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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues Glimmentladungsplasma-Nitrierverfahren
und einen Nitrierofen dafür,
wobei sich die zu behandelnden Metallgegenstände im Schwebepotential befinden und
wobei die notwendige Hitze bereitgestellt und das Plasma hergestellt
wird durch Glimmentladung an einem Metallschirm, der die Kathode
darstellt.
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Die
Nitridhärtung
von Metallgegenständen (Werkstücke, Werkzeuge
und andere Metallgegenstände)
zur Verbesserung ihrer Verschleißeigenschaften ist im Stand
der Technik hinlänglich
bekannt. Drei Nitridhärtungs-
oder Nitrierverfahren sind bekannt, nämlich die Immersion von Metallgegenständen in
Salzschmelzen, Nitrierung in der Gasphase und schließlich Nitrierung
in Kaltplasma.
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Derzeit
sind zwei Kaltplasmaverfahren bekannt, die die notwendigen aktiven
Reagenzien, d. h. Ionen, Elektronen und andere aktive energetisierte neutrale
Gaspartikel, bereitstellen für
die thermochemischen Reaktionen, welche auf den zu behandelnden
Gegenständen
auftreten.
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Das
gängigste
dieser Verfahren ist das ionische Nitrierverfahren, wobei die zu
behandelnden Gegenstände
in einem Ofen angeordnet werden, worin sie die Kathode darstellen
und worin die geerdeten Wände
des Ofens die Anode darstellen. Ein elektrischer Generator stellt
den Strom bereit (Impuls- oder
Gleichstrom), der zur Erhitzung des Ofens und zur Herstellung eines
Plasmas benötigt
wird.
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Zur
Herstellung des Plasmas wird ein Gas, wie etwa Stickstoff, Wasserstoff,
Methan oder andere, je nach der gewünschten Härtung, in eine Vakuumkammer
eingeführt,
wo eine Glimmentladung die aktiven Reagenzien (Ionen, Elektronen
und andere aktive, energetisierte neutrale Gaspartikel) direkt auf der
und um die Oberfläche
der zu behandelnden Metallgegenstände generiert.
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Gemäß dem zweiten
bekannten Verfahren werden die aktiven Reagenzien durch Mikrowellenentladung
in einem Plasmagenerator hergestellt, der neben und außerhalb
des Nitrierofens bereitgestellt wird. Das auf diese Weise hergestellte
Plasma wird in einen Vakuumofen geleitet, der die erhitzten, zu
behandelnden Metallgegenstände
umfasst. Dieses Verfahren ist im Stand der Technik als Post-Discharge Nitrierung
bekannt.
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Während beide
Verfahren die gewünschte Nitridhärtung bereitstellen
und die Verschleißeigenschaften
der behandelten Gegenstände
verbessern, leiden sie unter verschiedenen Nachteilen.
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Beim
ionischen Nitrierverfahren stellen die zu behandelnden Gegenstände die
Kathode dar und liefern die für
das Nitrierverfahren notwendige Hitze. Die ungleichmäßige Gestalt
und Geometrie der zu behandelnden Gegenstände erschweren die Regulierung
der Hitzeverteilung im Ofen sehr. Weiterhin, da die Zahl der Gegenstände ebenso
wie deren Form und Geometrie von einer Charge zur nächsten variieren,
ist es schwierig die Öfen
zu kalibrieren, da die Heizeigenschaften entsprechend der Charge
variieren. Dies führt
zu einer ungleichmäßigen Temperatur in
der gesamten Kammer. Wo jedoch die Temperatur in Industrieöfen nicht
ordentlich reguliert werden kann, leidet darunter die Nitrierhärtungsqualität der behandelten
Gegenstände.
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Die
Doppelfunktion der Charge, d. h. als zu behandelnde Gegenstände und
Kathode und die Schwierigkeiten der direkten Temperaturmessung an der
Kathode können
zu Hitzepunkten oder zur Überhitzung
der Kathode führen.
