-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer Schutzschicht versehenen metallischen Grundkörpers. Aus der
EP 1 880 039 B1 ist ein Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen mit einer metallischen Einschmelzlegierung bekannt. Die Einschmelzlegierung liegt als NiCrBSi-Pulver vor. Gemeinsam mit einem Bindemittel und einer Flüssigkeit wird die Legierung zu einem Einschmelzschlicker verarbeitet, wobei das Bindemittel eine Temperaturbeständigkeit von mehr als 400° aufweist. Der Einschmelzschlicker wird auf den Gegenstand aufgebracht; anschließend wird der Gegenstand einer im Schmelzbereich der Einschmelzlegierung liegenden Temperatur von mehr als 1000°C ausgesetzt, wodurch das Einschmelzen des Schlickers auf den Gegenstand erfolgt. Als Bindemittel wird eine Emaille oder ein anorganischer Kleber verwendet.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vebessertes Verfahren zum Beschichten von metallischen Gegenständen bereit zustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1; bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte:
- 1. Bereitstellen eines metallischen Grundkörpers.
- 2. Bereitstellen eines Flussmittel-Schichtpulvergemischs, welches metallische Schichtpulverbestandteile sowie Flussmittelpulverbestandteile umfasst. Die Schichtpulverbestandteile können metallische Bestandteile von einer oder mehreren Arten umfassen. Gleichsam können die Flussmittelbestandteile eine oder mehrere Arten von Flussmitteln umfassen.
- 3. Auftragen und Fixieren des Flussmittel-Schichtpulvergemischs auf den, insbesondere unbeschichteten, Grundkörper. Dies kann erfolgen durch Verflüssigen zumindest der Flussmittelpulverbestandteile und Anbringen des Flussmittel-Schichtpulvergemischs auf den unbeschichteten Grundkörper, anschließend Verfestigen der verflüssigten Flussmittelpulverbestandteile, wodurch die Schichtpulverbestandteile auf dem Grundkörper fixiert werden. Bei dieser Fixierung handelt es sich lediglich um eine vorläufige Fixierung; die Vorbeschichtung kann in diesem Stadium noch angepasst werden; es lassen sich manuell selektiv und lokal Schichtdicken verstärken oder verringern.
- 4. Einschmelzen der zumindest eines der Schichtpulverbestandteile mit dem Grundkörper, dabei a) Erhitzen des vorbeschichteten Grundkörpers auf eine Temperatur auf oder oberhalb einer Schmelztemperatur des jeweiligen metallischen Schichtpulverbestandteils und anschließend b) Abkühlen des vorbeschichteten Grundkörpers unterhalb dieser Schmelztemperatur.
-
Dabei wirken die Flussmittelbestandteile wie ein temporärer Klebstoff bzw. Bindemittel, welches die Schichtpulverbestandteile auf den Grundkörper fixieren. Das Flussmittel bewirkt zudem die bekannten positiven Wirkungen während dem Einschmelzen, nämlich die Verringerung von Oxidationen auf der Oberfläche sowie eine homogenere Oberfläche der Schicht.
-
Bevorzugt erfolgt die Fixierung der Flussmittelpulverbestandteile durch ein Erwärmen der Flussmittelpulverbestandteile auf eine Temperatur auf oder oberhalb einer Verflüssigungstemperatur, insbesondere einer Liquidustemperatur, der Flussmittelpulverbestandteile. In diesem Fall wirken die Flussmittelpulverbestandteile selbst wie ein Lösemittel; der Zugabe eines weiteren Lösemittels bedarf es nicht zwangsläufig. Über die Temperatur lässt sich die Viskosität des Flussmittels und damit des Klebstoffs einstellen, wodurch sich wiederum das Anhaftverhalten der Schichtpulverbestandteile am Grundkörper einstellen lässt.
-
Bevorzugt wird vor oder während der Auftragung des Flussmittel-Schichtpulvergemischs der Grundkörper auf eine Temperatur auf oder oberhalb einer Verflüssigugnstemperatur der Flussmittel-Pulverbestandteile erwärmt und dadurch erfolgt insbesondere ein Fixieren des Flussmittel-Schichtpulvergemischs.
-
Bevorzugt wird das Flussmittel-Schichtpulvergemisch unter Zugabe eines Lösungsmittels, insbesondere unter Zugabe von Wasser oder Ethanol (und ggf. einem Rühren) in einem Schlicker verarbeitet, welcher im Schritt Auftragung auf den Grundkörper aufgetragen wird. Hierbei erfolgt ein Verflüssigen insbesondere der Flussmittelpulverbestandteile durch Zugabe des Lösungsmittels. Die Viskosität des verflüssigten Flussmittels kann hierbei unabhängig von der Temperatur eingestellt werden.
