CH617105A5

CH617105A5 - Process for coating a face of a workpiece by means of a jet of heated gas and molten material, and an application of the process.

Info

Publication number: CH617105A5
Application number: CH420677A
Authority: CH
Inventors: Klaus Dieter Krinninger; Winfried Heinzel
Original assignee: Agefko Kohlensaeure Ind
Priority date: 1976-04-07
Filing date: 1977-04-04
Publication date: 1980-05-14
Also published as: DE2615022C2; DE2615022B1; FR2347111A1; AT348300B; ATA135177A; GB1513847A; FR2347111B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Anwendung des Verfahrens. The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an application of the method.

Zu diesem Verfahren gehört insbesondere das Plasmastrahlspritzen. Als Gase kommen vorzugsweise inerte Gase, wie Argon, in Betracht, als Materialien insbesondere hochschmelzende Metalle, keramische und metallkeramische Materialien und als Werkstücke insbesondere Gegenstände aus Metall, Stein, Keramik. This process includes in particular plasma jet spraying. Inert gases, such as argon, are preferred as gases, in particular high-melting metals, ceramic and metal-ceramic materials as materials and in particular objects made of metal, stone, ceramics as workpieces.

Es ist bekannt, bei einem solchen Verfahren das geschmolzene Metall durch eine Schutzgasatmosphäre hindurch derart auf einen Träger aufzuspritzen, dass die aufgebrachte Schicht durch das Schutzgas gekühlt wird. Es ist ferner bekannt, die vom Strahl jeweils beaufschlagte Stelle des Werkstücks zeitlich unmittelbar anschliessend mittels eines aus einer Kühlmitteldüse austretenden Kühlgasstrahles zu kühlen. It is known in such a method to spray the molten metal onto a carrier through an inert gas atmosphere in such a way that the applied layer is cooled by the inert gas. It is also known to cool the point of the workpiece that is respectively impacted by the jet immediately afterwards by means of a cooling gas jet emerging from a coolant nozzle.

Es ist bekannt, beim Plasmastrahlspritzen die Spritzdüse gegenüber dem zu beschichtenden Werkstück oder das Werkstück gegenüber der Spritzdüse zu bewegen, einerseits, um eine grössere Fläche des Werksücks zu beschichten und anderseits, um mehrere Schichten übereinander aufzubringen. Dabei ist es bekannt, die Düse für den zu kühlenden Pressluftstrahl so anzuordnen, dass er stets eine Stelle des Werkstücks trifft, die unmittelbar vorher vom Plasmastrahl beschichtet worden ist. It is known in plasma jet spraying to move the spray nozzle relative to the workpiece to be coated or the workpiece relative to the spray nozzle, on the one hand to coat a larger area of the workpiece and on the other hand to apply several layers one above the other. It is known to arrange the nozzle for the compressed air jet to be cooled so that it always hits a point on the workpiece that has been coated by the plasma jet immediately beforehand.

Alle bekannten Verfahren haben in vielen Beziehungen nicht voll befriedigt. All known methods have not been fully satisfied in many respects.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens der eingangs genannten Art, um die Nachteile bekannter Ausführungen zu vermeiden und um insbesondere die Kühlung der vom Strahl jeweils beaufschlagten Stelle der Fläche zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierten Massnahmen gelöst. The object of the invention is to create a method of the type mentioned at the outset in order to avoid the disadvantages of known designs and in particular to improve the cooling of the area of the surface which is acted upon by the jet. This object is achieved by the measures defined in the characterizing part of patent claim 1.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 umschrieben. Particularly advantageous embodiments of the method are described in claims 2 to 6.

Aus der Kühlmitteldüse tritt hierbei ein sehr kalter Strahl eines Gemisches von gasförmiger und fester Kohlensäure aus und trifft daher auf der Oberfläche des Werkstücks mit einer sehr niedrigen Temperatur und grosser Kühlleistung auf. Dabei ist es von Vorteil, nach Patentanspruch 2 zu verfahren. A very cold jet of a mixture of gaseous and solid carbonic acid emerges from the coolant nozzle and therefore strikes the surface of the workpiece with a very low temperature and high cooling capacity. It is advantageous to proceed according to claim 2.

