CN1099812A - 关于金属表面处理的改进 - Google Patents

Abstract

一种用于对金属工件进行表面处理的方法和装 置，包括在一个阳极的主要暴露部分和用作阳极的一 个工作第一表面连续的有限区域之间产生一个其电 弧电流基本上不小于50安培并具有正电压电流梯 度的真空电弧放电。

Description

本发明涉及到金属表面的处理，诸如对这种表面的清洗（诸如消除锈皮、氧化层和污染物等）热处理和涂镀等。

为清洗之目的、并考虑到随后的处理和喷涂，最好利用清洗和处理后表面的蒸发来对金属表面进行处理的技术，长期以来已是一种公知技术，并且建议使用各种机械的和/或化学的装置以执行这种清洗。

已经发现，在很多情况及很多应用中，这样的一种机械的和/或化学的清洗处理要不是不能有效地达到所需的清洗程度，就是要使用昂贵而复杂的设备和方法。实际上，这也可能损坏被处理的表面。

已经有过这样的建议，即使金属物体的表面承受真空电弧放电以对其进行清洗，其中，所述的金属物体构成了一个有效的阴极。这样一种建议已经在例如如下的文献中作出了：美国专利说明书4，534，921、英国专利说明书2086788及在Fizikai Khimiya Obrabotki Materialov，Vol.21，No.3，1987pp49-53上由V.E.Bulat和M.Kh.Esterlis发表的名称为“Removing Scale，Oxide Films and Contaminants from Metal Components by vacuum Electric Discharge”的论文。

在这篇论文中，解释了这样一种真空电弧放电，它发生在所述阳极和被认为是阴极点的阴极上面的个别位置之间，并且这些点可在所述阴极的表面上任意移动。通常在真空电弧放电中产生阴极放电点的现象在“Vacuum Arcs：Theory and Application，J.M Lafferty，Editor;Wiley 1980”中已有描述。关于真空电弧放电中阴极点的性质和特性在由Ⅰ.Nikoshevitz，Nauka Technico，Minsk1988出版的名为“The treatment of metal objects by electric erosion”的书中已作了颇为详细的叙述。在这部书中建议，所述的阴极点可以被归纳为两个主要类型，即：（a）一种是此后称之为“大而缓慢移动（LS）”的阴极点，这种阴极点具有大于1mm的平均直径，并且以小于每秒100cm的平均速度移动;和

（b）另一种是此后称之为“小而快速移动（SF）”的阴极点，这种阴极点具有小于1mm的平均直径，并且以每秒大于100cm的速度移动。

特别是，本发明人也对所述阴极点的尺寸和运动的特性进行了研究，并且这种研究是从所述真空电弧放电的电压电流特性的角度来进行的。因此，可以示出所述电压电流特性是由逐渐上升和逐渐下降的部分组成的，即是由具有正梯度和负梯度的部分组成的。本发明人还示出了在所述电弧放电的最初阶段，在所述阳极和阴极之间的间隔较小的情况下，所述的电弧从一个唯一的或者是非常有限的阴极点延伸到所述阴极的一个非常有限的区域内。增加所述的电弧电流伴随有所述电弧电阻的增加，其结果是必将伴随有所述电弧电压的增加。因此，在所述电弧放电的最初阶段，所述的电弧电压电流特性具有正的梯度。

由于进一步增加所述的电弧电流的结果，当所述阴极点的数量增加并且如前所指出的它们能够在整个阴极表面上任意移动时，所述电弧的体积就要显著增加，其结果是在所述电弧中的蒸气密度将会显著减少，进而使所述电弧电阻减小，其结果使所述电弧电压电流转入负梯度部分。

然而，假如现在电弧中的蒸气密度超过了规定的临界值，例如通过电弧电流的不断增加以及随之而引起的所述阴极表面蒸发物的增加，那么，所述电弧电压电流特性将会再一次地转入正梯度区域。

特别通过本发明人还可以进一步示出，通过保证所述电弧放电的体积或其横截面积不超过某个预定临界值，可以实现所述电压电流特性从负梯度部分到正梯度部分的推移，从而可以看出利用本发明可以达到如下效果，即在有限的电弧体积中的蒸气密度相对而言较高。换句话说，通过增加电弧电流，可以在保持所述电弧横截面基本不变或被减少的同时，实现与所述电压电流特性相关的从负梯度到正梯度的转变。

现在，从总是发生在待被处理表面上所述阳极点区域内的电弧作用的角度来看，事实是所述阴极点在待被处理表面上的任意移动必将导致所述表面的非一致处理。

在欧洲专利申请0468110A₁中描述了一种为克服由于在所述阴极表面上的阴极点任意移动所引起问题的尝试。其中披露了一种装置，该装置用于在所希望的方向上引导所述阴极表面上阴极点的运动。但是，在该欧洲专利申请中重复地强调了所产生的电弧具有负梯度的电压电流特性，再者，所述的负梯度之所以出现，显然是由于在所述阴极和电极之间施加电弧电压的模式使所述电弧占据具有相应最大横截面直径的最大体积。

现在已经发现，利用具有这种负梯度电压电流特性的电弧放电对一个阴极表面进行处理会带来某些明显的缺点，其中之一就是这种处理既耗时又不经济。

另一方面，本发明是以一个意想不到的发现为基础的，该发现就是，当待被处理的表面承受一个具有正电流电压梯度的真空电弧放电，并且具有足够高的电弧电流（大于50安培）时，可以提高所述阴极表面的表面处理效率。

根据本发明提供了一种方法，用于对金属工件进行表面处理，其中这种表面处理发生于一个阳极的主要暴露部分和用作一个阴极的所述工件第一表面连续有限区域之间，真空电弧放电具有基本上不小于50安培的电弧电流，并且具有正的电压电流坡度。

