Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Glimmentladung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Beim Betrieb von Glimmentladungen in einem Unterdruckgefäss zum Zwecke der Durchführung von metallurgischen, chemischen oder sonstigen tech nischen Prozessen werden vorwiegend metallische Entladungsgefässe verwendet, da solche Prozesse immer eine erhöhte Temperatur des Behandlungs gutes erforderlich machen.
Bei elektrischen Glimm- entladungen dieser Art liegt am Behandlungsgut, also beispielsweise an dem an seiner Oberfläche zu ver edelnden metallischen Werkstück, dauernd oder we nigstens zeitweise eine negative Spannung, damit die wirksame kathodische Glimmentladung die am Pro zess beteiligten Flächen des Werkstückes möglichst vollständig überzieht.
Die hierfür erforderliche Zu fuhr elektrischer Energie zum Behandlungsgut erfolgt üblicherweise über eine oder mehrere in der metal lischen Gefässwandung eingebaute Stromdurchfüh rungen mit einem isolierten Innenleiter, der bei Gleichstrombetrieb dauernd und bei Wechselstrom betrieb zeitweise kathodisches Potential gegen seine Umgebung führt.
Beim Betrieb derartiger Entladungsgefässe ist die bekannte Schwierigkeit aufgetreten, dass sich nicht nur das Behandlungsgut, sondern auch alle anderen, kathodisches Potential aufweisenden Metallteile, also auch der Innenleiter der Stromdurchführung, mit einer Glimmhaut überziehen und somit am Ent- ladungsprozess teilnehmen. Hierdurch entstehen einer seits unnötige Erwärmungen und Energieverluste an den betreffenden Teilen, etwa an Halterungen für das Behandlungsgut, anderseits aber auch zerstörend wirkende Reaktionen besonders an den Strom durchführungen, besonders bei den Berührungsstellen Innenleiter Isoliermaterial im Gefässinnenraum.
Diese bekannte, die Lebensdauer solcher Stromdurchfüh rungen stark vermindernde Erscheinung hat dazu geführt, dass als Schutzmassnahme ein System enger Spalte zwischen Innenleiter und Isolator verwendet wird, um die am Grunde des Spaltsystems gelegene Berührungsstelle Innenleiter;Isolator vor dem An- griff der zerstörenden Glimmentladung zu schützen, da erfahrungsgemäss in einem genügend engen Spalt eine Glimmentladung stark behindert oder vollstän dig unterdrückt wird.
Der günstige Einfluss solcher Spaltsysteme hat zu verschiedenen, meist ziemlich komplizierten Konstruktionen von isolierten Strom durchführungen geführt, bei welchen zwischen dem Innenleiter einerseits und dem Isolator bzw. eventuell vorhandenen, mit der Isolatorhalterung und dem Gehäuse verbundenen Metallteilen anderseits enge Schutzspalte vorgesehen sind.
Die Verwendung von Schutzspalten um den In nenleiter der isolierten Stromdurchführungen stellt das bisher einzig bekannte Mittel dar, um zerstörend wirkende Glimmentladung von den empfindlichen Stellen der Stromdurchführung fernzuhalten. Der artige Stromdurchführungen haben sich auch durch aus bewährt, insbesondere beim Betrieb von Ent ladungsgefässen mit einem Gasdruck von einigen Millimeter Hg. Es tritt aber häufig der Fall ein, dass bei Glimmentladungsprozessen eine relativ hohe Temperatur, beispielsweise über 500 C, des Behand lungsgutes erwünscht und eine dementsprechend hohe Energiezufuhr erforderlich ist.
Würde man hier bei mit kleineren Gasdrücken unter 1 mm Hg ar beiten, so wäre eine relativ hohe Betriebsspannung von weit über 1000 Volt nötig, was wegen der Iso lationsschwierigkeiten und der komplizierten Strom versorgungsanlagen unzweckmässig wäre. Infolgedes sen ist es vorteilhafter, mit höherem Druck, etwa zwischen 5 und 20 mm Hg und darüber zu arbeiten, da hierbei die viel grössere Entladungsstromdichte bereits bei viel kleineren Betriebsspannungen, bei spielsweise zwischen 400 und 1000 Volt, die Ruf heizung des Behandlungsgutes auf Temperaturen bis zu 1000 C und darüber ermöglicht.
Bei Gasdrücken über z. B. 5 mm Hg verliert das Schutzspaltsystem aber wesentlich an Wirksamkeit, denn bereits bei einem Gasdruck von 10 mm kann ein Spalt von 0,5 mm Breite das Eindringen von Glimmentladungen nicht mehr merklich hindern und die Verringerung der Spaltbreite führt zu konstruk tiven und betrieblichen Schwierigkeiten. Zwar wurden Stromdurchführungen geschaffen, bei welchen durch besondere Zentrierungsmassnahmen noch Spalt systeme von 0,2 mm Breite betriebssicher beherrscht werden, jedoch kann auch mit derart engen Spalten das Eindringen schädlicher Glimmentladungen bei Drücken über etwa 5 mm Hg nicht verhindert wer den.
Somit besteht im Druckbereich über etwa 1 mm Hg ein Bedürfnis nach anderen geeigneten Massnahmen, um die Stromdurchführungen vor den zerstörend wirkenden, energiereichen Glimmentladun- gen zu schützen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung derartiger Glimmentladungspro- zesse, mit dessen Hilfe es gelingt, die unerwünschten Glimmentladungen besonders an den Stromdurch führungen weitgehend zu vermeiden. Es wird hierbei eine wenigstens teilweise Aufteilung des Energie umsatzes in der Glimmentladung verwirklicht, bei welcher der grösste Teil der Energie an den am Prozess beteiligten Flächen frei wird, während gleich zeitig die anderen spamiungsführenden kathodischen Metallteile, insbesondere die an den Stromdurchfüh rungen befindlichen, mehr oder weniger stark ent lastet werden.
