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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum kontinuierlichen Aufbringen
einer Beschichtung und auf eine Vorrichtung zum Ausführen
des Verfahrens. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren
zur Herstellung von oxidbasierten keramischen Beschichtungen auf
reaktiven Metall- und Legierungsblechen, -folien und -drähten
in Form von Netzen auf kontinuierliche Weise und ebenfalls auf eine
diesbezügliche Vorrichtung. Die Schichten, die mit der
vorliegenden Erfindung erhalten werden, haben eine hochglanzpolierte
Oberfläche, sind thermisch und elektrisch isolierend, chemisch
inert, umwelttechnisch inert und weisen eine zu reinigende Oberfläche
auf, sind antihaftend gegenüber Staub und haben eine gute
Kratzfestigkeit. Darüber hinaus bringt das Verfahren, welches
in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, die Oxidkeramikschichten mit
einer schnellen Rate auf und verbessert die Produktivität
erheblich.
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Hintergrund der Erfindung
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Metalle
wie Al, Ti, Mg und ihre Legierungen werden häufig im gewerblichen
Bereich (im Maschinenbau wie der Automobil-, Luftfahrt-, Textil-,
Petrochemie- und Geschirrindustrie in Form von Stäben, Stangen,
Röhren, Folien, Blechen, Drähten, Rohren, Kanälen,
Abschnitten, Rollen, Zylindern, Kolben, etc.) verwendet. Neben den
besonderen vielversprechenden Eigenschaften und der gewerblichen
Verfügbarkeit, die diese Materialien aufweisen, ist der Hauptgrund
für die Benutzung dieser Materialien eine hohe Beanspruchbarkeit
in Bezug zu ihrem Gewicht. Jedoch existiert eine Beschränkung
für die Benutzung dieser Materialien über einen
gewissen Punkt hinaus; die Beschränkung rührt
von der Tatsache her, dass diese Materialien eine schwache Beständigkeit
gegenüber Abnutzung, chemischer Einwirkung und Hitze aufweisen.
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Traditionell
wird Eloxieren verwendet, um Beschichtungen auf Al-Legierungen zu
erhalten. Jedoch wurde festgestellt, dass die resultierenden Beschichtungen
porös und schwach mit dem Substrat verbunden sind und demgemäß keinen
hohen Schutz gegenüber Abnutzung und Korrosion bieten können.
Darüber hinaus sind die erzielten Raten für das
Aufbringen der Beschichtungen bei dem Eloxierverfahren ebenfalls
sehr niedrig.
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Thermische
Spritzverfahren wie Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen und
Flammschockspritzen sind sehr gut entwickelt und weit verbreitet
in der Maschinenbauindustrie, um eine Vielzahl von metall-, oxid-,
karbid- und nitridbasierten keramischen Beschichtungen herzustellen. Diese
Beschichtungen werden hauptsächlich verwendet, um verschiedene
Formen der Abnutzung und der Korrosion zu bekämpfen und
gleichzeitig die Lebensdauer der Bestandteile, die aus verschiedenen
Metallen und Legierungen hergestellt sind, zu verbessern. Jedoch
ist für die thermischen Spritztechniken ein hoher Grad
an Vor- und Nachbeschichtungstätigkeiten notwendig, die
oft Kosten verursachen. Größe, Form und Komplexität
der Geometrie der Maschinenbaukomponenten beschränkt die
Anwendbarkeit von thermischen Spritzverfahren. Darüber
hinaus benötigen diese Verfahren sowohl Pulver von hoher
Qualität als auch teure Pulver wie beispielsweise Aluminium,
Aluminium-Titan, Wolframkarbit-Kobalt, Chromkarbit-Nickel Chrom,
die durch speziell entwickelte Herstellungslinien wie beispielsweise
Sol-Gel, Zerstäubung, Schmelzen, Sintern und Zerkleinern,
chemische Reduktion und Vermischung vorbereitet werden. Die Effizienz
der Aufbringung dieser Pulver ist immer sehr viel weniger als 100% und
erfordert deshalb spezielle Mittel, um nicht benutztes Pulver aus
der Beschichtungskammer auszuscheiden. Da diese Beschichtungstechniken
das Sprühen von aufgeheizten Pulverpartikeln auf relativ kalte
Oberflächen umfassen, resultiert daraus oft eine schwache
metallurgische Verbindung zwischen dem Substrat und der Beschichtung.
Diese Beschichtungen sind oft dadurch charakterisiert, dass sie
eine inhärente Porosität, Mikrorisse und hohe Grade
von Eigenspannungen aufweisen, welche wiederum zu einem Versagen
der Beschichtungen im Fall von kritischen Anwendungen führen.
Aufgrund des zugehörigen Mechanismus zum Aufbringen einer
Beschichtung sind die thermischen Sprühverfahren nicht
im Geringsten geeignet, um dünne Schichten auf Bleche,
Folien und Drähte aufzubringen. Darüber hinaus
ist es praktisch nicht möglich, dünne Beschichtungen
auf dünne Bleche, Folien und Drähte auf kontinuierliche
Weise aufzubringen.
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Noch
ein weiteres Forschungsgebiet im Bereich des Aufbringens von dünnen
Schichten auf Bleche, Folien und Drähte sind die Verfahren
der physikalischen Abscheidung aus der Gasphase (PVD) und der chemischen
Abscheidung aus der Gasphase (CVD). Aufgrund der inhärenten
Eigenschaften dieser Verfahren, bei denen das gesamte Aufbringen der
Beschichtung hauptsächlich durch Wechselwirkungen auf ionischer/atomistischer
Skala bei den Oberflächen, die beschichtet werden, beeinflusst wird,
sind jedoch die Gesamtaufbringungsraten für die Beschichtung
extrem niedrig und die Produktionsraten sehr niedrig. Wegen der
Eigenschaft des langsamen Aufbringens dieser Verfahren sind diese Verfahren
auch nicht geeignet für das Aufbringen von Beschichtungen
auf kontinuierliche Weise auf extrem großen/längeren
Oberflächenbereichen.
