DE1291968B - Method and device for applying an in particular metallic coating to an object made of metal - Google Patents
Method and device for applying an in particular metallic coating to an object made of metalInfo
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Description
Um Weitschweifigkeiten zu vermeiden, wird im folgenden der Ausdruck »Träger« so verwendet, daß irgendeine Länge eines Metalls in Form eines Drahtes, einer Stange, eines Rohres, Bandes od. dgl. mit unterschiedlichen Querschnitten hierunter verßend wird dann das betreffende Uberzugsmetall 15 standen wird, obwohl im folgenden als Ausführungsaufgegossen, das zwecks Bildung eines Diffusions- beispiel lediglich von einem Draht gesprochen wird. Vorganges auf das Metallband einwirkt (deutsche Bei einer elektrischen Hochfrequenzheizung oderIn order to avoid ambiguity, the term »carrier« is used in the following that any length of metal in the form of a wire, rod, tube, band or the like. With different cross-sections below this, the relevant coating metal 15 will then be standing, although in the following it will be poured on as an execution, which is simply referred to as a wire for the purpose of forming a diffusion example. Process acts on the metal strip (German With an electrical high-frequency heating or
Patentschrift 744 159). Erwärmung ist der die Wärme in dem zu heizendenPatent 744 159). Warming is that of the warmth in the one to be heated
Bei dem bekannten Schmelztauchverfahren wird Körper erzeugende Strom an der äußeren Haut des der Metallkern auf eine Temperatur gebracht, welche 20 Körpers konzentriert. Die Stärke der Haut, in der unter der Temperatur der Schmelze liegt, wodurch zu der Strom konzentriert ist, wird durch die folgendeIn the known hot-dip process, electricity is generated on the outer skin of the body the metal core is brought to a temperature that concentrates 20 bodies. The strength of the skin in which is below the temperature of the melt, as a result of which the stream is concentrated, is due to the following
Beginn des Eintauchens eine starke Uberzugsschicht sich bildet, welche jedoch teilweise bei fortschreitender • Erhitzung des Metallkerns durch die Schmelze wieder in flüssigen Zustand übergeht. Das Aufbringen der Metallschicht wird dabei dadurch verbessert, daß der getauchte Körper induktiv beheizt wird (deutsche Patentschrift 896 889).At the beginning of the immersion, a thick coating layer forms, which, however, partially as the immersion progresses • Heating of the metal core by the melt returns to the liquid state. Applying the The metal layer is improved by inductively heating the immersed body (German Patent specification 896 889).
Bekannt ist ferner ein Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen von Drähten, Bändern od. dgl., bei dem der verhältnismäßig kalte Kern vor Eintritt in das flüssige, den überzug bildende Metall eine Vakuumzone durchläuft (deutsche Auslegeschrift 1 157 743).Also known is a method for the continuous production of wires, strips or the like. in which the relatively cold core before entering the liquid metal forming the coating Passes through the vacuum zone (German Auslegeschrift 1 157 743).
Bei all diesen Verfahren tritt der Nachteil auf, daß der ursprünglich auf den Kern aufgebrachte überzug wieder zum Teil abschmelzen kann und so nur ein verhältnismäßig dünner überzug entsteht.All of these methods have the disadvantage that the coating originally applied to the core can partially melt again and so only a relatively thin coating is created.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, dieThe invention is based on the object
Gleichung definiert:
S = Equation defined:
S =
ΙΟ"9 (//,/) "
Hier istΙΟ " 9 (//, /)"
Here is
ρ = spezifischer elektrischer Widerstand (Ohm-Zentimeter) des Materials,ρ = specific electrical resistance (ohm-centimeter) of the material,
j(r = relative magnetische Permeabilität (—EJec
/ = Frequenz der elektrischen Stromquelle (Hz), j ( r = relative magnetic permeability (-EJ ec
/ = Frequency of the electrical power source (Hz),
S = Hauttiefe, in der ungefähr 90% des Stromes fließt (cm).S = skin depth where about 90% of the current flows (cm).
Bei der Verwendung eines Kohlenstoffstahlkernes, in dem ρ ungefähr 10"5 Ohm-Zentimeter und // unWhen using a carbon steel core where ρ is approximately 10 " 5 ohm-centimeters and // un
gefährdanger
ist' wird der Strom bei Ver" is ' is the current at Ver "
von ungefähr 10 μ konzentriert, wenn ein Draht von 3,175 mm Durchmesser behandelt wird.of about 10 µ when treating a 3.175 mm diameter wire.
