Vorrichtung zur Durchführung von unter der Einwirkung einer mit Wechselstrom betriebenen Gasentladung ablaufenden Prozessen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung von Gasentladungs-, insbesondere von Glimmentladungsprozessen, bei spielsweise zur Oberflächenbehandlung von metalli schen Werkstücken.
Derartige Prozesse werden bekanntlich in Ent ladungsgefässen, bei grösseren Leistungen in metalli schen Gefässen durchgeführt, die eine dem jeweiligen Zweck entsprechende Gasatmosphäre enthalten und geeignete Elektrodeanordnungen im Inneren aufwei sen, zwecks Erzeugung einer elektrischen Gas- bzw. Glimmentladung bei Zuführung genügend hoher Spannungen zu den Elektroden. Bei der Oberflächen behandlung von Werkstücken oder anderem Behand lungsgut, etwa einer Schmelze, bildet meist das Be handlungsgut eine der Elektroden und ist über eine isolierte Stromdurchführung mit einem Pol der Span nungsquelle verbunden.
Zur Durchführung der genannten Gas- und Glimmentladungsprozesse wird häufig den Elektro den Gleichspannung zugeführt, wobei das Behand lungsgut meist als Kathode, in gewissen Fällen aber auch als Anode arbeitet. Zur Erzielung besonderer Effekte wird die Gleichspannung auch periodisch ein- und ausgeschaltet oder zwischen einem höheren und einem niedrigeren Wert periodisch aufeinander folgend umgeschaltet, wobei die Hochleistungsnnter- valle kürzer oder länger als die Zwischenintervalle sein können.
Häufig wird den Elektroden auch tech nischer Wechselstrom von 50 Hz zugeführt, meist einphasig, bei entsprechender Elektrodenanordnung aber auch mehrphasig. Auch diese Wechselspannung kann impulsartig ein- und ausgeschaltet werden oder in aufeinanderfolgenden Intervallen einen höheren bzw. niedrigeren Amplitudenwert besitzen.
In der Vergangenheit wurden gelegentlich bereits Unterschiede in der Wirksamkeit eines mit Gleich- oder mit Wechselspannung betriebenen Gas- bzw. Glimmentladung beobachtet. Jedoch konnten aus den jeweiligen Ergebnissen nicht ermittelt werden, worauf der Unterschied beruht und gewöhnlich wurde empirisch festgestellt, ob Gleich- oder Wechsel spannung für einen bestimmten durchzuführenden Prozess geeigneter sei.
Auf Grund von systematisch durchgeführten Un tersuchungen hat sich aber nunmehr gezeigt, dass sich bei Verwendung von Wechselstrom durch An passung der Frequenz des Wechselstroms an den jeweils durchzuführenden Prozess wesentlich bessere Ergebnisse erzielen lassen. Die erfündungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung von Prozessen, die in einem Entladungsgefäss unter Einwirkung einer mit Wechselstrom betriebenen Gasentladung ablau fen, kennzeichnet sich dadurch, dass Mittel vorgese hen sind, welche es erlauben, die Frequenz der spei senden Wechselspannung zu verändern.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Figur näher erläutert.
Das im Prinzipschema gezeichnete Ausführungs beispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt ein Glimmentladungsgefäss 1 aus Metall mit den Gaszufuhr- und Gasabsaugleitungen 2 bzw. 3 und dem im Inneren isoliert aufgehängten Werkstück 4, das z. B. in bekannter Weise in der Glimmentladung an der Oberfläche nitriert und gehärtet werden soll. Hierzu wird im Gefäss 1 eine stickstoffhaltige Atmo sphäre, z.
B. aus 30 Vol.o/o-, Stickstoff und 70 Vol 9/o Wasserstoff, bei einem Druck im Bereich von etwa 1 bis 100 mm Hg geschaffen, wobei zu Beginn des Prozesses zweckmässigerweise zwischen 1 bis 10 mm Hg Druck eingestellt und der Druck dann erst er- höht wird. Das Werkstück 4 ist über die isoliert im Gefäss 1 angeordnete Stromdurchführung 5 mit dem einen Ende der Sekundärwicklung 6 verbunden.
An der Sekundärwicklung wird durch den Abgriff 7 eine Spannung der gewünschten Höhe abgenommen, bei spielsweise zwischen 400 und 600 Volt, und über eine weitere isoliert im Gefäss 1 angebrachte Strom durchführung 8 mit der Gegenelektrode 9 im Gefäss 1 verbunden. Entsprechend der zwischen dem Werk stück 4 und der Gegenelektrode 9 herrschenden Spannung bildet sich zwischen ihnen eine elektri sche Glimmentladung aus. Da hier von der @Sekun- därwicklung 6 eine Wechselspannung geliefert wird, bildet das Werkstück 4 abwechselnd die Kathode bzw. die Anode in der Entladung.
Ausser der Sekundärwicklung 6 weist der Trans formatorkern 10 hier zwei in Reihe geschaltete Pri märwicklungen lla bzw. llb auf, die im vorliegen den Ausführungsbeispiel gleiche Windungszahl be sitzen. Gespeist werden die beiden Primärwicklun gen abwechselnd aus den am Drehstromnetz 14 an geschlossenen Gleichrichtern 12a bzw. 12b über die Schaltorgane 13a bzw. 13b, die im einfachsten Fall als Ein/Aus-Schalter, bei grösseren Leistungen aber als steuerbare elektronische Ventile ausgebildet sind. Die Öffnung oder Schliessung der Schaltorgane 13a, 13b erfolgt über das Steuergerät 15 im Gegentakt und mit einem zeitlich veränderbaren Rhythmus.