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Um
die oben beschriebenen Schwierigkeiten und Beschränkungen
zu überwinden und dem heutigen Bedürfnis für
Beschichtungen nachzukommen, welche verbesserte tribologische, elektrische,
thermische und chemische Eigenschaften, eine höhere Dichte
und exzellente Widerstandsfähigkeiten gegen Abnutzung aufweisen,
hat die Forschungsarbeit auf dem Gebiet der Entwicklung eines verbesserten
Mikrobogenoxidationsverfahrens weltweit an Wichtigkeit gewonnen.
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Es
existieren mehrere Patente und Veröffentlichungen, die
sich mit Verfahren zum Aufbringen von keramischen Beschichtungen
auf Aluminium und dessen Legierungen befassen. Relevante Schriften zum
Stand der Technik für Mikrobogenverfahren sind unten erwähnt.
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Gemäß
U.S. Patent Nr. 6,197,178 ,
wird ein dreiphasiges, vollständig sinusförmiges
Potential von 480 V elektrischen Wechselstroms einem Netz aus einer
Aluminiumlegierung zugeführt und Stromdichten zwischen
20 und 70 A/dm
2 werden angewandt. Während
des Verfahrens wird die Stromdichte aufrechterhalten, indem das
Netz relativ zueinander bewegt wird. Ein Elektrolyt mit KOH, Na
2SiO
3 und Na
2O·Al
2O
3·3H
2O mit
einer Konzentration von 2 Gramm pro Liter in deionisiertem Wasser
wird benutzt. Die Temperatur des elektrolytischen Bades wird zwischen
25°C und 80°C gehalten. Es wird berichtet, dass
die Dicke der Beschichtung, die erreicht wird, im Bereich zwischen
100 und 160 Mikrometer für eine 30 minütige Verfahrensdauer
bei zylindrischen Proben beträgt.
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Obwohl
festgestellt wurde, dass die erhaltenen Beschichtungen eine starke
Haftung an dem Substrat aufweisen, sind keinerlei Informationen
in Bezug auf die Dichte und Gleichmäßigkeit der
erreichten Beschichtungen verfügbar. Die Beschichtungsdichte
ist ein sehr wichtiger Parameter, um den Widerstand gegen Abnutzung
der resultierenden Beschichtungen zu bestimmen.
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In
der oben genannten Erfindung haben die Erfinder eine vollständig
sinusförmige Spannung in Wellenform ohne jegliche Wellenformmodifikation benutzt,
obwohl eine starke spritzenförmige Wellenform einen Hauptbeitrag
für eine dichte und harte Beschichtung liefert. Deshalb
weisen die Beschichtungen, die man durch das oben genannte Verfahren
erhält, eine geringere Härte, d. h. 1200 bis 1400 kg/mm2 auf. Jedoch wird bei der Anwendung des
genannten Verfahrens nicht erwähnt, Beschichtungen auf
dünne Bleche, Folien und Drähte aufzubringen und
dies auch nicht auf kontinuierliche Weise.
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U.S. Patent Nr. 5,616,229 ,
welches Samsonov et al. erteilt wurde, offenbart ein Verfahren zur Herstellung
einer keramischen Beschichtung auf Ventilmetallen. Dieses Verfahren
umfasst die Anwendung von zumindest 700 V Wechselstrom auf die Teile,
die beschichtet werden sollen. Die Änderung der Wellenform
wird durch eine Kondensatorbank erreicht, welche in Reihe geschaltet
ist zwischen einer Hochspannungsquelle und dem zu beschichtenden metallischen
Körper. Die Wellenform des elektrischen Stromes steigt
von Null auf ihre maximale Höhe an und fällt dann
unter 40% von ihrer maximalen Höhe in weniger als einem
Viertel eines vollen Wechselzyklus.
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Der
Elektrolyt, der in oben beschriebenem Verfahren verwendet wird,
enthält 0,5 Gramm/Liter NaOH, 0.5–2 Gramm/Liter
KOH. Zusätzlich enthält der Elektrolyt außerdem
Natriumtetrasilikat für die keine exakte Menge, welche
hinzugefügt werden soll, beansprucht ist. Während
des Verfahrens wechselt die Elektrolytzusammensetzung durch Hinzufügung
von Oxidsäuresalz eines Alkalimetalls in der Konzentration
von 2 bis 200 Gramm/Liter der Lösung. Das Verfahren wurde
durch Beschichtung einer Aluminiumlegierung, welche als Duralumin
bekannt ist, durch Anwendung drei verschiedener elektrolytischer
Bäder demonstriert. Jedoch wird in dem oben beschriebenen
Verfahren nicht erwähnt, dass ein bestimmtes Verhältnis
zwischen dem Alkali und dem Metallsilikat aufrechterhalten wird.
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In
dem Mikrobogenoxidationsverfahren ist das Alkali offensichtlich
verantwortlich für die Auflösung der Beschichtung,
wohingegen das Metallsilikat verantwortlich ist für die
Beschichtung, welche sich durch Polykondensation von Silikatanionen
ansammelt. Eine zu hohe Silikatkonzentration in den Elektrolyten
verursacht eine höhere Beschichtung, welche sich besonders
an den Rändern der Probe, verglichen mit anderen Bereichen
der Probe, ansammelt und führt dementsprechend zu einer
ungleichmäßigen Beschichtung. Deshalb besteht
die Notwendigkeit ein gewisses Verhältnis zwischen dem
Alkali und dem Metallsilikat aufrechtzuerhalten, um zu gleichmäßigen
und dichten Beschichtungen zu gelangen. Jedoch ist bei der Anwendung
des besagten Prozesses nicht erwähnt, Beschichtungen auf
dünne Bleche, Folien und Drähte aufzubringen und
das ebenfalls nicht auf kontinuierliche Weise.
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Bei
dem Verfahren, das in
U.S. Pat.
