DE1646004A1

DE1646004A1 - Process for the treatment of surfaces by means of electrically exploded wires or jets of liquid

Info

Publication number: DE1646004A1
Application number: DE19671646004
Authority: DE
Inventors: Walter Prof Lochte-Holtgreven
Original assignee: LOCHTE HOLTGREVEN WALTER PROF
Current assignee: LOCHTE HOLTGREVEN WALTER PROF
Priority date: 1967-11-25
Filing date: 1967-11-25
Publication date: 1971-07-01

Description

Verfahren zur Behandlung von Oberflächen mittels elektrisch explodierter Drähte oder Flüssigkeitsstrahlen. Die. Behandlung von Metalloberflächen zur Erreichung bestimmter Oberflächeneigenschaften z.B. zum Zwecke der KorrosionsverhUtung sowie das Aufbringen leitender oder=schützender Oberflächenschichten auf Nchtmetälle spielt in der-Technik eine grosse Rolle. Abgesehen von den rein mechanischen Verfahren der Platierung sind vor allem rein chemische oder elektrochemsehe Verfahren des Oberflächenschutzes von Metallen bekannt, die man als Naßverfahren bezeichnen kann, weil die Werkstücke -dabei in Flüssigkeiten eingetaucht sind bekannt Verfahren des Aafsprtihens von Schutzsubstanz auf die zu behandelnde Oberfläche oder das Aufdampfen von Schätzsubstanz in Hochvakuum. Wieder andere Verfahren benutzen die Verdampfung von Schutzsubstanz im Lichtbogen mit Herausblasen der Substanz auf das Werkstück. Endlich sind elektrische Entladungen vornehmlich in verdünntem Stickstoff bekannt, wobei die Stickstoffionen aus dem Gase elektrisch- beschleunigt werden und auf das Werkstück 'gelangen. Dieses letztere Verfahren der Nitrier rung von Oberflächen ist besonders wirksam,, weil die Ionen durch elektrische Felder stark beschleunigt werden -und mit hoher Geschwindigkeit auf das Werksdick auftreffen: Wegen des geringen Durchmessers der einzelnen Ionen dringen diese in das zu behandelnde Material relativ tief ein und: führen zu einem besonders wirksamen Oberflächenschutz. Dieses Verfahren ist jedoch auf Stickstoff und eventuell einige wenige andere gasförmig vorliegende Substanzen beschränkt. -Demgegenüber ist es mit dem Verfahren nach der Anmeldung möglich, auch andere Ionen der verschiedensten Art z.B. Metallionen oder anorganische wie organische Radikale in gleicher Weise zur Oberflächenveredlung zu benutzen.Process for the treatment of surfaces by means of electrically exploded wires or jets of liquid. The. Treatment of metal surfaces to achieve certain surface properties, for example for the purpose of corrosion prevention, and the application of conductive or protective surface layers to non-metals play a major role in technology. Apart from the purely mechanical plating processes, purely chemical or electrochemical processes for surface protection of metals are known, which can be referred to as wet processes, because the workpieces are immersed in liquids, known processes of spraying protective substance onto the surface to be treated or the vapor deposition of the estimation substance in a high vacuum. Still other methods use the evaporation of protective substance in an arc with the substance being blown out onto the workpiece. Finally, electrical discharges are mainly known in dilute nitrogen, with the nitrogen ions from the gases being electrically accelerated and reaching the workpiece. This latter method of nitriding tion of surfaces is particularly effective ,, because the ions are accelerated by electric fields -and- impinge at high speed on the work thickness: Due to the small diameter of the individual ions penetrate it into the material to be treated is relatively deep and : lead to particularly effective surface protection. However, this process is limited to nitrogen and possibly a few other gaseous substances. -Demgegenüber it is possible with the method of the application, also other ions of various types, for example, to use metal ions, or inorganic and organic radicals in the same way to surface finishing.

