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Verfahren zum Überziehen von Draht u. ähnl. langgestrecktem Material aus Metall mit einer Schicht aus einem Metall
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überziehen von Draht u. ähnl. langgestrecktem
Material aus Metall mit einer Schicht aus einem Metall mit einem Siedepunkt von weniger als etwa
2 7500C.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, das es ermöglicht, Draht u. ähnl. langgestreck- te Erzeugnisse aus Metall mit einer festhaftenden und gleichmässigen Überzugsschicht aus einem Metall wie Zink, Aluminium usw. zu versehen. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass das langgestreckte Metallmaterial gereinigt wird, dass das Material dann durch eine Kammer geführt wird, in der
Atmosphärendruck oder ein um weniges höherer Druck herrscht, und die eine Atmosphäre enthält, bei der ein Druckanteil von etwa 0,05 bis 1 at auf den Dampfdruck des niederzuschlagenden Metalls zurückzufahren ist, wobei die Atmosphäre im übrigen aus einem oder mehreren inerten Gasen besteht und die
Temperatur des zu überziehenden langgestreckten Materials in der Kammer stets unterhalb jener des darin befindlichen Dampfes des Überzugsmaterials liegen muss,
höchstens jedoch 5650G beträgt.
Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht es, sowohl harten als auch weichen Stahldraht oder Streifenmaterial mit einem Überzug zu versehen. Der Überzug lässt sich auf den Draht oder das sonstige Material aufbringen, ohne dass sich die Zugfestigkeit verringert, denn der Draht erreicht beim Aufbringen des Überzuges nur eine Temperatur von etwa 260 bis etwa 3700C. Ein weiterer Vorteil des erfindunggemässen Verfahrens besteht darin, dass sich an der Berührungszone wegen der relativ niedrigen Temperatur des Drahtes nur eine sehr geringe Menge oder überhaupt keine Zink/Eisen-Legierung bildet, wenn ein Überzug aus Zink auf Drähte oder Streifen aus Stahl oder andern eisenhaltigen Metallen aufgebracht wird.
Die Dicke des Überzuges auf dem Draht kann dadurch geregelt werden, dass man die Temperatur des Drahtes bei seinem Eintreten in die Dampfkammer regelt. Vor dem Eintreten in die Kammer kann der Draht od. dgl. eine beliebige Temperatur haben, die zwischen einem sehr niedrigen Wert, bei dem der Draht jedoch noch flexibel ist, und nahe zu der in der Kammer herrschenden Temperatur liegt. Sobald der Draht die Temperatur der Kammer an seiner Oberfläche erreicht, hört der Vorgang des Niederschlagens des Überzugsmaterials auf. Ferner führt eine Herabsetzung der Temperatur der Kammer und daher auch der Dampfmenge in der Kammer bzw. in der Kammeratmosphäre zu einer Verringerung der Dicke des entstehenden Überzuges.
Weiterhin spielt die Laufgeschwindigkeit des Drahtes eine Rolle, denn man kann mit höheren Laufgeschwindigkeiten arbeiten, wenn sich die Kammer auf einer höheren Temperatur befindet. Wenn besonders dicke Überzüge erzeugt werden sollen, kann man den Draht nacheinander durch mehrere Dampfkammern führen, wobei der Draht jeweils zwischen den Kammern abgekühlt wird.
Zu den Gasen, die sich zur Verwendung in der Dampfatmosphäre der Kammer eignen, gehören inerte Gase wie Stickstoff, Helium, Neon, Krypton, Argon oder Gemische von inerten Gasen sowie Gemische aus den schon genannten Gasen oder ein Gemisch, wie es beim Kracken von Ammoniak entsteht. Ferner ist es bei höheren Temperaturen möglich, ohne eine Schutzatmosphäre zu arbeiten. Diese Möglichkeit ergibt sich dann, wenn der Dampfdruck des Metalls gleich dem Atmosphärendruck oder höher als dieser ist, so dass keine Luft in die Kammer gelangen kann.
