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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sinterbeschichtung
eines Werkstücks
sowie eine zur Durchführung
des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
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Verfahren
zum Erzeugen von Schutzschichten auf Metalloberflächen, insbesondere
von Drahtwaren und Metallkleinteilen, durch Aufsintern von Kunststoffpulver
sind seit langem bekannt und gebräuchlich. Zur Durchführung derartiger
Verfahren geeignete Kunststoffpulver werden z.B. von der DEGUSSA
AG, Marl, unter dem Handelsnamen VESTOSINT angeboten.
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Die
Sinterbeschichtung eines Werkstücks läuft herkömmlicherweise
in der Weise ab, dass das Werkstück
zunächst
auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des aufzusinternden
Materials erhitzt wird und dann mit dem – im Allgemeinen pulverförmigen – Material
in Kontakt gebracht wird. Der Kontakt findet bei Umgebungstemperaturen statt,
die notwendigerweise unter der Schmelztemperatur des Sintermaterials
liegen müssen,
so dass das Werkstück
während
des Kontakts mit dem Sintermaterial Wärme verliert und schließlich die
Schmelztemperatur des Sintermaterials unterschreitet, wodurch der
Sinterprozess zum Erliegen kommt. Die Dicke der bis dahin auf dem
Werkstück
abgeschiedenen Schicht ist proportional zu der Zeitspanne zwischen dem
Beginn des Kontakts mit dem Sintermaterial und dem Zeitpunkt, an
dem dessen Schmelztemperatur unterschritten wird. Wenn das zu beschichtende Werkstück eine
geringe Materialstärke
hat, verläuft die
Abkühlung
schneller als bei einem Werkstück
mit höherer
Materialstärke,
so dass, um gleiche Schichtdicken auf Werkstücken mit unterschiedlichen
Materialstärken
zu erzielen, die Temperaturen unterschiedlich sein müssen, auf
die die Werkstücke
erhitzt werden, bevor sie mit dem Sintermaterial in Kontakt gebracht
werden. Bei einfach geformten Werkstücken mit homogener Materialzusammensetzung und
gleichbleibender Wandstärke
können
somit Sinterbeschichtungen mit einer gewünschten Beschichtungsstärke durch
geeignete Wahl der Temperatur, mit der Werkstücke mit dem Sintermaterial
in Kontakt gebracht werden, erzielt werden.
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Bei
Werkstücken
mit ungleichmäßigen Wandstärken oder
inhomogener Materialzusammensetzung, allgemeiner gesagt bei Werkstücken, die Abschnitte
mit unterschiedlicher oberflächenbezogener
Wärmekapazität aufweisen,
führt dies
zu dem Problem, dass die Sinterschichten, die sich auf einem Abschnitt
hoher oberflächenbezogener
Wärmekapazität ablagern,
bevor dieser unter die Schmelztemperatur des Sintermaterials abkühlt, größer sind
als bei einem Abschnitt mit niedriger oberflächenbezogener Wärmekapazität. Es ist
daher schwierig, solche Werkstücke
mit einer Beschichtung von gleichbleibender Dicke zu versehen. Wenn
auf den Abschnitten mit niedriger oberflächenbezogener Wärmekapazität eine Mindestschichtdicke
erreicht werden muss, so muss in Kauf genommen werden, dass die
entstehende Schicht an anderen Abschnitten dicker wird. Dies führt nicht
nur zu unerwünschten
Mehrkosten aufgrund unnötigen
Verbrauchs an Sintermaterial, sondern die unterschiedlichen Schichtdicken
erhöhen
auch die Wahrscheinlichkeit von Defekten der Sinterschicht, die
deren Schutzwirkung für
das darunterliegende Werkstück
beeinträchtigen.
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Um
dieses Problem zu lösen,
sind Schockerhitzungsverfahren vorgeschlagen worden, bei denen die
Erhitzung des Werkstücks
abgebrochen wird, bevor dieses eine homogene Temperaturverteilung
erreicht hat. Dadurch wird erreicht, dass beim Inkontaktbringen
mit dem Sintermaterial Abschnitte des Werkstücks mit geringer oberflächenbezogener
Wärmekapazität eine höhere Temperatur
als solche mit niedriger oberflächenbezogener
Wärmekapazität haben,
so dass die Zeitspannen bis zum Abkühlen unter die Schmelztemperatur
und damit die entstehenden Schichtdicken für beide Abschnitte ungefähr gleich werden.
