DE2254491C3

DE2254491C3 - Verfahren zum Beschichten von Oberflächen an Werkstücken durch Aufspritzen von im Lichtbogen aufgeschmolzenen Schichtstoffen, sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2254491C3
Application number: DE2254491A
Authority: DE
Inventors: Richard 8000 Muenchen Lauterbach
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-11-07
Filing date: 1972-11-07
Publication date: 1975-04-17
Also published as: DE2254491B2; GB1448116A; IT999101B; FR2205830A5; DE2254491A1; SE384636B; US3900639A; NL7314616A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen an Werkstücken durch Aufspritzen und Aufschmelzen des Werkstoffes in einem Lichtbogen, bei dem man während des Aufspritzens des Werkstoffes in den Spriustrahl ein Quergasstrom bläst, sowie auf eine Anordnung zur Durchführung der. Verfahrens.

Bei allen Verfahren zum Spritzen von Werkstoffen, z. B. beim autogenen Drahtspritzen (Schoopen), dein autogenen Puiverspritzen, dem Lichtbogen^pritzen, insbesondere beim Plasmaspritzen und Detonationsspritzen ist die Expositionszeit, d. h. jene Zeit, die zur Beschichtung eines Werkstückes aufzuwenden ist, sehr kurz; sie beträgt beispielsweise 1,5 see. Beim Plasmaspritzen werden die Spritzpartikeln im nahen Bereich der Spritzdüse und während ihres Fluges zum Werkstück innerhalb einer Zeit von 200 μβεο aufgeschmolzen und auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Dabei entsteht innerhalb der einzelnen Spritzpartikeln ein Temperaturgefälle, wobei der negative Temperaturgradient von der Oberfläche zum Kern des Spritzpartikel gerichtet ist. Damit die Teilchen beim Auftreffen auf das Werkstück eine homogene Schicht bilden, ist zumindest ein teigiger Zustand der Spritzpartikeln erforderlich; die Temperatur des Kerns des einzelnen Spritzpartikel so¹·! daher annähernd der Schmelztemperatur entsprechen. Unter Berücksichtigung der relativ kurzen, für die Erhitzung zur Verfügung stehenden Zeit, ist die Oberfläche der Teilchen bis weit über den Schmelzpunkt hinaus erhitzt. Ein Teil des Spritzwerkstoffes verdampft daher. Die Spritzpartikeln haben zumeist eine unterschiedliche Größe; dies hat zur Folge, daß sich die kleineren Teilchen schneller erwärmen, denn die Oberfläche nimmt quadratisch, die Masse mit der dritten Potenz der Größe ab. Kleinere Teilchen verdampfen stärker und werden dabei noch kleiner. Je nach dem angewandten Spritzverfahren und den Betriebsdaten ist die überhitzte Oberfläche der Spritzpartikeln außerdem einem unterschiedlich starken chemischen Angriff ausgesetzt. Bei den hohen Spritztemperaturen sind viele der so entstehenden chemischen Verbindungen flüchtig; sie dampfen vom

ίο Spritzpartikel ab. Viele Spritzwerkstoffe zerfallen unter der Temperatureinwirkung teilweise oder ganz in unterschiedlich große Bestandteile. Beim Spritzen von Mischungen aus verschiedenen Werkstoffen dampfen die Werkstoffe mit den niedrigeren Siede-

punkten stärker ab. Der Werkstoff mit dem niedrigsten Schmelzpunkt in einer Mischung wird meist überhitzt und einem verstärkten chemsichen Angriff ausgesetzt. Deshalb ist es üblich, den Anteil besonders gefährdeter Bestandteile bei Werkstoffmischun-

ao gen um den zu erwartenden Verlust höher zu bemessen. Alle diese abgespaltenen oder abgedampften Bestandteile sind kleiner und leichter als die Spritzpartikeln und oft als sogenannter »Rauch« deutlich sichtbar. Es ist anzunehmen, daß dieser Rauch zum größ-