Dieses erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Glimmentladung in einem Ent ladungsgefäss zur Durchführung technischer Prozesse, welches den Schutz von innerhalb des Entladungs gefässes angeordneten spannungsführenden Bauteilen vor der Einwirkung einer Glimmentladung bezweckt, wird so durchgeführt, dass die Betriebsspannung U der Glimmentladung und der Druck p im Entladungs gefäss abhängig voneinander derart eingeregelt wer den, dass die Spannung U bei jedem Druckwert p, gegenüber einer p\ zuordenbaren und in ihrer Höhe von p,
abhängigen Spannung U." bei deren Unter schreitung sich die Glimmentladung bei Konstant haltung von p, in ihrer Flächenausdehnung einzu schränken beginnt und sich hierbei jeweils von den Flächenteilen zurückzieht, auf denen jeweils die Strompfade niedrigster Stromdichte enden, minde stens um so viel niedriger liegt, dass die Glimment- ladung in ihrer Flächenausdehnung höchstens bis an vor der Einwirkung einer Glimmentladung zu schüt zende spannungsführende Bauteile heranreicht, und höchstens um so viel niedriger liegt,
dass die Glimm- entladung in ihrer Flächenausdehnung mindestens die am Prozess beteiligten Flächen bedeckt. Vorzugsweise werden dabei die .Spannung U und der Druck p derart eingestellt, dass die an den Prozessflächen wirksame Energiedichte höher als 0,3 W, cm2 liegt, und dass der Energieumsatz im Ent ladungsgefäss höher als 1000 W liegt.
Bei geforderter konstanter Energiedichte sind dabei zur Beeinflussung der Flächenausdehnung der Glimmentladung die Spannung<I>U</I> und der Druck<I>p</I> bei geforderter konstanter Energiedichte derart ge gensinnig zu steuern, dass die zugeführte elektrische Leistung sich annähernd in gleichem Masse wie die Flächenausdehnung ändert, wobei die gegensinnige Steuerung zur Verringerung der Flächenausdehnung im Sinne einer Spannungsverringerung und Druck erhöhung und zur Vergrösserung der Flächenausdeh nung im Sinne einer Spannungserhöhung und Druck verringerung erfolgt.
Diese gegensinnige Steuerung von Spannung und Druck erfolgt bei einer Beein flussung der Flächenausdehnung, bei der sich die von der Glimmentladung bedeckte Gesamtfläche ver hältnismässig nur geringfügig ändert, vorzugsweise derart, dass die zugeführte Leistung konstant gehalten wird.
Zur Durchführung dieses Verfahrens wird erfin dungsgemäss eine Vorrichtung mit einem Entladungs gefäss und mit Elektroden bildenden Prozessflächen mit einer derartigen Anordnung und Bemessung aller innerhalb des Entladungsgefässes befindlichen span nungsführenden Bauteile einschliesslich der Elektroden bildenden Prozessflächen sowie zugeordneter Gegen elektroden verwendet,
dass einerseits die Strompfade höchster Stromdichte auf den Prozessflächen enden und die auf den vor der Einwirkung einer Glimm- entladung zu schützenden Bauteilen endenden Strom pfade eine im Verhältnis zu den erstgenannten kleine Stromdichte aufweisen, und dass anderseits der ge samte zu den Prozessflächen fliessende Strom gross ist gegenüber dem Strom, der zu allen übrigen span nungsführenden Bauteilen fliesst.
Vorzugsweise soll eine solche zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zu verwendende Vorrichtung einen der artigen Aufbau und eine derartige Bemessung haben, dass die Stromdichte, ausgehend von den Prozess- flächen in Richtung der vor der Einwirkung einer Glimmentladung zu schützenden Bauteile ständig ab nimmt und demgemäss auf den vor der Einwirkung einer Glimmentladung zu schützenden Bauteilen die Strompfade niedrigster Stromdichte enden. Weiterhin soll bei einem solchen Entladungsgefäss vorzugsweise die Stromdichte auf den Prozessflächen zumindestens annähernd konstant sein.
Besonders zweckmässig sind Entladungsgefässe mit einem derartigen Aufbau und einer derartigen Bemessung, dass die Stromdichte auf den Zuführungsleitungen zu den Elektroden bilden den Prozessflächen und zu den diesen zugeordneten Gegenelektroden schon an den Verbindungsstellen Zuführungsleitung-Elektrode wesentlich niedriger als die Stromdichte auf den Prozessflächen ist.
Als konstruktive Regel für den Aufbau eines zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ge- eigneten Entladungsgefässes, das mit grösstenteils aus Metall bestehenden;Gefässwandungen, wenigstens:einer isolierenden Stromdurchführung und mindestens einer weiteren Spannungszuleitung, mit Haltegliedern für das Behandlungsgut und mit Gegenelektroden ver sehen ist, ist zu beachten, dass vorzugsweise eine der artige Anordnung der den Prozessflächen zugeord neten Gegenelektroden zu wählen ist, dass deren Kapazität zu den Prozessflächen grösser als die Par allelkapazität ist,
die sich bei Abzug dieser Kapazität zu den Prozessflächen von der zwischen den beiden Stromeinführungen liegenden Gesamtkapazität er gibt und von Elektrodenzuführungen, Halterungen und anderen spannungsführenden Bauteilen gegen einander und gegen die Entladungsgefässwandung so wie von Elektrodenflächen gegen die Entladungs- gefässwandung gebildet wird.
Vorzugsweise sind dabei die Gegenelektroden so auszubilden, dass sie zwecks Erhöhung der Kapazität zu den Prozessflächen dieselben mindestens teilweise umschliessen. Weiterhin ist eine Isolierung des Ent ladungsgefässes gegenüber allen stromführenden Zu leitungen zwecks Verringerung der Parallelkapazität sehr vorteilhaft. Es ist ferner zweckmässig, in unmit telbarer Umgebung des Innenleiters der Stromdurch führungen zwecks Verringerung der Parallelkapazi täten metallische Abschirmungen vorzusehen. Beson ders vorteilhaft ist es, das Entladungsgefäss in min destens zwei voneinander isolierte Teile derart auf zuteilen, dass Stromdurchführungen an voneinander isolierten Teilen befestigt sind.
