DE2323878A1 - Verfahren und vorrichtung zum beschichten von metallsubstraten - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten von Metallsubstraten Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Metallsubstraten. Insbesondere betrifft die Erfindung das Beschichten von Metallsubstraten, wie etwa die inneren und äusseren Oberflächen von Wärmeaustauscherröhren, mit einer porösen Metallschicht, um die Eigenschaften solcher Metallsubstrate zum Sieden von . Flüssigkeiten zu verbessern.
• Die Nützlichkeit von porösen Oberflächen in Kontakt mit siedenden Flüssigkeiten ist dem Fachmann für Wärmeaustauscheranlagen gut bekannt, beispielsweise aus dem US-Patent 3,384,154.
• Die vorliegende Erfindung betrifft die Schwierigkeiten poröse Oberflächen zum Sieden auf schnelle und effiziente Weise herzustellen. Nach bekannten Verfahren wird zur Bildung solcher porösen Oberflächen eine Aufschlämmung aus Metallpulver und flüssigem plastischem Bindemittel bereitgestellt, und die Aufschlämmung durch Eintauchen oder AufsFühen als Überzug auf einem Basismetall aufgebracht. Der erhaltene Überzug wird anschließend an Luft getrocknet und der größere Anteil des Lösungsmittels durch Verdampfen entfernt, wobei eine selbsttragende Schicht aus Metallpulver zurückbleibt, die durch das restliche Bindemittel festgehalten wird. Das erhaltene Substrat mit dem Überzug aus Metallpulver wird anschließend für eine ausreichende Dauer erwärmt, um die Teilchen des Metallpulvers zusammen - und an das Substrat zu sintern.
• Bei diesem Verfahren zur Herstellung eines Überzugs treten jedoch verschiedene Schwierigkeiten auf, wenn es in größerem Umfang angewendet wird. Der Überzug ist ungleichmäßig und schwierig aufzubringen, die Entfernung des Lösungsmittel-Überschusses von der überzogenen Oberfläche erfordert lange Trocknungszeiten, es wird reichlich Material verschwendet und ein Überzug mit ungleichmäßiger Dicke erhalten. In rillen Fällen ist zum Auftragen des Schlammes die Verwendung von Zentrifugalkräften oder die Ausnützung der Schwerkraft erforderlich, um den Überzug an das Substrat zu binden, bis im wesentlichen das ganze Lösungsmittel verdampft ist.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Auftragen von Metallpulver auf ein Metallsubstrat zur Bildung einer porösen Metallschicht auf diesem Substrat bereitzustellen, wobei das Verfahren für die Massenproduktion geeignet ist, das eingesetzte Material wirkungsvoll ausnützt und zu Überzügen mit einheitlicher Dicke führt.
• Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine hochwirksame Vorrichtung zum Aufbringen von porösen Metalloberflächen auf röhrenförmigen Substraten bereitzustellen, wobei diese Vorrichtung beispielsweise für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
• Weitere erfindungsge:näße Aufgaben ergeben sich aus der Beschraibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen.
• Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist gekennzeichnet durch ein Verfahren zul Überziehen von Metalloberflächen mit einer porösen lietalischicht, dar die folgenden Stufen umfasst: a) Vorbereiten eines Metallsubstrats, das mit porösem Metall überzogen werden soll; b) Aufbringen einer flüssigen Bindemittellösung, die zuzumindest einen leichülüchtigen Lösungsmittel-Bestandteil und zulindest einen schwerflüchtigen Bestandteil enthält in einer Schicht von 0,05 bis 1,02 mm Dicke auf dem Metall substrat; c) Aufbringen einer 0,13 bis 1,30 mm dicken Schicht eines Metallpulvers mit einer Korngröße von 0,025 bis 0,54 mm (30 bis 500 Mesh) auf der Bindemittelschicht, so daß die Bindemittelschicht den Uberzug aus Metallpulver benetzt und dieses an das Metallsubstrat bindet; d) weitgehende Verdampfung der leichtoflüchtigen Komponente aus der flüssigen Bindemittellösung; e) Erwärmung des mit Metallpulver überzogenen Metallsubstrats auf eine ausreichende Temperatur, um die schwerflüchtige Komponente des Bindemittels im wesentlichen vollständig zu verdampfen; f) weitere Erwärmung des mit Metallpulver überzogenen Metallsubstrats auf eine ausreichende Temperatur, um das Metallpulver mit sich selbst und mit dem Metallsubstrat zu verbinden zur Bildung einer porösen Metallschicht mit untereinander verbundenen Hohlräumen an der Oberfläche und unterhalb der Oberfläche; und g) Abkühlen des mit einer porösen Metallschicht verbundenen Metallsubstrats.
• Die erfindungsgemäße Lösung einer weiteren Aufgabe ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum äusseren Überziehen von Metallrohren mit einer porösen Metallschicht, welche umfasst: a) Fördermittel zum Festhalten der Metallrohre und Einrichtungen zum Rotieren dieser Rohre um deren Längsachse; b) Einrichtungen zum Aufsprühen von flüssigem Bindemittel, wobei diese Einrichtungen parallel zur Längsachse der Röhren bewegt werden können und gleichzeitig eine Schicht flüssiges Bindemittel auf die Röhren aufsprühen; c) Einrichtungen zum Aufsprühen von Metallpulver, wobei diese Einrichtungen parallel zur Längsachse der Metallröhren bewegt werden können und gleichzeitig eine Schicht Metallpulver auf die mit flüssigem Bindemittel versehenen Röhren aufsprühen.