Zu den Metallen bzw. Metalloiden die einen solchen Dampfdruck besitzen, dass sie sich nach dem erfindungsgemässen Verfahren als Überzüge auf eine Unterlage aufbringen lassen, gehören Zink, Aluminium, Antimon, Arsen, Wismut, Kadmium, Kalzium, Chrom, Kupfer, Gold, Blei, Lithium, Magnesium, Quecksilber, Kalium, Rubidium, Selen, Silizium, Silber, Natrium, Strontium, Tellur, Thal-
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lium und Zinn. Die Metalle brauchen nicht auf ihren Siedepunkt oder darüber hinaus erhitzt zu werden, denn diese Metalle haben bei einer Temperatur zwischen dem Siedepunkt und einer Temperatur, die et- wa 2500C niedriger ist als der Siedepunkt, einen ausreichend hohen Dampfdruck. Beispielsweise kann
Zink, dessen Siedepunkt bei etwa 9000C liegt, in einer Kammer, die sich etwa auf 650 C befindet, auf
Drahtmaterial aufgebracht werden.
Vorzugsweise werden die Metalle jedoch bis oberhalb ihres Siedepunk- tes erhitzt, um die Notwendigkeit der ständigen Zufuhr einer inerten Atmosphäre auszuschalten, und um ausserdem den Ablauf des Verfahrens zu verbessern. Die Temperatur der Kammer richtet sich nach der
Temperatur des inerten Gases, das der Kammer zugeführt wird, sowie nach der im Inneren der Kammer erzeugten Wärme, durch die das Zink oder ein anderes Metall in der Kammer im geschmolzenen Zustand gehalten wird. Es ist möglich, diese Temperatur innerhalb enger Grenzen zu regeln und somit die Dicke des Niederschlages zu beeinflussen. Um einen Vorrat an Metalldampf zu schaffen, der durch den Draht im Verlauf des Verfahrens abgezogen wird, ist es zweckmässig, in der Kammer ein Bad aus geschmolze- nem Zink vorzusehen oder der Kammer ständig weiteren Metalldampf zuzuführen.
Eine günstigere An- ordnung und eine bessere Regelungsmöglichkeit ergibt sich, wenn man eine gesonderte Verdampfungs- kammer vorsieht, über welche gegebenenfalls auch die inerte Atmosphäre zugeführt werden kann.
Die Laufgeschwindigkeit des Drahtes ist ein wichtiger Faktor. Stahldraht, z. B. warmpatentierter
Klaviersaitendraht, muss so schnell durch die Kammer geführt werden, dass er keine Temperatur von mehr als etwa 5550C erreicht, denn andernfalls verringert sich seine Zugfestigkeit. Wenn sich der Draht dage- gen zu langsam bewegt, kann das niedergeschlagene Metall auf dem Wege von der Metalldampfkammer zu dem Abschreckbad oxydieren. Ferner besteht die Gefahr, dass bei zu geringer Laufgeschwindigkeit spröde Überzüge entstehen. Wenn der Draht zu schnell bewegt wird, kann der Überzug rauh und unregel- mässig werden, da sich kristalline Körner bilden, die nicht miteinander verschmelzen.
Weiterhin kann sich die Laufgeschwindigkeit nach der Konvektionsgeschwindigkeit der Schutzatmosphäre richten, wenn eine solche verwendet wird ; diese Konvektionsgeschwindigkeit richtet sich mindestens teilweise nach dem Wärmeaufnahmevermögen und der Beweglichkeit der Atome bzw. Moleküle in der Kammeratmosphäre.
