DE8313563U1

DE8313563U1 - Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen und oberflächennahen Schichten von Werkstücken,insbesondere für zahntechnische und medizinische Zwecke, aus elektrisch leitendem Material

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Publication number: DE8313563U1
Application number: DE19838313563
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-05-07
Filing date: 1983-05-07
Publication date: 1986-03-06

Description

Horst LINN, D-8459 Hirschbach 1 Heinrich-Hertz-Platz 1

\ Vorrichtung zur Behandlung von Oberflächen und oberflächennahen Schichten von Werkstücken, insbesondere für zahntechnische und medizinische Zwecke, aus elektrisch leitendem Material J

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung der Oberflächen und oberflächennahen Schichten von Werkstücken, insbesondere für zahntechnische und medizinische Zwecke, aus elektrisch leitendem Material, mit einem evakuie.rbaren, mit dem zur Plasmabildung dienenden Gas füllbaren Behälter, in welchem eine mit einer Stromzuführung versehene Halterung für das als erste Elektrode dienende Werkstück und in Abstand von dieser Halterung mindestens eine ebenfalls eine Stromzuführung aufweisende zweite Elektrode angeordnet ist.

Bei größeren Werkstücken aus Stahl, die eine besonders verschleißfeste, harte Oberflache erfordern, ist das sogenannte Plasma- oder Glimm-Nitrieren eine zur Härtung geläufige Fertigungstechnologie. Zu diesem Zweck wird das Werkstück in einen

Rezipienten eingebracht und dort unter entsprechender Druckverminderung und Einleitung eines stickstoffhaltigen Gases eine Glimmentladung erzeugt. Das Werkstück dient als Kathode, die Behälterwand im allgemeinen als Anode. Aufgrund der Glimmentladung und des vorhandenen elektrischen Feldes kommt es zur Bildung von atomarem Stickstoff bzw. Ionen, die dann auf das Werkstück aufgeschossen werden. Dort dringen sie in die Oberfläche ein, sei es entweder direkt aufgrund der den Partikeln innewohnenden Energie, sei es infolge Diffusion, die durch die gleichzeitig entretende Aufheizung das Werkstückes begünstigt wird. Durch die Einlagerung der Stickstoffatome in den Werkstoff erfolgt eine oberflächliche Härtung der Werkstücke. Außerdem ist davon auszugehen, daß der Stickstoff häufig mit Bestandteilen der Werkstück-Legierung, beispielsweise mit Chrom bei Edelstahl, reagiert. Bisher wird das sogenannte Plasma- bzw. Glimm-Mitrieren im wesentlichen nur für verhältnismäßig große Werkstücke mit relativ gleichmäßiger Gestaltung verwendet.

Gerade bei kleinen Teilen, die z.B. im Fein-Gießverfahren hergestellt sind, d.h. meist aus relativ weichen Werkstoffen bestehen, wäre es häufig technisch zweckmäßig, durch eine oberflächliche Härtung, beispielsweise durch Glimm-Nitrierung, eine verschleißfeste Oberfläche zu erzeugen. Hierbei ist z.B. an feinmechanische Sonderteile, an komplizierte Kleinteile für die'.Zahn- und Medizintechnik usw. zu denken, die beispielweise über ein Wachs-Vormode11 gegossen werden. Betrachtet man zahntechnische Teile, z.B. Träger für Brücken oder Gebisse, so war man bisher

darauf angewiesen, die der Legierung ohnehin eigene Härte zu akzeptieren. Gerade hier wäre es aber günstig, wenn man in einfacher Weise die Teile an ihrer Oberfläche härten könnte, weil dann deren Abriebfe3tigkeit erhöht wird, gleichzeitig aber die sonstigen Material-Eigenschaften, insbesondere die Elastizität usw., weitgehend erhalten bleiben.

Vor allem bei Metallteilen, die ir.it dem menschlichen Körper in Berührung kommen, spielt auch noch der Gesichtspunkt eine Rolle, daß es bei ihnen wünschenswert wäre, wenn der Titan-Gehalt möglichst.hoch ist, weil man dann körperfreunliche Legierungen erhält. Der Erhöhung des Titan-Gehaltes sind jedoch gewisse Grenzen gesetzt. Zum einen ist Titan vergleichsweise teuer und zum anderen können die Legierungs-Eigenschaften beeinträchtigt werden, wenn der Titan-Gehalt zu hoch ist. Infolgedessen wäre es günstig, eine Möglichkeit zur Verfügung zu haben, den Titan' Gehalt von Metall-Legierungen nur an deren Oberfläche zu erhöhen.

Schließlich besteht vor allem im zahn- und medizintechnischen Bereich häufig das Verlangen, irgendwelche Gußteile od. dgl., die sehr kompliziert geformt sind, oberflächlich einwandfrei zu reinigen, wobei die Verunreinigungen in vielen Fällen so fest haften, daß sie sich mit den bekannten Verfahren, beispielsweise einem Ultraschallbad, nicht entfernen lassen.

Aus der US-PS 3 282 814 ist bereits eine Vorrichtung bekannt, mittels der das Werkstück während des Ionen-

Beschüsses zumindest zeitweilig bewegt wird. Dabei ;;;.