Prinzipiell sollte man annehmen, dass mit einem solchen Verfahren
durch geeignete Wahl der Erhitzungsbedingungen, d.h. der Endtemperatur,
die sich an einem Werkstück
einstellen würde,
wenn es ständig
den Bedingungen der Schockerhitzung ausgesetzt wäre, und der Zeitspanne, in
der das Werkstück
der Schockerhitzung ausgesetzt ist, innerhalb gewisser Obergrenzen
Temperaturunterschiede zwischen Abschnitten unterschiedlicher Wärmekapazität einstellen
und auf gleiche Abscheideschichtdicken optimieren lassen. Es hat
sich jedoch in Versuchen herausgestellt, dass auf diese Weise keine
befriedigenden Schichtqualitäten
zu erzielen waren, und dass insbesondere in Übergangsbereichen zwischen
Abschnitten mit unterschiedlichen oberflächenbezogenen Wärmekapazitäten die
Neigung zu Schichtdefekten groß war.
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Aufgabe
der Erfindung ist daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben,
die die Erzeugung von Sinterschichten hoher Qualität und homogener
Dicke auf Werkstücken
erlauben, die Abschnitte mit unterschiedlichen oberflächenbezogenen
Wärmekapazitäten aufweisen.
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Überraschenderweise
hat sich herausgestellt, dass dieses Ziel erreichbar ist, indem
dem herkömmlichen
Schockerhitzen ein Schritt des Vorwärmens des Werkstücks vorgeschaltet
wird, wobei die Vorwärmbedingungen
so gewählt
sind, dass sie bei fortlaufender Einwirkung auf das Werkstück dieses auf
eine Temperatur bringen, die zwischen der Schmelztemperatur des
Beschichtungsmaterials und derjenigen Temperatur liegt, die das
Werkstück
erreichen würde,
wenn es den Bedingungen der Schockerhitzung ständig ausgesetzt wäre.
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Es
wird vermutet, dass die Wirksamkeit des Verfahrens darauf beruht,
dass der bei dem herkömmlichen
Schockerhitzen vorhandene starke Temperaturgradient zwischen der
Oberfläche
und dem Inneren eines Abschnitts mit hoher oberflächenbezogener
Wärmekapazität durch
den Vorwärmschritt verringert
ist, und dass dadurch die Bedeutung des internen Temperaturausgleichs
innerhalb des Werkstücks
für die
Abkühlung
von dessen Oberfläche
verringert ist. Während
bei der einfachen Schockerhitzung ohne Vorwärmen vertiefte Oberflächenregionen des
Werkstücks,
insbesondere an einer Grenze zwischen Abschnitten unterschiedlicher
oberflächenbezogener
Wärmekapazität, aufgrund
ihrer geschützten
Lage vergleichsweise wenig Wärme
aufnehmen und dementsprechend beim Beschichten schnell auskühlen, behalten
derartige Bereiche beim erfindungsgemäßen Verfahren durch die Vorwärmung eine
zum Aufsintern geeignete Temperatur länger bei, so dass auch in diesen
Problemzonen eine Schicht guter Qualität entsteht.
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Sowohl
das Vorwärmen
als auch das Schockerhitzen erfolgen vorzugsweise durch Einbringen des
Werkstücks
in jeweils ein Wärmebad,
insbesondere in Form eines Ofens. Dabei sollte die Verweilzeit des
Werkstücks
im zweiten Wärmebad,
d.h. der Vorwärmschritt,
vorzugsweise länger
dauern als der Aufenthalt im ersten Wärmebad, d.h. die Schockerhitzung.