-
In einer Ausgestaltung kann die Fixierung des Flussmittel-Schichtpulvergemisches auf dem Grundkörper zunächst durch Trocknung des Schlickers erfolgen und anschließend kann ein Erwärmen der Flussmittelpulverbestandteile auf eine Temperatur auf oder oberhalb einer Verflüssigungstemperatur, insbesondere einer Liquidustemperatur, der Flussmittelpulverbestandteile des Flussmittel-Schichtpulvergemisches erfolgen.
-
In einer Ausgestaltung kann zur Auftragung das Flussmittel-Schichtpulvergemisch umfließend auf den Grundkörper aufgebracht werden. Durch die Umfließung können auch schwer zugängliche Bereich der Oberfläche des Grundkörpers vorbeschichtet werden, insbesondere im Bereich von Hinterschneidungen. Dabei kann der Grundkörper in eine Schüttung des Flussmittel-Schichtpulvergemischs eingetaucht werden und relativ zur Schüttung bewegt werden.
-
In einer alternativen Ausgestaltung kann zur Auftragung das Flussmittel-Schichtpulvergemisch auf den Grundkörper aufgespritzt und/oder aufgestreut werden (jeweils mit oder ohne Form). Hierbei können insbesondere selektiv einzelnen Oberflächenbereiche mit einer definierten Schichtdicke versehen werden.
-
Bevorzugt wird während der Verflüssigung der Grundkörper auf eine Temperatur oberhalb einer Verflüssigungstemperatur der Flussmittelpulverbestandteile erwärmt; die festen Flussmittelpulverbestandteile werden dabei durch den Grundkörper auf die Verflüssigungstemperatur erwärmt. Dies ist insbesondere anwendbar, wenn der Grundkörper in die Schüttung eingebracht und darin bewegt wird, da sich dann die Wärme gleichmäßig auf die Flussmittelbestandteile übertragen lässt. Die Benetzung des Grundkörpers wird in diesem Fall sehr homogen.Unter „ einer Verflüssigungstemperatur der Flussmittelpulverbestandteile“ kann dabei eine Verflüssigungstemperatur eines Flussmittelpulverbestandteils von mehreren Flussmittelpulverbestandteile verstanden werden.
-
In einer anderen Ausgestaltung wird während des Vorbeschichtens das, insbesondere verflüssigte, Flussmittel-Schichtpulvergemisch selektiv auf den Grundkörper aufgebracht. Hierbei kann insbesondere der oben beschriebene Schlicker durch Spachteln, Streichen, Spritzen, Tauchen oder Gießen auf den Grundkörper aufgebracht werden.
-
Bevorzugt benetzen während der Auftragung und Fixierung die verflüssigten Flussmittelpulverbestandteile die Oberflächenbereiche des Grundkörpers sowie die Schichtpulverbestandteile; nach der Verfestigung der Flussmittelpulverbestandteile fixieren die verfestigten Flussmittelpulverbestandteile die Schichtpulverbestandteile an dem Grundkörper, wodurch sich die Klebewirkung des Flussmittel einstellt.
-
Insbesondere ist die Verflüssigungstemperatur der Flussmittelpulverbestandteile niedriger als die Schmelztemperatur der metallischen Schichtpulverbestandteile. Die Vorbeschichtung hat so keinerlei Auswirkungen auf den Aggregatzustand der Schichtpulverbestandteile und ändert somit nicht deren physikalische Konsistenz.
-
Neben neben den metallischen Schichtpulverbestandteilen kann das Flussmittel-Schichtpulvergemisch noch weitere Schichtpulverbestandteile aufweisen, insbesondere keramische Schichtpulverbestandteile und/oder eine weitere Art von metallischen Schichtpulverbestandteilen.
-
Bevorzugt umfasst die Herstellung des Flussmittel-Schichtpulvergemischs folgende Schritte: Bereitstellen von metallischen Schichtbestandteilen und optionaler weiterer Schichtbestandteile, Bereitstellen eines Flussmittels, insbesondere in pastöser, flüssiger oder fester Form, Vermischen der Schichtbestandteile und des Flussmittels zu einer Mischung, Verpulverung der Mischung zum Flussmittel-Schichtpulvergemisch.
-
Dabei kann die Verpulverung ein Trocknen der Mischung umfassen, insbesondere sofern das Flussmittel beispielsweise durch Wasser oder Ethanol gelöst vorliegt.
-
Die Verpulverung umfasst bevorzugt eine Verkleinerung der Korngröße der Mischung zu Schichtpulverbestandteilen. Bei der Verpulverung hat sich zudem herausgestellt, dass die Flussmittelbestandteile sich an den Schichtpulverbestandteilen anhaften, was einer Entmischung der Bestandteile vorbeugt und damit zu einer dauerhaften Homogenisierung des Pulvers beiträgt.