In der Zeichnung ist mit 1 ein sich ständig nach oben bewegender, eine hohe Zugfestigkeit aufweisender Draht aus Stahl von 3,175 mm Durchmesser bezeichnet, der mit Aluminium überzogen werden soll. Eine günstige Aufwärtsgeschwindigkeit ist bei-In the drawing, 1 is a constantly moving upward, having a high tensile strength Steel wire with a diameter of 3.175 mm, which is coated with aluminum target. A favorable upward speed is both
Benetzung der Oberfläche des zu überziehenden 40
Gegenstandes durch geeignete Temperatursteuerung Wendung einer mäßig hohen Frequenz, beispielsso
zu verbessern, daß ein verhältnismäßig dicker weise 500 kHz, innerhalb einer äußeren Hauttiefe
überzug gebildet werden kann. Diese Aufgabe wird
bei dem eingangs erwähnten Verfahren gemäß der
Erfindung dadurch gelöst, daß die Oberfläche des 45
Gegenstandes auf eine über der Temperatur der
Schmelze liegende Temperatur vorerwärmt und der
Gegenstand zumindest so lange in der Schmelze
belassen wird, bis infolge der Verteilung der Oberflächenwärme im kälteren Innern des Gegenstandes 5° spielsweise 30,5 m pro Minute. Um den Draht zu
die Oberflächentemperatur unter die Temperatur bewegen, sind übliche und bekannte Vorrichtungen
der Schmelze abgesunken ist, wobei zur Erwärmung verwendet, die durch den Pfeil 2 angedeutet sind,
des Gegenstandes Hochfrequenzenergie dient, welche Das Aluminium ist als Schmelze 3 in einem Tiegel 5,
dem Gegenstand unmittelbar vor Eintritt in -die durch den der Draht sich nach oben bewegt. Der
Schmelze an zwei im Abstand angeordneten Punkten 55 Draht tritt mit einem Gleitsitz durch eine Öffnung 4
zugeführt wird. ein. Die Bewegung des Drahtes durch das AluminiumWetting of the surface of the 40 to be coated
The object can be improved by suitable temperature control turning a moderately high frequency, for example so that a relatively thick coating, such as 500 kHz, can be formed within an outer skin depth. This task will
in the above-mentioned method according to
Invention achieved in that the surface of the 45
Object to a temperature above the
Melt lying temperature preheated and the
Object at least that long in the melt
is left until due to the distribution of surface heat in the colder interior of the object 5 ° for example 30.5 m per minute. In order to move the wire to the surface temperature below the temperature, common and known devices of the melt has fallen, whereby for heating, indicated by the arrow 2, the object is used high-frequency energy, which the aluminum is as melt 3 in a crucible 5 , the object just before entering - through which the wire moves upwards. The melt at two spaced points 55 wire enters with a sliding fit through an opening 4 is fed. a. The movement of the wire through the aluminum
Der Vorgang ist dabei wie folgt: Beim Eintauchen hindurch bildet bei 6 einen Meniskus. Dadurch wird ein des Gegenstandes bildet sich anfänglich keine über- Abwärtsleckfluß der Schmelze verhindert. Am Tiegel 5 zugsschicht infolge der höheren Oberflächentempe- ist unterhalb der Öffnung 4 eine Vorwärmretorte 7 ratur des Gegenstandes. Diese nimmt jedoch ab, da 60 angeordnet, durch die der Draht 1 vor dem Eintreten sowohl an die Schmelze als auch an das Innere des in den Tiegel hindurchläuft. Er tritt mit Gleitsitz Gegenstandes Wärmeenergie abgegeben wird. Infolge durch eine mit der Öffnung 4 fluchtende Öffnung 17 der Erwärmung des Innern des Gegenstandes durch in die Vorwärmretorte 7 ein. Die Vorwärmretorte 7 seine Oberfläche gelangt die Oberflächentemperatur hat einen Gaseinlaß 8 und einen Gasauslaß 10, so unter die Temperatur der Schmelze, so daß sich jetzt 65 daß nun eine geeignete reduzierende bzw. inerte erst die Uberzugsschicht bildet, also zu einem Zeit- Atmosphäre umgewälzt werden kann, beispielsweise punkt, kurz bevor der Gegenstand die Schmelze Helium (inert), Wasserstoff (reduzierend), gekracktes verläßt. Der überzug bildet sich also ohne Temperatur- Ammoniumgas (reduzierend) od. dgl.The process is as follows: When immersed through it, a meniscus forms at 6. This prevents the object from initially forming over-downward leakage of the melt. At the crucible 5 Zugsschicht due to the higher surface temperature is below the opening 4 is a preheating retort 7 temperature of the object. However, this decreases because 60 is arranged through which the wire 1 passes before entering both the melt and the interior of the crucible. He enters with a sliding fit the object is given off heat energy. As a result of an opening 17 in alignment with the opening 4, the interior of the object is heated through into the preheating retort 7. The preheating retort 7 reaches its surface, the surface temperature has a gas inlet 8 and a gas outlet 10, so below the temperature of the melt, so that now 6 5 that now a suitable reducing or inert only forms the coating layer, so circulated to a time atmosphere can be, for example, point just before the object leaves the melt helium (inert), hydrogen (reducing), cracked. The coating is formed without temperature ammonium gas (reducing) or the like.