Die Erfindung ist nachstehend in einigen Aus führungsbeispielen anhand der Fig. 1 bis 8 näher er läutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungs-. beispiel eines Entladungsgefässes in schematischer Wiedergabe, Fig.2 einen Querschnitt durch das Entladungs gefäss nach Fig. 1 längs der Linie<I>AA,</I> Fig. 3 und 4 je einen Längsschnitt durch die ka- thodische Stromdurchführung des Entladungsgefässes nach Fig. 1,
Fig. 5 und 6 je eine Darstellung der kathodischen Stromdurchführung des Entladungsgefässes nach Fig. 1 in zwei Betriebszuständen, Fig. 7 und 8 je ein weiteres Ausführungsbeispiel von Entladungsgefässen.
Das vorliegende Verfahren bezieht sich, wie be reits erwähnt, auf grosstechnische Glimmentladungs- prozesse, die am jeweiligen Behandlungsgut bei Tem peraturen von 300 C und mehr durchgeführt werden. Da das Behandlungsgut dabei zumindestens zeit weise als Kathode geschaltet ist, weist also die Ka thode bei solchen grosstechnischen Glimmentiadungs- prozessen Temperaturen von 300 C und mehr auf.
Infolge dieser hohen Temperatur der Kathode ist die von einer bestimmten Anzahl Ionen beim Auf prall derselben auf die Kathode ausgelöste Zahl von Elektronen erheblich grösser als z. B. bei Raum temperatur, und diese Tatsache schafft überhaupt erst die Möglichkeit, grosstechnische Glimmentla- dungsprozesse mit einer relativ hohen spezifischen Energiedichte der Glimmentladung zu betreiben, weil zur Erzielung einer hohen Energiedichte der Glimm- entladung notwendigerweise der Gasdruck im Ent ladungsgefäss auf Werte gesteigert werden muss, bei denen bei kalter Kathode eine Glimmentladung nicht mehr aufrechtzuerhalten wäre, wenn man vermeiden will,
die Betriebsspannung auf unpraktische hohe Werte von ein oder mehreren Kilovolt steigern zu müssen.
Würde man nun bei einerti solchen grosstech nischen Glimmentladungsprozess, ausgehend von den zur Aufrechterhaltung einer bestimmten Arbeits temperatur notwendigen Werten der Spannung über der Entladungsstrecke und des Druckes im Ent ladungsgefäss unter Konstanthaltung des Druckes die Spannung verringern, dann würde auch der Strom der Entladungsstrecke und damit die Ionendichte an der Kathode und damit wiederum die Temperatur der Kathode sinken.
Da nun, wie oben schon erläutert, bei den not wendigen Druckwerten bei kalter Kathode eine Glimmentladung nicht mehr aufrechtzuerhalten wäre, muss bei der Durchführung eines solchen Versuches, also einer ständigen Verringerung der Spannung unter Konstanthaltung des Druckes, eine Grenztemperatur der Kathode erreicht werden, bei der die Aufrecht erhaltung der Glimmentladung gerade noch möglich ist, nämlich die Temperatur, bei der von 100 Ionen gerade noch so viele Elektronen an der Kathode aus gelöst werden können, dass diese auf dem Wege zur Anode gerade wieder 100 Ionen. erzeugen.
Sinkt die Temperatur der Kathode unter diesen Grenzwert, dann erlischt die Glimmentladung. Anderseits gibt es aber auch eine Grenzspannung, bei deren Unter schreiten die Glimmentladung aus dem Grunde er lischt, weil dann die Energie der Ionen im Mittel nicht mehr ausreichend ist, um an der Kathode die zur Aufrechterhaltung der Glimmentladung notwen dige Anzahl von Elektronen auszulösen.
Grenzspannung und Grenztemperatur sind wie derum voneinander abhängig, weil die notwendige Energie zur Auslösung der erforderlichen Elektronen zahl und damit die Grenzspannung um so geringer ist, je höher die Temperatur der Kathode ist und umgekehrt die Grenztemperatur um so niedriger liegt, je höher die zur Auslösung der erforderlichen Elek tronenzahl zur Verfügung stehende Energie, also je höher die Spannung ist.
Man erniedrigt also mit Jeder Verringerung der zwischen den Elektroden der Glinunentladungsstrecke liegenden Spannung<I>U</I> um<I>AU</I> gleichzeitig die Ka thodentemperatur<I>T</I> um AT, - und da die Grenz- spannung U"r,i", mit sinkender Kathodentemperatur ansteigt - erhöht man damit gleichzeitig die Grenz- spannung um AUlrenz.
Solange die Elektrodenspannung U die Grenz- spannung U"",z noch nicht erreicht hat, lässt sie sich noch verringern. Beim letzten Schritt dieser Elek- trodenspannungsverringerung übersteigt die infolge dieser Verringerung steigende Grenzspannung die Elektrodenspannung und die Glimmentladung bricht ab.
Das bedeutet aber, dass die Funktion<I>U =</I> f <I>(J)</I> mit einer Spannungserniedrigung abbricht, dass also die Steigung dieser Funktion<I>U =</I> f <I>(J)</I> am Punkt des Abbruches bzw. des Erlöschens der Glimmentladung noch nicht gleich Null ist. Kurz vor dem Erlöschen beginnt sich die Glimmentladung in ihrer Flächen ausdehnung einzuschränken und zieht sich hierbei jeweils von den Flächenteilen zurück, auf denen jeweils die Strompfade niedrigster Stromdichte enden und die dementsprechend die niedrigste Temperatur und damit die höchste Grenzspannung haben.