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erfolgt eine im wesentlichen zufällige Bewegung der J

Gegenstände, wobei Gegenstände behandelt werden, die '

nicht oder nur schwierig unterstützt werden können. Beispielsweise ist daran gedacht, pulverförmiges - '■

Material, aber auch Kleinteile wie Kugeln, Schrauben I

oder sonstige Massenprodukte, zu bearbeiten, die ]

einer gleichmäßigen Oberflächenbehandlung unterzogen werden sollen. Voraussetzung für eine Wirksam- ' keit der bekannten Vorrichtung ist, daß die Behandlung der Gegenstände im elektrischen Feld entsprechend lang erfolgt, um zu. gewährleisten, daß nach den Gesetzmäßigkeiten der Statistik sich die Teilchen so stark bewegt haben, daß eine in etwa gleichmäßige Behandlung der Oberflächen der Teilchen stattgefunden hat. Ein derartiges Vorgehen mag wohl bei Massenprodukten, z.B. Kugeln, -Schrauben etc. angängig sein, weil bei diesen gewisse Differenzen in der Oberflächenbeschaffenheit höchstens eine sehr untergeordnete Rolle spielen. Ein derartiges Vorgehen ist jedoch ausgeschlossen, wenn es darum geht, vergleichsweise kompliziert geformte oder empfindliche Teile, beispielsweise feinmechanische Sonderteile, sowie komplizierte Kleinteile für die Zahn- und Medizintechnik zu behandeln. • Derartige Teile haben sehr häufig eine äußerst komplizierte Gestalt. Außerdem besitzen sie in einer Vielzahl : von Fällen nur eine relativ geringe Wandstärke, so daß es wesentlich darauf ankommt, über die gesamte Oberfläche der Teile eine etwa gleichmäßige Behandlung zu gewährleisten, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung, zumindest Verbiegung der Teile bestünde.

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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von kompliziert geformten Teilen aus leitendem Werkstoff vorzuschlagen, die es gestattet, diese Teile über ihre gesamte Oberfläche möglichst gleichmäßig zu behandeln, ohne daß die Gefahr bestünde, daß die Teile während der Behandlung beschädigt werden. Außerdem soll die Vorrichtung eine Anpassung an unterschiedlichste Werkstück-Formen gestatten.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung vorgeschlagen, die eingangs erwähnte Vorrichtung derart auszugestalten,, daß die Halterung mit einem Bewegungsantrieb verbunden ist, der jeweils einen getrennten Antriebsmotor für eine Drehbewegung und eine Verschiebebewegung der Halterung erfaßt.

Erfindungsgemäß erfolgt somit die Behandlung der Werkstücke nicht mehr in einer weitgehend zufälligen Weise. Es erfo. jt vielmehr eine genau vorbestimmte Bewegung des Werkstückes in Anpassung an dessen Form, und zwar durch Drehung bzw. Verschiebung, wobei natürlich diese beiden Beweg'ingsarten auch überlagert werden können, wenn dies - wie im Normalfall wohl stets - die Form des Werkstückes verlangt. Aufgrund dieser Art der Bewegung läßt sich auch bei kleinen, komplizierten Werkstücken eine einwandfreie Oberfläche erzeugen, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung des Werkstückes oder - infolge Abdeckung einer ungJefchmäßigen Behandlung gegeben wäre. Da eine gezielte Bewegung der Werkstücke vorgesehen

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ist, besteht auch keine Gefahr einer mechanischen Beschädigung. Selbstverständlich ist es bei einem Vorgehen nach der Erfindung nun nicht immer erforderlich, das Werkstück während der gesamten Beschießungsdauer zu bewegen. Es wäre vielmehr auch denkbar, nur eine zeitweilige Bewegung vorzusehen, beispielsweise dann, wenn vor der Härtung bzw. Anreicherung mit dem aufzuschießenden Stoff erst eine oberflächliche Reinigung des Werkstückes erfolgt. Während der Reinigung ist eine Bewegung des Werkstückes nicht unbedingt erforderlich. Die Kombination zweier Antriebsmotoren für unterschiedliche Bewegungen bietet die Möglichkeit, tatsächlich alle denkbaren Bewegungen des Werkstücks zu bewerkstelligen. Es kommt beispielsweise eine kontinuierliche, d.h. stets in einer Richtung erfolgende, Bewegung in Frage. Weiterhin sind auch intermittierende oder hin- und hergehende Bewegungen denkbar, wobei Drehbewegungen üblicherweise kontinuierlich, Verschiebebewegungen dagegen hin- und hergehend erfolgen werden. Die Art der Antriebsmotoren ist weitgehend frei wählbar; z.B. können Klein-Servomotoren, Hydraulikoder Pneumatik-Antriebe, Linear-Motoren usw. verwendet werden.

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J AIp Halterung wird nach der Erfindung mit Vorteil ein am 'S Behälter geführtes, axial verschiebliches und/oder dreh- { bares Rohr verwendet, welches gleichzeitig zur Zuführung des das Plasma bildenden Gases in den Behälter dient. Auf diese Weise wird das Gas sofort in die Nähe des Werkstückes geleitet. Zu diesem Zweck kann das die Halterung bildende-Rohr beispielsweise auch mehrere, über seinen Umfang verteilte Gas-Austrittsöffnungen aufweisen.

Um zu verhindern, dass das Gas bzw. Plasma durch Schmiermittel od. dgl., für den Bewegungsantrieb verunreinigt ^; wird, ist vorgesehen, dass der Bewegungsantrieb ausserhalb

des evakuierbaren Behälters angeordnet und die Halterung über eine gasdichte Durchführung mit dem Bewegungsantrieb verbunden ist.

