DE4031489C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Anwendung eines thermischen Spritzverfahrens, wie des Flammspritzverfahrens oder des Plasmaspritzverfahrens, zum Beschichten von Flachglasscheiben.

Die Anwendung des Flammspritzverfahrens und des Plasmaspritzverfahrens zum Beschichten von Silikatglasscheiben mit Metallen, Metalloxiden oder anderen hochschmelzenden keramischen Stoffen ist bekannt ("Plasmaspritzen auf Glas", Z. Silikattechnik 1981, S. 310/311). Für die Beschichtung mit hochschmelzenden Oxiden und anderen hochschmelzenden keramischen Stoffen wird in der Regel das Pulverspritzverfahren bevorzugt, bei dem das zu verspritzende Pulver in den heißen Gasstrahl bzw. in die Flamme eingeblasen und von diesem mitgerissen und aufgeschmolzen wird.

Es ist bekannt, daß bei der Bearbeitung von Glas mit Flammspritzbrennern oder mit Plasmabrennern durch die Wärmeausdehnung an der Glasoberfläche Druckspannungen entstehen. Diese Druckspannungen führen einerseits zu entsprechenden Zugspannungen in den kälter bleibenden Bereichen der Glasscheibe, die zum Zerspringen der Glasscheiben führen können. Andererseits können auch in den erhitzten Bereichen der Glasscheibe Zugspannungen entstehen, wenn die Erwärmung des Glases so stark ist, daß das Glas erweicht, so daß die Druckspannungen durch plastische Verformung des Glases abgebaut werden. In diesem Fall entstehen die Zugspannungen bei der nachfolgenden Abkühlung des Glases.

Um die Entstehung gefährlicher Zugspannungen und damit das Zerspringen der Glasscheiben zu vermeiden, ist es bekannt, die Glasscheiben vor dem Beschichten gleichmäßig bis etwa auf die Erweichungstemperatur des Glases zu erhitzen oder die Glasscheiben zunächst thermisch vorzuspannen und die Beschichtung anschließend bei einer Temperatur der Glasscheiben von 400 bis 200 Grad Celsius vorzunehmen (DE- PS 6 48 584). Eine solche dem Beschichtungsvorgang vorausgehende Erwärmung oder Wärmebehandlung der Glasscheiben stellt einen zusätzlichen Arbeitsschritt dar, der außerdem mit einem erheblichen Energieaufwand verbunden ist.

Aus der AT 3 48 300 ist ein thermisches Spritzverfahren zum Beschichten von Gegenständen aus Metall, Stein und Keramik bekannt, bei dem das zu beschichtende Werkstück in unmittelbarer Nähe der Auftreffstelle des Beschichtungsstrahls mit einem Strahl eines Gemisches von gasförmiger und fester Kohlensäure gekühlt wird. Durch die Kühlung der Werkstückoberfläche soll das Entstehen größerer Unterschiede der Schrumpfspannung in der aufgebrachten Schicht verhindert und damit die Qualität der Schicht und ihre Haftung an der Oberfläche des Werkstücks verbessert werden. Die nach diesem Verfahren zu beschichtenden Materialien weisen im Vergleich zu Glas jedoch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit auf, und zwar Metalle wegen ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und ihrer plastischen und elastischen Verformbarkeit, und Steine und Keramiken wegen ihres niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und ihrer Porosität. Aufgrund dieser günstigen Eigenschaft führt die Anwendung einer starken Kühlung in der Nähe des Beschichtungsstrahls bei diesen Materialien nicht zu solchen Wärmespannungen, die eine Zerstörung der Werkstücke zur Folge haben könnten.