-
Das Verfahren ist insbesondere geeignet für eine vollumfängliche Beschichtung des Grundkörpers und/oder für eine selektive Beschichtung ausgewählter Oberflächenbereiche des Grundkörpers.
-
Unter dem Begriff Flussmittel bzw. Flussmittelbestandteile des Pulvers ist ein insbesondere beim Löten eingesetzter Stoff zu verstehen, der eine bessere Benetzung des Werkstücks, hier des Grundkörpers, durch die Schichtpulverbestandteile bewirkt. Dieses Flussmittel ist ausgebildet, die an den Oberflächen des Grundkörpers oder der bereits erstarrten Schichten aufliegenden Oxide durch chemische Reaktion zu entfernen. Ebenso können Oxide, die während des Lötvorgangs durch den Sauerstoff der Luft entstehen, entfernt werden. Flussmittel setzen außerdem die Grenzflächenspannungen der verwendeten geschmolzenen Schichtpulverbestandteile herab. Als Flussmittel werde solche Stoffe verstanden, die diese Anforderungen im Wesentlichen erfüllen. Im vorliegenden Verfahren wird das Flussmittel zunächst als Flussmittelpulverbestandteil allein oder in Kombination mit einem weiteren Stoff, insbesondere einem Lösungsmittel, bereitgestellt. Flussmittel sind u.a. in der Norm EN ISO 9454 spezifiziert.
-
Als Verflüssigungstemperatur ist insbesondere eine Liquidustemperatur der Flussmittelbestandteile zu verstehen, oberhalb welcher das Flussmittel eine homogene flüssige Phase ausbildet.
-
Als Schichtpulverbstandteile wird insbesondere ein Werkstoff aus einer NiCrBSi-Legierung verwendet.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbringung einer metallischen Schutzschicht auf einen Grundkörper lässt sich insbesondere in drei grundlegende Prozessschritte unterteilen.
- I. Die Herstellung eines Flussmittel-Schichtpulvers. Hierbei handelt es sich um eine pulverförmige Verbindung/Mischung von Flussmittelbestandteilen mit einer metallischen Pulverlegierung als Schichtpulverbestandteile.
- II. Die formtreue und gleichmäßige Aufbringung und Fixierung des Flussmittel-Schichtpulvergemisches auf einen metallischen Grundkörper.
- III. Die weitgehend untrennbare Verbindung der Schichtpulverbestandteile mit dem Grundkörper.
-
Die genannten drei Hauptprozessschritte sowie die jeweilig untergeordneten Schritte werden im Folgenden beschreiben.
- zu I.: Eine metallische Pulverlegierung (insbesondere nickel- oder eisenbasierte Legierungen) und ein aus der (Hart-)Löttechnik bekanntes Flussmittel (insbesondere Borverbindungen, komplexe Fluoride, Chloride, Phosphate, Silikate) werden vermengt. Das Flussmittel kann pulverig, pastös oder flüssig vorliegen. Im Falle einer pulverigen Flussmittelform wird ein Lösungsmittel (insbesondere Wasser oder Ethanol) zugegeben, sodass ein Verrühren oder Kneten des Gemisches möglich wird. Liegt das Flussmittel flüssig oder pastös vor, sind die nötigen Lösungsmittel i.d.R. insbesondere bereits enthalten und auf weitere Zugabe kann verzichtet werden. Abhängig von den Schichtanforderungen können weitere pulverförmige Additive (insbesondere Oxide oder Carbide) zugegeben werden. Anschließend werden alle enthaltenen Lösungsmittel entfernt, insbesondere thermisch verdampft, und die Mischung hierdurch getrocknet. Eine anschließende Vermahlung des Trocknungsproduktes ergibt ein Pulvergemisch. Hierbei kann die ursprüngliche Korngröße des Metallpulvers erhalten bleiben.
- zu II.: Das im Schritt (I.) entstandene Flussmittel-Schichtpulver kann erfindungsgemäß insbesondere durch eines von drei unterschiedlichen Verfahrensvarianten aufgebracht und fixiert werden.
- Variante a.): Der metallische Grundkörper wird auf eine Temperatur erwärmt welche der Verflüssigungstemperatur zumindest eines der verwendeten Flussmittel entspricht. Bei dieser Temperatur schmilzt das Flussmittel, die Viskosiät nimmt ab, sodass das Flussmittel insbesondere zähflüssig wird. Das Flussmittel ist nun insbesondere in der Lage, Metalloxide zu lösen und wirkt oxidationshemmend. Kommt das Flussmittel-Schichtpulver in Kontakt mit der erwärmten Grundkörperoberfläche schmilzt das an den Metallpartikeln haftende Flussmittel unmittelbar auf, haftet an der Oberfläche und bindet die Metallpartikel an die Oberfläche. Während sich die Flussmittelbestandteile in Flüssigphase befinden, werden die Oberflächenoxide des Grundkörpers und die der einzelnen Pulverpartikel teilweise gelöst. Das Flussmittel fungiert zu diesem Zeitpunkt insbesondere als Binder, welcher die Metallpartikel gleichmäßig verteilt an der Oberfläche anhaften lässt.
