DE19957070A1

DE19957070A1 - Beschichtung, insbesondere eine Beschichtung zur Isolation elektrischer Leiter sowie Verfahren und Vorrichtung zum Auftragen der Beschichtung

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Publication number: DE19957070A1
Application number: DE19957070A
Authority: DE
Inventors: Markus Bamberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2001-06-21

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtung für eine Oberfläche (14) eines Objektes (16) wie elektrischer Leiter, umfassend zumindest ein Bindemittel (32) auf Basis eines Harzes oder eines thermoplastischen Stoffes. Um die mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften der Beschichtung zu verbessern, ist vorgesehen, dass die Beschichtung aus dem Bindemittel unter Zusatz von Glas- und/oder Keramikanteilen besteht. DOLLAR A Ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche (14) eines Objektes (16), insbesondere einer Oberfläche von Strom führenden Leitern einer Induktionsspule für Vakuumschmelzöfen zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus: DOLLAR A a) Aufbringen eines im Wesentlichen aus Bindemittel bestehenden Beschichtungspulvers (32) unter Zusatz von Glas- und/oder Keramikanteilen (34) im kalten Zustand des Objektes (16), DOLLAR A b) Einbrennen des aufgebrachten Pulvergemischs während einer ersten Heizphase in einem Heizofen, DOLLAR A c) Aufbringen des Beschichtungspulvergemischs im heißen Zustand des Objektes (16).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtung für eine Oberfläche eines Objektes, umfassend zumindest ein Bindemittel auf der Basis eines Harzes oder eines thermoplastischen Stoffes sowie auf ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Objektes und eine Vorrichtung zum Auftragen der Beschichtung.

Aus dem Stand der Technik sind lösungsmittelfreie Beschichtungen zur Beschichtung von Oberflächen bekannt, wobei es sich um Beschichtungspulver auf Polyester- und/oder Epoxyd harzbasis handelt. Nachdem das Objekt oder Werkstück in geeigneter Weise vorbereitet ist, erfolgt die Aufbringung des Beschichtungspulvers auf elektrostatische Weise, wobei das Werkstück elektrisch geerdet ist. Anschließend wird das Werkstück mit dem daran anhaften den Beschichtungspulver während einer Einbrennzeit erhitzt, wodurch das Beschichtungspul ver schmilzt und eine geschlossene Oberfläche bildet. Derartige Beschichtungen weisen Schichtdicken im Bereich von 60-80 µm auf. Die erreichte Schichtdicke und insbesondere die elektrischen, thermischen und mechanischen Oberflächeneigenschaften sind unzureichend.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, eine Beschich tung mit verbesserten mechanischen, thermischen und elektrischen Oberflächeneigenschaften zur Verfügung zu stellen sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen der Be schichtung auf Oberflächen von Objekten anzubieten.

Das Problem wird durch eine erfindungsgemäße Beschichtung gelöst, wobei die Beschichtung aus dem Bindemittel unter Zusatz von Glas- und/oder Keramikanteilen besteht. Durch den Zusatz von Glas- oder Keramikanteilen, die bevorzugt als Glas- oder Keramikkugeln ausge bildet sind, werden die mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften der Ober flächenbeschichtung verbessert. Hinsichtlich der mechanischen Oberflächenbeschaffenheit werden Druck- und Kratzfestigkeit der Oberfläche der Beschichtung verbessert. Ferner werden auch die elektrischen Eigenschaften wie Isolationswiderstand und Spannungsfestigkeit erhöht. Als weiterer Vorteil hat sich herausgestellt, dass die Temperaturleitfähigkeit verbes sert wird, so dass beispielsweise die in einem elektrischen Leiter durch Stromfluss ent stehende Wärmeenergie ohne Wärmestau abgeführt werden kann.

Des Weiteren wirkt der Festkörperanteil in Form von Glas oder Keramik als Füllstoff, wodurch schnell eine hohe Schichtdicke erreicht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Beschichtung weist diese je nach Anwendung ca. 10-90% vorzugsweise 30-40% Glaskugeln und/oder Keramikkugeln auf. Beispiels weise kann die Beschichtung zur Einstellung einer hohen Wärmefestigkeit 20% Bindemittel in Form eines Polyesterharzes und 80% Glasanteile aufweisen. Die mechanische Festigkeit kann durch Verwendung von Polyesterharz-Bindemittel und die chemische Beständigkeit kann durch Verwendung eines Bindemittels auf Epoxydharz-Basis verbessert werden. Die Glas- und/oder Keramikkugeln haben einen Durchmesser D im Bereich von 0 ≦ D ≦ 70 µm, vorzugsweise D in etwa 40 µm.

