DE1052773B - Tank fuer die Tauchbehandlung von Metallen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1 052

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGE S CHRIFT:

AUSGABE DER
PATENTSCHRIFT:

kl 48b 2

INTERNAT. KL. C 23 C 19. JANUAR 1953

12. MÄRZ 1959
3. SEPTEMBER 1959

stimmt Oberein mit auslegeschrift

1 052 773 (G 107(75 VI /48 b)

Die Erfindung betrifft einen Tank, insbesondere zum Überziehen von Eisen mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

Um eine gute Bindung zwischen dem Grundmetall, insbesondere Eisen, und dem Überzugsmetall Aluminium zu erhalten, ist es wesentlich, daß die Oberfläche des Grundmetalls zur Zeit des Aufbringens des Überzugsmetalls unbedingt rein ist. Man kann das dadurch erreichen, daß man das Grundmetall in einem geeigneten Salzbad reinigt. Um zu verhindern, daß die Oberfläche des Grundmetalls vor dem Aufbringen des Überzugsmetalls oxydiert, ist es zweckmäßig, ein Tauchverfahren anzuwenden, bei dem die Reinigungsbehandlung und das Überziehen in demselben Bad vorgenommen, werden, so' daß das einmal gereinigte Eisen vor dem Überziehen nicht mehr mit der Luft in. Berührung kommt. Für ein solches Verfahren kann man ein Bad verwenden, bei dem eine untere Schicht aus dem geschmolzenen, Aluminium oder der Aluminiumlegierung in Berührung mit, einer oberen Schicht aus einem geschmolzenen Salzgemisch steht, so daß das zu überziehende Eisen zur Reinigung und Erwärmung durch die Salzsclhicht hindurchgeführt und danach zum. Überziehen in die geschmolzene Aluminiumschicht eingetaucht wird. Als Salzbad, für die Reinigung von Eisen hat sich ein Gemisch aus Metallfluoriden und anderen Halogeniden als geeignet ergeben, das mit dem geschmolzenen Aluminium in Kontakt gehalten wird, damit das Salz aktiviert wird. Nach der deutschen Patentschrift 827 147 ist eine besonders vorteilhafte Salzmisdhung wie folgt zusammengesetzt: 37 bis 57^Ό/ο Kaliumchlorid, 25 bis 45 Vo Natriumchlorid, 8 bis 20% Kryolith, 0,5 bis 12⁰Zo Aluminiumfluorid.

Während ein geschmolzenes Salzgemisch mit Fluoridgehalt in' Berührung mit, geschmolzenem Aluminium oder Aluminiumlegierung als Vorwärme- und Reinigungsmittel für Verfahren zum Überziehen von Eisen manche Vorzüge aufweist, ist das Gemisch äußerst aggressiv, so- daß es in verhältnismäßig kurzer Zeit die gebräuchlichen Ofenauskleidüngen zerfrißt.

Zweck der Erfindung ist es, einen Tank zu schaffen, der gegen Korrosion durch das geschmolzene Salz erhöhte Widerstandsfestigkeit besitzt. Gemäß der Erfindung erreicht man dieses Ziel dadurch, daß man wenigstens die Teile des Tanks, die mit dem, geschmolzenen Salz in Berührung kommen, mit Siliziumkarbid auskleidet.

Wenn hier von »Aluminium« die Rede ist, so soll darunter nicht bloß Reinaluminium,, sondern auch Legierungen auf Aluminiumgrundlage: verstanden werden.

Der Umfang der Erfindung wird durch die angeschlossenen Ansprüche definiert. Beispiele für die Tank für die Tauchbehandlung
von Metallen

Patentiert für:

General Motors Corporation,
Detroit, Mich. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika, vom 19. Januar 1952

Alfred L. Boegehold, Detroit, Mich. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Ofentank, Fig. 2 ein Querschnitt von Fig. 1;

Fig. 3 ist ein Längsschnitt in kleinerem Maßstab durch einen Ofen anderer Bauart, und

Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch einen weiteren anders gebauten. Ofen.