-
Abhängig vom Temperaturbereich, der Viskosität und der Kontaktdauer zwischen Flussmittel-Schichtpulver und Grundkörperoberfläche stellt sich eine unterschiedlich dicke Vorbeschichtung ein. Diese Vorbeschichtung ist insbesondere formtreu und erhärtet beim Unterschreiten der Verflüssigungstemperatur des Flussmittels. Vorbeschichtet wird insbesondere nur der Oberflächenbereich des Grundkörpers, welcher in direkten Kontakt mit dem Flussmittel-Schichtpulver kommt. Eine partielle Beschichtung kann durch selektives Erwärmen oder selektives Aufbringen (insbesondere durch Streuen oder trocknem Sprühen) des Pulvers umgesetzt werden.
-
Ebenso kann der erwärmte Grundkörper in einen mit dem Flussmittel-Schichtpulver gefüllten, insbesondere multidirektional vibrierenden, Behälter (insbesondere sog. Gleitschleifmaschinen) gegeben werden. In diesem Behälter bewegt sich der Grundkörper kontinuierlich, relativ zu den Pulverpartikeln und wird gleichmäßig an der gesamten Oberfläche vorbeschichtet. Bei Abkühlung des nun vorbeschichteten Grundkörpers verfestigt sich die aufgebrachte Schicht durch Erstarren der Flussmittelbestandteile. Das Resultat ist eine stabile Vorbeschichtung in variabler Dicke. Die so vorbeschichteten Körper können transportiert und gelagert werden, ohne dass eine Ablösung der
-
Vorbeschichtung befürchtet werden muss. Diese vorbeschichteten Grundkörper sind das Produkt des beschriebenen Prozessschrittes. Die Variante (a.) ermöglicht die Beschichtung von komplexen, hinterschnittigen Geometrien. Eine bauteilumschließende Beschichtung, bei der keine offenen Stellen (Fehlstellen) vorhanden sind, wird erstmalig in einem Arbeitsgang umsetzbar. Eine effiziente Vorbeschichtung von Klein- und Großbauteilen wird auf diese Weise realisierbar, da manuelle Beschichtungstechniken vermeidbar sind.
-
Folglich kann ein zumindest auf Verflüssigungstemperatur des verwendeten Flussmittels erwärmter Grundkörper an definierter Stelle mit dem Flussmittel-Schichtpulver (aus I.) in Kontakt gebracht werden. Die im Kontakt mit der Oberfläche befindlichen Partikel haften durch unmittelbares Aufschmelzen der Flussmittelbestandteile an. Eine gleichmäßige und in der Dicke variable Vorbeschichtung kann „selbsttätig“ ohne manuelle Arbeitsschritte entstehen.
- Variante b.): Auf den metallischen Grundkörper wird im nicht oder nicht wesentlich erwärmten Zustand (insbesondere bei Raumtemperatur) das Flussmittel-Schichtpulver aufgebracht (insbesondere durch Streuen). Zur Erzeugung einer selektiven Beschichtung können Formen (z.B. Maskenformen) verwendet werden. Da das Flussmittel-Schichtpulver „trocken“ und somit nicht sofort verfestigend aufgebracht wird, eignen sich insbesondere ebene Flächen zur Vorbeschichtung mit diesem Verfahren.
-
Um eine Verfestigung der Vorbeschichtung zu erreichen wird der bestreute Grundkörper einer Temperatur auf oder oberhalb der Verfüssigungstemperatur des Flussmittels ausgesetzt. Hierbei schmelzen die Flussmittelbestandteile des aufgestreuten Pulvers und binden die Metallpulverpartikel insbesondere sowohl zusammen als auch an die Grundkörperoberfläche. Während sich die Flussmittelbestandteile in Flüssigphase befinden, können die Oberflächenoxide des Grundkörpers und die der einzelnen Pulverpartikel gelöst werden. Dieser Vorgang wird im Folgenden als „Aktivierung“ bezeichnet. Bei Abkühlung des vorbeschichteten Grundkörpers verfestigt sich die aufgebrachte Schicht durch das Erstarren der Flussmittelbestandteile. Die so vorbeschichteten Körper können transportiert und gelagert werden, ohne dass eine Ablösung der Vorbeschichtung befürchtet werden muss. Dieser vorbeschichtete Grundkörper ist das Produkt des beschriebenen Prozessschrittes.