Es ist bekannt, dass dünne Drähte, die eine elektrische Spannungsquelle kurzschliessen, z.B. elektrische Schmelzsicherungen, in äusserst kurzen Zeiten verdampfen. Hierbei kommt es zu einer Leuchterscheinung sowie zu einem hörbaren Inall der auf eine Stoßwelle zurückzuführen ist, die sich bei der Ausdehnung und Fortschleuderung des Drahtmaterials ausbildet. Nach Ausweis des Spektrums besteht die Dampfwolke zur Zeit der Leuchterscheinung aus neutralen Atomen aber auch aus Ionen, die sich durch äussere elektrische Felder weiter beschleunigen lassen. Man hat es dabei durch Wahl der elektrischen Parameter sowie durch Art und Druck der umgebenden Gase bis zu einem gewissen Grade in der Hand, den Anteil der Ionen durch hohe angelegte Spannung und induktionsarme Gestaltung der Zuleitung zu erhöhen. Erfindungsgemäss werden die neutralen Atome, aber auch insbesondere die Ionen nach passend gewählter zusätzlicher Beschleunigung auf der Oberfläche des zu schützenden Werk-stoffes aufgegangen. Je nach dem Material des elektrisch verdampften Drahtes können also Schutzschichten aus beliebigen Metallen oder Metall-Legierungen hergestellt werden. Insbesondere sind Verdampfungen auch von Wolfram, Tantal, Molybdän oder anderen schwerschmelzenden Metallen möglich. It is known that thin wires which short-circuit an electrical voltage source, for example electrical fuses, evaporate in extremely short times. This results in a luminous phenomenon and an audible sound that can be traced back to a shock wave that forms when the wire material expands and is thrown away. According to the spectrum, the vapor cloud at the time of the luminous appearance consists of neutral atoms but also of ions that can be further accelerated by external electric fields. By choosing the electrical parameters as well as the type and pressure of the surrounding gases, it is possible to a certain extent to increase the proportion of ions by applying a high voltage and designing the supply line with low induction. According to the invention , the neutral atoms, but also in particular the ions, are absorbed on the surface of the material to be protected after a suitably selected additional acceleration. Depending on the material of the electrically vaporized wire, protective layers can be produced from any metals or metal alloys. In particular, evaporation of tungsten, tantalum, molybdenum or other refractory metals is also possible.

$ine Anordnung entsprechend der Anmeldung sieht dement-sprechend etwa folgendermaßen aus,z l.n auf hoher Spannung, vorzugsweise einige kV aufgelade- ner Kodensator g ist mit dicken Drähten oder auch mit induktionsarmen Leitungen z.B. Bandleitern über eine Schaltf unken- strecke mit den beiden Elektroden =1 und 3 2 verbunden, zwi- schen denen der $u verdampfende Draht D ausgespannt ist. Siehe Fig.l. Das Werkstück W wird neben dem Draht in passendem Abstand aufgestellt, so dass ein möglichst grosser Teil der sich bildenden Dampfwolke das Werkstück trifft. Um die Ionen noch mehr zu beschleunigen, kann eine zusätzliche Spannung U zwischen einer der Elektroden und dem Werkstück angelegt werden. Es ist einleuchtend, dass besonders gut Hohlräume in Werkstükken oder Röhren von innen behandelt werden können, indem der zu verdampfende Draht axial in das Werkstück eingebracht wird. Accordingly, an arrangement according to the application looks approximately as follows: z ln capacitor charged at high voltage, preferably a few kV, g is with thick wires or also with low-inductance lines, eg strip conductors over a spark gap with the two electrodes = 1 and 3 2 , between which the vaporizing wire D is stretched . See Fig.l. The workpiece W is set up next to the wire at a suitable distance so that the largest possible part of the vapor cloud that forms hits the workpiece. In order to accelerate the ions even more, an additional voltage U can be applied between one of the electrodes and the workpiece. It is obvious that cavities in workpieces or tubes can be treated particularly well from the inside by inserting the wire to be vaporized axially into the workpiece.