Solche unnötigen
Kathodenprobleme zerstören
die Gestalt und/oder Geometrie von Präzisionsgegenständen, wodurch
diese Gegenstände
wertlos werden.
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Zur
Vermeidung unerwünschter
Nebenwirkungen dieser Art sollten nur Gegenstände von zweckmäßigerweise
identischer Größe, Form
und Geometrie gleichzeitig in derselben Chargebehandelt werden.
Die ökonomische
Effizienz dieser bekannten Öfen
ist somit sehr unbefriedigend.
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Des
Weiteren müssen
die zu behandelnden Gegenstände
gründlich
von jeglichen organischen Oberflächenunreinheiten
gesäubert
und entfettet werden, bevor sie als Kathoden im Nitrierofen verwendet
werden können,
um Hitzepunkte auf der Kathode zu vermeiden.
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In
kleineren Öfen
kann die Gefahr von einpoligen Lichtbögen minimiert werden. Mit größeren Öfen erhöht sich
jedoch die Gesamtstromstärke
und somit die Gefahr von einpoligen Lichtbögen. Diese Lichtbögen beeinträchtigen
die Verwendbarkeit der behandelten Gegenstände, da sie diese zerstören oder
deren Oberflächen-
und geometrische Eigenschaften verändern.
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In
den Öfen
des Stands der Technik wandern die positiv geladenen Ionen zu der
negativ geladenen Kathode, d. h., den zu behandelnden Gegenständen und
prallen auf diese. Diese Beeinträchtigungen
können
so heftig sein, dass Metallatome aus dem Gitter geschlagen werden.
Die Gegenstände
werden einem Sandstrahl ähnlichen
Effekt ausgesetzt. Während diese
Oberflächenbeeinträchtigung
nicht dramatisch und für
die meisten Gegenstände
vollkommen toleriert werden kann, ist es unerwünscht für Hochglanzoberflächen. Diese
müssen
somit nach dem Nitrierverfahren erneut poliert werden.
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Es
ist für
jeden Fachmann offensichtlich, dass die Verwendung der Gegenstände als
Kathode und Plasmagenerator in den Öfen es sehr erschwert, Gegenstände kleiner
Bohrung oder in wirtschaftlicher Weise eine große Zahl kleiner Schieblehren
in einer Charge zu behandeln.
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Während die
Nitridhärtungsbedingungen
in kleinen Öfen
des Stands der Technik schwer zu regulieren sind, werden die Schwierigkeiten
in größeren Öfen von
Industriemaß erhöht.
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Die
Erfinder der Post-Discharge Verfahren versuchten einige der oben
diskutierten Schwierigkeiten zu überwinden.
Die Verfahren erfordern jedoch eine separate Kammer zur Plasmabildung.
Das in diesen Kammern hergestellte Plasma muss in die Nitrieröfen überführt werden,
in denen die erhitzten Gegenstände
angeordnet sind. Die gleichmäßige und
homogene Verteilung der Reagenzien auf und um die zu behandelnden
Gegenstände
ist schwer zu regulieren. Die Probleme sind offensichtlicherweise vergrößert in
großen Öfen im Industriemaßstab, wo es
sehr schwierig ist zu gewährleisten,
dass genügend
Plasma entfernte Bereiche des Ofens erreicht.
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In
diesen großen Öfen entstehen
auch Probleme aufgrund der begrenzten Haltbarkeit der Plasmapartikel.
Diese Partikel können
gegebenenfalls nicht mehr aktiv sein, wenn sie entfernte (im Vergleich
zum Gaseintritt) Bereiche des Vakuumofens erreichen. Es werden ungleichmäßig behandelte
Gegenstände
erhalten.
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Gleich
mit welchem Verfahren ist es sehr schwierig, zufriedenstellende
Resultate in großmaßstäbigen Industrieöfen und
Verfahren des Stands der Technik zu erhalten.
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WO-A-97/14172
offenbart ein Verfahren und ein Gerät zur Plasmaverarbeitung, wobei
das Plasma mittels thermionischer Filamente hergestellt wird und die
Verarbeitung in einer Kammer bei einem Gasdruck von 13,3 μPa bis etwa
133 mPa (0,01 bis etwa 100 Millitorr) durchgeführt wird.