Da die öffnung 4 nicht gasdicht ist, kann ein Teil der Atmosphäre den Raum unterhalb des Meniskus 6 erreichen. Mit 9 ist eine Wechselstrom-Hochfrequenzquelle von beispielsweise 500 kHz bezeichnet. Der Hochfrequenzstrom wird dem Draht 1 an Punkten A und B innerhalb der Vorwärmretorte 7 über eine Leitung 11 und im Abstand voneinander angeordnete Bürsten 13 zugeführt. Der Abstand / zwischen den Punkten A und B kann in der Praxis beispielsweise 7,62 cm sein. Der durch die Lage der oberen Bürste 13 festgelegte Punkt A sollte so nahe wie möglich bei der Einlaßöffnung 4 sein. Der entlang dem Draht 1 zwischen den Bürsten 13 fließende Hochfrequenzstrom befindet sich in der Außenhaut des Drahtes. Wenn die zugeführte Leistung beispielsweise 8 kW beträgt, so kann die gewünschte Hauttemperatur, beispielsweise 676 bis 7600C, erreicht werden. Diese liegt über dem Schmelzpunkt des Aluminiums in der Schmelze 3, der etwa 660° C beträgt. Gäbe man dieser Wärmezufuhr in die Haut genügend Zeit, um sich durch das ganze Volumen des Drahtes zwischen den Punkten A und B auszubreiten, so würde die Erwärmung des Drahtes nur auf eine Temperatur von der Größenordnung von 482° C erfolgen. Es werden also die Frequenz und Leistung der Stromquelle 9 zusammen mit der Geschwindigkeit des Drahtes 1 eines bestimmten Durchmessers und Materials wie folgt gewählt:Since the opening 4 is not gas-tight, part of the atmosphere can reach the space below the meniscus 6. With 9 an alternating current high frequency source of for example 500 kHz is referred to. The high-frequency current is fed to the wire 1 at points A and B within the preheating retort 7 via a line 11 and brushes 13 arranged at a distance from one another. The distance / between points A and B can in practice be, for example, 7.62 cm. The point A defined by the position of the upper brush 13 should be as close to the inlet opening 4 as possible. The high-frequency current flowing along the wire 1 between the brushes 13 is located in the outer skin of the wire. If the power supplied is 8 kW, for example, the desired skin temperature, for example 676 to 760 ° C., can be achieved. This is above the melting point of the aluminum in the melt 3, which is around 660 ° C. If this supply of heat to the skin were given enough time to spread through the entire volume of the wire between points A and B , the wire would only be heated to a temperature of the order of magnitude of 482 ° C. The frequency and power of the power source 9 together with the speed of the wire 1 of a certain diameter and material are selected as follows:
Erstens soll die Hauttemperatur (676 bis 760 C) des Drahtes beim Eintritt· in die Schmelze 3 so hoch sein, daß eine gute Reinigung der Drahtfläche durch Verdampfen der Verunreinigungen und Reduzierung der Oxyde unter der Wirkung der reduzierenden Atmosphäre der Vorwärmretorte 7 erzielt wird.First, the skin temperature (676 to 760 C) of the wire should be as high as it enters the melt 3 be that good cleaning of the wire surface by evaporating the contaminants and reducing them the oxides is achieved under the action of the reducing atmosphere of the preheating retort 7.
Zweitens soll die Hauttemperatur der Länge / des Drahtes bei seinem Eintritt in die Schmelze 3 erheblich über dem Schmelzpunkt (etwa 660 C) der Aluminiumschmelze liegen.Secondly, the skin temperature of the length / wire when it enters the melt 3 significantly above the melting point (approx. 660 C) of the aluminum melt.
Drittens soll während der Verweilzeit einer gleichen Drahtlänge in der Schmelze sich die Wärme von der Haut her über den ganzen Querschnitt hin verbreiten und die Temperatur (beispielsweise 482" C) unter den Schmelzpunkt der Schmelze senken.Thirdly, the heat from the skin spread forth across the entire cross-section back and (for example, 482 "C) lowering the temperature to below the melting point of the melt during the residence time of a same length of wire in the melt.