In der Ausführung nach Fig. 1 und 2 besteht der Tank 5 von rechteckigem Querschnitt aus einer Auskleidung 6, die von einem Wärmeschutzmaterial 7 umgeben ist; dieses ist beispielsweise Mauerwerk aus irgendeinem geeigneten keramischen Werkstoff, das mit einer Asbestpackung hinterfüttert ist. Die ganze Konstruktion ruht auf einem Tragwerk 8, das etwa aus Metallträgern aufgebaut sein kann.

Im Betrieb enthält der Tank 5 eine obere Schicht 9 aus geschmolzenem Salz, einem Gemisch aus Metallfluoriden und anderen Halogeniden, und eine untere Schicht 10 aus geschmolzenem Aluminium.

Die Maße des Tanks hängen natürlich von der Tiefe der zu verwendenden Salz- und Aluminiumschicht ab sowie von der Größe der mit Aluminium zu überziehenden Teile, usw. Der obere Teil 11 der Tankauskleidung 6 ist mit Siliziumkarbid ausgekleidet, das gegenüber der Korrosionswirkung der geschmolzenen Metallfluoride und anderen Halogenide hoch widerstandsfähig ist. Der untere Teil 12, der mit der geschmolzenen Aluminiumschicht in Berührung steht,

909 593/329

besteht zweckmäßig aus irgendeinem hitzebeständigen Stoff, z. B. Tonerde oder Graphit. Beispielsweise geben monolithische Auskleidungen aus Aluminiumsilikat mit Bindung durch Natriumsilikat oder aus silikatgebundener Kieselerde befriedigende Wirkung. Man beachte, daß der obere oder Siliziumkarbidteil 11 der Auskleidung aus einem Einsatz oder einer Oberflächenschicht besteht, die in die Hinterschicht der Auskleidung 6 eingelegt ist; die Hinterschicht besteht dann aus demselben Stoff wie der untere Teil 12. Man könnte natürlich auch die ganze Tankauskleidung aus Siliziumkarbid herstellen; mit Rücksicht auf die Kosten verwendet man aber Siliziumkarbid vorzugsweise nur an. den Stellen, die dem geschmolzenen Salz ausgesetzt sind. Es hat sich herausgestellt, daß eine monolithische Auskleidung aus Tonerde oder Kieseilerde an den Stellen, die mit dem geschmolzenen Aluminium in Berührung kommen, haltbarer ist. Man beachte, daß der Siliziumkarbidteil 11 der Auskleidung bis ein wenig unter die Tiefe der Salzschicht reicht. Dies ist erwünscht, weil im Betrieb des Tanks mit. kleinen Höhenunterschieden der Aluminiumschicht gerechnet werden muß. Die Ausdehnung 13 der Siliziumkarbidauskleidung unter die Grenzschicht zwischen den beiden Badsdhichten soll die Möglichkeit ausschließen, daß das geschmolzene Salz mit dem unteren Teil 12 der Auskleidung in Berührung kommt und, Auswaschungen hervorruft.

In der Salzschicht ragen von oben her nahe einer Seitenwand eine Reihe von Elektroden 14 hinein, die durch Sammelschienen 15 mit einer elektrischen Energiequelle verbunden sind, die allgemein mit 16 bezeichnet ist. Die Elektroden und ihre Zuleitungen werden von Isolatoren 17 getragen, die die Sammelschienen 15, an denen die Elektroden 14 befestigt sind, an der Außenwand des Ofens festmachen. Eine Abstandhalterstange 18 aus wärmewiderstandsfähigem und, elektrisch isolierendem Stoff trägt ebenfalls dazu bei, die Elektroden in richtiger Lage zu halten. Wie man am besten aus Fig. 2 erkennt, sind die Elektroden 14 dicht entlang einer Seite des Tanks 5 angeordnet, damit ein, größerer Arbeitsraum im Tank frei bleibt Mit dieser Anordnung kann man Eisenteile tauchen, ohne mit der Elektrodenstcllung in Konflikt zu geraten. Selbstverständlich könnte man auch Elektroden an mehr als einer Seite des Tanks anordnen oder damit mehr nach der Mitte des Tanks gehen, wenn dies nötig ist, um einem großen Ofen hinreichende Wärme zuzuführen. Die Länge der Elektroden 14 reicht hin, um sie bis oberhalb der unteren Grenze der Salzschicht gehen zu lassen. Wenn sie in Berührung mit der Aluminiumschicht kommen, so tritt Kurzschluß ein: Daher muß man darauf achten, daß auch beim Eintauchen der metallischen Werkstücke in das Aluminiumbad das hierdurch verursachte Ansteigen des Alumiiiiumbades nicht zu einem solchen Kurzschluß führt. Die günstigste Elektrodcnlänge hängt also von der Tiefe der Salzschicht und dem Volumen der Werkstücke ab, die irgendwann einmal in das Aluminiumbad, eingetaucht werden, sollen.

