CH657242A5

CH657242A5 - ARC PLASMA SOURCE AND ARC SYSTEM WITH SUCH AN ARC PLASMA SOURCE FOR PLASMA TREATMENT OF THE SURFACE OF WORKPIECES.

Info

Publication number: CH657242A5
Application number: CH179282A
Authority: CH
Inventors: Ivan Ivanovich Axenov; Vitaly Arsentievich Belous; Valentin Glebovich Padalka; Vladimir Maximovich Khoroshikh
Original assignee: Axenov Ivan I; Belous Vitalij A; Padalka Valentin G; Vladimir Maximovich Khoroshikh
Priority date: 1982-03-22
Filing date: 1982-03-23
Publication date: 1986-08-15
Also published as: DE3211264C2; FR2524245B1; FR2524245A1; DE3211264A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lichtbogen-Plasmaquel-le sowie eine Lichtbogenanlage mit einer solchen Lichtbogen-Plasmaquelle zur Plasmabehandlung der Oberfläche von Werkstücken. The invention relates to an arc plasma source and an arc system with such an arc plasma source for plasma treatment of the surface of workpieces.

Am erfolgreichsten kann die Erfindung zum Erzeugen von Überzügen sowie zum Reinigen und Ätzen der Oberfläche von Werkstücken im Vakuum verwendet werden. Beim Niederschlag des Plasmas von Metallen im Vakuum werden insbesondere Antifriktions-, Rostschutz-, verschleissfeste, hitzebeständige, supraleitende, optische und sonstige Überzüge erzeugt. Most successfully, the invention can be used to create coatings and to clean and etch the surface of workpieces in a vacuum. When the plasma of metals is deposited in a vacuum, in particular antifriction, rust protection, wear-resistant, heat-resistant, superconducting, optical and other coatings are produced.

Bis zur heutigen Zeit war es nicht gelungen, bei der Oberflächenbehandlung mit dem durch Lichtbogen-Plasmaquellen erzeugten Plasmastrahl die Oberflächenbehandlung der Werkstücke mit einer Oberflächenrauhtiefe von 0,025 bis 0,05 um durchzuführen, ohne dass dabei die Oberflächengüteklasse beeinträchtigt wird. Diese Tatsache ist auf das Vorhandensein einer bedeutenden Menge von Makroteilchen — Tropfen und Festsplittern des Kathodenwerkstoffes — in dem durch den Kathodenfleck des Lichtbogens erzeugten Plasmastrahl zurückzuführen. Das Vorhandensein von Makroteilchen ruft beim Auftragen von Überzügen ausser der Beeinträchtigung der Oberflächengüte auch die Entstehung von Lochstellen in und Auswüchsen an den Überzügen hervor, durch welche die mechanischen, elektrischen, optischen und anderen Eigenschaften der Überzüge beeinträchtigt werden, so dass es nicht möglich ist, den nach dem Auftragen von verschiedenartigen Überzügen mit Recht erwarteten Nutzeffekt (Verschleissfestigkeit, hohe Antifriktions- und Rostschutzeigenschaften u.a.) in die Praxis umzusetzen. To date, it has not been possible to carry out the surface treatment of the workpieces with a surface roughness of 0.025 to 0.05 μm during the surface treatment with the plasma jet generated by arc plasma sources without the surface quality class being impaired. This fact is due to the presence of a significant amount of macroparticles - drops and chippings from the cathode material - in the plasma jet generated by the cathode spot of the arc. The presence of macroparticles, when applying coatings, causes not only the deterioration of the surface quality but also the formation of holes in and outgrowths on the coatings, which impair the mechanical, electrical, optical and other properties of the coatings, so that it is not possible to to put into practice the useful effect (wear resistance, high antifriction and rust protection properties, etc.) that is rightly expected after the application of various types of coatings.

Es ist beispielsweise eine Lichtbogen-Plasmaquelle bekannt (siehe US-PS 3 625 848). Diese weist eine innerhalb der Anode und koaxial zu ihr angeordnete selbstverzehrende Kathode, eine Vorrichtung zum Zünden eines Lichtbogens zwischen der Kathode und der Anode (Zündvorrichtung) sowie einen mit der erwähnten Anode und Kathode elektrisch gekoppelten Lichtbogenspeisungsblock auf. Mit Hilfe der Zündvorrichtung wird die Bogenentladung zwischen der Kathode und der Anode erzeugt. Durch die Kathode wird ein Plasmastrahl erzeugt, der Atome und Ionen des Kathodenwerkstoffes enthält. Wie es vorstehend bereits erwähnt wurde, ist im Plasmastrahl auch eine merkliche Menge von Makroteilchen — Tropfen und Festsplittern des Kathodenwerkstoffes — enthalten, was unerwünscht ist, weil es eine Beeinträchtigung der Oberflächengüte der aufzutragenden Überzüge mit sich bringt. For example, an arc plasma source is known (see U.S. Patent 3,625,848). This has a self-consuming cathode arranged inside the anode and coaxial to it, a device for igniting an arc between the cathode and the anode (ignition device) and an arc supply block electrically coupled to the anode and cathode mentioned. The arc device generates the arc discharge between the cathode and the anode. A plasma jet is generated by the cathode and contains atoms and ions of the cathode material. As already mentioned above, the plasma jet also contains a noticeable amount of macro particles - drops and solid fragments of the cathode material - which is undesirable because it impairs the surface quality of the coatings to be applied.