利用依据本发明的这种方法，可以保证所述电弧能够在稳定状态下保持所需的时间长度并且在每个有限区域内建立有效数量的LS阴极点。由于它们的相对较大的尺寸和缓慢的移动，在一致性处理方面，它们是更加有效的。例如，可以在随后的一个有限区域被暴露进而对其放电以前，清洗那一个有限区域。通过保证所述电弧产生于该有限区域和所述阳极主要暴露部分之间，所述阳极的不希望的熔化（假如放电集中于所述阳极的一个很小面积上，就会发生这种情况）就可以避免。通过在所述工件和阳极之间传递一个相对运动，并通过保证在所述阳极和有限区域之间保持最小间隔和保证所述电弧放电将来只发生在所述有限区域和阳极之间，就可以保证所述工件随后的有限区域能够被处理，例如能够被清洗，并且在这种方式之下，可以实现所述工作整个表面的一致性处理或清洗。

为了保证在所述阳极和相距其最短距离处所暴露的特定有限区域之间的所述电弧放电具有正的电压电流梯度，最好作如下安排：即使得与在那个时间的电弧放电相关的每一个有限区域与所述工件的一个低阻抗区相结合。这可以例如通过作出如下保证来加以实现，即保证利用一个或多个触点使所述的电弧电压被施加到所述工件的第二和相反表面，所述的触点用以规定特定的表面部分，所述部分是相反的并且基本上随着所述特定有限区域而在空间上进行扩展。另外，与所述特定有限区域相关的所述工件的那个区可以是冷却的，从而建立一个低电阻区。

保证所述电弧放电仅产生于所述特定有限表面区域之间的另一种方法是通过对那个区域进行电磁辐射，借此以加热该区域并引起某种程度的热辐射，这种热辐射有益于对该区域所述电弧的限制。

还有另一种方法可用于保证所述电弧仅产生于所述阳极和有限表面区域之间，那就是使一带有多个与特定有限区域有电气接触的诸元件的电绝缘体与所述的特定有限区域并列配置。

在所有这些情况中，通过保证使所述电弧绝对地发生于特定有限表面区域和所述阳极之间，并且使所述电弧电压电流特性呈正坡度和使所述的电弧电流大于50安培，从而使得所述电弧放电被相对高度地集中于一个最小的体积内，并且在所述有限表面区域上形成多个LS阴极点，而这些阴极点在一致性和经济上对所述特定有限表面区域处理是特别有效的。

将可以看出，当所述LS阴极点被集中于所述正在被处理的特定有限表面区域的时候，也可以同时产生SF点。为了保证这些SF阴极点在最好是所述工件处理方向的预定方向上运动，通过相对所给定方向而配置在下游的一个或多个辅助接触，将所生成的电压另外提供给所述工件。最好是总电弧电流的85-90%流经所述有限表面区域，而剩余的则流经所述的辅助电极。这样，在所述特定有限区域正在利用LS阴极点被进行有效处理的同时，一个下游区域受到SF点的影响。对所述特定有限区域和所述辅助触点区之间的所述工件的那个区域进行最初表面处理，这些SF点是有效的。利用这种方式，所述阳极的工件相对移动到已经进行过初步处理的区域的确定的有限区域中，那么对于所述后续的表面的主要处理将是很方便的。

这里，刚刚叙述过的表面处理被用于对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发技术对所述工件进行涂镀。这样，蒸发电极可以被包括在一个封闭壳体之中，该蒸发电极例如可以是一个被加热的电阻，从而使涂镀材料蒸发，以使得所述工件在以如上所述的方式进行了初步清洗以后能够被涂镀。另外，可以提供辅助加的电弧放电手段，用以有效地加热蒸发电极，从而使其能有效地蒸发。

本发明还提供了一种装置，用于执行依据本发明的所述方法。

为了保证所述的电弧放电围绕所述阳极的暴露表面均匀分布，构成一个外壳阳极和内壳的阳极是适宜的，所述内壳具有较外壳为高的电导率，并且所述的电弧电压被施加于所述工件和所述内壳之间，同时在所述的外壳和所述工件有限区之间产生电弧放电。利用所产生的电弧放电，与所述放电相关的外壳区域被加热，借此以增加其电阻，因此使所述电弧自动地向所述外壳的相对较冷的低阻区移动，在这种方式下，所述电弧有规律地分布在所述外壳暴露表面上。

最好，所述阳极是一个环状体，以有助于穿过它的细长工作的均匀处理。

最好在对平坦表面进行处理的情况下，所述阳极由基本共轴的具有良好电接触的外、内园柱体制成，并且提供一个装置，用以将一个持续或间歇的旋转移动传递给所述阳极。

为了更好地理解本发明以及表明本发明在实际中是如何执行的，下面将参照附图，其中：

图1是一个所述类型装置的简单示意图，所述装置用于依据本发明的基本原理对所述金属工件进行表面处理;

图2简要示出了在一个细长产品的逐步清洗过程中，所述真空电弧放电的应用;

图3简要地示出了依据本发明的所述电弧放电的一个实施例的应用;

图4简要地示出了依据本发明的所述电弧放电的另一种型式的应用;

图5简要地示出了依据本发明的所述电弧放电的再一种型式的应用;

图6示出了依据本发明的所述电弧放电装置中所使用的一个尺寸放大了的阳极的横剖面视图;

图7简要地示出了依据本发明的另一种阳极的一部分以及移动的工件;

图8是一种依据本发明的所述电弧放电装置中所使用阳极的另一种形式的侧视图;

图9简要地示出了依据本发明的所述装置的另一实施例，该装置用于处理细长的移动物体;

图10a、10b和10c是图9所示装置一个部分的不同变形的展开图;

图11示出了依据本发明的所述装置的另一种型式，该装置用于对细长管状件的内表面进行处理;

图12简要地示出了根据本发明的一个装置，该装置用于清洗和涂镀待处理的物体;

图13简要地示出了用于对处理对象进行清洗和涂镀的所述装置的另一种型式，该装置在清洗和涂镀过程中都使用了电弧放电;