Die Salzschicht 9 wird durch die Widerstandsheizung schmelzflüssig gehalten, die aus dem Durchgang des Stromes von den Elektroden 14 durch das Salz entsteht. Die Aluminiumschicht bleibt durch die Berührung mit der geschmolzenen Salzschicht flüssig. Eine Aluminiumsöhicht bis etwa 300 mm Stärke läßt sich unter einer Schicht aus geschmolzenen Metallhaloge.niden schmelzen und geschmolzen halten.

Um einen besseren Wärmeübergang von der Salzschicht zur Aluminiumschicht zu bewirken, ist die Verwendung eines Rührwerks empfehlenswert, das das geschmolzene heiße Salz bewegt und zu der Salzaluminium-Grenzschicht hinuntertreibt. Je ein Rührwerk 19 ist dicht neben der Endwand des Tanks 5 gelagert. Jedes Rührwerk besteht aus einer Reihe Flügelschaufeln 20, die auf einer Welle21 befestigt sind; die Welle wird über eine Scheibe 22 durch Kette oder Riemen 23 angetrieben. Der Antriebsmotor 24 ist abseits von der Hitze an einer Außenwand des Ofens

ίο befestigt.

Durch die Rührwirkung wird das heiße Salz bewegt und abwärts gegen die Aluminiumsdhicht getrieben: Das ergibt einen größeren Wärmeaustausch vom Salz zum Aluminium,.

Oft wärmt man in der Praxis das zu überziehende Metal] vor, ehe man es in den. Ofen eintaucht. Die in dem vorgewärmten Stück gespeicherte Wärme trägt in diesem Fall dazu bei, die Temperatur des Salz- und Aluminiumbades zu erhalten. Wenn außerdem das Werkstück schnell durch die Badschichten hind.urchgeführt wird, z. B. wenn Bleche einzeln oder Werkstücke mittels eines Transportbandes durch den Ofen befördert werden, so unterstützt und, vollendet die hierdurch hervorgerufene Bewegung des Bades die.

Arbeit der Rührwerke. Die Verwendung von Rührwerken ist nicht immer wesentlich, wohl aber gewöhnlich speziell dort erwünscht, wo eine tiefe Aluminiumschicht benutzt wird und wo die Fördergeschwindigkeit der Werkstücke durch das Bad nicht ausreicht, um eine beträchtliche Bewegung des Bades hervorzurufen.

Es kann jedes beliebige Förderbandsystem benutzt werden, um die Ggenstände in laufender Folge durch die Badschichten des Tanks hindurchzuführen, und natürlich kann das auch von Hand geschehen.

