DE2749436C2

DE2749436C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Beschichtung von Metallsubstraten

Info

Publication number: DE2749436C2
Application number: DE2749436A
Authority: DE
Inventors: Leonardus Joseph Bergschenhoek Savelkouls
Original assignee: PROGRESS PROCESSING Ltd VADUZ LI
Current assignee: PROGRESS PROCESSING Ltd VADUZ LI
Priority date: 1976-11-05
Filing date: 1977-11-04
Publication date: 1984-04-05
Also published as: ES463516A1; NO773783L; FR2369913A1; DE2749436A1; AU3034777A; JPS5363478A; BR7707433A; SE7712479L; AR213450A1; SE438271B; US4101356A; IT1089032B; NO155230C; NL7612325A; AU517532B2; NO155230B; GB1597839A; CH620638A5; BE860488A; CA1081106A

Description

bis 100OkHz wird hier als Mittelwellenfrequenz bezeichnet. Mit einer Strahlung innerhalb dieses Frequenzbereiches kann ein Oberflächenteil des Metallsubstrates kurzzeitig auf eine Temperatur gebracht werden, die gerade ausreicht, um einen an der Grenzfläche des Metallsubstrates anliegenden Oberflächenteil der warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse zu aktivieren bzw. zu schmelzen.

Energieverluste, die durch Erhitzen von Bereichen bedingt sind, in welchen keine Wärme erforderlich ist, !'-' d. h. im Metallsubstrat wesentlich unter der an der Bindung beteiligten Grenzfläche sowie in der Polymerschicht über der an der Bindung beteiligten Grenzfläche, sowie nachteilige Zeitverluste für das Aufheizen und Abkühlen des Bindungsbereiches können durch das π erfindungsgemäße Verfahren vermieden werden. Dies ist von besonderer Bedeutung für das Beschichten von großflächigen selbsttragenden und relativ dickwandigen Stahlgebilden.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung weist einen Generator für elektromagnetische Strahlung im Mittelwellenfrequenzbereich sowie einen zur Abgabe der Strahlung bestimmten schleifenförmigen Induktor auf, dessen Schleife zur praktisch parallelen Anpassung an die zu beschichtende Oberflä- -¹? ehe des Metallsubstrates befähigt ist.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgeinäßen Verfahrens bzw. der hierzu geeigneten Vorrichtung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die schematisierte perspektivische Ansicht 1» eines Metallsubstratteiles, der mit einer bahnförmigen Polymerschicht belegt ist und mit einem Induktor lokal erwärmt wird,

Fig. 2 die halbschematisierte Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des in Fig.! erläuterten « Verfahrens,

F i g. 3 ein Blockschema der Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im Mittelwellenfrequenzbereich aus einer normalen Wechsclstrornquelle.

Fig.4 und 5 Querschnittsdarsteilungen von biegsa- ·*<' men und zur Anpassung an Metallsubstrate mit unebener Oberfläche befähigten Induktorrohren,

F i g. 6 die halbschematisch dargestellte Vorderansicht eines Induktors gemäß den F i g. 4 oder 5 zusammen mit einem mehrteiligen Induktorträger zur ⁴^ Anpassung an Unebenheiten der Oberfläche eines Metallsubstrates,

Fig. 7 die Seitenansicht einer für den Handbetrieb geeigneten Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und "i"

F i g. 8 die schematisierte Darstellung des Verfahrens zur kontinuierlichen Beschichtung von Stahlrohr.

F i g. 1 zeigt einen abgebrochenen Teil eines Metallsubstrates 10, z. B. die aus Stahlplatten gebildete Wand eines großen Behälters, die mit einem abgebrochen dargestellten Teil einer bahnförmigen Polymerschicht J2 belegt ist, welche von den Seitenkanten 121, 122 begrenzt wird. Die Schicht 12 ist ein Verbundwerkstoff oder Laminat aus einer Schicht 14 aus einer bekannten warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse und einer Ober- oder Deckschicht 16 aus einer zweiten Polymermasse, z. B. aus Polyolefin.