Ferner hängt die Laufgeschwindigkeit von den Abmessungen des Draht- oder Streifenmaterials, dem Gewicht des zu erzeugenden Überzuges, der Länge der Kammer und der Temperatur der Kammeratmosphäre ab.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 1 ist ein teilweise schematisch gezeichneter Längsschnitt durch eine Anlage zum Durchführen der Erfindung. Fig. 2 ist eine Zeichnung nach einer Mikrophotographie eines Schnittes durch einen doppelten Zinküberzug auf einem patentierten Klaviersaitendraht mit einem Durchmesser von etwa 1, 9 mm.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der Draht 10 od. dgl. kontinuierlich und mit gleichmässiger Geschwindigkeit über geeignete Führungsrollen 11, 12,13, 14,15 usw. bis 32 geleitet. Zwischen den Rollen 11,12, 13 und 14 wird der Draht in einem alkalischen Elektrolytreinigungsbad 39 behandelt, wobei der Draht innerhalb des Bades als Anode wirkt, wenn er mit der Rolle 12 in Berührung kommt. Die Kathode ist bei 38 angedeutet. Zwischen den Rollen 15 und 18 wird der Draht in einem Bad 41 gespült, um die überschüssige Reinigungslösung zu entfernen. Zwischen den Rollen 19 und 22 durchläuft der Draht ein Bad 42, das eine Lösung einer starken Säure enthält. Für dieses Bad ist eine 35%igue Salzsäurelösung mit einer Temperatur von etwa 70 bis 800C sehr geeignet.
Von den Rollen 22 und 23 aus gelangt der Draht in ein Kaltwasserspülbad 43 und läuft dann über weitere Rollen 27 und 28 zu einem Heisswasserspülbad 44. In dem Bad 44 können Heizwicklungen 45 angeordnet sein. Beim Hinweglaufen über die Rollen 31 und 32 kann der Draht trocknen. Gegebenenfalls kann man heisse neutrale Gase oder Heissluft auf den Draht leiten, um zur Abkühlung beizutragen, oder man kann eine beheizte Kammer vorsehen. Die Wärmeabstrahlung der Kammer 33 reicht jedoch gewöhnlich aus, um den Draht zu trocknen.
Von der Rolle 32 aus wird der Draht nach unten durch eine Öffnung 34 in die Kammer 33 eingeführt.
Es ist wichtig, den Draht senkrecht durch die Dampfkondensationskammer 33 zu leiten, um eine gleichmässige Kondensation des Dampfes und ein gleichmässiges Niederschlagen desselben auf der Aussenfläche des Drahtes zu gewährleisten. Nach dem Passieren der Kammer 33 verlässt der mit dem Überzug versehene Draht die Kammer über die Öffnung 35, um unter einer Umlenkrolle 36 hindurch in ein Abschreckbad 37 geführt zu werden. Als Abschreckflüssigkeit in dem Badebehälter 37 kann man Wasser, Öl oder eine ähnliche Flüssigkeit oder Luft oder andere Gase verwenden. Der aus dem Bad 37 austretende Draht ist dann verwendungsbereit.
Die Kondensationskammer 33 und die übrigen Teile 50, 51 und 52, die mit geschmolzenem oder dampfförmigem Metall in Berührung kommen, bestehen aus Siliziumkarbid. Die Metalldämpfe wirken in
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hohem Masse korrodierend, und es hat sich gezeigt, dass Siliziumkarbid dieser Wirkung der Metalldämpfe standhält. Die obere Öffnung 34 ist zum Zwecke der Abdichtung mit einer Packung 40 aus Asbest verse- hen. Die untere Öffnung 35 wird durch ein Rohr aus hohen Temperaturen standhaltendem Glas gebildet, auf dessen Oberfläche sich kein Zinkoxyd ansammelt, so dass die Öffnung nicht verstopft werden kann.
Der Metalldampf wird vorzugsweise in zwei oder mehr Stufen erzeugt. Bei der dargestellten Anlage wird das Metall in eine Schmelzkammer 50 eingeführt. Das geschmolzene Metall gelangt durch ein Rohr 53 in eine Kammer 51, in der die Schmelze auf eine noch höhere Temperatur erhitzt wird. Von der Kam- mer 51 aus gelangt das geschmolzene Metall durch ein Rohr 54 in die Verdampfungskammer 52. Aus die- ser Kammer strömt der Metalldampf durch ein oder mehrere Rohre 55 zu der Kondensationskammer 33.
