DE19810382C1 - Flammspritzverfahren zur Vorbehandlung und Beschichtung von Oberflächen und Anwendung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Vorbehandlung und zum thermischen Beschichten von Oberflächen mit einem Strahlprozeß zur Aktivierung des zu behandelnden Bauteils mittels eines Strahlguts und mit mindestens einem Spritzprozeß zur Beschichtung des Bauteils unter Verwendung einer Strahlanlage, einer Spritzanlage und einer Einrichtung zur Bevorratung des Strahl- uns Spritzguts, wobei der Strahlprozeß und der Spritzprozeß von derselben Anlage ausgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren zur Vorbehandlung und Beschichtung von Oberflächen, um deren Widerstandsfähigkeit zu verbessern.

Bei derartigen Spritzverfahren, beispielsweise dem HVOF (High Velocity Oxygen Fuel)-Spritzen, wie es aus EP 0 825 272 A2 bekannt ist, wird üblicherweise die zu behandelnde Oberfläche eines Bauteils oder Werkstücks in einem ersten Schritt zunächst mit einem Strahlgut, das beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliziumcarbid (SiC) gebildet ist, gestrahlt. Dieser Schritt wurde mit üblicherweise eigens dafür vorgesehenen Strahlgeräten, u. a. einer Strahlpistole ausgeführt. Durch eine entsprechende Zufuhr von Luft in diese Strahlpistole wird eine Injektionswirkung in einem Vorratsbehälter hervorgerufen, in dem das Strahlgut bereitgestellt wird, wodurch das Strahlgut aus dem Vorratsbehälter angesaugt und in der Strahlpistole beschleunigt wird. Das Strahlen der Oberfläche mit dem Strahlgut bewirkt eine sogenannte Aktivierung der gestrahlten Oberfläche. Dabei wird diese aufgerauht, wodurch sich eine Vergrößerung ihrer Oberfläche und damit ein besseres Anhaften später aufzutragender Schichten ergibt. Weiterhin bewirkt die Behandlung mit Strahlgut ein Reinigen der zu behandelnden Oberfläche von dort anhaftenden Rückständen, beispielsweise von Oxidhäuten aus dem Herstellungsprozeß des zu behandelnden Materials. Im Anschluß an das Strahlen der Oberfläche wird bei bekannten Verfahren in einem zweiten Schritt ein Spritzprozeß durchgeführt, bei dem die zu behandelnde Oberfläche mit einem wiederum eigens für diesen Schritt vorgesehenen Spritzgerät beschichtet wird.

Der Nachteil dieser Verfahren ist, daß für die Durchführung jedes der beiden Verfahrensschritte jeweils eigens dafür vorgesehene Anlagen verwendet werden müssen. So ist eine Strahlanlage vorzusehen, in der das zu behandelnde Werkstück zunächst wie beschrieben zu aktivieren ist. Hierzu sind oftmals eigene Kammern oder Kabinen zur manuellen Aktivierung der zu behandelnden Oberflächen erforderlich. Für den zweiten Verfahrensschritt sind dann thermische Spritzkabinen bereitzustellen, in die das Bauteil zu transportieren ist, um anschließend in diesen den Spritzprozeß mittels entsprechend dafür vorgesehenen Spritzanlagen durchzuführen.

Bei einem Verfahren gemäß DE 41 24 423 A1 geht dem Beschichtungsprozeß ein Prozeß der Oberflächenreinigung voraus, der nicht in speziell dafür vorgesehenen Anlagen durchgeführt wird, doch eine besondere Vorrichtung benötigt, so daß dieser dem Beschichtungsprozeß zeitversetzt vorausgehend durchgeführt werden kann.

Aus JP 06 218 051 geht ein Verfahren als bekannt hervor, bei dem eine Strahlpistole zur Oberflächenreinigung auf einer Spritzpistole angebracht wird. Bei geeigneter Führung der Spritzpistole kann der Reinigungsvorgang der Oberfläche vor dem Beschichten durchgeführt werden.

Aus JP 08 090 523 ist ein Verfahren bekannt, bei dem schaltbare Strahlgeräte zur Oberflächenreinigung auf zwei Seiten einer Spritzpistole eingesetzt werden, um den Reinigungsprozeß in zwei Richtungen vor dem Spritzprozeß durchführen zu können.