Im allgemeinen ist es vorteilhaft, beide Verfahrensschritte, das Reinigen und das Überziehen des Metalls, in ein und demselben Tank durchzuführen. Man kann aber natürlich auch jeden der beiden Arbeitsgänge in einem besonderen Tank vornehmen. Wenn diese Arbeitsweise gewählt wird,, so> dient der hier beschriebene Tank zweckmäßig für die Durchführung des Reinigungsschrittes. Ein, geschmolzenes Salz mit Fluoridgehalt in Kontakt mit geschmolzenem Aluminium als Aktivierungsmittel für das Bad dient dann als Fluß- und Reinigungsmittel. In diesem Falle genügt natürlich eine flachere Aluminiumschicht, als wenn der Tank sowohl zum. Reinigen wie zum. Überziehen benutzt, wird.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der eine geringere Aluminiummenge gebraucht wird, um dieselbe Schichttiefe zu erreichen. Hier ist ein Tank 26 mit einer Siliziumkarbidschlicht 27 ausgekleidet, die von isolierendem Stoff 28, z. B. Asbest und/oder keramischem Mauerwerk, umgeben und, von einem Tragwerk 29 aus Metallträgern oder sonst geeigneten Bauteilen abgestützt wird. Ein zweiter, kleinerer Tank 30 mit Wänden 31 aus Siliziumkarbid ist in den Tank 26 versenkt. Der versenkte Tank 30 ist zum Zwecke, der Festigkeit und Standsicherheit mit einer großen Grundfläche 32 ausgestattet. Bei dieser Ausführungsform ist das geschmolzene Aluminium 33 in dem versenkten Tank 30 enthalten; durch Wärmeübergang von dem geschmolzenen. Salz 34 in dem großen Tank 26 wird, es schmelzflüssig erhalten. In der dargestellten speziellen Ausführungsform ist der versenkte Tank 26 in der Mitte, der Längsausdehnung des Tanks 26 und nach einer Seitenwand verschoben angeordnet; man kann ihn aber auch genau in der Mitte des Tanks 26 anordnen oder auch ihn so weit nach

einer Seite rücken, daß er eine Wand mit dem größeren Tank gemeinsam, hat. Bei der dargestellten Form ist der kleine Tank 30 vom größten Tank 26, in dem er versenkt ist, vollständig getrennt; er kann also; zur Ausbesserung ohne Störung des großen Tanks herausgenommen werden.

Die Wände 31 des versenkten Tanks 30 kann man ganz aus Siliziumkarbid herstellen; sie können aber auch nur in, den Teilen, die dem geschmolzenen Salz ausgesetzt sind, aus Siliziumkarbid und da, wo sie mit dem, geschmolzenen. Aluminium in Berührung stehen, aus einem anderen hitzebeständigen Stoff, z. B. Tonerde, Kieselerde oder Graphit, bestehen.

Elektroden 35 ragen in die Salzscihicht 34 hinein und halten durch die Widerstandsheizung, die der hindurchfließende Strom bewirkt, das Salz schmelzflüssig. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 werden natürlich ebenfalls passende elektrische Leitungen und eine Stromquelle ähnlich der Anordnung nach Fig. 1 und 2 benutzt. Man kann auch wie dort. Rührwerke einbauen, indessen ist hier das Bedürfnis für eine Bewegung des Salzbades geringer, weil das Salzvolumen im Verhältnis zu der Aluminiummenge¹ größer ist und weil das umgebende geschmolzene Salz näher an dem Aluminiumbad liegt. Außerdem bewirkt die ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit der Siliziumkarbidwände einen wirksamen Wärmeübergang vom Salz zum Aluminium.

Wenn das Aluminium durch Wärmeübergang vom Salzbad aus erhitzt wird, so ist es natürlich immer etwas kühler als das Salz. Bei einer Aluminiumschicht von. etwa, 300¹ mm Tiefe und. einer Salzbadtemperatur von etwa, 700° C kann z. B. der Temperaturunterschied, zwischen Salz- und Aluminiumbad etwa. 22 bis 33° C betragen, selbst wenn man das Salzbad durch Rührwerke bewegt. Sowie die geforderte Aluminiumtemperatur größer wird, nimmt auch der Temperaturunterschied zwischen Salz- und Aluminiumbad zu. Um z. B. eine Aluminiumtemperatur von etwa 700° C aufrechtzuerhalten, wird oft eine Salzbad.tempera.tur von etwa 760° C erforderlich.