• Die Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung in senkrechter Anordnung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überziehen von Metallröhren durch aufeinanderfolgendes Aufsprühen von flüssigem Bindemittel und Metallpulver auf die Metallröhren.
• Die Figur 2 zeigt in perspektivischer Darstellung alternative Einrichtungen zum Aufbringen von flüssigem Bindemittel und Metallpulver auf die Aussenwände von Metallrohren durch Eintauchen dieser Rohre in flüssiges Bindemittel, Abfliessenlassen von überschüssigem Bindemittel von den eingetauchten Rohren und Drehen dieser eingetauchten Rohre unterhalb einer Schüttelvorrichtung zum äusseren Überziehen der Rohre mit Metallpulver.
• Das Wesen des erfindungsgemäßen Überzugsverfahrens zur Herstellung von porösen, zum Sieden verwendeten Oberflächen auf Metalloberflächen besteht darin, das Metallsubstrat zuerst mit einer flüssigen Bindemittel lösung zu überziehen, welche schwerflüchtiges Polymer verdünnt mit leichtflüchtigem Lösungsmittel enthält. Die maximale Dicke des Überzugs für eine besondere Bindemittellösung ist diejenige, bei der sich das flüssige Bindemittel nicht absenkt oder abläuft, wodurch ein Überzug mit gleichmäßiger Dicke erhalten wird. Nach dem Aufbringen des Bindemittels ist die Oberfläche des Uberzugs ieucht und klebrig. Im Anschluß an das Aufbringen der Bindemittelschicht wird eine ausreichende Menge Metallpulver einheitlich auf der Bindemittelschicht aufgebracht, so daß im wesentlichen das gesamte Metallpulver befeuchtet und durch das flüssige Bindemittel an dem Metallsubstrat festgehalten wird. Im Anschluß an diese getrennten Stufen zum Überziehen der Oberfläche wird die leicht flüchtige Lösungsmittelkomponente aus dem flüssigen Bindemittel weitgehend vollständig verdampft.
• Daran anschließend wird das mit Pulver überzogene Produkt im Ofen erwärmt, vorzugsweise in einer leicht reduzierenden Atmosphäre auf eine ausreichende Temperatur und für eine ausreichende Dauer, um die schwerflüchtige Bindemittelkomponente zu verdampfen, ohne Blasen zu bilden oder den Überzug aus Metallpulver auf andere Weise zu unterbrechen.
• Nach Verdampfung der schwerflüchtigen Bindemittelkomponente wird das Produkt weiter erwärmt auf eine ausreichende Temperatu um eine metallische Bindung der Teilchen des Metallpulvers untereinander und mit dem Metallsubstrat zu verursachen, um den gewünschten festen Überzug aus porösem Metall mit kleinen untereinander verbundenen Hohlräumen an der Oberfläche und unterhalb der Oberfläche zu erzeugen.
• Solche Überzüge aus porösem Metall können auf flache oder gebogene Oberflächen aufgebracht werden, die horizontal oder vertikal orientiert sind. Werden solche Überzüge auf Rohre angebracht, so werden die Rohre bevorzugt gedreht, so daß ein einheitlicher Überzug aus Bindemittel und Metallpulver auf gebracht wird.
• Wichtige Vorteile des erfindungsgemäßen Überzugsverfahrens bestehen darin, daß einheitlichere Überzüge mit gewünschter Dicke erhalten werden, im Vergleich mit dem Eintauchen oder Besprühen von Gegenständen, die mit einer Aufschlämmung von Metallpulver und flüssigem Bindemittel überzogen worden sind.
• Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Überzugsverfahren ilexibler im Hinblick auf die Auswahl von gewünschten Uberzugsdicken; ferner lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren leichter durchführen, als diejenigen Verfahren, die zum Überziehen eine Aufschlämmung verwenden, was wiederum zu niedrigeren Kosten für das Überziehen fUhrt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das nicht befeuchtete Metallpulver wieder verwendet und der Verfahrensstufe zum Aufbringen des Pulverüberzugs erneut zugeführt werden kann; ferner, daß weniger Bindemittel erforderlich ist zum Aufbringen einer porösen Metallschicht gegebener Dicke.
• Nach der vorliegenden Erfindung enthalten die flüssigen Bindemittellösungen zumindest einenleichtilUchtigen Bestandteil und zumindest einen schwer flüchtigen Bestandteil mit hohem Molekulargewicht. Ein Grund für diese Mehr-Komponenten-Bindemittellösung besteht darin, daß nach dem Aufbringen des Bindemittels auf ein Metallsubstrat die leichtflüchtige Komponente die schwerflüchtige Komponente fexibel hält bis das Metallpulver aufgebracht ist. Wenn das Metallpulver die Bindemittelschicht berührt, dann benetzt das Bindemittel das Metallpulver und die leichtflüchtige Komponente verdampft z.B. bereits bei Raumtemperatur und die schwerflüchtige Komponente bindet das Betallpulver in einem festen Überzug gegen das relativ glatte Metallsubstrat, auf das der Überzug aufgebracht werden soll. Im allgemeinen kann die schwerflüchtige Komponente durch folgende Eigenschaften gekennzeichnet werden: a) sie soll in der flüssigen, leichtflüchtigen Komponente löslich sein, b) die erhaltene flüssige Bindemittellösung soll nach dem Aufbringen auf die Oberfläche eine dünne Schicht bilden, die bei Raumtemperatur zumindest für ungeiähr 2 Minuten klebrig bleibt, und c) die schwer flüchtige Komponente der flüssigen Bindemittellösung muß bei einer solchen Temperatur verdampfen, die ausreichend unter derjenigen Temperatur liegt, bei der das Metallpulver mit sich und dem Substrat verbunden wird, so daß keine Wechselwirkung oder Störung mit dieser Metall-Bindung auftritt.