Der Aufbau der Vorrichtung nach der Erfindung kann entsprechend den jeweiligen Anforderungen unterschiedlich .^ein. Beispielsweise könnte ein Metall-Behälter mit ge-

( kühlten Wänden verwendet werden. Besonders günstig ist

es jedoch, wenn gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung der evakuierbare Behälter von einem oben mit einem Deckel und unten mit einem Boden verschlossenen Quarz-Glasrohr gebildat ist, wobei der Deckel die Halterung für das Werkstück samt Bewegungsantrieb trägt, während die mindestens eine zweite Elektrode einschließlich ihrer Stromzuführung am Boden angeordnet ist. Die Verwendung eines Quarz-Glasrohres als Behälter hat mehrere Vorzüge. Zum einen besteht keinesfalls die Gefahr, dass aus der Behälterwand Material herausgeschlagen wird und das Plasma verunreinigt. Zum anderen gestattet die Verwendung eines

ι Glasrohres die ständige Beobachtung des zu behandelden

Werkstückes während des Beschüsses. Schliesslich ergeben sich auch keine Verfälschungen des Feldas zwischen Gegen-

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elektroden und Werkstück, wie dies bei aus Metall bestehenden Behältern zu befürchten wäre. Es können deswegen ohne Schwierigkeiten Elektroden unterschiedlichster Gestaltung eingesetzt werden,

Zweckmässig ist in dem Quarz-Glasrohr im Bereich des Bodens und/oder Deckels eine Isolierscheibe aus hitzebeständigem Fasermaterial angeordnet. Diese Isoliersche:.be hat zwei Aufgaben: Zum einen sorgt sie für eine Wärmedämmung gegenüber Boden und Deckel, die im allgemeinen aus Metall bestehen. Zum anderen trägt die Verwendung von Isolierscheiben aus Fasermaterial dazu bei, dass sich im Bereich des Bodens und Deckels keine Plasma-Ansammlungen bilden können, wodurch die Effektivität der Einwirkung auf das Werkstück vergrössert und verhindert wird, dass beispielsweise Lichtbogen-Durchbrüche in Richtung auf Boden und Deckel erfolgen. Um Verbrennungen der Bedienungsperson zu verhindern, ist zweckmässig das Quarz-Glasrohr von einer Abschirmung umgeben, welche mit Durchblick-Öffnungen versehen ist, beispielsweise aus Lochblech. Einer übermässigen Erwärmung von Boden und Deckel lässt sich ausserdem dadurch entgegenwirken, dass Deckel und/oder Boden mit Kühlrippen versehen sind.

Es ist nach der Erfindung weiter vorgesehen, dass der Deckel oberseitig eine den ausserhalb des Behälters angeordneten Bewegungsantrieb sowie die Stromzuführung und gegebenenfalls Gaszuführung zur Halterung umschliessende Kappe trägt.

Die Vorrichtung nach der Erfindung soll möglichst vielseitig verwendbar sein, d.h. die Behandlung von ganz unterschiedlich gestalteten Werkstücken gestatten. Dabei ist es zwar möglich, als zweite Elektroden solche Elemente vorzusehen, die die Behandlung von ganz unterschiedlich gestalteten Werkstücken gestatten. Besonders günstig ist

es jedoch, wenn die zweite Elektrode auswechselbar im Behälter angeordnet ist, weil sich dann eine besonders gute Anpassung an die jeweilige Werkstück-Geometrie erreichen lässt.

Weist die zweite Elektrode eine mit Vorwölbungen versehene' Oberfläche auf, so erreicht man eine besonders gleichmässige Verteilung des Plasmas. Es tritt kaum irgendwo überhöhte Leistung auf. Die Partikel im Plasma treffen mit unterschiedlichem Einflugwinkel auf das Werkstück auf, was bei gewissen Gitterformen zusätzlich zu höheren Eindringtiefen und damit beispielsweise zu besserer Härtung oder höherer· Anreicherung mit Titan od. dgl. führen kann.

Vor allem dann, wenn die zweite Elektrode auswechselbar im Behälter angeordnet ist, kann auch so vorgegangen werden, dass die Oberfläche der zweiten Elektrode an die Form der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes angepasst ist. In diesem Fall muss die Elektrode jeweils beim Übergang auf ein anderes Werkstück ausgewechselt werden. Eine derartige Anpassung der Elektrodenform an die Werkstückform ist allerding meist nur dann möglich, wenn das Werkstück während der Behandlung lediglich verschoben, nicht aber gedreht wird. Auf eine solche Verdrehung kann im allgemeinen bei Anpassung der Elektrodenform an die Werkstückform auch verzichtet werden. Vor allem bei hinsichtlich ihrer Form an das Werkstück angepassten Elektroden kann es durchaus auch zweckmässig sein, mehrstückige Elektroden zu verwenden, die allerdings auf dem gleichen Potential liegen sollten.

Aus der CH-PS 561 285 ist eine grundsätzlich auch für eine Vorrichtung nach der Erfindung verwendbare Regelung zur Unterdrückung der Lichtbogen-Bildung bekannt, bei der parallel zu einem Überwachungsgerät ein Serienw?.derstand vorge-

