DE2602812A1 - Verfahren zum anschmelzen der oberflaeche von festen materialien beziehungsweise koerpern, insbesondere bauelementen, und plasmagenerator zur durchfuehrung desselben - Google Patents

Verfahren zum anschmelzen der oberflaeche von festen materialien beziehungsweise koerpern, insbesondere bauelementen, und plasmagenerator zur durchfuehrung desselben

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Description

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806 DACHAU bei MÜNCHEN
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P 884
B eschreibung
zur Patentanmeldung
VILLAMOSIPARI KUTATo' INTEZET
Budapest, Ungarn
betreffend
Verfahren zum Anschmelzen der Oberfläche von festen Materialien beziehungsweise Körpern, insbesondere Bauelementen.» und Plasmagenerator zur Durchführung desselben
Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zum Anschmelzen der Oberfläche von festen Materialien beziehungsweise Körpern, insbesondere Baumaterialien, und eine Vorrichtung zur Durchführung desselben. Zur Befriedigung der wachsenden Ansprüche der Bauindustrie tritt die Verwendung von vorgefertigten Bauelementen immer mehr in den Vordergrund. Die zur Gestaltung der Oberfläche der Bauelemente gegenwärtig angewandten Verfahren sind hinsichtlich der Anforderungen der Serienfertigung,
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ORIGINAL INSPECTED
der Lebensdauer sowie der ästhetischen Anforderungen nicht zufriedenstellend. Schon seit Jahren sind Versuche im Gange, an der Oberfläche von Bauelementen glasartige Oberflächenschichten auszubilden, um die obigen Mangel auszuschalten. Zur Zuführung der zum Anschmelzen erforderlichen Wärme wurde die Anwendung von Sauerstoff/Dissousgas-Flammen und Lichtbögen versucht, diese Verfahren sind aber sehr langwierig und aufwendig, so daß den Anforderungen der großtechnischen Serienfertigung nicht entsprochen werden konnte. Mit diesen Verfahren können nämlich nur Temperaturen von wenigen 1 00O0K sichergestellt werden und daher muß die Wärmequelle zur Erreichung einer angeschmolzenen Oberfläche von annehmbarer Qualität lange Zeit an den einzelnen Punkten der Oberfläche gehalten werden. So dauert das Anschmelzen selbst lange Zeit, das Verfahren ist mit einem sehr hohen Aufwand verbunden und auch sein Wirkungsgrad ist in Anbetracht der Tatsache, daß sich das Bauelement bis in verhältnismäßig große Tiefen erwärmt, schlecht.
Das mittels eines Lichtbogens erfolgende Anschmelzen ist im Prinzip die wesentlich bessere Lösung als das mit der Sauerstoff/Dissousgas-Flamme arbeitende Verfahren, da im Falle einer entsprechenden Stromstärke in der Achse der Bogensäule auch Temperaturen von mehreren 10 0000K auftreten können. In der Praxis kann jedoch nur der Bogenmantel von einigen 1 0000K unmittelbar mit der anzuschmelzenden Oberfläche in Berührung gebracht werden. Beispielsweise sei das Verfahren der ungarischen Patentschrift 162 488, bei welchem versucht wurde, durch Anwendung von Hochspannungslichtbögen die Oberfläche von Bauelementen einzubrennen, erwähnt. Dieses Verfahren hat jedoch über das Obige hinaus die Nachteile der Notwendigkeit der Sicherstellung der zum Betrieb erforderlichen Hochspannung, der Schwierigkeit des Einhaltens der durch die Anwendung der Hochspannung bedingten Sicherheits-
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Vorschriften und der Tatsache, daß der lange und flackernde Lichtbogen nicht von "beliebiger Richtung mit der anzuschmelzenden Oberfläche in Berührung gebracht werden kann. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß nur ein Teil der Bogensäule unmittelbar mit der zu bearbeitenden Oberfläche in Berührung treten kann, was zu einem ungünstigen Wirkungsgrad führt; zur Stabilisierung des Bogens sind besondere Verfahren erforderlich und beim Platten- beziehungsweise Paneelwechsel besteht stets die Gefahr des Erlöschens des Lichtbogens. So führte auch die Anwendung des Lichtbogens nicht zu einem zur Serienfertigung geeigneten Verfahren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Behebung der Nachteile der bekannten Verfahren ein sehr einfaches und wirtschaftliches Verfahren zum Anschmelzen der Oberfläche von festen Materialien beziehungsweise Körpern, insbesondere Bauelementen, welches unmittelbar in den Verfahrensgang der Serienfertigung der Bauelemente der Hochbauindustrie eingefügt werden kann und sogar die Abkürzung der bisherigen Pertigungsdauer ermöglicht, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben zu schaffen.
