專利名稱：關于金屬表面處理的改進的制作方法
技術領域：
本發明涉及到金屬表面的處理，諸如對這種表面的清洗(諸如消除銹皮、氧化層和污染物等)熱處理和涂鍍等。
為清洗之目的、并考慮到隨后的處理和噴涂，最好利用清洗和處理后表面的蒸發來對金屬表面進行處理的技術，長期以來已是一種公知技術，并且建議使用各種機械的和/或化學的裝置以執行這種清洗。
已經發現，在很多情況及很多應用中，這樣的一種機械的和/或化學的清洗處理要不是不能有效地達到所需的清洗程度，就是要使用昂貴而復雜的設備和方法。實際上，這也可能損壞被處理的表面。
已經有過這樣的建議，即使金屬物體的表面承受真空電弧放電以對其進行清洗，其中，所述的金屬物體構成了一個有效的陰極。這樣一種建議已經在例如如下的文獻中作出了美國專利說明書4，534，921、英國專利說明書2086788及在Fizikai Khimiya Obrabotki Materialov，Vol.21，No.3，1987pp49-53上由V.E.Bulat和M.Kh.Esterlis發表的名稱為“Removing Scale，Oxide Films and Contaminants from Metal Components by vacuum Electric Discharge”的論文。
在這篇論文中，解釋了這樣一種真空電弧放電，它發生在所述陽極和被認為是陰極點的陰極上面的個別位置之間，并且這些點可在所述陰極的表面上任意移動。通常在真空電弧放電中產生陰極放電點的現象在“Vacuum ArcsTheory and Application，J.M Lafferty，Editor;Wiley 1980”中已有描述。關于真空電弧放電中陰極點的性質和特性在由Ⅰ.Nikoshevitz，Nauka Technico，Minsk1988出版的名為“The treatment of metal objects by electric erosion”的書中已作了頗為詳細的敘述。在這部書中建議，所述的陰極點可以被歸納為兩個主要類型，即(a)一種是此后稱之為“大而緩慢移動(LS)”的陰極點，這種陰極點具有大于1mm的平均直徑，并且以小于每秒100cm的平均速度移動;和(b)另一種是此后稱之為“小而快速移動(SF)”的陰極點，這種陰極點具有小于1mm的平均直徑，并且以每秒大于100cm的速度移動。
特別是，本發明人也對所述陰極點的尺寸和運動的特性進行了研究，并且這種研究是從所述真空電弧放電的電壓電流特性的角度來進行的。因此，可以示出所述電壓電流特性是由逐漸上升和逐漸下降的部分組成的，即是由具有正梯度和負梯度的部分組成的。本發明人還示出了在所述電弧放電的最初階段，在所述陽極和陰極之間的間隔較小的情況下，所述的電弧從一個唯一的或者是非常有限的陰極點延伸到所述陰極的一個非常有限的區域內。增加所述的電弧電流伴隨有所述電弧電阻的增加，其結果是必將伴隨有所述電弧電壓的增加。因此，在所述電弧放電的最初階段，所述的電弧電壓電流特性具有正的梯度。
由于進一步增加所述的電弧電流的結果，當所述陰極點的數量增加并且如前所指出的它們能夠在整個陰極表面上任意移動時，所述電弧的體積就要顯著增加，其結果是在所述電弧中的蒸氣密度將會顯著減少，進而使所述電弧電阻減小，其結果使所述電弧電壓電流轉入負梯度部分。
然而，假如現在電弧中的蒸氣密度超過了規定的臨界值，例如通過電弧電流的不斷增加以及隨之而引起的所述陰極表面蒸發物的增加，那么，所述電弧電壓電流特性將會再一次地轉入正梯度區域。
特別通過本發明人還可以進一步示出，通過保證所述電弧放電的體積或其橫截面積不超過某個預定臨界值，可以實現所述電壓電流特性從負梯度部分到正梯度部分的推移，從而可以看出利用本發明可以達到如下效果，即在有限的電弧體積中的蒸氣密度相對而言較高。換句話說，通過增加電弧電流，可以在保持所述電弧橫截面基本不變或被減少的同時，實現與所述電壓電流特性相關的從負梯度到正梯度的轉變。
現在，從總是發生在待被處理表面上所述陽極點區域內的電弧作用的角度來看，事實是所述陰極點在待被處理表面上的任意移動必將導致所述表面的非一致處理。
在歐洲專利申請0468110A1中描述了一種為克服由于在所述陰極表面上的陰極點任意移動所引起問題的嘗試。其中披露了一種裝置，該裝置用于在所希望的方向上引導所述陰極表面上陰極點的運動。但是，在該歐洲專利申請中重復地強調了所產生的電弧具有負梯度的電壓電流特性，再者，所述的負梯度之所以出現，顯然是由于在所述陰極和電極之間施加電弧電壓的模式使所述電弧占據具有相應最大橫截面直徑的最大體積。
現在已經發現，利用具有這種負梯度電壓電流特性的電弧放電對一個陰極表面進行處理會帶來某些明顯的缺點，其中之一就是這種處理既耗時又不經濟。
另一方面，本發明是以一個意想不到的發現為基礎的，該發現就是，當待被處理的表面承受一個具有正電流電壓梯度的真空電弧放電，并且具有足夠高的電弧電流(大于50安培)時，可以提高所述陰極表面的表面處理效率。
根據本發明提供了一種方法，用于對金屬工件進行表面處理，其中這種表面處理發生于一個陽極的主要暴露部分和用作一個陰極的所述工件第一表面連續有限區域之間，真空電弧放電具有基本上不小于50安培的電弧電流，并且具有正的電壓電流坡度。