图14简要示出了电弧放电在不同应用场合下对蒸发元件的影响;

图15简要地示出了依据本发明的所述装置的一部分，用于不规则的进行涂镀。

首先，参看附图中的图1和图2，这两张附图简要地示出了一种应用本发明基本原理对金属工件进行表面处理的装置。

如在图1中所看到的，所述装置包括一个通过一个适当的阀门2与真空泵3相连接的箱体1，借助于所述的真空泵3，可以在所述箱体内达到适宜的真空度，所述箱体1还有一个进气端口4，该端口4通过阀门5与气源（未示出）相连接，用以向所述壳体1导入空气。阳极6相对一个阴极7（后者示意性地代表一个待被处理的工件）并列配置，且它们被分别提供有导电体8和9，导电体8和9密封地穿过壳体1而延展，电源10通过开关11和电阻器12跨接于导体8和9两端，并通过电阻13和开关14并联到触发电极15，该触发电极15的顶端被插入阳极6和阴极7之间。

由于所述箱体1是借助于真空泵3排气，并通过进气口引入适当的气体以达到适宜的低压，所以，开关13和14的闭合将导致发电极15在所述阳极6和7之间触发电弧放电，随后可将开关14打开。在阳极6和阴极（工件）7之间形成的所述电弧放电的作用在于执行例如消除锈斑等的阴极本身的表面处理。为了保证所述的电弧放电集中于所述阳极和阴极的相对表面上，对这两个电极都提供了适宜的屏蔽罩6a和7a。

图2简要地示出了在对管状物，导线和条状物等细长物体17进行逐步清洗过程中所述真空电弧放电的应用。在这种情况下，密封地穿过真空室18的细长物体17构成了一个有效的阴极，所述的室具有一个由阀门控制的进气口19和一个真空排气口20。

阳极21被置于所述细长工作17的上方，并且被提供有导体22，该导体22穿过所述室18连接到电源（未示出）的正极。另一个导体23密封地穿过所述室18，并且在其一端耦合到所述电源的负极，而在另一端耦合到接触24，该触点24在允许所述物体17对接触24作相对移动的同时，建立起一个与所述物体17相接的电接触。所述物体还要穿过一个适当的屏蔽板25，屏蔽板25的作用在于限制所述电弧放电的扩散。

如前所解释的，如果不采取措施使所述的电弧放电集中于所述阴极表面的集中区域内，那么在所述阴极和阳极之间建立的真空电弧放电将导致在所述阴极表面展开的区域内产生阴极点，这些阴极点在所述阴极表面上以完全任意的方式动来动去，这样一种电弧放电无助于所述阴极表面的均匀处理，另外如上所述，所述电弧放电的这种操作特征在于所述的电弧电压电流特性具有负的梯度。

本发明是以下述发现为基础的，即：当所述电弧放电工作于其电压电流特性具有正梯度，电弧电流不小于50安培和所述电弧放电基本上均匀地分布于所述阳极暴露部分上方的情况下时，可以获得特别有效的均匀处理。

另外还发现，为了使用这种正梯度电弧电压电流特性进行工作，在增加所述电流的同时有必要限制体积也就是限制了所述电弧的横截面积，借此，使所述电弧中的蒸气密度随着阻抗的必然升高而增加。依据本发明，这是通过将所述电弧安排产生在所述阳极的主要暴露部分和所述工件有限区域之间的任一特定时间处来实现的。另外，如先前所指出的，把所述电弧的范围限制到这种有限区域的一种模式就是在所述工件内适应多个低阻抗区域，这些低阻抗区域分别与所希望的有限区域结合起来。

图3，4和5简要地示出了这种有限区域是如何通过建立低阻抗区域而形成的。参看图3，密封穿过真空箱（未示出）的细长工件31构成了一个与阳极32并列排置的阴极，后者被连接到电源（未示出）正极。所述电源的负极通过导体33和一个例如是环形接触的多端触点34连接所述工件31，所述多点触点34与和暴露到所述阳极的表面相对的所述工件31的那个表面相接触。由多点触点规定并与工件的所述表面相关的该工件区（和所述工件其余的部分相比较）基本上是一个低阻抗区，并且这个区域因此与向所述暴露给阳极的所述工件的一个有限表面区相联系。所述的电弧放电将以最佳状态产生于这个有限表面区域和所述阳极之间。提供了绝缘屏蔽板35和36，以保证电弧放电不在所不希望的方向上扩散。所能看到的，在所述阳极的主要暴露部分和与所述多点触点34相对的有限区域之间所产生的电弧放电具有集中的横截面，并且在所述工件和阳极之间可能的最靠近空间范围内，这种电弧放电是有效的。

通过如此地将所述电弧放电控制在所述有限表面区域内，在所述电弧放电中的蒸气密度将会增加。其结果，所述的电弧放电电压电流特性具有正梯度，并且可以发现，在所述有限表面区域上形成多个LS阴极点，这些阴极点导致所述有限表面区域的均匀处理，例如清洗。随着所述工件31在如箭头所示方向持续或间断的移动，即参照阳极32和多点触点34所发生的移动，连续的有限表面区域被置入相对于阳极而言的最小距离区，并且所述阳极要承受在其上所形成的LS阴极点的作用。从而使所述工件的连续有限表面区被处理，并且所述工件表面作为一个整体均匀地经受了所述电弧放电的作用。所述工件的处理方向与该工件相对于所述阳极的相对移动方向相反。

