DE19844668A1 - Bearbeitung von mittels thermischen Spritzens zu beschichtender Oberflächen - Google Patents
Bearbeitung von mittels thermischen Spritzens zu beschichtender OberflächenInfo
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Abstract
Die Erfindung setzt sich mit der Bearbeitung und speziell mit der Vorbehandlung einer Oberfläche eines Substrates durch Aufrauhen vor dem Beschichten der Oberfläche des Substrates mit einer Spritzschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens auseinander. DOLLAR A Erfindungsgemäß umfaßt die Vorbehandlung ein Strahlen der zu beschichtenden Substratoberfläche mittels eines Strahlmittels, welches ein oder mehrere mittels Kälte verfestigter Fluide in festem Aggregatzustand enthält. DOLLAR A Insbesondere kann festes Kohlenstoffdioxid, beispielsweise in Form von CO¶2¶-Pellets und/oder CO¶2¶-Blockeisraspelkorn, eingesetzt werden. Erfolgt das Strahlen mittels Strahlmitteln in festem Aggregatzustand unmittelbar vor dem Beschichten durch thermisches Spritzen, kann durch das Strahlen mittels Strahlmitteln in festem Aggregatzustand eine Kühlung der Substratoberfläche bewirkt werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Substra
tes im Zusammenhang mit dem Beschichten der Substratoberfläche mit einer Spritz
schicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens, wobei die Substratoberfläche bei
einer Vorbehandlung vor dem Beschichten der Substratoberfläche mit der Spritz
schicht aufgerauht wird, sowie eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche
eines Substrates im Zusammenhang mit dem Beschichten der Substratoberfläche mit
einer Spritzschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens umfassend Mittel zur
Vorbehandlung der Substratoberfläche durch Aufrauhen vor dem Beschichten der
Substratoberfläche mit der Spritzschicht, wobei die Mittel zur Vorbehandlung eine
Strahlanlage mit Beschleunigungsmitteln zur Beschleunigung der Strahlmittel auf die
Substratoberfläche enthalten.
Das thermische Spritzen umfaßt Verfahren, bei denen Spritzzusätze innerhalb oder
außerhalb von Spritzgeräten an-, auf- oder abgeschmolzen und auf vorbereitete
Oberflächen aufgeschleudert werden. Die Oberflächen werden dabei nicht aufge
schmolzen.
Das thermische Spritzen zum Beschichten von Oberflächen kennt als Verfahrens
varianten das autogene Flammspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flamm
spritzen, das Lichtbogenspritzen, das Plasmaspritzen, das Detonationsspritzen und
das Laserspritzen.
Thermische Spritzverfahren sind in allgemeiner Form beispielsweise in
- - Übersicht und Einführung in das "Thermische Spritzen", Peter Heinrich, Linde- Berichte aus Technik und Wissenschaft, 52/1982, Seiten 29 bis 37, oder
- - Thermisches Spritzen-Fakten und Stand der Technik, Peter Heinrich, Jahrbuch Oberflächentechnik 1992, Band 48, 1991, Seiten 304 bis 327, Metall-Verlag GmbH,
beschrieben.
Weitere Details zum thermischen Spritzen sind beispielsweise der europäischen Norm
EN 657 zu entnehmen.
Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie
gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen ermöglichen. Durch thermische Spritz
verfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien
an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können
dabei in Form von Drähten, Stäben oder als Pulver verarbeitet werden. Beim thermi
schen Spritzen kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung vorgesehen sein.
In jüngerer Zeit wurde darüber hinaus ein weiteres thermisches Spritzverfahren ent
wickelt, welches auch als Kaltgasspritzen bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um
eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens mit Pulver.
Dieses Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533
B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum
Einsatz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl ge
schmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelz
punktes der Zusatzwerkstoffpulverpartikel (EP 0 484 533 81). Im Kaltgasspritzver
fahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren "kaltes" bzw.
ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso
wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber in der Regel lediglich auf Tempe
raturen unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes.
Beim thermischen Spritzen kann insbesondere bei den hochenergetischen Spritz
verfahren wie dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, dem Plasmaspritzen oder
dem Kaltgasspritzen eine Kühlung erfolgen. Dazu kann beispielsweise Kohlendioxid,
insbesondere in Form von CO2-Schnee, verwendet werden. Ein derartiges Verfahren
ist beispielsweise aus der europäischen Patentschrift EP 0 546 359 B1
- - oder aus dem Firmenprospekt der LINDE AG, Werksgruppe Technische Gase, "LINSPRAY®-Thermisches Spritzen Dosiertes Kühlen mit CO2", Publikationsnummer: 8542/1, Druckauflage 04/92, oder
- - aus "Praktische Erfahrungen mit der Kühlung beim thermischen Spritzen", S. Werner, P. Heinrich, W. Schmidtke und R. Schüfer, DVS-Berichte Band 152, 1993, Seiten 45 bis 46,
bekannt.