In diesem Punkt liegt also der wesentliche Unter schied zwischen dem Effekt, der die Grundlage des erfindungsgemässen Verfahrens bildet, und dem all gemein bekannten Effekt, der im Bereich des nor malen Kathodenfalles der Strom-Spannungs-Kenn- linien stromschwacher Glimmentladungen auftritt und der eine dem Strom proportionale Bedeckung der Kathode bei konstanter Spannung bewirkt.
Dieser Unterschied soll noch einmal klar her vorgehoben werden: 1. Bekannter Effekt: a) Die Flächenausdehnung der Glimmentladung beginnt sich erst dann einzuschränken, wenn die Elektrodenspannung vom anomalen Kathodenfall in den normalen Kathodenfall übergeht, also von dem Punkt ab, wo die Elektrodenspannung die kon stante Grenzspannung erreicht hat und konstant bleibt.
b) Bei Beginn der Einschränkung der Flächen ausdehnung der Glimmentladung ist die Steigung der Strom-Spannungs-Kennlinie <I>U - f (J)</I> gleich Null. Ursachen des bekannten Effektes: Die Grenzspannung ist bei stromschwachen Glimmentladungen konstant, weil die Kathoden temperatur infolge der geringen Intensität der Glimm- entladung konstant ist, und zwar etwa gleich der Umgebungstemperatur. Man spricht in diesem Zu sammenhang von einer kalten Kathode bei der Glimmentladung.
Die Grenzspannung ist also unabhängig von Strom- oder Spannungsänderungen (zumindestens im gesamten Bereich des normalen und im Anfangs bereich des anomalen Kathodenfalles), weil der ge ringe Strom keine Temperaturänderung der Kathode verursacht.
Die Elektrodenspannung erreicht die Grenzspan- nung beim Übergang vom anomalen in den normalen Kathodenfall. Da die Grenzspannung stromunabhän gig ist, kann von diesem Übergangspunkt ab bei Auf rechterhaltung der gleichen Elektrodenspannung der Strom verringert werden, ohne dass die Glimment- ladung erlischt. Da aber die Elektrodenspannung in diesem Bereich gleich der Grenzspannung ist, besteht zwischen der Zahl der ständig auf die Kathode ab fliessenden und der ständig erzeugten Ionen ein labiles Gleichgewicht.
Bei Verringerung des Stro mes, also der Zahl der zugeführten Elektronen, sinkt die Zahl der erzeugten Ionen und wegen des labilen Gleichgewichtes in gleichem Masse die Zahl der auf die Kathode abfliessenden Ionen, so dass sich die Bedeckung der Kathode proportional dem Strom ver ringern muss.
2. Grundlagen des erfindungsgemässen Verfah rens bildender Effekt: a) Die Flächenausdehnung der Glimmentladung beginnt sich dann einzuschränken, wenn an irgend einem die Elektrodenspannung führenden Flächen teil die Temperatur so weit abgesunken ist, dass die mit der absinkenden Temperatur ansteigende Grenz spannung an diesen Flächenteil die Elektrodenspan- nung überschreitet.
Vom Beginn der Einschränkung der Flächenaus dehnung der Glimmentladung ab kann man die Elek- trodenspannung noch weiter senken, und zwar bis an allen Flächenteilen die Temperatur so weit ab gesunken ist, dass die mit der absinkenden Tempe ratur ansteigende Grenzspannung an allen diesen Flächenteilen die Elektrodenspannung überschritten hat.
b) Bei Beginn der Einschränkung der Flächen ausdehnung der Glimmentladung ist daher die Stei gung der Strom-Spannungs-Kennlinie <I>U = f (J)</I> un gleich Null.
Ursachen des neuartigen Effektes: Die Grenzspannung ist bei stromstarken Glimm- entladungen nicht konstant, weil die Kathodentempe ratur infolge der hohen Intensität der Glimmentladung vom Strom abhängig ist.
Die Grenzspannung ist demzufolge abhängig vom Strom und damit auch von der Elektrodenspannung, weil eine Änderung der Elektrodenspannung eine Stromänderung und damit auch eine Temperatur änderung der Kathode verursacht.
An den die Elektrodenspannung führenden Flä chenteilen niedrigster Stromdichte ist die partielle Temperatur am niedrigsten, daher die partielle Grenz- spannung am höchsten. Bei Verringerung der Elek- trodenspannung unter diese partielle Grenzspannung zieht sich die Glimmentladung von diesen Flächen teilen zurück.
Wird nun beispielsweise in dem in Fig. 1 sche matisch wiedergegebenen Entladungsgefäss 1 aus Me tall, mit den beiden isolierten Stromdurchführungen 2 und 3, der Halterung 4 für das an der Oberfläche zu veredelnde Rohr 5 und den Gegenelektroden 6, bei einem Gasdruck von etwa 1 mm Hg über die Spannungsquelle 7 eine Betriebsspannung von etwa 600V angelegt, so entsteht eine Glimmentladung, welche die sämtlichen kathodischen Bauteile über deckt, also das Werkstück 5, die Halterung 4 und den Innenleiter 8 der Stromdurchführung 2. Natürlich ist bei dieser Betriebsweise die Energiedichte am Werkstück 5 noch relativ gering und höchstens für eine Erwärmung desselben auf 100 bis 200 C aus reichend.
Soll eine Energiedichte von z. B. 1,5 Watti,cm= und eine Werkstücktemperatur von 500 C erzielt und über längere Dauer aufrechterhalten werden, so kann dies durch eine entsprechende Spannungssteige rung bewirkt werden. Dabei ergibt sich aber eine Erhöhung der Energiedichte an allen kathodischen Bauteilen, also auch am Innenleiter 8 der Strom durchführung 2, was höchst unerwünscht ist, da die Abdichtungsmittel an solchen massiven Stromdurch führungen gewöhnlich vor höheren Temperaturen ge schützt werden müssen.