-
Insbesondere eine ebene Vorbeschichtung von Massenbauteilen oder großen Flächen ist mit der Variante b.) effizient umzusetzen. Ein manueller Schichtauftrag kann gänzlich entfallen. Folglich wird ein Grundkörper im nicht erhitzen Zustand mit dem Flussmittel-Schichtpulver aus (I.) bestreut. Durch anschließende Erwärmung des Grundkörpers des verwendeten Flussmittels schmelzen die Flussmittelbestandteile. Oberflächenoxide werden dabei gelöst und die Metallpartikel an den Grundkörper gebunden. Eine gleichmäßige und in der Dicke variable Vorbeschichtung kann „selbsttätig“ ohne manuelle Arbeitsschritte entstehen.
- Variante c.): Das Flussmittel-Schichtpulver (aus I.) wird, insbesondere erneut, mit einem Lösungsmittel gemischt (insbesondere Wasser oder Ethanol). Hierdurch entsteht eine in ihrer Viskosität einstellbare Masse.
-
Liegt das zu verwendende Flussmittel in einem flüssigen oder pastösen Zustand vor, so kann auf ein vorangehendes Erzeugen des Flussmittel-Schichtpulver (wie in I. beschreiben) verzichtet werden. In diesem Fall können Flussmittel und Metalllegierungspulver direkt gemischt/vermengt werden. Diese Masse zeichnet sich besonders durch die Möglichkeit aus, eine gut zu verarbeitende Konsistenz/Viskosität einstellen zu können.
-
Die erzeugte Masse kann auf die Oberfläche eines Grundkörpers gespachtelt oder gepinselt werden. Ebenso ist es möglich, den Grundkörper durch Eintauchen in die Masse mit einer Vorbeschichtung zu versehen. Zusätzlich ist ein Extrudieren der Masse durch unterschiedliche Düsenformen möglich. Ein Vorbeschichten durch „Aufextrudieren“ der Masse ist somit möglich. Die bei Raumtemperatur aufgebrachte flüssige oder pastöse Masse kann anschließend entweder getrocknet werden (Lösungsmittel entweicht) oder direkt durch Erwärmen auf eine Verflüssigungstemperatur des Flussmittels und anschließendes Abkühlen verfestigt und aktiviert werden (siehe Variante a.) und b.)). Die so vorbeschichteten Körper können transportiert und gelagert werden, ohne dass eine Ablösung der Vorbeschichtung befürchtet werden muss. Diese vorbeschichteten Grundkörper sind das Produkt des beschriebenen Prozessschrittes. Darüber hinaus ist ein sofortiges Aufschmelzen der Metallbestandteile (Verfahrensschritt III.) auch ohne Trocknung oder Verfestigung möglich.
-
Mit diesem Verfahren ist neben einer effizienten und automatisierbaren Vorbeschichtung von großen Flächen, Massenbauteilen oder komplexen Bauteilen auch die Anwendung der Technik im sog. „3D-Druck“ (drei dimensionalem Druck) möglich. Eine feine und automatisiert durchführbare Extrusion der Masse macht die Bildung von dreidimensionalen Körpern im Schicht- Lagenverfahren möglich.
-
Folglich wird eine flüssige oder pastöse Masse aus Lösungsmittel (insbesondere Ethanol oder Wasser) eines Metalllegierungspulvers und einem Flussmittel aus der Löttechnik erzeugt. Diese Masse kann durch Pinseln, Tauchen, Streichen, Spachteln oder Extrudieren auf eine Grundkörperoberfläche aufgebracht werden. Eine Trocknung oder Verfestigung/Aktivierung der Vorbeschichtung ist durch Erwärmen des vorbeschichteten Grundkörpers auf unterschiedliche Temperaturniveaus möglich. Dies ist jedoch zur Durchführung des Verfahrensschrittes III. nicht zwingend erforderlich.
- zu III.: Die im Verfahrensschritt II. (nach den Varianten a.)-c.)) aufgetragene Vorbeschichtung wird durch die temporär aufgeschmolzenen Flussmittelbestandteile zusammengehalten und fixiert. Im Wesentlichen gilt das folgende Vorgehen für alle beschrieben Varianten.
