DE1912114B2

DE1912114B2 - SURFACE DIFFUSION METHOD USING ELECTRIC GLIME DISCHARGES

Info

Publication number: DE1912114B2
Application number: DE19691912114
Authority: DE
Inventors: John Roland; Wright Maurice James; Birmingham Stokes (Großbritannien)
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1968-03-11
Filing date: 1969-03-11
Publication date: 1976-12-16
Also published as: FR2003632A1; DE1912114A1; GB1255321A

Description

Die Erfindung betrifft Oberflächen-Diffusionsverfahren unter Verwendung von Glimmentladungen und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, ein lonen-Nkrieren. Unter Glimmentladungen wird hier die Entnahme im Bereich cies anomalen Kathodenfalls verstanden: es ist bekannt, daß in diesem Bereich Oberflächen-Diffusionsverfahren in industriellem Maßstab möglich ist.The invention relates to surface diffusion processes using glow discharges and especially, though not exclusively, ionic nucleation. Under glow discharges here is the Withdrawal in the area cies anomalous cathode case understood: it is known that in this area Surface diffusion process on an industrial scale is possible.

Beim loren-Nitrierverfahren wird das zu erhitzende Werkstück als Kathode ^iner Glimmentladung gemacht. Zweckmäßigerweise wird die Anode durch die Kammer selbst zusammen mit einer an der Kammer befestigten Elektrode gebildet, die in einem bestimmten Abstand von der Kathode angeordnet ist. Zur Znit wird ein solches Verfahren in zwei Phasen durchgeführt; zuerst wird Wasserstoff bei niedrigem Druck in die Kammer eingeführt, und man erzeugt eine elektrische Glimmentladung, um so die Oberfläche des We "kstücks zu erhitzen und zu reinigen. Dann wird der Wasserstoff ganz oder teilweise durch das Arbeitsgas, beispi eisweise Stickstoff, ersetzt, und die Glimmentladung aufrechterhalten, so daß ein Nitrieren erfolgt.In the loren nitriding process, the workpiece to be heated is made as a cathode in a glow discharge. The anode is expediently through the chamber itself together with one on the chamber attached electrode formed, which is arranged at a certain distance from the cathode. Becomes Znit such a procedure carried out in two phases; first is hydrogen at low pressure in the Chamber inserted, and an electric glow discharge is created around the surface of the workpiece to heat and clean. Then the hydrogen is wholly or partially by the working gas, for example Nitrogen, and the glow discharge is maintained so that nitriding occurs.

Es ist vorgeschlagen worden, für ein lonen-Mitricrverfahren Gleichstrom zu verwenden. Das hai jedoch den Nachteil, daß eine Instabilität während des ersten Teils des Verfahrens bei Vorhandensein von Wasserstoff auftreten kann. Selbst wenn es gelingt, einen zufriedenstellenden Gleichgewichtszustand bei Verwendung von Wasserstoff zu erhalten, führt beim Ersatz des Wasserstoffs durch Stickstoff, dessen Ionen schwerer als die von Wasserstoff sind, die höhere kinetische Energie der Stickstoffionen zu einer Glimminstabilität infolge einer Zerstäubung der Kathode und einer Sekundärelektronenemission, und diese Instabilität kann das Werkstück beschädigen. Man muß deshalb Lichtbogen-Löschschaltungen verwenden; jedoch kann auch dann die Beschädigung des Werkstücks nicht vollkommen ausgeschaltet werden. Es ist ferner vorgeschlagen worden, Wechselstrom zu verwenden; jedoch können dadurch die vorgenannten Nachteile nicht vollkommen beseitigt werden.It has been proposed for an ion coding method To use direct current. However, this has the disadvantage that an instability during the first Part of the process can occur in the presence of hydrogen. Even if you manage to get one Maintaining a satisfactory equilibrium state when using hydrogen results in replacement of hydrogen by nitrogen, the ions of which are heavier than those of hydrogen, the higher kinetic energy of the nitrogen ions to a glow instability as a result of a sputtering of the cathode and secondary electron emission, and this instability can damage the workpiece. One must therefore Use arc extinguishing circuits; however, even then, the damage to the workpiece cannot be turned off completely. It has also been proposed to use alternating current; however, the aforementioned disadvantages cannot be completely eliminated.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß sich Hip Instabilität steuern läßt, wenn die Stromversorgung in der Form von Impulsen erfolgt, die ein veränderliches Impuls-Abstands-Verhältnis haben. Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Oberflächen-Diffusionsverfahren zum Behandeln eines Werkstücks, das in einer Glimmentladungskammer die Kathode bildet, wobei zunächst eine Glimmentladung in einem reduzierenden Gas so lange aufrechterhalten wird, bis das Werkstück auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und seine Oberfläche gereinigt ist und anschließend unterThe invention is based on the finding that hip instability can be controlled when the power supply is turned off takes the form of pulses which have a variable pulse-to-pulse ratio. Accordingly, relates The invention relates to a surface diffusion method for treating a workpiece that is in a The cathode forms a glow discharge chamber, initially a glow discharge in a reducing Gas is maintained until the workpiece is heated to a predetermined temperature and its Surface is cleaned and then under

ίο Aufrechterhaltung von Glimmentladung und Temperatur das Behandlungsgas in die Kammer eingebracht wird, und besteht darin, die Dauer der Stromstöße in bestimmter Weise zu ändern, nämlich derart, daß das Verhältnis der Dauer der Stromstöße zur Dauer der Pausen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stromstößen in der zweiten Arbeitsperiode kleiner ist als in der ersten Arbeitsperiode.ίο Maintaining the glow discharge and temperature the treatment gas is introduced into the chamber, and consists in the duration of the power surges in change in a certain way, namely in such a way that the ratio of the duration of the current surges to the duration of the Breaks between two consecutive power surges in the second working period is smaller than in the first working period.

