DE3504936A1 - Stromdichte-steuervorrichtung - Google Patents

Stromdichte-steuervorrichtung

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DE3504936A1 DE19853504936 DE3504936A DE3504936A1 DE 3504936 A1 DE3504936 A1 DE 3504936A1 DE 19853504936 DE19853504936 DE 19853504936 DE 3504936 A DE3504936 A DE 3504936A DE 3504936 A1 DE3504936 A1 DE 3504936A1
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Description

llEDTKE - BÜHLING ~: l\iMN£ --.VlR'JP.E Vertreter beim EPA
r% f\ : . : 'ό; -" ' - :"': Dipl.-lng. H.Tiedtke *
I^LLMANN - UIRAWS-- OTRUiF Dipl.-Chem. G.Bühling
-4- Dipl.-lng. R. Kinne
35 OA 936 Dipl.-lng. R Grupe
Dipl.-lng. B. Peilmann Dipl.-lng. K Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif
Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2
Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: 0 89 - 537377 cable: Germaniapatent München
13.Februar 1985
DE 4591/ case PP1504TIRL
TI (Group Services) Limited Birmingham, Großbritannien"
S trorndichte-Steuervor richtung
Die Erfindung bezieht sich auf die Steuerung der Dichte eines elektrischen Stroms auf einem Werkstück, wobei der Strom zwischen dem Werkstück, das als eine Elektrode mit einer erste Polarität angeordnet ist, und einer weiteren Elektrode mit der entgegengesetzten Polarität fließt.
Bei mehreren technischen Ionenprozessen (manchmal als Plasmaprozesse bezeichnet), wie z.B. einer Ionen-Plattierung, einer Plasma-Einsatzhärtung oder einer Plasma-Nitrierung, beeinflußt die Dichte des elektrischen Stroms an der Oberfläche des Werkstücks dessen daraus hervorgehende Oberflächeneigenschaften. Während es allgemein sehr leicht ist, die Größe des durch das Werkstück fließenden Gesamtstroms zu bestimmen und zu steuern, ist es meist nicht so leicht festzustellen, welche Stärke dieses Stroms die erforderliche Stromdichte hervorrufen wird. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn der Prozess bei einem Stapel von Werkstücken oder bei aufeinanderfolgenden Stapeln mit einer verschiedenen Anzahl von Werkstücken durchgeführt wird, oder wenn der Prozess bei aufeinanderfolgenden Werkstücken mit verschiedener Größe oder unregelmäßiger Form durchgeführt wird.
BAD OFUGINAL
Dresdner Bank (München) KIu 3939 844 Deutsche Sunk (Muncrmnl KIo 286 1060 Postscheckamt (München) Kto 670-43-804
-5- DF, 4 591
Um den richtigen Strom zum Erzielen einer benötigten
Stromdichte berechnen zu können, ist es daher erforderlich, den Flächeninhalt der Oberfläche des Werkstücks zu ,- bestimmen, was zeitaufwendig und häufig ungenau ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, dieses Problem zu lösen.
.Q Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die dritte Elektrode als Kathode eingesetzt, wodurch das
sie umgebende Potential dem komplexen Potentialfeld in ι ο
der Nähe des Werkstücks sehr ähnlich ist, bei dem der Strom durch die Raumladung begrenzt ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, bei denen eine Plasma-Einsatzhärtung durchge-
führtwird, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Aufbau und die elektrische Schaltung eines ersten Ausführungsbeispiels.
Fig. 2 zeigt den Aufbau und die elektrische Schaltung eines zweiten Ausführungsbeispiels.
Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen Teil der in Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung.
Gemäß Fig. 1 und 2 hat ein bekannter Vakuumofen 10 einen zylindrischen Querschnitt und ist so angeordnet, daß seine Achse horizontal ausgerichtet ist. Das Gehäuse des h
Vakuumofens ist elektrisch leitfähig und über eine Lc i-
BAD OFUGlNAL
-6- DE 4591
tung 11 mit einer Stromquelle 12 verbunden.
Ein innerhalb des Vakuumofens 10 angeordneter und von ς diesem elektrisch isolierter Werkstück-Auflagetisch 13 ist an einer elektrisch leitfähigen Auflagerstangs 14 befestigt, die mit einer Leitung 15 über ein erstes Strommeßgerät 16 an der Stromquelle 12 angeschlossen ist. Die Stromquelle 12 liefert einen Gleichstrom (der konstant ,Q oder impulsförmig sein kann), wobei die Polarität so gewählt ist, daß das Gehäuse des Vakuumofens 10 die Anode und der Werkstück-Auflagetisch 13 die Kathode ist.