Die Entstehung von Makroteilchen kann auf eine örtlich begrenzte oder eine gesamte Überhitzung der Kathodenarbeitsfläche zurückgeführt werden, welche bei der Wirkung einer derart starken und konzentrischen Wärmequelle, wie der Kathoden-brennfleck des Lichtbogens, zutage tritt (die Brennflecktemperatur beträgt einige Tausend Grad und die Stromdichte liegt bei ca. 106...107 A/cm2). Macroparticle formation can be attributed to localized or total overheating of the cathode work surface, which is evident from the effect of such a strong and concentric heat source as the cathode focal spot of the arc (the focal spot temperature is a few thousand degrees and the current density is at approx. 106 ... 107 A / cm2).

Ferner ist auch eine Lichtbogen-Plasmaquelle (s. A.S. Jil-mour, D.L. Lochwood: Pulsed metallic-plasma generators, Proc. IEE, 60, 8, 977, 1972) bekannt, welche eine koaxial mit der zylindrischen Anode angeordnete selbstverzehrende Kathode, eine Zündelektrode zum Zünden eines Lichtbogens zwischen der Kathode und der Anode, die an den Zündimpulsgenerator angeschlossen ist, sowie einen Lichtbogenspeisungsblock aufweist. Darüberhinaus ist diese Plasmaquelle mit einem auf der Anode angeordneten Fokussiersolenoid ausgerüstet. Furthermore, an arc plasma source (see AS Jil-mour, DL Lochwood: Pulsed metallic-plasma generators, Proc. IEE, 60, 8, 977, 1972) is also known, which has a self-consuming cathode arranged coaxially with the cylindrical anode, a Ignition electrode for igniting an arc between the cathode and the anode, which is connected to the ignition pulse generator, and an arc feed block. In addition, this plasma source is equipped with a focusing solenoid arranged on the anode.

Das Auslösen der Plasmaquelle erfolgt durch Anlegen eines Auslöseimpulses mit einer Frequenz von einigen Tausend Hertz an die Zündelektrode. Die Plasmastrahlerzeugung erfolgt mit der gleichen Frequenz beim Zünden einer Impulsbogenentla-dung zwischen der Anode und der Kathode. Dieser Lichtbogen-Plasmaquelle haftet ebenfalls der Nachteil an, dass im Metallplasmastrahl Makroteilchen anwesend sind. Die Richtung des Geschwindigkeitsvektors der geladenen Plasmastrahlkomponenten kann durch Schwenken der Achse des Fokussiersolenoids um einen bestimmten Winkel in bezug auf die Achse des gesamten Systems geändert werden. Dabei kommt infolge einer gewissen räumlichen Trennung der Ströme der Makroteilchen von denen der geladenen Komponenten (Ionen und Elektronen) eine teilweise Abscheidung der Makroteilchen aus dem Plasmastrahl zustande. Dass Makroteilchen an den Ausgang der Plasmaquelle und folglich auf die Unterlage gelangen, kann bei der erläuterten Plasmaquelle nicht vollständig ausgeschaltet werden, weil bei den erreichten Schwenkwinkeln des Fokussiersolenoids von 15° und darüber in der bekannten Ausführungsvariante der The plasma source is triggered by applying a trigger pulse with a frequency of a few thousand Hertz to the ignition electrode. The plasma jet is generated at the same frequency when a pulse arc discharge is fired between the anode and the cathode. This arc plasma source also suffers from the disadvantage that macro particles are present in the metal plasma jet. The direction of the velocity vector of the charged plasma beam components can be changed by pivoting the axis of the focusing solenoid by a certain angle with respect to the axis of the entire system. As a result of a certain spatial separation of the flows of the macroparticles from those of the charged components (ions and electrons), a partial separation of the macroparticles from the plasma jet occurs. The fact that macroparticles get to the exit of the plasma source and consequently to the substrate cannot be completely switched off in the case of the plasma source explained, because with the pivoting angles of the focusing solenoid of 15 ° and above achieved in the known variant of FIG

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

657 242 657 242

Plasmaquelle das gesamte System in Richtung von der Kathode zum Plasmaquellenausgang hin für die sich in der erwähnten Richtung bewegenden Makroteilchen durchlässig bleibt. Plasma source the entire system in the direction from the cathode to the plasma source exit remains permeable to the macroparticles moving in the direction mentioned.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtbogen-Plasmaquelle sowie eine Lichtbogenanlage mit einer solchen Lichtbogen-Plasmaquelle zur Plasmabehandlung der Oberfläche von Werkstücken zu schaffen, deren elektromagnetisches System derart gestaltet ist, dass durch räumliche Trennung (Separation) der Plasmastrahlkomponenten in einem Magnetfeld eine wirksame Abscheidung der Makroteilchen aus dem Plasmastrahl sichergestellt wird. The invention has for its object to provide an arc plasma source and an arc system with such an arc plasma source for plasma treatment of the surface of workpieces, the electromagnetic system is designed such that an effective separation by spatial separation (separation) of the plasma beam components in a magnetic field Deposition of the macroparticles from the plasma jet is ensured.