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Es
wurden eine Zeit lang Anstrengungen unternommen, die Regulierung
der Nitridhärtungsbedingungen
der bekannten Öfen
und Verfahren zu verbessern. Eine zufriedenstellende wirtschaftliche
Lösung
wurde noch nicht offenbart.
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Es
ist somit eine Aufgabe der Erfindung, ein Glimmentladungs-Nitrierverfahren
bereitzustellen, das eine verbesserte Regulierung der Nitrierbedingungen
erlaubt, wobei die zu behandelnden Gegenstände durch Strahlung von einer
Metallschirmkathode erhitzt werden, die die zu behandelnden Gegenstände umgibt,
eine Gasmischung so in den Ofen eingeleitet wird, dass sie durch
den Schirm strömt, wobei
das notwendige Plasma durch Glimmentladung gebildet wird, bevor
diese hochionisierte Gasverbindung die Gegenstände erreicht und mit diesen reagiert,
welche entweder im Schwebepotential oder bei einer Belastung von
weniger als 1 kW gehalten werden kann.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Glimmentladungsnitrierofen
bereitzustellen, der ein wirtschaftliches, simultanes Nitrieren
von Gegenständen
unterschiedlicher Gestalt und Geometrie erlaubt. Dies wird durch
einen Ofen erreicht, bei dem die Reaktionshitze bereitgestellt und
das Plasma gebildet wird durch Glimmentladung an einer Metallschirmkathode,
die die zu behandelnden Gegenstände
umgibt und bei dem Gaszuführungen
zwischen Ofenwand und Metallschirmkathode bereitgestellt werden.
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Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich in
noch deutlicherer Weise aus der folgenden detaillierten Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
davon, wenn diese in Verbindung mit der beiliegenden Abbildung betrachtet werden,
die den Nitridhärtungsofen
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Entsprechend
des neuen Verfahrens der Erfindung werden die zu behandelnden Gegenstände in einem
Glimmentladungsnitrierofen angeordnet. Elektrischer Strom wird einem
Metallschirm zugeführt,
der die zu behandelnden Gegenstände umgibt. Hitze
wird dem Ofen und den Gegenständen
durch Strahlung von dem Schirm, der die Kathode des Ofens darstellt,
bereitgestellt. Gas wird in den Ofen zwischen den geerdeten Ofenwänden, die
die Gegenelektrode darstellen, und der Metallschirmkathode geleitet,
so dass das Gas durch den Schirm strömt. Am Schirm wird Plasma durch
Glimmentladung gebildet, so dass eine Mischung aus Ionen, Elektronen
und anderen aktiven energetisierten neutralen Gaspartikeln in Kontakt
mit den zu behandelnden Gegenständen
kommt. Die Gase werden am Boden des Ofens abgeführt.
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In
Bezugnahme auf die Abbildung besteht der Ofen 9 gemäß der Erfindung
aus einem oberen Teil 1a und einem unteren Teil 1b,
die durch eine Gasdichtung 3 verbunden sind. Ein geerdeter
Generator 4 stellt den notwendigen Impuls- oder Gleichstrom
für eine
Metallschirmkathode 5 bereit, die eine im Schwebepotential
gehaltene Auflage 8 umgibt, auf der die zu behandelnden
Gegenstände
ruhen. Dieser Schirm 5, erhitzt durch den Strom des Generators 4, erhitzt
durch Strahlung das Innere des Ofens 9. Da die Merkmale
dieses Schirms bekannt sind und im Ofen konstant bleiben, ist es
möglich,
die Ofentemperatur durch Regulierung des diesem Schirm zugeführten Stroms
in einem engen Bereich zu halten.