Neben dem relativ großen Aufwand an insgesamt für die beiden Verfahrensschritte erforderlichen Arbeitsgeräten und den damit verbundenen hohen Anschaffungs- und Wartungskosten haben diese Verfahren auch noch den Nachteil, daß sie nicht zum Aufbringen einer Korrosionsschutzschicht auf hochkorrosiven Oberflächen geeignet sind. Zukünftig gewinnt der Einsatz von leicht oxidierenden Materialien, wie z. B. Magnesium, Aluminium-Magnesium- Titan-Legierungen oder Kupfermaterialien an Bedeutung. Von besonderem Interesse sind diese beim Bau von Fahrzeugkarosserien. Bei den Verfahren nach dem Stand der Technik liegt jedoch zwischen dem Schritt der Oberflächenaktivierung und dem Spritzverfahren ein Zeitraum, bei dem sich auf der Oberfläche leicht oxidierender Materialien eine Oxidationshaut bildet, die wiederum die Haftfestigkeit für eine anschließend aufzubringende Beschichtung deutlich herabsetzt.

Ein weiterer Nachteil der bisherigen Verfahren ist, daß das für die Aktivierung der Bauteiloberfläche verwendete Strahlgut zur Reduzierung der insgesamt benötigten Strahlgutmenge mehrfach aufgefangen wird, nachdem es auf die Oberfläche gestrahlt worden ist. Nach einem parallel durchgeführten Reinigungsschritt wird es dann zum Vorratsbehälter zurückgeführt und im weiteren Verlauf des Strahlgangs wiederverwendet. Dabei tritt zum einen eine Verringerung der Scharfkantigkeit der Strahlgutpartikel auf, so daß bei länger dauernden Strahlvorgängen deren Effizienz sinkt. Im Zusammenhang mit der Behandlung von hochkorrosiven Leichtmetalloberflächen tritt bei diesem Verfahren jedoch insbesondere das Problem auf, daß trotz der Reinigung des bereits verwendeten Strahlguts geringe Verunreinigungen an diesem zurückbleiben. Diese Verunreinigungen entstehen unter anderem durch das Auftreffen des Strahlguts an der Kabinenauskleidung oder durch den Abrieb an den Wänden des Vorratsbehälters oder an Rohren und Leitungen. Diese Anlagenbestandteile sind im wesentlichen aus Stahl gebildet. Deshalb verbleibt trotz der Reinigung am Strahlgut in jedem Durchlauf ein gewisses Maß an Eisenabrieb, der in die Oberfläche des Leichtmetallbauteils eingeschossen wird. Auch wenn diese Verunreinigungen durch die in dem nachfolgenden Spritzverfahren aufgetragene Schicht abgedeckt werden, bilden diese auf der Oberfläche des Bauteils Auslöser für Korrosion.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Hochgeschwindigkeits- Flammspritzverfahren zur Vorbehandlung und Beschichtung von Oberflächen bereitzustellen, das die Widerstandsfähigkeit der zu behandelnden Oberflächen gewährleistet.

Diese Nachteile werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Alternative Verfahren werden in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann allgemein zum Auftragen einer Schutzschicht angewendet werden, um beispielsweise Korrosionsschutz oder Verschleißschutz zu bewirken.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß sowohl für das Strahlen der Bauteiloberfläche als auch für deren Beschichten ein und dieselbe Anlage vorgesehen werden kann. Dadurch wird zum einen die gesamte Anlage zur Durchführung des Verfahrens vereinfacht, so daß die diesbezüglichen Anlagenkosten deutlich reduziert sind. Zum anderen ergibt sich eine deutliche Verringerung des Zeitaufwands und damit der Herstellkosten des Bauteils, der zur Durchführung des Verfahrens erforderlich ist.

Bei dem Verfahren, bei dem der Strahl- und Spritzprozeß in einem einzigen Verfahrensschritt durchgeführt wird, wird der Vorteil erreicht, daß im Vergleich zu den Verfahren nach dem Stand der Technik weitaus weniger Strahlgut benötigt wird. Bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik werden die Strahlgeräte mit Druckluft betrieben, so daß die Strahlpartikel eine Geschwindigkeit zwischen 30 und 60 Meter pro Sekunde haben. Bei der daraus resultierenden Partikelenergie ist für die erforderliche Oberflächenaktivierung daher eine verhältnismäßig große Partikelmenge nötig. Dagegen wird die Beschleunigung der Strahlpartikel bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über Verbrennungsvorgänge in dem Strahl- und Beschichtungsgerät bewirkt, die für eine um den Faktor 10 höhere Energie der Strahlpartikel sorgen, als sie bei den Verfahren nach dem Stand der Technik auftritt. Somit sind nur verhältnismäßig geringe Mengen an Strahlpartikeln (in der Größenordnung von 20 g pro Minute) nötig, um die Oberfläche des zu behandelnden Bauteils in erforderlichem Maße zu aktivieren. Wegen der geringen Mengen an Strahlgut, die bei den erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, ist es nicht erforderlich, dieses innerhalb des Strahlprozesses wieder zu verwenden, so daß sich das Problem der Korrosion des Bauteils durch verunreinigtes Strahlgut nicht stellt. In diesem Zusammenhang ist insbesondere noch von Vorteil, daß sich die Partikelmenge bei dem im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Strahl- und Beschichtungsgerät wesentlich feiner dosieren läßt als bei den Geräten nach dem Stand der Technik.