-
Der vorbeschichtete Grundkörper wird nun auf Schmelztemperatur der enthaltenen Metalllegierungspartikel erwärmt. Die Erwärmung geschieht insbesondere induktiv oder in einem Kammerofen, ist jedoch auch durch eine Flamme oder einen elektrischen Lichtbogen umzusetzen. Hierbei erfolgt zunächst ein erneutes Aufschmelzen der Flussmittelbestandteile wodurch restliche Oberflächenoxide gelöst werden. Ebenso ermöglicht die Flussmittelschmelze eine direkte Wärmeleitung der noch separat vorliegenden Metallpartikeln (Schichtpulverpartikel) und verhindert eine erneute Oxidation der Oberflächen. Bei weiterem Anstieg der Temperatur beginnen insbesondere die einzelnen Metallpartikel aufzuschmelzen und ineinander zu fließen. Oxide schwimmen, gelöst in der Flussmittelschmelze, auf der Oberfläche der entstehenden Metallschmelze auf. Die nun gänzlich als Schmelze vorliegende Metalllegierung ist mit einer zusammenhängenden Schutzschicht aus Flussmittelschmelze bedeckt.
-
Diese glättet die Schmelzbadoberfläche und verhindert die Oxidation während des Abkühlvorganges. Zwischen aufgeschmolzener Metalllegierung und der festen Grundkörperoberfläche entsteht eine Verbindungsschicht. Diese Verbindungsschicht ist im technischen Sinne als Lötverbindung zu bezeichnen, da der Werkstoff des Grundkörpers nicht gänzlich in einen schmelzflüssigen Zustand übergeht. Während des Abkühlens erstarren Metallschmelze und Flussmitteschmelze. Das Flussmittel bildet eine harte, glasartige Schicht auf der erstarrten Metalllegierung aus. Nach Entfernung dieser Schicht, welche auch als „Schlackeschicht“ bezeichnet werden kann, liegt die auf den Grundkörper aufgebrachte metallische Schicht frei. Die Entfernung der Schlackeschicht kann durch Sandstrahlen, Schleifen oder ähnliche Reinigungsverfahren erfolgen.
-
Endprodukt des Verfahrensschrittes III. ist eine untrennbar mit dem Grundkörper verbundene metallische Schicht in variabler Dicke. Durch das in der Beschreibung des Verfahrensschrittes I. angesprochene Einbringen keramischer Partikel (Oxide-Carbide) in das Flussmittel-Schichtpulver kann die Beschichtung bei Bedarf mit sog. Hartstoffen verstärkt werden. Diese keramischen Partikel schmelzen im Verfahrensschritt III. nicht auf und liegen nach Abkühlung eingebundenen in der metallischen Schicht vor.
-
Folglich kann sich die aufgebrachte Schutzschicht entgegen üblicher Schichten durch ihre einfachen Auftragsmethoden/Varianten auszeichnen. Eine aufwendige Regelung oder Steuerung, wie beispielsweise bei einer Auftragsschweißung, können gänzlich entfallen. Die erforderlichen Schichteigenschaften wie Härte, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit können dennoch erreicht werden. Es werden auch ohne Hartstoffverstärkung Schichthärten von bis zu 1100 HV10 (Härte nach Vickers) erreicht. Dieses Verfahren ist insbesondere nicht mit einer Auftrags-Hartlötung zu vergleichen. Hierbei werden trotz Zugabe von Hartstoffen keine derartigen Härten erreicht. Insbesondere die „selbsttätige“ Beschichtung eines Grundkörpers durch rapides thermisches Verflüssigen und Anhaften von Pulverpartikeln bei Bauteilkontakt eröffnet neue Möglichkeiten.
-
Durch einfaches Erwärmen und anschließendes Eingeben eines komplexen Bauteils in einen vibrierenden Flussmittel-Schichtpulver-Behälter, entsteht in kürzester Zeit eine gleichmäßige Vorbeschichtung. Die massenhafte Beschichtung von kleinen und großen Bauteilen mit unterschiedlichsten Geometrien ist auf diesem Wege umsetzbar. Gleiches gilt in ähnlicher Weise für alle genannten Varianten.
-
Im direkten Vergleich mit einem herkömmlichen „Hard-Paint“-Verfahren kann sich das beschriebene Verfahren insbesondere mit der Lösung folgender Probleme auszeichnen:
- 1. Das Aufbringen der Schichten ist unter Normal-Atmosphäre (Luft/Sauerstoff) möglich. Die Evakuierung des Aufschmelzprozesses (Verfahrensschritt III.) gegen Luftsauerstoff ist nicht mehr erforderlich. Die Nutzung eines Schutzgas- oder Vakuumofens entfällt. Dies war bei der bisherigen Aufschmelzung im Ofen (insbesondere bei eisenbasierten Schichtwerkstoffen) nicht möglich.