Um die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Beschichtung weiter zu verbessern, weist die Beschichtung eine Dicke B im Bereich von 400 µm ≦ B ≦ 3000 µm, vorzugsweise B in etwa 800 µm auf. Hierzu ist zu bemerken, dass derartige Schichtdicken mit üblichen Be schichtungspulvern aus Polyesterharz bislang bei Weitem nicht erreicht werden konnten.

Der Anteil von Glas oder Keramik kann beliebig geändert werden, um für jeden Einsatz zweck ein optimal abgestimmtes Beschichtungsgemisch zu erreichen.

Um den Einsatz der Oberflächenbeschichtung in einer Hochvakuumumgebung, beispielsweise als Oberflächenbeschichtung einer Induktionsspule für Vakuumschmelzöfen zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Glasanteile, vorzugsweise Glaskugeln vor der Verarbeitung einer Vakuumbehandlung unterzogen werden, um diejenigen Glaskugeln auszusondern, die Lufteinschlüsse enthalten; denn diese würden bei der Vakkumbehandlung aufbrechen.

Um die Vernetzung und/oder Verbindung des Glaszusatzes bzw. des Keramikzusatzes mit dem Polyester- und/oder Epoxydharz-Bindemittel zu verbessern, ist vorgesehen, dass die Kugeln vor der Verarbeitung geätzt werden.

Das Bindemittel ist vorzugsweise ein Harzwerkstoff wie beispielsweise Epoxydharz und/oder Polyesterharz oder ein thermoplastischer Werkstoff in Pulverform. Die Beschichtung kann 10 -20% Bindemittel wie Epoxyd- und/oder Polyesterharz oder thermoplastischen Kunststoff und 90-80% Glas- und/oder Keramikanteile aufweisen, um eine besonders hohe Wärme leitfähigkeit zu erreichen. Üblicherweise wird das Mischungsverhältnis derart eingestellt, dass 40% Glasanteile und 60% Bindemittelanteile vorhanden sind.

Ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Werkstückes, insbesondere einer Oberfläche eines Strom führenden Leiters zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:

a) Aufbringen eines im Wesentlichen aus Polyesterharz bestehenden Beschichtungspul vers unter Zusatz von Glas- und/oder Keramikanteilen im kalten Zustand des Werk stückes,
b) Einbrennen des aufgebrachten Pulvergemischs während einer ersten Heizphase in einem Heizofen,
c) Aufbringen des Beschichtungspulvergemischs im heißen Zustand des Werkstücks,

Alternativ wird ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Objektes, insbesondere einer Oberfläche von stromführenden Leitern von Induktionsspulen für Vakuumöfen zur Verfügung zur Verfügung gestellt, umfassend die Verfahrensschritte

a) Aufbringen einer Grundschicht aus Bindemittel im kalten Zustand des Objektes,
b) Einbrennen des aufgebrachten Bindemittels während einer ersten Heizphase in einem Heizofen,
c) Aufbringen einer ersten Zwischenschicht aus Bindemittel unter Zusatz von Glas- und/oder Keramikteilen im heißen Zustand des Objektes,
d) Aufbringen einer zweiten Zwischenschicht aus Bindemittel im heißen Zustand des Objektes und
e) Aufbringen einer Endschicht aus Bindemittel unter Zusatz von Glas- und/oder Keramikteilen im heißen Zustand des Objektes.

Dabei können die Verfahrensschritte b) und c) bzw. die Verfahrensschritte d) und e) des alternativen Verfahrens wiederholt werden, bis eine gewünschte Schichtdicke B erreicht ist.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweisen werden hohe Schichtdicken B bei wenigen Arbeitsgängen erreicht. Durch den Zusatz von Glas- und/oder Keramikanteilen wird zudem die mechanische, thermische und elektrische Oberflächenbeschaffenheit der Beschichtung verbessert. Dabei werden in kaltem Zustand des Objektes durch Einwirkung elektrostatischer Kräfte auf das Beschichtungspulvergemisch Beschichtungsdicken im Bereich von ca. 250 µm erreicht. Beim Heißauftrag können je Arbeitsgang Schichtdicken von ca. 300 µm erreicht werden. Nach 4-5 Arbeitsgängen können somit Schichtdicken im Bereich 700 ≦ B ≦ 3000, vorzugsweise B in etwa 800 µm erreicht werden.