利用依據本發明的這種方法，可以保證所述電弧能夠在穩定狀態下保持所需的時間長度并且在每個有限區域內建立有效數量的LS陰極點。由于它們的相對較大的尺寸和緩慢的移動，在一致性處理方面，它們是更加有效的。例如，可以在隨后的一個有限區域被暴露進而對其放電以前，清洗那一個有限區域。通過保證所述電弧產生于該有限區域和所述陽極主要暴露部分之間，所述陽極的不希望的熔化(假如放電集中于所述陽極的一個很小面積上，就會發生這種情況)就可以避免。通過在所述工件和陽極之間傳遞一個相對運動，并通過保證在所述陽極和有限區域之間保持最小間隔和保證所述電弧放電將來只發生在所述有限區域和陽極之間，就可以保證所述工件隨后的有限區域能夠被處理，例如能夠被清洗，并且在這種方式之下，可以實現所述工作整個表面的一致性處理或清洗。
為了保證在所述陽極和相距其最短距離處所暴露的特定有限區域之間的所述電弧放電具有正的電壓電流梯度，最好作如下安排即使得與在那個時間的電弧放電相關的每一個有限區域與所述工件的一個低阻抗區相結合。這可以例如通過作出如下保證來加以實現，即保證利用一個或多個觸點使所述的電弧電壓被施加到所述工件的第二和相反表面，所述的觸點用以規定特定的表面部分，所述部分是相反的并且基本上隨著所述特定有限區域而在空間上進行擴展。另外，與所述特定有限區域相關的所述工件的那個區可以是冷卻的，從而建立一個低電阻區。
保證所述電弧放電僅產生于所述特定有限表面區域之間的另一種方法是通過對那個區域進行電磁輻射，借此以加熱該區域并引起某種程度的熱輻射，這種熱輻射有益于對該區域所述電弧的限制。
還有另一種方法可用于保證所述電弧僅產生于所述陽極和有限表面區域之間，那就是使一帶有多個與特定有限區域有電氣接觸的諸元件的電絕緣體與所述的特定有限區域并列配置。
在所有這些情況中，通過保證使所述電弧絕對地發生于特定有限表面區域和所述陽極之間，并且使所述電弧電壓電流特性呈正坡度和使所述的電弧電流大于50安培，從而使得所述電弧放電被相對高度地集中于一個最小的體積內，并且在所述有限表面區域上形成多個LS陰極點，而這些陰極點在一致性和經濟上對所述特定有限表面區域處理是特別有效的。
將可以看出，當所述LS陰極點被集中于所述正在被處理的特定有限表面區域的時候，也可以同時產生SF點。為了保證這些SF陰極點在最好是所述工件處理方向的預定方向上運動，通過相對所給定方向而配置在下游的一個或多個輔助接觸，將所生成的電壓另外提供給所述工件。最好是總電弧電流的85-90%流經所述有限表面區域，而剩余的則流經所述的輔助電極。這樣，在所述特定有限區域正在利用LS陰極點被進行有效處理的同時，一個下游區域受到SF點的影響。對所述特定有限區域和所述輔助觸點區之間的所述工件的那個區域進行最初表面處理，這些SF點是有效的。利用這種方式，所述陽極的工件相對移動到已經進行過初步處理的區域的確定的有限區域中，那么對于所述后續的表面的主要處理將是很方便的。
這里，剛剛敘述過的表面處理被用于對所述工件的初步清洗，如果需要，可以提供附加手段以利用蒸發技術對所述工件進行涂鍍。這樣，蒸發電極可以被包括在一個封閉殼體之中，該蒸發電極例如可以是一個被加熱的電阻，從而使涂鍍材料蒸發，以使得所述工件在以如上所述的方式進行了初步清洗以后能夠被涂鍍。另外，可以提供輔助加的電弧放電手段，用以有效地加熱蒸發電極，從而使其能有效地蒸發。
本發明還提供了一種裝置，用于執行依據本發明的所述方法。
為了保證所述的電弧放電圍繞所述陽極的暴露表面均勻分布，構成一個外殼陽極和內殼的陽極是適宜的，所述內殼具有較外殼為高的電導率，并且所述的電弧電壓被施加于所述工件和所述內殼之間，同時在所述的外殼和所述工件有限區之間產生電弧放電。利用所產生的電弧放電，與所述放電相關的外殼區域被加熱，借此以增加其電阻，因此使所述電弧自動地向所述外殼的相對較冷的低阻區移動，在這種方式下，所述電弧有規律地分布在所述外殼暴露表面上。
最好，所述陽極是一個環狀體，以有助于穿過它的細長工作的均勻處理。
最好在對平坦表面進行處理的情況下，所述陽極由基本共軸的具有良好電接觸的外、內園柱體制成，并且提供一個裝置，用以將一個持續或間歇的旋轉移動傳遞給所述陽極。
為了更好地理解本發明以及表明本發明在實際中是如何執行的，下面將參照附圖，其中
圖1是一個所述類型裝置的簡單示意圖，所述裝置用于依據本發明的基本原理對所述金屬工件進行表面處理;
圖2簡要示出了在一個細長產品的逐步清洗過程中，所述真空電弧放電的應用;
圖3簡要地示出了依據本發明的所述電弧放電的一個實施例的應用;
圖4簡要地示出了依據本發明的所述電弧放電的另一種型式的應用;
圖5簡要地示出了依據本發明的所述電弧放電的再一種型式的應用;
圖6示出了依據本發明的所述電弧放電裝置中所使用的一個尺寸放大了的陽極的橫剖面視圖;
圖7簡要地示出了依據本發明的另一種陽極的一部分以及移動的工件;
圖8是一種依據本發明的所述電弧放電裝置中所使用陽極的另一種形式的側視圖;
圖9簡要地示出了依據本發明的所述裝置的另一實施例，該裝置用于處理細長的移動物體;
圖10a、10b和10c是圖9所示裝置一個部分的不同變形的展開圖;
圖11示出了依據本發明的所述裝置的另一種型式，該裝置用于對細長管狀件的內表面進行處理;
圖12簡要地示出了根據本發明的一個裝置，該裝置用于清洗和涂鍍待處理的物體;
圖13簡要地示出了用于對處理對象進行清洗和涂鍍的所述裝置的另一種型式，該裝置在清洗和涂鍍過程中都使用了電弧放電;
圖14簡要示出了電弧放電在不同應用場合下對蒸發元件的影響;
圖15簡要地示出了依據本發明的所述裝置的一部分，用于不規則的進行涂鍍。
首先，參看附圖中的圖1和圖2，這兩張附圖簡要地示出了一種應用本發明基本原理對金屬工件進行表面處理的裝置。
如在圖1中所看到的，所述裝置包括一個通過一個適當的閥門2與真空泵3相連接的箱體1，借助于所述的真空泵3，可以在所述箱體內達到適宜的真空度，所述箱體1還有一個進氣端口4，該端口4通過閥門5與氣源(未示出)相連接，用以向所述殼體1導入空氣。陽極6相對一個陰極7(后者示意性地代表一個待被處理的工件)并列配置，且它們被分別提供有導電體8和9，導電體8和9密封地穿過殼體1而延展，電源10通過開關11和電阻器12跨接于導體8和9兩端，并通過電阻13和開關14并聯到觸發電極15，該觸發電極15的頂端被插入陽極6和陰極7之間。
由于所述箱體1是借助于真空泵3排氣，并通過進氣口引入適當的氣體以達到適宜的低壓，所以，開關13和14的閉合將導致發電極15在所述陽極6和7之間觸發電弧放電，隨后可將開關14打開。在陽極6和陰極(工件)7之間形成的所述電弧放電的作用在于執行例如消除銹斑等的陰極本身的表面處理。為了保證所述的電弧放電集中于所述陽極和陰極的相對表面上，對這兩個電極都提供了適宜的屏蔽罩6a和7a。
圖2簡要地示出了在對管狀物，導線和條狀物等細長物體17進行逐步清洗過程中所述真空電弧放電的應用。在這種情況下，密封地穿過真空室18的細長物體17構成了一個有效的陰極，所述的室具有一個由閥門控制的進氣口19和一個真空排氣口20。
陽極21被置于所述細長工作17的上方，并且被提供有導體22，該導體22穿過所述室18連接到電源(未示出)的正極。另一個導體23密封地穿過所述室18，并且在其一端耦合到所述電源的負極，而在另一端耦合到接觸24，該觸點24在允許所述物體17對接觸24作相對移動的同時，建立起一個與所述物體17相接的電接觸。所述物體還要穿過一個適當的屏蔽板25，屏蔽板25的作用在于限制所述電弧放電的擴散。
如前所解釋的，如果不采取措施使所述的電弧放電集中于所述陰極表面的集中區域內，那么在所述陰極和陽極之間建立的真空電弧放電將導致在所述陰極表面展開的區域內產生陰極點，這些陰極點在所述陰極表面上以完全任意的方式動來動去，這樣一種電弧放電無助于所述陰極表面的均勻處理，另外如上所述，所述電弧放電的這種操作特征在于所述的電弧電壓電流特性具有負的梯度。
本發明是以下述發現為基礎的，即當所述電弧放電工作于其電壓電流特性具有正梯度，電弧電流不小于50安培和所述電弧放電基本上均勻地分布于所述陽極暴露部分上方的情況下時，可以獲得特別有效的均勻處理。
另外還發現，為了使用這種正梯度電弧電壓電流特性進行工作，在增加所述電流的同時有必要限制體積也就是限制了所述電弧的橫截面積，借此，使所述電弧中的蒸氣密度隨著阻抗的必然升高而增加。依據本發明，這是通過將所述電弧安排產生在所述陽極的主要暴露部分和所述工件有限區域之間的任一特定時間處來實現的。另外，如先前所指出的，把所述電弧的范圍限制到這種有限區域的一種模式就是在所述工件內適應多個低阻抗區域，這些低阻抗區域分別與所希望的有限區域結合起來。
圖3，4和5簡要地示出了這種有限區域是如何通過建立低阻抗區域而形成的。參看圖3，密封穿過真空箱(未示出)的細長工件31構成了一個與陽極32并列排置的陰極，后者被連接到電源(未示出)正極。所述電源的負極通過導體33和一個例如是環形接觸的多端觸點34連接所述工件31，所述多點觸點34與和暴露到所述陽極的表面相對的所述工件31的那個表面相接觸。由多點觸點規定并與工件的所述表面相關的該工件區(和所述工件其余的部分相比較)基本上是一個低阻抗區，并且這個區域因此與向所述暴露給陽極的所述工件的一個有限表面區相聯系。所述的電弧放電將以最佳狀態產生于這個有限表面區域和所述陽極之間。提供了絕緣屏蔽板35和36，以保證電弧放電不在所不希望的方向上擴散。所能看到的，在所述陽極的主要暴露部分和與所述多點觸點34相對的有限區域之間所產生的電弧放電具有集中的橫截面，并且在所述工件和陽極之間可能的最靠近空間范圍內，這種電弧放電是有效的。
通過如此地將所述電弧放電控制在所述有限表面區域內，在所述電弧放電中的蒸氣密度將會增加。其結果，所述的電弧放電電壓電流特性具有正梯度，并且可以發現，在所述有限表面區域上形成多個LS陰極點，這些陰極點導致所述有限表面區域的均勻處理，例如清洗。隨著所述工件31在如箭頭所示方向持續或間斷的移動，即參照陽極32和多點觸點34所發生的移動，連續的有限表面區域被置入相對于陽極而言的最小距離區，并且所述陽極要承受在其上所形成的LS陰極點的作用。從而使所述工件的連續有限表面區被處理，并且所述工件表面作為一個整體均勻地經受了所述電弧放電的作用。所述工件的處理方向與該工件相對于所述陽極的相對移動方向相反。
應當理解，當LS陰極點在所述有限區上形成時，也產生了顯著數量SF陰極點，并且如果不采取任何措施，這些從有效表面區移出的SF陰極點將在所述工件表面上任意地動來動去。為了控制和引導這些SF陰極點的移動，如圖4和圖5所示的那種配置是合適的。例如，如圖4所示，所述電源的負極以與多點接觸34相并聯的方式連接到就相對移動而言處于多點接觸34上游的觸點37。由于這種配置，可以發現，在所述LS陰極點對有限表面區域進行有效處理的同時，所述的SF陰極點沿所述表面朝著觸點37移動，這就影響了在多點接觸34和所述觸點37之間區域的初步處理。利用這種方式，一旦所述工件的移動將來把所述的連續表面區域帶入電弧放電區，就有助于利用所述的LS點對這個區進行徹底的處理。
圖5示出了這種想法的進一步改進，在這種改進中，有一個輔助觸點38與所述的多端觸點34相并聯，且所述的輔助觸點37就相對移動的方向而言仍然處于所述工件31更上游的位置處，借此以保證即使是所述SF陰極點的最快移動也能夠被導入所需的預定方向，借此初始處理在所述電弧放電的主要部分所處理的所述主要表面之前的預處理表面。
在如圖3，4和5所示實施例的情況下，所述工件34的初步處理(如清洗)將借助受到導引的SF陰極點來進行，而最終處理是借助LS陰極點來實現的。
在實際中作如下推薦即在任一時刻的總電弧電流的85%-95%要流過建立正被處理有限表面區域的多點接觸，同時，總電流的5%-15%流過輔助電極。
下面參看圖6以描述陽極32的結構。該陽極包括一個外殼體39，在該外殼體中放置有一個內殼體40。所述陽極32除了其余表面部分以外都由一個屏蔽板41所包圍，穿過該屏蔽板，與其絕緣地延展有一個將被連接到電源正極的陽極觸點42。在所述內殼體40用諸如銅等具有高導電率的材料制成的同時，所述外殼體39使用例如不銹鋼、鉻鎳鐵合金等具有相對低導電率的耐熔材料制成。以這種型式構成的陽極，利用所述的電弧放電，對所述陽極主殼體39所述表面的一部分進行加熱，其結果是使其中的電阻增加，并且所述電弧自動地移向仍保持在較冷狀態的所述陽極表面的另一部分，從而可以看到，這一部分對于所述內殼體40呈現了一條較低電阻通路。這個過程繼續下去，從而導致了在所述陽極擴展表面上方所述電弧放電的持續均勻分布，從而減少了所述陽極燒熔的可能性，并有助于較長的耐用性。如所能見到的，所述的內殼體40開有洞口，使冷卻液得以通過，借此以加強對在任何情況下都不會被所述電弧放電所加熱的外殼體39的這些部分的冷卻。
在如圖7所示的實施例中，一個環狀陽極43被置于帶有可用箭頭所示方向放置的細長工件31的環狀屏蔽板44內，所示細長工件31穿過所述環狀陽極43和環狀屏蔽板44。若現在所述工件圍繞其長軸在所述陽極43之內并相對該陽板43轉動，并且所述工件31同時被軸向地通過所述陽極43而放置，那么，被處理的有限表面區域將形成一個有關所述工件31的有效螺旋通路，從而導致對整個工件31的有效表面處理。
剛才給出的所述例子恰是各種可變化的例中一個，在該例中，有限表面區域是在與整個工件移動方向基本垂直的方向上產生的。
所述的工件31還被提供有一個類似于空心軸的屏蔽板45，用于對所述工件的所述區域進行限定，因為在工件的所述區和所述陽極之間，所述的電弧放電是有可能擴散出來的。另一方面，如能所看到的，屏蔽板45被提供有一個很窄的細長槽46，以用于允許SF陰極點通過這些槽進入到就所述工件移動方向而言的工件上游部分，從而有利于它們的處理。
這些槽46從空心軸45的前端(即與陽極43相鄰的端)延展，并終止于所述空心軸45的中間部分，SF陰極點進入槽46并被有效地夾在其中。例如現在所述的屏板45相對于所述工件圍繞其長軸轉動，同時，所述工件軸向地穿過所述陽極43而放置，那么，被夾住的SF陰極點將形成一個與所述工件相關的有效螺旋通路，借此以執行整個工件31的有效初始處理。
另外，在所述工件類似板材料的情況下，可以利用一個平坦的電絕緣屏蔽板，參照對于類似空心軸屏蔽板的如上描述，上述的平坦絕緣屏蔽板具有多個較小的槽。在這種情況下，所述的平坦絕緣屏蔽板是以和所述工件移動的有關方向相互垂直地放置的。并且當與所述移動的有關方向相互垂直地進行放置時，夾在所述槽里的SF陰極點對所述表面進行處理。這就導致了對所述工件表面的有效(而均勻)的初步處理。
在圖8所示的實施例中(它是特別指定供延展的類似板材的工件使用)，提供了一個園柱形陽極47。該陽極47包括一個由高熔點材料制成的外空心構件48和一個由具有非常低阻抗的材料制成的內空心構件49。所述陽極49(持續或間斷地)圍繞中心軸轉動，冷卻液體可以流經該陽極49，且該陽極還可以用作一個電導體，借助于該導電體和電刷51，使得所述的陽極能夠被連接到電源(未示出)上。陽極47還被提供有一個環繞屏蔽板52，用以限制所述電弧放電的擴散。
穿過屏蔽板52的延展部分構成了一個刮削標53，它具有一個驅動裝置54，并用于去除所述陽極表面上累積的蒸發或沉積的材料。
當在上述配置中有限表面區域與由與所述工件相接觸的多點接觸所產生的低阻抗區相聯系時，這種低阻抗區可以通過例如使所述與有限表面相聯系的特定區域冷卻，并借此降低其電阻抗的方法來建立。
將電弧放電將集中的陽極和工件產生有限表面區域另一種模式是使用諸如激光輻射的適當的電磁輻射照射這些區域。通過輻射對這些區域的連續加熱導致了某種程度的蒸發和隨后的電離作用，這有助于在這些區域和陽極之間的電弧放電。但是，應當了解，為了消除與這些受輻射區域相連系的所述工件區的加熱，這些區本身應當另外冷卻。
還有一種模式可用于保證將所述電弧限制在有限表面區域內，那就是在利用電弧進行處理之前或之間，在所述表面上形成良好的凹槽，并利用這些凹槽的存在去限制所述LS陰極點的移動。這些凹槽最初可以沿著所述工件的長度方向形成，用以導引所述的SF陰極點和集中所述的LS陰極點。
保證所述電弧被限制在所述有限區域和陽極之間一個區內的另外或者是附加的模式是在相鄰所述有限表面區域的位置處設置一個電絕緣體，該電絕緣體在具有和有限區域連續電接觸的齒。所述工件具有有限區域和這些齒的實際接觸和所述工件相對于這些齒的移動將產生出一定程度的火花，反過來，這些火花又會把所述的電弧放電限制到發生了火花的所述有限表面區域。因此，就捕集所述陰極點而言，所述齒是非常有效的。
這種電子絕緣體的應用示意性地示于圖9。參看此圖，一個諸如導線等的細長物體57受到真空電弧放電清洗。為此，物體57縱向地放置，與多個導電輪58有良好的電接觸，所述的多個導電輪58在其轉動過程中與所述電源的負極相連接。所述物體57在通過接下來被連接到所述電源正極的環狀陽極60以前，首先要穿過一個開縫的、可旋轉的中空屏蔽板59。所述陽極60被提供有一個中空屏蔽61，從而避免在所述工件57和陽極60的非希望部分產生電弧放電。
與所述工件并列并與所述陽極靠近的是一個絕緣體62，從該絕緣體62處懸垂有諸個導電齒63，它與所述物體57保持電接觸。
在工作中，齒63與移動物體57的接觸既捕集了所述陰極點又引起火花，其結果，所述的火花區域成為一個所述有限表面區域，從而在所述工件和所述陽極60之間建立起相對受到限制的電弧放電，通過電弧放電對所述的有限區域進行有效的清洗。同時，壓在所述物體57上的齒63和所述物體57相對于齒63的持續移動導致了一個機械清洗作用，該清洗作用有效地補充或完成了由所述電弧放電所執行的清洗作用。
應當了解，當通過所述物體57表面上齒63的作用去規定所述有限表面區域，從而把所述主電弧電限制在所述工件和陽極之間時，有效數量的SF陰極點將趨于在滾輪58的方向上移動。通過保證所述物體57的移動速度基本上等于這些陽極點在反方向上移動的平均速度，就可以保證在利用仍然按滾輪58的方向移動的這些SF陽極點對所述物體進行清洗處理的同時，使所述LS陰極點的規模基本保持穩定。
對于一個具有均勻厚度的物體而言，所述陰極點移動的平均速度可以下述關系給出V＝Voe-Kt其中Vo是與正被處理的材料相關的常數(如對于鋼而言，Vo＝102cm/Sec)K是一個經驗系數＝0.44t是以μm為單位的銹皮厚度圖10示出了所述絕緣體的三個可供采用的實施例。如從圖10a所示，所述絕緣體包括一個絕緣夾具62，該夾具62有一組扁平端齒63a。在圖10b所示的實施例中，指出了所述齒63b是尖的，在圖10c中，夾具62是利用齒定位器65形成的，在該齒定位器65中配置有一個可移動的齒66，該齒66通過彈簧67被彈性地加壓而和被處理物體相接觸。利用該實施例，所述的齒66在需要的情況下可以很容易地進行更換。
如所指出的，所述齒能夠用導電材料構成，或者，所述齒可以利用絕緣材料構成，但這種絕緣材料應能夠通過在其上進行導電材料的沉積導電性。最好，所述齒間有一定的間隔(如0.5-5mm)以捕集所述的LS陽極點，并借此限制所述的電弧。
在指定所述的齒基本上用于限定所述電弧和/或表面清洗的場合，它們可以利用任一種適宜的較硬的導電材料構成。但是，如下面將要詳細解釋的那樣，在所述齒被指定用于電弧限制和/或被覆蓋表面的機械處理的場合，那么，所述的元件就應該使用一種較軟的材料，例如所述的覆蓋材料或工件本身的材料制成。構成所述齒的材料可以根據處理的目的進行選擇。
所述齒在執行其它功能的同時，還可以用于在垂直于所述物體處理的方向上建立凹槽。這些凹槽用于集結所述的LS陰極點。
圖11示出了另一種配置，該配置涉及到了在所述有限表面區域內集中所述的LS陰極點以及對所述SF陰極點移動的控制。在這種配置中，一個例如是管子的細長中空物體71必需具有一個為了清洗而利用在陽極和所述物體71的內表面之間所產生的真空電弧放電來處理過的內表面。在這種配置中，借助于適當的密封裝置73，74將所述物體71的任意一端封住，所述物體被適當的排空，從而在其中產生一個真空狀態，同時，密封裝置74具有一個進氣口75，而密封裝置73具有一個出氣口76。
通過耦合裝置77將所述陽極72耦合到電源正極，該耦合裝置77還用于將所述陽極72軸向地移動以穿過所述物體71。與所述物體71的外表面形成良好電接觸是多個觸點78，這些觸點被設計成依次地連接到所述電源的負極。所述觸點78被安排成可圍繞所述物體71的外表面在基本上螺旋的路徑內，從與所述密封裝置74相鄰的所述物體的一端向與所述密封裝置73相鄰的所述物體的相反端移動。所述觸點78的移動與所述陽極72的軸向移動同步。
由于在中空物體中恒定的低氣壓，即由于沒有氣體從入口75流到出口76，所以，在所述陽極72和與所述觸點78相對的有限表面區域之間集中了一個電弧放電79a。但是在這種情況下，SF陰極點將在所述中空物體的其余表面上任意移動，這確實無助于所述表面任一所希望的初步處理。然而，由于氣體不斷地從入口75到出口76流經所述中空物體，在所述的中空物體中將建立起一個壓力梯度，即所述的壓力從所述入口75所在區域到出口76所在區域逐漸減小，在這種情況下，將要產生一個所述放電的尾部79b，在這個尾部中，所述的SF陰極點沿一個預定方向運動，并借此進行所述表面的初步處理。由于所述的主放電位于這些預先處理過的區域和所述陽極72之間，所以，這些初步處理有利于后續的所有處理。
在上述特殊描述的實施例中，所述SF陰極點的受控移動的方向與所述處理的方向相同，但正如所指出的，也可以將這個受控移動安排得垂直于處理方向。
對于一個單一的電弧而言，任一被處理的區段(即有效陰極點區域)的最大尺寸(在垂直于處理的方向上)可以在5-250mm之間。在利用多個電弧同時對所述物體進行處理的場合，這些最大尺寸的總和可以位于下述范圍之內，這個范圍是與每個電弧相關的各單獨范圍的和。
如上所述，當所述裝置被利用于對所述工件的表面進行清洗，例如除去表面銹皮時，所述真空箱內的氣體壓力是根據需要被除去的銹皮的厚度來選擇的，例如在銹皮的厚度小于1μm的情況下，使用的最大氣壓約為100PA;
在所述銹皮的厚度在1-5μm之間的情況下，所使用的最大氣壓約為5PA。
在所述銹皮的厚度大于5μm的情況下，所使用的最大氣壓約為5.10-1PA。
所述的氣體壓力可與殘留的空氣壓力相關，或可與任一適宜的氣體壓力相關。
如上所指出的，依據本發明的方法和裝置在利用金屬表面的蒸發進行涂鍍方面是特別有用的。下面將參照附圖12-15對本發明的這種特殊應用進行描述。
如圖12所示，箱體81和真空泵82相耦合，借此以保證在具有能夠維持一個真空電弧放電的電氣壓的箱體內建立一個真空狀態。其表面需要清洗和涂鍍的一個細長物體83利用一個未示出的裝置支撐于箱體81內，并被提供有一個未示出的裝置，該裝置與沿其長軸方向的直線移動和圍繞其長軸的轉動。所述細長物體83與被提供有適當屏蔽85的環狀陽極84的中心孔共軸。構成一個有效陰極的所述物體83在觸點86處被電連接到電源88的負極，所述電源的正極一方面通過電阻89連接到所述陽極88，另一方面通過電阻器91連接到一個輔助觸發電極92。與所述物體83并列放置的有一個絕緣金屬物體93，在該金屬物體中配置有一個可替換單元94，從該單元94垂持有導電齒95。所述物體93與驅動裝置96相聯系，借助于該驅動裝置，所述物體能夠沿著所述物體83的表面移動。
安裝在箱體81之內并指向所述物體83的是電磁輻射源97，例如是激光源，電磁輻射束可以由該輻射源射到與所述陽極84相鄰的所述物體83的有限表面區域。
安裝在箱體81之內，并在所述物體83正下方的是氣化器98，該氣化器98通過開關100耦合到電源99，在該氣化器上安裝有一個氣化元素101，該氣化元素101由將被蒸發并在所述物體83上形成涂層的材料構成。在關閉所述開關100的情況下，由于氣化器98的電阻加熱的結果，產生所述元件101的蒸發現象。
在操作過程中，所述物體83沿長度方向移到所述陽極84的附近，且該物體的一個有限表面區域受到來自輻射源97的輻射，借此以加熱該表面區域，并引起其受到限制的蒸發和/或熱離子發射。在所述輻射的影響之下，所述的蒸發層被離子化。在所述有限表面區域的區內所產生的離子和/或熱離子發射用于將所述電弧放電吸引到所說區域。為此目的而使用電磁束進行輻射僅僅是在產生所述電弧放電的最初階段才是需要的，在此之后，可以將所述的輻射切斷。由于所述絕緣體的導電齒被安置的與這些區域相接觸，因此，所述電弧可以被保持在所述有限表面區域以及隨后的有限表面區域內。借此以保證所述電弧放電被持續地導向相關的有限區域。
所述細長物體83可以通過沿其整個長度和四周經受所述電弧放電進行清洗，這種清洗對物體的連續有限表面區域進行了連續的處理。利用所述電弧放電進行的清洗處理可以由所述齒95所進行的機械清洗加以補充或完成。應當了解，正如前面所述情況，所述的主處理是由所述的電弧放電作用在連續有限表面上進行的，這是由于所述的LS陰極點作用于這些區域。由于所述的SF陰極點被導向所述觸點86，并借此提供一個隨后將要借助于所述主電弧放電才能完成的所述物體的初步清洗，所以，要執行一個輔助的初步處理。
從以下情況來看，提供一個附加的機械清洗是特別重要的，所述SF陰極點朝著觸點86的移動建立了一個其寬度可與所述SF陰極點的平均寬度相比擬并處于0.3-1mm范圍之內的細長清洗通道。在這些通路的邊界上，是有影響的污垢、銹皮等的隆起部分，這些隆起部分的存在對利用隨后的LS陰極點對所述表面的清洗具有阻礙作用。事實上，在所述LS陰極點移動的路徑上，這些隆起部分的存在導致已由所述SF陰極點清洗過的路徑產生不均勻的、不希望的熔化。但是，如果這些已經經過所述SF陰極點進行過初步處理的區再通過能夠很容易移動它們的齒進行機械清洗的話，那么，隨后的LS陰極點在其上的移動過程就能有效地清洗所述表面，而不會產生任何不宜的熔化。
另外，通過保證所述絕緣體93的齒95彼此相間隔在0.5-5mm之間，這些元件可以用作在所述元件之間引起放電的那些陰極點的實際陷阱，并且利用這種方式，在對所述物體進行機構清洗的同時，伴隨有一個改進的電清洗。
隨著對所述物體83的清洗完成，該物體還要經受由同一電弧放電所進行的熱處理，該熱處理導致所述物體83表面的硬化并控制其表面特性。
利用對所述物體83同步時或周期的熱處理，所述物體83被(利用閉合開關100)被氣化器98的耐熱層而蒸鍍，其結果使蒸發源101被蒸發，其氣化物被沉積到圍繞其本身長軸轉動的所述物體83上。在與蒸發過程同時進行熱處理的場合，可能產生一個高質量蒸鍍層，其特征在于增加了所述蒸鍍層對所述金屬表面的附著力。
借助于適當的齒，可以使對所述物體83進行蒸鍍與對所述蒸鍍進行機械處理同時的或周期地進行。為此目的，構成所述齒的材料應當要么與所述涂層材料相同，要么與將要被蒸鍍的物體材料相同。
很明顯，在所述物體83上沉積的鍍層較厚的情況下，如上所述的處理，即最初鍍層的熱處理和沉積，繼之以其后鍍層的熱處理和沉積，可以重復足夠次數，以產生涂層所需要的厚度。
在所述物體的熱處理期間，有一點是非常重要的，那就是所述物體的溫度不能高于其本身的退火溫度，為此目的，所述物體被耦合到一個熱電偶上，利用該熱電偶可以控制加熱程度。另外，在所述物體的蒸鍍其間，通過如所希望的在所述氣化器和所述物體之間插入一個可移開的屏蔽可以控制涂層的涂敷。
如上所述，在借助圖12說明的實施例中，作為氣化器98電阻加熱的結果而發生蒸發現象時，根據本發明的另一實施例，可以使所述的蒸發元件經電弧放電處理而執行蒸發過程。這樣一個實施例示意性地示于圖13。
如從該圖中所看到的，一個物體105被耦合到一個電壓源(未示出)，所述物體105的右手端被封密在一個用于限制電子放電和被提供有細縫(未示出)的屏蔽106中。但是，為了提供一個陽極107，并在該陽極和所述物體105之間建立用于清洗之目的電弧放電，在本實施例中提供了一個環狀陽極108，該陽極108相對于配置于氣化器110之內并被提供有一個導電體111的蒸發元件109并列配置，所述電導體111被耦合到由源112的負極，該電源的正極被電連接到所述陽極108。在這種方式之下，所述的蒸發元件109構成了一個陰極，且當在所述陽極108和與導體111相對的蒸發元件109的有限表面區域之間啟動放電(最初使用輔助觸發電極113)時，隨之得到所述物體105的蒸鍍。
借助作用于所述蒸發元件109有限表面區域上的電弧放電以保證氣化的優點示于圖14。
在圖14中，通過一對導體115將一個負電壓施加到蒸發元件109上，導體115與所述元件的下末端相接觸，其結果可以看出，作為所述陰極點在所述蒸發表面上向相應的高端移動的結果，產生了非均勻的蒸發過程。在如圖14b所示之情況，即所述負電壓被提供給一個居中配置的窄觸點116時，將產生一個類似的希望的蒸發形式，但是如圖14c所示，在將所述負電壓通過一個環形接觸117提供給所述蒸發元件的基底的情況下(所述環形觸點117規定了有限表面區域)，在所述蒸發元件的上面部分上提供相應的有限表面區域可以導致相對均勻的蒸發過程。
在如上所述的配置中，當使用一個單一的陽極對作為陰極的金屬物體表面進行處理時，在適當的場合，可以使用多個具有公共或單獨電源的多個陽極以增加處理效率。在這種方式下，利用多個電弧放電對所述物體進行處理。
圖15示出了通過對例如齒條等不規則形狀物體120的蒸發形成的鍍層。為此目的，在所述物體120之下放置兩個氣化器121和122，且這兩個氣化器以各自相反的角度方向指向所述物體120，從而使它們的蒸發束相互疊加并以相反的方向覆蓋在所述物體120上。在這種方式之下，可以保證，盡管它的形狀不規則，仍可以使所述物體120受到均勻的蒸鍍。
應當明白，在根據本發明的所有實施例中，所述的電弧放電在一個穩定的狀態下可以保持所需的時間長度。
權利要求
1.一種對金屬工件進行表面處理的方法，其特征在于在一個陽極(32)的主要暴露部分和用作陰極的所述工件(31)第一表面連續有限區域之間產生其電弧電流基本上不小于50安培并具有正電壓電流梯度的真空電弧放電。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的連續有限區域分別與所述工件(31)的連續低電阻區域相關。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于通過一個或多個用以規定所述表面部分的每一個的觸點(37、38)在所述陽極(32)和所述工件(31)第二和相對的表面之間施加電弧產生電壓，所述的表面部分分別與所述的有限區域相對，并隨之而延展。
4.根據權利要求2的方法，其特征在于分別與有限區域相關的所述工件的區被連續冷卻以建立所述的低電阻區。
5.根據前述權利要求中任一個的方法，其特征在于所述工件(83)中所述有限區域中的每一個連續地經受電磁輻射，借此，以連續加熱所述區域。
6.根據前述權利要求中任一個的方法，其特征在于與所述連續有限區域并列配置有電絕緣體(62)，該絕緣體(62)具有與所述有限區域進行電接觸的齒(63)。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于所述齒(63)對于所述工件(57)的相對移動執行所述有限表面區域的機械處理。
8.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述的相對移動以給定的方向發生于所述工件(31)和所述陽極(32)之間，其中，所述的電弧產生電壓施加給所述的陽極(32)，并通過一個或多個輔助觸點(37、38)施加于位于給定方向上游的所述第二表面。
9.根據權利要求3的方法，其特征在于所述的相對移動以給定方向發生于所述工件(31)和所述陽極(32)之間，其中，所述的電弧放電連續地發生于所述陽極(32)和在垂直于所述給定方向的方向上分別設置的連續組有限區域之間。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于所述的電弧產生電壓被施加給所述陽極(32)并通過一個或多個可在垂直于所述給定方向的方向上移動的輔助觸點(37、38)施加到所述第二表面。
11.根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述的相對移動速度基本上與在所述表面上產生的陰極點的平均移動速度相等，其移動方向與所述陰極點的移動方向相反，且這種相對移動發生于所述陽極(32)和所述工作(31)之間。
12.根據權利要求1所述的方法，其特征在于它還包括在所述工件上形成凹槽的步驟，所述凹槽基本上垂直于所述工件相對于所述陽極進行相對移動所給定的方向。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于它還進一步包括在所述工件上形成其方向基本上與所述方向相同的凹槽的步驟。
14.根據權利要求1的方法，其特征在于所述的相對移動以給定方向發生于所述工件(31)和所述陽極(32)之間，并且所述的有限區域設置于相對于所述給定方向的上游處。
15.根據權利要求14所述的方法，其特征在于所述的陰極點被夾在相對于所述給定方向和有限區域位于上游的區內。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述的相對移動建立在所述工件和所述被夾住的陰極點之間，其移動方向基本上垂直于所述給定方向。
17.根據前述權利要求中任一個的方法，其特征在于所述的處理是對所述工件表面的清洗。
18.根據權利要求1的方法，其特征在于它還包括將一種涂鍍材料(109)蒸發到所述表面上的步驟。
19.根據權利要求18所述的方法，其特征在于它還包括借助所述電弧放電，與所述蒸發步驟同時或周期地對所述表面進行加熱處理的步驟。
20.一種用于對金屬工件進行表面處理的裝置，包括箱體(1);裝置(3)用于在所述箱體(1)中產生真空;第一裝置(5)用于有控制地將氣體引入所述箱體(1);至少一個陽極(7);第二裝置用于在所述箱體(1)中可移動地支撐一個構成陰極(6)的所述工件(6);第三裝置(10、15)用于在所述陽極(7)和所述陰極(6)之間施加一個電弧產生電壓，其特征在于還提供有第四裝置(34、62)用于把所述的電弧放電集中于所述工件(6)第一表面的連續有限區域內;第五裝置用于保證在所述陽極(7)上電弧基本上均勻分布;和第六裝置用于以一個給定的方向，在所述工件(6)和所述陽極(7)之間執行一個相對移動。
21.根據權利要求20所述的裝置，其特征在于所述第四裝置(34)被指定用于在所述有限區域的某個區內建立低阻抗區段。
22.根據權利要求21的裝置，其特征在于所述第四裝置包括一個或多個加到所述工件第二和相對表面的接觸(34)，用以規定分別與所述有限區域相對并隨之而延展的第二表面部分。
23.根據權利要求21所述的裝置，其特征在于所述的第四裝置包括一個冷卻裝置，用于冷卻所述工件的區，從而形成所述有限區域。
24.根據權利要求20的裝置，其特征在于所述的第四裝置包括一個電磁輻射裝置(97)，用于連續地輻射所述有限區域。
25.根據權利要求20所述的裝置，其特征在于所述第四裝置還包括一個具有元件(63)的電絕緣體(62)，用于連續地與所述有限區域進行電接觸。
26.根據前述權利要求中任一個所述的裝置，其特征在于還進一步提供有至少一個輔助觸點(37、38)，該觸點與所述第二表面電接觸，并位于所述電弧放電相對于所述工件進行所希望的相對移動的下游位置上。
27.根據權利要求20所述的裝置，其特征在于還提供有第七裝置，用于保證所述工件的基本均勻的初步處理。
28.根據權利要求27所述的裝置，其特征在于所述的第七裝置(34、35)被指定用于夾持和移動陰極點，其移動方向垂直于所述電弧放電相對于所述工件進行相對移動的方向。
29.根據權利要求27所述的裝置，其特征在于所述的第七裝置包括一個電絕緣屏蔽(35、45)，該絕緣屏蔽以部分遮蓋待被處理表面的方式45該表面相鄰放置，并可以垂直于所述給定方向的方向移動，該屏蔽在其內表面上具有多個窄細長槽(46)，這些槽結束于相對于電弧放電而言是所述屏蔽遠程端前不遠處。
30.根據前述權利要求中的任一個所述的裝置，其特征在于它還被提供有一個與所述工件并列配置的蒸發電極(101、109)，第八裝置(99、108)，所述第8裝置用于加熱所述蒸發電極(101、109)，借此以引起所述蒸發電極的蒸發。
31.根據權利要求30的裝置，其特征在于所述第八裝置包括電阻加熱裝置(99)。
32.根據權利要求30所述的裝置，其特征在于所述的第八裝置還包括一個附加電弧放電裝置(108)，該裝置利用所述的蒸發電極(109)作為一個輔助陰極，并且該裝置至少具有一個輔助陽極(108)。
33.根據前述權利要求中任一個的裝置，其特征在于所述第五裝置包括在封閉的電接觸箱內由所述內殼(40、49)和外殼(39、48)所形成的陽極(32、47)，所述的內殼(40、49)此所述外殼(39、48)具有較高的導電率;還包括一個裝置，用于在所述的工件和內殼(40、49)施加一個電弧電壓，所述的電弧放電產生于所述外殼體(39、48)和所述工件的一個有限區域之間。
34.根據權利要求30所述的裝置，其特征在于所述的外殼(48)和內殼體(49)基本共軸并呈園柱形，所提供的裝置用于將連續或間斷的轉動傳遞給所述陽極(47)。
35.根據權利要求33所述的裝置，其特征在于它還具有一個刮削裝置(53、54)，該裝置用于對所述外殼體(48的外表面施加壓力，以去除其上所沉積的材料。
36.一種用于對園柱形金屬工件的內表面進行處理的裝置，其特征在于包括裝置用于在所述工件(71)內建立真空狀態;陽極(72)該陽極可在所述工件(71)的長度范圍內沿其長度移動;電觸點(78)與所述工件(71)的外表面相接觸，并能相對所述工件(71)與所述陽極(72)同步移動;裝置(75、76)用于使氣體以所述陽極(72)的移動方向通過所述工件(71)，從而在所述方向上建立一個氣壓梯度。
37.一種用于對園柱形金屬物體(71)的內表面進行處理的方法，其特征在于包括如下步驟在所說物體(71)中建立真空狀態;以預定方向移動陽極(72)穿過所述物體(71)；與所述陽極(72)的移動同步的移動陰極觸點(78)使其與所述物體(71)相接觸;和沿所述移動方向建立穿過所述物體(71)的氣流，從而在所述方向建立一個氣壓梯度。
全文摘要
一種用于對金屬工件進行表面處理的方法和裝置，包括在一個陽極的主要暴露部分和用作陽極的一個工作第一表面連續的有限區域之間產生一個其電弧電流基本上不小于50安培并具有正電壓電流梯度的真空電弧放電。
文檔編號C23C14/24GK1099812SQ9311896
公開日1995年3月8日 申請日期1993年9月2日 優先權日1990年7月26日
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