NL8401070A - Werkwijze voor het verhitten van voorwerpen in een vacuumvat. - Google Patents

Description

"* ive >

Werkwijze voor het verhitten van voorwerpen In een vacuumvat

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verhitten van voorwerpen in een vacuumvat. Zulke werkwijzen worden bijvoorbeeld toegepast voor ontgassen, solderen, sinteren, harden en voorts samen met bekledings- of ionenbehandelingswerkwijzen. In bekende vacuumovens 5 voor warmtebehandelingen worden de te verhitten voorwerpen bijvoorbeeld omgeven door verhittingsvlakken die warmte door straling of warmtege-leiding naar de te verhitten voorwerpen overbrengen. Elektrisch geleidende voorwerpen kunnen ook door geïnduceerde stroom worden verhit, en voorts is het bekend een glimontlading als warmtebron toe te passen, 10 die in het geval van de zogenaamde abnormale ontlading het gehele oppervlak van de kathode gelijkmatig bedekt, zodat de als kathode geschakelde voorwerpen enigermate gelijkmatig kunnen worden verwarmd.

Voorts is het bekend te verhitten voorwerpen, bijvoorbeeld te smelten metalen, in vacuum te verhitten door beschieting met elektro-15 nen. Hierbij moet echter door een bijzondere geometrische opstelling van de elektronenbron ervoor worden gezorgd, dat de gewenste tempera-tuurverdeling in de te verhitten voorwerpen optreedt. Normalerwijze wordt een beschieting met elektronen toegepast voor het opwekken van een plaatselijk nauw begrensde hete plek met een groot temperatuurver-20 schil ten opzichte van de omgeving, waarvoor elektronenstralen vanwege hun gemakkelijke focusseerbaarheid bijzonder geschikt zijn.

Een speciale verhittingsvorm met behulp van het beschieten met elektronen is de verhitting met behulp van een laagspanningsboog; onder een laagspanningsboog wordt in het kader van deze beschrijving een gas-25 ontlading verstaan die brandt tussen enerzijds een kathode die door gloei-emissie elektronen emitteert en anderzijds een anode (in dit verband is het onbelangrijk of de kathode alleen door de gasontlading op de emissletemperatuur wordt gehouden of nog extra wordt verhit). Meestal wordt in de buurt van de kathode een edelgas ingebracht, bijvoor-30 beeld in de holle ruimte van een holle kathode of in een bijzondere gloeikathodekamer die via een opening is verbonden met het vacuumvat.

Het is gebruikelijk het plasma dat uit de holle kathode of uit de gloeikathodekamer door de opening in het vat komt, met behulp van een magneetveld te bundelen. De elektronen bewegen zich hierbij langs nauwe 35 schroefvormige banen waarvan de middellijnen in verregaande mate overeenkomen met de veldlijnen van het magneetveld. Inrichtingen van deze soort zijn bijvoorbeeld bekend uit het Zwitserse octrooischrift 631.743 en uit de Amerikaanse octrooischriften 3.210.454, 4.197.175 en 8401070 t , ~ 2 3.562.141. Deze octrooischriften beschrijven het verhitten van te smelten voorwerpen die als anode zijn geschakeld, met behulp van een magnetisch gebundelde laagspanningsboog die op de te smelten voorwerpen is gericht. De laagspanningsboog wordt hierbij ook toegepast voor het op-5 wekken van plaatselijk begrense hete plekken met een groot temperatuurverschil ten opzichte van de omgeving.

Men heeft ook reeds voorgesteld de plasmastraal niet direct op de te verhitten voorwerpen te richten, maar de lijnen van het magnetische veld waarlangs het plasma zich bij voorkeur kan uitbreiden, langs de te 10 verhitten voorwerpen te leiden, waardoor een bijna gelijkmatige verhitting van het oppervlak van de te verhitten voorwerpen wordt verkregen.