»5 ten Teil aus Zerfallprodukten oder anderen chemischen Verbindungen besteht. Diese im weiteren mit dem Wort »Zerfallprodukt« bezeichneten Bestandteile weiden mit dem Spritzstrahl mitgeführt und gelangen auf die Oberfläche des Werkstückes. Die

Schichtfläche des Werkstückes wird somit verunreinigt. Im Schliffbild eines derartig beschichteten Werkstückes zeigen sich Einschlüsse; diese Einschlüsse führen zu einem porösen Schichiaufbau. Die Festigkeit der so aufgetragenen Schicht wird durch

einen porösen Aufbau nachteilig beeinflußt. Zur Vermeidung oder Einschränkung dieser Nachteile is! es bekannt, beim Plasmaspritzen in einer Argonkammer zu arbeiten. Indessen läßt sich auch dort nicht vermeiden, daß überhitzte Teilchen auf die Werkstückoberfläche gelangen. Ferner ist das Ein- und Ausschleusen der Werkstücke in die und aus der Kammer arbeits- und zeitaufwendig.

An sich ist es bekannt, einen Werkstoff mittels eines Plasmawerkstoffstrahles auf ein Werkstück aufzubringen und dabei quer oder nahezu quer zum Plasmastrahl einen Schutzgasstrom in den Bereich des Spritzstrahles zu blasen. Die Plasmadüse ist hier relativ nahe über dem Werkstück angeordnet und von einem Mantel umgeben; das eingeführte Gas strömt in diese durch den Mantel gebildete Kammer. Diese Kammer mündet nahe über die zu beschichtende Oberfläche des Werkstückes; das Gas tritt durch den zwischen Kammer und dem Werkstück gelegenen Spalt aus und verhindert so das Eintreten von Luft in den Kammerraum bzw. ein Herantreten von Luft an die Auftragsstelle. Bei dieser Vorrichtung kommt der Plasma- bzw. Werkstoffstrahl nicht mit der sauerstoffhaltigen Atmosphäre in Verbindung. Indessen verdampfen auch hier die leichteren bzw. eine geringere Masse besitzenden Werkstoffteilchen, die jedoch in der Kammer umherwirbeln und zumindest teilweise mit dem Werkstoffstrahl auf das Werkstück gelangen.

Zum Aufspritzen von Farben auf Gegenstände ist es bekannt, eine Spritzpistole mit einer Luft-Zusatzdüse zu verwenden. Letztere Düse dient dazu, den aus der Farbdüse der Spritzpistole austretenden Farbstrom in eine gewünschte Richtung abzulenken.

So ist es möglich, den Farbstrom an schwer zugängigen Ausbuchtungen u.dgl. am Werkstück heranzubringen. Das sich beim Beschichten eines; Werkstükkes mit im Lichtbogen aufgeschmolzenen Werkstoffen ergebende Problem tritt hier nicht auf.

Fernerhin ist es bekannt, beim Beschichten von Papier, Pappe oder anderen Geweben mittels eines Kunststoffes oder eines Metallpulvers, das Beschichtungsmaterial in einer Flamme oder in einem warmen Luftstrom aufzuschmelzen und auf die zu beschichtende Oberfläche des Trägerstoffes aufzusprühen. Die zu beschichtende Oberfläche wird hiei durch einen auf den Beschichtungsort gerichteten Luftstrom gekühlt. Die bei diesem Verfahren zur Anwendung kommenden Temperaturen sind vergleichsweise gering gegenüber einer in einem elektrischen Lichtbogen auftretenden Temperatur, so daß Zerfallprodukte kaum auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verfahren zum Beschichten von Oberflächen an Werkstücken durch Aufspritzen und Aufschmelzen des Werkstoffes in einem Lichtbogen zu schaffen, bei dem man während des Aufspritzens des Werkstoffes in den Spritzstrahl einen Quergasstrom bläst, bei dem jedoch die sich während des Aufschmelzen des Werkstoffes und/oder sich in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre bildenden Zerfallprodukle aus dem heißen Spritzstrahl entfernt werden sollen. Diese Aufgabe wird gemäß dem erfinderischen Verfahren dadurch gelöst, daß man beim Aufspritzen des Werkstoffes in einer Normalatmosphäre die sich im Spritzstrahl bildenden Zerfallprodukte mittels eines Quergasstromes ausbläst.

