DE976529C

DE976529C - Anordnung zur Durchfuehrung technischer Prozesse mittels Glimmentladung

Info

Publication number: DE976529C
Application number: DEE8555A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Berghaus; Hans Buceck
Original assignee: Elektrophysikalische Anstalt Bernhard Berghaus
Current assignee: Elektrophysikalische Anstalt Bernhard Berghaus
Priority date: 1953-02-17
Filing date: 1954-02-11
Publication date: 1963-10-24
Also published as: NL178001B; NL83318C; US2955998A; FR1097674A; CH314340A; BE526527A; GB785878A

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Durchführung technischer Prozesse mittels Glimmentladung, bei der Teilgebiete der Gesamtoberfläche eines Werkstückes mit höherer Energie als andere Oberflächenteile desselben Werkstückes behandelt werden.

Bei der Oberflächenbehandlung von ausgedehnten Werkstücken tritt häufig das Problem auf, einen bestimmten Teil der ausgedehnten Oberfläche des betreffenden Werkstückes stärker zu härten als andere Teile der Oberfläche. Bisher war . hierzu ein bedeutender technischer Aufwand erforderlich; es mußte beispielsweise jener Teil der Oberfläche, der keine Härtesteigerung erfahren sollte, mittels einer aufgespritzten Metallschicht abgedeckt und dann das betreffende Werkstück in einer Glimmentladung von gleichmäßiger Intensität an der gesamten Oberfläche behandelt werden. Die Behandlung solcher Werkstücke in einer stromstarken elektrischen Glimmentladung ergibt aber bedeutende Betriebsschwierigkeiten; einerseits kann an den mit einer Schutzschicht versehenen Oberflächenteilen eine starke Abstäubung der Schutzschicht stattfinden, die eine Aufstäubung an den nicht mit einer Schutzschicht versehenen Oberflächenteilen oder aber andere nachteilige Wirkungen veranlassen kann, andererseits ist nach erfolgter Härtung der gewünschten Oberflächenteile eine Nachbehandlung des Werkstückes zur Beseitigung der für die Oberflächenteile nicht zulässigen Schutzschicht erforderlich.

Demgegenüber besteht das Verfahren gemäß der Erfindung darin, daß unter Anwendung des an sich bekannten Hohlkathcdeneffektes, bei dem zwei

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spannungsführende Flächen in einem Glimmentladungsgefäß einander so nahe gegenüberliegen, daß bei einem gewählten Gasdruck der Glimmentladung die Kathodenfallraumgrenzen mindestens einander berühren, dem mit höherer Energie zu behandelnden Teilgebiet der Gesamtoberfläche des Werkstückes eine diesem Teilgebiet entsprechende Hilfselektrode gegenübergestellt ist.

Die Wirkung des an sich bekannten Hohlkathodeneffektes, die darin besteht, daß bei entsprechender Einregelung des Druckes des Füllgases in Hohlkathoden die Stromdichte mehrfach größer wird als an ebenen Kathoden, wird also· gemäß der Erfindung dazu ausgenutzt, Teilgebiete der Gesamtoberfläche eines Werkstückes mit höherer Energie als andere Oberflächenteile desselben Werkstückes zu behandeln, um so das AYerkstück speziellen Beanspruchungen anzupassen. So kann beispielsweise eine Turbinenschaufel an ihrer Vorderkante mit einem ziemlich starken eindiffundierten Metallüberzug versehen werden, während die übrige Oberfläche der Turbinenschaufel nur mit einer geringen Menge des Metalls angereichert wird. In ähnlicher Weise können beliebig geformte andere Werkstücke an beliebig geformten Oberflächenteilen entsprechend behandelt werden.

Mittels der Erfindung können beliebige technische Prozesse in Glimmentladungen, wie Metallisieren, Glühen, Diffusionsglühen, Härten, Nitrierhärten oder Karburieren, durchgeführt werden. In einigen dieser Fälle wird von der Hilfselektrode in bekannter Art und Weise Material abgestäubt, in anderen Fällen, wie beim Nitrierhärten, ist dies nicht Bedingung. Unter einer »Hilfselektrode« soll dementsprechend ganz allgemein ein kathodische Gegenelektrode verstanden werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung wird der Kathodenfallrautn der einen Elektrode in einem so langen Zeitraum aufrechterhalten und gleichzeitig der Kathodenfallraum einer ihr gegenüber nahe liegenden Elektrode noch nicht abgebaut, daß die Energie der Glimmentladung in dem zwischen diesen Elektroden liegenden Raum erhöht wird.