Aus der DE 36 34 153 A1 ist es darüber hinaus bekannt, bei der Kühlung der Werkstückoberfläche mit einem Kohlendioxid enthaltenden Kühlstrahl während der thermischen Beschichtung dem Kohlendioxid ein weiteres Medium mit einer kleineren Molmasse als Kohlendioxid beizumischen, um die Kühlwirkung des Kühlmediums zu steigern. Durch die derart verstärkte Kühlwirkung soll eine besonders gute Haftung der aufgebrachten Schichten an den Werkstücken erreicht und eine Rißbildung in den Schichten ausgeschlossen werden. Dieses Verfahren soll sich auch für die Beschichtung von Werkstücken aus Glas eignen. Die Anwendung dieses Verfahrens ist jedoch allenfalls für solche Glaszusammensetzungen denkbar, bei denen sich aufgrund eines sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten nur sehr geringe Wärmespannungen im Werkstück ausbilden.

Es ist auch bereits bekannt, bei Flammspritzdüsen durch mit Druckluft beaufschlagte Kanäle in der Spritzdüse um den Spritzstrahl herum einen Druckluftmantel zu erzeugen (Fachbroschüre Oberflächentechnik 3/86, S. 57-59).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit der thermischen Spritzverfahren beim Beschichten von Flachglasscheiben aus Floatglas, das einen verhältnismäßig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und daher empfindlich gegen Wärmespannungen ist, zu verbessern, ohne daß beim Beschichtungsvorgang gefährliche Zugspannungen entstehen, die zum Zerspringen der Glasscheibe führen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die Anwendung eines thermischen Spritzverfahrens, wie des Flammspritzverfahrens oder des Plasmaspritzverfahrens, bei gleichzeitiger Kühlung des von dem heißen Gasstrahl beaufschlagten Oberflächenbereichs durch Kühlgasströme zum Beschichten von Flachglasscheiben aus Floatglas mit Metallen, Metalloxiden oder hochschmelzenden keramischen Materialien.

Grundsätzlich ist es möglich, die Glasscheibe während des Beschichtungsvorgangs auf derjenigen Oberfläche intensiv zu kühlen, die der zu beschichtenden Oberfläche gegenüberliegt. Vorzugsweise wird jedoch die zu beschichtende Oberfläche selbst gekühlt, indem in unmittelbarer Nähe des heißen, mit dem Beschichtungsmaterial beladenen Gasstrahls ein oder mehrere intensive Kühlgasströme auf die Glasoberfläche gerichtet werden.

Für die Bindungsfestigkeit des Spritzgutes auf der Glasoberfläche spielen bekanntlich sowohl physikalische Vorgänge, wie das oberflächliche mechanische Ineinandergreifen des Glases und des Spritzgutmaterials, als auch chemische Reaktionen an der Grenzfläche eine entscheidende Rolle. Sowohl die mechanische Verankerung als auch die chemischen Reaktionen an den Grenzflächen werden durch hohe Temperaturen erheblich begünstigt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Kühlung der Glasoberfläche in unmittelbarer Nachbarschaft des von dem Flammen- bzw. Gasstrahl beaufschlagten Oberflächenbereichs die unmittelbare Erwärmung der obersten Schichten der Glasscheibe durch den Flammen- bzw. Gasstrahl nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Trotz der intensiven Kühlung durch den Flammen- bzw. Gasstrahl reicht vielmehr die oberflächliche Erwärmung des Glases für eine gute Bindungsfestigkeit des Spritzgutes aus. Zu diesem vorteilhaften Effekt trägt maßgeblich die geringe Wärmeleitfähigkeit des Glases bei, wodurch in dem durch den Flammen- bzw. Gasstrahl erhitzten Bereich unmittelbar an der Glasoberfläche kurzzeitig ein erheblicher Wärmestau entsteht, der für eine ausreichende Erwärmung der obersten Glasschichten bis oberhalb der Erweichungstemperatur des Glases sorgt. Diese auf die obersten Glasschichten beschränkte Erwärmung vermindert jedoch ihrerseits offensichtlich nicht den durch die gleichzeitige Kühlung erzielten Effekt, so daß überraschenderweise sowohl durch die Kühlung eine Verhinderung schädlicher Spannungen als auch trotz der Kühlung gleichzeitig eine gute Bindung des Spritzgutes erreicht wird.