应当理解，当LS阴极点在所述有限区上形成时，也产生了显著数量SF阴极点，并且如果不采取任何措施，这些从有效表面区移出的SF阴极点将在所述工件表面上任意地动来动去。为了控制和引导这些SF阴极点的移动，如图4和图5所示的那种配置是合适的。例如，如图4所示，所述电源的负极以与多点接触34相并联的方式连接到就相对移动而言处于多点接触34上游的触点37。由于这种配置，可以发现，在所述LS阴极点对有限表面区域进行有效处理的同时，所述的SF阴极点沿所述表面朝着触点37移动，这就影响了在多点接触34和所述触点37之间区域的初步处理。利用这种方式，一旦所述工件的移动将来把所述的连续表面区域带入电弧放电区，就有助于利用所述的LS点对这个区进行彻底的处理。

图5示出了这种想法的进一步改进，在这种改进中，有一个辅助触点38与所述的多端触点34相并联，且所述的辅助触点37就相对移动的方向而言仍然处于所述工件31更上游的位置处，借此以保证即使是所述SF阴极点的最快移动也能够被导入所需的预定方向，借此初始处理在所述电弧放电的主要部分所处理的所述主要表面之前的预处理表面。

在如图3，4和5所示实施例的情况下，所述工件34的初步处理（如清洗）将借助受到导引的SF阴极点来进行，而最终处理是借助LS阴极点来实现的。

在实际中作如下推荐：即在任一时刻的总电弧电流的85%-95%要流过建立正被处理有限表面区域的多点接触，同时，总电流的5%-15%流过辅助电极。

下面参看图6以描述阳极32的结构。该阳极包括一个外壳体39，在该外壳体中放置有一个内壳体40。所述阳极32除了其余表面部分以外都由一个屏蔽板41所包围，穿过该屏蔽板，与其绝缘地延展有一个将被连接到电源正极的阳极触点42。在所述内壳体40用诸如铜等具有高导电率的材料制成的同时，所述外壳体39使用例如不锈钢、铬镍铁合金等具有相对低导电率的耐熔材料制成。以这种型式构成的阳极，利用所述的电弧放电，对所述阳极主壳体39所述表面的一部分进行加热，其结果是使其中的电阻增加，并且所述电弧自动地移向仍保持在较冷状态的所述阳极表面的另一部分，从而可以看到，这一部分对于所述内壳体40呈现了一条较低电阻通路。这个过程继续下去，从而导致了在所述阳极扩展表面上方所述电弧放电的持续均匀分布，从而减少了所述阳极烧熔的可能性，并有助于较长的耐用性。如所能见到的，所述的内壳体40开有洞口，使冷却液得以通过，借此以加强对在任何情况下都不会被所述电弧放电所加热的外壳体39的这些部分的冷却。

在如图7所示的实施例中，一个环状阳极43被置于带有可用箭头所示方向放置的细长工件31的环状屏蔽板44内，所示细长工件31穿过所述环状阳极43和环状屏蔽板44。若现在所述工件围绕其长轴在所述阳极43之内并相对该阳板43转动，并且所述工件31同时被轴向地通过所述阳极43而放置，那么，被处理的有限表面区域将形成一个有关所述工件31的有效螺旋通路，从而导致对整个工件31的有效表面处理。

刚才给出的所述例子恰是各种可变化的例中一个，在该例中，有限表面区域是在与整个工件移动方向基本垂直的方向上产生的。

所述的工件31还被提供有一个类似于空心轴的屏蔽板45，用于对所述工件的所述区域进行限定，因为在工件的所述区和所述阳极之间，所述的电弧放电是有可能扩散出来的。另一方面，如能所看到的，屏蔽板45被提供有一个很窄的细长槽46，以用于允许SF阴极点通过这些槽进入到就所述工件移动方向而言的工件上游部分，从而有利于它们的处理。

这些槽46从空心轴45的前端（即与阳极43相邻的端）延展，并终止于所述空心轴45的中间部分，SF阴极点进入槽46并被有效地夹在其中。例如现在所述的屏板45相对于所述工件围绕其长轴转动，同时，所述工件轴向地穿过所述阳极43而放置，那么，被夹住的SF阴极点将形成一个与所述工件相关的有效螺旋通路，借此以执行整个工件31的有效初始处理。

另外，在所述工件类似板材料的情况下，可以利用一个平坦的电绝缘屏蔽板，参照对于类似空心轴屏蔽板的如上描述，上述的平坦绝缘屏蔽板具有多个较小的槽。在这种情况下，所述的平坦绝缘屏蔽板是以和所述工件移动的有关方向相互垂直地放置的。并且当与所述移动的有关方向相互垂直地进行放置时，夹在所述槽里的SF阴极点对所述表面进行处理。这就导致了对所述工件表面的有效（而均匀）的初步处理。

在图8所示的实施例中（它是特别指定供延展的类似板材的工件使用），提供了一个园柱形阳极47。该阳极47包括一个由高熔点材料制成的外空心构件48和一个由具有非常低阻抗的材料制成的内空心构件49。所述阳极49（持续或间断地）围绕中心轴转动，冷却液体可以流经该阳极49，且该阳极还可以用作一个电导体，借助于该导电体和电刷51，使得所述的阳极能够被连接到电源（未示出）上。阳极47还被提供有一个环绕屏蔽板52，用以限制所述电弧放电的扩散。

穿过屏蔽板52的延展部分构成了一个刮削标53，它具有一个驱动装置54，并用于去除所述阳极表面上累积的蒸发或沉积的材料。

当在上述配置中有限表面区域与由与所述工件相接触的多点接触所产生的低阻抗区相联系时，这种低阻抗区可以通过例如使所述与有限表面相联系的特定区域冷却，并借此降低其电阻抗的方法来建立。

将电弧放电将集中的阳极和工件产生有限表面区域另一种模式是使用诸如激光辐射的适当的电磁辐射照射这些区域。通过辐射对这些区域的连续加热导致了某种程度的蒸发和随后的电离作用，这有助于在这些区域和阳极之间的电弧放电。但是，应当了解，为了消除与这些受辐射区域相连系的所述工件区的加热，这些区本身应当另外冷却。