Verfahrensmäßig ist vorgesehen, dass nach dem Kaltauftrag des Materials dieses während einer Einbrennzeit t = 40 min, bei einer Objekttemperatur T im Bereich von 185°C ≦ T ≦ 210°C Objekttemperatur eingebrannt wird. Innerhalb einer Zeitspanne von Δt = ca. 10 min erfolgt eine Vernetzung des auf die heiße Oberfläche des Objektes aufgebrachten Beschich tungspulvergemisches. Auf diese Weise können nach einer Vielzahl von Heißauftrag-Arbeits gängen, vorzugsweise 4-5 Arbeitsgänge, gewünschte Schichtdicken B im Bereich von 700 µm ≦ B ≦ 3000 µm, vorzugsweise B = 800 µm erreicht werden.

In bevorzugter Verfahrensweise ist vorgesehen, dass die Schichtdicke B zwischen den Verfahrensschritten Einbrennen und Heißauftrag gemessen wird.

Die vorzugsweise als Glaskugeln ausgebildeten Glasteilchen werden vor der Verarbeitung einer Vakuumbehandlung unterzogen, um darin enthaltene Lufteinschlüsse zu entfernen. Auch erfolgt ein Ätzen der Glaskügelchen, um deren Vernetzung mit den Polyester- und/oder Epoxydharzpulverteilchen zu verbessern. Insgesamt wird durch die Glaskugeln, die vorzugs weise einen Durchmesser im Bereich von 0-70 µm aufweisen, eine gleichmäßige und homogene Verteilung der Glaskugeln innerhalb der Oberflächenbeschichtung erreicht.

Schließlich bezieht sich die Erfindung auf eine Mischvorrichtung, um Festkörper dem Polyesterharz beizumischen. Die Vorrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Sprühvorrichtung eine Mischvorrichtung aufweist, die zumindest mit einem zweiten, Glas- und/oder Keramikteilchen enthaltenden Behältnis verbunden ist. Die an der Sprühvor richtung angeordnete Mischvorrichtung gewährleistet das Vermischen und Dosieren des Polyesterharz-Beschichtungspulvers mit Anteilen von Glas- und/oder Keramikteilchen. Dabei sind die Behälter als flukturierende Behälter ausgebildet.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung (10) zum Aufbringen eines Beschichtungspulver gemischs (12) auf eine Oberfläche (14) eines Objektes (16), das über eine Leitung (18) mit Massepotential verbunden ist. Die Vorrichtung umfasst eine Sprühvorrichtung (20) mit einer Mischvorrichtung (22), die jeweils über eine Zuleitung (24, 26) mit jeweils einem Behältnis (28, 30) verbunden ist. In dem Behältnis (28) ist beispielsweise ein Polyester- oder Epox ydharz-Beschichtungspulver (32) als Bindemittel enthalten und in dem Behältnis (30) ist bei spielsweise ein Glas- oder Keramikpulver in Form von Glas- und/oder Keramikkugeln enthalten. Als Bindemittel kann auch ein Pulver auf der Basis eines thermoplastischen Stoffes verwendet werden.

Um eine gleichmäßige und homogene Verteilung der Kugeln zu erreichen, weisen diese einen Durchmesser D im Bereich von 0-70 µm auf. Damit insbesondere bei Anwendung der Oberflächenbeschichtung in einer Hochvakuumumgebunden Schäden der Oberfläche nicht auftreten, ist vorgesehen, dass die Glaskugeln vor ihrer Verarbeitung einer Vakuumbehand lung unterzogen werden, um Lufteinschlüsse aufzusprengen. Ferner werden die Glaskugeln vor Einbringung in das Behältnis (30) einem Ätzvorgang unterzogen, damit eine verbesserte Vernetzung mit den Polyesterharzpulverteilchen (32) gewährleistet ist.

