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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Gegenstandes.
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Die
WO 2006/119962 A2 beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von metallischen Gegenständen mit einer metallischen Einschmelzlegierung. Die Einschmelzlegierung ist als NiCrBSi-Pulver ausgebildet und mit einem Bindemittel versetzt. Mit einer Flüssigkeit wird diese Mischung zu einem Einschmelzschlicker vermischt. Der Einschmelzschlicker wird dann auf den Gegenstand aufgebracht; anschließend erfolgt das Einschmelzen bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Einschmelzlegierung. Als Bindemittel wird ein Emaillepulver oder ein anorganischer Kleber verwendet.
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Dieses bekannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Verschleißschutzschicht hochflexibel auch auf komplex geformte, auch hinterschnittene, Oberflächen aufgebracht werden kann. Als Lösungsmittel kann Wasser verwendet werden, was aus ökologischen Gesichtspunkten vorteilhaft ist. Das Bindemittel ist allerdings vergleichsweise teuer in der Anschaffung und ökologisch nicht vollständig unbedenklich.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein alternatives Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen bereit zu stellen, das sich insbesondere durch eine verbesserte Umweltverträglichkeit auszeichnet. Als Lösungsmittel soll die Verwendung von Wasser möglich sein.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Werkstoffanordnung nach Anspruch 12; bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Beschichten eines Gegenstandes, insbesondere der metallischen Oberfläche dieses Gegenstandes, vorgesehen. Insbesondere kann auf diese Weise eine Verschleißschutzschicht auf dem Gegenstand hergestellt werden. Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
Bereitstellen von Hartpartikeln, einem Bindemittel und Wasser als Lösungsmittel, welches insbesondere zu einem Bindemittel-, einem Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch oder einem Pulvergemisch verarbeitet ist. Die Hartpartikel, das Bindemittel und das Lösungsmittel werden auf die zu beschichtende Oberfläche des Gegenstandes aufgebracht. Anschließend wird der so beschichtete Gegenstand einer Temperatur von zumindest 900°C, vorzugsweise zumindest 1000°C, unterzogen, wodurch das Bindemittel aus dem Gemisch entfernt wird und die Hartpartikel fest mit der Oberfläche verbunden werden. Als Bindemittel werden Zelluloseetherderivate, Gelatine oder Stärke verwendet.
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Der Vorteil der Verwendung von Zelluloseetherderivaten, Gelatine oder Stärke ist deren sehr gute Lösbarkeit insbesondere in Wasser. Durch das Konzentrationsverhältnis des Bindemittels im Lösungsmittel, insbesondere im Wasser, kann die Viskosität des Gemischs variabel eingestellt werden. Unter dem Begriff Bindemittel-Gemisch wird nachfolgend ein Gemisch aus Bindemittel und Lösungsmittel ohne Hartpartikel verstanden. Unter dem Begriff Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch wird ein Gemisch aus Hartpartikeln, Bindemittel und Lösungsmittel verstanden. Unter dem Begriff Pulvergemisch wird ein Gemisch aus Hartpartikeln und Bindemittel verstanden. Unter dem Begriff Gemisch sind, das Bindemittel-Gemisch, das Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch und das Pulvergemisch zu verstehen.
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Wasser ist als Lösungsmittel ökologisch unbedenklich und vergleichsweise kostengünstig. Die Zelluloseetherderivate, Gelatine und die Stärke sind ökologisch vollkommen unbedenklich und kostengünstig in der Anschaffung. Insofern sind die ökologischen Anforderungen durch kostengünstige Ausgangsstoffe erfüllt.
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Durch die variable Einstellbarkeit der Viskosität können zum einen recht zähflüssige Gemische hergestellt werden, die sich für einen mechanischen Auftrag eignen. Zum anderen können aber auch recht dünnflüssige Gemische bereitgestellt werden, die sich insbesondere für eine spritzende Auftragung eignen, ähnlich dem Lackieren. Das Bindemittel haftet zum einen auf der zu beschichtenden Oberfläche an; zum anderen kann das Bindemittel auch die Hartpartikel binden. Somit können die Hartpartikel zunächst auf der Oberfläche gebunden werden; die endgültige Fixierung der Hartpartikel erfolgt dann durch Einschmelzen. So lässt sich beim Auftragen und auch beim Einschmelzen eine sehr gleichmäßige Schicht erzeugen.