还有一种模式可用于保证将所述电弧限制在有限表面区域内，那就是在利用电弧进行处理之前或之间，在所述表面上形成良好的凹槽，并利用这些凹槽的存在去限制所述LS阴极点的移动。这些凹槽最初可以沿着所述工件的长度方向形成，用以导引所述的SF阴极点和集中所述的LS阴极点。

保证所述电弧被限制在所述有限区域和阳极之间一个区内的另外或者是附加的模式是在相邻所述有限表面区域的位置处设置一个电绝缘体，该电绝缘体在具有和有限区域连续电接触的齿。所述工件具有有限区域和这些齿的实际接触和所述工件相对于这些齿的移动将产生出一定程度的火花，反过来，这些火花又会把所述的电弧放电限制到发生了火花的所述有限表面区域。因此，就捕集所述阴极点而言，所述齿是非常有效的。

这种电子绝缘体的应用示意性地示于图9。参看此图，一个诸如导线等的细长物体57受到真空电弧放电清洗。为此，物体57纵向地放置，与多个导电轮58有良好的电接触，所述的多个导电轮58在其转动过程中与所述电源的负极相连接。所述物体57在通过接下来被连接到所述电源正极的环状阳极60以前，首先要穿过一个开缝的、可旋转的中空屏蔽板59。所述阳极60被提供有一个中空屏蔽61，从而避免在所述工件57和阳极60的非希望部分产生电弧放电。

与所述工件并列并与所述阳极靠近的是一个绝缘体62，从该绝缘体62处悬垂有诸个导电齿63，它与所述物体57保持电接触。

在工作中，齿63与移动物体57的接触既捕集了所述阴极点又引起火花，其结果，所述的火花区域成为一个所述有限表面区域，从而在所述工件和所述阳极60之间建立起相对受到限制的电弧放电，通过电弧放电对所述的有限区域进行有效的清洗。同时，压在所述物体57上的齿63和所述物体57相对于齿63的持续移动导致了一个机械清洗作用，该清洗作用有效地补充或完成了由所述电弧放电所执行的清洗作用。

应当了解，当通过所述物体57表面上齿63的作用去规定所述有限表面区域，从而把所述主电弧电限制在所述工件和阳极之间时，有效数量的SF阴极点将趋于在滚轮58的方向上移动。通过保证所述物体57的移动速度基本上等于这些阳极点在反方向上移动的平均速度，就可以保证在利用仍然按滚轮58的方向移动的这些SF阳极点对所述物体进行清洗处理的同时，使所述LS阴极点的规模基本保持稳定。

对于一个具有均匀厚度的物体而言，所述阴极点移动的平均速度可以下述关系给出：

V＝V_oe^-Kt

其中：V_o是与正被处理的材料相关的常数（如：对于钢而言，V_o＝10²cm/Sec）

K是一个经验系数＝0.44

t是以μm为单位的锈皮厚度

图10示出了所述绝缘体的三个可供采用的实施例。如从图10a所示，所述绝缘体包括一个绝缘夹具62，该夹具62有一组扁平端齿63a。在图10b所示的实施例中，指出了所述齿63b是尖的，在图10c中，夹具62是利用齿定位器65形成的，在该齿定位器65中配置有一个可移动的齿66，该齿66通过弹簧67被弹性地加压而和被处理物体相接触。利用该实施例，所述的齿66在需要的情况下可以很容易地进行更换。

如所指出的，所述齿能够用导电材料构成，或者，所述齿可以利用绝缘材料构成，但这种绝缘材料应能够通过在其上进行导电材料的沉积导电性。最好，所述齿间有一定的间隔（如0.5-5mm）以捕集所述的LS阳极点，并借此限制所述的电弧。

在指定所述的齿基本上用于限定所述电弧和/或表面清洗的场合，它们可以利用任一种适宜的较硬的导电材料构成。但是，如下面将要详细解释的那样，在所述齿被指定用于电弧限制和/或被覆盖表面的机械处理的场合，那么，所述的元件就应该使用一种较软的材料，例如所述的覆盖材料或工件本身的材料制成。构成所述齿的材料可以根据处理的目的进行选择。

所述齿在执行其它功能的同时，还可以用于在垂直于所述物体处理的方向上建立凹槽。这些凹槽用于集结所述的LS阴极点。

图11示出了另一种配置，该配置涉及到了在所述有限表面区域内集中所述的LS阴极点以及对所述SF阴极点移动的控制。在这种配置中，一个例如是管子的细长中空物体71必需具有一个为了清洗而利用在阳极和所述物体71的内表面之间所产生的真空电弧放电来处理过的内表面。在这种配置中，借助于适当的密封装置73，74将所述物体71的任意一端封住，所述物体被适当的排空，从而在其中产生一个真空状态，同时，密封装置74具有一个进气口75，而密封装置73具有一个出气口76。

通过耦合装置77将所述阳极72耦合到电源正极，该耦合装置77还用于将所述阳极72轴向地移动以穿过所述物体71。与所述物体71的外表面形成良好电接触是多个触点78，这些触点被设计成依次地连接到所述电源的负极。所述触点78被安排成可围绕所述物体71的外表面在基本上螺旋的路径内，从与所述密封装置74相邻的所述物体的一端向与所述密封装置73相邻的所述物体的相反端移动。所述触点78的移动与所述阳极72的轴向移动同步。

由于在中空物体中恒定的低气压，即由于没有气体从入口75流到出口76，所以，在所述阳极72和与所述触点78相对的有限表面区域之间集中了一个电弧放电79a。但是在这种情况下，SF阴极点将在所述中空物体的其余表面上任意移动，这确实无助于所述表面任一所希望的初步处理。然而，由于气体不断地从入口75到出口76流经所述中空物体，在所述的中空物体中将建立起一个压力梯度，即所述的压力从所述入口75所在区域到出口76所在区域逐渐减小，在这种情况下，将要产生一个所述放电的尾部79b，在这个尾部中，所述的SF阴极点沿一个预定方向运动，并借此进行所述表面的初步处理。由于所述的主放电位于这些预先处理过的区域和所述阳极72之间，所以，这些初步处理有利于后续的所有处理。