• Dieleichtflüchtige Komponente ist gekennzeichnet durch einen Siedepunkt, der bei atmosphärischem Druck nicht über ungefähr 200°C liegt.
• Beispiele für erfindungsgemäß zu verwendende schwerflüchtige Bindemittel-Komponenten sind Kohlenwasserstoffe mit hohem Molekulargewicht, wie etwa Isobutylen-Polymere mit einem Molekulargewicht von zumindest ungefähr 90.000, wie das handelsüblich erhältliche "Vistanex" (Handelsname) und Styrolpolymere mit einem Molekulargewicht von zumindest ungeiähr 35.000. Andere geeignete schwerflüchtige Bindemittel-Komponenten sind acrylische Polymere, welche bei Raumtemperatur einen dünnen klebrigen Überzug bilden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignete leichtflüchtige Komponenten für das Lösungsmittel des Bindemittels sind Kerosin, Ligroin oder Toluol. Die Wahl des Lösungsmittels hängt vom Aufbringungs verfahren für das Bindemittel und von der Dicke des gewünschten Pulverüberzugs ab.
• Für übliche Uberzüge auf Metalloberflächen, mit flüssigen Bindemitteln, in denen als schwerflüchtige Komponente das oben aufgeführte Isobutylen-Polymer verwendet wird, sollte dieses mit einem Lösungsmittel ausgewählter Flüchtigkeit in solchen Mengen vermischt werden, daß die überzogene Oberfläche für eine vernünftige Zeitspanne nach dem Überziehen klebrig bleibt, beispielsweise bis zu ungefähr 10 Minuten. Darüber hinaus sollte die Bindemittellösung die Fähigkeit haben, entsprechende Metallpulver vernünitig schnell zu absorbieren nach Mechanismen, bei denen die Flüssigkeit das Metallpulver auigrund der Kapillaraktivität überzieht. Es ist erwünscht, daß das Metallpulver in das flüssige Bindemittel hineingezogen wird, so daß in Berührung mit der Oberfläche des Basismetalls kommt, und das Metallpulver nicht lediglich auf der Oberfläche des flüssigen Bindemittels zurückgehalten wird. Für allgemeine Verwendung nützliche Lösungsmittel, wie etwa Ligroin oder Kerosin können mit gleichen Gewichtsteilen Vistanex vermischt werden. Ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Bestimmung der Zusammensetzung des flüssigen Bindemittels und der Dicke des Überzugs liegt darin, daß der Überzug aus flüssigem Bindemittel an einer senkrecht angeordneten Oberfläche nicht merklich nach unten fließen oder sich absetzen dar£. Ein wichtiger Vorzug der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch Auswahl eines entsprechenden Bindemittels weder der Bindemittelüberzug noch der mit Uetallpulver gesättigte Bindemittelüberzug sich auf der zu überziehenden Oberfläche absetzt oder sonstwie verschiebt. Die Dicke des Bindemittelüberzugs beeinflusst gewöhnlich die Menge oder Dicke des Metallpulvers, das vor dem Erwärmen oder der Metallbindung festgehalten werden kann. Ein aufgesprühter Bindemittelüberzug mit einer Dicke von 0,05 bis 1,02 mm sollte im allgemeinen angewendet werden, woran sich das Aufbringen von so viel Metallpulver anschließt, wie das Bindemittel absorbieren und festhalten kann. Wenn eine außerordentlich dicke poröse Metalloberfläche gewünscht wird, dann kann eine Metalloberfläche, die mit Bindemittel und hAtallpulver überzogen wurde, erneut mit Bindemittel und Metallpulver überzogen werden, um die Dicke des Metallpulver überzugs vor der Erwärmung im Ofen zu erhöhen.
• Während bevorzugt als flüssiges Bindemittel mit hohem Molekulargewicht und niedriger Flüchtigkeit Isobutylen-Polymer verwendet wird, und als Lösungsmittelkomponente mit niedriger Flüchtigkeit Kerosin verwendet wird, wobei diese Komponenten in gleichen Gewichtsteilen vermischt werden, sind andere VerdUnnungsverhiltnisseßund andere Lßsungsmittel, wie etwa Aceton, Alkohol oder Toluol ebenialls geeignet. Hinsichtlich des Aufbringens von Binderittel und Metallpulver auf die Metallsubstrate sind zwei übliche Fälle zu unterscheiden, nämlich das Aufbringen auf der Innenseite, bzw. auf der aussenseite eines Metallrohres.