- 2. Bislang musste die Schicht in Form eines sog. Schlickers aufgebracht werden. Hierzu mussten Binder wie Cellulose, Klebstoffe, Emaille etc. sowie Verflüssigungsmittel oder Lösungsmittel (Wasser, Ethanol etc.) hinzugefügt werden. Diese Stoffe fungieren als temporärer Kleber und Haftvermittler zwischen Metallpartikeln und Grundkörperoberfläche. Derartige Stoffe und ihre Rückstände müssen zur Erzeugung einer reinen und durchgängigen Metallschicht verbrannt, verdampft oder ausgetrieben werden. Dieser unterwünschte und schädigende Effekt wird durch das beschriebene Verfahren eliminiert. Die Flussmittelbestandteile dienen bei der beschriebenen Nutzung des Flussmittel-Schichtpulvers als Binder, Antioxidationsmittel und Benetzungsmittel gleichzeitig. Dies geschieht ohne die Erzeugung unerwünschter Restprodukte, da auch die entstehende Oberflächenschlacke positive Auswirkung auf das Schichtergebnis hat.
- 3. Unhandliche oder sehr komplexe Bauteile können automatisiert ohne die Nutzung manueller Techniken beschichtet werden. Besonders die bauteilumschließende Beschichtung ohne Fehlstellen ist eine gänzlich neue Möglichkeit des beschreiben Verfahrens.
- 4. Da eine Beschichtung zuvor stets einen Haltepunkt des zu beschichtenden Grundkörpers erforderte war eine Fehlstelle nicht zu vermeiden. Durch das frei “schwebende“ Beschichten in einer Pulverschüttung entfällt diese Problematik.
-
Die erfindungsgemäß erzeugten Schichten sind insbesondere eben, gleichmäßig und abhängig von dem verwendeten Werkstoff bis zu 1100 HV hart. Durch Einbindung von Hartstoffen kann die Härte partiell noch deutlich gesteigert werden. Durch die Aufbringung einer derartigen Schicht können Bauteile aus deutlich weicheren Materialien wie z.B. einem Baustahl (S235, Härte ca. 200 HV) bedeutend widerstandsfähiger gemacht werden. Minimierte Verschleißerscheinungen, geringere Austauschraten und eine höhere Effizienz von Bauteilen und Anlagen können so erreicht werden. Im Hinblick auf einen Einsatz der Schichten in Schließ- und Sicherheitstechnik, lässt sich festhalten, dass die beschriebenen Schichten aufgrund ihrer Härte und metallografischen Struktur sehr schwer zu trennen sind. Insbesondere der Schutz von Schließanlagen, Tresoren oder weiterer Sicherheitseinrichtungen ist somit Anwendung der genannten Schichten.
-
Die Erfindung wird anhand folgender Ausführungsbeispiele näher erläutert. Sofern nicht anders angegeben oder widersprüchlich können einzelne Aspekte unterschiedlicher Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden.
-
Herstellung des Flussmittel-Schichtpulvers:
-
Zunächst werden die Schichtbestandteile sowie die Flussmittelbestandteile entsprechend ihres Anteils an dem gewünschten Flussmittel-Schichtpulvergemisch abgewogen. Die Schichtbestandteile umfassen Metallbestandteile, Hartstoffe und ggf. weitere Bestandteile. Die Bestandteile können hierbei in einem beliebigen Aggregatzustand vorliegen undnicht in Pulverform vorliegen. Als Hartstoffe kommen u.a. Oxide und keramische Stoffe in Betracht.
-
Mittels eines Lösungsmittel, z.B. Wasser oder Ethanol in definierter Menge, werden diese Bestandteile zu einer Masse vermischt und anschließend in einem Ofen getrocknet, wodurch das Lösungsmittel entweicht. Die Masse liegt nun als klumpige, feste Masse vor. In einer Schlagmühle wird die Masse nun zu einem Pulver zerkleinert.
-
Sofern die Bestandteile bereits in pulveriger Form mit ausreichend kleiner Korngröße vorliegen, kann auf das Lösen und das anschließende Trocknen verzichtet werden.
-
Vorbeschichten, Beispiel 1:
-
Der zu beschichtende Grundkörper wir auf eine Temperatur oberhalb der Liquidustemperatur des verwendeten Flussmittels erwärmt. Bei Erreichen dieser Temperatur wird der Grundkörper in das Flussmittel-Schichtpulvergemisch eingetaucht. Der Grundkörper wird nun in dem Pulvergemisch in einer Richtung oder multidirektional bewegt, beispielsweise durch Schwenken, Rühren, Vibrieren und/oder Umwälzen des Flussmittel-Schichtpulvergeschmischs. Da das Pulver hierbei den Grundkörper umfließen kann, werden auch schwer zugängliche Stellen wie Hinterschneidungen von dem Pulver benetzt.