在上述特殊描述的实施例中，所述SF阴极点的受控移动的方向与所述处理的方向相同，但正如所指出的，也可以将这个受控移动安排得垂直于处理方向。

对于一个单一的电弧而言，任一被处理的区段（即有效阴极点区域）的最大尺寸（在垂直于处理的方向上）可以在5-250mm之间。在利用多个电弧同时对所述物体进行处理的场合，这些最大尺寸的总和可以位于下述范围之内，这个范围是与每个电弧相关的各单独范围的和。

如上所述，当所述装置被利用于对所述工件的表面进行清洗，例如除去表面锈皮时，所述真空箱内的气体压力是根据需要被除去的锈皮的厚度来选择的，例如：

在锈皮的厚度小于1μm的情况下，使用的最大气压约为100PA;

在所述锈皮的厚度在1-5μm之间的情况下，所使用的最大气压约为5PA。

在所述锈皮的厚度大于5μm的情况下，所使用的最大气压约为5.10^-1PA。

所述的气体压力可与残留的空气压力相关，或可与任一适宜的气体压力相关。

如上所指出的，依据本发明的方法和装置在利用金属表面的蒸发进行涂镀方面是特别有用的。下面将参照附图12-15对本发明的这种特殊应用进行描述。

如图12所示，箱体81和真空泵82相耦合，借此以保证在具有能够维持一个真空电弧放电的电气压的箱体内建立一个真空状态。其表面需要清洗和涂镀的一个细长物体83利用一个未示出的装置支撑于箱体81内，并被提供有一个未示出的装置，该装置与沿其长轴方向的直线移动和围绕其长轴的转动。所述细长物体83与被提供有适当屏蔽85的环状阳极84的中心孔共轴。构成一个有效阴极的所述物体83在触点86处被电连接到电源88的负极，所述电源的正极一方面通过电阻89连接到所述阳极88，另一方面通过电阻器91连接到一个辅助触发电极92。与所述物体83并列放置的有一个绝缘金属物体93，在该金属物体中配置有一个可替换单元94，从该单元94垂持有导电齿95。所述物体93与驱动装置96相联系，借助于该驱动装置，所述物体能够沿着所述物体83的表面移动。

安装在箱体81之内并指向所述物体83的是电磁辐射源97，例如是激光源，电磁辐射束可以由该辐射源射到与所述阳极84相邻的所述物体83的有限表面区域。

安装在箱体81之内，并在所述物体83正下方的是气化器98，该气化器98通过开关100耦合到电源99，在该气化器上安装有一个气化元素101，该气化元素101由将被蒸发并在所述物体83上形成涂层的材料构成。在关闭所述开关100的情况下，由于气化器98的电阻加热的结果，产生所述元件101的蒸发现象。

在操作过程中，所述物体83沿长度方向移到所述阳极84的附近，且该物体的一个有限表面区域受到来自辐射源97的辐射，借此以加热该表面区域，并引起其受到限制的蒸发和/或热离子发射。在所述辐射的影响之下，所述的蒸发层被离子化。在所述有限表面区域的区内所产生的离子和/或热离子发射用于将所述电弧放电吸引到所说区域。为此目的而使用电磁束进行辐射仅仅是在产生所述电弧放电的最初阶段才是需要的，在此之后，可以将所述的辐射切断。由于所述绝缘体的导电齿被安置的与这些区域相接触，因此，所述电弧可以被保持在所述有限表面区域以及随后的有限表面区域内。借此以保证所述电弧放电被持续地导向相关的有限区域。

所述细长物体83可以通过沿其整个长度和四周经受所述电弧放电进行清洗，这种清洗对物体的连续有限表面区域进行了连续的处理。利用所述电弧放电进行的清洗处理可以由所述齿95所进行的机械清洗加以补充或完成。应当了解，正如前面所述情况，所述的主处理是由所述的电弧放电作用在连续有限表面上进行的，这是由于所述的LS阴极点作用于这些区域。由于所述的SF阴极点被导向所述触点86，并借此提供一个随后将要借助于所述主电弧放电才能完成的所述物体的初步清洗，所以，要执行一个辅助的初步处理。

从以下情况来看，提供一个附加的机械清洗是特别重要的，所述SF阴极点朝着触点86的移动建立了一个其宽度可与所述SF阴极点的平均宽度相比拟并处于0.3-1mm范围之内的细长清洗通道。在这些通路的边界上，是有影响的污垢、锈皮等的隆起部分，这些隆起部分的存在对利用随后的LS阴极点对所述表面的清洗具有阻碍作用。事实上，在所述LS阴极点移动的路径上，这些隆起部分的存在导致已由所述SF阴极点清洗过的路径产生不均匀的、不希望的熔化。但是，如果这些已经经过所述SF阴极点进行过初步处理的区再通过能够很容易移动它们的齿进行机械清洗的话，那么，随后的LS阴极点在其上的移动过程就能有效地清洗所述表面，而不会产生任何不宜的熔化。

另外，通过保证所述绝缘体93的齿95彼此相间隔在0.5-5mm之间，这些元件可以用作在所述元件之间引起放电的那些阴极点的实际陷阱，并且利用这种方式，在对所述物体进行机构清洗的同时，伴随有一个改进的电清洗。

随着对所述物体83的清洗完成，该物体还要经受由同一电弧放电所进行的热处理，该热处理导致所述物体83表面的硬化并控制其表面特性。

利用对所述物体83同步时或周期的热处理，所述物体83被（利用闭合开关100）被气化器98的耐热层而蒸镀，其结果使蒸发源101被蒸发，其气化物被沉积到围绕其本身长轴转动的所述物体83上。在与蒸发过程同时进行热处理的场合，可能产生一个高质量蒸镀层，其特征在于增加了所述蒸镀层对所述金属表面的附着力。