• Sowohl für äussere, wie für innere ueberzüge auf eine Metallrohr ist es wünschenswert, das leichtflüchtige Lösungsmittel langsam aus dem Überzug und bevorzugt bei Raumtemperatur zu verdampfen. Wenn das Lösungsmittel zu schnell verdampft wird, dann neigt die überzogene Oberfläche zur Blasenbildung und kann sich ton dem Basismetall abheben. Ein Vorzug des affindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß beträchtlich weniger Bindemittel benötigt wird, als bei einem solchen Verfahren, bei dem eine Aufschlämmung aufgebracht wird, ferner kann der leichtflüchtige Lösungsmittelanteil bei Rauitemperatur verdampft werden, ohne daß ein zusätzliches Erwärmen vor des Einbringen in den Oien,um die poröse Oberfläche an das Basismetall ru binden, erforderlich ist. Es ist ebenfalls wichtig, festzuhalten, daß es die sehwerflüchtige Bindemittelkomponente, die im Verlauf der ersten Erwärmung in dem Ofen verdampft wird, erforderlich macht, daß dieses erste Erwärmen in dem Ofen mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgt, daß durch das Verdarin der schwer flüchtigen Komponente keine Blasenbildung in der Schicht aus Metallpulver erfolgt. Beispielsweise liegt eine geeignete Aufwärmgeschwindigkeit unter ungefähr 16500C pro Stunde für ein Isobutylen-Polymer.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Metallpulver, etwa aus Kupfer, Kupfer-Nickel-Legierung, Eisen, Stahl und tostireiem Stahl verwendet werden. Gewöhnlich können Pulverteilchen mit einer Korngröße zwischen ungefähr 0,025 bis 0,54 mm verwendet werden. Gröbere Pulver können nicht leicht fluidisiert und zur Anwendung befördert werden, und Pulver mit einer Korngröße unter 0,025 mm sind nicht sehr gut geeignet, durch Aufsprühen poröse, zum Sieden geeignete Oberflächen zu bilden. Bei der Herstellung poröser Überzüge zum Sieden für die Anwendung in besonderen Siedevorrichtungen ist die erste BetrachtungJein Metallpulver mit entsprechender Korngröße auszuwählen, da die Korngröße der Pulverteilchen abhängig ist von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit, die zum Sieden gebracht werden soll; beispielsweise sieden FltssigkeAten mit hoher Oberflächenspannung, wie etwa Wasser, höchstwirkungsvoll an porösen Oberflächen mit relativ großen Poren, die durch große Metallteilchen gebildet werden, beispielsweise von Metallteilchen mit Korngrößen zwischen 0,15 bis 0,54 mm, während Fltssigkeiten mit niedriger Oberflächenspannung, wie etwa Kälte-Flüssigkeiten (cryogenic liquids) oder fluorierte Kohlenwasserstoffe für Kühlaggregate höchstwirkungsvoll sieden an porösen Oberflächen mit relativ kleinen Poren, die durch Metallteilchen mit Korngrößen zwischen 0,030 bis 0,075 mm gebildet werden.
• Nach Auswahl eines entsprechenden Korngrößenbereichs für die Metallpulverteilchen betrifft die nächste Betrachtung die gewünschte Dicke des gebundenen porösen Metallüberzugs. In den Fällen, in denen die abschließende Dicke des gebundenen porösen Überzugs während des Erwärmens und der Bindung des endgültigen porösen Überzugs nur sehr wenig schrumpft, ist die Dicke nur geringfügig geringer als die Dicke des Pulverüberzugs vor der Behandlungsstufe zum Verbinden der Teilchen.
• Nach der Bestimmung der gewünschten Dicke des porösen Uberzugs ist es notwendig, die Dicke des Bindemittelüberzugs zu bestimmen, die erforderlich ist, um die gewünschte Dicke an Metallpulver zu benetzen und festzuhalten. Diese Dicke des Bindemittelüberzugjs wird hauptsäch-lich beinflusst durch den Prozentsatz an Proen oder Zwischenräumen in der Metallpulvermischung und durch die Viskosität der verwendeten Bindemittellösung. Pulver äumen mischungen mit einem großen Prozentsatz an Proen, oder Zwischen- d.n. mit relativ großen Teilchen, benötigen etwas mehr Bindemittellösung zur Benetzung und Zurückhaltung dieser Teilchen, als Pulvermischungen mit weiger oder kleineren Poren. Bindemittellösungen mit einer geringen Viskosität müssen in dünneren Überzügen auigetragen werden, um eine einheitliche Dicke zu erhalten und das Herablauien zu vermeiden, im Vergleich mit Bindemittellösungen mit hoher Viskosität. Die Viskosität der Bindemittellösung wird wiederum bestimmt durch die Menge und Elgenschaiten des oder der Lösungsmittel, die mit Bindemittelkomponente verwendet werden. Die Viskosität der Bindemittellösung beeinilusst das Ausmaß, indem der Metallpulverüberzug benetzt wird und die Flüchtigkeit der Lösung beeinflusst die Geschwindigkeit der Verdampfung von überschüssigem Lösungsmittel aus dem kombinierten Bindemittel-Metallpulver-Überzug. Beispielsweise werden für nach aussen gerichtete überzogene Oberflächen bevorzugt relativ langsam verdampiende leichtflüchtige Komponenten, wie etwa Kerosin verwendet, um den Bindemittelüberzug bis zu ungefähr 10 Minuten klebrig zu halten, bis er mit Metallpulver überzogen werden kann. Für die nach innen gerichteten überzogenen Oberflächen, wie etwa die Kanäle in den Röhren werden bevorzugt schneller verdampfende leichtflüchtige Komponenten verwendet, wie etwa Toluol, so daß die Lösungsmittel schnell aus solchen Kanälen entfernt werden können, ohne daß spezielle Ventilation nach dem Aufbringen des Metallpulverüberzugs erforderlich ist.