In der Mischvorrichtung (22) werden das Bindemittelpulver (32) und die Glaskugeln (34) miteinander vermischt, wobei ein Vermischungsverhältnis von 10-90% Bindemittel und 90 -10% Glas- und/oder Keramikteile, vorzugsweise 60% Glasteile und 40% Bindemittel eingestellt wird. Das Beschichtungspulvergemisch (12) gelangt unter Einwirkung elektro statischer Kräfte auf die Oberfläche (14) des Objektes (16), wobei Schichtdicken B im Bereich von ca. 250 µm erreicht werden.

Vor der Aufbringung der Oberflächenbeschichtung sollte das Objekt (16) einer optischen Überprüfung unterzogen werden. Ferner sollen Grate und Schweißrückstände entfernt werden. Eine Oberflächenbehandlung kann beispielsweise durch Glasperlenstrahlen mit 150-300 µm bei 4 bar durchgeführt werden. Anschließend ist die Oberfläche (14) zu säubern, d. h. zu ent stauben und beispielsweise mit Aceton zu entfetten. Schließlich ist das Objekt (16) bei einer Temperatur von 40°C leicht zu erwärmen, um Lösemittelrückstände und Feuchtigkeit zu beseitigen.

Nach der Vorbereitung des Objektes (16) ist die Beschichtung möglichst rechtzeitig auf zubringen, um ein Anlaufen der Oberfläche (14) zu vermeiden.

Nach dem Kaltauftrag des Beschichtungspulvergemischs (12) erfolgt ein Einbrennen des Beschichtungspulvers während einer Einbrennzeit t = 40 min bei einer Objektoberflächen temperatur T im Bereich von 185°C ≦ T ≦ 210°C. Der Einbrennvorgang wird in einem Heizofen durchgeführt.

Anschließend erfolgt ein Auftragen des Beschichtungspulvergemischs in heißem Zustand der Oberfläche (Heißauftrag), wobei eine Schichtdicke von ca. 250-300 µm erreicht wird. Nach einer erneuten Einbrennzeit von ca. 40 min erfolgt ein weiterer Heißauftrag mit wiederum einem Schichtauftrag von ca. 250-300 µm. Der Heißauftrag wird je nach gewünschter Schichtdicke B mehrfach wiederholt. Gemäß dieser Verfahrensweise können nach 4-5 Arbeitsgängen Schichtdicken B im Bereich von 700-3000 µm, vorzugsweise 800 µm erreicht werden.

Zur Ermittlung der Schichtdicke können zwischen den einzelnen Arbeitsgängen punktuelle Schichtdickemessungen durchgeführt werden, wodurch ein homogener Materialaufbau gewährleistet wird.

Insbesondere zur Anwendung als elektrische Isolationsbeschichtung von elektrischen Leitern für Induktionsspulen zur Anwendung bei Hochvakuuminduktionsöfen ist ab einer Schicht dicke von B = 400 µm eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit erreicht. Jedoch sollte die Schichtdicke je nach Einsatzzweck eingestellt werden.

Insgesamt kann durch die erfindungsgemäße Beschichtung, das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eine Isolationsbeschichtung, ins besondere für elektrische Leiter zur Verwendung im Hochvakuum mit hoher Schichtdicke und hervorragenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften zur Verfügung gestellt werden.

Als besonderer Vorteil ist darauf hinzuweisen, dass bei der Isolierung von Induktionsspulen für Hochvakuum-Schmelzöfen beispielsweise auf Epoxydharz-Bandagen verzichtet werden kann, die bei Ausführung nach dem Stand der Technik zu Wärmestau führten, wodurch die Isolierung beschädigt wurde, was zu Spannungsdurchschlägen führte.

Claims

1. Beschichtung für eine Oberfläche (14) eines Objektes (16) wie elektrischer Leiter, umfassend zumindest ein Bindemittel (32) auf Basis eines Harzes oder eines thermo plastischen Stoffes, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus dem Bindemittel unter Zusatz von Glas- und/oder Keramik anteilen besteht.

2. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas- und/oder Keramikanteile eine Kugelform aufweisen.

3. Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung 30-40% Glas- und/oder Keramikanteile und 70-60% Bindemittel aufweist.

4. Beschichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung 90-80% Glas- und/oder Keramikanteile und 10-20% Bindemittel aufweist.

5. Beschichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel (32) ein Harzwerkstoff wie Epoxydharz und/oder Polyesterharz oder ein thermoplastischer Werkstoff in Pulverform ist.

6. Beschichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas- und/oder Keramikkugeln einen Durchmesser D im Bereich von 0-70 µm aufweisen, vorzugsweise D in etwa 40 µm.

7. Beschichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke B im Bereich von 400 µm ≦ B ≦ 3000 µm, vorzugsweise B in etwa 800 µm aufweist.

8. Beschichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas- und/oder Keramikkugeln vakuumbehandelt sind.

9. Beschichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glaskugeln angeätzt sind.

10. Beschichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Isolations- und/oder Schutzbeschichtung für elektrische Leiter ist, insbesondere für eine elektrische Induktionsspule eines Hochvakuum schmelzofens.

11. Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche (14) eines Objektes (16), insbesondere einer Oberfläche von Strom führenden Leitern einer Induktionsspule für Vakuum schmelzöfen, umfassend die Verfahrensschritte:

a) Aufbringen eines im Wesentlichen aus Bindemittel bestehenden Beschich tungspulvers (32) unter Zusatz von Glas- und/oder Keramikanteilen (34) im kalten Zustand des Objektes (16),
b) Einbrennen des aufgebrachten Pulvergemischs während einer ersten Heizphase in einem Heizofen,
c) Aufbringen des Beschichtungspulvergemischs im heißen Zustand des Objektes (16).

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte b) und c) wiederholt werden, bis eine gewünschte Schicht dicke B erreicht ist.

13. Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche (14) eines Objektes (16), insbesondere einer Oberfläche von Strom führenden Leitern wie Induktionsspule für Vakuum schmelzöfen, umfassend die Verfahrensschritte:

a) Aufbringen einer Grundschicht aus Bindemittel im kalten Zustand des Objek tes,
b) Einbrennen des aufgebrachten Bindemittels während einer ersten Heizphase in einem Heizofen,
c) Aufbringen einer ersten Zwischenschicht aus Bindemittel unter Zusatz von Glas- und/oder Keramikteilen im heißen Zustand des Objektes,
d) Aufbringen einer zweiten Zwischenschicht aus Bindemittel im heißen Zustand des Objektes,
e) Aufbringen einer Endschicht aus Bindemittel unter Zusatz von Glas- und/oder Keramikteilen im heißen Zustand des Objekts.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte d) und e) wiederholt werden, bis eine gewünschte Schicht dicke B erreicht ist.

15. Verfahren nach Ansprüchen 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass im kalten Zustand des Werkstücks (16) das Beschichtungspulvergemisch (12) durch Einwirkung elektrostatischer Kräfte aufgebracht wird.

16. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungspulvergemisch nach dem Kaltauftrag des Materials während einer Einbrennzeit t = 40 min bei einer Objekttemperatur T im Bereich von 185°C ≦ T ≦ 210°C eingebrannt wird.

17. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke B zwischen den Verfahrensschritten Einbrennen und Heißauf trag gemessen wird.

18. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Zusatz verwendeten Glaskugeln vor der Verarbeitung einer Vakuumbe handlung unterzogen werden.

19. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die als Zusatz verwendeten Glaskugeln vor der Verarbeitung einer Ätzbehand lung unterzogen werden.

20. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas- und/oder Keramikteile (34) und die Bindemittel (32) in getrennten Behältnissen gelagert werden und dass die Glas- und/oder Keramikteile (34) un mittelbar vor dem Auftragen auf die Oberfläche zugemischt werden.

21. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glas- und/oder Keramikteile dem Bindemittel in einem Behältnis zugemischt werden.

22. Vorrichtung (10) zum Aufbringen eines Beschichtungspulvers (32) auf eine Ober fläche (14) eines Werkstücks (16), umfassend eine Sprühvorrichtung (20) und ein zumindest ein Beschichtungspulver (32) enthaltendes und mit der Sprühvorrichtung (20) verbundenes erstes Behältnis (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Sprühvorrichtung (20) eine Mischvorrichtung (22) aufweist, die zumindest mit einem zweiten, Glas- und/oder Keramikteilchen (30) enthaltenden Behältnis (34) verbunden ist.