Diese Arbeitsweise, bei der die hohe Stromdichte der Hohlkathodenentladung nur zeitweise auftritt — nämlich wenn die beiden auf den beiden Elektroden erzeugten Kathodenfallräume sich zeitlich überlappen —, hat, abgesehen davon, daß bei begrenzter mittlerer Energie kurzzeitig sehr hohe Energieimpulse erzeugt werden können, unter anderem auch den Vorteil, daß der Energieumsatz der Hohlkathodenentladung sehr feinfühlig geregelt und auf die erforderlichen Arbeitsbedingungen abgestimmt werden kann. Bei dem zeitlichen Überlappen der beiden Kathodenfallräume ist die Entionisierungszeit zu berücksichtigen. Vorzugsweise ist die Form der Hilfselektroden der Form der Werkstücke oder Werkstückteile angepaßt. Die Hilfselektrode kann das Werkstück teilweise umgeben.

Der Abstand zwischen Werkstücken, Werkstücksteilen und Hilfselektroden kann in seinem Verlauf ungleich ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Behandlungsintensität in Abhängigkeit von verschiedenen Flächenabschnitten jeder beliebigen Aufgabenstellung angepaßt werden.

Bei der Behandlung einer Mehrzahl von Werkstücken können diese in gleichmäßigem Abstand einer kleineren Anzahl von Hilfselektroden gegenüberstehen. Bei einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform umgeben bei Behandlung von Werkstücken mit Hohlräumen diese die Hilfselektrode.

Weiterhin kann in an sich bekannter Weise die Glimmentladung maximaler Energie periodisch für Zeiten von mehreren Sekunden bis zu Bruchteilen von Sekunden zwischen längeren Pausen erzeugt werden, in denen höchstens eine Glimmentladung einer geringen Energie aufrechterhalten oder die Glimmentladung völlig abgeschaltet wird.

Die Werkstücke, Werkstücksteile und/oder Hilfselektroden können dabei entweder miteinander direkt verbunden sein, so daß sie die gleiche elektrische Spannung haben, oder aber sie können, z. B. durch getrennte Stromeinführungen in das Entladungsgefäß, auf gleiche oder annähernd gleiche Spannung gebracht werden, wodurch sich noch weitere Möglichkeiten im Sinne einer Steuerung des Entladungsvorganges, d. h. der Energiekonzentration, innerhalb gewünschter Bereiche herbeiführen lassen. Vorzugsweise ergeben negative Gleichspannungen, d. h. also kathodisch geschaltete Teile, einen besonders intensiven Effekt. Jedoch ist das Verfahren auch bei Wechselstrombetrieb gut durchführbar. Man stellt bei einem gegebenen Abstand der Werkstücke oder Werkstückteile voneinander die Annäherung der Fallraumgrenzen durch die Regelung des Gasdruckes her.

Bei der Behandlung von Werkstücken mit Hohlräumen, in denen sich somit Werkstückteile mit gleichem Potential gegenüberstehen, wird die Annäherung der Fallraumgrenzen ebenfalls durch Druckregelung herbeigeführt, so z. B. bei rohrförmigen Werkstücken.

Die Erzeugung von Energiestößen kann auch durch eine periodische Änderung des Gasdruckes erfolgen, z. B. derart, daß der Gasdruck auf einen solchen Betrag erhöht wird, daß keine energiereiche Entladung mehr zwischen den Werkstücken erfolgt. Eine ähnliche Wirkung läßt sich auch mit Gasdruckherabsetzung erzielen.

Als beispielhafte Anwendung der Erfindung sei die Erzeugung eines Überzuges aus einem hochschmelzenden Metall auf ein Werkstück beschrieben: Die Fig. I zeigt einen schematisch dargestellten Glimmentladungsapparat 1, der aus einer Grundplatte 3 und einer abnehmbaren Haube 2 besteht. Durch die Grundplatte 3 führt eine Strom- iao durchführung 4, die ein zu behandelndes Rohrstück s trägt. Durch dieses Rohrstück ist eine stabförmige Hilfselektrode 7 mit Hilfe einer Abstützung 8 angeordnet. Das Rohr 5 und die Hilfselektrode 7 sind kathodisch geschaltet, während die Gefäßgrundplatte 3 anodisches Potential trägt. Die

Innenfläche 6 des Rohres 5 und der Stab J überziehen sich mit Glimmlicht, so daß sich diese beiden Glimmsäume gegenüberstehen. Sie werden durch Regelung des Gasdruckes so beeinflußt, daß sie sich schließlich berühren. In Abhängigkeit vom Gasdruck wird ein ziemlich flaches Maximum der Wirkung durchlaufen, der Prozeß ist daher gut beherrschbar, und es tritt eine außerordentliche Intensivierung der Entladungsvorgänge ein. So

ίο konnte bei Verwendung von Wasserstoff von 2,5 Torr und einem Rohr von 20 mm Durchmesser und einem Wolframstab von 2 mm Durchmesser bei einer Versuchsdauer von 20 Stunden eine Aufstäubung von Wolfram auf die Innenfläche 6 des Rohres 5 von 0,1 mm erzielt werden. Hierbei wurde eine elektrische Leistung von 20 bis 100 Watt pro Quadratzentimeter Innenfläche angelegt. An den übrigen Flächen des zu behandelnden Rohres trat nur ein Bruchteil dieser Leistung auf, und die Energiekonzentration kam auf die gewünschten Partien in vollem Umfang zur Auswirkung. Das Werkstück konnte dabei auf mäßigen Temperaturen gehalten werden, während der Wolframstab bis an seine Schmelztemperatur erhitzt werden konnte.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das eiserne Rohr 5 mit dem zentral hindurchgeführten Stab 7. Die mit Wolfram überzogene Innenfläche ist in 6 veranschaulicht.