Die Erfindung geht außerdem von der Erkenntnis aus, daß es bei der Beschichtung von Glasscheiben im wesentlichen die sogenannten Membranspannungen sind, also die in Richtung der Scheibenebene wirkenden Zugspannungen, die letztlich zum Zerspringen der Glasscheiben führen. Diese Zugspannungen, die die Zugfestigkeit des Glases weit übersteigen können, entstehen in der Regel, wie eingangs bereits erwähnt, während der Beschichtung in den unbeschichteten Bereichen und sind in ihrer Größe stark von der Geometrie der beschichteten und der unbeschichteten Bereiche abhängig. Durch die erfindungsgemäße Anwendung des Spritzverfahrens bei gleichzeitiger Kühlung der Glasoberfläche werden diese gefährlichen Zugspannungen in den nicht beschichteten Bereichen dadurch vermieden, daß die Entstehung der in der Fläche wirkenden durch die Wärmeausdehnung hervorgerufenen Druckspannungen vermieden wird, die diese Zugspannungen hervorrufen.

Das Verfahren wird zweckmäßigerweise in der Weise durchgeführt, daß man zusammen mit der Spritzpistole eine Kühlgasdüse mitführt, die auf den dem von dem Flammen- bzw. Gasstrahl beaufschlagten Bereich unmittelbar benachbarten Oberflächenbereich einwirkt. Diese Kühlgasdüsen sind zweckmäßigerweise so gestaltet, münden in einem solchen Abstand vor der Glasoberfläche und werden derart mit Kühlgas beschickt, daß sie jeweils mittlere Wärmeübergangszahlen erzeugen, die wenigstens etwa halb so groß sind wie die durch den Flammenstrahl bzw. den Heißluftstrahl allein erzeugten Wärmeübergangszahlen.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele für die konstruktive Gestaltung einer für die Durchführung des Verfahrens geeigneten Vor­ richtung sowie für die Beschichtung von Glasscheiben mit verschiedenen hochschmelzenden Materialien näher beschrieben.

Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Flammspritzpistole mit einem doppelwandigen Rohrauf­ satz für die Abschirmung des Flammenstrahls und die Kühlung der Substratoberfläche und

Fig. 2 eine Flammspritzpistole mit einem mit Düsenrohren versehen­ en Kühlaufsatz.

Bei der in den Zeichnungen dargestellten Flammspritzpistole 1 handelt es sich um eine für das Pulverflammspritzen geeignete Flammspritzpi­ stole üblicher Bauart mit einem Zuführungsrohr 2 für das Brenngas, beispielsweise Acetylen, einem Zuführungsrohr 3 für die Brennluft bzw. den Sauerstoff und eine Zuführungsleitung 4 für das Pulver aus dem Beschichtungsmaterial.

Grundsätzlich kann es sich bei der Spritzpistole jedoch auch um eine Plasmaspritzpistole handeln, bei der zwischen einem Wolframstab als Kathode und einer als Düse ausgebildeten wassergekühlten Ringanode ein Lichtbogen brennt, der einen Gasstrom ionisiert. Dieser ionisierte Gasstrom erhitzt das keramische Pulver, das durch einen zweiten Gas­ strom in die Flamme eingetragen wird.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf dem Kopf der Spritzpistole 1 koaxial zu der Düse der Spritzpistole ein mehrwan­ diges Schutzrohr 7 befestigt, das den Flammen- bzw. Heißgasstrahl um­ gibt. Das Schutzrohr 7 umfaßt einen inneren, von den beiden konzen­ trisch angeordneten Rohrabschnitten 8 und 9 gebildeten hohlzylindri­ schen geschlossenen Raum 10, der von Kühlwasser durchströmt wird. Das Kühlwasser wird durch den Anschlußstutzen 11 in den Hohlraum 10 einge­ leitet und durch den Anschlußstutzen 12 abgeführt. Die Wasserkühlung verhindert eine zu starke Erwärmung des Schutzrohres. Durch das ge­ schlossene Schutzrohr wird der Flammenstrahl gegen die Umgebungsluft abgeschirmt. Auf diese Weise wird bei sehr hoch schmelzenden Materia­ lien der Aufschmelzvorgang des Pulvers verbessert. Außerdem wird der Flammenstrahl bzw. Gasstrahl gegen den Zutritt von Luftsauerstoff ge­ schützt, so daß mit dieser Vorrichtung Materialien in reduzierender Atmosphäre verspritzt werden können, was beispielsweise beim Spritzen von Metallen erforderlich ist.