• Ein im wesentlichen konstantes Verhältnis besteht zwischen der Dicke des flüssigen Bindemittelüberzugs, der auf das Metallsubstrat aufgebracht wurde, und der Dicke des Metallpulvers, das auf dem Bindemittel aufgebracht wurde, um das Metallsubstrat zu überziehen, so daß die Flüssigkeit mit dem Pulver gesättigt wird und im wesentlichen das ganze aufgebrachte Pulver zurückhält. Wie oben beschrieben, führt ein Überschuß an flüssigem Bindemittel im Vergleich zu der Menge an auf gebrachtem Metallpulver dazu, daß die kombinierten Uberzüge zu feucht sind und von senkrecht orientierten Oberflächen herablaufen oder sich absetzen im Verlauf der folgenden Behandlungsstufen vor dem Erwärmen in dem Ofen und der Verbindung zu einer porösen Oberfläche. Ein solches Verhältnis der Dicken von flüssigem Bindemittel zu Pulver kann experimentell bestimmt werden, was besonders für spezielle Anwendungen bevorzugt wird, wie etwa für Überzüge auf flachen Oberflächen oder Überzüge auf Rohren entweder nach innen oder nach aussen gerichtet. Die Dicke des Metallüberzugs kann im Bereich von ungefähr 0,13 bis ungefähr 1,30 mm liegen. Die folgende Tabelle I bringt Beispiele für Überzüge an verschieden orientierten Oberflächen, für unterschiedliche Korngrößen der Metallpulver und verschiedene Dicken der Bindemittelschicht.
• T a b e l l e I Typische Überzugs - Parameter horizontal vertikal innere äussere Oberflächen äussere Oberflächen Rohroberfläche gewünschte Korngrößen für das Metallpulver (mm) 0,075-0,150 0,030-0,075/0,050-0,150 0,030-0,050/ 0,050-0,150 0,030-0,150 gewünschte Dicke der fertigen Pulverschicht (mm) 0,51 0,38 0,51 0,38 0,58 0,48 Porengehalt im Pulver (%) 70 65 60 erforderliche Dicke der 50 70 60 flüssigen Bindemittelschicht (mm) 0,38 0,25 0,33 0,20 0,43 0,30 Viskosität des flüssigen Bindemittels + (sek.) 30 30 32 32 48 48 Bestandteile des flüssigen Bindemittels: Isobutylen-Polymer (Gew.-%) 16 15 18 17 36 34 Kerosin (Gew.-%) 84 85 82 83 0 0 Toluol (Gew.-%) 0 0 0 0 64 66 Verhältnis: Dicke flüssiges Bindemittel / Dicke Metallpulver 0,75 0,67 0,65 0,53 0,74 0,63 + die Viskosität des flüssigen Bindemittels wurde mit einem Viskosimeter bestimmt, mit einer Ausflußöffnung mit einem Durchmesser von 3,2 mm in einem 5,4 cm tiefen Gefäß - Eine typische Korngrößenverteilung für die Metallpulverteil chen für aussen mitporösem Metall überzogene Wärmeaustauscherrohre ist in der folgenden Tabelle II aufgeführt: T a b e 1 1 e II Typische Korngrößenverteilung für metallpulver lichte Maschenweite (mm) Bereich (%) + 0,54 10% Maximum - 0,54 + 0,75 20 - 50% - 0,25 + 0,15 30 - 50% - 0,15 + 0,075 15 - 35% - 0,07 + 0,043 5% Maximum + - die Teilchen sind größer als die lichte Maschenweite des Siebes; - - die Teilchen sind kleiner als die lichte Maschenweite des Siebes.
• Ein Beispiel für typische Bindemittellösungen, die zum Aufsprühen eines Überzugs auf die Außenfläche von Metallrohren geeignet sind, ist in der folgenlen Tabelle III aufgeführt: T a b e l l e III Material Gewichtsprozent Isobutylen-Polymer 15 - 25 Toluol 40 - 60 Kerosin 25 - 40 Nachdem die Bindemittellösung und das Metallpulver auf die Metalloberfläche aufgebradit worden sind und nachdem eine ausreichende Zeit, etwa 2 Stunden, vergangen ist, um den leichtflüchtigen Bestandteil des flüssigen Bindemittels weite gehend zu verdampfen, wird im Oien erwärmt, um die zurückgebliebene schwerflüchtige Komponente des flüssigen Bindemittels zu verdampfen, und um die Metallpulverteilchen mit-einander und an die Metalloberfläche zu sintern, zu löten, oder sonstwie zu schmelzen.
• Das Aufbringen der flüssigen Bindemittellösung auf das Substrat kann durch Eintauchen des Substrats in die Bindemittellösung und Abtropfen von überschüssiger Bindemittel lösung eriolgen, oder durch Übergießen des zu überziehenden Substrats mit flüssiger Bindemittel lösung und anschließendem Abtropien von überschüssiger Bindemittellösung erfolgen, oder durch Aufbürsten, oder durch Aufsprühen der flüssigen Bindemittellösung auf das zu überziehende Substrat erfolgen. Unter diesen-;Veriahren wird das Aufsprühen von flüssiger Bindemittellösung bevorzugt. Um das Aufsprühen zu verbessern können wirksame elektrostatische Sprayvorrichtungen verwendet werden und bei dem Aufsprühen kann das zu überziehende Substrat jegliche beliebige Orientierung annehmen.