Das Ende 56 des Rohres 55 ist mit einem geeigneten Umlenkorgan versehen, um den Dampf auf die ver- schiedenen Teile der Kammer 33 zu verteilen, und um zu vermeiden, dass der Dampf unmittelbar auf den Draht 10 geleitet wird. Der in der Kammer 33 kondensierende Dampf sammelt sich am Boden der
Kammer und fliesst durch ein Rohr 57 in die Kammer 52 zurück. Wenn in der Kammer 33 ein inerter
Dampf verwendet wird, ist es zweckmässig, diesen Dampf über die Kammer 52 mit Hilfe einer Rohrlei- tung 58 zuzuführen. In nahezu allen Fällen ist es zweckmässig, die Kammer 33 am Beginn des Betriebs- vorganges mit einem inerten Dampf oder Gas zu füllen, z. B. mit Stickstoff, gekracktem Ammoniak oder einem ähnlichen inerten Gas.
Wenn nach einer gewissen Betriebszeit die gesamte Luft aus der Kammer verdrängt worden ist, kann man die Menge der inerten Atmosphäre allmählich herabsetzen, bis die At- mosphäre in der Kammer im wesentlichen ausschliesslich durch Metalldampf gebildet wird. Zum Beheizen der Kammern 50, 51 und 52 kann man Widerstände 60 aus Siliziumkarbid verwenden. Ein sehr gut brauchbares Verfahren zum Verdampfen von Zink besteht darin, dass das Zink unter Aufrechterhaltung einer Temperatur von etwa 5400C in der Kammer 50 geschmolzen wird, dass die Temperatur der Schmel- ze in der Kammer 51 auf etwa 700 bis etwa 1200 C erhöht wird, und dass in der Kammer 52 die Ver- dampfung des Zinks und eine Erhitzung des Dampfes auf etwa 700 bis etwa 12000C erfolgt.
Gegebenenfalls kann man sämtliche Heizeinrichtungen in der Kammer 33 zusammenfassen und in der
Kammer einen Behälter mit einem geschmolzenen verdampfbaren Metall anordnen, um den benötigten
Metalldampf zu erzeugen.
Vorversuche, bei denen kein Metalldampf in die Kammer eingeleitet wurde, zeigten, dass sich die Temperatur des Drahtes stärker erhöhte, wenn man an Stelle von Stickstoff gekracktes Ammoniak als inerte Atmosphäre verwendete. Weitere Versuche zeigten, dass man einen Draht von etwa 3, 7 mm Durch- messer durch eine mit gekracktem Ammoniak gefüllte Kammer mit einer Länge von etwa 700 mm mit
Geschwindigkeiten bis herunter zu etwa 0, 3 - 0, 9 m/sec hindurchführen konnte, ohne dass die Temperatur des Drahtes auf mehr als die Hälfte des Temperaturwertes des gekrackten Ammoniaks in der Kammer anstieg.
Versuche zur Ermittlung der geeigneten Laufgeschwindigkeit des Drahtes zeigten ferner, dass die auf der Drahtoberfläche niedergeschlagenen Teilchen kornförmig sind, wenn der Draht mit einer zu hohen Geschwindigkeit durch die den Metalldampf enthaltende Kammer läuft. Erhöht man die Laufgeschwindigkeit des Drahtes noch weiter, so erscheint auf dem Draht nur ein dünner Oxydüberzug. Die Körnigkeit des Überzuges geht bei hohen Laufgeschwindigkeiten in einem erheblichen Masse zurück, wenn die Temperatur des Metalldampfes um etwa 15-55 C höher ist als die Siedetemperatur.
Wenn die Kammern 33 und 52 mit Graphit ausgekleidet sind, kann man das erfindungsgemässe Verfahren auch bei Metallen anwenden, bei denen höhere Temperaturen erforderlich sind, um einen erheblichen Dampfdruck zu erzeugen. Beispielsweise lassen sich mitGraphit ausgefütterte Kammern 33 und 52 bei Temperaturen bis zu etwa 2 7500C betreiben.