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Nachdem
die zu behandelnden Gegenstände
auf der Auflage 8 angeordnet werden, wird der obere Teil 1a des
Ofens auf den geerdeten unteren Teil 1b abgesenkt. Eine
Vakuumpumpe (nicht gezeigt) entfernt die im Ofen befindlichen Gase
durch eine Vakuum/Abgasleitung 2. Nach der Errichtung eines
Drucks unter 20 hPa (mbar) im Ofen, wird der Generator 4 eingeschaltet,
um dem Schirm 5 eine Leitungsdichte von 20–50 W/dm2 bereitzustellen. Wenn der Schirm die erforderliche
Temperatur, die einer inneren homogenen und einheitlichen Temperatur
von 300 bis 600°C
entspricht, erreicht hat, wird eine Gasmischung, bestehend aus Stickstoff
und neutralen Gasen wie Wasserstoff und/oder Argon, in den Ofen
auf verschiedenen Höhen
durch Gasinjektionsleitungen 6 eingeführt. Die Gasinjektionsleitungen 6 führen in
den Reaktor außerhalb
des Schirms 5, so dass die Gase durch den Schirm 5 strömen müssen. Die
Glimmentladung am Schirm 5 bildet das Plasma aus hochionisiertem
Gas, bestehend aus Ionen, Elektronen und anderen aktiven, energetisierten neutralen
Gaspartikeln, das für
die Nitrierung der auf der Auflage 8 befindlichen Gegenstände erforderlich ist.
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Da
die Gase ununterbrochen durch die Vakuum/Abgasleitung 2 abgeführt werden,
fließt
das gebildete Plasma abwärts
und um die Gegenstände
auf der Unterlage 8 herum. Die Gegenstände werden ununterbrochen in
einer sanften Strömung
der aktiven Reagenzien gebadet, bevor das Plasma durch die Leitung 2 abgeführt wird.
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Die
Gaseinführungsleitungen
sind über
die gesamte Oberfläche
des Ofens verteilt, und die Vakuum/Abgasleitung oder -leitungen
sind so angeordnet, dass eine konstante homogene Plasmaströmung um die
zu behandelnden Gegenstände
erhalten wird. Die tatsächliche
Position dieser Leitungen hängt
von der Größe und Form
des Ofens ab. Vorzugsweise wird die Vakuum/Abgasleitung 2 in
der Mitte und nahe der Bodenoberfläche der Auflage 8 bereitgestellt.
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Durch
Anordnung des Eingangs der Vakuum/Abgasleitung 2 in der
Mitte und nahe der Bodenoberfläche
der Auflage 8 wird eine kontinuierliche Plasmaströmung zu
den Gegenständen
gewährleistet,
und jeglicher Kontakt dieser Gegenstände mit den eingeleiteten unbehandelten
Gasen wird vermieden.
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Für die meisten
Anwendungen ist eine Ofentemperatur zwischen etwa 300 und 600°C ausreichend.
Für besondere
Legierungen könnte
jedoch eine höhere
Temperatur bis zu etwa 800°C
verwendet werden.
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Im
Unterschied zu den Öfen
des Stands der Technik sind es nicht die zu behandelnden Gegenstände, die
als Heizelemente und als Plasmageneratoren verwendet werden. Vielmehr
stellt der Metallschirm 5 die Kathode dar und wird sowohl
zur Beheizung des Reaktorinnenraums und der zu behandelnden Gegenstände, als
auch zur Bildung des Plasmas von Ionen, Elektronen und anderen neutralen
Teilchen, die für
die Nitrierreaktion erforderlich sind, verwendet.
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Da
kein Strom mehr auf die zu behandelnden Gegenstände angewandt wird, konnten
alle mit Überhitzung
oder Hitzepunkten, sei es durch auf den Gegenständen verbliebene Unreinheiten
oder Gestalt oder Geometrie, verbundenen Probleme überwunden
werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist
es möglich,
Teile, Werkstücke
oder Werkzeuge oder andere Gegenstände zu behandeln, ohne zu zeitaufwendigen
Reinigungs- oder Entfettungsverfahren greifen zu müssen.
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Zur
Behandlung besonderer Stahlgegenstände, zum Beispiel Edelstahlgegenstände oder
anderer Gegenstände
aus besonderen Materialien, ist oft Depolarisation oder eine Oberflächenaktivierung erforderlich.