Das oben angesprochene Vorbereiten der zu beschichtenden Oberfläche des
Substrats vor dem thermischen Spritzen umfaßt eine Aufrauhen der Substrat
oberfläche. In der Regel wird dieses Aufrauhen durch Strahlen vor dem thermischen
Spritzen mit Strahlmitteln bewerkstelligt. Als Strahlmittel werden dazu üblicherweise
Korund oder Strahlkies eingesetzt. Durch das Aufrauhen wird die Substratoberfläche
"aktiviert". Dadurch wird das Verklammern - der Haupthaftmechanismus zwischen
Schicht und Substratwerkstoff - erst ermöglicht.
Das Aufrauhen kann auch mittels Rauhdrehen oder Rauhschleifen erreicht werden.
Dabei tritt allerdings eine relativ hohe Fehlerrate auf, weshalb auf das Rauhdrehen
oder Rauhschleifen lediglich in Grenzfällen zurückgegriffen wird.
Aber auch beim Strahlen mit den bekannten Strahlmitteln wie Korund oder Strahlkies
treten Nachteile auf. Diese Nachteile hängen in erster Linie damit zusammen, daß die
genannten Strahlmittel zu Rückständen führen. Diese Rückstände erschweren und
verteuern die Bearbeitung. Es besteht aber vor allem die Gefahr, daß durch Rück
stände in der Grenzfläche zwischen Substratwerkstoff und Spritzschicht die Haftung
vermindert wird. Die haftmindernde Wirkung der Rückstände führt insbesondere zu
einer reduzierten Haftzugfestigkeit. Abgesehen davon kann das Strahlen mit Korund
oder Strahlkies auch bei empfindlichen Substraten, beispielsweise aus der Medizin-
oder Luft- und Raumfahrttechnik, nur in beschränktem Maße eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art weiterzubilden, welche eine besonders günstige Vorbe
handlung der Substratoberfläche mit sich bringt. Dabei sollten die oben aufgezählten
Nachteile möglichst vermieden oder verringert werden. Insbesondere sollte die Strahl
mittelentsorgung vereinfacht werden und eine vielseitige Einsetzbarkeit auch bei
empfindlichen und kritischen Substraten ermöglicht werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren dadurch gelöst, daß die Vor
behandlung ein Strahlen der zu beschichtenden Substratoberfläche mittels eines
Strahlmittels umfaßt, welches ein oder mehrere mittels Kälte verfestigter Fluide in
festem Aggregatzustand enthält.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Vorrichtung dadurch gelöst, daß die
Vorrichtung Mittel zum Strahlen eines Strahlmittels auf die zu beschichtende Substrat
oberfläche umfaßt, welches ein oder mehrere mittels Kälte verfestigter Fluide in
festem Aggregatzustand enthält.
Die aus mittels Kälte verfestigten Fluiden bestehenden können unter Normalbedin
gungen in gasförmigem oder flüssigem Aggregatzustand vorliegen. Die Strahlmittel
können dabei beispielsweise aus verfestigtem Kohlendioxid (Trockeneis) oder auch
aus Wassereis bestehen. Durch geeignete Wahl der Verfahrensparameter wie
Geschwindigkeit und Größe der Strahlmittel kann die erwünschte Abrasivität erreicht
und eingestellt werden. Für den einschlägigen Fachmann ergibt sich die Wahl der
Parameter je nach verwendeten Material des Strahlmittels anhand seines allgemeinen
Fachwissens, gegebenenfalls auch in Verbindung mit der Durchführung von ent
sprechenden naheliegenden Versuchen. Selbstverständlich hat auch das Material des
Substrates auf die Parameterwahl Einfluß. Es ist zu beachten, daß die Rauhigkeit für
hochenergetische Spritzverfahren wie dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen,
dem Plasmaspritzen oder dem Kaltgasspritzen nicht so hoch ausfallen muß wie bei
den niederenergetischen Spritzverfahren.
Besondere Vorteile sind mit der Erfindung zu erzielen, wenn daß das Strahlmittel
Kohlendioxid in festem Aggregatzustand enthält. Insbesondere verfestigtes Kohlen
dioxid bietet aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften wesentliche Vorteile bei
der Verwendung als Strahlmittel zur Vorbehandlung von zu beschichtenden Oberflä
chen: Kohlendioxid in festem Aggregatzustand (Trockeneis) besitzt eine Temperatur
von etwa -78°C. Bei Erwärmung sublimiert Kohlendioxid. Bei der Sublimation des
Kohlendioxids tritt eine explosionsartige Volumenvergrößerung etwa um den Faktor
600 auf, was die Behandlung wirksam unterstützt. Die Bearbeitung mit Kohlendioxid
in festem Aggregatzustand verläuft rückstandsfrei, da das sublimierte gasförmige
Kohlendioxid problemlos entweichen kann. Eine Strahlmittelaufbereitung oder
Strahlmittelentsorgung ist daher nicht erforderlich. Vorteilhafterweise wird festes
Kohlendioxid in Form von CO2-Blockeisraspelkorn und/oder bevorzugt CO2-Pellets
eingesetzt.