Um eine bessere Temperaturregelung für die beiden Bäder zu erhalten und auch anderer Vorteile wegen, kann man nach der Darstellung von Fig. 4 gesonderte Heizeinrichtungen für das Salz- und das Aluminiumbad verwenden,. Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform besteht, aus einem Tank 38 mit einer Auskleidung 39, die durch einen Wärmeisolierstoff 40 hinterfüttert ist; der Tank enthält eine Schicht 41 aus geschmolzenem Aluminium und eine schmelzflüssige Salzschicht: 42. Der obere Teil 43 der Auskleidung 39, der mit. dem geschmolzenen Salz in Berührung steht, besteht aus Siliziumkarbid, der untere Teil 44 aus irgendeinem, geeigneten, hitzebeständigen, Stoff, z. B. Graphit oder silikatgebundener Tonerde oder Kieselerde. Wie in der Ausführung nach Fig. 1 und 2 reicht der Siliziumkarbidteil der Auskleidung bis etwas unter die Grenzschicht zwischen Salz und Aluminium hinunter, wie bei 45 angedeutet ist, um die Möglichkeit einer längeren Berührung des geschmolzenen Salzes mit dem unteren Teil 44 der Auskleidung zu verhüten.

Der spezielle Tank, der in Fig. 4 dargestellt ist, hat einen Querschnitt etwa in Gestalt eines umgekehrten L; damit wird eine größere Tiefe der Aluminiumschicht im Vergleich zu der erforderlichen Aluminiummenge erreicht. Ein Tank dieser Gestalt mit einem tiefen Teil 46 und einem flachen Teil 47, wobei die Querschnittsgröße des tiefen Teils geringer ist als die des flachen, ist da besonders brauchbar, wo große Werkstücke zu überziehen sind, und wo z. B. eine Vorwärmung erforderlich ist, die eine große Länge des Salzbades verlangt, durch das die Stücke vor dem Überziehen 'hindurchgezogen werden müssen. In Fig. 4 ist das Aluminiumbad in. dem tiefen Teil 46 des Tanks untergebracht; oft möchte: man aber die Aluminiumschicht hoch genug anstehen, lassen, um wenigstens eine dünne Läge auf dem Boden des flachen Teils 47 zu haben, die zur Aktivierung des Salzbades

ίο dienen soll.

Elektroden 48 zur Widerstandsheizung des Salzbades erstrecken, sich von oben her in den. flachen Teil 47 des Tanks 38. Diese Elektroden müssen natürlich in passender Weise an eine elektrische Energiequelle angeschlossen sein.

Zum Zweck einer unabhängigen Heizung für das Aluminiumbad ist hier eine Induktionsheizung 49, passend mit einer elektrischen Stromquelle verbunden, unten in unmittelbarer Nachbarschaft mit der Bodenfläche des tiefen Teils 46 des Tanks 38 untergebracht. DieseTnduktionsheizung kann eine hinreichende Hitze liefern, um das Aluminiumbad schmelzflüssig und auf Temperaturen bis zu etwa 980° C zu erhalten, unabhängig von der aus dem Salzbad übertretenden Wärme. Es ist nur eine Induktionsheizung gezeigt, aber es können, je nach der Größe des Tanks und des Heizkörpers und nach der erforderlichen Wärmemenge, deren auch mehrere sein.

Die Induktionsheizung ist in einem vertieften Teil 50 des Tanks 38 untergebracht, damit der erforderliche Aluminium-Ringkanal für die Induktionsheizung entsteht. Die Breite des vertieften, Teils 50 reicht aus, um die Ringkanäle: 51 und 52 zu bilden; die Mitte des Heizkörpers 49 liefert einen weiteren Kanal 53.

Wahlweise kann die Induktionsheizung mit einem oder mehreren Heizkörpern, auch an den Seitenwänden des Tanks in der Aluminiumschicht untergebracht sein.