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sehen ist, der dazu dient, einen entsprechenden Spannungsabfall für das überwachungsgerät zu erzeugen. Die Ansteuerung des Überwachungsgerätes erfolgt über ein Steuergerät, das nach dem sogenannten Phasen-Anschn'ittverfahren den Zündzeitpunkt von Thyratron- oder Thyristor-Gleichrichtern bestimmt. Beim Ansprechen des Überwachungsgerätes infolge einer star-" keren Störung der Glimmentladung am Werkstück erhält bei der bekannten Einrichtung das Steuergerät einen Steuerimpuls, woraufhin im Anschluss an den nächstfolgenden Nulldurchgang der Wechselspannung im Sekundärkreis diese während einer Anzahl von Perioden unterbrochen bleibt, worauf eine Wiedereinschaltung durch einen zweiten Steuerimpuls erfolgt, der vom überwachungsgerät nach einer dort einstellbaren Verzögerungszeit automatisch abgegeben wird. Das bekannte Gerät arbeitet somit mit einer Unterbrechung der Stromversorgung für die Einrichtung, wobei diese Unterbrechung aber erst nach einer gewissen Verzögerungszeit erfolgt. Eine derartige Unterbrechung der Stromversorgung mit einem elektronischen Bauteil bzw. durch einen strom- und spannungsfesten Halbleiter, ist bei Versuchsanlagen oder Anlagen mit kleiner Leistung ohne Schwierigkeiten möglich. Bei Produktionsanlagen mit hohen Leistungen ist ein derartiges Vorgehen jedoch im Hinblick auf den Bauelemente-Aufwand unrealistisch und wesentlich zu teuer, wenn es überhaupt machbar und wegen der zu erwartenden Rückwirkungen auf das Spanhungsversorgungsnetz zulässig ist. Um diese Probleme auszuschalten, wird nun gemäss der Erfindung vorgeschlagen, dass im Speisestromkreis zur Erzeugung des elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektroden eine Sicherung gegen Lichtbogen-Bildung vorgesehen ist, die von einem Überstromrelais und/oder einer Shunt-Abschaltung gebildet ist. Bei Verwendung einer derartigen Sicherungs-Schaltung treten die vorstehend erwähnten Probleme nicht auf. Die Sicherung

schaltet die Stromversorgung ab bzw. reduziert den fliessenden Strom, sobald infolge eines Überschlages und der entsprechenden Lichtbogen-Ausbildung der Strom im Versorgungskreis plötzlich angestiegen ist. Auf diese Weise wird der Lichtbogen gelöscht und es kann dann eine normale Bestrahlung wieder aufgenommen werden. Die Vermeidung von Licht- bogen ist deswegen wesentlich, weil andernfalls die Oberfläche des Werkstückes durch konzentrierte Bestrahlung in engen Bereichen beschädigt werden könnte.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgerräßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Figur 1 ein Prinzip-Schaltbild der Vorrichtung;

Figur 2 einen Längsschnitt durch den Behälter samt Deckel und Boden der Vorrichtung;

Figuren 3a bis 3c schematisch verschiedene Ausführungsformen der Elektroden-Anordnungen je-

_v weils im Vertikalschnitt und in Drauf

sicht, und

Figur 4 in Draufsicht eine Anordnung mit an das Werkstück angepassten Elektroden.

Die Vorrichtung gemäss der Erfindung besteht, wie die Prinzip-Darstellung der Figur 1 erkennen lässt, grundsätzlich aus einem evakuierbaren Behälter 1, in welchem über eine bewegliche Halterung 2 das als eine Elektrode dienende Werkstück 3 etwa zentrisch angeordnet ist. Das Werkstück 3 dient im allgemeinen als Kathode. Das Werkstück 3 ist von einer zweiten Elek-

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trode 4, die üblicherweise an positiver Spannung liegt, also als Anode wirkt, umgeben.

Der Behälter 1 ist gasdicht verschlossen. Zur Anzeige des Druckes im Behälter dient ein Vakuum-Meter 5. Der Behälter 1 kann über die mit entsprechenden Ventilen 6 versehene Leitung 7 evakuiert werden, über die ebenfalls ein Ventil 8 aufweisende Leitung 9 kann ein zur Bildung des Plasmas verwendetes Gas, beispielsweise ein stickstoff-oder ammoniak-haltiges Gas oder ein Gas, welches Titan in Form eines Titansalzes bzw. eines Aerosol s aus einer Titansäure-Lösung enthält, eingeführt werden.

Die bewegliche Halterung 2 und damit das Werkstück 3 ist über eine Leitung 10, dieAussenelektrode 4 über eine Leitung 11 an die insgesamt mit 12 bezeichnete Stromversorgungseinrichtung angeschlossen.

Die Stromversorgungseinrichtung 12 wird vom Netz 13 gespeist. Sie umfasst bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Hochspannungsversorgung 14, cie z.B. zwischen 0 und 1000 Volt regelbar ist und einen Trenntransformator aufweist, welcher von einem Thyristorsteiler im Phasenanschnitt angesteuert wird.

Der Hochspannungsversorgung 14 nachgeschaltet ist eine Gleichrichtereinheit 15 mit einem Brückengleichrichter sowie einer kapazitiven Siebung.

Auf die Gleichrichtereinheit 15 folgt im Schaltkreis ein Oberstromrelais 16 sowie eine Shunt-Abschaltung 17,

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Sowohl das Oberstromrelais 16 als auch die Shunt-Abschaltung 17 haben die Aufgabe, ein Durchzünden des Plasmas im Behälter 1 und dadurch das Entstehen von Oberschlägen bzw. von Lichtbogen zu vermeiden. Die Ansteuerung der Shunt-Abschaltung erfolgt mittels eines verhältnismässig rasch auf Stromerhöhungen ansprechenden Halbleiter-Bauelementes, wobei dann ein Widerstand 18 in den Stromkreis zu den Elektroden 3, eingeschaltet wird, während normalerweise der Strom direkt von dem Bauteil 17 über die Leitung 19 fliesst, d.h. der Widerstand 18 überbrückt ist. Bei"Ansprechen Her Shunt-Abschaltung 17 erfolgt daher eine Reduzierung des Stromes in der Leitung 20 und somit eine entsprechende Verminderung der Feldstärke zwischen den Elektroden 3 (Werkstück) und 4 (Gegenelektrode). Sollte trotzdem der Strom in der Leitung 20 noch zu hoch sein, schaltet das Oberstromrelais 16 ab.

Zwischen Oberstromrelais 16 und Shunt-Abschaltung ist ein Messinstrument 21 für Strom bzw. Spannung angeordnet.