Maar het is gebleken, dat dan in vele gevallen de vermogensdicht-heid op de te verhitten voorwerpen (Watt per cm^) niet meer voldoende is, d.w.z. dat men de gewenste temperatuur van een werkstuk dan pas na 15 enige uren bereikt, hetgeen bij kostbare vervaardigingsinrichtingen (zoals inrichtingen voor het opdampen in vacuum) economisch zeer belangrijk is. Het is bekend dat men de vermogensafgifte aan de anode van een laagspanningsboogontlading niet willekeurig kan vergroten. Vanwege een lange traditie, maar ook vanwege de kosten, werd tot nu toe als 20 neutrale restgasatmosfeer uitsluitend argon toegepast, en de stroom-sterkte van zulk een laagspanningsboogontlading in argon kan, zoals de ervaring heeft geleerd, niet boven een bepaalde maar bij elke elektrode-opstelling weliswaar andere grens worden verhoogd teneinde het vermogen te vergroten. Het blijkt namelijk, dat de ontlading dan de neiging ver-25 toont instabiel te worden, d.w.z. voornamelijk hoogfrequente trillingen in een breed frequentiegebied op te wekken, hetgeen niet toelaatbaar is of zeer dure afschermmaatregelen noodzakelijk zou maken.

De uitvinding heeft nu ten doel een werkwijze te verschaffen voor het verhitten van voorwerpen in vacuum met behulp van een laagspannings-30 boog, waarmee op het oppervlak van de te verhitten voorwerpen een aanzienlijk grotere vermogensdichtheid en daardoor een aanzienlijk snellere verhitting dan tot nu toe kan worden verkregen, zonder dat dit vermogen beperkt moet blijven tot een brandpunt met een betrekkelijk kleine diameter. Deze werkwijze volgens de uitvinding voor het verhitten 35 van voorwerpen in een vacuumvat door beschieting van deze te verhitten voorwerpen met elektronen afkomstig van een magnetisch gebundelde laagspanningsboogontlading die in een restgasatmosfeer in stand wordt gehouden tussen een anode die in het vacuumvat is aangebracht en een hete kathode die zich bevindt in een met het vacuumvat via een opening in 40 verbinding staande kathodekamer, is hierdoor gekenmerkt, dat de rest- 84 0 1 Θ 7 0 -8“ ψ « •ί' “* 3 gasatmosfeer in hoofdzaak bestaat uit helium en/of neon.

Voor een zo gelijkmatig mogelijke verhitting van de te verhitten voorwerpen wordt aanbevolen tijdens de verhitting een zodanig magneetveld in stand te houden, dat de veldlijnen van het magneetveld die door 5 de opening tussen de kathodekamer en het vat heen gaan, niet op de te verwarmen voorwerpen en bij voorkeur ook niet op de anode vallen; het biedt bijzondere voordelen de te verhitten voorwerpen zelf als anode van de laagspanningsboogontlading te schakelen. Het is ook gebleken, dat het mogelijk is met behulp van de sterkte van het magneetveld (in-10 ductie B) de ontladingsspanning op een gewenste waarde in te stellen.

Deze spanning is groter naarmate de magnetische inductie B in het gebied van de boogontlading groter is. De toepassing van een magneetveld heeft tevens het voordeel dat de ontlading ook bij hogere spanningen stabiel brandt, en wel des te meer naarmate B groter is.

15 Of men eventueel volgens de uitvinding beter helium dan neon als restgasatmosfeer kan kiezen, hangt er van af of men een grotere of een kleinere verstuivingswerking wenst of op de koop toe wil nemen. (Het verstuivingseffect treedt op bij onderdelen of werkstukken in het vat die ten opzichte van de anode een negatieve potentiaal bezitten). Heli-20 urn veroorzaakt vanwege zijn kleiner atoomgewicht een geringere verstuiving dan neon. Soms kan het voordeel bieden een mengsel van helium en neon als restgasatmosfeer toe te passen om het verstuivingseffect (bijvoorbeeld voor een gelijktijdige reiniging, volgend op het opdampen van vlakken door middel van het zogenaamde ionen-etsen) op gepaste wijze in 25 te stellen.

Hieronder wordt de uitvinding aan de hand van voorbeelden nader verklaard.

De hierbij gevoegde figuur 1 toont een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding met een langs de as van een 30 cilindrisch vat lopende plasmastraal. De te verhitten voorwerpen zijn rondom de langs de as lopende plasmabundel opgesteld, waarbij een axiaal magneetveld ervoor zorgt dat de elektronen zich gemakkelijk in axiale richting bewegen maar in de radiale richting echter slechts door verstrooiing kunnen komen bij de als anode geschakelde, te verhitten 35 voorwerpen. Deze anisotropie met betrekking tot de bewegingsvrijheid van de elektronen veroorzaakt een gelijkmatige stroomdichtheidsverde-ling in axiale richting en derhalve een gelijkmatige verhitting van de om de as heen opgestelde, te verhitten voorwerpen.