Als Ergebnis erfolgt der anfängliche Kontakt der Schmelze mit dem Draht auf einer sehr reinen Oberfläche unter vorzüglichen Benetzungsbedingungen, ehe irgendein Verfestigen oder Erstarren der Schmelze auf dem Draht eintritt. Bei der Aufwärtsbewegung des Drahtes durch die Schmelze verbreitet sich dann die Wärme der Außenhaut des Drahtes in der Masse des Drahtes, wodurch die Drahttemperatur bis zum Erreichen des Ausgangs aus dem oberen Spiegel der Schmelze bis unter die Temperatur der Aluminiumschmelze und unter den Schmelzpunkt des Aluminiums herabgesetzt wird. Dies begünstigt die Verfestigung einer dicken Aluminiumschicht auf dem Draht, ohne daß diese wieder zum Schmelzen kommt. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht daher darin, daß der Draht 1 in reinem Zustand und mit einer Hautlemperatur in die Schmelze eintritt, die über deren Schmelzpunkt liegt, und ferner daß die Temperatur der Masse des Drahtes während eines wesentlichen Zeitraums in der Schmelze unter dem Schmelzpunkt der Schmelze liegt.As a result, the initial contact of the melt with the wire occurs on a very clean surface under excellent wetting conditions before any solidification or solidification of the melt occurs on the wire. As the wire moves upward through the melt, it then spreads the heat of the outer skin of the wire in the mass of the wire, increasing the wire temperature up to Reaching the exit from the upper level of the melt to below the temperature of the aluminum melt and is lowered below the melting point of aluminum. This promotes solidification a thick layer of aluminum on the wire without melting it again. An important The feature of the invention is therefore that the wire 1 is in a pure state and with a skin temperature enters the melt which is above its melting point, and further that the temperature the mass of the wire in the melt for a substantial period of time below the melting point the melt lies.
Aus vorstehendem geht hervor, daß sich zwischen dem Draht und der Schmelze infolge des besseren Bcnetzens der reinen heißen Drahtoberfläche durch die Schmelze ein besserer Verbund erzielen läßt.From the above it can be seen that between the wire and the melt as a result of the better Meshing the pure hot wire surface through the melt can achieve a better bond.
Ein Wiederschmelzen wird auf ein Minimum dadurch herabgesetzt, daß die für das Erstarren erforderliche Senkung der Drahttemperatur so lange verzögert wird, bis der Draht in der Nähe des Auslaßbereiches der Schmelze gelangt. Es lassen sich daher dickere überzüge als bisher bekannt erzielen.Remelting is minimized by the fact that that required for solidification Lowering the wire temperature is delayed until the wire is close to the outlet area the melt arrives. It is therefore possible to achieve thicker coatings than previously known.
Durch die Hauterwärmung des Drahtkernes auf eine hohe Temperatur lediglich in der Vorwärmretorte
7 wird eine Erwärmung des Drahtes auf unerwünscht hohe Temperaturen erheblich vermindert,
wodurch im wesentlichen die Festigkeit entsprechend der ursprünglichen Herstellung erhalten
bleibt.
Die Bedingung, um im wesentlichen die Wärme in einem Hautteil eines Drahtes bis zum Eintauchen
in die Schmelze aufrechtzuerhalten, ist wie folgt:As a result of the skin heating of the wire core to a high temperature only in the preheating retort 7, heating of the wire to undesirably high temperatures is considerably reduced, so that essentially the strength corresponding to the original production is retained.
The condition for essentially maintaining heat in a skin portion of a wire until it is immersed in the melt is as follows:
atat
^ 0,01 .^ 0.01.
Hierin istIn here is
α = thermische Diffusion des Materials (in cnr/sec), r = Radius des Drahtes (in cm), ί = vergangene Zeit (in Sekunden).α = thermal diffusion of the material (in cnr / sec), r = radius of the wire (in cm), ί = elapsed time (in seconds).
Wenn sich der Draht mit einer Geschwindigkeit r zwischen Punkt A (nahe der Einlaßöffnung 4) und dem Erstarrungspunkt der Schmelze bewegt, so ergibt sich der Abstand / zwischen den Punkten A und B (um die Vorwärme in der Haut aufrechtzuerhalten) durch folgende Formel:If the wire moves with a speed r between point A (near the inlet opening 4) and the solidification point of the melt, the distance / between points A and B (in order to maintain the preheating in the skin) is given by the following formula:
0,01 rh 0.01 rh
Hierin bedeutetHerein means
/ = Abstand zwischen den Punkten A und B (in cm),/ = Distance between points A and B (in cm),
r = Radius des Drahtes (in cm), ν = Drahtgeschwindigkeit (in cm pro Sekunde), 11 = thermische Diffusion des Drahtmaterials (in cm2 pro Sekunde).r = radius of the wire (in cm), ν = wire speed (in cm per second), 11 = thermal diffusion of the wire material (in cm 2 per second).