Eine Quelle für elektromagnetische Strahlung im Mittelwellenfrequenzbereich in Form eines mit einem nicht dargestellten Generator verbundenen schleifen- t>5 förmigen länglichen Induktors 15 wird in Richtung des Pfeiles A über die Polymerschicht 12 bewegt Der Induktor 15 besteht aus einem Metallrohr, z.B.

Kupferrohr, und ist so geformt, daß er zwei einander benachbarte parallele längliche Teile oder Arme 151, 152 besitzt, die durch zwei 180° Biegungen 153, 154 miteinander verbunden sind. Die Induktorschleife besitzt ferner zwei Abkröpfungen 155. deren ,.iir Kopplung mit einem nicht dargestellten Oszillator dienende Enden abgebrochen sind. Ein kontinuierlicher Strom eines Kühlmittels, wie Wasser, wird durch den Induktor 15 geführt, um diesen auf einer Temperatur unter !00⁰C, vorzugsweise zwischen 10 und 50° C. zu halten.

Beide Induktorteile 151,152 liegen in einer gemeinsamen Ebene und berühren in dieser die Oberseite der Schicht 12. Vorzugsweise wird der Induktor 15 während seiner Bewegung in Richtung des Pfeiles A auch gegen die Schicht 12 gedruckt. Der Induktor 15 gibt elektromagnetische Strahlung im Mittelwellenfrequenzbereich in einer weiter unten genauer erläuterten Weise ab. Ein nicht dargestellter Induktorträger erstreckt sich über die Induktorschleife und dient dazu, den Induktor 15 nach oben abzuschirmen und den überwiegenden Teil der abgegebenen Strahlung durch die Schicht 12 (ohne diese zu erhitzen) auf die obere Oberfläche des Substrates 10 zu richten, und zwar im wesentlichen in dem von der Schleife des Induktors 15 umgrenzten Flächenbereich. Diese Strahlung induziert die Bildung von Wärme im entsprechenden Oberflächenteil des allgemein magnetischen bzw. ferromagnetischen Metallsubstrates 10. Diese iirn Oberflächenbereich des Substrates 10 unter der Wirkung der elektromagnetischen Strahlung induzierte Wärme wird durch körperlichen Kontakt auf die warnibindende oder schmelzklebende Polymermasse der Schicht 14 übertragen und aktiviert deren Bindefunktion, z. B. durch Aufschmelzen mindestens eines Teiles der Schicht 14 im Grenzflächenbereich am Substrat 10. Der Kontakt zwischen Metallsubstrat 10 und der Polymerschicht 12 bedingt einen gewissen Druck in dem Grenzflächenbereich, der dazu beiträgt, daß eine feslhaftende Bindung zwischen der Schicht 14 und dem Metalisubstrat iö erzielt wird, und zwar in Abhängigkeit von der jeweiligen warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse entweder durch (a) thermisch induzierte Reaktion nach Art einer Vernetzung oder Duroplasthärtung oder/und (b) Verfestigung von geschmolzenem Material der Schicht 14, wenn der Induktor 15 in Richtung des Pfeiles A weiterbewegt und dadurch die Erwärmung des erwähnten Substratbereiches beendet wird. Da die Temperatur in diesem Bereich durch Wärmeverteilung in den unteren Teil des Substrates 10 rasch absinkt, verfestigt sich eine aus Schmelzkleber bestehende Schicht 14 sehr rasch, wenn der Induktor vom entsprechenden Oberflächenbereich des Substrates 10 fortbewegt wird. Wie in F i g. 1 durch Schraffierung angedeutet, verbindet die Schicht 14 die Deckschicht 16 bindende mit dem Substrat 10 in all denjenigen Bereichen 141, über die der Induktor 15 bewegt worden ist.