• Das Aufbringen des Metallpulvers auf das mit Bindemittel überzogene Metallsubstrat kann durch Auistreuen des Metallpulvers auf die mit Bindemittel überzogene Metalloberfläche eriolgen, oder durch Eintauchen der mit Bindemittel überzogenen Metalloberfläche in ein iluidisiertes Bett von Metallpulver, oder durch Aufsprühen von Metallpulver auf das mit Bindemittel überzogene Metallsubstrat erfolgen. Das Aufsprühen ist die bevorzugte Methode zum Aufbringen des Metallpulvers und elektrostatische Sprühverfahren haben sich als außerordentlich wirksam erwiesen, um eine sehr einheitliche Pulverauibringung zu gewährleisten, sonders in den Fällen, in denen irregulär geformte Oberflächen vorliegen. Die Spannung beim elektrostatischen Aufsprühen hängt gewöhnlich von den Eigenschaften des aufgesprühten Materials ab, etwa von der Dichte, den elektrischen Eigenschaften und dergleichen. Da die Metallpulver elektrische Leiter darstellen, und schwer sind, werden höhere Spannungen benötigt, d.h. Spannungen im Bereich von ungefähr 42 bis 100 Kilovolt Gleichstrom. Gewöhnlich besteht der Vorteil der elektrostatischen Sprühverfahren zum tfberziehen über andere Sprühverfahren zum Überziehen in der größeren Geschwindigkeit und Qleichm§ßigkeit, mit der ein Gegenstand überzogen wird, und in der besseren Ausnützung des Uberzugsmaterials, da geringere Anteile daneben gesprüht werden, so daß geringere Verluste an Uberzuganraterial auftreten. Sogar bei Ausnutzung der Vorteile des elektrostatischen Sprühens klebt ein geringer Anteil des aufgesprühten Metallpulvers nicht an dem besprühen Gegenstand und fällt auf den Boden der Pulversprüheinrichtung. Wegen des Wertes dieses Metallpulvers sind vorzugsweise Sammelvorrichtungen am Boden der Sprüheinrichtung vorgesehen, so daß dieses Pulver der Sprühvorrichtung wieder zugeführt werden kann.
• Hierbei ist zu beachten, daß es zum Aufsprühen eines Überzugs aus flüssiger Bindemittel lösung auf Metalloberflächen bevorzugt wird, Isobutylen-Polymer zu verwenden, das mit einem leichtflüchtigen Lösungsmittel und einem etwas schwerer flüchtigen Lösungsmittel, beispielsweise Toluol, mit einem Siedepunkt von 110C verdünnt wird, was das Atomisieren des flüssigen Bindemittels beim Sprühen erleichtert, und das als Verdünnungsmittel Ligroin mit einem Siedepunkt von ungefähr 165 0C vorgesehen ist, das dazu beiträgt, den Überzug aus flüssigem Bindemittel nach dem Aufsprühen klebrig zu halten, bis dieser mit dem Metallpulver in Berührung kommt.
• Diese Verwendung von zwei unterschiedlichen Lösungsmitteln ist besonders wünschenswert beim Aufsprühen eines Überzugs auf äussere Flächen von Wärmeaustauscherröhren. Zum Aufsprühen von flassigem Bindemittel auf die innere Oberfläche von Wärmeaustauscherröhren ist es erwünscht, leichtflüchtige Lösungsmittel zu verwenden, um die rasche Verdampfung nach dem Aufbringen des Metallpulvers zu beschleunigen.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können Wärmeaustauscherrohren auf der Innenseite überzogen werden, indem die flüssige Bindemittellösung am oberen Ende nach innen in ein geneigtes Rohr gegossen wird, das langsam gedreht wird, beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 20 Umdrehungen pro Minute, um die Innenwand des Rohres vernünftig zu überziehen und den Überschuß an flüssigem Bindemittel am unteren Ende eines solchen Rohres abtropfen zu lassen; daran anschließend wird das Rohr weiterhin langsam gedreht, während das Metallpulver am oberen Ende nach innen eingeführt wird und durch das gedrehte Rohr nach unten fließt, so daß das Pulver das Bindemittel einheitlich überzieht und jeglicherPulverüberschuß am unteren Ende aus einem solchen Rohr herausfließt. Für ein solches Verfahren wurde ein flüssiges Bindemittel verwendet, das 35 Gewichtsprozent Isobutylen-Polymer und 65 Gewichtsprozent Toluol enthält und das für die meisten Überzüge geeignet ist.
• Die Figur 1 zeigt eine Sprüheinrichtung 1 mit einem abgeteilten Abteil 2 zum Versprühen des flüssigen Bindemittels und mit einem abgeteilten Abteil 3 zum Versprühen des Metallpulvers, mit einem Förderband 4, das die vertikal aufgehängten Wärmeaustauscherrohre 5 nacheinander durch das Sprühabteil 2 und das Sprühabteil 3 innerhalb der Sprüheinrichtung 1 führt. Die Beförderungsgeschwindigkeit für die Proben beträgt ungefähr 45 cm/min. Das flüssige Bindemittel wird in dem Behälter 6 aufbewahrt und mittels der Pumpe 8 zu der Sprüheinrichtung 7 befördert. Das Metallpulver wird in dem Behälter 9 aufbewahrt und durch Druckgas, das durch die Leitung 10 eingeführt wird, fludisiert und zu der Sprühvorrichtung 11 geführt. Beide Sprühvorrichtungen 7 und 11 können vertikal bewegt werden, etwa mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 120 cm/sek., um rasch entlang der Längsrichtung der Röhren bewegt zu werden, wobei diese Rohre mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 1 bis 6 Umdrehungen pro Minute gedreht werden, während sie durch die Sprüheinrichtung 1 geführt werden; als Mittel zum Rotieren 12 sind beispielsweise Wellen vorgesehen, die sich drehen, wenn sie mit dem angetriebenen Band 13 in Berührung kommen.
• Die Rohre sollten zumindest im Verlauf jeder vertikalen Verschiebung der Sprühdüsen eine halbe Umdrehung ausführen0 Ein Teil des aufgesprühten Metallpulvers klebt nicht an den Rohren und iällt auf den Boden des Abteils 3. Wegen des Wertes dieses Metallpulvers sind Sammeleinrichtungen 15 vorgesehen, die dieses Metallpulver über die Leitung 16 dem Vorratsgefäß 9 zuführen. Wenn es gewünscht wird, kann eine elektrostatische Sprühausrüstuml verwendet werden in Verbindung mit den Sprüh vorrichtungen 7 und 11, um ein starkes elektrostatisches Feld zwischen den Sprüheinrichtungen und den Röhren 5 auizubauen. Ein solches elektrostatisches Feld erhöht den Prozentsatz an Pulver, das die Röhren berührt, so daß ein noch einheitlicher Pulverüberzug erhalten wird, besonders dann, wenn die Röhren unregelmäßige Oberflächen aufweisen; ferner fällt weniger Pulver auf den Boden des Abteils 3.