Eine Hilfskathode 17, die die Form einer flachen Platte .ρ- hat, ist innerhalb des Vakuumofens 10 an einer elektrisch leitfähigen Auflagerstange 18 befestigt, die vom Vakuumofen 10 isoliert und mit einer Leitung 19 über ein zweites Strommeßgerät 20 an der Auflagerstange 14 angeschlossen ist. Der Werkstück-Auflagetisch 13 und die Hilfskathode 17 haben daher stets die gleiche Spannung.
Die Lage bzw. der Abstand der Hilfskathode 17 bezüglich des Auflagetisches 13 und eines darauf befindlichen Werkstücks ist so zu wählen, daß die Stromdichte an der Oberfläche der Hilfskathode 17 im wesentlichen genauso groß wird, wie die Stromdichte auf dem Auflagetisch 13 und dem darauf befindlichen Werkstück.
Bei dem Prozess kann es sich um einen solchen mit einer
Stapelverarbeitung und einer Vakuumkammer handeln, oder 3Ü
aber um einen halbkontinuierlichen mit einer zusätzlichen Eintritts- und Austrittskammer.
Die beschriebene Vorrichtung wurde zwei Experimenten unterzogen :
bad
350A936
DE 4 591
1. Experiment
Ohne Werkstück auf dem Auflagetisch 13 betrug die gesamte Fläche der Kathode 330 cm (Auflagetisch 13 = 230 cm + Hilfskathode 17 = 100 cm ). Der Vakuumofen 10 wurde mit Wasserstoff gefüllt, der unter einem Druck von 2 Torr (266 Pa) stand und auf ungefähr 900 C erhitzt wurde. Nach Erreichen dieser Temperatur wurde der Druck mit Hilfe eines Gases, das aus Sl Methan und ansonsten aus Wasserstoff bestand, auf 10 Torr (1332 Pa) erhöht. Vorangegangene Experimente hatten gezeigt, daß bei derartigen Voraussetzungen für die Glimmentladung die Stromdichte einen Wert von 1.0 mA/cm übersteigen muß, da dies wesentlich für einen erfolgreichen Ionen-Prozess ist. Der durch das erste Strommeßgerät 16 fließende Gesamtstrom A wurde so eingestellt, daß sich verschiedene Stromdichten ergaben, wobei der entsprechende Hi Ifskathodenstrom A mit Hilfe des zweiten Strommeßgeräts 20 gemessen wurde. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt.
Gesamt- Gesamt- Hilfs- Berechnete Gemessene
Kathoden- strom A kathoden- Stromdichte Stromdichte
oberf1. strom A
(cm ) (A) (mA) (mA/cm ) (mA/cm )
330 0,66 200 2,0 2,0
330 0,99 300 3,0 3,0
330 1 ,32 400 4,0 4,0
BAD OFUGiNAL
DE 4591
2. Experiment
Der Versuchsablauf entsprach dem des ersten Experiments, mit der Ausnahme, daß auf den Auflagetisch 13 ein Werkstück mit einer Oberfläche von 240 cm gelegt wurde, wodurch sich eine wirksame Gesamt-Kathodenoberflache von
2 2
570 (
sich eine wirksame Gesamt-Kathodenoberflache 2 2
cm ergab (Auflagetisch 13 = 230 cm + Hilfskathode
2 2
17 = 100 cm + Werkstück = 240 cm ). Die Ergebnisse sind in nachstehender Tabelle aufgeführt:
Gesamt- Gesamt . Hilfs- Berechnete Gemessene
Kathoden strom A kathoden- Stromdichte Stromdichte
oberf 1 . strom A
2
(cm') (A) CmA) (mA/cm ) (mA/cm )
570 0,68 100 1,2 1,0
570 1,12 200 2,0 2,0
Die bei diesen Experimenten eingesetzte Stromquelle 12 hatte eine maximale Ausgangsleistung von 1,12 A. Man erkennt, daß die Stromdichte auf dem Werkstück leicht festzustellen und damit auf einen benötigten Wert einzustellen ist, indem man die Stromdichte auf der Hilfskathode 17 mißt. Es ist daher nicht notwendig, den Flächeninhalt der Oberfläche des Werkstücks zu berechnen.
Obwohl die Experimente anhand einer Plasma-Einsatzhärtung beschrieben wurden, ist die Vorrichtung natürlich auch für andere Ionen-Oberflächenbehandlungs-Prozesse eines Werkstücks verwendbar, wie z.B., bei Verwendung einer geeigneten Gasmischung im Vakuumofen 10, für eine Plasma-Nitrierung. Auch ist es möglich, die Polarität der Strom-
BAD
-9- ηΐ·: 45pi
quelle 12 umzukehren, so daß das Werkstück als Anode verwendet werden kann, wenn eine derartige Anordnung benötigt wird.