Es versteht sich, daß ein entsprechend großes Stahlsubstrat 10 auf diese Weise kontinuierlich mit einer praktisch gleichmäßigen Polymerschicht 12 mittels einer Reihe von parallel und mit den Kanten aneinandergelegten oder überlappenden Bahnen beschichtet werden kann, so daß jeder gewünschte Teil und vorzugsweise die gesamte, der Korrosion ausgesetzte Oberfläche des Substrates 10 beschichtet wird.

Die Verwendung einer einzigen länglichen Induktorschleife, die sich quer von der einen Kante 121 zur entgegengesetzten Kante 122 der Schicht 12 erstreckt

und vorzugsweise über jede der Kanten wie in Fig. 1 dargestellt etwas hinausragt, wird bevorzugt, aber es können auch mehrere Induktoren, z. B. einer hinter dem anderen oder mehrere nebeneinander, verwendet werden. Ferner kann man die Form des vom Umfang der Induktorschleife umgrenzten Oberflächenbereiches modifizieren.

F i g. 2 zeigt eine halbschematisch dargestellte Seitenansicht einer Vorrichtung 20 zur Durchführung des im Zusammenhang mit F i g. 1 erläuterten Verfahrens. Die Vorratstrommel 21 ist über den Arm 211 mit dem Gehäuse 29 verbunden und liefert kontinuierlich eine Bahn 22 einer Verbundschicht mit einer Ober- oder Deckschicht 26 und einer warmbindenden oder schmelzklebenden Schicht 24. Die Vorrichtung 20 besitzt ferner einen Kopplungskreis 28, der über die Leitung 281 mit entsprechendem Wechselstrom aus einem nicht dargestellten Oszillatorkreis gespeist wird, sowie Leitungen 282 zur Führung eines Kühlmittelstromes durch den Induktor 25 und gegebenenfalls zur Kühlung des Kopplungskreises 28.

Die Druckwalze 27 drückt die Polymerschicht 22 (deren Dicke in F i g. 1 übertrieben dargestellt ist) auf das aus Eisen bzw. Stahl bestehende Substrat 200. Ferner ist eine Antriebswalze 23 (oder wahlweise ein nicht-drehender gleitender Träger oder ein nicht angetriebener drehbarer Träger) vorgesehen und in einer nicht dargestellten Weise mit einem Antrieb 231, z. B. einen über die Leitung 232 mit Strom versorgten elektrischen Motor, verbunden. Die für den Kopplungskreis 28 gegebenenfalls verwendeten Kondensatoren 286 sind ebenfalls im Gehäuse 29 untergebracht.

Wenn sich die Vorrichtung 20 durch entsprechend gesteuerte Betätigung des Antriebes 231 von der Antriebswalze 23 in Richtung des Pfeiles B über das stationäre meiäüsubsiiäl 200 bewegt, wird ein zusammenhängendes Stück der Bahn 22 auf das Substrat gelegt und durch Aktivierung des als Schicht 24 vorgesehenen warmbindenden oder schmelzklebenden Polymers mit dem Substrat 200 verbunden, wenn der Induktor 25 Hitze im entsprechenden Oberflächenbereich des Substrates 200 erzeugt und die Schicht 22 auf das Substrat 200 gedrückt wird, vorzugsweise sowohl durch den Induktor 25 bzw. dessen Abschirmung oder Träger 250 als auch durch die Druckwalze 27.

Die Vorrichtung 20 kann selbstverständlich auch zum Auftragen einer laminierten Polymerschicht auf eine praktisch vertikale Substratwand verwendet werden. Hierzu kann z. B. ein Gleitstangenpaar parallel zur vertikalen Substratwand und in einem Abstand entsprechend der Höhe der Vorrichtung 20 angebracht werden. Die Vorrichtung 20 kann dann mit entsprechenden Zugeinrichtungen nach oben geführt und mit Hilfe der beiden Gleitstangen gegen die vertikale Substratwand gepreßt werden. In entsprechender Weise kann auch überkopf gearbeitet werden.