Der Quergasstrom wird mit hoher Geschwindigkeit in den Spritzstrahl geblasen, derart, daß dieser vom Ouergasstroin geschnitten wird.

Bedingt dadurch, daß im Spritzstrahl die Teilchengrößen bzw. Massen der Oxyde, der Dämpfe und der sonstigen Zerfallprodukte kleiner sind als die schweren Spritzpartikeln, werden vornehmlich die ersteren durch den Quergasstrom aus ihrer Bahn gelenkt, während die letzteren nur eine geringe Ablenkung erfahren und daher das Werkstück treffen.

Nach einem zusätzlichen Merkmal des Verfahrens werden die mittels des Quergasstromes aus der Spritzrichtung abgelenkten Werkstoffteilchen im Spritzstrahl an einer vor dem Werkstück angeordneten Blendenwand aufgefangen. Der optimale Winkel, unter dem der Quergasstrom den Spritzstrahl treffen soll, ist von der Geschwindigkeit der Spritzpartikeln im Spritzstrahl sowie von der Art des Werkstoffes abhängig; er kann empirisch ermittelt werde. Hierbei ist es dienlich und vorteilhaft, für den Quergasstrom das gleiche Gas bzw. Gasgemisch zu verwenden, wie für das Plasmagas benutzt wird. Hierzu bieten sich insbesondere neben den Edelgasen, wie z. B. Argon, auch Stickstoff mit und ohne Zumischung von Wasserstoff an. Beim Spritzen von Werkstoffen, die eine oxydierende Atmosphäre gestatten, wie Metalloxidschichten, kann auch Luft benutzt werden.

Der besondere Vorteil des erfinderischen Verfahrens, z. B. gegenüber dem Plasmaspritzen in einer Argonkammer — bei dem das Edelgas das Entstehen und Einbetten von Oxiden im Werkstoffstrom weitgehendst unterbindet — besteht darin, daß der Werkstoffstrom sauber gehalten wird, d. h., daß nicht nur die Oxide, sondern auch die leichten Zerfallprodukte aus dem Werkstoffstrom ausgeblasen werden.

Auch ist das erfinderische Verfahren weniger aufwendig und insbesondere für die Massenproduktion gut geeignet; es bringt auch bei solchen Spritzwerkstoffen Verbesserung, bei denen alle bekannten Verfahren zur Vermeidung der Einlagerung von Dämpfen und Oxiden in die aufzubauende Schicht bisher wirkungslos blieben.

Die Anordnung zur Ausübung des Verfahrens besteht gemäß der Erfindung darin, daß auf der einen

ίο Seite des Spritzstrahles die Querstromdüse und mindestens auf seiner anderen Seite eine Auffangplatte oder Blende angeordnet ist, wobei letztere in Spritzrichtung vor dem Werkstück und hinter der Düse gelegen ist. Diese Querstromdüse ist im nahen Bereich

des Werkstückes angeordnet, indessen so weit entfernt, daß die durch den Quergasstrom aus dem Spritzstrahl ausgeblasenen Teilchen das Werkstück nicht mehr treffen und an die Auffangplatte oder eine Blende gelangen. Die Auffangplatte dient dazu,

so die aus dem Werkstoffstrom ausgeblasenen Teilchen aufzufangen. Benachbart von der Querstromdüse ist eine auf das Werkstück gerichtete Kühlstromdüse angeordnet; sie dient , wie an sich bekannt, das durch den heißen Spritzstrahl erwärmte Werkstück mit Kühlgas zu umspülen.

Der Quergasstrom ist durch die variablen Parameter, nämlich seine Geschwindigkeit, seinen Anstellwinkel und seine Streubreite, gut einstellbar und regelbar. Auch der Abstand des Werkstückes und der Auffangplatte vom Quergasstrom sowie die Form der Auffangplatte und deren Anordnung sind in weiten Grenzen gut auf die Erfordernisse der jeweiligen verwendeten Werkstoffpaarung abstimmbar. Selbst bei nur geringen Unterschieden in des Masse eines Werkstoffgemisches kann noch eine exakte Trennung

erzielt werden, wenn man unter Verzicht auf einen hohen Ablagerungsgrad die Strahlbreite einschränkt.