Bij deze voorkeursuitvoering van de inrichting, waarbij de houder 40 voor de te verhitten voorwerpen de as van de plasmabundel in de verhit- 8401070 «Γ » '6- * 4 tingskamer als een mantel omgeeft en een coaxiale magneetspoel is aangebracht voor het opwekken van een magneetveld dat het plasma bundelt, omvatten derhalve steeds in zichzelf gesloten magnetische veldlijnen, voorzover zij lopen door de opening die de verhittingskamer en de ka-•5 thodekamer met elkaar verbindt, de te verhitten voorwerpen zonder dat zij deze snijden, en lopen dus langs deze voorwerpen heen. De omstandigheid dat hierbij de elektronen eerst lateraal moeten worden afgebogen uit het door het magneetveld gebundelde plasma voordat zij de te verhitten oppervlakken kunnen bereiken, heeft tengevolge dat deze elek-10 tronen wegens hun grote beweeglijkheid langs de veldlijnen van het magneetveld, maar hun geringe beweeglijkheid loodrecht erop, zich over een groot vlak op de te verhitten voorwerpen verdelen, waardoor desgewenst een aanzienlijk gelijkmatiger verhitting kan worden verkregen dan met een magnetisch gebundelde plasmastraal die direct op de te verhitten 15 voorwerpen is gericht.

In fig. 1 geeft 1 een klokvormig vacuumvat aan waarin de te verhitten voorwerpen 3 worden ondersteund door een houder 2. De houder 2 is door middel van een elektrische isolator 4 aan de bodemplaat 5 van het vat bevestigd en is via een vacuumdichte doorleiding 6 voor elek-20 trische stroom elektrisch verbonden met de positieve pool van een voe-dingsinrichting 7. Aan het bovenste deel van het vat is een gloeikatho-dekamer 8 aangebracht die via een opening 9 is verbonden met het inwendige van het vat 1. In deze gloeikathodekamer is een gloeikathode 12 aangebracht die door een isolerende plaat 11 wordt gedragen en die kan 25 bestaan uit een draad die door de doorgaande stroom wordt verhit; de kathode kan echter ook zijn uitgevoerd in de vorm van een verhitte of een zichzelf verhittende holle kathode. Een regelventiel 13 dient voor het inlaten van gassen in de gloeikathodekamer. De magneetspoel 14 wekt een magnetisch veld op dat coaxiaal is met het vat 1. Voor het uitvoe-30 ren van een verhittingsproces worden het vat en de ermede verbonden gloeikathodekamer met behulp van een pomp voor een hoog vacuum via de pompaansluiting 15 geëvacueerd totdat een druk is bereikt die kleiner is dan ongeveer 0,01 Pa. Terwijl de pomp loopt laat men nu door het ventiel 13 zoveel helium of neon, of een mengsel van deze gassen in het 35 vat stromen, dat zich daarin een druk van 0,1-1 Pa instelt. Dan wordt de gloeikathode 12 verhit en de voedingsinrichting 7 in werking gesteld. Deze laatste wekt een elektrische spanning op van bijvoorbeeld 100 Volt. (Voor het ontsteken van de laagspanningsboog is het doeltreffend de geïsoleerde wand met de opening 9 korte tijd op de anodepoten-40 tiaal te brengen of blijvend via een ohmse weerstand te verbinden met 1401070 * % 1' -¾ 5 de positieve pool van de voedingsinrichting 7, zodat de ontsteking vanzelf plaatsvindt). De door de opening 9 in het vat 1 komende elektronen volgen bij een voldoende veldsterkte (bijvoorbeeld 0,01 Tesla) de veld-lijnen via spiraalbanen met zeer kleine stralen, zodat langs de centra-5 le as een plasmazuil ontstaat waarvan de doorsnede wordt bepaald door de doorsnede van de opening 9. Mét een boogstroom van 100 A en en hoogspanning van 70 V kan bijvoorbeeld een verhittingsvermogen van ongeveer 4,2 kW (rendement: 60%) naar de houder 2 of de te verhitten voorwerpen 3 worden overgebracht.

10 De spoel 14 in het voorbeeld van fig. 1 wekt in hoofdzaak een mag neetveld op dat evenwijdig is aan de verticale as van het vat, en het is duidelijk dat de in de buurt van de as door de plasmabundel lopende veldlijnen van het magneetveld de te verhitten voorwerpen niet snijden.