Die Erfindung hat somit zum Zweck, die vorstehend erläuterten Nachteile zu beseitigen. The purpose of the invention is therefore to eliminate the disadvantages explained above.

Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, dass die Lichtbo-gen-Plasmaquelle gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 aufweist. The object is achieved in that the arc plasma source according to the preamble of claim 1 has the features of the characterizing part of claim 1.

Die in Richtung von der Kathodenstirnfläche her auf einer geradlinigen Bahn beschleunigten Makroteilchen treffen in einem solchen System auf ihrem Wege auf die Wandung des Mantels des Elektromagneten oder des Plasmaleiters auf und gelangen nicht an den Ausgang der Plasmaquelle. Die geladenen Plasmastrahlkomponenten (Ionen und Elektronen) bewegen sich längs der magnetischen Kraftlinien eines durch gegengeschaltete Fokussiersolenoid und Elektromagneten erzeugten Magnetfeldes, laufen um den Elektromagneten herum und gelangen ungehindert an den Plasmaleiterausgang. Der Plasmastrahl am Ausgang der Plasmaquelle ist also von den Makroteilchen vollkommen frei, wodurch es seinerseits möglich ist, mit Hilfe einer derartigen Plasmaquelle die Oberflächenbehandlung von Werkstücken (Auftragen von Überzügen, Plasmareinigung, Ionenätzen) vorzunehmen, ohne dass dabei die Rauhigkeitsklasse bei einer Oberflächenrauhtiefe von höchstens 0,025 bis 0,05 (im beeinträchtigt wird. In such a system, the macroparticles accelerated in a straight path in the direction from the face of the cathode hit the wall of the jacket of the electromagnet or the plasma conductor and do not reach the exit of the plasma source. The charged plasma beam components (ions and electrons) move along the magnetic lines of force of a magnetic field generated by opposing focusing solenoids and electromagnets, run around the electromagnet and reach the plasma conductor exit unhindered. The plasma jet at the exit of the plasma source is therefore completely free of the macroparticles, which in turn makes it possible to use such a plasma source to carry out the surface treatment of workpieces (application of coatings, plasma cleaning, ion etching) without the roughness class at a surface roughness of at most 0.025 to 0.05 (im impaired.

Zweckmässigerweise wird der Plasmaleiter von der Anode durch eine Elektroisolierzwischenlage isoliert, wodurch die Bewegung des Plasmastromes durch den Plasmaleiter wirksamer wird. The plasma conductor is expediently insulated from the anode by an electrical insulating intermediate layer, as a result of which the movement of the plasma current through the plasma conductor becomes more effective.

Bekanntlich ist die Bewegung der geladenen Teilchen entlang der Kraftlinien des Magnetfeldes nur bei geringen Larmor-Radien der Teilchen im Vergleich zu den Abmessungen des Systems möglich. Die durch den Kathodenbrennfleck des Vaku-umlichtbogens erzeugten Ionen der meisten Metalle verfügen über eine Energie von mehreren Zehner Elektronenvolt. Daher sind zur Gewährleistung deren Durchlaufens über die Einrichtung mit einem 10-cm-breiten Luftspalt zwischen dem Plasmaleiter und dem Mantel des Elektromagneten im Vakuum magnetische Felder mit einer Stärke von mehr als 80 kA/m nötig. Die Erzeugung von solchen Feldern stösst aber auf bestimmte Schwierigkeiten. Bei der Ausführung des Systems mit dem Vakuumlichtbogenplasma wird jedoch diese Schwierigkeit behoben, da ein wirksames Durchlaufen der Ionenkomponente über die erfindungsgemässe Quelle gegebenenfalls bei einer wesentlich geringeren magnetischen Feldstärke erreicht wird, die nur zum Aufmagnetisieren der Plasmaelektronen ausreicht. Im gegebenen Fall nimmt die entlang der Magnetlinien des Magnetfeldes konstant bleibende Elektronenleitfähigkeit des Plasmas quer zum Magnetfeld stark ab. Das elektrische Feld dringt in das Plasma ein. Die Struktur des elektrischen Feldes im System wird durch Potentiale der von den magnetischen Feldstärkelinien gekreuzten Elektroden vorgegeben. Dabei nehmen die magnetischen Feldstärkelinien das Potential derjenigen Elektroden bzw. Wände des Systems an, mit denen sie sich kreuzen. Auf solche Weise wird im Plasmastrom bei einem in bezug auf die Kathode positiven Potential des Plasmaleiters ein auf seine Achse hin gerichtetes elektrisches Feld erzeugt. Dieses Feld sichert eine radiale Einschnürung (Fokussierung) des Plasmastrahls, wodurch eine Verminderung der Verluste an positiv geladenen Ionen an der Wandung des Plasmaleiters sowie eine Vergrösserung der Anzahl von an den Quellenausgang durch den Ringspalt zwischen dem Plasmaleiter und dem Elektromagneten gelaufenen Ionen hervorgerufen wird. Beim Vorhanden-5 sein einer dielektrischen Zwischenlage zwischen dem Plasmaleiter und der Anode bekommt der Plasmaleiter infolge seiner Bombardierung mit den schnellsten Ionen ein im Vergleich zur Anode höheres Potential. Die elektrische Feldstärke in der Nähe der Plasmaleiterwandung und die Wirksamkeit io des Plasmastrahltransportes den Plasmaleiter entlang erhöhen sich. As is known, the movement of the charged particles along the lines of force of the magnetic field is only possible with small Larmor radii of the particles compared to the dimensions of the system. The ions of most metals generated by the cathode focal point of the vacuum arc have an energy of several tens of electron volts. Therefore, to ensure that they pass through the device with a 10 cm wide air gap between the plasma conductor and the sheath of the electromagnet in a vacuum, magnetic fields with a strength of more than 80 kA / m are necessary. However, the creation of such fields encounters certain difficulties. However, this difficulty is eliminated when the system is designed with the vacuum arc plasma, since an effective passage of the ion component via the source according to the invention is possibly achieved at a substantially lower magnetic field strength, which is only sufficient to magnetize the plasma electrons. In the given case, the electron conductivity of the plasma, which remains constant along the magnetic lines of the magnetic field, decreases sharply across the magnetic field. The electric field penetrates the plasma. The structure of the electric field in the system is given by the potentials of the electrodes crossed by the magnetic field lines. The magnetic field strength lines assume the potential of those electrodes or walls of the system with which they cross. In this way, an electric field directed towards its axis is generated in the plasma current when the plasma conductor has a positive potential with respect to the cathode. This field ensures radial constriction (focusing) of the plasma beam, which causes a reduction in the losses of positively charged ions on the wall of the plasma conductor and an increase in the number of ions that have run to the source outlet through the annular gap between the plasma conductor and the electromagnet. If a dielectric intermediate layer is present between the plasma conductor and the anode, the plasma conductor is given a higher potential than the anode due to its bombardment with the fastest ions. The electrical field strength in the vicinity of the plasma conductor wall and the effectiveness of the plasma beam transport along the plasma conductor increase.