An Hand der Zeichnungen wird das erfinderische

Verfahren näher erläutert, wobei die einzelnen Figuren verschiedene, zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anordnungen darstellen.

F i g. 1 zeigt eine Anordnung, bei der das mit einer Schicht 1 zu belegende Werkstück 2 unmittelbar von einem Spritzstrahl 3 beaufschlagt wird. Die Spritzpartikel werden mit hoher, im Überschallbereich gelegener Geschwindigkeit aus einer Spritzpistole 4, z. B. einer Plasmaspritzanlage 4', ausgestoßen. Der Spritzstrahl 3 ist gegenüber der Waagerechten um einen Winkel α geneigt. Außerhalb des Bereiches des

Spritzstrahles 3 sowie zwischen dem Werkstück 2 und der Spritzpistole 4 ist eine Düse 5, nämlich die Quer-Mromdüse, angeordnet, die den Quergasstrom 6 liefert. Der Quergasstrom schneidet den Spritzstrahl 3. Der Quergasstrom bewirkt ein Ausblasen der leichteren Teilchen aus der Bahn des Spritzstrahles; sie gelangen dabei, wie durch die gestrichelten Linien 7 angedeutet, außerhalb des Bereiches des zu beschichtenden Werkstückes 2. Auch die Spritzpartikeln ausreichender Größe werden geringfügig abgelenkt. Bedingt dadurch, daß der Spritzstrahl um den Winkel a gegenüber der Waagerechten gerichtet ist, verläuft die Flugbahn der Spritzpartikeln nach dem Zusammenprall mit dem Quergasstrom 6 nahezu waagerecht; die Spritzpartikeln treffen das Werkstück senkrecht. Der Abstand des Werkstückes 2 von der Spritzpistole 4 beträgt z. B. fünfzehn Zentimeter, wobei die Geschwindigkeit des Werkstoffstromes im Bereich von 450 m/sec gelegen ist. Die Geschwindig-

keit des Quergasstromes beträgt ζ. B. 200 bis 450 m/ sec; sie wird in Abhängigkeit von der Art des Werkstoffes eingestellt.

Eine andere Anordnung zeigt F i g. 2. Entsprechend dem vorherigen Beispiel wird der Spritzstrahl 3 von einem Quergasstrom 6 mit hoher Geschwindigkeit geschnitten und abgelenkt.

Die aus dem Spritzstrahl abgelenkten Teilchen kleinerer Masse 7 werden hier durch eine Blende 10 aufgefangen. Diese Blende hält die Zerfallprodukte sowie gegebenenfalls Oxide von der sich aufbauenden Schicht fern. Ein Kühlgasstrom 9 schützt das Werkstück 1, 2 vor einer zu starken Erwärmung. Das Kriterium für eine saubere Trennung der Werkstoffpartikel einerseits und der Zerfallprodukte andererseits ist durch die Differenz der Ablenkung Y gegeben. Dieser Wert muß größer sein als die Breite des Partikelstrahles 3 im nahen Bereich des Werkstückes. Eine größere Geschwindigkeit des Quergasstromes 6 ergibt bei vergrößertem Ablenkungswinkel auch einen größeren Ablenkungswert Y. Die Strömungsgeschwindigkeit des Ablenkungsstromes kann im Unterschallbereich durch den Gasdruck allein, im Überschallbereich zusammen mit einer Lavaldüse 6' eingestellt werden. Vergrößert man den waagerechten Abstand X von der Düsenmitte der Lavaldüse 6', so wächst auch der Wert Y. Dieser Wert wächst sodann schneller als die Breite des Partikelstrahles 3. Der Abstand .Y kann indessen nicht beliebig vergrößert werden. Beim Durcheilen der restlichen Flugstrekke X' kühlen sich die Spritzpartikdn ab, wobei außerdem die Gefahr einer erneuten Oxydation gegeben ist. Es bestehen verschiedene Möglichkeiten, mittels des Quergasstromes und der Blende 10 die Auslenkung der Zerfallprodukte aus dem Werkstoffstrom zu regeln. Sowohl die Gasgeschwindigkeit des Quergasstromes, sein Anstellwinkel α gegenüber der Waagerechten 8 wie auch die Streubreite können einstellbar gehalten sein.