Die nähere Ausbildung des Behälters 1 sowie des Antriebes für die Halterung 2 ist aus Figur 2 ersichtlich. Dabei ist die Darstellung derart, dass ein insgesamt mit 22 bezeichneter Deckel auf die Behälterwandüng aufgesetzt ist, während der insgesamt mit 23 bezeichnete Boden etwas abgenommen ist.

Die in Figur 2 gezeigte Vorrichtung umfasst als Behäl ter-Aussenwand ein Quarz-Glasrohr 24, welches im allgemeinen etwa zylindrisch sein wird und an den End-

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kanten 25 plan geschliffen ist. Das Quarz-Glasrohr 24 bildet die Aussenwandung des Behälters. Zum endseitigen Abschluss des Quarzrohres 24 dienen der Boden 23 und der Deckel 22. Zu diesem Zweck weisen sowohl Boden 23 als auch Deckel 22 jeweils eine Ringnut 26 auf, in der ein Silikon-Dichtungsring 27 angeordnet ist. Boden 23 und Deckel 22 werden in geeigneter Weise gegeneinander und gegen die Endkanten 25 des Quarz-Glasrohres 24 verspannt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit davon abgesehen wurde, die hierzu verwendeten Mittel im einzelnen darzustellen.

An dem Boden 23 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel eineStromdurchführung 28 mittig angeordnet, die sowohl vakuumdicht als auch überschlagsicher ausgebildet sein sollte. Von dieser Stromdurchführung 28 geht eine Leitung 29 zu einem unterseitigen Ring 30 der in Figur 2 als Zylinder dargestellten zweiten bzw. Gegenelektrode 4. Der Ring 30 der Gegenelektrode 4, d.h. im allgemeinen der Anode, kann, gegebenenfalls unter Zwischen-Schaltung von Isolierstücken, mit dem Boden 23 verbunden werden. Es wäre selbstverständlich auch möglich, den Ring 30 aus isolierendem Werkstoff herzustellen.· in welchem Falle dann in geeigneter Weise eine Verbindung zwischen der Leitung 29 und der Gegenelektrode 4 hergestellt werden müsste.

Nahe dem Aussenumfang weisen Boden 23 und Deckel 22 jeweils eine Umfangsnut 31 auf, die in zusammengebautem Zustand der Vorrichtung (siehe Deckel-Anordnung) zur Aufnahme eines Abschirm-Zylinders 32 dient, der vorteilhafterweise mit Durchblicköffnungen 33 verse-

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hen ist. Der Abschirm-Zylinder 32 kann beispielsweise ' zu diesem Zweck aus handelsüblichem Lochblech gebil-

: det sein. Er hat insbesondere den Zweck, ein unbeab

sichtigtes Berühren des Quarz-Glasrohres 24, wel-

■■ ches höhere Temperatur annehmen kann, zu verhindern.

t Infolge der Verwendung von durchlöchertem Material für

den Abschirm-Zylinder 32 besteht, sofern die Gegenelektrode 4 ebenvalls entsprechend durchbrochen ist, die Möglichkeit, das an der Halterung 2 befestigte Werkstück 3 während der Behandlung zu beobachten.

Der Deckel 22 umfasst ein Unterteil 34, welches z.B. aus Aluminium gedreht oder gegossen sein kann. Das Unterteil 34 ist, wie die Zeichnung deutlich erkennen lässt, mit umlaufenden Kühlrippen 35 versehen. An seinem oberen Rand kann über das Unterteil 34 des Deckels 22 eine Kappe 36 gestülpt werden. Der von der Kappe ι sowie den Wänden des Unterteiles 34 des Deckels 22 um-

⁽ schlossene Raum 37 dient zur Aufnahme des Bewegungsantriebes für die Halterung 2 des Werkstückes 3 sowie _v gegebenenfalls weiterer Einrichtungselemente. Der Anschluss des Deckels 22 zum Quarz-Glasrohr 24 bzw. dem Abschirm-Zylinder 32 erfolgt in gleicher Weise wie der Anschluss des Bodens 23.

In der Bodenfläche 38 det, Unterteiles 34 des Deckels 22 ist etwa zentrisch eine Durchführung 39 vorgesehen, die gasdicht ist und sowohl eine axiale Verschiebung als auch eine Drehung der Halterung 2 gestattet.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel dient die Halterung 2 sowohl zur Stromzuführung zu dem die eine

Elektrode bildenden Werkstück 3 als auch zur Zuführung des zur Plasma-Bi1 dung.verwendeten Gases. Hierzu ist die Halterung 2 von einem Rohr gebildet, welches mit seinem oberen Ende in einer drehbaren Gaszuflihrung endet. Dieser GaszufUhrung 40 wird Gas über einen in einer gemeinsamen Versorgungsleitung 41 verlaufenden Schlauch 42 zugeführt. An dem unteren Ende des als Halterung 2 dienenden Rohres, d.h. nahe der Aufhängung 43 für das Werkstück 3, ist wenigstens eine, vorzugsweise aber mehrere, Gasaustrittsöffnung(en) 44 vorgesehen. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass das zur Plasma-Bildung verwendete Gas in unmittelbarer Nachbarschaft des Werkstückes 3 austritt.

Die Stromzuführung zur Halterung 2 und damit zu dem Werkstück 3 erfolgt über ein Kabel 45, welches ebenfalls in der gemeinsamen Versorgungsleitung 41 verläuft.