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In einer ersten Ausgestaltung wird das Bindemittel und das Wasser zu einem Bindemittel-Gemisch verarbeitet. Anschließend wird dieses Bindemittel-Gemisch auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht, wobei anschließend auf das Bindemittel-Gemisch die Hartpartikel aufgebracht werden. Das Bindemittel-Gemisch stellt eine Art Haftvermittler auf der zu beschichtenden Oberfläche dar. Anschließend werden die Hartpartikel auf diesen Haftvermittler aufgebracht. Das Bindemittel-Gemisch kann durch Sprühen oder Spritzen insbesondere zerstäubend aufgebracht werden. Die Hartpartikel können durch Sprühen, Schütten, Aufblasen oder durch Eintunken des mit dem Bindemittel-Gemischs versehenden Gegenstandes in eine Schüttung der Partikel aufgebracht werden. Es sind Schichtdicken von weniger als 0,2 mm, insbesondere weniger als 0,1 mm erzielbar.
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In einer zweiten Ausgestaltung, werden zunächst die Hartpartikel, das Bindemittel und das Wasser zu einem Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch verarbeitet. Anschließend wird dieses Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Dies kann insbesondere durch Aufspritzen erfolgen. Bei dieser zweiten Ausgestaltung ist der Haftvermittler, also das gelöste Bindemittel, bereits mit den Hartpartikeln in dem Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch vermischt. Dieses Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch wird in einem Schritt auf die Oberfläche des Gegenstands aufgebracht. Auch dieses Verfahren eignet sich zur Herstellung von recht dünnen Schichten in der oben genannten Größenordnung.
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Eine dritte Ausgestaltung ist eine Variante der ersten Ausgestaltung. Dabei wird ein Pulvergemisch auf den Gegenstand aufgetragen, der bereits mit dem Lösungsmittel benetzt ist. Dies kann anhand einer Pulversprühapparatur erfolgen. Dies kann durch elektrostatische Pulverbeschichtung erfolgen.
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Bevorzugt werden die vorgenannten Schritte mehrfach nacheinander durchgeführt. Dabei können die Varianten der ersten Ausgestaltung, der zweiten und/oder der dritten Ausgestaltung auch nacheinander kombiniert angewendet werden. Ferner können bei mehreren Durchläufen auch jeweils abweichende Hartpartikel oder jeweils abweichende Bindemittel verwendet werden, wodurch ein Mehrschichtaufbau erreicht wird. Die einzelnen Schritte können in ihrem technischen Ablauf standardisiert sein. Durch die mehrfache Ausführung können so trotz Standardschritte variable Schichtdicken erzeugt werden.
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In den vorgenannten Verfahren der ersten oder zweiten Ausgestaltung weist das Gemisch eine niedrige Viskosität von maximal 106 cP auf. Eine solche geringe Viskosität ist insbesondere geeignet für das Aufspritzen oder das Sprühen des Gemischs auf den Gegenstand, da die Spritzwerkzeuge für niedrigviskose Flüssigkeiten bevorzugt geeignet sind. Durch die Lösbarkeit des verwendeten Bindemittels in Wasser lassen sich die verwendeten Spritzwerkzeuge auch sehr gut reinigen. Ein Verkleben durch das Bindemittel kann somit fast völligständig ausgeschlossen werden.
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Alternativ kann das Gemisch, insbesondere das Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch, auch als zähflüssige Masse angerührt werden. Dann weist das Gemisch eine Viskosität von zumindest 106 cP auf. Es ergibt sich eine Art Knetmasse, die beliebig zur Modellierung verwendet werden kann. Anhand des Gemischs, insbesondere des Hartpartikel-Bindemittel-Gemischs können auch Freihandformen erzeugt werden; dieses Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch kann auch in eine Form eingebracht werden und darin aushärten.
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Ein solch zähflüssiges Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch kann auch auf eine Trägerfolie aufgebracht werden und mitsamt der Trägerfolie auf den Gegenstand aufgebracht werden. Wie eine Scheibe Schmelzkäse ist das Gemisch dann auf der Trägerfolie vorhanden und kann beliebig auf den Gegenstand aufgebracht werden. Die Trägerfolie wird anschließend abgezogen oder verbrennt beim Einschmelzvorgang. Eine Folie kann einseitig oder zweiseitig auf dem Gemisch aufgebracht sein.