Wie schon erwähnt, kann die Atmosphäre in der Kammer 33 vollständig aus dem Metall bestehen, das auf dem Draht- oder Streifenmaterial kondensiert bzw. niedergeschlagen werden soll. Wenn die Kammeratmosphäre weniger als lOOo Metalldampf enthält, soll die Atmosphäre im übrigen aus einem inerten Gas bestehen. Mindestens ein Anteil von etwa 0,05 at des Druckes in der Kammer 33 muss auf den Metalldampf zurückzuführen sein, wenn Überzüge von praktisch brauchbarer Dicke bei brauchbaren Geschwindigkeiten des Drahtes von mehr als etwa 0,3 bis 0,9 m/sec erzeugt werden sollen.
Die erfindungsgemässe Anlage eignet sich insbesondere dazu, Stahldraht mit hohem Kohlenstoffgehalt von z. B. 0, 85 bis 0, 90ou0 und mit einem Durchmesser zwischen etwa 0,5 und etwa 7,5 mm mit einem Schutzüberzug aus Metall zu versehen.
Der Ablauf des erfindungsgemässen Verfahrens wird durch die Beispiele in der nachfolgenden Tabelle weiter veranschaulicht. Bei jedem dieser Beispiele wurde der Draht dadurch mit einem Überzug versehen, dass er, ähnlich wie in Fig. 1 dargestellt, behandelt wurde, wobei die Kondensationskammer Zinkdampf
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bei Temperaturen von etwa 815 bis etwa 9500C enthielt, und wobei die Laufgeschwindigkeit des Drahtes etwa 1, 2 m/sec betrug. Im Falle der Beispiele nach Tabelle 1 befand sich der Draht annähernd auf Raumtemperatur, wenn er in die Dampfkammer eintrat, die eine Höhe von etwa 330-mm besass.
Tabelle 1 :
EMI4.1
<tb>
<tb> Beispiel <SEP> Zustand <SEP> wenn <SEP> Zahl <SEP> der <SEP> Gezogen <SEP> oder <SEP> Überzug <SEP> Überzug- <SEP> Salzsprühplattiert <SEP> Überzüge <SEP> plattiert <SEP> g/kg <SEP> Dicke <SEP> versuch
<tb> , <SEP> mm <SEP> Stunden
<tb> 1 <SEP> Behandelter <SEP> 1 <SEP> Plattiert <SEP> 46 <SEP> 0, <SEP> 0244 <SEP> 290
<tb> harter <SEP> Klaviersaitendraht,
<tb> 1, <SEP> 83 <SEP> mm <SEP>
<tb> 2 <SEP> Behandelter <SEP> 2 <SEP> Plattiert <SEP> 77 <SEP> 0,0420 <SEP> 550
<tb> harter <SEP> Klaviersaitendraht,
<tb> 1, <SEP> 83 <SEP> mm <SEP> 0 <SEP>
<tb> 3 <SEP> Behandelter <SEP> 1 <SEP> Auf <SEP> 1, <SEP> 40 <SEP> 33 <SEP> 0, <SEP> 0127 <SEP> 100
<tb> harter <SEP> Klavier-mm <SEP> %) <SEP>
<tb> saitendraht <SEP> gezogen
<tb> 1, <SEP> 78 <SEP> mm <SEP> 0
<tb> 4 <SEP> Behandelter <SEP> 2 <SEP> Auf <SEP> 1, <SEP> 45 <SEP> 86 <SEP> 0, <SEP> 0345.
<SEP> 260
<tb> harter <SEP> Klavier-mm <SEP> < <SEP>
<tb> saitendraht, <SEP> gezogen
<tb> 1, <SEP> 78 <SEP> mm <SEP> ze
<tb> 5 <SEP> Behandelter <SEP> 2 <SEP> Auf <SEP> 0, <SEP> 94 <SEP> 84 <SEP> 0,0218 <SEP> 260
<tb> harter <SEP> Klavier- <SEP> mm <SEP>
<tb> saitendraht, <SEP> gezogen
<tb> 1, <SEP> 78 <SEP> mm <SEP> 0
<tb> 6 <SEP> Patentierter <SEP> 2 <SEP> Auf <SEP> 0,50 <SEP> 46 <SEP> 0, <SEP> 00635 <SEP> 48
<tb> Klaviers <SEP> aiten <SEP> - <SEP> mm <SEP>
<tb> draht, <SEP> gezogen
<tb> 1, <SEP> 90 <SEP> mm <SEP> 0 <SEP>
<tb>
Beispiel 7: Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung wurde die Laufgeschwindigkeit des Drahtes erheblich gesteigert.