In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Strahlen mittels Strahlmitteln in festem
Aggregatzustand unmittelbar vor dem Beschichten durch thermisches Spritzen. Ins
besondere können dann die Mittel zur Vorbehandlung der Substratoberfläche Teil
einer Anlage zum Beschichten der Substratoberfläche mit einer Spritzschicht mittels
eines thermischen Spritzverfahrens sein.
Das Strahlen mittels Strahlmitteln in festem Aggregatzustand aus unter Einwirkung
von Kälte verfestigter Fluide unmittelbar vor dem Beschichten durch thermisches
Spritzen kann neben der Vorbehandlung zur Herstellung einer aktivierten Oberfläche
mit der erforderlichen Rauhigkeit auch eine Kühlung der Substratoberfläche bewirken.
In diesem Fall erfüllt das Strahlmittel eine Doppelfunktion: Einerseits dient es als
Strahlmittel für die Herstellung der Rauhigkeit und andererseits als Kühlmittel für die
Kühlung der Substratoberfläche. Es ist sogar möglich, daß die Substratoberfläche
durch das Strahlen mittels Strahlmitteln auf eine vorgegebene Temperatur abgekühlt
wird.
Die Kühlung der Substratoberfläche kann dadurch bewerkstelligt werden, daß die
gewünschte Kühlung direkt durch das Strahlen mit festem Kohlendioxid erreicht wird.
Es ist aber auch möglich, daß die Kälte des sublimierten gasförmigen Kohlendioxids
zur weiteren Kühlung ausgenutzt wird.
Die zusätzliche Kühlung durch das sublimierte gasförmige Kohlendioxid kann dadurch
gesteigert werden, daß Hilfsmittel an die Strahlanlage angekoppelt sind, welche ein
ungewollt rasches Abziehen des sublimierten gasförmigen Kohlendioxids verhindern
und ein unkontrolliertes Entweichen des gegebenenfalls noch relativ kalten gasförmi
gen Kohlendioxids unterbinden. Diese Hilfsmittel können beispielsweise einen Tunnel,
einen Schacht, ein Drehrohr oder dergleichen enthalten.
Das erfindungsgemäße Strahlen mittels Strahlmitteln in festem Aggregatzustand zum
Aufrauhen der Substratoberfläche kann neben oder anstatt der Kühlung eine weitere
Funktion übernehmen: Das Strahlen kann nämlich außer dem Aufrauhen auch eine
Reinigung der Substratoberfläche bewirken. Hierbei eignen sich insbesondere CO2-
Pellets.
In Weiterbildung der Erfindung kann nach dem Beschichten der Oberfläche des
Substrates mit einer Spritzschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens durch
Strahlen mittels Strahlmitteln ein Nachverdichten der Spritzschicht erfolgen. Auf diese
Weise läßt sich die Qualität der Spritzschicht merklich verbessern. Als Strahlmittel für
das Nachverdichten der Substratoberfläche können alle für diesen Zweck bekannten
Strahlmittel eingesetzt werden. Beispielsweise werden dafür Stahlkugeln benutzt. Es
können aber auch als Strahlmittel für das Nachverdichten der Substratoberfläche
Strahlmittel verwendet werden, die ein oder mehrere mittels Kälte verfestigter Fluide
in festem Aggregatzustand enthalten. Insbesondere können die Strahlmittel für das
Nachverdichten der Substratoberfläche Kohlendioxid in festem Aggregatzustand
umfassen.
Die Vorrichtung zur Bearbeitung der Substratoberfläche kann neben den Mitteln zum
Strahlen für die Vorbehandlung Mittei zum Kühlen, zum Reinigen und/oder zum Nach
verdichten der Substratoberfläche aufweisen. Die Mittel zum Strahlen für die
Vorbehandlung können dabei unterschiedlich oder bevorzugt gleich zu den Mitteln
zum Strahlen für das Nachverdichten der Substratoberfläche sein.
In Ausgestaltung der Erfindung weist das Kohlendioxid in festem Aggregatzustand
eine mittlere Größe von 10 µm bis 10 mm, vorzugsweise von 50 µm bis 5 mm und
besonders bevorzugt von 1,5 mm bis 2,5 mm auf.