Um vorzubeugen, dass die von der Wandung des Plasmaleiters rückgeprallten Makroteilchen an den Plasmaquellenausgang gelangen, werden an der Innenfläche des Plasmaleiters i5 zweckmässigerweise Rippen unter einem Winkel zur Strömungsrichtung des Plasmastromes angebracht. Somit wird das Rückprallen der Makroteilchen von der Wandung des Plasmaleiters ausgeschaltet. In order to prevent the macro particles rebounding from the wall of the plasma conductor from reaching the plasma source outlet, ribs are expediently attached to the inner surface of the plasma conductor i5 at an angle to the direction of flow of the plasma stream. The rebound of the macroparticles from the wall of the plasma conductor is thus eliminated.

"Zweckmässig ist auch die Ausführungsvariante, dergemäss 20 der Elektromagnet im Inneren des Plasmaleiters eine Stromlinienform hat und der Mantel des Elektromagneten diesem seiner Form nach entspricht. Hierdurch werden die Verhältnisse für die Einströmung des Plasmastromes in den Ringspalt zwischen dem Plasmaleiter und dem Elektromagneten verbessert 25 und folglich der Strom am Plasmaquellenausgang vergrös-sert. "Also expedient is the embodiment variant according to which the electromagnet has a streamlined shape in the interior of the plasma conductor and the shape of the jacket of the electromagnet corresponds to this. This improves the conditions for the inflow of the plasma current into the annular gap between the plasma conductor and the electromagnet 25 and consequently the current at the plasma source output increases.

Fertigungsgerecht sind der Mantel und das einzubauende Solenoid in Gestalt eines Kegels bzw. zweier mit ihren Grundflächen aneinander stossender Kegel. The jacket and the solenoid to be installed are manufactured in the form of a cone or two cones that abut one another with their base surfaces.

30 Zweckmässig ist auch die Ausführungsvariante, dergemäss die Wicklungszahl je Längeneinheit des Fokussiersolenoids auf dem erwähnten Plasmaleiter hinter dem Elektromagneten parallel zur Strömungsrichtung des Plasmastrahls grösser als auf dessen übrigem Teil ist. Dies trägt zur besseren Fokussierung des 35 erzeugten Plasmastrahls, zur Erhöhung seiner Dichte und folglich zur Erhöhung der Geschwindigkeit bei, mit der der Überzug aufgetragen wird. 30 The embodiment variant is also expedient, according to which the number of windings per unit length of the focusing solenoid on the aforementioned plasma conductor behind the electromagnet is larger parallel to the direction of flow of the plasma jet than on the remaining part thereof. This helps to better focus the plasma beam generated, increase its density and, consequently, increase the rate at which the coating is applied.