F i g. 3 zeigt eine der F i g. 2 ähnliche Anordnung. Hier ist vor dem Werkstück 2 eine Lochblende iö' angeordnet. Diese Lochblende dient gleichzeitig als Auffangblende für die mittels des Quergasstromes 6 aus dem Spritzstrahl 3 abgelenkten Zerfallprodukte. Eine derartige Anordnung ist besonders zum Spritzen von vorgegebenen Konturen geeignet. Hierbei ist es indessen eine Voraussetzung, daß die Breite Z der Spritzschicht kleiner als die Streubreite 5 des Werkstoffstrahlers ist. Auch muß die Verteilung der Spritzpartikeln hinreichend gleichmäßig sein. Wird die Spritzpistole 4 bei feststehendem Werkstück hin- und

ίο herbewegt oder oszilliert das Werkstück 2, so erfolgt der Auftrag zellenförmig. Die Lochblende 10' kann auch auf das Werkstück aufgelegt sein. In diesem Falle entspricht die Kontur der Beschichtung 1, der Form der Durchbrüche in der Lochblende 10'. Zur Beschichtung von Konturen auf größeren Flächen ist es vorteilhaft, an Stelle der Lochblende 10' eine Konturenschablone 10' zu verwenden und die Lochblende — nicht dargestellt — der Konturenschablone vorzulagern. Auch kann die Konturenschablone 10' mit dem Werkstück 2 und die Lochblende mit dem Düsenkopf verbunden sein. Oszilliert die Lochblende, so erfolgt der Auftrag in Streifen. Ein derartiges Verfahren ist empfehlenswert zum Beschichten von größeren Flächen.

Fig.4 zeigt eine Anordnung zum Beschichten runder Werkstücke. Das runde Werkstück ist z. B. ein Zylinder 2', der mit einer Werkstoffschicht 1 zu belegen ist. Hier ist es vorteilhaft, den Quergasstrom mit einem geringen Anstellwinkel b gegen den Spritzstrahl 3 zu richten. Durch den geringen Anstellwinkel wird bei kleineren Gasgeschwindigkeiten des Quergasstromes eine verhältnismäßig größere Ablenkung? der Zerfallprodukte aus dem Spritzstrahl bewerkstelligt. Der Quergasstrom dient hier auch als Kühlgas für das Werkstück. Durch die Breite des Quergasstromes C erreicht man eine mehr oder weniger schnelle Kühlung der aufgetragenen Spritzschicht. Wünscht man eine intensive Kühlung der Spritzschicht, so kann dies durch eine Drehung der Düse 6 in Richtung des Pfeiles d, gegebenenfalls unter Erhöhung des Gasdruckes in der Düsenleitung 5' bewerkstelligt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Beschichten von Oberflächen an Werkstücken durch Aufspritzen und Aufschmelzen des Werkstoffes in einem Lichtbogen, bei dem man während des Aufspritzens des Werkstoffes in den Spritzstrahl einen Quergasstrom bläst, dadurch gekennzeichnet, daß man beim Aufspritzen in einer Normalatmosphäre die sich im Spritzstrahl bildenden Zerfallprodukte mittels des Quergasstromes ausbläst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den aus der Beschichtungsrichtung abgelenkten Teil des Spritzstrahles (7) an einer vor dem Werkstück (2) angeordneten Blendenwand (10,10') auffängt.

3. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite des Spritzstrahles (3) die Querstromdüse (6') und mindestens auf seiner anderen Seite eine Auffangplatte oder Blende (10 oder 10') angeordnet ist, wobei letztere in Spritzrichtung vor dem Werkstück (2) und hinter der Düse (6) gelegen ist.