Nr. 5,616,229 offenbart ist, wurde ein Verfahren beschrieben,
bei dem eine durchschnittliche Aufbringungsrate von 2,5 Mikrometer
pro Minute erreicht worden ist. Jedoch beträgt die Dicke
der vollständig geschmolzenen inneren Schicht nur 65 Mikrometer verglichen
mit einer vollständigen Beschichtungsdicke von 100 Mikrometer.
Dies zeigt, dass dieses Verfahren Beschichtungen herstellen kann,
welche nur 65% der dichten Anfangsschicht herstellen können und
die verbleibenden 35% der externen Schicht porös mit einer
Anzahl von 4 bis 6 Poren pro cm
2 Fläche und
einem Durchschnittsporendurchmesser von 8–11 Mikrometer
sind.
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Um
diese Beschichtungen für abnutzungsresistente Anwendungen
anzupassen, muss die externe poröse Schicht genügender
Dicke vollständig durch Spahnen oder Abschleifen entfernt
werden. Abgesehen von der Tatsache, dass die Spahnungs- oder Abschleifvorgänge
teuer sind, ist das Spahnen/Abschleifen von beschichteten Teilen
von komplexer, nicht symmetrischer Form extrem schwierig und erfordert
einen hohen Grad an automatisierten Vorrichtungen und auch große
Fachkenntnis. Dies erhöht tatsächlich die Kosten
für das Beschichten pro Einheitsvolumen. Jedoch wird bei
der Anwendung des besagten Verfahrens nicht erwähnt, Beschichtungen
auf dünne Bleche, Folien oder Drähte aufzubringen
und ebenfalls nicht auf kontinuierliche Weise.
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Obgleich
die Verfahren von Mikrobogenoxidationsverfahren im Stand der Technik
dicke, dichte und haftende Beschichtungen mit höheren Aufbringungsraten
für die Beschichtung erreichen, können diese aber
keine dünnen Filme auf kontinuierliche Weise herstellen,
um mehrere Meter und Kilometer lange Bleche, Folien oder Drähte
zu beschichten, wobei es hauptsächlich erforderlich ist,
eine Hochglanzoberfläche, thermische und elektrische Isolierung, chemisches
Inertverhalten, die Fähigkeit zur Reinigung der Oberfläche,
umwelttechnische Inertanz, Abweisung gegenüber Staub und
eine gute Kratzfestigkeit zu erreichen, um mögliche Anwendungen
im Bereich von schmückenden, Isolierungs- und staubabweisenden
Anwendungen zu finden.
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Darüber
hinaus wurde das Verfahren des Standes der Technik, das für
die Beschichtung des metallischen Netzes angewendet wird, im Detail
diskutiert, jedoch ist nichts offenbart über die allgemeine Vorrichtung,
die die Beschichtungen auf den dünnen Blechen, Folien oder
Drähten aufbringt und dies ebenfalls mit einem kontinuierlichen
Verfahren und auf kontinuierlicher Skala.
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Gemäß der
Erfindung, welche in
U.S. Pat. Nr.
6,197,178 offenbart ist, ist die Vorrichtung, die zum Aufbringen
der Beschichtungen verwendet wird mit einem chemisch inerten Beschichtungstank
versehen, der in einem äußeren Tank angeordnet
ist. Der äußere Tank enthält ein Wärmeaustauschfluid. Der
Elektrolyt des inneren Tanks zirkuliert durch den Wärmeaustausch,
welcher in dem äußeren Tank selbst angeordnet
ist. Um die Wärme von dem Wärmeaustauschfluid
abzuführen, wird das Wärmeaustauschfluid von dem äußeren
Tank mittels einer Pumpe abgezogen und dann durch einen zwangsbelüfteten
Wärmetauscher geführt. Der Betrieb des Austauschers
wird automatisch überwacht, um die gewünschte
Temperatur innerhalb des elektrolytischen Bades aufrechtzuerhalten.
Jedoch besteht ein großer Nachteil bei dieser Art des Aufbaus.
Wenn eine Komponente von einer Größe, welche größer
ist als die des inneren Beschichtungstanks, beschichtet werden soll,
müssen die Abmessungen des inneren Tanks vergrößert
werden, was es wiederum erforderlich machen kann, die Abmessungen
des äußeren Tanks ebenso zu ändern. Dies
führt zu höheren Kosten für das Verfahren.
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In
unserem
indischen Patent Nr. 2,09,817 ist das
folgende Verfahren beschrieben:
Ein Verfahren zum Aufbringen
von Beschichtungen auf Körpern aus reaktiven Metallen und
Legierungen, umfassend die Elektrolyse in einer nicht metallischen,
nicht reaktiven, nicht leitenden Reaktionskammer, enthaltend eine
alkalische Elektrolytlösung mit einem pH Wert > 12 und einer Leitfähigkeit > 2 Millimhos, umfassend
Kaliumhydroxid, Natriumtetrasilikat und deionisiertes oder destilliertes
Wasser,
Untertauchen von zumindest zwei metallischen Körpern,
welche aus der reaktiven Gruppe von Metallen ausgewählt
werden, auf die die Beschichtungen aufgetragen werden sollen, wobei
die Körper auf bewegliche Weise fixiert werden und jeder
Körper mit einer Elektrode verbunden ist,
Durchleiten
eines wellenförmigen Multiphasenwechselstroms durch die
besagten Körper mittels zweier aufeinander folgenden parallel
geschalteten Thyristoren für eine gewisse Zeitspanne, welche
auf der gewünschten Dicke der Beschichtung, die erreicht
werden soll, basiert,
langsames Ansteigen des Stromes, welcher
den besagten Körpern zugeführt wird, bis die erforderliche Stromdichte
erreicht ist und dann Aufrechterhalten des Stromes auf dem gleichen
Niveau während des Verfahrens wobei das elektrische Potential
allmählich gesteigert wird, um den stärker werdenden
Widerstand der Beschichtung zu kompensieren, wenn die sichtbare
Bogenbildung auf der Oberfläche der untergetauchten Bereiche
der besagten Körper bemerkt wird,
Regelung der Zusammensetzung
des Elektrolyten durch Messung des pH-Wertes und der Leitfähigkeit während
des Verfahrens durch übliche Verfahren,
Aufrechterhalten
der Temperatur des Elektrolyten im Bereich zwischen 4°C
und 50°C und wobei der Elektrolyt kontinuierlich zirkulierend
gehalten wird während des gesamten Verfahrens.