In einer Beschichtungsanlage werden diese unterschiedlichen Verweilzeiten
vorzugsweise dadurch realisiert, dass die Ausdehnung des Vorwärmofens entlang
einer Förderstrecke
für zu
beschichtende Werkstücke
größer ist
als die des Ofens zum Schockerhitzen.
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Wenn
sich das Werkstück
im Laufe des Aufsinterns langsam abkühlt, kann in einer Schlussphase
durch unvollständiges
Schmelzen des Sintermaterials einer raue Oberfläche entstehen. Um die Qualität der Oberfläche zu verbessern,
ist es zweckmäßig, nach
dem Aufbringen des Sintermaterials das Werkstück wenigstens oberflächlich zumindest
bis auf die Schmelztemperatur des Beschichtungsmaterials nachzuerhitzen,
um so eine Glättung
der Oberfläche zu
erreichen.
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Das
Aufbringen des Sintermaterials auf das Werkstück erfolgt vorzugsweise durch
Einführen
des erhitzten Werkstücks
in das Sintermaterial in fluidisiertem Zustand.
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Als
Sintermaterial ist ein Polyamid-Pulver wie das bereits erwähnte VESTOSINT-Pulver
geeignet. Dieses hat einen Schmelzpunkt von 176 °C; daher ist eine Temperatur
des zweiten Wärmebades zwischen
240 und 340 °C
zum Vorwärmen
geeignet; zum Schockerhitzen ist eine Temperatur des ersten Wärmebades
zwischen 390 und 420 °C
bevorzugt.
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Die
Schockerhitzung wird zweckmäßigerweise
abgebrochen, wenn der Abschnitt mit der höheren oberflächenbezogenen
Wärmekapazität eine mittlere Temperatur
erreicht hat, die in einem Bereich zwischen 300 und 370 °C ausgewählt ist.
Die konkret ausgewählte
Temperatur ist abhängig
vom Verhältnis der
oberflächenbezogenen
Wärmekapazitäten; je unterschiedlicher
diese sind, um so niedriger muss die Abbruchtemperatur gewählt werden,
um gleiche Schichtdicken auf den verschiedenen Abschnitten des Werkstücks zu gewährleisten.
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Eine
bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Beschichtung
eines Wärmetauschers,
insbesondere eines Verflüssigers
für ein
Kältegerät, wobei
der Abschnitt mit hoher oberflächenbezogener
Wärmekapazität eine Rohrleitung
für ein
Wärmeträgerfluid
ist und der Abschnitt mit niedriger oberflächenbezogener Wärmekapazität ein an
der Rohrleitung befestigter Draht ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 einen Wärmetauscher
als Beispiel für ein
Werkstück,
an dem das Verfahren ausführbar
ist;
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2 ein Blockdiagramm einer
Anlage zur Durchführung
des Verfahrens; und
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3 Oberflächentemperaturen des Verflüssigers
als Funktion der Zeit beim Erhitzen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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1 zeigt in perspektivischer
Ansicht einen Ausschnitt eines an sich bekannten Verflüssigers
in Draht-Rohr-Bauweise für
ein Kältegerät, auf den
das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren
vorteilhaft anwendbar ist. Ein solcher Verdampfer ist im Wesentlichen
aufgebaut aus zwei verschiedenen Typen von Elementen, einem zickzackförmig gebogenen
Stahlrohr 1 und einer Vielzahl von Drähten 2, die jeweils
quer zu geradlinigen Abschnitten des Stahlrohrs 1 angeordnet
sind und diese miteinander verbinden. Die Drähte 2 dienen somit
gleichzeitig zur Versteifung des Verdampfers als auch zur Vergrößerung von
dessen wärmeaustauschender
Oberfläche.
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Das
Stahlrohr 1 hat typischerweise einen Außendurchmesser von 8 mm und eine Wandstärke von
1 mm. Die Drähte 2 sind
massiv mit einem typischen Durchmesser von 1,6 mm. Die Drähte 2 sind an
dem Stahlrohr 1 durch Punktschweißen, Löten oder andere geeignete Techniken
befestigt, wobei im Kontaktbereich 3 zwischen Rohr 1 und
Draht 2 enge, schlecht zugängliche Winkel 4 entstehen.