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Das als eine Art Knetmasse vorliegende Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch kann vorher in eine definierte Schichtdicke gebracht werden um so gewünschte Schichtstärken herstellen zu können. Zudem kann die Knetmasse auf einer speziellen Trägerfolie aufgebracht und eine definierte Dicke gewalzt werden. Anschließend kann die Knetmasse mit einer weiteren speziellen Folie abgedeckt werden, wodurch ein Sandwich aus Folie, Knetmasse und Folie entsteht. Die zu beschichtende Fläche kann dann mit einem Zelluloseether oder einem anderen Bindemittel-Gemisch befeuchtet werden. Dann wird zuerst die eine Abdeckfolie entfernt, die Knetmasse auf den Gegenstand aufgebracht und anschließend wird die weitere Trägerfolie abgezogen. Anschließend erfolgt das Einschmelzen. Nach dem Aufbringen, aber vor dem Erhitzen, kann das Gemisch auf dem Gegenstand bei Raumtemperatur trocknen und bilden so eine feste, trockne und auf dem Bauteil bereits fest anhaftende Schicht aus, die aber noch nicht gewünschte Stabilität aufweist. Allerdings eignet sich in diesem Zustand diese vorgefestigte Schicht gut für eine geometrische Feinbearbeitung, in der die Schicht in ihrer Ausgestaltung angepasst werden kann. Erst nach dem Erhitzen des Gegenstandes auf die Temperatur im Schmelzbereich der Hartpartikel erfolgt die endgültige Fixierung.
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Sowohl das Lösemittel als auch das Bindemittel entweichen beim Einschmelzvorgang vollständig aus dem Gemisch. Etwaige Trägerfolien werden insbesondere vor dem Einschmelzen vollständig entfernt. Die so erzeugte Beschichtung ist nun untrennbar mit dem Gegenstand verbunden und kann aufgrund ihres tribologischen Verhaltens einen Bauteilverschleiß begrenzen oder gänzlich verhindern.
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Die Hartpartikel können zusätzlich keramische und/oder metallische Partikel umfassen, insbesondere Carbide, Nitride und Oxide z.B. Siliziumnitrid, Wolframschmelzcarbid. Die Hartpartikel weisen insbesondere eine Partikelgröße von maximal 200µm auf. Das Lösungsmittel besteht vorzugsweise ausschließlich aus Wasser.
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Als Hartpartikel werden bevorzugt Partikel aus einer Nickelbasislegierung, einer Kobaltbasislegierung oder einer Eisenbasislegierung und/oder Partikel mit einer Härte von zumindest 45 HRC verwendet. Das Volumenverhältnis von Hartpartikeln zu Bindemittel beträgt vorzugsweise zumindest 10:1. Der Volumenanteil des Bindemittels im Gemisch aus Hartpartikeln und Bindemittel beträgt vorzugsweise maximal 7 Vol%, vorzugsweise zumindest 2 Vol%.
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Unter, in oder auf die Schicht des Gemischs kann zusätzlich ein insbesondere feinmaschiges Metallnetz angebracht werden. Das Metallnetz kann als eine Art Skelett dienen und kann ein Verlaufen des noch nicht eingeschmolzenen Gemisches verhindern. Bei einer induktiven Erwärmung wird das Metallnetz stärker erhitzt als das Grundmaterial; somit können auch Bauteile mit einem niedrigeren Schmelzpunkt beschichtet werden. Das Metallnetz selbst kann als Verstärkung der Schicht dienen.
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Das Aufspritzen der Hartpartikel bzw. der Bindemittel auf das Werkzeug kann zwar gleichzeitig erfolgen; es können aber unterschiedlichen Spritzdüsen verwendet werden, wobei aus der einen Spritzdüse das Bindemittel-Gemisch und aus der anderen Spritzdüse die Hartpartikel gespritzt werden. Die jeweiligen Spritzdüsen können so optimal auf das jeweilige Material ausgelegt werden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Werkstoffanordnung zum Auftragen auf Gegenständen oder zur Bildung von Gegenständen. Die Werkstoffanordnung umfasst die folgenden Komponenten
keramische und/oder metallische Partikel als Hartpartikel,
Zelluloseetherderivate, Gelatine oder Stärke als Bindemittel und
Wasser als Lösungsmittel. Insbesondere sind die Komponenten vollständig oder teilweise zu einem Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch oder einem Bindemittel-Gemisch verarbeitet. Die Schmelztemperatur der Hartstoffe beträgt zumindest 900, vorzugsweise zumindest 1000°C. Die bezüglich des Verfahrens genannten Vorteile, weiteren Ausgestaltungen und Abwandlungen treffen auch auf den beanspruchten Werkstoff zu.