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Das
besagte Patent offenbart ebenfalls eine Vorrichtung zur Ausführung
des besagten Verfahrens. Die besagte Vorrichtung, welche in besagtem Patent
offenbart ist, ist in den A, B und C der
dieser Beschreibung beigefügten Zeichnungen gezeigt.
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In
den Zeichnungen zeigt A die Frontansicht der Beschichtungsvorrichtung
zur Ausführung des Verfahrens, welches in der vorliegenden
Erfindung offenbart ist.
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B zeigt
die Frontansicht des Hauptsteuerungselementes zur Ausführung
des Verfahrens, welches in der vorliegenden Erfindung offenbart
ist.
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C zeigt
die Frontansicht des Fernsteuerungselementes zur Ausführung
des Verfahrens, welche in der vorliegenden Erfindung offenbart ist.
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Die
Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der
Offenbarung des besagten Patentes umfasst eine nicht metallische,
nicht leitende, nicht reaktive Kammer (1) (welche als Reaktionskammer bezeichnet
wird), welche zumindest zwei metallische Körper (2)
umfasst, deren Oberflächen beschichtet werden sollen, wobei
die Körper mit dem elektrische Energie-führenden
Arm (3) verbunden sind, der mit einem Höhenjustierungsmechanismus
(4) versehen ist, einen Einlass (5) für
den Elektrolyten, welcher auf dem Boden angeordnet ist und einen
Auslass (6) an der Oberseite der Kammer, ein analoges Voltmeter (9)
und ein Amperemeter (10), die an dem Bedienfeld der Hauptsteuerung
(8) vorgesehen sind, um die Eingangsspannung und den Strom
anzuzeigen, und wobei ein hebel typartiger elektrischer Ein/Ausschalter (11)
vorgesehen ist, ein Potentiometer (12) welches vorgesehen
ist, um den Strom zu den metallischen Körpern (2)
langsam zu erhöhen, einen Ein/Ausschalter (13),
einen Ein/Ausschalter Thyristor (14), eine manuelle/automatische
Spannungsanpassung (15) und einen Auswahlschalter für
lokale oder Fernsteuerung (16), welche ebenfalls vorgesehen
sind, einen Thyristor (nicht gezeigt) und Umspannerausgänge
(17), welche durch die separaten analogen Voltmeter (18)
und Amperemeter (19) verbunden sind, zwei separate digitale
Temperaturanzeigen (20), welche an dem Bedienfeld der Fernsteuerung (21)
angeordnet sind, wobei die Temperatur des Elektrolyten an dem Einlass
und dem Auslass durch Temperaturmessgeber (nicht gezeigt) gemessen werden,
ein Oszilloskop (22), welches an der Fernsteuerung (21)
angeordnet ist, um das elektrische Potential und die Stromwellenformen
während des Verfahrens zu überwachen, ein Digitalvoltmeter
(23) und Amperemeter (24), welche an dem Fernsteuerungsbedienfeld
(21) angeordnet sind und benutzt werden, um die Veränderungen
des Stromes und der Spannung während des Beschichtungsprozesses
zu überwachen, und wobei die Höhe der elektrolytischen
Füllung (7) in der Reaktionskammer (1)
durch einen Drehschalter (25) angepasst wird, welcher an der
Bedieneinheit der Fernsteuerung (21) angeordnet ist und
einen Notfallstopknopf (26), der an dem Fernsteuerbedienfeld
(21) angeordnet ist, um die Stromversorgung zu den Körpern
im Falle eines Notfalls zu beenden.
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Die
Nachteile der Vorrichtung, welche in unserem früheren Patent
Nr.
2,09,817 offenbart
sind, sind untenstehend aufgelistet:
- 1. Die
Vorrichtung ist nicht geeignet, um dünnere Beschichtungen
auf größeren Oberflächenbereichen aufzubringen.
- 2. Die Vorrichtung ist nicht geeignet, um Beschichtungen auf
dünnen Folien, Blechen und Drähten aufzubringen.
- 3. Die Vorrichtung ist geeignet, um dickere Schichten aufzubringen
(85 bis 95 Mikrometer wie im Beispiel 1 und Beispiel 2 des Patentes
Nr. 2,09,817 gezeigt
ist) welche ein raues Oberflächenfinish besitzen, so dass
die Möglichkeit der Oberflächenreinigung schlecht
und die Oberfläche anfällig für Staubanreicherung
ist.
- 4. Die Vorrichtung ist nicht geeignet für Produktionsmaßstäbe,
da sie lediglich dem jeweiligen Design des elektrolytischen Bades
angepasst wird und ebenso zusätzlich, dass die Körper,
die beschichtet werden sollen, in dem Bad angeordnet sind und eine
große Menge Zeit für das Fixieren der Körper,
welche beschichtet werden sollen, verbraucht.
- 5. Die Vorrichtung arbeitet lediglich mit zwei-phasiger elektrischer
Energie und lässt die dritte Phase ungenutzt, was zu elektrischen
Ungleichgewichten in den elektrischen Leitungen führt.
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Daraus
kann deshalb ersehen werden, dass die Notwendigkeit besteht, ein
Verfahren zur Verfügung zu stellen für das Aufbringen
gleichmäßiger dünner Schichten auf Blechen,
Folien und Drähten für die Verbesserung der Oberflächenerscheinung, der
thermischen und elektrischen Isolierung, der chemischen Inertanz,
der Reinigungsfähigkeit der Oberfläche, der Staubabweisung,
und die eine gute Kratzfestigkeit aufweisen und ebenso für
ein Aufbringen auf kontinuierliche Weise und ebenfalls eine Vorrichtung
zur Ausführung des Verfahrens.