An Stelle des Rohres 5 wird in Fig. 3 eine Turbinenschaufel 9 an ihrer Vorderkante 11 mit einem eindiffundierten, daher festhaftenden korrosions- und warmfesten Metallüberzug aus Tantal versehen. Erfindungsgemäß wird diesem zu veredelnden Teil der Turbinenschaufel 9 ein Tantalblech 10 als Hilfselektrode in einem Abstand 12 gegenübergestellt, der gleich oder kleiner ist als die doppelte Fallraumdicke, die sich bei der zur Anwendung gebrachten Glimmentladung ausbildet. Es zeigte sich, daß zwar die ganze Schaufel an ihrer Oberfläche mit geringen Mengen Tantal angereichert war, jedoch partiell auf der gestrichelten Flächen einen weit stärkeren festhaftenden Überzug aus Tantal aufwies.

Die Fig. 4 unterscheidet sich von der Fig. 3 nur dadurch, daß beispielsweise sechs Turbinenschaufeln einer solchen Veredelungsbehandlung unterworfen werden, und zwar bedeutet 14 dieTurbinenschaufeln, die um einen zentral angeordneten Tantalstab 15 angeordnet sind. Sowohl die einzelnen Turbinenschaufeln als auch der zentrale Tantalstab sind wiederum kathodisch geschaltet, so daß sich die Glimmsäume der Schaufeln und des Tantalstabes nähern oder berühren.

Die gestrichelten Flächen 13 der Schaufeln wurden auch hier wie im Beispiel 3 stark mit Tantal angereichert, so daß an allen sechs Schaufeln eine •festhaftende und korrosionsfeste Außenschicht 13 gewonnen wurde.

Claims

Patentansprüche:

ι Anordnung zur Durchführung technischer Prozesse mittels Glimmentladung, bei der Teilgebiete der Gesamtoberfläche eines Werkstücks mit höherer Energie als andere Oberflächenteile desselben Werkstückes behandelt werden, dadurch gekennzeichnet, daß unter Anwendung des an sich bekannten Hohlkathodeneffektes, bei dem zwei spannungsführende Flächen in einem Glimmentladungsgefäß einander so nahe gegenüberliegen, daß bei einem gewählten Gasdruck der Glimmentladung die Kathodenfallraumgrenzen mindestens einander berühren, dem mit höherer Energie zu behandelnden Teilgebiet der Gesamtoberfläche des Werkstückes eine diesem Teilgebiet entsprechende Hilfselektrode gegenübergestellt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenfallraum der einen Elektrode in einem so langen Zeitraum aufrechterhalten und gleichzeitig der Kathodenfallraum einer ihr genügend nahe liegenden Elektrode noch nicht abgebaut wird, daß die Energie der Glimmentladung' in dem zwischen diesen Elektroden liegenden Raum erhöht wird.
3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Werkstücken, Werkstücksteilen und Hilfselektroden in seinem Verlauf ungleich ausgebildet ist.
4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Behandlung einer Mehrzahl von Werkstücken diese in gleichmäßigem Abstand einer kleineren Anzahl von Hilfselektroden gegenüberstehen.
5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4.. dadurch gekennzeichnet, daß bei Behandlung von Werkstücken mit Hohlräumen diese die Hilfselektrode umgeben.
6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Glimmentladung maximaler Energie periodisch für Zeiten von mehreren Sekunden bis zu Bruchteilen von Sekunden zwischen längeren Pausen erzeugt wird, in denen höchstens eine Glimmentladung einer geringen Energie aufrechterhalten oder die Glimmentladung völlig abgeschaltet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Schweizerische Patentschrift Nr. 291 360;

Dosse und Mierdel, »Der elektrische Strom im Hochvakuum und in Gasen«, 2. Auf lage, Leipzig, 1945, S. 313, 308, 309;

Westphal, »Physik. Wörterbuch«, 1952, S. 560;

»Zeitschrift für technische Physik«, 1930, Nr. 2, S. 49 bis 54, die Arbeit von Günterscliulze, »Glimmentladung an Hohlkathoden«;

Mitteilung der Studiengesellschaft für elektr. Beleuchtung m.b.H., Osram-Konzern, 1938, Beitrag von A. Lompe, »Beitrag zur Erklärung der Wirkungsweise von Hohlkathoden«, S. 310, 311;