Im Bestreben, die energiereiche Glimmentladung möglichst von den Stromdurchführungen fernzuhal ten, wurde unter anderem versucht, bei gleichbleiben der Anordnung der Teile 3 und 6 das Entladungs gefäss 1 sehr viel höher zu machen und die Halte rung 4 über einen dünnen Stab mit dem Innenleiter 8 der dann weit entfernten Stromdurchführung 2 zu verbinden. Bei der Untersuchung derartiger Ver suchsanordnungen wurde überraschenderweise ent deckt, dass der lange Verbindungsstab nur zum Teil mit einer Glimmentladung bedeckt und der oberste Teil samt der Stromdurchführung 2 hiervon frei war.
Die nur teilweise Bedeckung solcher räumlich sehr ausgedehnter Elektroden mit einer Glimmentladung erwies sich als druckabhängig, und zwar konnte mit steigendem Druck von 1 mm Hg aufwärts eine zu nehmende Konzentration der Glimmentladung auf das Rohr 5 und den unmittelbar benachbarten Raum bereich erzielt werden.
Diese unerwartete Feststellung brachte den Er finder auf die Idee, den besagten Effekt dazu aus zunutzen, um die hauptsächlich bei hohem Druck im Entladungsgefäss immer wieder auftretenden Schwierigkeiten mit Bauteilen, die zur Vermeidung von überschlägen und sonstiger Zerstörungen vor der Einwirkung intensiver Glimmentladungen zu schützen sind, insbesondere die bekannten Schwierig keiten bei Stromdurchführungen, dass der Isolator nicht mit einer Glimmentladung in Berührung kom men darf, zu beseitigen, und zwar durch eine der artige Steuerung bzw.
Einstellung von Elektroden spannung U und Gasdruck p im Entladungsgefäss, dass sich die Glimmentladung von den vor Einwir kung einer Glimmentladung zu schützenden Bau teile innerhalb des Entladungsgefässes zurückzieht bzw. diese nicht bedeckt. Zu diesem Zweck müssen die Betriebsspannung <I>U</I> der Glimmentladung und der Druck<I>p</I> im Ent ladungsgefäss abhängig voneinander derart gesteuert bzw.
eingestellt werden, dass die Spannung U bei jedem Druckwert p<B>_,</B> gegenüber einer p, zuordenbaren und in ihrer Höhe von p<B>_,</B> abhängigen Spannung U bei deren Unterschreitung sich die Glimmentladung bei Konstanthaltung von p., in ihrer Flächenausdeh nung einzuschränken beginnt und sich hierbei je weils von den Flächenteilen zurückzieht, auf denen jeweils die Strompfade niedrigster Stromstärke enden, mindestens um so viel niedriger liegt,
dass die Glimm- entladung in ihrer Flächenausdehnung höchstens bis an vor der Einwirkung einer Glimmentladung zu schützende spannungsführende Bauteile heranreicht und höchstens um so viel niedriger liegt, dass die Glimmentladung in ihrer Flächenausdehnung minde stens die im Prozess beteiligten Flächen bedeckt.
Dadurch wird ein Entladungszustand geschaffen, bei welchem sich die Glimmentladung eben von der Stromdurchführung zurückzuziehen beginnt. Das Be handlungsgut, in Fig. 1 und 2 also das Rohr 5, weist dann die vorgesehene spezifische Energiedichte auf, aber wenigstens der Innenleiter 8 der Durch führung 2 ist energiemässig entlastet. Falls erwünscht, kann die Entlastung auch auf die Halterung 4 aus gedehnt werden. Obwohl nach dem erfindungsgemässen Verfahren in allen Fällen eine Leistungsaufteilung erzielbar ist, müssen Massnahmen getroffen werden, um die Ent lastung bzw. Energiekonzentration an den jeweils erwünschten Stellen zu erwirken.
Denn das ange gebene Verfahren kann nur dann richtig funktionieren und den gewünschten Effekt erbringen, wenn sich die Glimmentladung bei Einschränkung ihrer Flächen ausdehnung auch tatsächlich von den Bauteilen zu rückzuziehen beginnt, die vor der Einwirkung einer Glimmentladung zu schützen sind, und sich dabei mehr und mehr auf die Prozessflächen konzentriert, und sich nicht etwa umgekehrt von Prozessflächen zurückzieht und auf die zu schützenden Bauteile kon zentriert.
Da sich, nun, wie entsprechende Untersuchungen gezeigt haben, die Glimmentladung bei Einschrän kung ihrer Flächenausdehnung jeweils von den Flä chenteilen zurückzieht, auf denen jeweils die Strom pfade niedrigster Stromdichte enden, und die Strom dichte wiederum bekanntlich von der konstruktiven Anordnung und- Bemessung der einzelnen Flächen teile abhängig ist,
muss das zur Durchführung des angegebenen Verfahrens verwendete Entladungs gefäss eine ganz bestimmte Anordnung und Bemes sung aller innerhalb desselben befindlichen spannungs führenden Bauteile einschliesslich der Elektroden bil denden Prozessflächen sowie zugeordneter Gegen elektroden aufweisen, und zwar muss das Entladungs gefäss zur Durchführung des erfindungsgemässen Ver fahrens so ausgebildet sein, dass einerseits die Strom pfade höchster Stromdichte auf den Prozessflächen enden und die auf den vor der Einwirkung einer Glimmentladung zu schützenden Bauteile endenden Strompfade eine niedrigere,
und zwar vorzugsweise wesentlich niedrigere Stromdichte aufweisen, und dass anderseits bei vorausgesetzt gleichem Strom in jedem Strompfad die Zahl der auf den Prozessflächen enden den Strompfade grösser, und zwar vorzugsweise we sentlich grösser als die Zahl der auf allen übrigen spannungsführenden Bauteilen endenden Strompfade ist. Vorzugsweise ist dabei eine derartige Ausbildung zu wählen, dass auf den vor der Einwirkung einer Glimmentladung zu schützenden Bauteilen die Strom pfade niedrigster Stromdichte enden.