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Ziele der Erfindung
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Das
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Verfahren zum
Aufbringen gleichmäßiger, haftender, dünner
keramischer Schichten auf Blechen, Folien und Drähten auf
kontinuierliche Weise ohne jegliche Unterbrechung vorzuschlagen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen,
um die Bleche, Folien und Drähte, insbesondere hergestellt
aus Aluminium und dessen Legierungen, gegenüber thermischen,
chemischen, elektrischen oder Umwelteinwirkungen zu schützen.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum
Aufbringen von gleichmäßigen, haftenden, dünnen
keramischen Schichten auf Blechen, Folien und Drähten vorzuschlagen,
welches einfach und ökonomisch ist.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zur Ausführung des Verfahrens zum Aufbringen von gleichmäßigen,
haftenden, dünnen keramischen Schichten auf Blechen, Folien und
Drähten im großen Produktionsmaßstab.
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Ein
noch anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zur Ausführung des Verfahrens vorzuschlagen, ohne dass
diese ein Trafo im elektrischen Schaltkreis aufweist, so dass die
elektrischen Wellenformen, welche durch Thyristoren verändert
werden, nicht gestört werden und so die aufgebrachten Beschichtungen
noch gleichmäßiger und haftender sind.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
zur Ausführung des Verfahrens vorzuschlagen, wobei alle
drei Phasen der Stromversorgung gleichmäßig zum
Aufbringen der Beschichtung benutzt werden, so dass die Produktionsraten
höher sind und die elektrischen Ungleichgewichte minimiert
werden.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
oben genannten Ziele der vorliegenden Erfindung werden erreicht
durch ein Verfahren, welches elektro-thermale und elektro-chemische
Oxidationen von Körpern in Form von Blechen, Folien oder Drähten
umfasst, die kontinuierlich in einer Alkalielektrolytlösung
umherbewegt werden. Im weitesten Sinne stellt die vorliegende Erfindung
ein neues Verfahren zur kontinuierlichen elektrolytischen Oxidation metallischer
Bleche, Folien und Drähte zur Verfügung.
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Genaue Beschreibung der Erfindung mit
Bezug zu den beigefügten Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird noch besser verstanden anhand der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen,
wobei D die schematische Darstellung einer Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum kontinuierlichen
Aufbringen dünner keramischer Schichten auf metallischen
Blechen, Folien oder Drähten zur Verfügung, welche
im Folgenden gemeinsam als metallisches Netz bezeichnet werden,
welche eine Reaktionskammer (1) umfasst, welche aus Weichstahl
hergestellt ist, und wobei sowohl Innenseite als auch Außenseite mit
faserverstärktem Plastik (FRP) für verbesserte
Sicherheit und um jegliche Leckage von elektrischer Energie zu vermeiden
versehen sind, wobei die Reaktionskammer (1) fähig
ist, eine Alkalielektrolytlösung (2) aufzunehmen,
welche Kaliumhydroxid, Natriumtetrasilikat in deionisiertem oder
destilliertem Wasser umfasst und wobei die Reaktionskammer (1) mit
perforierten Nylontüchern (3) versehen ist, wobei die
Tücher an jeder Ecke miteinander verbunden und lösbar
befestigt sind und entlang der Längswände der
Reaktionskammer (1) angeordnet sind, wobei das Nylontuch
(3) mit drei Nylonstangenführungen (4)
und ebenso mit drei Kupferstangen (5) versehen ist, die
frei rotierbar sind, wobei jede der Kupferstangen (5) kreisförmige
Geometrie aufweist und separat mit den R, Y und B Phasen der Stromversorgung
mittels Kupferklammern (8) hoher Leitfähigkeit
verbunden ist, welche eine innere kreisförmige Geometrie aufweisen,
wobei jede Phase (R, Y und B Phase) mit zwei aufeinander folgen den
parallel geschalteten Thyristoren (6) versehen ist, wobei
die Ausgänge der Thyristoren (6) mit jedem der
Kupferstäbe (5) verbunden sind, welche drei Stromtransformatoren
(CTs) (7) benutzen, und wobei drei Aufwickelnylonstangen
(9), wobei jede drehbar ist durch Antriebsmittel (10),
die zum Aufwickeln des metallischen Netzes nach dessen Beschichtung
vorgesehen sind, im oberen linken Bereich des Nylontuches (3)
angeordnet sind und wobei die Kammer (1) ebenso einen Einlass
(11) für den Elektrolyten, der auf dem Boden der
Reaktionskammer (1) vorgesehen ist, aufweist und zwei Ausgänge
(12) für den Elektrolyten, der auf der anderen Seite
relativ zur Einlassseite oben an der Reaktionskammer (1)
angeordnet ist.