Die Lichtbogenanlage zur Plasmabehandlung der Oberfläche von Werkstücken mit einer solchen Lichtbogen-Plasma-40 quelle und mit einer Befestigungsbaugruppe für das zu behandelnde Werkstück weist gemäss der Erfindung die im Kennzeichen des Patentanspruches 8 definierten Merkmale auf. Unter Flachspule wird hier eine derartige Spule verstanden, deren Querschnittsmass in radialer Richtung die axiale Länge über-45 schreitet. Das Werkstück ist hierbei in der Plasmaquelle koaxial mit ihr zwischen dem erwähnten Deckel und dem Mantel des Elektromagneten anzuordnen. Die magnetischen Kraftlinien verbiegen sich gegebenenfalls vor dem Deckel stark in Richtung der Plasmaquellenachse, daher wird der Plasmastrahl, nachdem 50 er den ringförmigen Spalt zwischen dem Plasmaleiter und dem Mantel des Elektromagneten passiert hat, ebenfalls zur Plasmaquellenachse gerichtet und gelangt an die Seitenflächen des zu behandelnden Werkstückes. Hierdurch erübrigt sich die Notwendigkeit, die Werkstücke um ihre Achse zu drehen, was bei 55 einer Zwangskühlung des Werkstückes und beim Anlegen einer hohen Spannung an dieses bei dessen Ionenreinigung und Niederschlag eine bedeutende baumässige Vereinfachung der Plasmaquelle zur Folge hat. Dadurch, dass das Werkstück beim Auftragen eines Überzugs stillsteht, wird auch die Temperaturen messung vereinfacht. According to the invention, the arc system for plasma treatment of the surface of workpieces with such an arc plasma source and with a fastening assembly for the workpiece to be treated has the features defined in the characterizing part of patent claim 8. A flat coil is to be understood here as a coil of this type, the cross-sectional dimension of which in the radial direction exceeds the axial length. The workpiece is to be arranged coaxially with it in the plasma source between the aforementioned cover and the jacket of the electromagnet. The magnetic lines of force may bend strongly in front of the cover in the direction of the plasma source axis, therefore the plasma beam, after it has passed the annular gap between the plasma conductor and the sheath of the electromagnet, is also directed towards the plasma source axis and reaches the side surfaces of the workpiece to be treated . This eliminates the need to rotate the workpieces about their axis, which, with forced cooling of the workpiece and when a high voltage is applied to the workpiece during ion cleaning and precipitation, results in a significant simplification of the plasma source. The fact that the workpiece stands still when applying a coating also simplifies the temperature measurement.

Im weiteren wird das Wesen der Erfindung durch Beschreibung deren konkretes Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Furthermore, the essence of the invention is explained in more detail by describing its specific embodiment with reference to the accompanying drawings.

«5 Fig. 1 zeigt schematisch die erfindungsgemässe Lichtbogen-Plasmaquelle in Gesamtansicht und Längsschnitt. 1 shows schematically the arc plasma source according to the invention in overall view and longitudinal section.

Fig. 2 veranschaulicht den Vorgang der Trennung der Plasmastrahlkomponenten in der Plasmaquelle. 2 illustrates the process of separating the plasma beam components in the plasma source.

657 242 657 242

4 4th

Fig. 3 zeigt schematisch ein Fragment einer Lichtbogenanlage zur Plasmabehandlung der Oberfläche von Werkstücken, in welcher eine Lichtbogen-Plasmaquelle Verwendung findet. 3 schematically shows a fragment of an arc system for the plasma treatment of the surface of workpieces, in which an arc plasma source is used.

Die Lichtbogen-Plasmaquelle enthält eine als Zylinder von 60 mm Durchmesser (hier und weiter sind die Masse für eines der möglichen Ausführungsbeispiele angegeben) aus plasmabildendem Material, beispielsweise Titan der Marke BT-1, ausgeführte selbstverzehrende Kathode 1 sowie eine zylindrische Anode 2, die als ein Becher mit einer Bohrung im Mittelpunkt seines Bodens zur koaxialen Anordnung der Kathode 1 ausgebildet sein kann (die Länge der Anodenwand beträgt 200 mm und der Durchmesser 260 mm). The arc plasma source contains a self-consuming cathode 1 designed as a cylinder with a diameter of 60 mm (here and further the dimensions for one of the possible exemplary embodiments) made of plasma-forming material, for example titanium of the brand BT-1, and a cylindrical anode 2, which as a cup with a hole in the center of its bottom can be formed for the coaxial arrangement of the cathode 1 (the length of the anode wall is 200 mm and the diameter is 260 mm).

An der offenen Stirn der Anode schliesst ein röhrenförmiger Plasmaleiter 3 von 360 mm Länge und 260 mm Durchmesser an, der aus unmagnetischem Stahl gefertigt ist. A tubular plasma conductor 3 of 360 mm in length and 260 mm in diameter is connected to the open end of the anode and is made of non-magnetic steel.

Zu einem wirksameren Durchlaufen des Plasmas über den Plasmaleiter 3 ist zwischen dem Plasmaleiter 3 und der Anode 2 eine Isolierzwischenlage 4 (beispielsweise aus organischem Glas) angeordnet. Gegebenenfalls gelangt der Plasmaleiter infolge seiner Bombardierung mit den schnellsten Ionen auf ein im Vergleich zur Anode höheres Potential. Die elektrische Feldstärke in der Nähe der Plasmaleiterwandung und die Wirksamkeit des Plasmastrahltransportes entlang des Plasmaleiters erhöhen sich. For a more effective passage of the plasma over the plasma conductor 3, an insulating intermediate layer 4 (for example made of organic glass) is arranged between the plasma conductor 3 and the anode 2. If necessary, the plasma conductor is bombarded with the fastest ions to a higher potential than the anode. The electric field strength in the vicinity of the plasma conductor wall and the effectiveness of the plasma beam transport along the plasma conductor increase.