Die gesonderte Heizeinrichtung für das Aluminiumbad ist darum vorteilhaft, weil sie eine unabhängige Temperaturregelung des Aluminium- und des Salzbades ermöglicht; dies wäre nicht zu erreichen, wenn das Aluminium nur durch die Berührung mit dem Salz erhitzt würde. Dadurch kann man höhere Aluminiumtemperaturen erzielen, ohne daß man die Salzbadtemperatur über die zulässige, obere Grenze erhitzen müßte. Man kann auch flachere. Salzbadschichten verwenden, als wenn das Aluminium nur durch Wärmeübergang aus dem Salzbad erhitzt wird.

Dies ist erwünscht für die Regelung des Abspülvorgangs durch das Salz, der sich an das Eintauchen des Werkstückes in das Aluminium anschließt. Die Tiefe des geschmolzenen. Aluminiums, das man unterhalb der Salzschicht benutzen kann, ist von der Salzbadtemperatur unabhängig. Außerdem ist es nicht notwendig, bei der Konstruktion des Ofens darauf Rücksicht zu nehmen, daß eine ausreichende Berührungsfläche zwischen dem Salz und dem Aluminium vorhanden ist, damit hinreichender Wärmeübergang stattfindet. Es hat sich auch ergeben, daß die dauernde Bewegung der Aluminium- und Salzgrenzschicht, die von. der Pumpwirkung der Induktionsheizung herrührt, die aktivierende Wirkung des Aluminiums auf das Fluorid enthaltende Salzbad vergrößert. Ein anderer Vorteil der Verwendung einer unabhängigen Heizung für das Aluminium liegt darin, daß ein Strornausfall in einem der beiden Heizstromkreise nicht dazu führt, daß Salz und Aluminium bis zu einem Punkt einfrieren, wo die Wiederaufnahme des Betriebes nicht möglich ist.

Die genaue Tankkons'truktion hängt natürlich von der Natur des durchzuführenden. Überziehverfahrens ab. In vielen Verfahren werden zwar solche Salzbad- und Aluminiumbadtemperaturen und Schichttiefen verlangt, daß keine gesonderte Heizeinrichtung für das Aluminiumbad erforderlich ist, in anderen Fällen lassen. Vorwärmung und Reinigung oder das Abspülen nach dem; Überziehen die Verwendung gesonderter Heizung für das Aluminium wünschenswert erscheinen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Tank zur Durchführung eines Verfahrens zum Überziehen, von Gegenständen insbesondere aus Eisen mit Aluminium, bei dem die Gegenstände zunächst in eine schmclzflüssige Salzmischung, die Metallfluoride oder sonstige Halogenide enthält und mit Aluminium aktiviert ist, und anschließend in ein Aluminiumbad eingetaucht werden, wobei in einem Tank sowohl das Salzgemisch als auöh unterhall) der Oberfläche des Salzgemisches schmelzflüssiges Aluminium enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank in den Bereichen, die mit dem Salzgemisch in Beruhrung kommen, mit Siliziumkarbid ausgekleidet ist.

2. Tank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank (38) aus einem tiefen Teil (46) für die Aufnahme des Aluminiums und einem flachen, mit Siliziumkarbid ausgekleideten Teil (47) besteht, der das auf dem Aluminium schwimmende Salz aufzunehmen hat.

3. Tank nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der tiefe Teil (46) an eine Seitenwand des Tanks (38) angrenzt.

4. Tank nach; Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tank (26) ganz mit Siliziumkarbid ausgekleidet ist und einen kleineren, oben offenen Tank (30) enthält, der das Aluminium (33) aufzunehmen hat, dessen Außenwand (31) aus Siliziumkarbid besteht und der so> bemessen ist, daß er in dem Salzgemisch untertaucht.

5. Tank nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumkarbidauskleidung etwas über die normale; Tiefe der Salzschicht hinausreicht,.

6. Vorrichtung unter Verwendung eines Tanks nach Anspruch 1 bis 5 mit einer oder mehreren Heizvorrichtungen, .dadurch gekennzeichnet, daß je ein Rührwerk (19) dicht neben der End.wand des Tanks (5) in. der Salzschmelze angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 802 304;
Kirk — Othm'er, »Encyclopedia of ehem. Technology«, 1948, S. 859.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 769/309 3. (909 593/329 8. 59)