Das Obige wurde erfindungsgemäß gelöst.
Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß eine auch zur Serienfertigung geeignete wirtschaftliche und eine gute Qualität sicherstellende Lösung dadurch erreicht werden kann, daß zum Anschmelzen der Oberfläche der festen Materialien beziehungsweise Körper, wie Bauelemente, der Lichtbogen mit der anzuschmelzenden Oberfläche nicht unmittelbar in Berührung gebracht wird, sondern zum Erhitzen eines mit hoher Geschwindigkeit stromengelassenen Gases als Wärmequelle verwendet wird und die erforderliche Wärme mittels des so zustandegebrachten gut zu richtenden beziehungsweise lenkbaren
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Plasmas auf die Oberfläche' aufgebracht wird.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zum. Anschmelzen der Oberfläche von festen Materialien beziehungsweise Körpern, insbesondere Bauelementen, unter Anwendung eines Lichtbogens als Wärmequelle, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß durch den Lichtbogen ein Gas strömen gelassen und die Wärmewirkung mit dem so erzeugten gerichteten Plasma sichergestellt wird.
Durch die Erfindung wurde die Ausnutzung des Wärmeinhaltes des Lichtbogens in solchem Maße ermöglicht, daß die Temperatur des mit der anzuschmelzenden Oberfläche in Berührung tretenden Plasmas die bei allen bekannten Anschmelzverfahren angewandten Temperaturen um 1 Größenordnung (15 000 bis 30 0000K) übertrifft. Each den Versuchen der Anmelderin wird durch das Plasma hoher Temperatur sehr schnell eine glasartige Oberfläche guter Qualität gebildet, wobei das feste Material beziehungsweise der feste Körper, wie das Bauelement, nur in sehr dünner Schicht erwärmt wird und so der größte Teil des Wärmeinhaltes des Plasmas unmittelbar für das Anschmelzen aufgewandt wird. Die Form des Plasmas bleibt infolge des mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gases unverändert und es ist das beliebige Eichten beziehungsweise Lenken des Plasmas beziehungsweise das zweckmäßigste und wirtschaftlichste Anordnen (Bewegen) der anzuschmelzenden Oberfläche ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der zum Erhitzen des Plasmas angewandte Lichtbogen mit einem Gleichstrom niederer Spannung (30 bis 150 V) erzeugt werden kann, was eine zweckmäßige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt. Erfindungsgemäß kann nämlich ein ganz kurzer (wenige Millimeter langer) Bogen, dessen Stabilität leicht sichergestellt
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■und dessen Wärmeinhalt durch Verändern der Stromstärke (300 bis 7OO A) praktisch auf einen beliebigen Wert eingestellt werden kann, angewandt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Plasmaquelle in einem Abstand von 2 bis 80 mm von der anzuschmelzenden Oberfläche angeordnet und die Plasmaachse in einem Winkel von 10 bis 90 gegen die anzuschmelzende Oberfläche eingestellt, weil dadurch die günstigste Wirkung erzielt wird. An der Oberfläche des in Streifen wärmebehandelten Materiales kann dadurch eine völlig gleichmäßig angeschmolzene Schicht sichergestellt werden. Durch Veränderung der Streifenbreite und Einbrenntiefe ist es aber auch möglich, beliebige Muster zur Befriedigung der verschiedenartigsten ästhetischen Ansprüche zu bilden. Die vorstehend angegebenen Werte zum Anordnen der Plasmaquelle ergeben sich unter Berücksichtigung der Tatsache, daß je nach der Qualität des anzuschmelzenden Materiales die Veränderung der Betriebsparameter (wie Stromstärke und Gasgeschwindigkeit) der Plasmaquelle und der Bewegungsgeschwindigkeit der Plasmaquelle beziehungsweise des Werkstoffes notwendig werden kann.