Bei der vorteilhaften Ausgestaltung nach den Patentansprüchen 3 bis 6 wird eine unerwünschte Oxydation im Gasstrahl verhindert. In the advantageous embodiment according to claims 3 to 6, an undesirable oxidation in the gas jet is prevented.

Das vorliegende Verfahren hat gegenüber dem bekannten viele Vorteile. The present method has many advantages over the known one.

So wird die Qualität der aufgebrachten Schicht wesentlich verbessert. Insbesondere wird ihre Haftung an der Fläche des Werkstücks verbessert, weil das Entstehen grösserer Unterschiede der Schrumpfspannung verhindert wird. Die Struktur der aufgebrachten Schicht ist in der Regel dadurch verbessert, dass eine Porosität infolge Entgasung vermieden und der bei hochschmelzenden Werkstoffen besonders ausgeprägte, zellenförmige Schichtaufbau vermindert wird. Durch die schnellere Abkühlung wird das Gefüge feiner, und die Härte der Schicht wird über den gesamten Schichtquerschnitt gleichmässiger. Beim Plasmastrahlspritzen wird eine Oxydation sowohl der aufgebrachten Schicht als auch der im Plasmastrahl enthaltenen Teile verhindert. This significantly improves the quality of the applied layer. In particular, their adhesion to the surface of the workpiece is improved because larger differences in shrinkage tension are prevented. The structure of the applied layer is generally improved in that porosity due to degassing is avoided and the cellular layer structure which is particularly pronounced in the case of high-melting materials is reduced. Due to the faster cooling, the structure becomes finer and the hardness of the layer becomes more uniform over the entire cross-section of the layer. In plasma jet spraying, oxidation of both the applied layer and the parts contained in the plasma jet is prevented.

Das Verfahren hat ferner den Vorteil, dass mit ihm Stoffe mit erheblich niedrigerer Schmelztemperatur wie Aluminium, beschichtet werden können, dass bei Beschichtung von Werkstücken komplizierter Form Spannungsverzüge vermieden werden können und dass die Beschichtung mit erheblich grösserer Arbeitsgeschwindigkeit erfolgen kann, zumal keine Pausen beim Aufbringen mehrerer Schichten übereinander erforderlich sind. The method also has the advantage that it can be used to coat materials with a significantly lower melting temperature, such as aluminum, that tension distortions can be avoided when coating workpieces of complex shapes, and that the coating can be carried out at a considerably higher working speed, especially since there are no breaks when applying several Layers on top of each other are required.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstands sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher beschrieben, dabei zeigen schematisch: Preferred exemplary embodiments of the subject matter of the invention are described in more detail below with reference to the drawing, which show schematically:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Beschichten eines zylindrischen Werkstücks durch Plasmastrahlspritzen, 1 shows a device for coating a cylindrical workpiece by plasma jet spraying,

Fig. 2 und 3 Werkstücke mit durch Plasmastrahlspritzen beschichteter ebener Oberfläche und 2 and 3 workpieces with a flat surface coated by plasma jet spraying and

Fig. 4 eine Kühlmitteldüse mit Zuführungsrohr im Längsschnitt ausschnittsweise. Fig. 4 shows a section of a coolant nozzle with feed pipe in longitudinal section.

In Fig. 1 wird ein zylindrisches Werkstück W in Richtung des Pfeils II um seine Achse gedreht. Gleichzeitig wird ein Plasmabrenner einschliesslich Kühlmitteldüsen Di, D2 in axialer Richtung bewegt (Pfeil I). Dabei wird jeweils auf eine Stelle Sp der Fläche des Werkstücks W ein aus der Brennerdüse Dp austretender Strahl PI eines Gases G gerichtet, das durch einen zwischen einer Kathode K und einer Anode A erzeugten Lichtbogen erhitzt und ionisiert ist und dem durch eine Zuführung P das aufzutragende Material in Pulverform zugeführt wird. In Fig. 1, a cylindrical workpiece W is rotated about its axis in the direction of arrow II. At the same time, a plasma torch including coolant nozzles Di, D2 is moved in the axial direction (arrow I). In this case, a jet PI of a gas G emerging from the burner nozzle Dp is directed at a point Sp of the surface of the workpiece W, which is heated and ionized by an arc generated between a cathode K and an anode A and which is to be applied by a feed P Material is supplied in powder form.