• Die Sprühdüsen 7 und 11 werden vertikal entlang den Führung schienen 17 durch Ketten 18 bewegt, welche durch die Elektromotoren 14 über die Zahnräder 19 angetrieben werden. Alternativ können pneumatisch oder hydraulisch betriebene Vorrichtungen verwendet werden, um die Sprüheinrichtungen vertikal zu bewegen.
• Obwohl die Fig. 1 eine Vorrichtung zum Aufsprühen von Bindemittellösung und Metallpulver auf eine vertikal orientierte Oberfläche erläutert, kann dieses Aufsprühen mit gleichem Eifekt auch auf horizontal orientierte Oberflächen erfolgen.
• Im Falle einer horizontalen Anordnung der Röhren kann die Sprühdüse über den Röhren angeordnet sein, welche langsam rotieren, während die Sprühdüsen darüber geführt werden. Darüber hinaus erlaubt eine solche physikalische Anordnung das Überziehen der Röhren mit Pulver aufgrund der Schwerkraft, wenn solche Verfahren gewünscht sind; ferner ist es möglich, die mit Bindemittel überzogenen Röhren durch ein fluidisiertes Metallpulverbett zu führen0 Zum Aufsprühen eines Überzugs auf die Aussenflächen von Röhren wird es bevorzugt, eine zweite Metallpulverschicht aufzubringen, nachdem der erste Metallpulverüberzug weitgehend von dem flüssigen Bindemittelüberzug benetzt wurde. Daher kann eine zweite Sprühvorrichtung zum Aufsprühen von Metallpulver nahe der Sprühvorrichtung 11 vorgesehen sein, so dass die Röhren 5, nachdem sie an der Einrichtung 11 vorbei geführt wurden, an der zweiten (nicht gezeigten) Einrichtung vorbeigeführt werden, und eine zweite Metallpulverschicht aufgebracht wird. Mit einer solchen zweiten Einrichtung zum Aufbringen von Metallpulver wird gewährleistet, dass die flüssige Bindemittelschicht vollständig mit Metallpulver gesättigt wird.
• Zum Aufsprühen eines Überzugs auf Gegenstände mit irregulär geformten Oberflächen, wie etwa gerippte Rohre, wird es bevorzugt, zwischen den Sprüheinrichtungen und den zu überziehenden Gegenständen eine hohe Gleichspannung anzulegen, beispielsweise 50 000 Volt. Eine solche Spannung bewirkt ein starkes elektrostatisches Feld, welches zu einem noch einheitlicheren Überzug auf den irregulär geformten Oberflächen führt, ohne dass Einschritte überbrückt werden.
• Die Fig. 2 zeigt andere Einrichtungen, mit denen flüssiges Bindemittel und Metallpulver auf eine Metalloberfläche aufgebracht werden können, noch vor der Wärmebehandlung zur Bildung einer porösen Oberfläche, wie sie zum Sieden von Fltssigkeiten geeignet ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden Wärmeaustauscherröhren 5 durch nicht abgebildete Transporteinrichtungen durch ein Bad 21 für das flüssige Bindemittel geführt, so dass die Röhren 5 darin eintauchen. Vorzugsweise sind die Endabschnitte der Röhren verstopft, so dass der Überzug aus flüssigem Bindemittel auf die äussere Oberfläche der Röhren beschränkt wird. Nach Passieren des Bades mit flüssigem Bindemittel werden die Röhren 5 aus dem Bad entfernt, und flüssiges Bindemittel kann abtropfen und in das Bad zurückfallen. Diese Entfernung von überschüssigem Bindemittel erfolgt im Bereich 22. Anschließend werden die Röhren 5 unter eine Schüttelbox 23 für das Metallpulver geführt, aus der eine Metallpulverschicht auf die mit flüssigem Bindemittel überzogenen Röhren aufgebracht wird. Um einen gleichmäßigen Metallpulverüberzug rund um die Röhren zu gewährleisten, ist es zweckmäßig die Röhren 5 zu drehen, während sie unter der Schüttelbox 23 hindurchgeführt werden. Nach den Passieren der Schüttelbox 23 kann die leiehtilüchtige Bindemittelkomponente verdampien, und anschließend erfolgt die Wärmebehandlung, wie im einzelnen oben beschrieben. Die Schüttelbox 23 kann durch Pulversprüh-Einrichtungen ersetzt werden, wenn das gewünscht wird.