Je nach der Zusammensetzung des anzuschmelzenden Materiales und der gewünschten Qualität der wärmebehandelten Oberfläche kann auch das Plasmagas des Verfahrens verändert werden. Vorzugsweise wird als Plasmagas Argon, Stickstoff, Luft, ein Kohlenwasserstoffgas, Wasserstoff oder ein Gemisch derselben verwendet. Im Falle der Verwendung eines korrodierend wirkenden Gases kann der Kathodenschutz nach einer speziellen Ausführungsform durch Bildung einer Schutzgashülle sichergestellt werden. Die Verwendbarkeit von verschiedenen Gasen erhöht die Variationsmöglichkeiten der Bearbeitung und die in einzelnen lallen zu verwendende günstigste Zusammensetzung des Plasmagases ist durch die
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Menge und Qualität der zu "bearbeitenden Materialien sowie Fragen der Wirtschaftlichkeit bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt auch eine gute Möglichkeit zur dauerhaften Färbung der anzuschmelzenden Oberflächen dar. Zur Färbung werden vorzugsweise anorganische Materialien, insbesondere Metalloxyde, verwendet. Schon in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des G-rundmateriales bilden sich Oberflächen verschiedener Färbung, welche auch an sich ästhetisch befriedigen, aus. Bei Zugrundelegung der vom Grundmaterial abhängigen Farbwirkung als Untergrund können vor der Plasmabehandlung oder gleichzeitig mit ihr mitteis einer Streuverfahrenstechnik Farbstoffe auf die Oberfläche aufgebracht werden. Die in der Phase der Schmelze befindlichen anorganischen Farbstoffe werden nach dem Abkühlen in das Grundmaterial eingebaut, und zwar in ihm gelöst beziehungsweise mit ihm vermischt und sie ergeben unter dem Schutz des glasartigen Überzuges eine gleichmäßige farbige Oberfläche. Durch Vermischen der Farbstoffe mit sogenannten Begleitbestandteilen (beispielsweise Aluminiumoxyd beziehungsweise Siliciumdioxyd) in verschiedenen Verhältnissen können die gewünschten Farbtöne erreicht werden und gleichzeitig kann der spezifische Verbrauch der teueren Farbstoffe, insbesondere Metalloxyde, vermindert werden. Die Wirkung der reduzierenden, inerten beziehungsweise oxydierenden Atmosphäre je nach der Art des Farbstoffes bedeutet eine weitere Variationsmöglichkeit.
Each einer speziellen Ausführungsform der Erfindung werden gleichzeitig mehr Plasmaquellen verwendet, wobei diese in Abhängigkeit von den gewünschten Mustern beziehungsweise Maserungen in der Ebene der anzuschmelzenden Oberfläche und dazu senkrecht, vorteilhafterweise nach einem vorherbestimmten Programm automatisch, bewegt werden. Dadurch können die verschiedenartigsten Muster gebildet und die Einbrenn-
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geschwindigkeit beliebig erhöht werden.
Für das erfindungsgemäße Anschmelzverfahren wird zweckmäßigerweise eine 100 "bis 250 mm lange und 6 "bis 100 mm breite Plasmaflamme erzeugt. Um dies zu erreichen, wird der Konuswinkel der Kathode des als Plasmaquelle anwendbaren Plasmagenerators zu 16 bis 50° und der Konuswinkel der Anode desselben zu 20 bis1 60° gewählt.
Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Plasmagenerator zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer kegelförmigen Kathode und einer kegelförmigen Anode, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß der Konuswinkel der Kathode 16 bis 50° und der Konuswinkel der Anode 20 bis 60° ist. Der so ausgeführte Plasmagenerator ist auch unter Berücksichtigung der Gesichtspunkte der großtechnischen Fertigung zur Verwirklichung jedes Oberflächenanschmelzens geeignet.
Die großtechnische Fertigung verlangt den kontinuierlichen Betrieb der Plasmaquelle, was eine lange Lebensdauer der Kathode und Anode des Plasmagenerators erfordert. Zur Erreichung dieses Zieles besteht daher nach einer zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasmagenerators dessen Kathode aus auf-pulvermetallurgischem Wege gefertigtem Wolfram oder mit (Dhorium versehenem Wolfram und seine Anode aus wassergekühltem Kupfer. Durch Versuche der Anmelderin wurde nachgewiesen, daß mit diesen Materialien unter wirtschaftlichen Bedingungen ein mindestens 10 bis 12 Stunden langer Betrieb sichergestellt werden kann, worauf das Auswechseln der Elektroden während weniger Minuten durchgeführt werden kann. Dies entspricht den großtechnischen Fertigungsanforderungen weitgehend. Durch intensives Kühlen der Kathode ist es möglich geworden, einen Lichtbogen von 600 bis 700 A
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anzuwenden (dies bedeutet" eine größere Streifenbreite und Einbrenntiefe), und durch die Ausführung des unmittelbaren Kühlsystemes der Anode wurde die Verwendung von mit geringen Kosten verbundenen Kupferanoden ermöglicht.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden beispielhaften Darlegungen in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung, in welcher eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasmagenerators im Längsschnitt dargestellt ist, näher erläutert.
In der Zeichnung sind im Plasmagenerator zur Wärmebehandlung der Oberfläche von Bauplatten beziehungsweise -paneelen der Bauindustrie in Serienfertigung eine Kathode und eine Anode 2 entgegengesetzter Polung in einem Abstand von 1 bis 2 mm voneinander ortsfest angeordnet. Der Konuswinkel 6 der Anode 2 ist in dieser Ausführungsform 40° und der Konuswinkel 7 der Kathode 1 27°· Die Kathode 1 ist an einen aus Kupfer gefertigten Kathodenhalter 9 befestigt. Der Schutz der Elektroden 1, 2 gegen die Wärmewirkung wird durch einen Kühlraum 3 mit intensiver Wasserkühlung und das Strömen des Betriebsgases mit hoher Geschwindigkeit sichergestellt und die gleichmäßige Ausbreitung des Betriebsgases wird durch einen Verteilerring 4· erreicht. Das durch den Lichtbogen erzeugte Plasma wird im einen kleineren Durchmesser aufweisenden geraden Abschnitt 5 der Anode 2 auf etwa die 2-fache Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Schließlich verläßt das Plasma den Plasmagenerator durch die in einem Austrittskonuswinkel 8 von 10° ausgeführte Anode 2.
Beispielsweise wurden zahlreiche Bauelementproben aus Silikatgrundstoffen erfindungsgemäß wärmebehandelt. Nach den Wärmebehandlungen wurde bei der Durchführung der notwendigen Witterungsbeständigkeitsprüfung, Dampfdiffusionsprüfung (Lüftungsprüfung) und durch die Normen vorgeschriebenen
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sonstigen Prüfungen festgestellt, daß durch, das erfindungsgemäße Verfahren jeden Anspruch befriedigende und wesentlich witterungsbeständigere und ästhetischere Oberflächen als die bisher verwendeten Überzüge auch in großtechnischer Serienfertigung erreicht werden konnten. Es ist ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß durch das mittels eines Plasmas erfolgende Anschmelzen der Oberflächen ein glasartiger, dabei aber poröser Überzug zustandekommt. Die Porosität entspricht denselben Dampfdiffusionsanforderungen wie die herkömmlichen Baumaterialien. Die angeschmolzene Oberfläche verliert ihren glasartigen Glanz auch durch die Beanspruchungen durch die Atmosphäre nicht und das Sauberhalten der Oberflächen kann durch Waschen oder auf natürlichem Wege (Regen) sichergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist eine neue Oberflächengestaltungstechnik insbesondere bei den auf dem Gebiet der Bauweise mit großen Elementen verwendeten verschiedenen Gebäudearten (beispielsweise Wohnungen, öffentlichen Gebäuden und Industriegebäuden), es ist jedoch auch bei jedem Erzeugnis aus einem Silikatgrundmaterial, wie zur neuen industrialisierten (automatischen) Oberflächengestaltung der Platten- beziehungsweise Paneelkonstruktion von Fassaden bei der Leichtbauweise anwendbar. Diese mit wenig Aufwand verbundene und schnelle Verfahrenstechnik ermöglicht die Bildung von Oberflächen mit farbigen und abwechslungsreichen Mustern sowohl auf ebenen als auch auf gewölbten Oberflächen und bietet sogar die Möglichkeit zur Gestaltung von individuellen Schöpfungen der bildenden Kunst. Das zur Serienfertigung geeignete Verfahren stellt eine gleichmäßige Qualität sicher und die Lebensdauer der gebrannten Betonoberflächen übertrifft die des als Grundmaterial verwendeten Betones. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vom Feuchtigkeitsgehalt des Materiales und den klimatischen Bedingungen (Dampfgehalt und Temperatur der Umgebung, Winter- oder Sommerbetrieb, im Freien oder in geschlossenen Räumen) unabhängig.
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Die praktische Anwendung der Erfindung bringt einen großen wirtschaftlichen Nutzen mit sich. Die zur Serienfertigung hoher Produktivität geeignete Lösung bedeutet für die Hochbauindustrie bei verhältnismäßig geringen Investitionskosten bedeutende Einsparungen, weil die Verfahrensstufen der Passadenbildung auf einen einzigen kurzen automatisch durchführbaren Arbeitsgang verringert sind.
Die Oberflächenbehandlung der in der Hochbauindustrie
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üblichen 12 m großen Platten beziehungsweise Paneele kann erfindungsgemäß in 15 Minuten erreicht werden, was den Anforderungen der Serienfertigung der Hochbauindustrie weitgehend entspricht. Beim Vergleich der Betriebskosten des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Hauptarten der gegenwärtig angewandten Fassadengestaltungsverfahren ist festzustellen, daß im Vergleich zu den Betriebskosten des erfindungsgemäßen Verfahrens die eine wesentlich geringere Qualität aufweisende farbige Grauzementfassade mit Kalksteinsplitt mit um etwa 250% höheren Kosten, der im Handel unter dem Namen DEKOLIT P7200 bekannte farbige Kunststoffverputz mit um etwa 400% höheren Kosten, der unter dem Handelsnamen STRIIKTUEIT P74-OO bekannte farbige Kunst stoff verputz mit um etwa 600% höheren Kosten und die Verkleidung mit kleinen Mosaikplatten in Glasurausführung mit um etwa 1 200% höheren Kosten herstellbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist natürlich außer zur als Beispiel erwähnten Passadengestaltung von Betonplatten beziehungsweise -paneelen mit großer Oberfläche auch zum Anschmelzen der Oberfläche von anderen festen Materialien beziehungsweise Körpern und Gebrauchsgegenständen, zu deren Pärben beziehungsweise zur Ausbildung von Mustern auf ihnen geeignet.
Patentansprüche 609831/0748

Claims (8)

  1. - 11 -
    Patent ans prüche
    Verfahren zum Anschmelzen der Oberfläche von festen Materialien beziehungsweise Körpern, insbesondere Bauelementen, unter Anwendung eines Lichtbogens als Wärmequelle, dadurch gekennzeichnet, daß man durch den Lichtbogen ein Gas strömen läßt und die Wärmewirkung mit dem so erzeugten gerichteten Plasma sicherstellt.
  2. 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Lichtbogen mit einem Gleichstrom niedriger Spannung erzeugt.
  3. 3·) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Plasmaquelle in einem Abstand von 2 bis 80 mm von der anzuschmelzenden Oberfläche anordnet und die Plasmaachse in einem Winkel von 10 bis (
    stellt.
    10 bis 90° gegen die anzuschmelzende Oberfläche ein-
  4. 4.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Gas Argon, Stickstoff, Luft, ein Kohlenwasserstoffgas, Wasserstoff oder ein Gemisch derselben verwendet.
  5. 5.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die anzuschmelzende Oberfläche mit einem anorganischen Material, insbesondere Metalloxyd, färbt.
  6. 6.) Verfahren nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß man gleichzeitig mehr Plasmaquellen verwendet, wobei man diese in Abhängigkeit von den gewünschten Mustern in der Ebene der anzuschmelzenden
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    Oberfläche und dazu senkrecht, vorteilhafterweise nach einem vorherbestimmten Programm automatisch, bewegt.
  7. 7.) Plasmagenerator zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 mit einer kegelförmigen Kathode und einer kegelförmigen Anode, dadurch gekennzeichnet, daß der Konuswinkel (7) der Kathode (1) 16 bis 50° und der Konuswinkel (6) der Anode (2) 20 bis 60° ist.
  8. 8.) Plasmagenerator nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß seine Kathode (1) aus auf puivermetallurgischem Wege gefertigtem Wolfram oder mit Thorium versehenem Wolfram und seine Anode (2) aus wassergekühltem Kupfer besteht.
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