Die Stromdichte lässt sich nach bekannten gra phischen Verfahren bei gegebener Konfiguration leicht feststellen, indem man in einen Schnitt durch das Entladungsgefäss nach gegebenen Regeln die Strompfade und Äquipotentiallinien einzeichnet, wo bei die bekannten, aus der Theorie der komplexen Transformation stammenden Hauptregeln die Ein haltung der Schnittwinkel und die Abbildungsähnlich keit sind, die für Orthogonalsysteme wie sämtliche Potentialströmungen, also auch elektrische Strömun gen, besagen,
dass sich Strompfade und Äquipoten- tiallinien im rechten Winkel schneiden und jeweils miteinander Quadrate oder quadratähnliche Einzel flächen umschliessen. Die sich bei Anwendung dieser Regeln ergebende Dichte der Strompfade ist dann ein Mass für die im Entladungsgefäss auftretende Stromdichte. Statt des graphischen Verfahrens kann man zur Feststellung der Stromdichte auch das be kannte experimentelle Verfahren mittels eines elek trolytischen Troges verwenden.
Um dem Fachmann aber diese Arbeit zu er sparen, hat der Erfinder eine einfachere Regel zur Ausbildung des Entladungsgefässes gegeben, die dem Konstrukteur eine bessere Übersicht verschafft. Nach dieser Regel sind das Entladungsgefäss sowie alle spannungsführenden Bauteile innerhalb desselben so auszubilden und anzuordnen und insbesondere eine derartige Anordnung der den Prozessflächen zugeord neten Gegenelektroden zu wählen, dass deren Kapa zität zu den Prozessflächen grösser als die Parallel kapazität ist, die sich bei Abzug dieser Kapazität zu den Prozessflächen von der zwischen den beiden Stromeinführungen liegenden Gesamtkapazität ergibt und von Elektrodenzuführungen,
Halterungen und anderen spannungsführenden Bauteilen gegeneinan der und gegen die Entladungsgefässwandung sowie von Elektrodenflächen gegen die Entladungsgefäss wandung gebildet wird.
Massgebend für die erwünschte Entlastung der Stromdurchführung 2 in Fig. 1 und 2 ist also bei spielsweise die Anordnung und flächenmässige Dimen- sionierung der dem Rohr 5 zugeordneten Gegen elektrode 6, im Vergleich zu den Abstands- und Flächenverhältnissen an der Einmündung des Innen leiters 8 der Stromdurchführung 2 in den Unter druckraum gegenüber den nächstliegenden mit dem positiven Pol der Stromquelle 7 verbundenen Metall teilen.
Diese Elektrodengeometrie muss derart ge wählt werden, dass die Kapazität zwischen dem Rohr 5 - ohne Halterung 4 - und den längs derselben sich erstreckenden Teilen der Gegenelektrode 6 grö sser ist als die gesamte Parallelkapazität seitens der anderen im Unterdruckraum befindlichen Bauteile, welche mit dem Rohr 5 verbunden sind (Teile 4, 8) bzw. am Potential der Gegenelektrode 6 liegen (untere Biegung von 6, Innenleiter von 3). Diese Parallel kapazität wird hier durch die elektrisch in Serie ge schalteten Kapazitäten zwischen dem Gehäuse 1 und der Halterang 4 samt dem Innenleiter 8 einerseits, und den Kapazitäten zwischen dem Gehäuse 1 und den Gegenelektroden 6 samt dem Innenleiter der Stromdurchführung 3 anderseits bestimmt.
Falls der Kapazitätswert zwischen dem Rohr 5 und den Ge genelektroden 6 jene Parallelkapazität übertrifft, dann ergibt sich bei gleichzeitiger Druck- und Span nungsänderung, unter Beibehaltung der vorgeschrie benen Energiedichte, die erwünschte Leistungsauftei lung, bei welcher die Stromdurchführung 2 und der Innenleiter 8 entlastet werden und eine Konzentra tion des Energieumsatzes auf die Prozessflächen, also auf das Rohr 5, erfolgt.
Diese Kapazitätsregel gestattet auf einfache Weise die Auffindung einer geeigneten Elektrodenanord- nung, welche eine Leistungsaufteilung zu Gunsten der am Prozess beteiligten Flächen ermöglicht. Natür lich handelt es sich hierbei lediglich um eine abge kürzte Umschreibung der geometrischen Konfigura tion der Abstands- und Flächenverhältnisse, und es soll damit keineswegs behauptet werden, dass diese Kapazitäten beim Zustandekommen der Glimment- ladung als kapazitive Blindwerte wirklich in Erschei nung treten.
Vielmehr dürften in Wirklichkeit die Impedanzwerte der einzelnen Entladungsstreckenteile eher ohmisch und als Widerstände zu betrachten sein. Die Kapazitätsbetrachtung hat sich aber bewährt und stellt eine brauchbare Hilfsvorstellung dar, um die konstruktive Gestaltung auf ihre Zweckmässigkeit beurteilen zu können.
Würde bei dem Entladungsgefäss und der Anord nung nach Fig. 1 und 2 die Kapazitätsregel nicht beachtet und die Summe der Parallelkapazitäten den Wert der Kapazität zwischen dem Rohr 5 und den Gegenelektroden 6 übertreffen, dann wäre eine Lei stungsaufteilung zwar erzielbar, aber die Entlastung würde an den Prozessflächen, also am Rohr 5, statt finden und nicht wie gewünscht an der Stromdurch führung.
Zur Verminderung der Parallelkapazität zur Pro zessflächenkapazität ist bei dem Entladungsgefäss nach Fig. 1 und 2 das metallische Gefäss 1 selbst geerdet und nicht mit dem Speisestromkreis verbunden, was eine Serienschaltung der Kapazitäten der beiden Innenleiter der Stromdurchführungen gegen das Ge häuse 1 zur Folge hat. Es ist bei diesen Kapazitäts betrachtungen aber von Wichtigkeit, dass nur die Ka pazität des frei in den Unterdruckraum ragenden Innenleiters 8 von Bedeutung ist und nicht die inner halb der Stromdurchführung selbst konzentrierte Eigenkapazität, weil nur solche Flächen massgebend sind, an denen überhaupt eine Glimmentladung ent stehen könnte - auch die Dielektrizitätskonstante der Isolierung ist gleichgültig.
