtreten, die Anode der Niedervoltbogenentladung nicht durchstoßen, aufrechterhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizgut selbst als Anode der Niedervoltbogenentladung geschaltet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da;: im Bereich zu erhitzender Oberflächen des Heizgutes ein zu diesen paralleles Magnetfeld aufrechterhalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizgut mantelförmig um das Plasmabündel herum angeordnet wird.