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Durch
Veränderung des Ortes der frei rotierbaren Nylonstangenführungen
(4) entweder vertikal oder horizontal im Bad, ist es möglich,
den gesamten Oberflächenbereich des metallischen Netzes,
der beschichtet ist, zu ändern ohne den grundlegenden Aufbau
der Reaktionskammer zu ändern. Dies kann dadurch erreicht
werden, indem das perforierte Nylontuch (3) benutzt wird,
welches die Einrichtung mehrerer Nylonführungsstangen (4)
erlaubt, so dass die Netze, die beschichtet werden sollen, zickzackförmig hindurchgeführt
werden können, um die Verweildauer der Körper
in dem Bad zu erhöhen und damit den Kontaktbereich des
metallischen Netzes zu erhöhen, der mit dem Elektrolyten
beschichtet werden soll, ohne dass irgendwelche anderen Änderungen
des Aufbaus an der Reaktionskammer (1) notwendig sind und
somit die Gesamtproduktivität sich erheblich erhöht
und die Leistung der Vorrichtung voll ausgenutzt wird. Das beschichtete
Netz kann durch die Elektrolytlösung (2) bewegt
werden mittels Antriebsmitteln, welche auf eine oder mehrere Kupferstangen
(5), Aufwickelnylonstangen (9) einwirken, die
in der Lage sind, sich mit vorgegebenen Umdrehungen pro Minute zu
drehen mittels Benutzung eines Antriebs (10), der an dem äußeren
Rahmen der Reaktionskammer (1) angeordnet ist und mit der
Hilfe eines konventionellen Übersetzungsgetriebesystems,
so dass die lineare Geschwindigkeit des metallischen Netzes oder mit
anderen Worten die Verweildauer des Netzes innerhalb des Bades durch
Anpassung der Umdrehungen pro Minute des Antriebs gesteuert wird.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung, wird ein Verfahren zur Verfügung
gestellt zum Aufbringen von Beschichtungen auf Metallblechen, -folien
oder -drähten, die im Folgenden gemeinsam als metallisches
Netz bezeichnet werden, umfassend
Eintauchen von zumindest
drei metallischen Netzen, die aus der reaktiven Gruppe von Metallen,
die beschichtet werden sollen, ausgewählt werden, in eine alkalische
Elektrolyt lösung mit einem pH-Wert > 12 und einer Leitfähigkeit > 2 Millimhos umfassend
Kaliumhydroxid, Natriumtetrasilikat in deionisiertem oder destilliertem
Wasser, welches in der Reaktionskammer (1) des oben definierten
Gerätes enthalten ist,
Durchleiten von Wellen-Multiphasen
Wechselstrom durch das besagte Netz mittels den aufeinander folgenden
parallel geschalteten Thyristoren für eine Zeitspanne,
welche auf der gewünschten Dicke der zu erzielenden Beschichtungen
basiert,
Langsames Ansteigen des Stromes, welcher dem besagten
Netz zugeführt wird, bis die erforderliche Stromdichte
erreicht ist,
Fluss des Elektrolyten, senkrecht zu der Richtung des
sich bewegenden metallischen Netzes derart, so dass der Querstrom
erreicht wird zur effektiven Wärmeableitung in der Reaktionskammer,
Aufrechterhalten
des Stromes auf dem selben Niveau während des Verfahrens,
Allmähliches
weiteres Ansteigen des elektrischen Potentials, um den erhöhten
Widerstand der Beschichtung zu kompensieren, wenn die sichtbare
Bogenbildung auf der Oberfläche der untergetauchten Bereiche
des besagten Netzes bemerkt wird,
Regulieren der Zusammensetzung
des Elektrolyten durch Messung seines pH-Wertes und der Leitfähigkeit
während des Verfahrens durch übliche Methoden,
Aufrechterhalten
der Temperatur des Elektrolyten im Bereich zwischen 4°C
und 50°C wobei der Elektrolyt kontinuierlich während
des Verfahrens zirkulierend gehalten wird und Entfernung des beschichteten
Netzes durch Herausnahme der perforierten Nylontücher aus
der Reaktionskammer.
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Die
elektrolytische Lösung (2) tritt in die Reaktionskammer
(1) durch den Einlass (11) ein, welcher am Boden
der Reaktionskammer (1) angeordnet ist und verlässt
die Reaktionskammer (1) durch zwei Auslässe (12),
welche auf der gegenüberliegenden Seite relativ zu der
Einlassseite oben an der Reaktionskammer (1) angeordnet
sind. Ein elektrischer Drei-Phasen Strom wird durch zwei aufeinander
folgende parallel geschaltete Thyristoren (6) zugeführt, die
für jede Phase (R, Y und B Phase) bereit gestellt sind,
und wobei diese dazu verwendet werden, um die Strom und Spannungswellenform
zu verändern. Alle die drei Phasen des geänderten
wellenförmigen elektrischen Stromes werden durch drei metallische Netze,
welche beschichtet werden sollen, hindurchgeleitet und führen
zu einer verbesserten Herstellungsrate und minimieren elektrische
Ungleichgewichte in den elektrischen Hauptleitungen. Drei Stromtransformatoren
(CTs) (8), bestehend aus x, y, z und einem gemeinsamen
Punkt c, werden den R, Y und B Phasen derart zur Verfügung
gestellt, so dass die Stärke des Stromflusses in den drei
Phasen separat gemessen werden und das resultierende elektrische
Durchschnittsignal einem Thyristorblock (6) zugeführt
wird, so dass eine konstante Stromversorgung während des
gesamten Verfahrens zum Aufbringen von Beschichtungen bereitgestellt
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der
Elektrolyt, der benutzt wird, Kaliumhydroxid und Natriumtetrasilikat
in dem bevorzugten Verhältnis 2:1 enthalten. Das Netz,
auf das die Beschichtung aufgebracht werden soll, kann aus der reaktiven
Gruppe der Metalle ausgewählt werden, bestehend aus Al,
Ti, Mg, Zr, Ta, Be, Ge, Ca, Te, Hf, V und ihren binären,
tertiären und Mehrkomponenten-Legierungen mit Elementen
wie Cu, Zn, Mg, Fe, Cr, Co, Si, Mn, Al, Ti, Mg, Zr, Ta, Be, Ge,
Ca, Te, Hf, V, W.
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Das
Material des Netzes kann mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit
bewegt werden mittels Regelung der Geschwindigkeit des Antriebs
(10). Die Lineargeschwindigkeit des Netzes wird berechnet auf
Grundlage der Verweildauer in dem Bad, die für die Aufbringung
der nötigen Schichtdicke erforderlich ist. Der Elektrolyt
fließt in die Richtung senkrecht zu der Richtung des sich
bewegenden Netzes auf solche Weise, so dass der Querfluss erreicht
wird für effektive Wärmeableitung in der Reaktionskammer.
Die Flussrate des Elektrolyten in Litern/Minute wird berechnet auf
Grundlage des Oberflächenbereichs des Netzes, welcher beschichtet
werden soll, so dass das Verhältnis von Gesamtoberflächenbereich
(in cm2) zur Flussrate (in Litern/Minute)
zwischen 0,1 und 1,2 aufrechterhalten wird und ebenfalls um eine
konstante Temperatur des Bades aufrechtzuerhalten. Der Elektrolyt
zirkuliert durch ein luftgekühltes Wärmetauschersystem,
so dass die Badtemperatur konstant gehalten wird. Dementsprechend
tritt der gekühlte Elektrolyt in die Reaktionskammer durch
den Einlass (11) ein, welcher an deren Boden angeordnet
ist und der heiße Elektrolyt verlässt sie durch
die Auslässe (12) ausgehend von der Oberseite
der Kammer. Zwei aufeinanderfolgende parallel geschaltete Thyristoren,
die jeder Phase (R, Y und B Phase) zur Verfügung gestellt
werden, werden verwendet zur Änderung der Strom- und Spannungswellenformen.