In der axialen Richtung I gesehen trifft vor und hinter der Stelle Sp auf das Werkstück W ein Kohlensäurestrahl C02 auf, der aus der Düse Dj bzw. D2 austritt, die am Ende eines Rohres Ri bzw. R2 angeordnet ist, dem flüssige Kohlensäure zugeführt wird. Die Bohrung der Düse Dl5 D2 hat einen Durchmesser, der in der Grössenordnung von einem zehntel Millimeter liegt. Der Innendurchmesser des Rohres Ri, R2 liegt in der Grössenordnung einiger Millimeter, die Länge des Rohres in der Grössenordnung von einem Dezimeter. Beispielsweise betragen der Durchmesser der Bohrung der Düsen Di, D2 0,1 mm, der Innendurchmesser der Rohre Rj, R2 3 mm, die Länge dieser Rohre 150 mm. Seen in the axial direction I, a carbon dioxide jet C02 strikes the workpiece W in front of and behind the point Sp, which emerges from the nozzle Dj or D2, which is arranged at the end of a tube Ri or R2, to which liquid carbonic acid is supplied. The bore of the nozzle Dl5 D2 has a diameter of the order of a tenth of a millimeter. The inner diameter of the pipe Ri, R2 is of the order of a few millimeters, the length of the pipe is of the order of one decimeter. For example, the diameter of the bore of the nozzles Di, D2 is 0.1 mm, the inside diameter of the tubes Rj, R2 is 3 mm, and the length of these tubes is 150 mm.

Da die Kohlensäure den Düsen Di und D2 in flüssiger Form zugeführt wird, expandiert sie nach dem Austritt in die Since the carbonic acid is supplied to the nozzles Di and D2 in liquid form, it expands into the nozzle

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

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3 3rd

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Atmosphäre zu einem Teil als Gas, zu einem Teil als Schnee, wobei sich eine Temperatur von —78,5° C einstellt und eine grosse Kühlleistung ermöglicht wird. The atmosphere is partly gas, partly snow, with a temperature of -78.5 ° C and a high cooling capacity.

Die von dem Kohlensäurestrahl getroffenen Stellen S, und S2 des Werkstücks W werden daher durch Kohlensäure gekühlt, deren Temperatur erheblich unter 0° C liegt. The points S, and S2 of the workpiece W hit by the carbonic acid jet are therefore cooled by carbonic acid, the temperature of which is considerably below 0 ° C.

In Fig. 2 ist durch die Linie L der Weg dargestellt, über den die Auftreffstelle Sp des Plasmastrahles über die ebene Fläche des Werkstücks W geführt wird. Die vor und hinter dieser Auftreffstelle Sp liegenden Auftreffstellen Sx bzw. S2 des Werkstücks haben auf den beiden Seiten der Auftreffstelle Sp weitere Auftreffstellen S3 bzw. S4 für zwei weitere Kohlensäurestrahlen. Sie dienen nicht nur der zusätzlichen Kühlung der Werkstückfläche, sondern schirmen auch die Stelle Sp und den Plasmastrahl gegen Zutritt von Luftsauerstoff ab. In FIG. 2, the line L represents the path by which the point of impact Sp of the plasma jet is guided over the flat surface of the workpiece W. The impact points Sx and S2 of the workpiece lying in front of and behind this impact point Sp have further impact points S3 and S4 for two further carbonic acid jets on the two sides of the impact point Sp. They not only serve for additional cooling of the workpiece surface, but also shield the point Sp and the plasma jet against the ingress of atmospheric oxygen.

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 2, wobei jedoch der Plasmastrahl gemäss der Linie L dreimal über die Fläche des Werkstücks W geführt wird. FIG. 3 shows an arrangement similar to FIG. 2, but with the plasma jet being guided three times over the surface of the workpiece W along the line L.