Die Strahlanlagen insbesondere zum Strahlreinigen mit verfestigten Strahlmitteln wie
beispielsweise mit CO2-Pellets arbeiten nach dem Druckstrahl- oder Saugstrahl
verfahren. Die Strahlanlage kann eine Schleuderradanlage, eine Druckstrahlanlage
oder einen Inline-Pelletierer umfassen. In einer Druckstrahlanlage werden die festen
CO2-Strahlteilchen in der Regel aus einem Vorratsbehälter in einen Gasstrom ein
dosiert, mit dem Gasstrom zu einer Strahldüse gefördert und über die Strahldüse auf
die zu behandelnden Gußteile geleitet. Die Strahldüse ist dabei in der Regel in einer
Strahlpistole eingebaut. Der Begriff "Strahldüse" ist dabei in weiterem Sinne zu ver
stehen, so daß hiervon auch beispielsweise ein offenes Rohr umfaßt ist. Bei einem
Inline-Pelletierer werden CO2-Pellets vor Ort erzeugt und auf die zu behandelnden
Substratoberfläche beschleunigt.
Die Erfindung birgt die zusätzlichen Vorteile der Umweltfreundlichkeit und der guten
Integrierbarkeit in automatisierte Prozesse.
Claims (17)
1. Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Substrates im Zusammenhang
mit dem Beschichten der Substratoberfläche mit einer Spritzschicht mittels eines
thermischen Spritzverfahrens, wobei die Substratoberfläche bei einer Vorbehand
lung vor dem Beschichten der Substratoberfläche mit der Spritzschicht aufge
rauht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbehandlung ein Strahlen der zu
beschichtenden Substratoberfläche mittels eines Strahlmittels umfaßt, welches
ein oder mehrere mittels Kälte verfestigter Fluide in festem Aggregatzustand
enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlmittel
Kohlendioxid in festem Aggregatzustand enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß festes Kohlendioxid in
Form von CO2-Pellets und/oder CO2-Blockeisraspelkorn eingesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
Strahlen mittels Strahlmitteln in festem Aggregatzustand unmittelbar vor dem
Beschichten durch thermisches Spritzen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
durch das Strahlen mittels Strahlmitteln in festem Aggregatzustand eine Kühlung
der Substratoberfläche bewirkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratober
fläche durch das Strahlen mittels Strahlmitteln auf eine vorgegebene Temperatur
abgekühlt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sub
limiertes gasförmiges Kohlendioxid zur Kühlung der Substratoberfläche einge
setzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
durch das Strahlen mittels Strahlmitteln in festem Aggregatzustand eine
Reinigung der Substratoberfläche bewirkt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach
dem Beschichten der Oberfläche des Substrates mit einer Spritzschicht mittels
eines thermischen Spritzverfahrens durch Strahlen mittels Strahlmitteln ein.
Nachverdichten der Spritzschicht erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlmittel zum
Nachverdichten der Spritzschicht Kohlendioxid in festem Aggregatzustand,
insbesondere CO2-Pellets enthält.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das
feste Kohlendioxid eine mittlere Größe von 10 µm bis 10 mm, vorzugsweise von
50 µm bis 5 mm, besonders bevorzugt von 1,5 mm bis 2,5 mm aufweist.
12. Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Substrates im Zusammen
hang mit dem Beschichten der Substratoberfläche mit einer Spritzschicht mittels
eines thermischen Spritzverfahrens umfassend Mittel zur Vorbehandlung der
Substratoberfläche durch Aufrauhen vor dem Beschichten der Substratoberfläche
mit der Spritzschicht, wobei die Mittel zur Vorbehandlung eine Strahlanlage mit
Beschleunigungsmitteln zur Beschleunigung der Strahlmittel auf die Substrat
oberfläche enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zum
Strahlen eines Strahlmittels auf die zu beschichtende Substratoberfläche umfaßt,
welches ein oder mehrere mittels Kälte verfestigter Fluide in festem Aggregat
zustand enthält.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung
Mittel zum Strahlen von Kohlendioxid in festem Aggregatzustand als Strahlmittel
aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung Mittel zum Kühlen, zum Reinigen und/oder zum Nachverdichten
der Substratoberfläche aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
die Strahlanlage eine Schleuderradanlage, eine Druckstrahlanlage oder einen
Inline-Pelletierer umfaßt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß
an die Strahlanlage Hilfsmittel zur Verhinderung eines ungewollt raschen
Abziehens des sublimierten gasförmigen Kohlendioxids angekoppelt sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß
die Mittel zur Vorbehandlung der Substratoberfläche Teil einer Anlage zum Be
schichten der Substratoberfläche mit einer Spritzschicht mittels eines thermischen
Spritzverfahrens ist.
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