Der Zündwinkel der Thyristoren basiert auf dem Rückmeldesignal,
welches von der Abnahme des Mittelwertes des elektrischen Stromes erhalten
wird, welcher durch jede individuelle Phase hindurch tritt und von
dem Benutzen dieses Mittelwertes als ein Rückmeldesignal,
so dass eine konstante Stromzufuhr während des Verfahrens
aufrechterhalten wird. Der geänderte wellenförmige
elektrische Strom wird durch zumindest drei Netze, welche beschichtet
werden sollen oder Vielfache von drei Netzen hindurchgeleitet. Die
Stärke des Stromes hängt von dem Kontaktoberflächenbereich
des Körpers, der mit dem Elektrolyten beschichtet werden
soll, ab. Die Gesamtzeit der Stromversorgung basiert auf der Gesamtlänge
(in Metern) des Netzes (Blech, Folie oder Draht), das beschichtet
werden soll, geteilt durch die lineare Geschwindigkeit (Meter/Sekunde)
des Körpers in dem Bad.
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Bei
der Ausführung des Verfahrens wie oben beschrieben, ist
es möglich, dünne Schichten von vorherbestimmter
Dicke im Bereich zwischen 0,25 und 10 Mikrometer auf Bleche und
Folien zu erhalten, die große Breitenbereiche zwischen
10 cm und 500 cm aufweisen und Drähten mit verschiedenen
Durchmessern zwischen 0,02 cm bis 2,0 cm und mit einer Gesamtlänge
von mehreren Kilometern ohne jegliche Unterbrechung, was höchste
Qualität der Beschichtung ermöglicht und verbesserte
Produktionsraten. Die dünnen Schichten, die so mittels
Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens erhalten wurden, wiesen
eine hochglanzpolierte Oberfläche auf, eine thermische
und elektrische Isolierung, chemische Inertanz, Oberflächenreinigungsfähigkeiten, verminderte
Haftung von Staub und gute Kratzfestigkeit. Darüber hinaus
sind die dünnen Schichten, die mittels des Verfahrens hergestellt
wurden, adhäsiver, glatter und gleichmäßiger
als die Beschichtungen, die mittels Verfahren im Stand der Technik
hergestellt wurden.
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Die
Details der Erfindung finden sich in den unten aufgeführten
Beispielen, die zum Dar stellen der Erfindung bereitgestellt werden
und beschränken daher nicht den Umfang der vorliegenden
Erfindung.
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Beispiel 1:
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Drei
hochreine Aluminiumfolien, jede 68 mm breit, 30 Mikrometer dick
und 500 m lang, werden mit dem Ausgang der Stromversorgungsquelle
verbunden. Der Gesamtoberflächenbereich, welcher in Kontakt
mit den Elektrolyten ist, wird auf ca. 2100 cm2 eingestellt
und der Dreiphasenstrom von 210 A wird durch jedes Netz hindurchgeleitet
und wird während des Verfahrens konstant gehalten. Der
Oberflächenbereich des Netzes in Kontakt wird geregelt
durch Regelung des Ortes der Nylonstäbe. Der Elektrolyt enthaltend
Kaliumhydroxid und Natriumtetrasilikat im Verhältnis 2:1
(4 g/l Kaliumhydroxid und 2 g/l Natri umtetrasilikat) wird in deionisiertem
Wasser aufgelöst und in der Reaktionskammer in Umlauf gehalten während
des Verfahrens. Die Elektrolytflussrate von 250 l/min wird während
des gesamten Verfahrens aufrechterhalten. Die Umdrehungen pro Minute
des Antriebs werden auf 550 Umdrehungen/Minute eingestellt, so dass
eine Lineargeschwindigkeit von 2,2 m/min konstant während
des gesamten Verfahrens aufrechterhalten wird. Das Verfahren wird
für eine Dauer von 3 Stunden 50 Minuten fortgeführt,
um eine Gesamtfolienlänge von 1,5 km zu beschichten, wobei eine
Ablagerung einer 0,5 Mikrometer dicken Schicht auf einem Gesamtoberflächenbereich
von 10,20,000 cm2 erreicht wird. Die so
hergestellten Schichten weisen exzellente Adhäsion auf,
ein Hochglanzoberflächenfinish und einen hohen Grad an
Gleichmäßigkeit ohne irgendwelche unbeschichteten
Bereiche und ohne irgendwelche Oberflächenstörstellen.
Zusätzlich waren die hergestellten Schichten dekorativ,
thermisch und elektrisch isolierend, chemisch inert, wiesen eine
leichte Oberflächenreinigbarkeit auf, waren staubabstoßend
und umwelttechnisch nicht reaktiv.
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Beispiel 2:
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Neun
Aluminiumrollen für elektrische Anwendungen, wobei jede
Drähte von 4 mm Durchmesser, und 1000 m (1 km) Länge
umfasst, werden mit dem Ausgang der Stromversorgungsquelle verbunden.
Der Gesamtoberflächenbereich in Kontakt mit den Elektrolyten
wird auf ca. 2.260 cm2 eingestellt und der
Drei-Phasen Strom von 225 A wird durch jedes Netz hindurchgeleitet
und während des gesamten Verfahrens konstant gehalten.
Der Oberflächenbereich des Netzes in Kontakt wird eingestellt
durch Einstellung des Ortes und ebenso durch Hinzufügung
von Nylonstangen. Um laterale Bewegungen zu vermeiden, wird der
Draht durch individuelle nichtmetallische Führungen geführt,
welche an den Nylonstangen befestigt sind, so dass jegliche Möglichkeit eines
elektrischen Kurzschlusses vollständig vermieden wird.