Das Arbeitsgas kann wie bei den bekannten Verfahren eingeleitet werden, sobald die Arbeitstemperatur erreicht ist. Es ist jedoch festgestellt worden, daß die Verwendung von Impulsen ein Durchführen der Reinigungs- und Erwärmungsphase in Gegenwart vom Arbeitsgas ermöglicht, das deshalb von Anfang an oder zu jeder Zeit vor dem Erreichen der Arbeitstemperatur eingeführt werden kann.As with the known methods, the working gas can be introduced as soon as the working temperature is reached is reached. It has been found, however, that the use of pulses makes performing the Cleaning and heating phase in the presence of the working gas enabled, which is why from the beginning or can be introduced at any time before the working temperature is reached.

Die Erfindung ist im nachfolgend anhand eines Schaltschemas näher erläutert, das eine Vorrichtung veranschaulicht, die in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden kann.The invention is explained in more detail below with the aid of a circuit diagram which has a device Figure 3 illustrates that can be used in an embodiment of the invention.

Gemäß der Darstellung in der Zeichnung wird ein Dreiphasen-Wechselstrom in einen Doppelweggleichrichter eingespeist, der drei Dioden 11 und drei Thyristoren 12 umfaßt, wobei die Thyristoren 12 Dioden 13 in Reihe dazu aufweisen. Der Ausgang vom Doppelweggleichrichter wird zu einer Nitrierretorte 14 geleitet, und zwar über einen strombegrenzenden Widerstand 15 und einen Widerstand 16.As shown in the drawing, a three-phase alternating current is fed into a full wave rectifier fed, comprising three diodes 11 and three thyristors 12, the thyristors 12 diodes 13 in series to have. The output from the full wave rectifier becomes a nitriding retort 14 conducted via a current-limiting resistor 15 and a resistor 16.

Das zu ni'rierende Werkstück befindet sich in der Retorte 14 und bildet die Kathode, während die Retorte 14 selbst eine Anode bildet.The workpiece to be leveled is located in the retort 14 and forms the cathode, while the retort 14 itself forms an anode.

Die Vorrichtung umfaßt ferner eine Gleichstromquelle 17, die über eine Sperrschalteung 18 dazu dient, einen Impulsgenerator 19 mit veränderbarem Impuls-Abstands-Verhältnis mit Strom zu versorgen, der zum Thyristor 12 Steuerelektrodenstrom liefert; dabei ist die Anordnung so getroffen, daß der der Retorte 14 zugeleitete Strom in der Form von Impulsen auftritt, die vom Generator 19 gesteuert sind. Der Generator 19 ist von Hand einstellbar, um ein erstes Impuls-Abstands-Verhältnis zu liefern, das auf ein zweites und wesentlich geringeres Impuls-Abstands-Verhältnis reduziert wird, was weiter unten erläutert wird.The device further comprises a direct current source 17, which is used via a blocking circuit 18 to one Pulse generator 19 with variable pulse-distance ratio to supply power supplying control electrode power to thyristor 12; there is the Arrangement made so that the current supplied to the retort 14 occurs in the form of pulses which are controlled by the generator 19. The generator 19 is adjustable by hand to a first pulse-distance ratio to deliver, which is reduced to a second and much lower pulse-to-space ratio, which is explained below.

In einem typischen Arbeitsbeispiel besteht das Werkstück aus Eisen, und mit der die Anode bildenden Retorte 14 ist eine andere Elektrode verbunden, die in einer festgelegten Entfernung vom Werkstück angeordnet ist. In die Retorte 14 werden bei einem Druck von etwa 1 mm Hg gleiche Volumenanteile Wasserstoff und Stickstoff eingeleitet, und durch den über den Doppelweggleichrichter laufenden Dreiphasen-Strom wird eine Glimmentladung eingeleitet; in dieser Phase ist der Generator 19 so eingestellt, daß er Strom zu den Steuerelektroden der Thyristoren bei dessen höherem Impuls-Abstands-Verhältnis liefert, so daß der zur Retorte 14 gelieferte Strom einen Höchstwert hat. Um eine Glimm- Instabilität zu verhindern, werden die Abschaltperioden der Thyristoren langer als die Entionisierungsperioden des Lichtbogens gewählt, dieIn a typical working example, the workpiece is made of iron, and with that forming the anode Retort 14 is connected to another electrode which is located a fixed distance from the workpiece is. In the retort 14 at a pressure of about 1 mm Hg, equal proportions of hydrogen and volume Introduced nitrogen, and through the three-phase current running through the full wave rectifier a glow discharge is initiated; In this phase the generator 19 is set so that it supplies current to the Control electrodes of the thyristors at its higher pulse-spacing ratio supplies, so that the for Retort 14 delivered current has a maximum value. To prevent glow instability, the Turn-off periods of the thyristors longer than the deionization periods of the arc selected

in der Größenordnung von 0,001 Sekunden liegen.are on the order of 0.001 seconds.

