DEE0008555MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 10. Februar 1954 Bekanntgemacht am 3. Mai 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Ausnutzung der Glimmentladung für technische Prozesse, wie Metallisieren, Härten, Glühen·, Karburieren usw., in der Metallurgie und synthetischen Verfahren mit Gasen und Flüssigkeiten, wie die Ammoniakgewinnung, sind bereite bekanntgeworden. Um diese Verfahren im technischen Betrieb in Anwendung zu bringen, kommt es darauf an, mit hohen spezifischen Leistungen arbeiten zu können und den Wirkungsgrad bei der Durchführung solcher Verfahren weitmöglichst zu steigern.

Durch jahrelange, kostspielige Arbeiten ist es gelungen, dieses Glimmentladungsverfahren durch die Erfindung weiter zu verbessern und in seinem Wirkungsgrad wesentlich zu steigern. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung technischer Prozesse in Glimmentladungen, wie Metallisieren, Glühen, Diffusionsglühen, Härten, Nitrierhärten, Karburieren, Durchführung chemischer Prozesse, wie Ammoniakgewinnung usw., welches sich dadurch auszeichnet, daß die Energie der Glimmentladung in einem vorbestimmten Teil des

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Entladungsraumes gegenüber anderen Teilen des Entladungsraumes durch Annäherung von zwei Kathödenfallräumen erhöht wird. Unter Kathodenfallraum soll hierbei jener Bereich verstanden werden, der etwa visuell mit der Glimmsaumdicke (Grenze des Faradayschen Dunkelraumes) einer Entladung zusammenfällt und meßtechnisch gekennzeichnet ist durch das Auftreten des Kathodenfalls in der Potentialverteilung zwischen den Elektroden. Maß-·

ίο gebend für die Festlegung der Fallraumgrenzen in erfindungsgemäßem Sinne soll sein, daß die Energie der Ladungsträger besser ausgenutzt wird bzw. der Wirkungsgrad in der Entladung gesteigert wird, indem das Entweichen der Ladungsträger in den freien Rezipientenraum verhindert und diese in stärkerem Ausmaße auf die als Elektroden geschalteten Werkstücke zur Auswirkung kommen. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung steht der bekannte Hohlkathodeneffekt, der in der vorbekannten Literatur als schädlich bezeichnet wird und der unter allen Umständen zu vermeiden sei.

In Ausbildung der Erfindung wird beispielsweise

. ein als Kathode geschaltetes Werkstück mit seiner zu behandelnden Fläche gegenüber einem als Kathode geschalteten Teil, z. B. einer anderen Fläche des gleichen Werkstücks, einem anderen Werkstück, einer 'Hilfselektrode, in einem solchen Abstand angeordnet, daß die Ladungsträger eine erhöhte Ionisierung bewirken. Hierbei können vorzugsweise