Zweckmässigerweise werden an der Innenfläche des Plasmaleiters 3 Rippen 5 unter einem Winkel zur Strömungsrichtung des Plasmas ausgebildet. Somit wird weitgehend verhindert, 3 ribs 5 are expediently formed on the inner surface of the plasma conductor at an angle to the direction of flow of the plasma. This largely prevents

dass von der Wandung des Plasmaleiters 3 zurückgeprallte Makroteilchen an den Plasmaleiterausgang gelangen. Am zweck-mässigsten ist ein solcher Aufbau der Rippen, wenn diese wie in Parallelebenen senkrecht zur Achse des Plasmaleiters 3 hintereinander angeordnete Ringe ausgebildet sind. that 3 rebounded macro particles from the wall of the plasma conductor reach the plasma conductor outlet. Such a structure of the ribs is most expedient if these rings are arranged one behind the other, as in parallel planes perpendicular to the axis of the plasma conductor 3.

Im Inneren des Plasmaleiters 3 und koaxial mit diesem ist ein in einem Mantel 7 aus unmagnetischem Stahl untergebrachter Elektromagnet 6 angeordnet. In the interior of the plasma conductor 3 and coaxially with it, an electromagnet 6, which is accommodated in a jacket 7 made of non-magnetic steel, is arranged.

Der Elektromagnet 6 und Mantel 7 können von zylindrischer Form sein, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Zweckmässiger ist aber die Ausführungsvariante, dergemäss der Elektromagnet 6 und sein Mantel 7 eine Stromlinienform haben, beispielsweise die eines Kegels (in der Zeichnung nicht gezeigt) bzw. zweier Kegel (Fig. 1), welche mit ihren Grundflächen aneinander anliegen (Grundflächendurchmesser des Kegels 100 mm, Kegelhöhe 180 mm). Durch eine solche Form des Elektromagneten werden erfahrungsgemäss die Bedingungen für die Einströmung des Plasmastrahls in den Ringspalt zwischen dem Plasmaleiter 3 und dem Elektromagneten 7 begünstigt, was seinerseits eine Vergrösserung des Plasmastrahls am Plasmaquellenausgang zur Folge hat. The electromagnet 6 and jacket 7 can be cylindrical in shape, as shown in FIG. 2. More expedient, however, is the embodiment variant according to which the electromagnet 6 and its casing 7 have a streamlined shape, for example that of a cone (not shown in the drawing) or two cones (FIG. 1), which rest with their base surfaces on one another (base surface diameter of the cone 100 mm, cone height 180 mm). Experience has shown that such a form of the electromagnet favors the conditions for the inflow of the plasma jet into the annular gap between the plasma conductor 3 and the electromagnet 7, which in turn results in an enlargement of the plasma jet at the plasma source outlet.

Der Abstand zwischender Ausgangsseite des Plasmaleiters 3 und dem geometrischen Mittelpunkt des Mantels 7 beträgt 175 mm. Im gegebenen Ausführungsbeispiel und bei den erwähnten Abmessungen-des Plasmaleiters 3, des Mantels 7 und der Kathode 1 sowie bei deren gegenseitiger Anordnung überdeckt der Mantel 7 den Sichtbereich der Kathode in bezug auf die Austrittsöffnung des Plasmaleiters 3. The distance between the output side of the plasma conductor 3 and the geometric center of the jacket 7 is 175 mm. In the given exemplary embodiment and in the case of the dimensions mentioned — the plasma conductor 3, the jacket 7 and the cathode 1, and in the case of their mutual arrangement, the jacket 7 covers the visible area of the cathode with respect to the outlet opening of the plasma conductor 3.

Der Mantel 7 ist auf einem Ständer 8 abgestützt, über welchen mittels Stromzuführungen 9 Strom an die Wicklung des Elektromagneten 6 zugeführt wird. The jacket 7 is supported on a stand 8, via which current is supplied to the winding of the electromagnet 6 by means of current leads 9.

Die Kathode 1, Anode 2, der Plasmaleiter 3 und Elektromagnet 6 sind wassergekühlt (in der Zeichnung nicht gezeigt). The cathode 1, anode 2, the plasma conductor 3 and electromagnet 6 are water-cooled (not shown in the drawing).

Auf die Seitenfläche der Kathode 1 ist über einen keramischen Steg 10 die als ein Stab ausgebildete Zündelektrode 11 abgestützt, die aus Molybdän sein kann. The ignition electrode 11, which is designed as a rod and is made of molybdenum, is supported on the side surface of the cathode 1 via a ceramic web 10.

Mit Positionen 12 und 13 sind in Fig. 1 Stromzuführungen für das Auslösen von Zündimpulsen im Funkenspalt zwischen der Kathode 1 und der Zündelektrode 11 durch einen Zündimpulsgenerator 14 bezeichnet. Positions 12 and 13 in FIG. 1 denote power supplies for triggering ignition pulses in the spark gap between the cathode 1 and the ignition electrode 11 by an ignition pulse generator 14.

Es muss hervorgehoben werden, dass die Zündung eines Lichtbogens zwischen der Anode und der Kathode auch mit anderen an sich bekannten Mitteln gewährleistet werden kann. Eine der Ausgangsleitungen des Bogenspeisungsblocks 15 ist mit der selbstverzehrenden Kathode 1 und die andere Ausgangsleitung mit der Anode 2 gekoppelt. Die Stromzuleitungen 12, 13 sind in das Innere der Anode 2 über die im Boden der Anode 2 vorgesehenen Bohrungen durch vakuumdichte Isolatoren 16 eingeführt. It must be emphasized that the ignition of an arc between the anode and the cathode can also be ensured by other means known per se. One of the output lines of the arc supply block 15 is coupled to the self-consuming cathode 1 and the other output line is coupled to the anode 2. The power supply lines 12, 13 are introduced into the interior of the anode 2 through the bores provided in the bottom of the anode 2 through vacuum-tight insulators 16.