Fig.3 zeigt das Blockschema der Stufen eines Generators zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung im Mittelwellenfrequenzbereich. Netzwechselstrom, z. B. mit 220 oder 380 V und 50 oder 60 Hz, wird über die Zuleitung 34 zum Transformator 30 geführt, um Hochspannungsstrom, z.B. mit 15 000— 50 000 V und der Ausgangsfrequenz von 50 bzw. 60 Hz, zu erzeugen: Ober die Verbindung 36 wird dieser Strom dem Oszillatorkreis 31 zugeführt, um den Arbeitsstrom mit der gewünschten Frequenz von über 100 kHz und unter 1 MHz zu erzeugen, der über die Verbindung 38 zum Kopplungskreis 32 geführt wird. Der Induktor 35 wird über den Kreis 32 mit der in 31 erzeugten Wechselfrequenz gekoppelt und erzeugt elektromagnetische Strahlung. Abschirmungsmittel 350, z. B. in Form eines Induktorträgers, der vorzugsweise aus paramagnetischem oder diamagnetischem Metall besteht, schirmt den Kreis 32 ab und richtet die erzeugte Strahlung vom Induktor 35 nach unten. Natürlich können zwei oder mehr der Stufen 30,31,32 in einer einzigen Vorrichtung vereinigt oder als einzelne Vorrichtungsteile mit

ίο entsprechenden Verbindungsleitungen ausgebildet sein. Es versteht sich, daß die Anpassung der Form des Induktors bzw. seiner über die Polymerschicht geführten Arbeitsfläche und der relativ zum Induktor bewegten Substratoberfläche wünschbar ist. Die praktisch lineare Struktur der Induktoren 15 und 25 in den Fig. 1 und 2 bzw. deren Arbeitsflächen entspricht der praktisch ebenen Oberfläche der Substrate 10 und 200. Die gewünschte Anpassung der Form des Induktors an die zu beschichtende Metallsubstratoberfläche für andere als praktisch ebene Substratoberflächen kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung entweder dadurch erreicht werden, daß man (a) einen nicht-flexiblen Induktor biegend verformt, z. B. indem man eine seiner Seiten- oder Verbindungsteile gekrümmt, gebogen oder abgekröpft in Übereinstimmung mit einer kontinuierlichen Auswölbung, Einkerbung, Kante oder dergleichen des Metallsubstrates ausbildet, z. B. wenn eine horizontale Metallsubstratoberfläche mit einer vertikalen oder schrägstehenden Substratfläche verbunden ist oder in diese übergeht, oder (b) indem man einen flexibel verformbaren Induktor vorsieht.

Die Alternative (b) ist anhand der Fig.4 und 5 erläutert, die den vergrößerten Querschnitt von flexibel verformbaren Induktorrohren zeigen, die anstelle des oben erwähnten nicht-flexiblen Metallrohres verwendet werden.

Das Rohr 40 besteht aus einer flexiblen nicht-metallischen und flüssigkeitsundurchlässigen Wandung 41, vorzugsweise aus einem wärmebeständigen Polymer, wie einem Fluorpolymer, z. B. Polytetrafluorätnylen, und einem flexiblen metallischen Kern 45, der aus einer Vielzahl von Metalldrähten 43, z. B. Kupferdraht, gebildet ist. In der Mitte des Kernes 45 kann ein durchgehender Kanal 44 vorgesehen werden, doch ist

« dies nicht kritisch. Die Kanäle 46 zwischen dem Kern 45 und dem Rohr 41 sind dagegen für eine wirksame Kühlung des Induktors mit einem Strom eines für die Strahlung praktisch nicht dämpfenden Kühlmediums wichtig. Die Zahl der Kanäle 46 ist nicht kritisch,

so solange ein ausreichender Kühleffekt gewährleistet ist Das kühlmittel kann auch durch den fakultativen zentralen Kanal 44 geführt werden.