Bei Verwendung der obigen Formeln ergibt sich für einen Stahldraht von 6,35 mm Durchmesser bei einer Geschwindigkeit von 30,5 m pro Minute theoretisch ein Abstand zwischen den Punkten A und B von 7,62 mm, um die Vorwärme der Haut aufrechtzuerhalten. In der Praxis kann jedoch eine gewisse Wärmeableitung von der Oberfläche des Drahtes in seine innere Masse zulässig sein, so daß ein Temperaturgradient gleichmäßiger Steigung im Draht aufrechterhalten wird, bis der Draht in die Aluminiumschmelze 3 eintritt. So wurde festgestellt, daß in dem letztgenannten Beispiel der Abstand / zwischen den Punkten A und B bis auf mehrere Zentimeter (beispielsweise 7,6 cm) vergrößert werden kann, wobei immer noch eine befriedigend hohe Hauttemperatur bei wesentlicher Verbesserung der Reinigung und Benetzung des Stahls bei seinem Eintritt in die Schmelze aufrechterhalten und auch eine genügende Temperaturreduktion und das Erstarrungsvermögen des Drahtes bei seinem vollständigen Eintauchen erzielt wird.Using the above formulas, for a steel wire 6.35 mm in diameter at a speed of 30.5 m per minute, the theoretical distance between points A and B is 7.62 mm in order to maintain the preheating of the skin. In practice, however, a certain amount of heat can be dissipated from the surface of the wire into its inner mass, so that a temperature gradient of uniform gradient is maintained in the wire until the wire enters the aluminum melt 3. It was found that in the last-mentioned example the distance / between points A and B can be increased up to several centimeters (e.g. 7.6 cm), while still maintaining a satisfactorily high skin temperature with a substantial improvement in cleaning and wetting of the steel its entry into the melt is maintained and also a sufficient temperature reduction and the solidification capacity of the wire is achieved when it is completely immersed.
Es versteht sich, daß das Kernmaterial, das vorstehend als Draht, Stange, Rohr od. dgl. beschrieben wurde, auch andere Formen haben könnte, beispielsweise Bandform, wobei die öffnungen, durch welche der Kern im Gleitsitz läuft, entsprechend geändert werden müßten. In den nachstehenden AnsprüchenIt will be understood that the core material described above as a wire, rod, tube or the like could also have other shapes, for example tape shape, the openings through which the core runs in a sliding fit, would have to be changed accordingly. In the claims below
gilt der Ausdruck »Träger« allgemein und soll jede Art von Querschnittsformen umfassen, die das Kernmaterial haben kann.the term "carrier" is general and is intended to encompass any type of cross-sectional shape that the core material may have.
Während vorzugsweise die Hauttemperatur des Trägers bzw. Drahtes 1 den Schmelzpunkt der Schmelze,3 zwecks Verbesserung des Benetzens übersteigt, ergeben sich andere Vorteile, wenn diese Temperatur etwas niedriger als der Schmelzpunkt dieser Schmelze ist. So könnte der vorgenannte Temperaturbereich von 676 bis 7600C für die Hauttemperatur auch zwischen 648 und 815° C liegen.While the skin temperature of the carrier or wire 1 preferably exceeds the melting point of the melt, 3 for the purpose of improving wetting, other advantages result if this temperature is somewhat lower than the melting point of this melt. Thus, the aforementioned temperature range could be from 676 to 760 0 C for the skin temperature and 648-815 ° C.
Der Temperaturbereich der Aluminiumschmelze erstreckt sich von einem genügend über dem Schmelzpunkt des Aluminiums Hegenden Punkt nach oben, um ein unbeabsichtigtes Abkühlen auf 815:C oder darüber, je nach der gewünschten Uberzugsstärke, zu vermeiden.The temperature range of the aluminum melt extends from a point sufficiently above the melting point of the aluminum to avoid inadvertent cooling to 815 : C or above, depending on the coating thickness desired.
Es sei bemerkt, daß die Hauttemperatur auch höher als 760C sein kann, doch wird durch diese zusätzliche Erwärmung kein besonderer Vorteil erzielt.It should be noted that the skin temperature can also be higher than 760C, but this is due to this additional heating achieved no particular advantage.
Claims (7)
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