Der Plasmaleiter 3 ist von einem Fokussiersolenoid 17 umgeben. Dabei ist die Wicklungszahl je Längeneinheit des Fokussiersolenoids 17 auf dem röhrenförmigen Plasmaleiter 3 hinter dem Elektromagneten 6 grösser als auf dessen übrigem Teil. Wie praktische Untersuchungen gezeigt haben, ist es am zweck-mässigsten, wenn diese Wicklungszahl je Längeneinheit des Fokussiersolenoids diejenige dessen übrigen Teils um das Dreifache überschreitet. Dies trägt zur optimalen Fokussierung des Plasmaausgangsstrahls, zur Erhöhung seiner Dichte und folglich der Geschwindigkeit des Auftragens eines Überzugs bei, falls die Plasmaquelle zum Auftragen eines Überzugs auf die Werkstückoberfläche verwendet wird. The plasma conductor 3 is surrounded by a focusing solenoid 17. The number of windings per unit length of the focusing solenoid 17 on the tubular plasma conductor 3 behind the electromagnet 6 is greater than on the remaining part thereof. As practical studies have shown, it is most expedient if this number of windings per unit length of the focusing solenoid exceeds that of its remaining part by three times. This helps to optimally focus the plasma output beam, increase its density, and hence the speed of coating if the plasma source is used to coat the workpiece surface.

Mit Position 18 ist in Fig.2 und 3 das Werkstück bezeichnet. In Fig. 3 ist die Lichtbogenanlage zur Plasmabehandlung von Werkstücken dargestellt, welche die beschriebene Plasmaquelle sowie eine Befestigungsbaugruppe für das zu behandelnde Werkstück enthält. Diese Baugruppe ist als ein aus unmagnetischem Stahl gefertigter und an der Stirnseite des Plasmaleiters 3 angebrachter Deckel 19 ausgeführt. An der Aussenseite des Deckels 9 ist eine Flachspule 20 von 260 mm Durchmesser und 60 mm Dicke angeordnet, welche mit dem Fokussiersolenoid gleichsinnig geschaltet ist. Die Befestigungsbaugruppe für Werkstücke weist ferner einen in das Innere des Plasmaleiters 3 über die Mittenöffnung im Deckel 19 durch den Isolator 21 in das Innere des Plasmaleiters 3 eingeführten Unterlagenhalter 22 auf. Position 18 denotes the workpiece in FIGS. 2 and 3. In Fig. 3, the arc system for plasma treatment of workpieces is shown, which contains the described plasma source and a mounting assembly for the workpiece to be treated. This assembly is designed as a cover 19 made of non-magnetic steel and attached to the end face of the plasma conductor 3. On the outside of the cover 9 there is a flat coil 20 with a diameter of 260 mm and a thickness of 60 mm, which is connected in the same direction as the focusing solenoid. The fastening assembly for workpieces also has a document holder 22 inserted into the interior of the plasma conductor 3 via the central opening in the cover 19 through the insulator 21 into the interior of the plasma conductor 3.

Die Wirkungsweise der Lichtbogen-Plasmaquelle besteht in folgendem. The operation of the arc plasma source is as follows.

Man schaltet die Speisequellen des Fokussiersolenoids 17 und des Elektromagneten 6 (in der Zeichnung nicht gezeigt) ein und erhält ein magnetisches Feld, dessen Kraftlinien so verlaufen, wie es in Fig. 2 mit punktierten Linien dargestellt ist. The supply sources of the focusing solenoid 17 and the electromagnet 6 (not shown in the drawing) are switched on and a magnetic field is obtained, the lines of force of which run as shown in FIG. 2 with dotted lines.