Die Auftreffstelle Sr der Kohlensäure ist in diesem Fall ringförmig und umgibt die Stelle Sp und verhindert somit jeden Zutritt von Luftsauerstoff zur Stelle Sp und zum Plasmastrahl. Die ringförmige Auftreffstelle Sr wird erzeugt durch eine Mehrzahl von Düsen, die den in Fig. 1 dargestellten Düsen Di und D2 entsprechen und den Plasmastrahl umgeben, kann aber auch aus einer Ringdüse erzeugt werden. 5 Die in Fig. 4 dargestellte Kühlmitteldüse besteht aus einem Düsenmundstück D, das auf ein Rohr R aufgeschraubt ist und eine zentrale Bohrung B von 0,1 mm besitzt. Das Rohr R hat eine Länge von 150 mm und einen Innendurchmesser von 3 mm. Auf das andere Ende des Rohres ist ein Anschlussstück io E aufgeschraubt, das mittels einer nichtdargestellten Leitung mit einem Behälter mit flüssiger Kohlensäure verbunden ist. Infolge des grossen Verhältnisses von Rohrlänge zu Rohrdurchmesser ergibt sich in dem Rohr R eine laminare Strömung der flüssigen Kohlensäure. Infolgedessen tritt die Kohls lensäure aus der Bohrung B ohne unerwünschte Turbulenz aus, so dass sich ein Kohlensäurestrahl mit verhältnismässig kleinem Querschnitt bildet. Der Querschnitt des Kohlensäurestrahls kann so auf einer Strahlenlänge von mehreren Zentimetern auf eine Fläche von wenigen Quadratzentimetern be-20 grenzt werden. The point of impact Sr of the carbonic acid in this case is ring-shaped and surrounds the point Sp and thus prevents any access of atmospheric oxygen to the point Sp and to the plasma jet. The ring-shaped impingement point Sr is generated by a plurality of nozzles which correspond to the nozzles Di and D2 shown in FIG. 1 and surround the plasma jet, but can also be produced from an annular nozzle. 5 The coolant nozzle shown in Fig. 4 consists of a nozzle mouthpiece D which is screwed onto a pipe R and has a central bore B of 0.1 mm. The tube R has a length of 150 mm and an inner diameter of 3 mm. On the other end of the tube, a connector io E is screwed, which is connected to a container with liquid carbonic acid by means of a line, not shown. Due to the large ratio of pipe length to pipe diameter, a laminar flow of liquid carbonic acid results in the pipe R. As a result, the carbonic acid emerges from the bore B without undesirable turbulence, so that a jet of carbonic acid with a relatively small cross section is formed. The cross-section of the carbonic acid jet can thus be limited to a few centimeters across an area of a few centimeters.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

617 105

1. A method for coating a surface of a workpiece by means of a jet of heated gas and molten material, the point (Sp) of the surface affected by the jet being cooled immediately thereafter by means of at least one coolant nozzle (Dl5 D2), characterized in that The cooling is carried out by means of carbonic acid, which is supplied to the coolant nozzle (Di, D2) in the liquid state.

2. The method according to claim 1, characterized in that the liquid carbonic acid is supplied to the opening of the coolant nozzle in a strand of the same cross section, the length of which is at least 50 times as large as the diameter of the cross section (FIG. 4).

2nd

PATENT CLAIMS

3. The method according to claim 1, wherein there is a relative movement between the beam and the workpiece, characterized in that the surface of the workpiece (W) seen in the direction of movement is exposed both in front of and behind the impacted point (Sp) to the carbon dioxide jet (Fig. 1 and 2).

4. The method according to claim 3, characterized in that the surface of the workpiece (W) is also exposed laterally from the point (Sp) in each case to carbon dioxide rays (Fig. 2).

5. The method according to claim 3, characterized in that the entire circumference of the jet is surrounded by carbonic acid jets.

6. The method according to claim 5, characterized in that an annular nozzle is used as the coolant nozzle.

7. Application of the method according to claim 1 for plasma spraying.