In diesen Fällen
wird das Reinigen und Entfetten dieser Gegenstände empfohlen, bevor sie in
den Ofen geladen werden. Zur Depolarisation dieser Gegenstände wird,
wie im Verfahren des Stands der Technik, Strom an die Auflage 8 angelegt,
so dass die zu behandelnden Gegenstände, für einen kurzen Zeitraum, die
Kathode darstellen. Nachdem die Depolarisation entweder durch Plasmabildung auf
den Gegenständen
und/oder durch den oben beschriebenen Sandstrahl-ähnlichen
Effekt erreicht ist, wird der Strom an der Auflage 8 abgestellt,
um den Fortgang des erfindungsgemäßen Nitridhärtungsverfahrens mit der Auflage 8 und
den darauf befindlichen Gegenständen
im Schwebepotential zu erlauben.
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Bei
manchen Nitrierverfahren, in Abhängigkeit
von den zu behandelnden Stahllegierungen, der Geometrie der Gegenstände und/oder
der Dichte der Charge, d. h. bei sehr eng beieinander liegenden
Gegenständen,
ist das Anlegen eines schwachen Stroms an die Auflage 8 und
somit an die Gegenstände
bevorzugt. Die Gegenstände
sind somit nicht mehr im Schwebepotential, sondern stellen eine schwache
Kathode innerhalb des Ofens dar. Der Charakter einer schwachen Kathode
gewährleistet eine
gleichmäßigere Verteilung
des Plasmas auf und um die zu behandelnden Gegenstände und
verbessert somit die homogene Nitrierung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erreicht wird, weiter.
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Der
angelegte Strom gemäß dieser
Erfindung ist sehr schwach im Vergleich zu den im Stand der Technik
angewandten Stromstärken.
Somit, wogegen im Stand der Technik Belastungen von 60 bis 100 kW,
abhängig
von Charge und Größe des Ofens, auf
die Unterlage angewandt wurden, beträgt die angewandte Belastung
im erfindungsgemäßen Verfahren
weniger als 1 kW. Es ist für
den Fachmann offensichtlich, dass der angelegte Strom von der Charge der
zu behandelnden Gegenstände
abhängt.
Unabhängig
von der Charge der Gegenstände
sollte die Belastung 1 kW nicht überschreiten.
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Das
Anlegen eines schwachen Stroms an die Unterlage 8 gewährleistet
ein gleichmäßiges homogenes
Nitrierergebnis für
Gegenstände
mit einer komplizierten Geometrie und für sehr hohe Ladungsdichten
und sogar für
die Massenbehandlung kleiner Gegenstände.
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In
Anbetracht dessen, dass kein Strom oder nur ein sehr schwacher Strom
auf die zu behandelnden Gegenstände
während
des Nitrierverfahrens angewandt wird, können keine einpoligen Lichtbogenprobleme,
die die Oberflächen-,
Gestalts- oder geometrischen
Eigenschaften der Gegenstände
beeinträchtigen,
auftreten.
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Da
die Gegenstände
nicht oder nur sehr schwach negativ geladen sind, gibt es keine
heftige Beeinträchtigung
von positiv geladenen Ionen auf diese Gegenstände. Das Baden der Gegenstände auf
der Unterlage 8 durch das durch Glimm entladung am Schirm 5 gebildete
Plasma, gewährleistet
somit nicht nur, dass sich die gesamte Oberfläche einschließlich etwaiger
Löcher
oder Nischen gleichmäßig und
ununterbrochen in Kontakt mit frisch gebildetem Plasma befindet,
und dass die gesamte Oberfläche
der Gegenstände
einheitlich behandelt wird, sondern die sanfte Strömung des
Plasmas auf und um die Gegenstände,
führt nicht
zu einem Sandstrahlähnlichen
Effekt, so dass die Oberflächen
der Gegenstände überhaupt
nicht beeinträchtigt
werden.