Das in F i g. 5 dargestellte Rohr 50 besteht aus einem flexiblen Außenrohr, z. B. aus einer Vielzahl von seilartig gewundenen Drähten 53, z. B. Kupferdrähten. Da dasflexible außenliegende Metallrohr für Kühlmedium durchlässig ist ist ein innenliegendes dichtendes Rohr 51 aus einem flexiblen, gegen Flüssigkeit undurchlässigen Material, z. B. aus Kunststoff, vorgese hen. Das Kühlmittel wird in diesem Fall durch den Kanal 54 des Rohres 50 geführt Da die Strahlung hier nicht durch das Kühlmittel geht kann auch ein für die Strahlung dämpfend wirkendes Kühlmittel verwendet werden. Das Rohr 51 ist ausreichend dünn und/oder ausreichend wärmeleitfähig, um den gewünschten Wärmeaustausch zwischen dem flexiblen metallischen Außenmantel des Rohres 50 und dem Kühlmittel im Kanal 54 zu ermöglichen. Die in den Fig.4 und 5

dargestellte kreisförmige Ausbildung des Gesamtquerschnittes bzw. der Komponentenquerschmitte ist dabei nicht kritisch. So kann z. B. der metallische Leiter 45 auch aus einem flachen Strang aus Kupferdrähten bestehen, der in ein rundes oder ovales Kunststoffrohr eingezogen ist.

F i g. 6 erläutert ein Beispiel dafür, wie eine aus flexiblem Rohrmaterial der in den Fig.4 und 5 dargestellten Art hergestellte Induktorschleife der unregelmäßigen Oberfläche eines Metallsubstrates 60 angepaßt werden kann. Die Polymerschicht 62 — z. B. eine Verbundschicht gemäß der F i g. 1 oder eine nur aus einer warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse bestehende Schicht — wird auf die zu beschichtende Oberfläche des Metallsubstrates 60 gelegt und von der flexiblen Induktorschleife 65 gegen das Substrat 60 gepreßt. Der Induktor wird von einer Mehrzahl von Kolben/Zylinderteilen 68, die an einem Rahmen oder an einer Stange 69 befestigt sind, auf die Polymerschicht 62 gepreßt. Jede der Einrichtungen 68 besteht aus einem Zylinder 681 mit einer Bodenfläche 682 und einem Kolben 683, der in die Ausnehmung 684 bis zu einer Tiefe eindringen kann, welche vom Abstand zwischen der Stange 69 und der Lage des flexiblen Induktors 65 abhängt. Es versteht sich, daß die anpressenden Bodenflächen der Zylinder 681 modifiziert, z. B. abgerundet ausgebildet sein können, um Beschädigungen des Induktormantels zu vermeiden.

Die Kolben/Zylinder-Einrichtungen können in üblicher Weise hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch, so z. B. durch Federn oder durch Schwerkraft, gegen den Induktor gedruckt werden.

F i g. 7 erläutert eine Vorrichtung 70 zum manuellen Auftragen einer Beschichtung gemäß obigen Angaben auf ein Metallsubstrat nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Induktor 75 wird mit dem Handgriff 69 auf die (nicht dargestellte) Polymerschicht gedrückt. Die Federn 71 dienen dazu, den Betrieb des Induktors 75 in Abhängigkeit vom angewendeten manuellen Druck zu steuern. Die Walze 72, die gewünschtenfatls durch einen nicht dargestellten Motor angetrieben und über die Einstelleinrichtung 77 gesteuert wird, dient dazu, die Polymerschicht zusätzlich auf das Metallsubstrat zu drücken und/oder um die Arbeitsgeschwindigkeit (Geschwindigkeit der Bewegung der Vorrichtung 70 in Richtung des Pfeiles C) zu steuern. Gelenkverbindungen 73, 74 sind für das Beschichten von gekrümmten Oberflächen eines Metallsubstrates vorteilhaft. Die Speisungsleitung bzw. die Speisungsleitungen zur Zuführung des für den Betrieb des Induktors 75 so erforderlichen Stromes und/oder für das Kühlmittel sind in F i g. 7 nicht dargestellt.