Also entsteht, bei gleichem Windungssinn der Pri märwicklungen 11a, 11b und der angedeuteten Rich tung der Ströme i" und ib, im Kern 10 ein in seiner Richtung wechselnder Magnetfluss, der in der Sekun därwicklung 6 die gewünschte Wechselpannung erzeugt.
Natürlich handelt es sich bei der Sekundärspan nung nur dann um eine einwellige Sinusspannung, wenn durch eine entsprechende Halbwellensteuerung der Schaltorgane 13a, 13b, die beiden Primärströme 1a und ib sich im gemeinsamen Mittelleiter 16 zu einem sinusförmigen Primärstrom i, addieren. An dernfalls enthält die Sekundärspannung mehr oder weniger Oberwellen, was aber in vielen Fällen nicht unerwünscht ist.
Wesentlich ist, dass die beschriebene Apparatur bei geeigneter Ausbildung des Steuergerätes 15 eine einfache Frequenzänderung der Betriebswechsel spannung an der Sekundärwicklung 6 ermöglicht. Dabei lässt sich ein relativ hoher Wirkungsgrad dieser frequenzvariablen Stromversorgung erzielen und bei genügend grosser Dimensionierung des Transforma- torkerns 10 auch ein Betrieb mit sehr niedrigen Fre quenzen, beispielsweise bis zu 0,1 Hz ermöglichen.
Die einfache und rasche Frequenzänderung gestaltet die Wahl einer für den jeweiligen Zweck besonders günstigen periodischen Glimmentladungsbeaufschla- gung des Behandlungsgutes. Es können auch zwei oder mehr unterschiedliche Frequenzen nacheinan der oder abwechselnd innerhalb vorgegebener Zeit intervalle verwendet werden. Dabei kann, falls er wünscht, auch die Betriebsspannung zusammen mit der Frequenz geändert werden.
Schliesslich besteht auch die Möglichkeit, die Überbrückung des Klem- menpaares 17 zu entfernen und eine Gleichspan nungsquelle mit der Sekundärwicklung 6 in Reihe zu schalten, also die in ihrer Frequenz einstellbare Wech selspannung einer Gleichspannung zu überlagern.
Bei systematischen Untersuchungen hat sich ge zeigt, dass tatsächlich durch die abwechselnde katho- dische und anodische Behandlung eines Werkstücks eine Oberflächenveredelung erzielen lässt, die bei Gleichspannungsbetrieb nicht oder nur bei längeren Behandlungszeiten bzw. bei höherer Energie erreich bar sind.
Anscheinend ist die aufeinanderfolgende Beeinflussung der Werkstückoberfläche durch das bei kathodischem Betrieb entstehende Ionenbombar- dement bzw. das bei anodischem Betrieb auftretende Elektronenbombardement von Bedeutung in bezug auf die Art der gebildeten Oberflächenzone. So wurde beispielsweise bei der Nitrierung von ;Stahloberflä chen mit einer günstigen Frequenz der Wechsel spannung, eine besonders gleichmässige Härtung längs der gesamten Werkstückoberfläche erzeugt.
Bei Vergleichsversuchen wurden gleichartige Werkstücke bei jeweils gleicher Temperatur und Gaszusammen setzung sowie bei gleichem Gasdruck jeweils 25 Stunden mit Gleichspannung bzw. mit angenähert sinusförmiger Wechselspannung von etwa 20 Hz be handelt. Ein Vergleich der Nitrierschichten ergab zwar angenähert gleiche Oberflächenhärte der unter schiedlich behandelten Werkstücke, aber bei der mit Wechselspannung nitrierten Probe eine merk lich grössere Nitriertiefe und anscheinend auch eine bessere Verzahnung der gehärteten Oberflächen schicht mit dem Kernmaterial.
Die Duktilität der Schicht bei der mit Wechselspannung behandelten Probe scheint auch günstiger zu sein, jedenfalls ergab bei ähnlichen Versuchen mit Feuerwaffenrohren die mit Wechselspannung nitrierte Innenwandung eine bessere Verschleissfestigkeit.
Soweit bisher ermittelt werden konnte, lässt sich für verschiedene Legierungen und Werkstoffe jeweils ein optimaler Frequenzbereich bei Wechselspannungs- betrieb auffinden, was sich durch einfache Vergleichs messungen an beispielsweise 6 Proben feststellen lässt, die unter sonst gleichen Bedingungen z. B. mit Frequenzen von 0,1/1'10/50(100j200 Hz behan delt werden. Ist das so ermittelte günstigste Frequenz- gebiet bekannt, dann kann mit einigen weiteren Pro ben dessen Umgebung genauer überprüft werden, und die optimale Frequenz festgestellt werden.
Dabei handelt es sich um einfache, in jedem metallurgi schen Betrieb übliche Routine-Prüfungen, die dem Fachmann geläufig sind.
Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, bei kom plizierten Werkstücken und z. B. bei engen Rohren die optimale Behandlungsfrequenz erneut festzustellen, selbst wenn das günstigste Frequenzgebiet für die betreffende Legierung bereits bekannt ist. Beispiels weise hat sich ergeben, dass bei engen und langen Bohrungen für die Innenwandungen eine andere Fre- quenz optimal ist als für die Aussenwandungen. Von Vorteil ist hierbei auch eine abwechselnde Behand lung mit zwei Frequenzen, die in kürzeren oder län geren Abständen zur Anwendung kommen.