Die gemeinsame Versorgungsleitung 41, die über eine Schraubverbindung 46 an der Kappe 36 des Deckels 22 befestigt ist, nimmt neben dem Gaszuführungsschlauch und dem Stromversorgungskabel 45 für das Werkstück ausserdem noch eine Saugleitung 47 auf, die über ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Verbindungsstück, beispielsweise einen entsprechenden Schlauch, mit dem Vakuumstutzen 48 in der Bodenfläche des Deckels 22 verbunden ist. Das untere Ende des Vakuumstutzens 48 ragt in den von dem Quarz-Glasrohr 24 sowie Boden 23 und Deckel 22 begrenzten Innenraum des Behälters 1.

In der gemeinsamen Versorgungsleitung 41 können schliess-

lieh auch noch bei 49 bzw. 50 angeschlossene Steuerleitungen für den aus zwei Teilantrieben, nämlich dem Drehbewegungs-Antrieb 51 und dem Hub-Bewegungsantrieb 52 bestehenden Bswegungs-Antrieb für die Halterung 2 des Werkstückes 3 verlaufen.

Der Drehbewegungs-Antrieb 51 ist ein Klein-Servomotor, dessen Rotationsgeschwindigkeit und Bewegungsdauer über eine entsprechende Steuereinrichtung, die ohne weiteres erstellbar und deswegen nicht näher erläutert ist, wählbar sind. Der Drehantrieb 51 wirkt direkt auf die drehbare Gaszuführung 40 und damit auf das obere Ende der Halterung 2 ein, die selbstverständlich in der drehbaren Gaszuführung 40 vertikal verschieblich sein muss, um eine vertikale Bewegung des Werkstückes 3 zu bewirken.

Die Vertikai bewegung der Halterung 2 und damit des Werkstückes 3 wird über einen weiteren Klein-Servomotor 52 bewirkt, der über eine Getriebe-Untersetzung eine Exzenterscheibe 53 antreibt, welche einen Stift 54 trägt, der in einen Horizontalschlitz 55 eines auf der Halterung 2 drehbar, jedoch nicht axial verschieblich befestigten Blockes 56 eingreift. Bei Drehung der Exzenterscheibe 53 wird somit über den in den Schlitz 55 eingreifenden Stift 54 der Block 56 gehoben bzw. gesenkt, wodurch entsprechend auch die Halterung 2 und damit das Werkstück 3 gehoben und gesenkt werden können. Eine Axialverschiebung des Blokkes 56 gegenüber dem Haiterungs-Rohr 2 wird durch Bunde 57 der Halterung 2 verhindert.

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In dem Quarz-Glasrohr 24, und zwar vorzugsweise innerhalb des Bereiches der Gegenelektrode 4 sind oben und unten, d.h. im Bereich des Bodens 23 bzw. der Bodenfläche 38 des Deckels 22 jeweils Isolierscheiben 58 angeordnet, welche aus hitzebeständigern Fasermaterial bestehen, wobei es sich hier im allgemeinen um Metallfasern oder metallisierte Fasern, d.h. elektrisch-leitende Fasern handelt. Diese Isolierscheiben 58 bewirken zum einen eine entsprechende thermische Abschirmung des Bodens 23 bzw. der Bodenfläche 38 des Qeckels 22 gegen den Innenraum des Behälters 1. Zum anderen begünstigen sie einen Abbau des Plasmas in ihrem Bereich, so dass das Auftreten unerwünschter Entladungen im Boden- und Deckel bereich verhindert wird.

In den Figuren 3 und 4 sind nun noch schematisch verschiedene Elektroden-Anordnungen dargestellt, wobei jeweils gestrichelt das Werkstück 3 angedeutet ist.

Die Elektrode 4a gemäss Figur 3a ist etwa wellblechförmig gestaltet, d.h. besteht aus aneinander anschliessenden, etwa sinusförmigen Bögen, wobei die "Berge und Täler", d.h. vor- und rückspringenden Bereiche, senkrecht bzw. in Richtung der Achse 59 des Behälters 1 bzw. der Halterung 2 verlaufen. Eine derartige Anordnung ist besonders günstig, wenn das Werkstück während der Behandlung im wesentlichen nur gedreht werden soll, weil man dann eine besonders gleichmässige Beaufschlagung des Werkstückes erhält. Der Ionenstrom auf das Werkstück wird gleichmässig

verteilt. Man erhält keine Überhöhe Leistung, da keine Spitze vorhanden ist, und es ergeben sich unterschiedliche Einflugwinkel für den Aufprall der Ionen bzw. Atome auf das Werkstück.

Die Elektrode 4b der Ausführungsform gemäss Figur 3b hat ebenfalls sine etwa wellblechartige Oberfläche, wobei jedoch die Rippen horizontal verlaufen. Diese Ausführungsform ist insbesondere vorzuziehen, wenn das Werkstück im wesentlichen in Längsrichtung des Haiterungs-Rohres 2 bewegt wird.

Figur 3c zeigt schliesslich eine Gegenelektrode 4c, die auf einem in etwa zylindrischen Basisblech eine Vielzahl von noppenartigen Vorsprüngen 60 aufweist. Diese Ausführungsform stellt gleichsam eine Kombination der Form der Elektroden 4a und 4b gemäss Figuren 3a und 3b dar und ist deswegen besonders geeignet, wenn das Werkstück sowohl gedreht als auch line-, ar bewegt werden soll.