In Fig. 3 ist ein Ausfüh rungsbeispiel einer derartigen Stromdurchführung 2 in schematischer Wiedergabe dargestellt, deren Innen leiter 8 durch einen Isolator 9 vom metallischen Gefäss 1 isoliert ist. Der Isolator 9 weist in bekannter Weise gegen den Innenleiter 8 einen schmalen Ring spalt 10 und gegen die metallische Isolatorfassung 11 einen ebensolchen Ringspalt 12 auf. Als Einmün dung des Innenleiters 8 in den Unterdruckraum wird in der vorliegenden Beschreibung die Stelle 13 be zeichnet, an welcher der Innenleiter 8 aus dem Spaltsystem der Stromdurchführung 2 herausragt.
Der Abstand a dieser Einmündung 13 des Innen leiters 8 von der Fassung 11 ist für die Kapazitäts betrachtung im vorliegenden Sinne massgebend, und nicht die innere Kapazität in der Stromdurchführung z. Bei der Stromdurchführung nach Fig.4 ist die Fassung 14 für den Isolator 9 wesentlich näher der Einmündung 13 des Innenleiters 8 gelegen, so dass der Abstand a wesentlich kleiner und die Kapazität an dieser Stelle bedeutend grösser ist. Im Hinblick auf eine einwandfreie Leistungsaufteilung nach dem vorliegenden Verfahren muss also eine derartige Bau weise vermieden werden.
Dass die Verringerung der Parallelkapazität gegen über der Prozessflächenkapazität tatsächlich von ent scheidender Bedeutung für die erwünschte Entlastung der Stromdurchführungen ist, zeigen die beiden Dar stellungen in Fig. 5 und 6. Beide sind Darstellungen von Photographien, die durch ein Fenster in der Wandung eines Metallrezipienten ähnlich dem in Fig. 1 angegebenen aufgenommen wurden, und zwar etwa in Pfeilrichtung 15 in Richtung auf die Innen seite der Stromdurchführung, so dass der Innenleiter und die Halterung für ein zu behandelndes Rohr deutlich erkennbar sind.
Die Bilder sind bei ange nähert gleichen Betriebsbedingungen aufgenommen, und zwar zeigt die Fig. 5 die vollzogene Entlastung der Durchführung, erkenntlich an der Tatsache, dass die leuchtende Glimmentladung nur noch Teile der Halterung 4, nicht aber den Innenleiter 8 bis zur Einmündung 13, und die Isolierteile der Stromdurch führung überzieht. Das Metallgefäss 1 ist hierbei ge erdet und nicht mit dem Speisungsstromkreis ver bunden. Die Fig. 6 zeigt die gleichen Bauteile, nach dem der Abstand zwischen dem Rohr 5 und den Gegenelektroden vergrössert wurde.
Bei dieser An ordnung überwiegen die Parallelkapazitäten trotz Serienschaltung derselben über das Gehäuse 1, wes halb keine Entlastung der Stromdurchführung 2 statt findet und der Innenleiter nunmehr, wie deutlich sichtbar, von einer leuchtenden Glimmentladung überzogen ist. Natürlich wäre bei einigermassen ener giereichen Glimmentladungen ein Dauerbetrieb auch nur von einigen Minuten bei dieser Belastung der Stromdurchführung nicht möglich, da dieselbe trotz eventueller Kühlung zerstört werden würde.
Ausser den bereits anhand von Fig. 1 bis 3 dar gelegten Massnahmen zur Verminderung der den Pro zessflächen parallel liegenden Kapazitäten, kann nach Fig. 7 als weitere Massnahme auch eine Teilung des Entladungsgefässes in zwei voneinander isolierte Halb rezipienten 16 und 17 vorgesehen werden.. Der Iso- lierring 18 sollte eine möglichst geringe Kapazität C1 zwischen den beiden Gefässhälften 16 und 17 ge währleisten, damit die aus C2, C1 und C3 in Serien schaltung bestehende Parallelkapazität zu den Pro zessflächen des Werkstückes 19 möglichst gering wird.
In manchen Fällen kann es auch erwünscht sein, wie in Fig. 8 schematisch dargestellt, ein metallisches Entladungsgefäss 21 mit Isoliermaterialdeckeln 22 und 23 zu versehen, um die Kapazität der Stromdurch führungen zu vermindern und eine Konzentration des Energieumsatzes auf das Behandlungsgut, hier bei spielsweise eine Schmelze 24, zu erleichtern.
Schliesslich sei noch darauf hingewiesen, dass auch durch isoliert im Unterdruckraum angeordnete metal lische Abschirmungen unerwünscht grosse Parallel kapazitäten vermieden werden können. Beispielsweise kann bei der Stromdurchführung nach Fig.4 die äussere Metallhalterung 14 vom Entladungsgefäss 1 isoliert und dadurch eine Abschirmwirkung erzielt werden. Auch der in den Unterdruckraum ragende Innenleiter und die Halterungen für das Behandlungs- g o ut können, falls erforderlich, gegenüber anderen Me tallteilen abgeschirmt werden.
Solche Massnahmen können besonders bei engen Metallrezipienten und ungünstigen Kapazitätsverhältnissen an den Prozess- flächen vorteilhaft sein.
Die Konzentration des Energieumsatzes bei der Leistungsaufteilung auf die am Prozess beteiligten Flächen kann, ausser durch Verringerung der schäd lichen Parallelkapazität, auch durch Erhöhung der Kapazität der Prozessflächen gegenüber den zugeord neten Gegenelektroden gewährleistet werden. Bei spielsweise besteht bei der Glimmentladungsbehand- lung des Rohres 5 im Entladungsgefäss 1 nach Fig. 1 und 2 die Möglichkeit, anstelle der drei stabförmigen Gegenelektroden im Abstand d eine grossflächige Ge genelektrode zu verwenden, etwa den in Fig. 3 an gegebenen Metallzylinder 25.