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Wie
man leicht sieht, ist die Materialmenge pro Oberflächeneinheit
beim Rohr 1 deutlich größer als
bei den Drähten 2,
und zwar bei den hier gewählten
Abmessungen um einen Faktor von ca. 2,5. Dementsprechend ist auch
die Wärmekapazität pro Oberflächeneinheit
bei den Drähten 2 deutlich
geringer als bei dem Rohr 1, so dass erstere sich in einem
Wärmebad
deutlich schneller erwärmen
als letztere.
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Die
in 2 stark schematisiert.
dargestellte Beschichtungsvorrichtung umfasst eine Fördereinrichtung 5,
an der jeweils Gruppen aus mehreren Wärmetauschern 6 befestigbar
sind. Die Gruppen von Wärmetauschern 6 werden
durch schrittweise Bewegungen der Fördereinrichtung 5 durch
die Beschichtungsvorrichtung gefördert,
wobei die Zeitspannen zwischen aufeinanderfolgenden Förderschritten
z.B. 20 bis 40 s betragen können.
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Die
Wärmetauscher 6 durchlaufen
auf ihrem Weg durch die Beschichtungsvorrichtung zunächst einen
Vorheizofen 7, der durch einen Vorheizbrenner 8 auf
einer festen Temperatur zwischen 200 und 340 °C, hier bei 240 °C, gehalten
wird. Die Länge
des Vorheizofens 7 ist so gewählt, dass zwei Gruppen von Wärmetauschern
hineinpassen bzw. zwei Förderschritte
erforderlich sind, um eine Gruppe durch den Vorheizofen 7 hindurch
zu befördern.
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An
den Vorheizofen 7 schließt sich unmittelbar ein Schockerhitzungsofen 9 an,
der durch einen weiteren Brenner 10 auf einer zwischen
390 und 420 °C
festgelegten Temperatur gehalten wird. Die zwei Öfen 7, 9 können durch
eine in der Figur als gestrichelte Linie angedeutete Schleuse 15 voneinander abgegrenzt
sein; dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Der Schockerhitzungsofen 9 bietet
Platz für eine
Gruppe von Wärmetauschern 6;
ihre Verweildauer in dem Ofen 9 entspricht daher der Zeitspanne zwischen
zwei Förderschritten
der Fördereinrichtung 5.
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Im
Anschluss an den Schockerhitzungsofen 9 ist ein Fließbett 11 vorgesehen,
das fluidisiertes Polyamid-Pulver enthält. Die Fördereinrichtung 5 weist (nicht
dargestellte) Stellglieder zum Absenken einer Gruppe von Wärmetauschern 6 in
das Fließbett 11 und
zum Wiederanheben der Gruppe auf. Das Fließbett 11 bietet Platz
für eine
Gruppe von Wärmetauschern 6,
so dass die maximale Verweildauer der Wärmetauscher darin dem Zeitabstand
zwischen zwei Förderschritten
der Fördereinrichtung 5 entspricht.
Die tatsächliche
Verweildauer im Fließbett 11 kann
jedoch demgegenüber
beliebig abgekürzt
werden, indem die Wärmetauscher 6 zu
einem im Prinzip beliebig wählbaren
Zeitpunkt zwischen zwei Förderschritten
der Fördereinrichtung 5 aus
dem Fließbett 11 herausgehoben
werden.
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Die
im Fließbett 11 mit
einer Polyamid-Beschichtung versehenen Wärmetauscher 6 erreichen schließlich einen
Nachheizofen 12, in dem sie erneut auf eine Temperatur
oberhalb der Schmelztemperatur des Polyamid-Pulvers erhitzt werden.