Fig.8 zeigt die schematisierte Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Während das Metallsubstrat bei den oben erläuterten Ausführungsformen des Verfahrens stationär ist, erläutert F i g. 8 die Bewegung des Substrates, ein Stahlrohr 80, das von zwei Walzen abgestützt ist, von denen eine oder beide mit einem (nicht dargestellten) Antrieb verbunden ist bzw. sind, um das Rohr 80 in Richtung des Pfeiles D zu drehen. Der Induktor 85 ist stationär. Der als Strahlungsabschirmung dienende Induktorträger 850 ist dargestellt, während die Kopplungseinrichtungen zur Erzeugung der gewünschten Strahlung (Einrichtungen 30, 31, 32 von Fig.3) weggelassen sind. Eine Polymerschicht 82 wie in Fi g. 1 und 2 wird von einer nicht dargestellten Quelle zugeführt und mit Hilfe einer Führung 87 auf das Metallsubstrat 80 geführt. Die Bindung wird bei oder nahe dem Schichtbereich 821 bewirkt und die Walze 89 kann dazu dienen, den Kontaktdruck zu erhöhen und/oder zu erhalten. Durch spiralförmiges Aufwickeln einer kontinuierlichen Bahn der Polymerschicht 82 auf das Rohr 80, z. B. in der in der obengenannten GB-PS 8 46 879 erläuterten Weise, erfolgt die Bindung erfindungsgemäß durch kurzzeitiges lokales Erhitzen des am Induktor 85 vorbeilaufenden Oberflächenbereiches des Rohres 80. Auf diese Weise können Stahlrohre der für Rohrleitungen verwendeten Art kontinuierlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichtet werden. Eine entsprechende Modifizierung dieser Ausführungsform des Verfahrens kann auch zur Beschichtung der Innenwände der Rohre eingesetzt werden.

Bei allen oben erläuterten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens hängt die im Oberflächenbereich des Metallsubstrates erforderliche Temperatur für die Aktivierung (Schmelzen und/oder Reaktion) der anliegenden warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse von der Art der hierfür jeweils verwendeten Polymermasse ab. Da viele und ganz unterschiedliche Polymermassen dieser Art bekannt sind, können keine allgemeinen Grenzwerte für die Temperatur angegeben werden. Ein typischer Temperaturbereich für die Aktivierung von zahlreichen warmbindenden oder schmelzklebenden Zubereitungen liegt zwischen 100 und 250°C, vorzugsweise zwischen 120 und 200° C.

Allgemein kann die Temperatur im Oberflächenbereich des Metallsubstrates bzw. an der Grenzfläche zwischen dem warmbindenden oder schmelzklebenden Polymer und dem Metallsubstrat in einfacher Weise durch (a) die spezifische Energieabgabe des Induktors und (b) die Geschwindigkeit der Bewegung des Induktors relativ zum Metallsubstrat gesteuert werden. Wenn beispielsweise die längliche Induktorschleife 15, 25, 65, 85 mit einer Arbeitsbreite (Länge des Induktors 15 vom Krümmer 153 zum Krümmer 154) von etwa 1 m in der in Fig. i dargcstcihen Form verwende! wird beträgt die tatsächliche Länge des die Schleife bildenden Rohres etwa das Zweifache der Arbeitsbreite, d. h. etwas mehr als 2 m.