Um die Verdampfung richtig zu steuern kann es nützlich sein, einen Spannungsimpuls von vorgegebener Form, etwa rechteckig oder dreieckig an den zu verdampfenden Draht anzulegen. Ausserdem wird es in vielen Fällen notwendig sein, den zu ver- dampfenden Draht und das Werkstück in einem Hochvakuumrezipienten unterzubringen, so dass die verdampften Atome des Drahtmaterials in geradliniger Flugbahn auf das Werkstück gelangen können.In order to control the evaporation correctly, it can be useful to apply a voltage pulse of a predetermined shape, for example rectangular or triangular, to the wire to be evaporated. Can also it will be necessary in many cases, to accommodate the memory to be steaming wire and the workpiece in a high vacuum chamber, so that the evaporated atoms of the wire material in a rectilinear trajectory to the workpiece arrive.

Um eine etwas dickere und vor allem vollständig dichte Schutzschicht zu erhalten kann es zweckmässig sein, die Verdampf ung nach Verschieben eines längeren Drahtes zu wiederholen, dergestalt, dass immer ein neues Stück des Drahtes zur Verdam-pfung gelangt. Diese Anordnung kann aber auch vollständig automatisch periodisch betrieben werden, indem jeweils während des Vorschubes des Drahtes der Kondensator' wieder geladen wird, so dass bei Überbrückung der Elektroden K1 und 13 2 automatisch die Entladung und damit die Verdampfung erneut einsetzt.In order to obtain a somewhat thicker and, above all, completely dense protective layer, it can be useful to repeat the evaporation after moving a longer wire in such a way that a new piece of wire is always evaporated . This arrangement can, however, also be operated periodically completely automatically by charging the capacitor again during the advance of the wire, so that when the electrodes K1 and 13 2 are bridged, the discharge and thus the evaporation automatically start again.

In einer anderen Ausführungsform Wird statt des Metalldrahtes ein leitender Flüssigkeitsstrahl verdampft. Derartige Flüssigkeitsstrahlen können aus geschmolzenen Metallen aber auch aus Metallsalzlösungen bestehen, schliesslich können auch beliebige andere anorganische oder organische Substanzen oder Lösungen dieser Substanzen in einem Strahl die beiden Elektroden verbinden und anschliessend zur elektrischen Verdampfung gebracht werden. Damit hat man es in der Hand, Überzüge aus praktisch beliebigem Material auf Werkstoff-Oberflächen aufzubringen.In another embodiment, a conductive liquid jet is evaporated instead of the metal wire. Such liquid jets can consist of molten metals but also of metal salt solutions, and finally any other inorganic or organic substances or solutions of these substances can connect the two electrodes in a jet and then be brought to electrical evaporation. This gives you the ability to apply coatings of practically any material to material surfaces.

In Abbildung 2 sind zwei Elektroden E1 und E2 gezeichnet, deren eine durch eine Bohrung zur Düse ausgebildet ist. Die zu verdampfende Flüssigkeit wird der Bohrung über eine Zeitung L aus dem Vorratsgefäß G zugeleitet. Dabei kann die Flüssigkeit entweder infolge der Schwere oder infolge eines zusätzlichen Druckes im Vorratsgefäß G in den Elektroden-Zwischenraum eingespritzt werden. Erfahrungsgemäss ist es günstig, wenn eine von sich aus leitende Flüssigkeit verwendet wird. Es ist jedoch .auch möglich, einen zunächst nicht leitenden Flüssigkeitsstrahl durch zusätzliche Maßnahmen leitend zu machen, so dass er anschliessend verdampft werden kann. Eine derartige Möglichkeit ist z.B. durch eine Hilfsentladung gegeben. Ebenso kann durch Einstrahlung von Elektronen, von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere von Laserlicht geeigneter Wellenlänge oder durch radioaktive Strahlung der verschiedensten Art die Leitfähigkeit soweit erhöht werden, dass ein Stromstoß und damit eine elektrische Verdampfung erfolgen kann.In Figure 2, two electrodes E1 and E2 are drawn, one of which is formed through a bore to the nozzle. The liquid to be evaporated is fed to the bore via a newspaper L from the storage vessel G. The liquid can be injected into the electrode gap either as a result of its gravity or as a result of an additional pressure in the storage vessel G. Experience has shown that it is beneficial if an inherently conductive liquid is used. However, it is also possible to make an initially non-conductive liquid jet conductive by taking additional measures so that it can then be vaporized . Such a possibility is given, for example, by an auxiliary discharge. The conductivity can also be increased by irradiating electrons, electromagnetic radiation, in particular laser light of a suitable wavelength or radioactive radiation of the most varied types, so that a current surge and thus electrical evaporation can occur.