Durch die Verwendung derselben Anlagen und Geräte sowohl für den Strahl- als auch den Spritzprozeß ist es weiterhin von Vorteil, daß die jeweils durch Strahlen und Spritzen behandelten Flächen wesentlich genauer in Übereinstimmung gebracht werden können. Dagegen wird bei den Verfahren nach dem Stand der Technik durch den Strahlprozeß ein oftmals deutlich größerer Bereich gestrahlt als hinterher gespritzt, so daß ein Randbereich unbeschichtet bleibt. Bei der Behandlung von hochkorrosiven Metallbauteilen ruft der gestrahlte, jedoch nicht gespritzte Randbereich erhebliche Korrosionen hervor, so daß die Verfahren nach dem Stand der Technik nicht zur Behandlung von hochkorrosiven Metallbauteilen geeignet ist. Demgegenüber ist durch das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem ein und dieselbe Anlage bzw. ein und dasselbe Gerät für den Strahl- und Spritzvorgang verwendet wird, eine genauere Einstellung der jeweils behandelten Oberflächen möglich und dadurch sichergestellt, daß kein Randbereich übrigbleibt, der nicht gespritzt wurde und später korrodiert. Auch durch die bessere Einstellbarkeit der jeweils behandelten Flächen wird also der Korrosionsschutz durch das erfindungsgemäße Verfahren erheblich verbessert.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben:
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein und dasselbe Gerät oder ein und diesselbe Anlage als Strahlanlage und Spritzanlage zur Durchführung des Strahl- bzw. Spritzprozesses verwendet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, zu behandelnde Bauteile von einer im Stand der Technik eigens dafür vorgesehenen Strahlkammer in eine davon getrennte Spritzkammer zu bringen, um das Bauteil zu behandeln. Stattdessen kann das Bauteil für beide Verfahrensschritte in ein und derselben Kammer oder Kabine behalten werden. Zwischen beiden Verfahrensschritten ist es nur noch erforderlich, die Verbindung der Strahl- und Spritzanlage von einem Vorratsbehälter mit dem Strahlgut auf den Vorratsbehälter mit dem Spritzgut umzuschalten. Dies kann in einer verhältnismäßig kurzen Zeit erreicht werden, in der selbst hochkorrosive Metalle noch nicht zu korrodieren beginnen.

Zur Durchführung des Strahlprozesses wird vorzugsweise ein Pulver als Strahlmittel verwendet, daß eine Korngröße besitzt, bei der die einzelnen Partikel des Pulvers von der Strahl- und Spritzpistole nicht mehr aufgeschmolzen werden können. Dadurch wird verhindet, daß sich geschmolzenes Strahlmaterial an der Innenwand des Strahlgeräts anlagert. Dadurch, daß Strahlpartikel von einer Mindestgröße für den Strahlprozeß verwendet werden, die vorzugsweise auch einen im Vergleich zum Stand der Technik höheren Schmelzpunkt besitzen, wobei diese Partikel nicht wiederverwendet werden, behalten diese Partikel auch nach dem Verlassen des Strahlgeräts ihre hergestellte Form, d. h. ihre erforderliche Scharfkantigkeit. Aus diesen Gründen wird mit dem erfindungsgemäßen Strahlprozeß eine optimale Aktivierung der Oberfläche des zu behandelnden Bauteils erreicht und anschließend der Spritzprozeß durchgeführt, wobei die Korrosionsgefahr am Bauteil minimal gehalten wird.

Wesentlich ist, daß die Strahlpartikel während des Verfahrens selbst teilweise nicht aufgeschmolzen werden, da sonst möglicherweise deren Konsistenz verändert wird. Je nach Anwendungsfall müssen die Strahlpartikel jedoch nicht scharfkantige Form haben, sondern können auch andersartig, z. B. in Kugelform gestaltet sein. Die Aktivierung der behandelten Oberfläche wird dann durch die relativ harte Beschaffenheit der Strahlpartikel bewirkt.