借助于适当的齿，可以使对所述物体83进行蒸镀与对所述蒸镀进行机械处理同时的或周期地进行。为此目的，构成所述齿的材料应当要么与所述涂层材料相同，要么与将要被蒸镀的物体材料相同。

很明显，在所述物体83上沉积的镀层较厚的情况下，如上所述的处理，即最初镀层的热处理和沉积，继之以其后镀层的热处理和沉积，可以重复足够次数，以产生涂层所需要的厚度。

在所述物体的热处理期间，有一点是非常重要的，那就是所述物体的温度不能高于其本身的退火温度，为此目的，所述物体被耦合到一个热电偶上，利用该热电偶可以控制加热程度。另外，在所述物体的蒸镀其间，通过如所希望的在所述气化器和所述物体之间插入一个可移开的屏蔽可以控制涂层的涂敷。

如上所述，在借助图12说明的实施例中，作为气化器98电阻加热的结果而发生蒸发现象时，根据本发明的另一实施例，可以使所述的蒸发元件经电弧放电处理而执行蒸发过程。这样一个实施例示意性地示于图13。

如从该图中所看到的，一个物体105被耦合到一个电压源（未示出），所述物体105的右手端被封密在一个用于限制电子放电和被提供有细缝（未示出）的屏蔽106中。但是，为了提供一个阳极107，并在该阳极和所述物体105之间建立用于清洗之目的电弧放电，在本实施例中提供了一个环状阳极108，该阳极108相对于配置于气化器110之内并被提供有一个导电体111的蒸发元件109并列配置，所述电导体111被耦合到由源112的负极，该电源的正极被电连接到所述阳极108。在这种方式之下，所述的蒸发元件109构成了一个阴极，且当在所述阳极108和与导体111相对的蒸发元件109的有限表面区域之间启动放电（最初使用辅助触发电极113）时，随之得到所述物体105的蒸镀。

借助作用于所述蒸发元件109有限表面区域上的电弧放电以保证气化的优点示于图14。

在图14中，通过一对导体115将一个负电压施加到蒸发元件109上，导体115与所述元件的下末端相接触，其结果可以看出，作为所述阴极点在所述蒸发表面上向相应的高端移动的结果，产生了非均匀的蒸发过程。在如图14b所示之情况，即所述负电压被提供给一个居中配置的窄触点116时，将产生一个类似的希望的蒸发形式，但是如图14c所示，在将所述负电压通过一个环形接触117提供给所述蒸发元件的基底的情况下（所述环形触点117规定了有限表面区域），在所述蒸发元件的上面部分上提供相应的有限表面区域可以导致相对均匀的蒸发过程。

在如上所述的配置中，当使用一个单一的阳极对作为阴极的金属物体表面进行处理时，在适当的场合，可以使用多个具有公共或单独电源的多个阳极以增加处理效率。在这种方式下，利用多个电弧放电对所述物体进行处理。

图15示出了通过对例如齿条等不规则形状物体120的蒸发形成的镀层。为此目的，在所述物体120之下放置两个气化器121和122，且这两个气化器以各自相反的角度方向指向所述物体120，从而使它们的蒸发束相互叠加并以相反的方向覆盖在所述物体120上。在这种方式之下，可以保证，尽管它的形状不规则，仍可以使所述物体120受到均匀的蒸镀。

应当明白，在根据本发明的所有实施例中，所述的电弧放电在一个稳定的状态下可以保持所需的时间长度。

Claims (37)

1、一种对金属工件进行表面处理的方法，其特征在于在一个阳极(32)的主要暴露部分和用作阴极的所述工件(31)第一表面连续有限区域之间产生其电弧电流基本上不小于50安培并具有正电压电流梯度的真空电弧放电。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的连续有限区域分别与所述工件（31）的连续低电阻区域相关。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于通过一个或多个用以规定所述表面部分的每一个的触点（37、38）在所述阳极（32）和所述工件（31）第二和相对的表面之间施加电弧产生电压，所述的表面部分分别与所述的有限区域相对，并随之而延展。

4、根据权利要求2的方法，其特征在于分别与有限区域相关的所述工件的区被连续冷却以建立所述的低电阻区。

5、根据前述权利要求中任一个的方法，其特征在于所述工件（83）中所述有限区域中的每一个连续地经受电磁辐射，借此，以连续加热所述区域。

6、根据前述权利要求中任一个的方法，其特征在于与所述连续有限区域并列配置有电绝缘体（62），该绝缘体（62）具有与所述有限区域进行电接触的齿（63）。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述齿（63）对于所述工件（57）的相对移动执行所述有限表面区域的机械处理。

8、根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述的相对移动以给定的方向发生于所述工件（31）和所述阳极（32）之间，其中，所述的电弧产生电压施加给所述的阳极（32），并通过一个或多个辅助触点（37、38）施加于位于给定方向上游的所述第二表面。

9、根据权利要求3的方法，其特征在于所述的相对移动以给定方向发生于所述工件（31）和所述阳极（32）之间，其中，所述的电弧放电连续地发生于所述阳极（32）和在垂直于所述给定方向的方向上分别设置的连续组有限区域之间。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于所述的电弧产生电压被施加给所述阳极（32）并通过一个或多个可在垂直于所述给定方向的方向上移动的辅助触点（37、38）施加到所述第二表面。

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的相对移动速度基本上与在所述表面上产生的阴极点的平均移动速度相等，其移动方向与所述阴极点的移动方向相反，且这种相对移动发生于所述阳极（32）和所述工作（31）之间。

12、根据权利要求1所述的方法，其特征在于它还包括在所述工件上形成凹槽的步骤，所述凹槽基本上垂直于所述工件相对于所述阳极进行相对移动所给定的方向。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于它还进一步包括在所述工件上形成其方向基本上与所述方向相同的凹槽的步骤。