In de ruimte tussen de plasmabundel en de te verhitten oppervlakken is 15 eveneens een in hoofdzaak evenwijdig aan de as lopend magneetveld aanwezig dat, zoals reeds is vermeld, ervoor zorgt dat de elektronen zich in de richting van de as betrekkelijk gelijkmatig verdelen voordat zij de te verhitten oppervlakken treffen.

Met de inrichting volgens fig. 1 kon bij een lading van werktuigen 20 (stalen spiraalboren) binnen 12 minuten een verhitting tot een gemiddelde temperatuur van 350°C worden verkregen, waarbij tussen de heetste en de koudste plaatsen van de lading een temperatuurverschil van slechts 25°C ontstond; dit resultaat werd verkregen zonder dat de in het vat opgestelde, te verhitten werktuigen op enigerlei wijze ten op-25 zlehte van de op kamertemperatuur gehouden wanden van het vat tegen straling waren afgeschermd. Zulk een snelle en gelijkmatige verhitting kon met andere bekende verhittingswerkwijzen slechts worden verkregen met aanzienlijk meer complicaties en kosten. Welke voordelen alleen reeds worden verkregen door helium in plaats van argon als restgas-30 atmosfeer toe te passen, blijkt uit de hierna volgende tabel, waarin voor de beschreven inrichting de tijden zijn aangegeven die bij een boogstroom van 180 Ampère voor het verhitten van dezelfde lading van te verhitten voorwerpen tot de aangegeven temperatuur nodig waren bij argon en helium: 8401070 6

^ 'w A

Verhittingstijd in minuten 5 Temperatuur argon helium 200 17,0 4,9 250 25,5 6,9 300 36,8 9,3 10 350 54,0 12,0 400 110,0 15,6

Het blijkt dus, dat met helium als restgasatmosfeer een aanzien-15 lijke verkorting van de verhittingstijd wordt verkregen, en wel reeds tot bijna 1/4 voor temperaturen lager dan ongeveer 300°C. Een soortgelijke grote verkorting van de verhittingstijd verkrijgt men ook met neon·

Als men bij het verhittingsprocêdé volgens de uitvinding eventueel 20 nog aanwezige kleine temperatuurverschillen van de te verhitten voorwerpen volledig wil compenseren, kan men deze voorwerpen bovendien bewegen, bijvoorbeeld door de houder 2 om zijn verticale as te laten draaien.

Onder te verhitten voorwerpen worden in de beschrijving niet al-25 leen voorwerpen verstaan, maar ook stoffen, bijvoorbeeld in de vorm van poeders.

De werkwijze volgens de uitvinding biedt dikwijls bijzondere voordelen doordat de hiervoor benodigde inrichtingen ook nog voor andere werkwijzestappen kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld voor het beschie-30 ten van de te verhitten voorwerpen met positieve ionen afkomstig uit de laagspanningsboogontlading.

8401070

Claims (6)

1. Werkwijze voor het verhitten van voorwerpen in een vacuumvat door beschieting van de te verhitten voorwerpen met elektronen afkomstig uit een in een restgasatmosfeer in stand gehouden, magnetisch ge- 5 bundelde laagspanningsboogontlading tussen een anode die in het vat is aangebracht en een hete kathode die zich bevindt in een met het vat via een opening in verbinding staande kathodekamer, met het kenmerk, dat de restgasatmosfeer in hoofdzaak bestaat uit helium en/of neon.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat tijdens het 10 verhitten een zodanig magneetveld wordt gehandhaafd, dat de veldlijnen van dit magneetveld die door de opening tussen de kathodekamer en het vat heen gaan, de te verhitten voorwerpen niet snijden.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat een magneetveld in stand wordt gehouden waarvan de veldlijnen die door de genoemde 15 opening heen gaan de anode van de laagspanningsboogontlading niet snijden.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de te verhitten voorwerpen zelf als anode van de laagspanningsboogontlading zijn geschakeld.

5. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat in het ge bied van de te verhitten oppervlakken van de te verhitten voorwerpen een hieraan evenwijdig lopend magneetveld wordt gehandhaafd.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de te verhitten voorwerpen in de vorm van een mantel rondom de plasmabundel wor-25 den opgesteld. ********** 8401070