Bei einer Laufgeschwindigkeit von etwa 15 m/min wurde die Länge der Kammer auf etwa 700 mm vergrössert, und die Temperatur in der Kammer wurde auf etwa 950 - 10000C gehalten ; hiebei wurden mit sehr glatten Überzügen versehene Drähte mit einem Durchmesser von etwa 5 mm erzeugt, die mit einer Zinkschicht von gleichmässiger Dicke versehen waren, wobei die Dicke des Überzuges etwa 0, 1 mm betrug. Bei derartigen stärkeren Drähten oder bei Streifenmaterial kann man die Laufgeschwindigkeit auf mindestens etwa 30 m/min erhöhen.
Beispiel 8: Das Verfahren wird in der gleichen Weise durchgeführt wie bei den obigen Beispielen 1 - 6, jedoch wird der Kammer 50 Aluminium zugeführt ; hiebei arbeitet die Kammer 50 bei einer Temperatur von etwa 700 C, die Kammer 51 mit einer Temperatur von etwa 700 bis etwa 1800 C und die Kammern 52 und 33 mit einer Temperatur von etwa 1100 bis etwa 18000C ; in diesem Falle wird der Draht mit einem Überzug aus Aluminium versehen.
Beispiel 9 : Das Verfahren wird entsprechend den Beispielen 1-6 durchgeführt, jedoch enthält die Kammer 50 Kupfer und wird mit einer Temperatur von etwa 1100 C betrieben, während die Kammer 51 bei etwa 1100 bis etwa 2 3000C arbeitet und die Kammer 52 und 33 mit einer Temperatur von etwa 1900 bis etwa 2 750 C betrieben werden ; hiebei erhält der Stahldraht einen Überzug aus Kupfer.
Fig. 2 ist nach einer Mikrophotographie gezeichnet und zeigt zwei Überzüge aus Zink, die gemäss dem Beispiel 6 auf Klaviersaitendraht mit einem Durchmesser von etwa 1, 9 mm aufgebrächt wurden.
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In Fig. 2 trägt der Stahlkern 70 eine erste Zinkschicht 71 und eine zweite Zinkschicht 72. Das Gewicht der Überzüge beträgt 46 g Zink je Kilogramm Gewicht des Stahlkernes. Es sei bemerkt, dass zwischen den Schichten keine Eisen/Zink-Legierung vorhanden ist. Die Mikrophotographie, die nach der Fig. 2 gezeichnet wurde, entstand durch Zerschneiden des Drahtes in der Längsrichtung sowie durch Ätzen der Schnittfläche mit Chromsäure (CrO), um die verschiedenen Metallschichten erkennbar zu machen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Überziehen von Draht u. ähnl. langgestrecktem Material aus Metall mit einer Schicht aus einem Metall mit einem Siedepunkt von weniger als etwa 2 750 C, dadurch gekennzeichnet, dass das langgestreckte Metallmaterial gereinigt wird, dass das Material dann durch eine Kammer geführt wird, in der Atmosphärendruck oder ein um weniges höherer Druck herrscht, und die eine Atmosphäre enthält, bei der ein Druckanteil von etwa 0,05 bis 1 at auf den Dampfdruck des niederzuschlagenden Metalls zurückzufuhren ist, wobei die Atmosphäre im übrigen aus einem oder mehreren inerten Gasen besteht und die Temperatur des zu überziehenden langgestreckten Materials in der Kammer stets unterhalb jener des darin befindlichen Dampfes des Überzugsmaterials liegen muss,
höchstens jedoch 5650C beträgt.