Allgemein sind relativ niedrige spezifische Strahlungen solcher Induktoren in der Größenordnung von etwa 25 Kilowatt pro Meter des die Schleife bildenden Rohres für viele Beschichtungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet. Wenn man beispielsweise einen Induktor mit einer Arbeitsbreite von etwa 1 m über eine Polymerschicht 12, 22, 62,82 mit einer Breite (Kante 121 bis Kante 122) von etwa 1 m senkrecht zu den Bahnkanten führt, kann die gewünschte festhaftende Verbindung mit einem Stahlsubstrat bei Arbeitsgeschwindigkeiten (Vorschub) von etwa 4 bis 5 cm pro Sekunde mit Schmelzklebermassen auf Basis von acrylmodifiziertem Polyolefin, die eine Aktivierungstemperatur von etwa 150° C besitzen, erzielt werden.

Wenn die Strahlungsenergie erhöht wird, beispielsweise auf den bevorzugten Wert im Bereich von etwa 75 Kilowatt pro Meter Arbeitsbreite der Induktorschleife, kann die Vorschubgeschwindigkeit bei gleicher Schmelzkleb'ertemperatur erhöht bzw. für andere Bindetemperaturen entsprechend modifiziert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist allgemein für das Beschichten von starren ferromagnetischen Substraten geeignet, insbesondere von Substraten aus Eisen und Eisenlegierungen einschließlich von Stahl, z. B. in Form von Blechen, Platten und Rohren. Wegen der

relativ geringen Korrosionsbeständigkeit zahlreicher Baustahlsorten, wie sie für Großraumbehälter, Schiffe, Rohre und dergleichen verwendet werden, stellt das Auftragen einer korrosionsbeständigen Beschichtung, z. B. aus Polyolefin, mit einer Dicke im Bereich von etwa 1 bis etwa 20 mm auf eine oder beide Außenseiten solcher Gebilde angesichts der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Vorteile einen bedeutsamen Beitrag zur Korrosionsbeschichtungstechnikdar.

Bevorzugte Substrate aus Eisen bzw. Stahl haben meist Dicken im Bereich von etwa 1 bis etwa 20 mm. Die obere Grenze ist nicht kritisch, während die untere Grenze durch praktische Erwägungen — insbesondere die Starrheit des Substrates — bedingt ist.

Wie oben angedeutet, ist es für alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich, daß elektromagnetische Strahlung mit Frequenzen im Bereich von mindestens und vorzugsweise über 10OkHz, insbesondere mindestens etwa 200 kHz und weniger als etwa 1 MHz, vorzugsweise nicht mehr als etwa 800 kHz, verwendet wird. Der Frequenzbereich von etwa 400 bis etwa 600 kHz, wird besonders bevorzugt.

Bei Frequenzen über 800 kHz wird die Polymerschicht zunehmend suszeptibel für direkt durch Strahlung induzierte Erwärmung. Dies kann zu unerwünschten bzw. unkontrollierten Aufschmelzungen führen, während gleichzeitig nicht genügend Wärme im Oberflächenteil des Metallsubstrates induziert wird und die Gefahr von »Kaltklebungen« mit unzureichender Haftfestigkeit wächst.

Bei Frequenzen von unter etwa 200 kHz dringt die Strahlung zu weit in das Metallsubstrat oder/und wird dessen Oberflächenbereich überhitzt, was den Bindungseffekt des warmbindenden bzw. schmelzklebenden Polymers beeinträchtigen kann. Hinzu kommen vermeidbare Energieverluste.

Eine direkte strahlungsbedingte Wärmeinduktion in der Polymerschicht tritt im angegebenen Frequenzbereich bei den normalerweise in Frage kommenden Polymerschichten nicht auf. Jedenfalls sollte die Polymerschicht praktisch keine Komponenten, z. B. metallisches bzw. ferromagnetisches Material, enthalten, in welchen Strahlung mit den angegebenen Frequenzen eine praktisch signifikante Wärme induzieren kann.