Man schaltet den Bogenspeisungsblock 15 und den Zündimpulsgenerator 14 ein. Beim Anlegen eines Hochspannungszündimpulses an die Zündelektrode 11 wird eine Funkenentladung im Spalt zwischen der Zündelektrode 11 und der Kathode 1 auf der Oberfläche des keramischen Stegs 10 durchgezündet. Die besagte Funkenentladung iniziiert die Zündung einer Bogenent-Iadung zwischen der Kathode 1 und der Anode 2. Dabei bildet sich auf der Arbeitsfläche der Kathode 1 ein Kathodenbrenn-fleck heraus, der einen Plasmastrahl aus dem Werkstoff der Kathode 1 erzeugt. Die Ionen und Elektronen des Plasmas bewegen sich entlang der magnetischen Kraftlinien, biegen um den Mantel 7 des Elektromagneten 6 herum und gelangen über die Austrittsöffnung des Plasmaleiters 3 auf die zu behandelnde Oberfläche des Werkstückes 18. Die Strömungsrichtung der geladenen Plasmastrahlkomponenten (Ionen und Elektronen) ist in der Zeichnung (Fig.2) durch Pfeile angegeben. Die neutralen Dämpfe und Makroteilchen bewegen sich auf geradlinigen Bahnen (strichpunktierte Linien in Fig. 2) und setzen sich auf den Oberflächen des Plasmaleiters 3 und des Mantels 6 des Elektromagneten 7 ab. Am Plasmaquellenaustritt und folglich im Bereich der zu behandelnden Oberfläche des Werkstückes 18 erhält man solcherart einen von den Makroteilchen freien Plasmastrahl. The arc supply block 15 and the ignition pulse generator 14 are switched on. When a high-voltage ignition pulse is applied to the ignition electrode 11, a spark discharge is ignited in the gap between the ignition electrode 11 and the cathode 1 on the surface of the ceramic web 10. Said spark discharge initiates the ignition of an arc discharge between the cathode 1 and the anode 2. A cathode burning spot is formed on the working surface of the cathode 1 and generates a plasma jet from the material of the cathode 1. The ions and electrons of the plasma move along the magnetic lines of force, bend around the jacket 7 of the electromagnet 6 and reach the surface of the workpiece 18 to be treated via the outlet opening of the plasma conductor 3. The direction of flow of the charged plasma jet components (ions and electrons) is indicated in the drawing (Fig.2) by arrows. The neutral vapors and macro particles move on straight lines (dash-dotted lines in Fig. 2) and settle on the surfaces of the plasma conductor 3 and the jacket 6 of the electromagnet 7. At the plasma source outlet and consequently in the area of the surface of the workpiece 18 to be treated, a plasma jet free of the macroparticles is thus obtained.

Falls in der erfindungsgemäss ausgeführten Anlage die Aus-seriflächen von Werkstücken behandelt werden, welche die Form von Rotationskörpern aufweisen, führt das Vorhanden5 If, in the system designed according to the invention, the external surfaces of workpieces which are in the form of rotating bodies are treated, the presence5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

657 242 657 242

sein der Fiachspule dazu, dass sich die magnetischen Kraftlinien im Raum zwischen dem Mantel 7 des Elektromagneten 6 und dem Deckel 19, d.h. dort, wo das zu behandelnde Werksktück 18 angeordnet ist, zur geometrischen Achse des Systems ablenken (s. punktierte Linien in Fig. 3). Daher wird die ionisierte be the coil so that the magnetic lines of force in the space between the jacket 7 of the electromagnet 6 and the cover 19, i. deflect to the geometric axis of the system where the workpiece 18 to be treated is arranged (see dotted lines in FIG. 3). Therefore, the ionized

Plasmastrahlkomponente des Werkstoffes der Kathode 1 ebenfalls zur Achse des Systems gerichtet und gelangt auf die Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes 18. Die erwähnte Oberfläche ist durch den Mantel 6 des Elektromagneten 7 vor 5 dem Auftreffen von Makroteilchen geschützt. Plasma beam component of the material of the cathode 1 also directed towards the axis of the system and reaches the surface of the workpiece 18 to be treated. The surface mentioned is protected from the impact of macro particles by the jacket 6 of the electromagnet 7.

v v

1 Blatt Zdchnungen 1 sheet of perforations

Claims

657 242

1. arc plasma source with a self-consuming cathode (1), a cylindrical anode (2) and a focus siersolenoid (17), which are arranged coaxially with the self-consuming cathode (1), and with one with the self-consuming cathode (1) and the anode (2) electrically coupled arc supply block (15), characterized in that a plasma conductor (3) adjoining the end face of the anode (2), an electromagnet (6) arranged in the tubular plasma conductor (3) coaxial with the latter, and an out Jacket (7) made of non-magnetic material and surrounding the electromagnet (6) is provided, which covers the field of view of the cathode (1), the focusing solenoid (17) being arranged on the tubular plasma conductor (3) and with the winding of the electromagnet (6) is countered.

2. Arc plasma source according to claim 1, characterized in that an insulating intermediate layer (4) is arranged between the tubular plasma conductor (3) and the anode (2).

2nd

PATENT CLAIMS

3. Arc plasma source according to one of claims 1 or 2, characterized in that on the inner surface of the tubular plasma conductor (3) ribs (5) are formed at an angle to the direction of flow of the plasma jet.

4. Arc plasma source according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electromagnet (6) has a streamlined shape seen in the longitudinal direction and its jacket (7) corresponds to it in shape.

5. Arc plasma source according to claim 4, characterized in that the electromagnet (6) is designed in the form of a cone, the tip of which is facing the self-consuming cathode (1).

6. Arc plasma source according to claim 4, characterized in that the electromagnet (6) is designed in the form of two cones abutting one another with their base surfaces.

7. Arc plasma source according to one of claims 1 to 6, characterized in that the number of windings per unit length of the focusing solenoid (17) on the tubular plasma conductor (3) behind the electromagnet (6) parallel to the direction of flow of the plasma beam is greater than on the rest of the part of the plasma conductor.

8. Arc system for plasma treatment of the surface of workpieces with an arc plasma source according to one of claims 1 to 7 and a fastening assembly for the workpiece to be treated (18), characterized in that the fastening assembly for the workpiece to be treated one on the free end face of the Has tubular plasma conductor (3) attached lid (19) made of non-magnetic material with an opening for the introduction of the workpiece (18), wherein a flat coil (20) connected in the same direction as the focusing solenoid (17) is arranged on the lid (19).