Nachdem die Glimmentladung in Gang gekommen ist, wird die Intensität des Ionen-Bombardements progressiv erhöht, indem der Gasdruck und/oder die angelegte Spannung erhöht wird/werden, bis eine intensive Kathodenzerstäubung stattfindet. Die angelegte Spannung kann von Hand oder automatisch geändert werden, ist jedoch immer noch durch einen festgelegten Höchstwert begrenzt Der Effekt der Erhöhung der Intensität ist, daß Verschmutzungen an der Oberfläche des Werkstücks entfernt werden und daß die Temperatur des Werkstücks auf die für das Diffusionsverfahren erforderliche Temperatur erhöht wird. Der Generator 19 wird dann eingeschaltet, so daß er Strom an die Steuerelektroden der Thyristoren mit einem erheblich niedrigeren Impuls-Abstands-Verhältänis liefert, um damit den zur Retorte 14 gelieferten Strom zu vermindern. Die Abschaltperioden sind natürlich immer noch so eingerichtet, daß sie größer als die Entionisierungsperioden des Lichtbogens sind. Man läßt das Verfahren so lange weitergehen, bis die Diffusion im erforderlichen Masse vonstatten gegangen ist.After the glow discharge starts, the intensity of the ion bombardment increases progressively increased by increasing the gas pressure and / or the applied voltage until a intensive cathode sputtering takes place. The voltage applied can be manual or automatic changed, but is still limited by a set maximum The effect of the The increase in intensity is that dirt is removed from the surface of the workpiece and that the temperature of the workpiece increases to the temperature required for the diffusion process will. The generator 19 is then switched on so that it is supplied with current to the control electrodes of the thyristors a significantly lower pulse-to-space ratio supplies so as to reduce the current supplied to retort 14. The shutdown periods are of course, still set up to be greater than the deionization periods of the arc. Man lets the process go on until the diffusion has taken place to the required extent is.

Wenn zu irgendeinem Zeitpunkt der zur Retorte 14 gelieferte Strom einen Wert erreicht, bei dem eine Beschädigung des Werkstücks oder der Stromversorgung erfolgen könnte, schaltet die Spannung am Widerstand 16 den Stromkreis 18 ein, um den Generator 19 abzuschalten. Eine automatische zeitgesteuerte Rückstellschaltung 21 ist für den Wiederbeginn des Betriebs der Vorrichtung vorgesehen.If at any point in time the current delivered to retort 14 reaches a value at which a Damage to the workpiece or the power supply could occur, the voltage is switched on Resistor 16 the circuit 18 to turn off the generator 19. An automatic timed Reset circuit 21 is provided for restarting the operation of the device.

Vorzugsweise wird die Temperatur innerhalb der Retorte 14 während des Verfahrens dadurch gesteuert, daß die Temperatur in der Retorte mit Hilfe eines Thermoelements gemessen wird, dessen Ausgangsspannung an einen Spannungsverstärker 22 angelegt wird und dann zu einer Vergleichseinrichtung 23 gelangt, in der die Spannung mit einer Bezugsspannung von einem Stromkreis 24 verglichen wird, der einen Regelwiderstand 25 umfaßt, weicher entsprechend auf jede gewünschte Temperatur eingestellt werden kann. Jede Sollwertabweichung wird dem Generator 19 von der Vergleichseinrichtung 23 gemeldet, um das Irnpuls-Abstands-Verhältnis zu ändern und die Temperatur auf der gewünschten Höhe zu halten.Preferably, the temperature within the retort 14 is controlled during the process by that the temperature in the retort is measured with the help of a thermocouple, its output voltage is applied to a voltage amplifier 22 and then arrives at a comparison device 23, in which the voltage is compared with a reference voltage from a circuit 24 which has a variable resistor 25 includes, which can be adjusted accordingly to any desired temperature. Every Setpoint deviation is reported to the generator 19 by the comparison device 23 in order to determine the pulse-to-pulse distance ratio to change and keep the temperature at the desired level.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

2 1142 114

Claim:

Method for diffusing an element into the surface of a workpiece which is in a The glow discharge chamber forms the cathode, the glow discharge by means of a periodically pulsating Electricity is generated in which in a first working period the ratio of the duration of the Current surges for the duration of the pauses between two successive current surges is so great that the workpiece is heated to a temperature suitable for diffusion and its surface is cleaned, and in a second working period while maintaining the glow discharge Gas containing the element to be diffused is introduced into the glow discharge chamber, characterized in that the ratio of the duration of the current surges to the duration of the breaks between two successive power surges in the second working period is smaller than in the first working period.