Konzentrisch zu den beiden Rohrabschnitten 8 und 9 ist ein weiterer Rohrabschnitt 13 vorgesehen, der mit dem Rohrabschnitt 9 einen weite­ ren hohlzylindrischen Zwischenraum 14 bildet. An seinem vorderen Ende ist der Zwischenraum 14 offen und bildet so eine ringförmige Schlitz­ düse 15. In den Zwischenraum 14 wird durch die Zuführungsleitung 16 Kühlluft von Raumtemperatur unter Druck eingeführt. Falls das Spritz­ gut unter Ausschluß von Sauerstoff aufgespritzt werden soll, wird an­ stelle von Kühlluft in den Zwischenraum 14 durch die Zuführungsleitung 16 Stickstoff oder ein anderes Inertgas unter Druck eingeleitet. Die Kühlluft bzw. das Kühlgas entweicht durch die Ringdüse 15 und übt beim Auftreffen auf die Oberfläche der Glasscheibe 18 eine starke Kühlwir­ kung auf diese aus.

In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform einer mit einem Kühlaufsatz versehenen Flammspritzpistole 1 dargestellt, die wiederum als Pulver­ flammspritzpistole ausgebildet ist mit einer Zuführungsleitung 2 für das Brenngas, einer Zuführungsleitung 3 für den Sauerstoff bzw. die Brennluft und einer Zuführungsleitung 4 für das Beschichtungspulver. In diesem Fall ist auf dem Körper der Spritzpistole 1 ein Ring 20 auf­ gesetzt, an den zwei Düsenrohre 21 angeschlossen sind. Die Düsenrohre 20 haben beispielsweise eine Länge von etwa 25 cm und einen Innen­ durchmesser von 4 bis 6 mm. Der Ring 20 weist einen ringkanalförmigen Hohlraum 22 auf, zu dem die Kühlluft durch den Rohrstutzen 23 zuge­ führt wird. Mit diesem ringkanalförmigen Hohlraum 22 stehen die Düsen­ rohre 21 in Verbindung, so daß die Kühlluft, die unter Druck in den Ringkanal eingeführt wird, aus den Düsenöffnungen 24 entweicht und auf die Oberfläche der Glasscheibe 18 strömt. Diese Ausführungsform eignet sich besonders zum Aufspritzen von Materialien, die in oxidierender Atmosphäre verspritzt werden können, und die keine sehr hohe Schmelz­ temperatur aufweisen.

Nachfolgend werden einige Beispiele für die Beschichtung von 2 bis 5 mm dicken Floatglasscheiben mit verschiedenen hochschmelzenden Stoffen wiedergegeben.