Während die Elektroden 4a bis 4c gemäss den Figuren 3a bis 3c vorzugsweise bei solchen Werkstücken zur Anwendung kommen, welche keine extremen Unterschiede in der Ausdehnung besitzen, ist die Elektrodenform gemäss Figur 4 vor allem für flache Werkstücke 3 mit relativ grosser Ausdehnung geeignet. Bei der Ausführungsform gemäss Figur 4 besteht die Gegenelektrode aus zwei Teilen 4d und 4d', die allerdings, wie bei 61 angedeutet,.1 ei tend miteinander verbunden sind. Die zum Werkstück 3 weisende Fläche 62 der Elektrode 4d ist dabei konvex gewölbt, während die entsprechende

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Fläche 62' der Elektrode 4d' konkav ausgebildet ist. Bei Verwendung einer Elektroden-Anordnung gemäss Figur 4 erfolgt natürlich üblicherweise keine Drehung des Werkstückes 3, sondern nur eine Axialverschiebung etwa senkrecht zur Zeichenebene gemäss Figur 4.

Bei einem Arbeiten mit der Vorrichtung gemäss der Erfindung, insbesondere dem erläuterten Ausführungsbeispiel, geht man wie folgt vor:

Es wird beispielsweise eine CrCo-Zah/iprothese, die im Modellguss (über das Wachs-Ausschmelz-Verfahren) erstellt wurde, zahntechnisch fertig ausgearbeitet, so dass sie die endgültig gewünschte Form hat. Diese Prothese wird dann mit einem Drähtchen, gegebenenfalls aber auch in anderer Weise, an der Werkstück-Aufhängung 43 am unteren Ende der Halterung 2 befestigt. Hieran anschliessend wird dann der Behälter 1 durch Aufbringen des Bodens 23 und Deckels 22 verschlossen. ,

Sobald der Behälter 1 verschlossen ist, wird er bis zu einem gewissen Druck, beispielsweise 10 mbar, über die Saugleitung 47 und den Vakuumstutzen 48 evakuiert, Es wird dann zwischen den Elektroden 3 und 4 (Werkstück als Kathode und Gegenelektrode als Anode) die erforderliche Gleichspannung, beispielsweise 450 V, eingestellt, und anschliessend die Gas-Zuführung über das Ventil 8 und die Leitung 9 geöffnet.

Das verwendete,, zur Plasma-Bildung dienende Gas hängt davon ab, welcher Zweck angestrebt wird. Solle eine

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Härtung durch Stickstoff-Einlagerung erfolgen, kann beispielsweise ein Stickstoff/Wasserstoff-Gemisch verwendet werden. Dieses Gas wirkt in der vom Plasma-Härten bzw. Plasma-Nitrieren her bekannten Weise. Der Stickstoff in atomarer Form reagiert mit dem nitrierbaren Chrom, das im allgemeinen in Detal-Legierungen vorhanden ist, wobei bei Beschuss des Werkstückes 3 mit Ionen oder Atomen des Gases eine oberflächliche Härtung erfolgt.

Will man dagegen das Werkstück oberflächlich derart verändern, dass seine Körperverträglichkeit verbessert wird, muss Titan eingelagert werden. Zu diesem Zweck führt man ein Gas zu, welches beispielsweise ein Titansalz oder ein Aerosol aus einer Titansäure-Lösung enthält. Dieses Gas spaltet dann Titan-Atome ab, die sich in die Werkstück-Oberfläche einlagern und dan Titangehalt im Oberflächenbereich des Werkstückes erhöhen.

Eine weitere Verwendungsmöglichkeit der Vorrichtung nach der Erfindung liegt gleichsam in einer Umkehrung der vorstehend erläuterten Verfahren, nämlich in einer teilweisen Abtragung der Oberfläche des Werkstückes. In diesem Falle wird zur Bildung des Plasmas ein Gas verwendet, welches nicht mit dem Material des Werkstückes reagiert bzw. keine Partikel enthält, die in das Gitter des fur das Werkstück verwendeten Materials eingelagert werden können. Bei Verwendung eines derartigen Gases werden die auf die Oberfläche des Werkstückes 3 unter der Wirkung des Feldes zwischen dem Werkstück 3 und der Gegenelek trode 4 aufprallenden Partikel Teile aus der Werkstück-Oberfläche abschlagen, wodurch die Oberfläche aufge-

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rauht oder gereinigt werden kann. Diese Möglichkeit ist beispielsweise wichtig, wenn beabsichtigt ist, die Haftung zwischen dem metallischen Werkstück 3 und einer dental keramischen Masse zu verbessern oder wenn es darum geht, Schleifmittelreste od. dgl. von dem Werkstück 3 zu entfernen, die sich beispielsweise durch Reinigung im Ultraschal1-Bad nicht entfernen lassen.

Wie bereits eingangs erläutert, erfolgt ein Beschuss des Werkstückes 3 durch Partikel aus dem zugeführten Gas deswegen, weil zwischen Werkstück 3 und der Gegenelektrode 4 ein elektrisches Feld ansteht. Die Stärke des elektrischen Feldes ist dabei für die Eindringtiefe der Partikel bzw. die Stärke der Einwirkung auf die Werkstück-Ocerflache verantwortlich. Weiter hängt die angelegte Spannung von der Art des verwendeten Gases ab.

Wesentlich für eine gleichmässige Oberf lächen-üehand·- lung des Werkstückes 3 ist nun, dass dieses über die Bewegungs-Antriebe 51 und 52 während der Behandlung bewegt wird, wobei entweder eine Drehbewegung oder eine Verschiebebewegung oder eine Kombination beider Bewegungen erfolgen kann. Es ist dabei auch nicht unbedingt erforderlich, dass das Werkstück während der gesamten Behandlungsdauer bewegt wird. Es sind durchaus Anwendungsfälle denkbar, wo eine Bewegung nur während eines gewissen Zeitraumes ausreicht.

Sobald das Werkstück 3 hinreichend lange behandelt ist, wird die Gaszufuhr über das Ventil 8 abgesperrt und über ein entsprechendes Belüftungsventil der Unterdruck im Behälter 1 aufgehoben. Es kann dann der Be-

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hälter 1 geöffnet und das Werkstück 3 entnommen sowie ein neues Werkstück eingesetzt werden.