Claims (16)

Patentansnrüche

1. Verfahren zum Überziehen von Metallsubstraten mit einer porösen Metallschicht, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensstufen: a) Vorbereitung eines Metallsubstrats, das mit porösem Metall überzogen werden soll; b) Aufbringen einer flüssigen Bindemittellösung, die zumindest eine leichtflüchtige Lösungsmittelkomponente und zumindest eine schwerflüchtige Komponente enthält, in einer Schichtdicke von 0,051 bis 1,02 mm auf dem Metallsubstrat; c) Aufbringen einer 0,13 bis 1,30 mm dicken Schicht eines Metallpulvers mit Korngrößen zwischen 0,025 bis 0,50 mm (30 bis 500 Mesh) auf der Bindemittelschicht, so dass die Bindemittelschicht den Metalipulverüberzug benetzt und diesen auf dem Metallsubstrat festhält; d) Weitgehende Verdampfung der leichtflüchtigen Komponente aus der flüssigen Bindemittellösung; e) Erwärmen des mit Metallpulver überzogenen Metallsubstrat auf eine ausreichende Temperatur, um im wesentlichen die schwerflüchtige Komponente des Bindemittels vollständig zu verdampfen; f) Weitere Erwärmung des mit Metallpulver überzogenen Metallsubstrats auf eine ausreichende Temperatur, um das Metallpulver mit sich selbst und mit dem Metallsubstrat zu verbinden, so dass eine poröse Metallschicht gebildet wird mit untereinander verbundenen Hohlräumen an der Oberfläche und unter der Oberfläche; und g) Abkühlen des mit einer porösen Metallschicht verbundenen Metallsubstrats.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Bindemittellösung 15 bis 50 % Isobutylen-Polymer und 50 bis 85 % Kerosin enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Bindemittellösung 15 bis 25 % Isobutylen-Polymer, 40 bis 60 % Toluol und 25 bis 40 % Kerosin enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Bindemittellösung eine schwerflüchtige und zwei leichtflüchtige Kompoienten enthält.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpulverschicht in zwei getrennten Arbeitsgängen zum Aufbringen von Metallpulver aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen von Metallpulver auf gerippten Metallröhren elektrostatische Sprühverfahren verwendet werden.

7. Vorrichtung zum Aufbringen eines Überzugs aus einer porösen Metallschicht auf die Aussenfläche von Metallrohren, nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung a) Fördermittel zum Festhalten der Metallrohre und Mittel zum Rotieren dieser Rohre um deren Längsachse; b) Mittel zum Aufsprühen von flüssigem Bindemittel, die parallel zur Längsachse der Metallröhren verschiebbar angeordnet sind und gleichzeitig mit dieser Längsbewegung eine Schicht aus flüssigem Bindemittel auf die Röhren aufsprühen; c) Mittel zum Aufsprühen von Metallpulver, die parallel zur Längsrichtung der Metallröhren verschiebbar angeordnet sind, und gleichzeitig mit dieser Längs bewegung eine Metallpulverschicht auf die mit flüssigem Bindemittel überzogenen Röhren aufsprühen; umfasst.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Einrichtung zum Aufsprühen von Metallpulver Einrichtungen zum Sammeln des Metallpulvers vorgesehen sind, das nicht an den Metallröhren klebt, und dieses wiedergewonnene Metallpulver erneut der Sprüheinrichtung zugeführt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die. Eimrichtung zum Aufsprühen von Metallpulver zwei BprUhdüsen umfasst, die nacheinander Metallpulver auf die mit Bindemittel überzogenen Metallröhren aufsprühen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch elektrostatische Sprüheinrichtungen zum Aufbringen der flüssigen Bindemittellösung.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch elektrostatische Sprüheinrichtungen zum Aufbringen des Metallpulvers.

12. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Fördereinrichtungen, welche die Metallrohre in vertikaler Ausrichtung halten, und durch Einrichtungen, welche die Sprühvorrichtung für das flüssige Bindemittel und die Sprühvorrichtung für das Metallpulver entsprechend vertikal an Ketten entlang von Führungsschienen bewegen, wobei die Ketten durch Elektromotoren über Zahnräder angetrieben werden, so dass die Einrichtungen zum Versprühen des flüssigen Bindemittels und die Einrichtung zum Versprühen des Metallpulvers parallel zur Längsachse der Metallröhren verschoben werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Fördermittel, welche die Metallröhren mit ihrer Längsachse in weitgehend vertikaler Ausrichtung halten, mit elektrostatischen Sprüheinrichtungen zum Aufbringen des flüssigen Bindemittels und des Metallpulvers; mit Elektromotoren, Zahnräder, Ketten und Führungsschienen, um die Sprüheinrichtungen für das flüssige Lösungsmittel und das Metallpulver vertikal zu verschieben; und mit Einrichtungen zum Wiedergewinnen von Metallpulver unterhalb der Metallpulversprüheinrichtung, um Metallpulver aufzusammeln, das nicht an den Metall röhren klebt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Fördereinrichtungen, um die Metallröhren mit ihrer Längsachse in weitgehend horizontaler Ausrichtung zu befördern, und mit Einrichtungen zum Versprühen von flüssiger Bindemittellösung und Metallpulver, wobei diese Einrichtungen horizontal, parallel zu der Längsachse der Metallröhren bewegt werden.

15. Vorrichtung zum äusseren Überziehen von Metallröhren mit einer porösen Metallschicht nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch Fördermittel, welche die Metallröhren Festhalten; durch ein Tauchbad mit flüssigem Bindemittel, durch das die Fördermittel die Röhren bewegen, um durch Eintauchen einen Überzug aus flüssigem Bindemittel darauf aufzubringen; durch Abtropfmittel, um einenBindemittelüberschuss von den mit flüssigem Bindemittel überzogenen Röhren zu entfernen; durch Einrichtungen zum Aufbringen von Metallpulver im Anschluss an die Einrichtungen zum Aufbringen eines flüssigen Bindemittelsüberzugs, so dass die Metallrohre eine Metallpulverschicht aufnehmen; und durch Einrichtung zum Drehen der Metallrohre um ihre Längsachse, während sie unter der Einrichtung zum Aufbringen von Metallpulver hindurchgeführt werden.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Aufbringen von Metallpulver eine Schüttelbox enthalten.