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Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung des Werkstoffs nach dem vorherigen Anspruch zum Formen eines Werkstücks. Bei dieser Verwendung weist das Gemisch, welches sowohl die Hartpartikel als auch das Bindemittel und das Lösungsmittel umfasst, eine Viskosität von zumindest 106 cP auf und ist damit vergleichsweise zähflüssig. Das Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch wird in eine Form eingebracht. Anschließend erfolgt das Erhitzen des Hartpartikel-Bindemittel-Gemischs auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Hartpartikel.
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In einer alternativen Verwendung wird der Werkstoff in einem 3D-Drucker verwendet. Das mit dem Wasser gelöste Bindemittel wird gemeinsam oder separat mit den Hartpartikeln schichtweise zum zu erzeugenden Gegenstand aufgetragen. Falls die Hartpartikel separat zum Bindemittel aufgetragen werden, kann dies anhand einer anderen Spritzdüse erfolgen. Das Erhitzen der Hartpartikel auf deren Schmelztemperatur kann dann erfolgen, wenn das Bauteil vollständig aufgebaut ist. Dann kann das Bauteil induktiv erwärmt werden. Die Erwärmung kann aber in regelmäßigen Abständen während des Aufbaus des Gegenstandes erfolgen, so dass das Einschmelzen schichtweise erfolgt.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Zelluloseether-Gemisch und Hartpartikel in Pulverform (Pulvergranulatgröße von etwa 160µm) mit Hilfe einer Spritzpistole als zusammenhängende Schicht auf ein metallisches oder keramisches Bauteil aufgetragen. Die Schicht hat eine Schichtdicke von 0,05 mm. Der Gegenstand wird anschließend einer Temperatur von > 900°C ausgesetzt, wodurch die Hartpartikel mit dem Gegenstand zu einem festen zusammenhängenden Verbund verschmolzen werden. Das Aufschmelzen erfolgt in einem Ofen oder per Induktion. Dabei wird nur das Gemisch, nicht aber der Gegenstand in einen geschmolzenen Zustand versetzt.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird ein zähflüssiges Hartpartikel-Bindemittel-Gemisch mit einer Schichtdicke von ca. 1 mm auf eine Trägerfolie aufgebracht. Dieses Gemisch wird mit einer Abdeckfolie versehen. Auf dieser Abdeckfolie erfolgt ein Walzen der Schicht auf weniger als 1 mm Schichtdicke des Gemischs. Anschließend wird die Abdeckfolie entfernt, die Schicht mit Hilfe der Trägerfolie auf einen zu beschichtenden Gegenstand aufgebracht und anschließend die Trägerfolie entfernt. Die Anordnung aus Gemisch und Gegenstand wird anschließend in einem Ofen oder durch Induktion auf 900°C erhitzt, so dass die Hartpartikel eingeschmolzen werden. Das Wasser sowie das Bindemittel entweichen vollständig aus dem Gemisch.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel wird ein Zelluloseether und Hartpartikel, jeweils in Pulverform (Pulvergranulatgröße von etwa 160µm) zu einem Pulvergemisch vermischt. Das Bauteil ist mit Wasser benetzt. Das Pulvergemisch wird auf die befeuchtete Oberfläche des Gegenstandes aufgesprüht und bleibt dort haften. Die Schicht hat eine Schichtdicke von ca. 0,05 mm. Dieser Schritt wird mehrfach durchgeführt bis die gewünschte Schichtdicke erreicht wird. Der Gegenstand wird anschließend einer Temperatur von > 900°C ausgesetzt, wodurch die Hartpartikel mit dem Gegenstand zu einem festen zusammenhängenden Verbund verschmolzen werden. Das Einschmelzen erfolgt in einem Ofen oder per Induktion.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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