-
Durch die direkte Berührung zwischen Pulver und Grundkörper werden insbesondere die Flussmittelbestandteile auf oberhalb deren Liquidustemperatur erwärmt. Das Flussmittel verflüssigt sich und benetzt nun den Grundkörper und die übrigen Schichtpulverbestandteile. Dabei wirkt das Flussmittel nun wie ein flüssiger Klebstoff. Wird das Flussmittel nun verfestigt, nämlich durch Abkühlen unterhalb der Liquidustemperatur, so geht das Flussmittel eine ausreichend feste Verbindung sowohl mit den Schichtpulverbestandteilen als auch mit dem Grundkörper ein. Die Schichtpulverbestandteile sind nun mit dem Grundkörper durch das Flussmittel verklebt.
-
Vorbeschichten, Beispiel 2:
-
Der unerwärmte Grundkörper wird mit dem Flussmittel-Schichtpulvergemsich bestreut. Dabei kann das Flussmittel-Schichtpulvergemsich mit einem Lösemittel in einen leicht pastösen Zustand gebracht worden sein. Der Grundkörper wird dabei selektiv an einigen Stellen, also nicht vollumfänglich, mit dem Pulver beschichtet.
-
Das Bestreuen kann mit Hilfe oder ohne einer Form erfolgen. Insbesondere bei einem Bestreuen ohne Form bietet sich die angesprochene Verwendung des Lösemittels an, um das Gemisch in den leicht pastösen Zustand zu bringen, in dem es zwar gut formbar ist aber bevorzugt eine gewissen Formstabilität aufweist.
-
Anschließend wird der Grundkörper wie im Beispiel 1 erwärmt und abgekühlt, wodurch sich das ebenfalls das bereits beschriebene Verkleben ergibt.
-
Vorbeschichten, Beispiel 3: Das Flussmittel-Schichtpulvergemisch wird zusammen mit einem Lösemittel zu einem pastösen Schlicker verrührt. Durch die Zugabe des Lösemittels wir das Flussmittel verflüssigt. Dieser Schlicker wird selektiv auf die Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht, z.B. durch Spachteln, Streichen, Spritzen, Eintauchen, Gießen.
-
Anschließend erfolgt das Aushärten des Schlickers durch Trocknen. Dabei entweicht das Lösemittel aus dem Schlicker und das Flussmittel verfestigt sich. Das Trocknen kann durch Erwärmen beschleunigt werden, da die Lösemittebestandteile so schneller entweichen. Durch Erwärmen oberhalb der Liquidustemperatur kann zusätzlich das Verkleben verstärkt werden, da die Flussmittelbestandteile kurzfristig stärker verflüssigt werden und damit die Benetzung der Oberfläche des Grundkörpers und der Schichtpulverbestandteile gefördert wird.
-
Einschmelzen der Schicht:
-
Der nun vorbeschichtete Grundkörper wird auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der metallischen Schichtpulverbestandteile erhitzt, beispielsweise anhand eines Induktionsgenerators. Es erfolgt eine Abkühlung. Die metallischen Bestandteile sind nun mit dem Grundkörper verschmolzen.
-
Es ergibt sich eine fest mit dem Grundkörper verbundene Schicht aus Metall mit ggf. darin eingebetteten weiteren Hartstoffen.
-
Während des Einschmelzen treten die Wirkungen der sich verflüssigenden Flussmittelbestandteile ein. Insbesondere lösen diese Flussmittelbestandteile etwaige Oxidschichten auf dem Grundkörper und den Schichtpulverbestandteilen auf und verbessern so die Verschmelzung der metallischen Schichtpulverbestandteilen mit dem metallischen Grundkörper. Gleichermaßen wird die Bildung neuer Oxide verhindert. Die Flussmittelbestandteile reduzieren die Grenzspannung der metallischen Schichtpulverbestandteile und fördern so eine gleichmäßige Benetzung des Grundkörpers mit den Schichtpulverbestandteilen.
-
Während der vollständigen Verflüssigung der metallischen Schichtpulverbestandteile setzen sich die Flussmittelbestandteile an der Oberfläche der Metallschmelze ab und liegen dort nach deren Erstarren als Schlacke vor. Die Schlacke schützt die darunterliegenden erstarrende Metallschmelze vor dem Zutritt von Luftsauerstoff, glättet die Schichtberfläche und unterstützt eine gleichmäßige Abkühlung. Nichtmetallische Bestandteile, insbesondere Karbide oder Oxide, schmelzen nicht oder nur teilweise auf und werden in der enstehenden Metallschicht fest eingebunden. Nach Beendigung des Einschmelzens ist der Grundkörper untrennbar mit einer dichten Lage der aufgetragenen Stoffe beschichtet. Auch eine mehrfache Beschichtung des Grundkörpers ist auf diese Weise möglich. Auf den beschichteten Körper können erneut die Verfahrensschritte des Vorbeschichtens und anschließend des Einschmelzens angewendet werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-