die'genannten Flächen einander so nahe liegen, daS bei dem gewählten Gasdruck der Glimmentladung die Kathodenfallraumgrenzen mindestens einander berühren. Ferner' zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, daß der Kathodenf allraum 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. Nach der Erfindung wird der gegenseitige Abstand zwischen metallischen Werkstücken, Werkstücksteilen und/oder Hilfselektroden mit annähernd gleicher elektrischer Spannung gleich oder kleiner als eine etwa der doppelten Fallraumdicke der Glimmentladung bei dem gegebenen Gasdruck entsprechende Maximalentfernung festgelegt. Die Werkstücke, Werkstücksteile und/oder Hilfselektroden können dabei entweder miteinander direkt verbunden sein, so daß sie die gleiche elektrische Spannung aufweisen, 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. Erfindungsgemäß stellt man bei einem gegebenen Abstand der Werkstücke oder Werkstücksteile'voneinander die Annäherung der Fallraumgrenzen durch die Regelung des Gasdruckes her. Ist dabei der gegebene Abstand der Werkstücke oder Werkstücksteile voneinander zu groß, um auch bei niedrigem Gasdruck eine Annäherung der FaI! · raumgrenzen herbeizuführen, so werden Hilfselektroden in Anwendung gebracht und den Werkstücken oder auch Werkstücksteilen gegenübergestellt. Umgekehrt wird bei einem gegebenen Gasdruck die Annäherung der Fallraumgrenzen durch Abstandsregelung der Elektroden voneinander oder auch unter Zuhilfenahme von Hilfselektroden vorgenommen. Hierbei soll der Elektrodenabstand vorzugsweise gleich oder kleiner als die doppelte Fallraumdicke gewählt werden. Hierdurch wird ein partiell begrenzter Bereich geschaffen, in dem eine Hochintensitäts-Gasentladung stattfindet. Innerhalb dieses Entladungsraumes, den die auf annähernd gleicher Spannung liegenden Werkstücke, Werkstücksteile und Hilfselektroden umschließen, wird an allen Flächenteilen eine höhere spezifische Leistung umgesetzt als an den übrigen Flächenteilen der Werkstücke. Die dadurch ermöglichte lokale Konzentration der Energie auf vorbestimmte Teile des Entladungsraumes kann weiterhin durch entsprechende Dimensionierung der Hilfselektroden bezüglich ihrer Wärmekapazität, d. h. ihrer Masse und der abstrahlend wirkenden Oberfläche, unterstützt werden. Auch bei Werkstücken selbst kann durch Verbindung, z. B. Einpassung in größere Massen, z. B. blockartig massiven Halterungen, eine Veränderung dieser Eigenschaften bewirkt werden. Erfindungsgemäß. wird daher durch Beeinflussung der gegenseitigen relativen Oberflächen- und Massenverhältnisse von Werkstücken, Werkstücksteilen und Hilfselektroden die Energiebilanz zusätzlich je nach den Erfordernissen der gestellten Aufgäbe gesteuert. So kann vorteilhaft die Masse der Hilfselektroden gegenüber der Masse der Werkstücke unterschiedlich gewählt werden. Sie wird vorzugsweise .klein gewählt, wenn z. B. die Hilfselektrode eine sehr hohe Temperatur annehmen soll, um den Effekt einer Abstäubung zu erzeugen oder zu intensivieren. Diese Effekte können nach der Erfindung weiter unterstützt werden, indem die Oberfläche der Hilfselektroden klein oder groß gegenüber der Oberfläche der Werkstücke gewählt wird. So.wird z. B. eine entsprechend große Oberfläche eines Teiles in hohem Maße zur Wärmeabstrahlung beitragen, beispielsweise zur Vermeidung zu großer Temperatursteigerungen an Hilfselektroden, die einzelnen Teilen eines Werkstückes gegenüberstehen, wenn diese Teile auf eine entsprechend hohe Temperatur gebracht werden sollen. In anderen Fällen ist es vorteilhaft, die Form der Hilfselektroden der Form der Werkstücke oder Werkstücksteile anzupassen, So kann z. B. die Hilfselektrode das Werkstück teilweise umgeben. Der Abstand der Hilfselektroden vom Werkstück oder von Werkstücksteilen wird erfindungsgemäß zur Erzielung gleichmäßiger Wirkungen einen konstanten Wert haben. Es kann aber auch entsprechend einer Aufgabe, z. B. ungleich verteilte

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Wirkungen zu erzielen, erforderlich sein, den Abstand zwischen den Werkstücken, Werkstücksteilen und Hilfselektroden in seinem Verlauf ungleich auszubilden. Bei der Behandlung einer Mehrzahl von Werkstücken können diese vorteilhaft in gleichmäßigem Abstand einer kleineren Anzahl von Hilfselektroden gegenüberstehen. Bei der Behandlung von Werkstücken mit Hohlräumen, in denen sich somit Werkstücksteile mit gleichem Potential

ίο gegenüberstehen, wird die Annäherung der Fallraumgrenzen ebenfalls durch Druckregelung herbeigeführt, so z. B. bei rohrförmigen Werkstücken. Ist bei solchen insbesondere rohrförmigen Werkstücken der gegebene Hohlraum zu weit, um eine

x5 Annäherung der Fallraumgrenzen durch Gasdruckregelung herbeizuführen, so wird eine draht-, stab- oder auch rohrförmige Hilfselektrode ein- oder hindurchgeführt, so daß das Werkstück die Hilfselektrode ganz oder teilweise umgibt. Um schließlich

ao erfindungsgemäß das Ionenbombardement in der Gasentladung in seinen Auswirkungen noch weiter steigern zu können, sowie zur Unterstützung der bereits erwähnten Massen- und Oberflächeneffekte an Werkstücken und Hilfselektroden kann mit Vorteil die Glimmentladung maximaler Energie nur periodisch für Zeiten von mehreren Sekunden bis zu Bruchteilen von Sekunden zwischen längeren Pausen betrieben werden, in denen höchstens eine Glimmentladung einer geringeren Energie aufrechterhalten oder die Glimmentladung völlig abgeschaltet wird. Diese Erzeugung von Energiestößen kann z. B. durch entsprechend stoßweise Zuführung der elektrischen Energie oder auch durch eine entsprechende Änderung des Gasdruckes erfolgen, letzteres 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 Gasdruckherab■ Setzung erzielen. Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei Gasdrucken angewandt, die höher sind als die üblicherweise bei Glimmentladungen angewandten,¹ z. B. bei Gasdrucken von ι Torr und mehr, um insbesondere mit größeren Energien arbeiten zu können.