Der Nachheizofen 12 ist hierfür durch einen Brenner 13 auf
einer Temperatur von 240 °C
gehalten. Dieser Nachheizofen 12 dient der Verbesserung
der Qualität
der auf den Wärmetauschern 6 abgeschiedenen
Polyamid-Schichten. Diese können
nämlich
bei ihrem Austritt aus dem Fließbett 11 eine
gewisse Rauigkeit aufweisen, die darauf zurückzuführen ist, dass gegen Ende der
Abscheidung des Sintermaterials auf den Wärmetauschern deren Temperatur
soweit abgefallen sein kann, dass sie zum vollständigen Aufschmelzen der Sintermaterialkörner nicht
mehr reicht. Der Nachheizofen 12 bietet Platz für zwei Gruppen
von Wärmetauschern 6,
so dass zwei Schritte der Fördereinrichtung 3 erforderlich
sind, um die Wärmetauscher 6 durch
den Nachheizofen 12 hindurch zu befördern.
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Im
Anschluss an den Nachheizofen 12 ist noch ein Tauchbecken 14 vorgesehen,
in dem die fertig beschichteten Wärmetauscher 6 abgeschreckt werden.
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3 zeigt den zeitlichen Verlauf
der Oberflächentemperaturen
von Drähten
und Rohr eines Wärmetauschers 6 auf
dessen Weg durch die Öfen 7 und 9.
Die Erwärmung
beginnt zum Zeitpunkt t = 0 mit dem Eintritt des Wärmetauschers
in den Vorheizofen 7. Die Temperatur in dessen Innerem
beträgt
240 °C; die
Temperatur der Drähte 2,
dargestellt durch eine Kurve 16, nähert sich diesem Wert schneller
als die durch eine Kurve 17 dargestellte Temperatur des Rohrs 1.
Während
der Verweilzeit des Wärmetauschers 6 im
Vorheizofen 7 erreichen weder die Drähte noch das Rohr die Lufttemperatur
des Vorheizofens; die Temperatur der Drähte ist nach 60 s mit ca. 220 °C nahezu
angeglichen; die des Rohrs liegt mit ca. 170 °C deutlich darunter.
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Zum
Zeitpunkt t = 60 s wird der Wärmetauscher 6 in
den Schockerhitzungsofen 9 gebracht, wo er einer Temperatur
von 420 °C
ausgesetzt ist. Wenn zum Zeitpunkt t = 90 s der Wärmetauscher
aus dem Schockerhitzungsofen 9 entnommen und zum Fließbett 11 weiter
transportiert wird, haben die Drähte eine
Temperatur von knapp über
400 °C erreicht;
die Oberflächentemperatur
des Rohrs beträgt
ca. 330 °C.
Zwischen der Oberfläche
des Rohrs und seinem Inneren besteht eine Temperaturdifferenz von
10 bis 15 °C.
Dies bedeutet, dass auch Oberflächenbereiche
des Rohrs, die unmittelbar einer Verbindungsstelle 3 zu
einem Draht 2 benachbart sind, und die deshalb durch Kontakt
mit heißem
Gas in den Öfen 5 und 7 nur
vergleichsweise wenig effizient erhitzt werden, eine Temperatur
in gleicher Größenordnung
erreicht haben. Sie kühlen
daher nicht wie im herkömmlichen
Falle des Schockerhitzens in einem einzigen Schritt stark durch
Wärmeabfluss
ins Innere des Rohrs aus, sondern im Wesentlichen nur dadurch, dass
das Rohr Wärme
an das Fließbett
abgibt, in das es eingetaucht ist. Diese Abkühlung läuft an den Berührungsstellen 3 zwischen
Draht 2 und Rohr 1 nicht schneller ab als an anderen
Bereichen des Rohrs. Vielmehr ist an beim Beschichten problematischen
Stellen wie etwa den engen Spalten 4 im Kontaktbereich
zwischen Draht und Rohr die Wärmeabgabe
an das Fließbett
aufgrund der geschützten Lage
dieser Stellen langsamer als an freiliegenden Oberflächenbereichen
des Rohrs, so dass damit zu rechnen ist, dass an diesen Stellen
eine zum Schmelzen des Beschichtungsmaterials ausreichende Temperatur
länger
bestehen bleibt als anderen Orts, wodurch der schwierige Zugang
des Beschichtungsmaterials zu diesen Stellen kompensiert wird und
eine Schicht mit gleichmäßiger Dicke
und hoher Qualität auch
an diesen Problemstellen erhalten wird.