Bei Wechsel des Werkstückes 3 kann es unter Umständen erforderlich werden, die Gegenelektrode 4 ebenfalls / auszutauschen, beispielsweise zwischen einer der in den Figuren 3a bis 3c und 4 gezeigten Elektroden 4a bis 4d' zu wechseln.

Abschliessend sei noch darauf hingewiesen, dass die ArbeÄts.bed.inauagen selbstverständlich variieren können .'Die vorrichtung., nach der Erfindung ist nicht nur für Dental-Legierunger, sondern auch für andere Legierungen, insbesondere solche Legierungen, die Kobalt enthalten, geeignet. In Frage kommem allerdings vorzugsweise Chrom-Kobalt-Legierungen (sogenannte "Stellite") oder Chrom-Legierungen, gegegebenenfalls in Verbindung mit einem Nickel- oder Titan-Anteil. Es können auch Edelmetal 1-Legierungen mit Gold, Silbeir, Platin und/oder Palladium verwendet werden. In gle|- _x Qlie.r Weise lassen sich-mit den- erfindungsgemässen Vorrichtung Werkstücke aus unedlen Aufbrenn-Legierungen für keramische zahn-technisehe Arbeiten oder edelmetall-reduzierte Aufbrenn-Legierungen für dentalkeramisehe Arbeiten behandeln. Die Arbeitstemperatur hängt von dem verwendeten Gas und dem Werkstück ab. üblicherweise erfolgt keine Fremdbeheizung sondern das Werkstück wird durch die. aufprallenden Partikel erhitzt. Der verwendete Druck wird üblicherweise in einem Bereich von 0,1 bis 100 mbar liegen. Die Behandlungsdauer kann sehr stark schwanken. Für die erfindungsgemäss zu behandelnde den kleinen Teile ist vermutlich von Behandlungsdauern

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zwischen einer Minute und einer Stunde auszugehen. Auch die Spannung, die zwischen den beiden Elektroden (Werkstück 3, Gegenelektrode 4) anliegt, hängt von dem angestrebten Ergebnis, insbesondere der Eindringtiefe der aufgeschossenen Partikel und deren angestrebter Konzentration ab. Normale Arbeitsspannungen liegen im Bereich zwischen etwa 100 und 1000 V. Schiiesslich kann das Verfahren nach der Erfindung nicht nur zur Einbringung von Stickstoff oder Titan verwendet werden sondern auch zur Anreicherung bzw. Veränderung der Oberfläche düs Werkstückes mittels anderer Stoffe, beispielsweise Bor, Silicium etc..

Claims

Horst LINN, D-8459 Hirschbach 1

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Behandlung der Oberflächen und oberflächennahen Schichten von Werkstücken, insbesondere für zahntechnische und medizinische Zwecke, aus elektrisch leitendem Material mit einem evakuierbaren, mit dem zur Plasmabildung dienenden Gas füllbaren Behälter, in welchem eine mit einer Stromzuführung versehene Halterung für das als erste Elektrode dienende Werkstück und in Abstand von dieser Halterung mindestens eine ebenfalls eine Stromzuführung aufweisende zweite Elektrode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

daß die Halterung (2) mit einem Bewegungsantrieb verbunden ist, der jeweils einen getrennten Antriebsmotor (51, 52) für eine Drehbewegung (51) und eine Verschiebebewegung (52) der Halterung (2) umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Halterung ein am Behälter (1) geführtes, axial verschiebliches und/oder drehbares Rohr (2) aufweist, welches gleichzeitig zur Zuführung des das Plasma bildenden Gases in den Behälter dient.

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3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Bewegungsantrieb (51, 52) außerhalb des evakuierbaren Behälters (I) angeordnet und die Halterung (2) über eine gasdichte Durchführung (3 9) mit dem Bewegungsantrieb verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der evakuierbare Behälter (1) von einem oben mit einem Deckel (22) und unuen mit einem Boden (23) verschlossenen Quarz-Glasrohr (24) gebildet ist, wobei der Deckel (22) die Halterung (2) für das Werkstück (3) samt Bewegungsantrieb (51, 52) trägt, während die mindestens eine zweite Elektrode (4) einschließlich ihrer Stromzuführung (28, 29) am Boden angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4,

• dadurch gekennzeichnet,

daß in dem Qua trz-Glasrohr (24) im Bereich des Bodens (23) und/oder Deckels (22) eine Isolierscheibe (58) aus hitzebeständigem Faseriraterial angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

daß das Quarz-Glasrohr (2^) von einer als Berührungsschutz dienenden Abschirmung (32). welche mit Durchblicköffnungen (33) versehen ist, umgeben ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

daß der Deckel (22) und/oder Boden (23) mit Kühlrippen (35) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 7,

dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (22) oberseitig eine den außerhalb des Behälters (1) angeordneten Bewegungsantrieb (51, 52) sowie die Stromzuführung (45) und gegebenenfalls Gaszuführung (42) zur Halterung (2) umschließende Kappe (36) trägt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (4) auswechselbar im Behälter (1) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (4a, 4b, 4c) eine mit Vorwölbungen (60) versehene Oberfläche aufweist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (62, 62') der zweiten Elektrode (4d, 4d') an die Form der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes (3) angepaßt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Speisestromkreis (13-20) zur Erzeugung des elektrischen Feldes zwischen den beiden Elektroden (3, 4) eine Sicherung (16, 17, 18) gegen Lichtbogenbildung vorgesehen ist, die von einem Überstromrelais (16) und/oder einer Shunt-Abschaltung (17, 18) gebildet ist.