Der Elektrolyt enthaltend Kaliumhydroxid und Natriumtetrasilikat
im Verhältnis 2:1 (4 g/l Kaliumhydroxid und 2 g/l Natriumtetrasilikat),
in deionisiertem Wasser aufgelöst, zirkuliert während
des Verfahrens durch die Reaktionskammer. Die Elektrolytflussrate
von 1200 l/min wird während des gesamten Verfahrens aufrechterhalten.
Die Umdrehungen pro Minute des Antriebs werden auf 550 Umdrehungen/Minute
eingestellt, so dass eine lineare Geschwindigkeit von 2,7 m/min
während des gesamten Verfahrens aufrechterhalten wird.
Das Verfahren wird für eine Gesamtdauer von 6 Stunden fortgesetzt,
um eine Gesamtfolienlänge von 9 km zu beschichten. Die
durchschnittliche Schichtdicke beträgt 1,0 Mikrometer.
Die Schichten, die gebildet wurden, weisen exzellente Adhäsion
auf, ein Hochglanzoberflächenfinish und einen hohen Grad
an Gleich mäßigkeit ohne irgendwelche unbeschichteten
Bereiche und ohne irgendwelche Oberflächenstörstellen.
Zusätzlich sind die aufgebrachten Schichten dekorativ,
thermisch und elektrisch isolierend, chemisch inert, weisen eine
leicht zu reinigende Oberfläche auf, ebenso haftet Staub
nicht und sie sind umwelttechnisch nicht reaktiv.
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Beispiel 3:
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Drei
Aluminiumlegierungsbleche mit 136 mm Breite, 0,2 mm Dicke wurden
dem Verfahren wie es in Beispiel 1 beschrieben ist, unterzogen.
Der Oberflächenbereich des Netzes in Kontakt wird eingestellt durch
Einstellung des Ortes der Nylonstäbe. Der Elektrolyt enthaltend
Kaliumhydroxid und Natriumtetrasilikat im Verhältnis 2:1
(4 g/l Kaliumhydroxid und 2 g/l Natriumtetrasilikat), in deionisiertem
Wasser aufgelöst, wird während des gesamten Verfahrens
in der Reaktionskammer zirkuliert. Die Elektrolytflussrate von 250
l/min wird während des gesamten Verfahrens aufrechterhalten.
Die Umdrehungen pro Minute des Antriebs werden so gewählt,
so dass eine lineare Geschwindigkeit von 0,22 m/min während
des gesamten Verfahrens aufrechterhalten wird. Das Verfahren wird
für eine Gesamtdauer von 3 Stunden 50 Minuten fortgesetzt,
um eine Gesamtfolienlänge von 1,5 km zu beschichten, was
eine Ablagerung einer 5 Mikrometer dicken Schicht auf einem Gesamtoberflächenbereich
von 10,20,000 cm2 zum Ergebnis hat. Der
angewendete Strom, die Elektrolytflussrate und die Behandlungszeit
wurden entsprechend berechnet und die Schichten von 5 Mikrometer
Dicke wurden erfolgreich aufgebracht. Die Schichten waren gleichmäßig,
homogen, umwelttechnisch nicht reaktiv und elektrisch und thermisch
isolierend. Weiterhin wiesen die hergestellten Schichten ebenfalls
eine gute Kratzfestigkeit auf.
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Für
einen Fachmann des Standes der Technik ist es offensichtlich, dass Änderungen
und Modifikationen im Rahmen und Umfang der vorliegenden Erfindung
durchgeführt werden können. Dementsprechend werden
solche Änderungen und Modifizierungen ebenfalls durch den
Umfang der Erfindung abgedeckt.
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Vorteile der Erfindung
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- 1. Die Schichten, die durch das vorliegende
Verfahren erhalten wurden unter Benutzung der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung sind gleichmäßig, weisen eine glänzende
Oberfläche auf und sind gut mit dem Substrat verbunden.
- 2. Die Bleche, Folien und Drähte, die durch das Verfahren
vorbereitet werden unter Benutzung der Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung können direkt für Anwendungen mit dekorativem,
automobilem, räumlichem, leichtem Korrosions-, Antistaubhaftungs-,
glänzendem/mattem, isolierendem, schwach chemisch widerstandsfähigem Charakter
benutzt werden.
- 3. Das Verfahren, welches die beschriebene Vorrichtung benutzt,
erlaubt das kontinuierliche Herstellen von Beschichtungen ohne das
Verfahren mit dem Netz von mehreren Kilometern Länge zwischenzeitlich
zu stoppen.
- 4. Das Verfahren, welches die in der vorliegenden Erfindung
offenbarte Vorrichtung benutzt, erlaubt eine schnelle Herstellung
von dünnen Schichten auf Flächen, Folien und Drähten.
- 5. Die Gesamtkosten für die Ablagerungen der Schichten
auf dem Netz durch die vorliegende Erfindung sind vernachlässigbar
klein verglichen mit den Beschichtungen, die mit den bisher bekannten
Verfahren hergestellt waren.
- 6. Das Netz, welches einen großen Bereich unterschiedlicher
Breiten und Dicken im Fall von Blechen und Folien oder mit verschiedenen
Durchmessern im Fall von Drähten aufweisen kann ohne jegliche Änderungen
im Aufbau der Vorrichtung, welche in der vorliegenden Erfindung
offenbart ist, behandelt werden.
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Es
muss angemerkt werden, dass die vorliegende Erfindung durch einen
Fachmann verändert oder angepasst oder modifiziert werden
kann. Derartige geänderte Ausführungsformen, welche
die Konzepte und Merkmale dieser Erfindung benutzen, liegen im Umfang
der vorliegenden Erfindung, welche weiter anhand der folgenden Ansprüche
dargelegt wird:
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6197178 [0008, 0018]
- - US 5616229 [0011, 0014]
- - IN 209817 [0019, 0025, 0025]