Die oben beschriebene Ausführungsform unter Verwendung eines freien Flüssigkeitsstrahles ermöglicht in vorteilhafter Weise den periodischen Betrieb einer Vorrichtung zur Durchführung einer besonderen Form des Verfahrens nach der Erfindung dadurch, dass nach dem Verdampfen der Flüssigkeit durch einen Stromstoss durch Einströmen neuer Flüssigkeit in den Raum zwischen den Elektroden der ursprüngliche f lüssigkeitserfüllte Raum wieder hergestellt wird. Erfahrungsgemäss ist es nicht erforderlich, dass der von einer Elektrode zur anderen Elektrode übertretende Flüssigkeitsstrahl laminar strömt. Es können auch turbulente Strömungsverhältnisse vorliegen.The embodiment described above using a free The liquid jet advantageously enables periodic operation a device for performing a particular form of the method according to the Invention in that after the evaporation of the liquid by a current surge by influx of new liquid into the space between the electrodes the original one fluid-filled space is restored. Experience has shown that it is not required that the liquid jet passing from one electrode to the other electrode laminar flows. There can also be turbulent flow conditions.

Claims

Claims 1. A method for treating surfaces by means of electrically exploded wires or liquid threads, characterized in that the b: ei the explosian vaporized substance reaches the surfaces to be treated in whole or in part, with electrical fields between the vaporized wire and the workpiece to be treated for speed acceleration of the ions can be applied.

2. The method according to claim 1, characterized in that the to be exploded Wire. and the workpiece to be treated is placed in an evacuable recipient are.

3. The method according to claim 1, characterized in that the power source required for evaporation is controlled by an electronic device so that the power source is applied to the electrodes when the wire intended for evaporation bridges the electrodes. 4. Procedure. according to claim 1, characterized in that the current surge causing the evaporation has a predetermined shape. 5. The method according to claim 1, characterized in that the wire intended for evaporation is periodically advanced again by a pre-lifting device after evaporation of the piece connecting the electrodes so that renewed evaporation can take place. 6. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the wire intended for evaporation is replaced by a liquid thread in such a way that the liquid thread conductively connects the space between the electrodes. ?. Method according to Claims 1 to 4, characterized in that the space filled by the liquid has a cylindrical shape. B. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the space filled by the liquid is essentially spherical in shape. 9. The method according to claim 6, characterized in that there is a flow in the liquid in the direction from one electrode to the other electrode. 10. The method according to claim 6, characterized in that the liquid jet contains turbulent flow. 11. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electrical conductivity of the liquid used is increased by introducing free ions. 12. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electrical conductivity of the liquid used is increased by radiation of electromagnetic energy, in particular by laser radiation. 13. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the electrical conductivity of the chemical compounds is increased by exposure to radioactive radiation. 14. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that a device for carrying out the method is operated periodically by the original state is automatically restored by introducing a new liquid jet after the evaporation of a liquid jet by a current surge. 15. Device for performing the method according to one or more of the preceding claims.