Gemäß Fig. 2 wird das Gehäuse des Ofens 10 nicht als Anode verwendet. Vielmehr ist eine getrennte Anode 21 vorgesehen, die an einer Auflagerstange 22 befestigt ist, welche innerhalb des Ofens 10 in Achsenrichtung einstellbar sein kann. Die Hilfskathode 17 und ihre Auflagerstange 18 sind in unmittelbarer Nähe des Ortes angebracht, der für die Werkstücke auf dem Auflagetisch 13 vorgesehen ist. Die Anordnung der Anoden und Kathoden innerhalb des Ofens beim zweiten Ausführungsbeispiel ist in gleicher Weise beim ersten Ausführungsbeispiel anwendbar, und umgekehrt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist auf der Oberfläche eines Werkstücks, unbeachtlich der Zahl und der Größe der Werkstücke, eine im wesentlichen konstante Stromdichte erzielbar, indem eine Bedienungsperson die von der Stromquelle 12 an der Anode 10 und der Kathode 13 erzeugte Spannung solange von Hand nachstellt, bis vom zweiten Strommeßgerät 20 die benötigte Stromdichte angezeigt wird.
Gemäß Fig. 2 weist das zweite Ausführungsbeispiel eine
Schaltung auf, die die benötigte Stromdichte automatisch konstant hält. Die in Fig. 1 gezeigten Strommeßgeräte 16 und 20 werden dabei durch entsprechende Strom-Steuereinrichtungen 1 1 6 und 120 ersetzt, die den durch sie fließen-30
den Strom anzeigen und zusätzlich eine Spannung erzeugen, die proportional zu diesem Strom ist. Diese Spannung wird jeweils über eine Leitung 23 bzw. 24 einer Trennstufe 25 bzw. 26 zugeführt. Diese wiederum sind über Leitungen 27 ot_ bzw. 28 mit einer Steuereinheit 29 verbunden. Die Steuereinheit 29 vergleicht die Spannungen der Leitungen Il und
BAD ORIGINAL
-10- DK 4591
28 mit einer von Hand einstellbaren Bezugsspannung und gibt über eine Leitung 30 solange eine Steuerspannung zum Hinstellen der Stromquelle 12 ab, bis die von dieser erzeugte Spannung die auf der Hilfskathode 17 erforderliche Stromdichte einprägt.
In manchen Anwendungsfällen ist es möglich, die Strom-Steuereinrichtung 116 und die dazugehörende Trennstufe 25
jQ mit Leitungen 23 und 27 wegzulassen. In einem solchen Fall wird in der Steuereinheit 29 die Spannung der Leitung 28 ledigl ichrnit der von Hand einstellbaren Bezugsspannung verglichen. Die Steuereinheit 29 erzeugt wiederum die erforderliche Steuerspannung, die über die Leitung 30
, p- zur Stromquelle 12 geleitet wird.
Die Fig. 3 zeigt ein Verfahren zur Befestigung der Hilfskathode 17 von der Wandung des Ofens 10 aus.
Die Hilfskathode 17 hat die Form einer dicken Platte, die
z.B. eine Scheibe sein kann, deren Dicke größer als ein Fünftel ihres Durchmessers ist, so daß das sie umgebende Feld ähnlich dem eines typischen Werkstückes ist.
Die Kathode 17 ist am Finde der Auflagerstange 18 abnehmbar befestigt. Die Auflagerstange 18 ist mit einer engen Passung in elektrisch isolierende Lagerschalen 31 und 32 eingesetzt, die in einer Abschlußschraube 33 befestigt sind, welche ein konische; Außengewinde aufweist. Die Abschlußschraube 33 wird in eine mit einem entsprechenden 3Ü
konischen Innengewinde versehene Bohrung in der Wandung des Ofens 10 eingeschraubt, so daß sie leicht zu entfernen und zu ersetzen ist. Die Auflagerstange 18 wird mit einem O-Ring 24 vakuumfest gegen die Abschlußschraube 33
ahgcd ichtet.
35
-11- DH 4 5 5)1
Am außenliegenden Hndc der Auflagerstange 18 ist eine
elektrische Anschlußeinrichtung 35 befestigt. Innerhalb des Ofens 10 wird die Auflagerstange 18 von einer Schützer Isolierbuchse 36 von der Plasma-Glimmentladung isoliert.
Die erwähnte Vorrichtung zur Zufuhr der verschiedenen Gase und zur Aufrechterhaltung des benötigten Drucks gehört zum Stand der Technik und bedarf keiner weiteren Erläute-, Q rung. In ähnlicher Weise sind innerhalb des Ofens elektrische Heizvorrichtungen angebracht, durch die nach Bedarf Strom geschickt wird, um den Inhalt des Ofens zu erhitzen .