14、根据权利要求1的方法，其特征在于所述的相对移动以给定方向发生于所述工件（31）和所述阳极（32）之间，并且所述的有限区域设置于相对于所述给定方向的上游处。

15、根据权利要求14所述的方法，其特征在于所述的阴极点被夹在相对于所述给定方向和有限区域位于上游的区内。

16、根据权利要求15所述的方法，其中，所述的相对移动建立在所述工件和所述被夹住的阴极点之间，其移动方向基本上垂直于所述给定方向。

17、根据前述权利要求中任一个的方法，其特征在于所述的处理是对所述工件表面的清洗。

18、根据权利要求1的方法，其特征在于它还包括将一种涂镀材料（109）蒸发到所述表面上的步骤。

19、根据权利要求18所述的方法，其特征在于它还包括借助所述电弧放电，与所述蒸发步骤同时或周期地对所述表面进行加热处理的步骤。

20、一种用于对金属工件进行表面处理的装置，包括：

箱体（1）;

装置（3）：用于在所述箱体（1）中产生真空;

第一装置（5）：用于有控制地将气体引入所述箱体（1）;

至少一个阳极（7）;

第二装置：用于在所述箱体（1）中可移动地支撑一个构成阴极（6）的所述工件（6）;

第三装置（10、15）：用于在所述阳极（7）和所述阴极（6）之间施加一个电弧产生电压，

其特征在于还提供有：

第四装置（34、62）：用于把所述的电弧放电集中于所述工件（6）第一表面的连续有限区域内;

第五装置：用于保证在所述阳极（7）上电弧基本上均匀分布;和

第六装置：用于以一个给定的方向，在所述工件（6）和所述阳极（7）之间执行一个相对移动。

21、根据权利要求20所述的装置，其特征在于所述第四装置（34）被指定用于在所述有限区域的某个区内建立低阻抗区段。

22、根据权利要求21的装置，其特征在于所述第四装置包括一个或多个加到所述工件第二和相对表面的接触（34），用以规定分别与所述有限区域相对并随之而延展的第二表面部分。

23、根据权利要求21所述的装置，其特征在于所述的第四装置包括一个冷却装置，用于冷却所述工件的区，从而形成所述有限区域。

24、根据权利要求20的装置，其特征在于所述的第四装置包括一个电磁辐射装置（97），用于连续地辐射所述有限区域。

25、根据权利要求20所述的装置，其特征在于所述第四装置还包括一个具有元件（63）的电绝缘体（62），用于连续地与所述有限区域进行电接触。

26、根据前述权利要求中任一个所述的装置，其特征在于还进一步提供有至少一个辅助触点（37、38），该触点与所述第二表面电接触，并位于所述电弧放电相对于所述工件进行所希望的相对移动的下游位置上。

27、根据权利要求20所述的装置，其特征在于还提供有第七装置，用于保证所述工件的基本均匀的初步处理。

28、根据权利要求27所述的装置，其特征在于所述的第七装置（34、35）被指定用于夹持和移动阴极点，其移动方向垂直于所述电弧放电相对于所述工件进行相对移动的方向。

29、根据权利要求27所述的装置，其特征在于所述的第七装置包括一个电绝缘屏蔽（35、45），该绝缘屏蔽以部分遮盖待被处理表面的方式45该表面相邻放置，并可以垂直于所述给定方向的方向移动，该屏蔽在其内表面上具有多个窄细长槽（46），这些槽结束于相对于电弧放电而言是所述屏蔽远程端前不远处。

30、根据前述权利要求中的任一个所述的装置，其特征在于它还被提供有一个与所述工件并列配置的蒸发电极（101、109），第八装置（99、108），所述第8装置用于加热所述蒸发电极（101、109），借此以引起所述蒸发电极的蒸发。

31、根据权利要求30的装置，其特征在于所述第八装置包括电阻加热装置（99）。

32、根据权利要求30所述的装置，其特征在于所述的第八装置还包括一个附加电弧放电装置（108），该装置利用所述的蒸发电极（109）作为一个辅助阴极，并且该装置至少具有一个辅助阳极（108）。

33、根据前述权利要求中任一个的装置，其特征在于所述第五装置包括在封闭的电接触箱内由所述内壳（40、49）和外壳（39、48）所形成的阳极（32、47），所述的内壳（40、49）此所述外壳（39、48）具有较高的导电率;还包括一个装置，用于在所述的工件和内壳（40、49）施加一个电弧电压，所述的电弧放电产生于所述外壳体（39、48）和所述工件的一个有限区域之间。

34、根据权利要求30所述的装置，其特征在于所述的外壳（48）和内壳体（49）基本共轴并呈园柱形，所提供的装置用于将连续或间断的转动传递给所述阳极（47）。

35、根据权利要求33所述的装置，其特征在于它还具有一个刮削装置（53、54），该装置用于对所述外壳体（48的外表面施加压力，以去除其上所沉积的材料。

36、一种用于对园柱形金属工件的内表面进行处理的装置，其特征在于包括：

装置：用于在所述工件（71）内建立真空状态;

阳极（72）：该阳极可在所述工件（71）的长度范围内沿其长度移动;

电触点（78）：与所述工件（71）的外表面相接触，并能相对所述工件（71）与所述阳极（72）同步移动;

装置（75、76）：用于使气体以所述阳极（72）的移动方向通过所述工件（71），从而在所述方向上建立一个气压梯度。

37、一种用于对园柱形金属物体（71）的内表面进行处理的方法，其特征在于包括如下步骤：

在所说物体（71）中建立真空状态;

以预定方向移动阳极（72）穿过所述物体（71）；

与所述阳极（72）的移动同步的移动阴极触点（78）使其与所述物体（71）相接触;和

沿所述移动方向建立穿过所述物体（71）的气流，从而在所述方向建立一个气压梯度。

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