Auch eine Elektroden anordnung wie in Fig. 7 angedeutet ergibt eine Ver grösserung der Kapazität zwischen dem Werkstück 19 und der becherartigen Gegenelektrode 20.
Das vorliegende Verfahren der Leistungsauftei lung einer Glimmentladung auf vorbestimmte, von den spannungsführenden Bauteilen lässt sich für alle Arten von Betriebsspannungen durchführen. In Fig. 1 ist beispielsweise die Speisung seitens einer Gleich spannungsquelle 7 über einen Vorwiderstand 26 an gegeben, wobei durch periodisches Kurzschliessen des selben seitens eines vom Taktgeber 28 gesteuerten Schalters 27 eine impulsartige Energiezufuhr erzeugt wird, was dann von Vorteil ist, wenn grosse Ent- ladungsintensitäten erwünscht sind, aber der -für die Temperatur massgebliche zeitliche Mittelwert der Energie nicht überschritten werden darf.
Natürlich kann auch eine andere Art der Impulstastung vor gesehen werden, etwa durch einen entsprechend ge steuerten Gleichrichter. Auch reiner Gleichstrom oder gleichgerichteter ein- oder mehrphasiger Wech selstrom ist verwendbar. Ferner kann die Speisung mittels Wechselstrom, beispielsweise von 50 Hz, er folgen, wobei gegebenenfalls auch eine Impulstastung durchführbar ist.
Die Entlastung bestimmter spannungsführen der und wenigstens zeitweise kathodischer Bauteile, insbesondere der Stromeinführungen, entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren muss natürlich keineswegs in allen Fällen so weit getrieben werden, dass der Energieumsatz an diesen Teilen annähernd Null ist. Vielmehr kann eine Entlastung im Verhält nis 1 : 2 zugunsten der Prozessflächen je nach Bau art der Stromeinführungen und Grösse des an den Prozessflächen erwünschten Energieumsatzes bereits von entscheidendem Vorteil sein.
Der zu erreichende Entlastungsgrad ist einfach zu ermitteln, indem die an den Stromeinführungen höchstzulässige spezifische Glimmentladungsbeaufschlagung in Watt cm2 bean spruchter Oberfläche mit dem vorgesehenen spezi fischen Energieumsatz in Watt cm= an den Prozess- flächen verglichen wird.
<I>Beispiel:</I> In einem Eisenbehälter 1 gemäss Fig. 1 mit einem Innendurchmesser von 450 mm und Stromeinführun gen, deren Innenleiter von seiner Einmündung bis zum Gehäusedeckel einen Abstand a = 70 mm besass, wurden Stahlrohre 5 von 530 mm Länge, einem Aussendurchmesser von 40 mm und einer zylindri schen Bohrung von nur 7 mm Weite behandelt. Die drei als Gegenelektroden 6 dienenden Stäbe von je 8 mm Durchmesser waren in einem radialen Ab stand d = 35 mm von der Rohroberfläche entfernt angeordnet und erstreckten sich parallel zum jewei ligen Rohr über dessen ganze Länge. Der Abstand von der Rohroberfläche zur Behälterinnenwand war b = 205 nun, die Gesamthöhe des Behälterinnenrau mes war c = 1200 mm.
Behandelt wurde das Rohr 5 in einer Gasatmo sphäre mit einem Druck von 11 mm H- und einem Gehalt von 75 Vol."/c, Wasserstoff und 25 Vol.'D/o Stickstoff. Der Stahl des Rohres besass einen Gehalt von 3 "/o: Chrom, 1 11/o Molybdän, sowie 0,27-01o Koh lenstoff und 0,41/o Mangan, bei einer Ausgangshärte an der Aussenseite von 30 2 Rockwell C.
Die Behandlung wurde, nach einem Anlaufinter vall von etwa 2 Stunden, mit einer impulsartig zwi schen 480 und 395 Volt sich ändernden Gleich spannung durchgeführt, mit einem Strom von 6,7 Ampere bei der hohen und 2,7 Ampere bei der niedrigen Spannung. Die hohe Spannung war jeweils während eines Intervalls von 0,3 Sekunden wirksam, gefolgt von einem Intervall mit niedriger Spannung von 1,4 Sekunden, so dass das sogenannte Tastver- hältnis Impuls<B>:</B> Pause etwa 1 : 5 betrug.
Bei dieser Betriebsweise ergab sich eine intensive Glimment ladung sowohl an der Rohraussenseite als auch an der Bohrung, jedoch reichte die Glimmlichtbedeckung nur bis zur Mitte bzw. bis zum oberen Ende der Halterung 4 des Rohres 5, so dass der Innenleiter 8 der kathodischen Stromeinführung 2 frei von Glimm- entladungen blieb. Das Rohr erreichte bei dieser Be handlung eine Aussentemperatur von 520 C, die mittels eines Strahlungspyrometers durch ein Fenster in der Gefässwandung gemessen wurde.
Nach einer Anlaufzeit von 2 Stunden und einer Behandlungsdauer unter den obgenannten Bedingun gen von 27 Stunden wurde die Spannungsquelle ab- geschaltet, das Rohr aber weitere 5 Stunden in der Wasserstoff Stickstoff-Atmosphäre belassen und nach erfolgter Abkühlung ausgebaut. Längs der ganzen Aussenseite wurde eine sehr gleichmässige Härte von 50 HRc 0,5 HRc gemessen. Somit wurde durch die Nitrierung im Ionenbombardement nicht nur die er wünschte Härtesteigerung um etwa 20 HRc erzielt, es wurde auch eine wesentlich höhere Gleichmässig keit des Härtegrades längs der gesamten behandelten Oberfläche erzielt.