Als beispielhafte Anwendung der Erfindung sei die Erzeugung eines Überzuges aus einem hochschmelzenden Metall auf ein Werkstück beschrieben: Die Fig. ι zeigt einen schematisch dargestellten Glimmentladungsapparat i, der aus einer Grundplatte 3 und einer abnehmbaren Haube 2 besteht. Durch die Grundplatte 3 führt eine Stromdurchführung 4, die ein zu behandelndes Rohrstück 5 trägt. Durch dieses Rohrstück ist eine stabförmige Hilfselektrode 7 mit Hilfe einer Abstützung 8 angeordnet. Erfindungsgemäß ist das Rohr 5 und auch die Hilfselektrode 7 kathodisch geschaltet, während die Gefäßgrundplatte 3 anodisches Potential trägt. Die Innenfläche 6 des Rohres 5 und der Stab 7 überziehen sich mit Glimmlicht, so daß sich diese beiden Glimmsäume gegenüberstehen. Sie werden erfindungsgemäß 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 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 S 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 behandeln- den 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 mäßige 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 Fläche 11 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 I4die Turbinenschaufeln, 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 erfindungsgemäß 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.

Man hat bereits festgestellt, daß bei einer Glimmentladung an einer Kathode, die einen Hohlraum besitzt, eine intensivere Entladung innerhalb dieses Hohlraumes entsteht, wenn der Hohlraumdurchmesser im Verhältnis zum Gasdruck klein genug ist. Diese Erscheinung ist an der größeren Helligkeit des Glimmlichts in der Regel leicht erkennbar. In der Literatur wird diese Erscheinung als Hohlkathodenwirkung bezeichnet und dazu erklärt, daß sie nicht zu beherrschen sei

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(ζ. B. Th. Rummel, »Hochspannungs-Entladungschemie und ihre industrielle Anwendung«, 1951, S. 40/41). Man hat daher in der Technik die Kathoden stets so ausgebildet, daß bei den in Betracht kommenden Gasdrücken Hohlkathodeneffekte vermieden werden. Die wenigen Fälle, bei denen der Hoblkathodeneffekt eine Anwendung findet, beschränken sich auf stromschwache Entladungen in der Größenordnung von Milliampere, wie z. B. bei Glimmlampen für Tonaufnahmezwecke, oder zur Erleichterung des Auftretens von Entladungen bei Neon-Reklamen usw. Die Anwendung auf technische Prozesse größeren Maßstabes bei Umsatz von Energien von vielen Kilowatt in Form stromstarker Glimmentladungen, insbesondere für den erfindungsgemäßen Zweck der Erzeugung energiereicher Entladungen in vorbestimmten Teilen des Entladungsraumes, ist bisher nicht bekannt und wurde im Gegenteil als. unerwünscht und unkontrollierbar abgelehnt.

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Durchführung technischer Prozesse in einer Glimmentladung, wie Metallisieren, Glühen, Nitrierhärten, Härten, Durchführung chemischer Prozesse usw., dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der Glimmentladung in einem vorbestimmten Teil des Entladungsraumes gegenüber . anderen Teilen des Entladungsraumes durch Annäherung von zwei Kathodenfallräumen erhöht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Kathode geschaltetes Werkstück mit seiner zu behandelnden Fläche gegenüber einem als Kathode geschalteten Teil, z. B. einer anderen Fläche des gleichen Werkstücks, einem anderen Werkstück, einer Hilfselektrode usw., in einem solchen Abstand an-

' 40 geordnet wird, daß die Ladungsträger eine erhöhte Ionisierung bewirken.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Flächen einander so nahe liegen, daß bei dem gewählten Gasdruck der Glimmentladung die Kathodenfallraumgrenzen mindestens einander berühren.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, 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 den zwischen diesen Elektroden liegenden Raum erhöht wird.

5- Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse von Hilfselektroden gegenüber der Masse von Werkstücken unterschiedlich gewählt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Hilfselektroden unterschiedlich gegenüber der Oberfläche der Werkstücke gewählt wird.

7· Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Hilfselektroden der Form der Werkstücke oder Werkstücksteile angepaßt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektrode das Werkstück teilweise umgibt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Hilfselektroden vom Werkstück oder Werkstücksteilen einen konstanten Wert hat.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Werkstücken, Werkstücksteilen und Hilfselektroden in seinem Verlauf ungleich ausgebildet wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Behandlung einer Mehrzahl von Werkstücken diese in gleichmäßigem Abstand einer kleineren Anzahl von Hilfselektroden gegenüberstehen.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Behandlung von Werkstücken mit Hohlräumen diese die Hilfselektrode teilweise umgeben.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß 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 gs einer geringen Energie aufrechterhalten oder die Glimmentladung völlig abgeschaltet wird.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck im Entladungsgefäß höher ist als 1 Torr.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen