CH656400A5

CH656400A5 - Plasmalichtbogeneinrichtung zum auftragen von ueberzuegen.

Info

Publication number: CH656400A5
Application number: CH5345/82A
Authority: CH
Inventors: Gennady Vasilievich Kljuchko; Valentin Glebovich Padalka; Leonid Pavlovich Sablev; Rimma Ivanovna Stupak
Original assignee: Gennady Vasilievich Kljuchko; Padalka Valentin G; Sablev Leonid P; Rimma Ivanovna Stupak
Priority date: 1982-09-17
Filing date: 1982-09-08
Publication date: 1986-06-30
Also published as: FR2533398A1; DE3234100C2; AT376460B; SE8205250L; SE8205250D0; ATA330782A; SE450539B; GB2127043B; GB2127043A; DE3234100A1; FR2533398B1; US4492845A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Plasmastrahlspritzen und betrifft insbesondere Plasmalichtbogeneinrichtungen zum Auftragen von vorwiegend Metallüberzügen auf Werkstücke verschiedener Form, insbesondere auf langgestreckte Werkstücke.

Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäs-sen Einrichtung zum Auftragen von Verfestigungs-, Zier- und anderen Überzügen im Werkzeugbau, in der Medizin, Schmuckwarenindustrie und auf anderen Gebieten der Technik.

Ein wichtiges Problem, das vor dem Fachmann bei der Entwicklung der Plasmalichtbogeneinrichtungen zum Auftragen von Überzügen steht, ist die Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit des aufschoopierten Teiles unter Sicherung der erforderlichen physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Teiles. Die Lösung dieser Aufgabe ist vor allem dadurch erschwert, dass im Plasmastrahl, der durch das Verdampfen des Katodenmaterials erzeugt wird, elektrisch neutrale Makroteilchen-Tropfen sowie feste Teilchen des Katodenmaterials - vorhanden sind, wodurch die Oberflächengüte des Werkstückes beeinträchtigt wird. Zur Beseitigung dieses Nachteils wird die Magnetscheidung des Plasmastrahls in neutrale und geladene Teilchen vorgenommen, wobei das Werkstück nur mit geladenen Teilchen behandelt wird.

Es ist z.B. eine Plasmalichtbogeneinrichtung bekannt, in welcher die Scheidung des Plasmastrahls bei dessen Lauf durch einen krummlinigen Plasmaleiter erfolgt, der mit einem Magnetsystem versehen ist (s. Aksenov I.I., Belous V.A. u.a.: Ustroystvo dlya ochistki plasmy vakuumnoy dugi ot makro-chastits [Einrichtung zur Reinigung des Vakuumplasmas von Makroteilchen], in: «Pribory i tekhnika eksperimenta» [Versuchsgeräte und -technik], Moskau, 1978, Heft 5, S. 236-237). Dabei gelangen neutrale Makroteilchen auf der Wandung des Plasmaleiters zur Ausscheidung, während geladene Teilchen, d.h. positive Ionen, durch das Magnetsystem abgelenkt und über den Plasmaleiter zum Werkstück gerichtet werden.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Einrichtung besteht in grossen Verlusten an geladenen Teilchen, die sich an der Wandung des Plasmaleiters infolge Energieverluste absetzen, sowie in einer beträchtlichen Länge des Plasmaleiters.

Es ist eine andere Plasmalichtbogeneinrichtung zum Auftragen von Überzügen bekannt, welche eine Arbeitsanodenzelle aus unmagnetischem Material, eine in der genannten Zelle angeordnete selbstverzehrende Katode, deren Verdampfungsfläche zur Anode gerichtet ist, eine mit der Katode in Berührung stehende Zündelektrode, eine Gleichstromquelle zur Speisung des Bogens, eine Impulsstromquelle zum Zünden des Bogens sowie ein an der Anode angeordnetes Magnetsystem enthält (s. Osipov V.A., Padalka V.G. u.a.: Usta-novka dlya naneseniya pokrytij osazhdeniem ionov, izvleka-emykh iz plazmy vakuumnoy dugi [Anlage zum Auftragen der Überzüge durch Ausscheidung der Ionen aus dem Vakuumplasma], in: «Pribory i tekhnika eksperimenta» [Versuchsgeräte und -technik], Moskau, 1978, Heft 6, S. 173-175).

In dieser Einrichtung ist die Stromquelle zur Speisung des Bogens an die Anode und Katode angeschlossen, während die Stromquelle zum Zünden des Bogens mit der Katode und der Zündelektrode verbunden ist. Das erwähnte Magnetsystem dient zur Ablenkung der geladenen Plasmateilchen von der Anodenoberfläche in Richtung des Werkstücks. Als Verdampfungsfläche der Katode dient in diesem Fall die Stirnfläche der letzteren. Dabei enthält die Einrichtung ein zusätzliches Magnetsystem, welches zur Fixierung des Katoden-brennflecks auf der Stirnfläche der Katode dient (dieses System ist im UdSSR-Urheberschein 307 666, veröffentlicht im Jahre 1979, ausführlich beschrieben). Die Arbeitsanodenzelle ist kegelförmig ausgeführt und weist an ihrem Stirnende einen Deckel auf, an welchem von innen die Werkstücke befestigt

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werden. Im mittleren Teil liegt am Deckel eine Büchse an, in fällt, und in der Katode eine Öffnung zur Aufnahme des welcher die obenerwähnte Katode angeordnet ist, die in Form Werkstückes in der Arbeitslage vorgesehen ist, wobei die Ka-

eines verhältnismässig kurzen Zylinders mit einer Stange aus- tode in der Achse des erwähnten Rohres derart angeordnet geführt ist. Die Stirnfläche der Katode liegt dabei im wesent- ist, dass die Aussenoberfläche die Verdampfungsfläche bildet,

liehen in derselben Ebene mit der Innenfläche des Deckels. 5 und ihre Länge in der Richtung der Achse kürzer als die

Während des Betriebs der bekannten Einrichtung breitet Länge des Rohres ist.

sich der Plasmastrahl, welcher die Dämpfe des Katodenmate- Hier und weiter wird unter dem Terminus «Rohr gleich-

rials enthält, in Richtung der Anode aus. Dabei werden die bleibenden Querschnitts», der geometrisch im breiteren Sinn

Betriebsdaten der Einrichtung so gewählt, dass die im Pias- aufgefasst wird, ein beliebiges Rohr verstanden, dessen Quer-

mastrahl vorkommenden positiven Ionen durch das im 10 schnittsfläche in der Rohrlänge gleichbleibend gross ist, wo-

Plasma unter der Wirkung des Magnetfeldes im Bereich der bei das Rohrprofil ein Rund- sowie ein Oval-, Rechteck-,

kegelförmigen Anodenfläche erzeugte elektrische Feld abge- Vieleckprofil u.dgl. sein kann.

lenkt und in Richtung des Deckels geleitet werden, wo sie sich Bei einer solchen Ausführung der Plasmalichtbogenein-auf den Werkstücken absetzen, während die neutralen Ma- richtung lässt sich das Werkstück in die Katodenöffnung auf-kroteilchen zur Ausscheidung auf der Innenfläche der Anode 15 nehmen und von allen Seiten mit dem Plasmastrahl (Plasmagelangen. nebel) behandeln, da der Plasmastrahl unter der Wirkung des Während des Betriebs der gegebenen Einrichtung entste- Magnetfeldes dank der rohrförmigen Ausführung der Anode hen bestimmte Schwierigkeiten, welche die allgemeine Ver- um das Werkstück herum in der zur Werkstückachse perpen-wendung der Einrichtung hindern. Da in der bekannten Ein- dikular verlaufenden Ebene umläuft. Da die Verdampfungsrichtung durch Plasmastrahlspritzen zugleich nur eine Fläche 20 fläche der Katode in diesem Fall die Seitenfläche der letzteren des Werkstückes behandelt werden kann, ist es erforderlich, bildet, werden die Verdampfung des Katodenmaterials und für die Behandlung der anderen Werkstückfläche die Einrich- der Verlauf der Plasmascheidung begünstigt, wodurch die tung abzuschalten und das Werkstück von Hand bzw. mit Oberflächengüte der aufschoopierten Werkstückoberfläche Hilfe einer Sondervorrichtung zu drehen. Aus demselben erhöht wird.

Grund ist auch die Behandlung der in Form eines Rotations- 25 Besonders fertigungsgerecht ist eine Modifikation der er-

körpers ausgeführten Werkstücke erschwert. findungsgemässen Einrichtung, bei welcher die Arbeitsan-

Da die Arbeitsfläche des Deckels verhältnismässig gering odenzelle in Form eines Zylinderrohres ausgeführt ist. Beim ist, ist es in diesem Fall nicht möglich, langgestreckte Werk- Einsatz dieser Modifikation brennt der Lichtbogen besonders stücke, wie Stangen, Streifen, Stäbe, Bänder u.ä. zu be- beständig, wodurch das Plasmastrahlspritzen begünstigt handeln. 30 wird.

Es sei ferner betont, dass in der bekannten Einrichtung als Es ist zweckmässig, wenn die Länge der Seitenfläche der Verdampfungsfläche der Katode ihre Stirnfläche dient, deren Katode 0,05 bis 0,5 der Länge des Rohres beträgt. Dadurch Grösse in der Regel 200 cm2 nicht überschreitet, wodurch die werden die optimalen Bedingungen zum Aufschoopieren des Leistungsfähigkeit der Einrichtung wesentlich verringert Werkstücks geschaffen. Wenn die Länge der Seitenfläche der wird, so dass die zugeführte elektrische Leistung erhöht wer- 35 Katode kleiner als 0,05 der Länge des Rohres ist, kann bei der den muss. Das letztere beeinträchtigt aber die Verdampfung Massenfertigung die erforderliche Leistung der Metallisie-des Katodenmaterials und führt zu einem beschleunigten Ver- rung nicht gewährleistet werden. Ist aber die Länge (t) der gebrauch der Katode, häufigen Katodenwechsel und zur Ver- nannten Katodenfläche grösser als 0,5 der Länge des Rohres, schlechterung der Oberflächengüte. so wird der Arbeitsbereich der erfindungsgemässen Einrich-

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die genannten 40 tung unwirtschaftlich ausgenutzt, was zu grösseren Verlusten

Mängel zu beseitigen. an Verdampfungsmaterial führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasma- Beim Einsatz der Modifikation der erfindungsgemässen lichtbogeneinrichtung zum Auftragen von Überzügen zu ent- Einrichtung, in welcher die Anode zylinderförmig ausgeführt wickeln, in welcher durch Änderung der Form der Katode ist, ist es zweckmässig, die Seitenfläche der Katode ebenfalls und Anode sowie deren gegenseitiger Anordnung die Ver- 45 zylinderförmig bzw. vieleckig zu gestalten. Die erste Form der dampfungsfläche der Katode geändert und der Umlauf des Katode ist besonders fertigungsgerecht und die zweite Form

Plasmastrahls um das Werkstück herum sichergestellt wird, eignet sich gut für die Herstellung der Katode aus einzelnen wodurch eine ununterbrochene Behandlung des Werkstückes Stücken des Bandmaterials.

von allen Seiten erzielt, eine hohe Güte der aufschoopierten Es ist wünschenswert, die gesamte Katodenfläche ausser

Oberfläche gesichert und ausserdem die Behandlung von 50 der Verdampfungsfläche abzuschirmen. Dadurch werden die langgestreckten Werkstücken ermöglicht werden. Betriebszuverlässigkeit der Einrichtung und die Oberflächen-

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einer güte des Überzugs erhöht.

Plasmalichtbogeneinrichtung zum Auftragen von Überzügen, Es ist eine weitere Modifikation der erfindungsgemässen welche eine Arbeitsanodenzelle aus unmagnetischem Metall, Einrichtung von Vorteil, in welcher die Einrichtung zusätz-eine in der genannten Zelle angeordnete selbstverzehrende 55 lieh eine weitere in der Arbeitszelle angeordnete Katode entKatode, deren Verdampfungsfläche zur Anode gerichtet ist, hält, die mit einer Zündelektrode versehen und der obener-eine mit der Katode in Berührung stehende Zündelektrode, wähnten ersten Katode identisch ist, wobei die erste und die eine Gleichstromquelle zur Speisung des Bogens, die mit der zweite Katode an den Rändern der genannten Anodenzelle Anode und der Katode verbunden ist, eine Impulsstrom- fluchtend angeordnet und gegeneinander elektrisch isoliert quelle zum Zünden des Bogens, die mit der Katode und der sind. Bei dieser Modifikation lässt sich gegenüber den oben-Zündelektrode verbunden ist, sowie ein an der Anode ange- beschriebenen Modifikationen mit einer Katode ein gleich-ordnetes Magnetsystem zur Ablenkung der geladenen Pias- mässig verteilter Überzug in kürzerer Zeit herstellen, mateilchen von der Oberfläche der Anode zum Werkstück Es ist eine weitere Modifikation der erfindungsgemässen enthält, die Arbeitsanodenzelle erfindungsgemäss in Form ei- Einrichtung möglich, in welcher die Einrichtung mehrere nes Rohres gleichbleibenden Querschnitts ausgeführt ist, an 65 (mehr als zwei) in der Arbeitszelle fluchtend angeordnete dessen Aussenseite das genannte Magnetsystem montiert ist, identische Katoden enthält, die mit Zündelektroden versehen während die Katode im Querschnitt eine Form hat, die mit und durch gemeinsame stromleitende Stützen miteinander dem Profil des erwähnten Rohres im wesentlichen zusammen- elektrisch verbunden sind, und ein Steuerteil zum aufeinan-

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derfolgenden Ein- und Abschalten der Katoden aufweist, das an die Zündelektrode jeder Katode angeschlossen ist. Diese Modifikation eignet sich besonders gut für die Behandlung von langgestreckten Werkstücken.

Bei der Behandlung solcher Werkstücke kann eine andere Modifikation der Einrichtung eingesetzt werden, in welcher die Arbeitsanodenzelle in einzelne voneinander elektrisch isolierte Anodenzellen geteilt ist, wobei die Einrichtung zusätzlich mehrere Katoden enthält, die mit Zündelektroden versehen und der obenerwähnten ersten Katode identisch sind, so dass die gesamte Katodenzahl der Zahl der Anodenzellen gleich ist, während diese Katoden miteinander durch gemeinsame stromleitende Stützen elektrisch verbunden und fluchtend angeordnet sind, wobei in jeder Anodenzelle eine Katode vorgesehen ist. Bei der Behandlung von langgestreckten Werkstücken ist diese Modifikation der Einrichtung besonders leistungsstark, da alle elektrischen Gruppen «Anodenzelle - Katode» gleichzeitig arbeiten und in jeder dieser Gruppen der umlaufende Plasmanebel entsteht.

Die Erfindung wird nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 schematisch die erfindungsgemässe Plasmalichtbogeneinrichtung zum Auftragen von Überzügen (in der Modifikation mit einer Katode), im Längsschnitt;

Fig. 2 und 3 mögliche Gestaltungsformen der Katode beim Einsatz der Modifikation der erfindungsgemässen Einrichtung, in welcher die Arbeitsanodenzelle in Form eines Zylinderrohres ausgeführt ist, in Stirnansicht;

Fig. 4 schematisch den Betrieb der erfindungsgemässen Einrichtung in Schnitt IV-IV durch Fig. 1;

Fig. 5 eine Modifikation der erfindungsgemässen Einrichtung mit zwei Katoden, im Längsschnitt;

Fig. 6 und 7 Modifikationen der Einrichtung mit vier Katoden, im Längsschnitt, wobei in Fig. 6 die Ausführungsvariante mit der ungeteilten und in Fig. 7 mit der in Zellen geteilten Anode dargestellt ist, und

Fig. 8 Ansicht nach Fig. 5 in der Modifikation, bei welcher die erfindungsgemässe Plasmalichtbogeneinrichtung eine ununterbrochen wirkende Einrichtung ist.

Die erfindungsgemässe Plasmalichtbogeneinrichtung zum Auftragen von Überzügen enthält eine Arbeitsanodenzelle 1 aus unmagnetischem Metall (s. Fig. 1 der beigelegten Zeichnungen), eine selbstverzehrende Katode 2, eine Zündelektrode 3, eine Gleichstromquelle 4 und eine Impulsstromquelle 5 entsprechend zum Speisen bzw. Zünden des Lichtbogens zwischen der Katode 2 und der Anode 1.

Die Arbeitsanodenzelle 1 ist in Form eines Rohres gleichbleibenden Querschnitts, beispielsweise eines Zylinderrohres, ausgeführt und von den Stirnenden mit Deckeln 6 und 7 geschlossen, welche gegen die Anodenzelle 1 durch Isolierzwischenlagen 8 isoliert sind. Der Deckel 6 weist eine Einfüllöffnung 9 zum Einführen des Werkstücks 10 in die Anodenzelle 1 auf, während im Deckel 7 ein Stutzen 11 vorgesehen ist, durch welchen die Anodenzelle 1 an eine Vakuumieranlage angeschlossen wird (die Vakuumieranlage ist aus den Gründen der Vereinfachung nicht gezeigt, während das Abpumpen von Gas aus der Anodenzelle 1 durch den Pfeil bedingt bezeichnet ist).

Die Katode 2 ist in der Anodenzelle 1 mit Hilfe von stromleitenden Stützen 12 angeordnet, die in am Deckel 6 befestigten Isolierhülsen 13 montiert sind. Dabei ist die Gleichstromquelle 4 an die Anode 1 sowie an eine der Stützen 12, und die Impulsstromquelle 5 an die andere Stütze 12 und an die Zündelektrode 3 angeschlossen. Die Zündelektrode 3 ist aus Keramik hergestellt, steht mit der Katode 2 im Kontakt und ist über eine im Deckel 7 befestigte Isolierhülse 14 durchgelassen.

Die Katode 2 hat im Querschnitt eine Form, die im wesentlichen mit dem Profil der Anodenzelle 1 zusammenfällt, wobei in der Katode 2 eine Öffnung 2a für die Aufnahme des Werkstücks 10 in der Arbeitslage ausgeführt ist (s. Fig. 1).

5 Dabei ist die Katode 2 in der Achse der Anode 1 derart angeordnet, dass deren Verdampfungsfläche durch die Seitenfläche 2b der Katode gebildet ist. Die Breite t dieser Fläche 2b ist kleiner als die Länge 1 der Anodenzelle 1. Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass die besten Ergebnisse erzielt io werden, wenn t von 0,05 bis 0,5 1 beträgt. Zur Verhinderung eines zufalligen Überspringens des Lichtbogens auf die anderen Flächen der Katode 2 sind diese Flächen mit einem Schirm 15 abgeschirmt.

Die Einrichtung enthält ferner ein Magnetsystem, welches 15 beispielsweise ein Solenoid 16 darstellt, das an der Aussenflä-che der Anodenzelle 1 angeordnet und an eine Gleichstromquelle (in der Zeichnung nicht gezeigt) angeschlossen ist.

Dieses Magnetsystem ist für die Erzeugung eines Magnetfeldes innerhalb der Anodenzelle 1 bestimmt, welches die Ab-20 lenkung der geladenen Plasmateilchen von der Oberfläche der Anode 1 zum Werkstück 10 fördert. Selbstverständlich kann dieses Magnetsystem baulich anders gestaltet, z.B. mit Dauermagneten (in der Zeichnung nicht gezeigt) ausgeführt sein.

Zur Optimierung der Betriebsbedingungen der Katode 2 25 ist es ratsam, diese mit Wasser abzukühlen, welches beispielsweise durch die obenerwähnten stromleitenden Stützen 12 läuft, wozu die letzteren hohl ausgeführt sind (Wasserzuführung und -abführung sind bedingt durch Pfeile gezeigt).

Wenn die Anodenzelle 1 wie oben beschrieben in Form ei-30 nes Zylinderrohres ausgeführt ist, empfiehlt es sich, die Seitenfläche 2b der Katode 2 zylinderförmig (Fig. 2) bzw. vielek-kig (Fig. 3) auszuführen. Im zweiten Fall wird die Katode 2 als ein beständiger Tragkörper 2c und an diesem befestigte Arbeitsplatten 2d aus verzehrbarem Material ausgeführt. 35 Die erste Ausführungsvariante der Katode 2 ist besonders fertigungsgerecht, während die zweite Variante für die Herstellung der Katode aus Einzelstücken des Bandmaterials gut geeignet ist, wodurch die Herstellungskosten der Katode wesentlich verringert werden. Aus dem Obengesagten geht her-40 vor, dass bei einer anderen Profilform der Anodenzelle 1 (Fig. 1) beispielsweise bei der ovalen oder rechteckigen Form des Anodenzellenrohres, auch die Katode 2 die entsprechende Form haben muss.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Einrichtung 45 besteht in folgendem.

Das Werkstück 10 (s. Fig. 1) wird im Halter 10a aufgenommen und über die Einfüllöffnung 9 in die Anodenzelle 1 derart eingeführt, dass das Werkstück 10 in die Öffnung 2a der Katode 2 eingeht, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, wo-50 nach der genannte Halter 10a an der Einfüllöffnung 9 befestigt wird. In der Anodenzelle 1 wird der erforderliche Unterdruck erzeugt und an die Anode 1 und die Katode 2 eine Betriebsspannung von der Gleichstromquelle 4 angelegt, wonach das Solenoid 16 eingeschaltet wird.

55 Darauf wird an die Katode 2 und die Zündelektrode 3 eine Zündspannung von der Impulsstromquelle 5 gelegt. Zwischen der Katode 2 und der Anode 1 entsteht dabei ein Lichtbogen, dessen Katodenbrennfleck unter der Wirkung des Magnetfeldes des Solenoids 16 an der Seitenfläche 2b der Katode so 2 umläuft. Der Katodenbrennfleck verursacht die Verdampfung des Materials der Katode 2 und Bildung eines Plasmanebels 17 (s. Fig. 4), welcher in der zur Achse der Anodenzelle 1 perpendikular verlaufenden Ebene umläuft, wie es mit dem ausgezogenen Pfeil schematisch gezeigt ist. Dabei erfolgt die 65 Ausscheidung der neutralen Makroteilchen des Plasmastrahles 17 auf die Innenfläche der Anodenzelle 1, während positive Ionen von der durch das elektrische Feld im Plasma unter der Wirkung des Magnetfeldes erzeugten Potentialschwelle

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reflektiert werden und sich auf der Oberfläche des Werkstücks folgt. Die Ausführung des Steuerteiles 19 ist für den Fach-10 absetzen, was in Fig. 4 mit punktierten Pfeilen bedingt ge- mann auf diesem Gebiet der Technik offendundig und wird je zeigt ist. Durch den Umlauf des Plasmanebels 17 wird das nach den gegebenen Betriebsbedingungen aus einer Mehrzahl Werkstück 10 auf dem gesamten Umfang behandelt. Der Ab- von bekannten Vorrichtungen dieser Art gewählt.

stand S (Fig. 1) von der Seitenfläche 2b der Katode 2 bis zur 5 Die in Fig. 7 dargestellte Modifikation der Einrichtung ist Innenfläche der Anodenzelle 1 wird derart gewählt, dass die der in Fig. 6 gezeigten Modifikation im wesentlichen ähnlich, Behandlung des Werkstücks 10 auf seiner gesamten Länge 1] enthält aber im Unterschied zu der letzteren kein Steuerteil sichergestellt wird. 19, während die Arbeitsanodenzelle I in diesem Fall in ein-

In Fig. 5 ist eine andere Modifikation der erfindungsge- zelne Anodenzellen la bis ld geteilt ist, die gegeneinander mässen Einrichtung gezeigt, bei welcher diese zwei Katoden 2 i0 durch Isolierzwischenlagen 8 elektrisch isoliert sind. Jede von enthält, die der obenbeschriebenen Katode identisch und an den genannten Anodenzellen enthält ein separates Magnetsy-den Rändern der Arbeitsanodenzelle 1 angeordnet sind. Jede stem 16 sowie eine separate Gleichstromquelle 4 zur Speisung von diesen Katoden 2 ist mit einer Zündelektrode 3 versehen, des Lichtbogens. Zum Zünden des Lichtbogens ist eine Imgegen die andere Katode elektrisch isoliert und enthält eine pulsstromquelle 5 vorgesehen, es können jedoch offensicht-separate Speiseeinheit, welche Stromquellen 4 und 5 aufweist. 15 lieh auch mehrere Impulsstromquellen nach der Zahl der An-Die Wirkungsweise dieser Modifikation unterscheidet odenzellen eingesetzt werden. Die gesamte Zahl der Katoden sich von der Wirkungsweise der obenbeschriebenen Modifi- 2 ist ebenfalls der Zahl der Anodenzellen 1 a bis ld gleich, wo-kation im Prinzip nicht. Diese Modifikation ermöglicht es, bei die Katoden 2 je eine Katode in jeder Anodenzelle 1 a bis den Überzug auf das Werkstück 10 schneller und gleichmässi- ld fluchtend angeordnet sind. Der Anschluss der Stromquel-ger verteilt aufzutragen, da die Behandlung des Werkstücks 20 len 4 und 5 ist aus Fig. 7 ersichtlich und bedarf keiner weite-10 in diesem Fall von den beiden Werkstückenden gleichzeitig ren Erläuterungen.

erfolgt. Dank der Erweiterung des Aufdampfungsbereiches Bei der Behandlung des Werkstücks 10 mit Hilfe dieser kann in diesem Fall ausserdem die Länge des Werkstückes 10 Modifikation der Einrichtung werden gleichzeitig mehrere gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Modifikation um das Lichtbögen gezündet, von welchen jeder in der entsprechen-1,5- bis 2fache vergrössert werden, ohne dass die Abmessun- 2s den elektrischen Gruppe «Anodenzelle - Katode» brennt, gen der Einrichtung zunehmen müssen. Dadurch wird das Werkstück 10 zugleich mit mehreren, in

Es sei bemerkt, dass beim Einsatz der in Fig. 1 und 5 ge- diesem Fall mit vier, Plasmaströmen behandelt, so dass die zeigten Modifikationen der Einrichtung der Überzug an sol- Aufdampfung wesentlich beschleunigt und die Oberflächen-chen Abschnitten des Werkstücks 10 besonders gleichmässig güte vor allem bei langgestreckten Werkstücken verbessert ist, welche durch die Stützen 12 vom Plasmastrahl nicht abge- 30 wird.

deckt sind. Auf diesen Stützen setzt sich ein Teil der Plasma- Es sei bemerkt, dass die in den beiden letzteren Modifika-

ionen ab, wodurch, erstens, die Dicke des Überzugs am tionen der Einrichtung beschriebenen stromleitenden Stützen

Werkstück 10 unter den Stützen 12 etwas geringer und, zwei- 18, die eine gemeinsame Stromzuführung für alle Katoden 2 tens, der Ausnutzungsgrad des Materials der Katode 2 in ei- bilden, sowohl massiv, wie es beispielsweise in Fig. 6 gezeigt nem bestimmten Masse verringert wird. Offensichtlich nimmt 35 ist, als auch aus einzelnen Abschnitten 18a bis 18e zusammen-bei der Vergrösserung der Zahl der Katoden 2 (was beispiels- gesetzt werden können, wie es in Fig. 7 dargestellt ist. Es ist weise zur Leistungssteigerung bei der Behandlung Verhältnis- selbstverständlich, dass die zweite von den genannten Aus-mässig langer Werkstücke erforderlich sein kann) auch die führungsvarianten besonders fertigungsgerecht ist.

Zahl der Stützen 12 zu, wobei die Verluste an Aufdampfungs- Zur Verringerung der Ungleichmässigkeit des Überzugs material noch grösser werden und die Gleichmässigkeit des 40 auf der Oberfläche des Werkstücks 10 in den Bereichen unter Überzugs beeinträchtigt wird. den Katoden 2 und den Stützen 18 ist es empfehlenswert, das

Zur Verminderung dieser Verluste in solchen Fällen, Werkstück 10 während der Behandlung in Axialrichtung wenn verhältnismässig lange (über 1 m) Werkstücke, insbe- mindestens um die Breite der Katode 2 zu verschieben und sondere aber Werkstücke veränderlichen Querschnitts, wirt- um seine geometrische Achse periodisch zu drehen.

schaftlich bearbeitet werden müssen, empfiehlt es sich, die in 45 Wenn das Werkstück 10 über seine gesamte Länge einen Fig. 6 und 7 dargestellten Modifikationen der Einrichtung gleichbleibenden Querschnitt und eine beträchtliche Länge einzusetzen. In Fig. 6 ist die Modifikation gezeigt, in welcher hat, wie es beispielsweise bei der Behandlung von langen Wel-die Einrichtung mehrere, in diesem Fall vier, identische Kato- len, Streifen, Drähten, Bändern u.ä. der Fall ist, kann die in den 2 enthält, die in der Arbeitsanodenzelle 1 an den stromlei- Fig. 8 gezeigte Modifikation der erfindungsgemässen Einrichtenden Stützen 18 fluchtend angeordnet und mit Zündelek- so tung eingesetzt werden, die bei verhältnismässig geringen Abtroden 3 versehen sind. Die stromleitenden Stützen 18 unter- messungen eine leistungsstarke ununterbrochen wirkende scheiden sich von den obenerwähnten Stützen 12 (Fig. 1 und Einrichtung ist. Bei dieser Modifikation sind in der Arbeits-5) im Prinzip nicht, sind aber für alle Katoden 2 gemeinsam, anodenzelle 1 zwei Durchgangsöffnungen - eine Eintrittsöff-wodurch die elektrische Verbindung der Katoden 2 zueinan- nung 9a und eine Austrittsöffnung 9b - ausgeführt, in jeder der hergestellt wird. Die Einrichtung enthält ferner ein Steuer-55 von welchen ein Dichtelement 20 vorgesehen ist. Während des teil 19 zum aufeinanderfolgenden Ein- und Abschalten der Betriebs wird das Werkstück 10 durch die Anodenzelle 1 in Katoden 2, das an die Zündelektrode 3 jeder Katode 2 ange- Axialrichtung, welche in der Zeichnung durch den Pfeil geschlossen ist, wie es nur für eine Zündelektrode 3 mit punk- zeigt ist, gezogen, indem es ununterbrochen mit Plasmastrahl tierter Linie bedingt gezeigt ist. behandelt wird.

Da die Zahl der Stützen 18 in diesem Fall mit der Vergrös- 60 Es sei betont, dass in jeder der obenbeschriebenen Modifi-serung der Zahl der Katoden 2 nicht vergrössert wird, werden kationen der erfindungsgemässen Einrichtung sowohl ein als die Verluste an Aufdampfungsmaterial wesentlich verringert auch gleichzeitig mehrere parallel angeordnete Werkstücke 1 f und die Gleichmässigkeit des aufgetragenen Überzugs erhöht, behandelt werden können, wobei die Werkstücke 10 währenc

Während des Betriebs der beschriebenen Modifikation der Behandlung sowohl unbeweglich als auch um ihre geo-(Fig. 6) der Einrichtung wird der Plasmabogen mit Hilfe des 65 metrischen Achsen von einem Antrieb, beispielsweise mittels Steuerteiles 19 von der einen Katode 2 zur anderen aufeinan- Planetenradgetriebes, gedreht werden können.

der überführt, so dass die Behandlung des Werkstückes 10 Oben sind nur einige Ausführungsbeispiele der vorliegen-

über seine gesamte Länge allmählich und abschnittweise er- den Erfindung beschrieben. Es ist jedoch klar, dass die Erfin-

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dung sich auf die beschriebenen Beispiele nicht beschränkt und dass verschiedenartige, für den Fachmann auf diesem Gebiet der Technik offenkundige Änderungen und Ergän6

zungen möglich sind, wobei der Erfindungstatbestand und -inhalt im Rahmen der beigelegten Patentansprüche erhalten bleiben.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

656 400 PATENTANSPRÜCHE

1. Plasmalichtbogeneinrichtung zum Auftragen von Überzügen, enthaltend eine Arbeitsanodenzelle aus unmagnetischem Metall, eine in der genannten Anodenzelle angeordnete selbstverzehrende Katode, deren Verdampfungsfläche zur Anode gerichtet ist, eine Zündelektrode, die mit der Katode in Berührung steht, eine Gleichstromquelle zur Speisung des Lichtbogens, die mit der Anode und der Katode verbunden ist, eine Impulsstromquelle zum Zünden des Lichtbogens, die mit der Katode und der Zündelektrode verbunden ist, sowie ein an der Anode befestigtes Magnetsystem zur Ablenkung der geladenen Plasmateilchen von der Oberfläche der Anode in Richtung des Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsanodenzelle (1) in Form eines Rohres gleichbleibenden Querschnitts ausgeführt ist, an dessen Aussenflä-che das erwähnte Magnetsystem (16) angeordnet ist, während die Katode (2) im Querschnitt eine Form hat, die mit dem Profil des genannten Rohres im wesentlichen zusammenfällt, wobei in der Katode (2) eine Öffnung (2a) für die Aufnahme des Werkstücks (10) in der Arbeitslage vorgesehen ist, wobei die Katode (2) in der Achse des genannten Rohres derart angeordnet ist, dass die Aussenoberfläche (2b) der Katode (2) die Verdampfungsfläche bildet und ihre Länge (t) in der Richtung der Achse kürzer als die Länge (1) des Rohres ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (t) der Seitenfläche (2b) der Katode (2) 0,05 bis 0,5 der Länge (1) des Rohres beträgt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsanodenzelle (1) in Form eines Zylinderrohres ausgeführt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenfläche (2b) der Katode (2) zylinderförmig ausgeführt ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenfläche (2b) der Katode (2) vieleckig ausgeführt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Oberfläche der Katode (2), ausser der Verdampfungsfläche (2b), abgeschirmt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine weitere in der genannten Arbeitsanodenzelle (1) angeordnete Katode (2) enthält, die mit einer Zündelektrode (3) versehen und der obenerwähnten ersten Katode (2) identisch ist, wobei die erste und die zweite Katode (2) an den Rändern der genannten Anodenzelle (1) fluchtend angeordnet und gegeneinander elektrisch isoliert sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich mehrere in der genannten Arbeitsanodenzelle (1) angeordneten Katoden (2) enthält, welche mit Zündelektroden (3) versehen und der obenerwähnten ersten Katode (2) identisch sind, wobei alle Katoden (2) durch gemeinsame stromleitende Stützen (18) miteinander elektrisch verbunden und fluchtend angeordnet sind, sowie ein Steuerteil (19) zum aufeinanderfolgenden Ein- und Abschalten der Katoden (2) aufweist, das an die Zündelektrode (3) jeder Katode (2) angeschlossen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsanodenzelle (1) in einzelne gegeneinander elektrisch isolierte Anodenzellen (la ... ld) geteilt ist, wobei die Einrichtung zusätzlich mehrere Katoden (2) enthält, welche mit Zündelektroden (3) versehen und der obenerwähnten ersten Katode (2) identisch sind, so dass die Gesamtzahl der Katoden (2) der Zahl der Anodenzellen (la ... ld) gleich ist, wobei die Katoden (2) durch gemeinsame stromleitende Stützen (18) miteinander elektrisch verbunden und je eine Katode in jeder Anodenzelle (la... ld) fluchtend angeordnet sind