In einem alternativen Verfahren können das Strahl- und Spritzgut auch gleichzeitig auf die Oberfläche des zubehandelnden Bauteils aufgebracht werden. Dabei wird das Strahl- und das Spritzgut gleichzeitig den entsprechenden Vorratsbehältern entnommen, so daß beide Vorratsbehälter gleichzeitig der Strahl- und Spritzanlage zugeschaltet sind.

Als Strahlgut werden beispielsweise Partikel aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Siliziumkarbit (SiC) verwendet. Als Beschichtungswerkstoff ist in vielen Anwendungen, für die das erfindungsgemäße Verfahren in Betracht kommt, Aluminium vorgesehen.

Der Anteil des Strahlguts oder abrasiven Werkstoff gemessen an dem bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insgesamt verwendeten Strahl- und Spritzgut liegt bei mindestens 5% und maximal 50 Gew.-%, wobei bei den meisten Anwendungen ein Anteil von 10 bis 30 Gew.-% vorzusehen ist.

Die Teilchengröße der Strahlpartikel liegt erfindungsgemäß im Bereich zwischen 5 und 150 µm.

Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren beim Aufbringen eines Korrosionsschutzes an Rahmenelementen von Fahrzeugkarosserien, das im folgenden beschrieben wird. Bei Fahrzeugen, die atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt sind, gelangt Feuchtigkeit und Wasser mit Salzen vermischt in das Innere von Karosserien und damit auch an Stellen, an denen verschiedene metallische Materialien aneinander stoßen und somit Korrosion begünstigen. Bei zukünftigen Fahrzeugen sind Karosserien vorgesehen, deren Außenhaut aus einem Blech, wie z. B. Aluminiumblech, und deren Karosserierahmen aus hochkorrosiven Werkstoffen, wie beispielsweise Magnesium oder Magnesiumlegierungen besteht. Im unteren Bereich des Karosserierahmens, und zwar auf der Innenseite der Karosserie, wo sich dieses Wasser bildet und dieses Wasser oftmals über längere Zeit gehalten wird (Bilge), werden üblicherweise an der entsprechenden Stelle des Magnesiumelements Bleche angebracht, damit die Bilge nicht unmittelbar mit dem hochkorrosiven Rahmenelement in Verbindung kommt. Damit konnte jedoch bisher Korrosion nur ganz unzureichend verhindert werden, da die Bleche diese Stellen nicht vollständig gegen die Bilge abdichten. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es jedoch möglich, eine Aluminiumbeschichtung direkt auf die entsprechenden Stellen des Magnesiumrahmens mit einer zuverlässigen Dichtheit aufzutragen, so daß die Bilge mit dem Magnesium auch auf lange Sicht nicht in Berührung kommt.

Claims (11)

1. Verfahren zum Auftragen einer Schutzschicht auf Oberflächen des zu behandelnden Bauteils mit einem Strahlprozeß zur Aktivierung des Bauteils mittels eines Strahlguts und mit mindestens einem Spritzprozeß zur Beschichtung des Bauteils unter Verwendung einer Strahlanlage, einer Spritzanlage und einer Einrichtung zur Bevorratung des Strahl- und Spritzguts, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlprozeß und der Spritzprozeß von derselben Anlage ausgeführt wird.

2. Verfahren zur Vorbehandlung und zum thermischen Beschichten von korrosiven Oberflächen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form und Konsistenz der Strahlpartikel während des Verfahrens im wesentlichen nicht verändert werden.

3. Verfahren zur Vorbehandlung und zum thermischen Beschichten von korrosiven Oberflächen nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Strahlpartikel während des Verfahrens unterhalb deren Schmelzpunkts liegt.

4. Verfahren zur Vorbehandlung und zum thermischen Beschichten von korrosiven Oberflächen nach einem der vornstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl- und Spritzprozeß in ein und demselben Verfahrensschritt gleichzeitig ausgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der zu behandelnden Oberfläche eine Leichtmetall-, eine Kupfer-, eine Nickel- oder eine Stahllegierung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Leichtmetallegierung eine Aluminium- oder Magnesium-Legierung eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Strahlpartikel mindestens 10 und maximal 50 Volumen-Prozent beträgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Teilchengröße der Strahlpartikel 5 bis 150 µm vorgesehen ist.

9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtungswerkstoff Aluminium verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Austrittstemperatur für das Strahl- und Spritzgut aus der Strahl- und Spritzanlage mindestens 2000°C eingestellt ist.

11. Anwendung des Verfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche zur Aufbringung einer Aluminiumbeschichtung an korrosionsgefährdeten Stellen von Karosserie-Rahmenelementen.