Beispiel 1

Eine Glasscheibe wird mit Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅) beschichtet, des­ sen Schmelztemperatur bei etwa 1860 Grad Celsius liegt. Zu diesem Zweck wird eine handelsübliche Flammspritzpistole benutzt, die mit dem in Fig. 2 dargestellten Kühlvorsatz versehen wird. Als Brenngase die­ nen Acetylen und Sauerstoff. Der Spritzpistole wird Aluminiumtitanat­ pulver mit einer Korngröße von 10 bis 40 µm in einer Menge von 20 bis 30 g/min in einem Trägergasstrom zugeführt. Der Kühlvorsatz wird mit ei­ ner Druckluftleitung verbunden, durch die Kühlluft mit einem Druck von etwa 6 bar in den Kühlvorsatz eingeleitet wird. Der Abstand der Spritzdüse von der Glasoberfläche beim Spritzen beträgt etwa 30 cm, wobei die Kühldüsen selbst von der Glasoberfläche einen Abstand von etwa 2 cm aufweisen. Der Durchmesser des Flammenstrahls an der Auf­ treffstelle der Glasscheibe beträgt etwa 40 mm, und die Temperatur des Flammengases an der Auftreffstelle der Glasscheibe etwa 850 Grad Cel­ sius. Die Vorrichtung wird mit einer Geschwindigkeit von etwa 40 m/min mehrfach über die Glasscheibe hin- und herbewegt.

Beispiel 2

Eine Glasscheibe wird mit einer braun-schwarzen Oberflächenschicht aus Basalt versehen, dessen Schmelztemperatur bei etwa 1500 Grad Celsius liegt. Es wird hierfür Basaltpulver mit einer durchschnittlichen Korn­ größe zwischen 5 und 20 Mikrometer verwendet, das mit Hilfe eines han­ delsüblichen Pulverförderers in einem Trägergasstrom in einer Menge von 20 bis 30 g/min der Flammspritzpistole zugeführt wird. Es wird wiederum eine handelsübliche Flammspritzpistole mit dem in Fig. 2 dar­ gestellten Kühlvorsatz verwendet. Die Flammspritzpistole wird mit Ace­ tylen und Luft bei neutraler Flammenführung betrieben. Als Kühlgas dient wiederum Druckluft mit einem Druck von etwa 6 bar. Die Tempera­ tur des Flammenstrahls unmittelbar an der Auftreffstelle der Glas­ scheibe beträgt etwa 780 Grad Celsius, und der Durchmesser des Flam­ menstrahls etwa 40 mm bei einem Abstand der Spritzdüse von etwa 22 cm. Die Spritzvorrichtung wird mit einer Geschwindigkeit etwa 40 m/min mehrfach über die zu beschichtende Glasoberfläche geführt.

Beispiel 3

Eine Glasscheibe soll mit einer metallischen Aluminiumschicht versehen werden. Hierfür wird Alumium-Metallpulver mit einer Korngröße von 80 bis 120 Mikrometer verwendet. Das Aufspritzen erfolgt in reduzierender Atmosphäre. Zu diesem Zweck wird die in Fig. 1 dargestellte Flamm­ spritzvorrichtung verwendet, wobei als Kühlgas Stickstoff mit einem Druck von 5 bar in das Schutzrohr eingeleitet wird. Das Aluminiumpul­ ver wird wieder in einer Menge von 20 bis 30 g/min der Flammspritz­ pistole zugeführt, die mit Acetylen und Luft als Brenngase betrieben wird. Der Abstand des Schutzrohres und damit der ringförmigen Austrittsdüse für das Kühlgas beträgt beim Spritzvorgang etwa 2 bis 3 cm. Die Spritzpistole mit dem Schutzrohr wird unter diesen Bedingungen mit einer Relativgeschwindigkeit zur Glasoberfläche von etwa 40 m/min mehrfach über die zu beschichtende Oberfläche der Glasscheibe hin- und herbewegt. Die Temperatur des Flammenstrahls bzw. der Flammgase beim Auftreffen auf die Glasoberfläche beträgt etwa 900 Grad Celsius.

Claims (1)

1. Anwendung eines thermischen Spritzverfahrens, wie des Flammspritzverfahrens oder des Plasmaspritzverfahrens, bei gleichzeitiger Kühlung des von dem heißen Gasstrahl beaufschlagten Oberflächenbereichs durch Kühlgasströme zum Beschichten von Flachglasscheiben aus Floatglas mit Metallen, Metalloxiden oder hochschmelzenden keramischen Materialien.