. c Offenbart ist ein Vakuumofen zur Ionen-Oberflächenbehandlung von Werkstücken, bei dem das Werkstück als eine von zwei Elektroden mit entgegengesetzter Polarität angeschlossen ist und bei dem eine dritte Elektrode in unmittelbarer Nähe des Werkstücks angeordnet und mit derselben Polarität und demselben Potential wie dieses beschaltet
ist, so daß sie derselben Stromdichte wie das Werkstück unterworfen ist, wodurch der durch die dritte Elektrode fließende Strom zur Anzeige und zur Steuerung der Stromdichte des Werkstücks verwendbar ist.
BAD OFUGlNAL # ,,
•ll-
L e e r s e i t e

Claims (11)

DE 4591 / case PP1504TIRL Patentansprüche
1. Stromdichte-Steue^vorrichtung zum Steuern der Dichte eines elektrischen Stroms auf der Oberfläche eines Werkstücks während einer Gas-Ionen-Oberflächenbehandlung des Werkstücks, mit einer Kammer (10), in der sich das Werkstück befindet und die als eine erste Elektrode mit einer ersten Polarität beschaltet ist, mit einer zweiten Elektrode, die innerhalb der Kammer wirksam angebracht und mit der entgegengesetzten Polarität beschältet ist, sowie mit einer Gasversorgungseinrichtung, die innerhalb der Kammer eine Gasatmosphäre mit erforderlicher Zusammensetzung, Temperatur und Druck schafft, gekennzeichnet durch eine innerhalb der Kammer (10) befindliche dritte Elektrode (17) mit bekannter Fläche, die mit derselben Polarität und demselben Potential wie das Werkstück beschaltet ist, sowie durch eine Strommeßvorrichtung (20), die derart angeschlossen ist, daß sie den durch die dritte Elektrode fließenden Strom mißt und dadurch die gemeinsame Stromdichte an der Oberfläche der dritten Elektrode und des Werkstücks anzeigt und/oder steuert.
2. Stromdichte-Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode als eine Kathode angeschlossen ist.
3. Stromdichte-St oucrvorr icht uiii; nach Anspruch 1
BAD OR
-2- DE 4591
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode
(17) die Form einer dicken Platte hat.
4. Stromdichte-Steuervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode eine Scheibe ist.
5. Stromdichte-Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der dritten Elektrode größer als ein Fünftel ihres Durchmessers ist.
6. Stromdichte-Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
dritte Elektrode (17) auf einem Auflager (18) befestigt ι ο
ist, das innerhalb der Kammer (10) mit einer Schicht (36) aus elektrisch isolierendem Material beschichtet ist.
7. Stromdichte-Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Gehäuse der Kammer als die zweite Elektrode verwendet wird.
8. Stromdichte-Steuervorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Posi-25
tion der zweiten Elektrode (21) in Richtung des Werkstücks und in unterschiedlicher Entfernung zu diesem einstellbar ist.
9. Stromdichte-Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine manuell bedienbare Vorrichtung zum Einstellen der Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, mit deren Hilfe eine Bedienungsperson die Potentialdifferenz so lange nachstellen kann, bis der durch
die dritte Elektrode fließende Strom einen vorbestimmten
BAD OF9G/,\'AL
-7>- DK 4 591
Wert hat.
10. Stromdichte-Steuervorrichtung nach einem der An-Sprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Potentialdifferenz-Eins te 1!vorrichtung (12), die zum Einstellen der Potentialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode beschaltet ist, sowie durch eine Vorrichtung (120, 26, 29), die auf den durch die dritte Elektrode
,Q fließenden Strom anspricht und die so beschaltet ist, daß sie die Potentialdifferenz-Einstellvorrichtung derart einstellt, daß auf dem Werkstück und der dritten Elektrode eine im wesentlichen konstante Stromdichte aufrechterhalten wird.
11. Ionenprozess-Vakuumofen mit einer Kammer,
in der sich ein Werkstück befindet und die als eine erste Elektrode mit einer ersten Polarität beschaltet ist, mit einer zweiten Elektrode, die innerhalb der Kammer wirksam angebracht und mit der entgegengesetzten Polarität beschaltet ist, sowie mit einer Gasversorgungseinrichtung, die innerhalb der Kammer eine Gasatmosphäre mit erforderlicher Zusammensetzung, Temperatur und Druck schafft, gekennzeichnet durch eine innerhalb der Kammer (10) befind- __ liehe dritte Elektrode (17) mit bekannter Fläche, die mit derselben Polarität und demselben Potential wie das Werkstück beschaltet und in der Nähe des Werkstücks angeordnet ist, sowie durch eine Strommeßvorrichtung (20, 120), die so beschaltet ist, daß sie den durch die dritte Elektrode fließenden Strom mißt und dadurch entweder eine Messung oder eine Steuerung der gemeinsamen Stromdichte an der Oberfläche der dritten Elektrode und des Werkstücks ermöglicht.
BAD
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