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Für das neue
erfindungsgemäße Verfahren sind
Menge und Geschwindigkeit der Zuführung der Gasmischung in den
Ofen nicht kritisch. Es ist allein notwendig, dass eine ausreichende
Gasmenge zugeführt
wird, um die für
die Nitrierreaktion notwendigen Ionen und Teilchen zur Verfügung zu
stellen.
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Typischerweise
wird eine Mischung von Stickstoff und neutralen Gasen, wie etwa
Wasserstoff und/oder Argon verwendet. Es ist jedoch möglich dieser
Mischung andere aktive Gase hinzuzufügen, wie etwa Methan, Propan,
Schwefelwasserstoff, Fluorkohlenwasserstoff, etc. In der Tat ist
es offenkundig, dass das offenbarte Gerät und Verfahren nicht nur für Nitridhärtungsverfahren,
sondern auch zur Nitrid-Carbidhärtung,
Oxynitrid-Carbidhärtung
und Sulfonitridhärtung
verwendet werden kann. Die verschiedenen Arten der Härtung, die
erhalten werden, hängen
nur von der Zusammensetzung der reaktiven Gase ab, die in den Ofen
eingeleitet werden.
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Zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in dem neuen Ofen, sind die Zusammensetzung, Größe und andere Eigenschaften
der Metallschirmkathode 5 nicht kritisch. Aufgrund der
Tatsache, dass die Erhitzung des Ofens nicht mehr durch die Strahlung
veränderlicher
Mengen von Gegenständen
unterschiedlicher Gestalt und Geometrie erhalten wird, ist es möglich die
erfindungsgemäßen Öfen präzise zu kalibrieren.
Es ist ausreichend, die dem Schirm zugeführte Leistungsdichte zu verändern, um
die Ofentemperatur innerhalb enger Grenzen zu regulieren und eine
einheitliche Temperatur im ganzen Ofen zu erhalten.
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Bei
dem neuen erfindungsgemäßen Ofen und
Verfahren strömt
das an dem Schirm 5 gebildete Plasma sanft um die zu behandelnden
Gegenstände, unabhängig von
Größe und Form
des Ofens. Das neue Verfahren und der Ofen erlauben die wirtschaftliche
Behandlung von Gegenständen
unterschiedlicher Größe, Bohrung,
Gestalt oder Geometrie in einer einzigen Charge, sogar die Behandlung
von Massengegenständen
im Ofen ohne jegliche Beeinträchtigung
der Nitridhärtung,
oder anderer Oberflächen-, Gestalt-
oder Geometrieeigenschaften der so behandelten Gegenstände.
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Da
der Ofen nicht mehr durch Anlegen von Strom an die zu behandelnden
Gegenstände
erhitzt wird, treten Hitzepunkte oder andere Überhitzungsprobleme nicht mehr
auf. Die Bereitstellung von Hitze durch Strahlung von dem Schirm 5 gewährleistet
ein einheitliches Temperaturprofil im ganzen Ofen. Da die Strahlungshitze
durch die, einem Schirm von bekannter Größe und Eigenschaften, zugeführte Strommenge
reguliert werden kann, wird die Temperaturregulierung einfach. Durch
eine bedachte Verteilung der Gaszuführungsleitungen 6 zur
Gewährleistung einer
reichlichen und ununterbrochenen Zuführung von Plasma zu den zu
behandelnden Gegenständen, können Öfen mit
zwei oder mehr sich überlagernden Auflagen 8 hergestellt
werden, womit die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens
weiter verbessert wird.
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Es
ist für
Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich, dass der erfindungsgemäße Ofen
weiterhin mit im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ausgestattet
sein kann, wie etwa Messvorrichtungen, Sichtfenster, Zwangskühlungsvorrichtungen,
die nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung sind. Es ist weiterhin
möglich,
Elemente seltener Erden, zum Beispiel Lanthan, auf die zu behandelnden
Gegenstände
zu sprühen.
Die Elemente seltener Erden weisen eine katalysierende Wirkung auf
und beschleunigen die Diffusion des Plasmas in das Metallgitter
der Gegenstände.