Wie allgemein bei der Beschichtung von Metallen mit warmbindenden oder schmelzklebenden Polymeren bekannt, wird die Oberfläche des zu beschichtenden Metallsubstrates vorher gereinigt, z. B. durch Sandstrahlen oder ähnliche Methoden. Die zur Bildung der Beschichtung aufgetragene Polymerschicht kann die warmbindende oder schmelzklebende Polymermasse als Außenschicht einer Verbundschicht enthalten, die mindestens eine weitere Schicht aus einer zweiten und normalerweise nicht-bindenden Polymermasse enthält Die Herstellung solcher Verbundschichten bzw. Laminate, z. B. durch gemeinsame Extrusion, ist an sich bekannt Die Verwendung von Verbundschichten wird hier allgemein aus kommerziellen Gründen bevorzugt, da die meisten wannbindenden oder schmelzklebenden Polymermassen teurer sind als die für großflächige Korrosionsschutzschichten geeigneten Polymermassen. Wenn der Kostenfaktor nicht relevant oder durch andere Gesichtspunkte ausgeglichen wird, können erfindungsgemäß auch Polymerschichten aufgebracht werden, die praktisch vollständig aus warmbindender oder schmelzklebender Polymermasse bestehen.

Im allgemeinen hat eine erfindungsgemäß aufgetragene Polymerschicht eine Dicke von etwa 0,3 bis etwa 20 mm. Mindestbeschichtungsdicken von etwa 1 mm werden meist bevorzugt. Wenn die warmbindende oder schmelzklebende Polymermasse Teil eines Schichtverbundes ist, hat sie vorzugsweise eine Mindestdicke von etwa 30 Mikrometer. Die Obergrenze der Dicke dieser Schicht ist nicht kritisch. Verbundschichten, die eine warmbindende oder schmelzklebende Schicht von 30—80 μΐη Dicke haben, sind z. B. für die obenerwähnten, durch Carboxylgruppen modifizierten Polyolefine geeignet. Es sind verschiedene Typen von warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermassen aus den Gruppen der Thermoplaste, Elastomeren und Duroplasie bekannt und technisch erhäitiich. Einzelheiten bezüglich Bindungstemperatur, Bindefestigkeit auf Metall- bzw. Stahlsubstraten und dergleichen werden von den Herstellern angegeben oder sind der Literatur zu entnehmen. Beispielsweise wird ein warmbindendes Polymer für Metall/Polyamid, ein warmbindendes Polymer für Metall/Polyvinylchlorid und ein warmbindendes Polymer für Metall/Polyäthylen vertrieben. Polyfluorkohlenstoffe können mit einer Grundmasse auf Basis von modifiziertem Nitrilkautschuk mit Metallsubstraten verbunden werden.

Für viele Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Schmelzkleberpolymermassen vom thermoplastischen Typ mit niedrigem Schmelzindex, z. B. weniger als etwa 2, bevorzugt, weil in diesem Fall an der Bindegrenzfläche ein Wulst aus geschmolzenem Material erzeugt werden kann, so daß bei Einwirkung eines leichten, linear wirkenden Druckes auf die Polymerschicht im Bindebereich (nahe oder unter dem Induktor) ein Fließwulst gebildet wird, der sich mit dem Bindungsbereich bewegt und verhindert, daß an der Bindegrenzfläche Luft eingeschlossen wird.

Als »festhaftend« wird hier im allgemeinen eine Bindung zwischen dem Metallsubstrat und der Polymerschicht bezeichnet, bei der die Abschälfestigkeit mindestens etwa gleich der Eigenfestigkeit der Beschichtung ist, die entweder als Verbundschicht oder als einzelne Schicht aus der warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse ausgebildet sein kann.

Bei Verbundschichten kann die Außen- bzw. Deckschicht (bezogen auf das beschichtete Substrat) allgemein aus den für die warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermassen genannten Plastklassen gewählt werden. Thermoplastische Polymermassen, insbesondere solche auf Basis von Polyolefinen, werden besonders bevorzugt Obwohl Verbundschichten aus Deckschichtpoiymer und der warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse meist bevorzugt werden, kann es zweckmäßig sein, die warmbindende oder schmelzklebende Polymermasse, oder ein Teil hiervon, direkt auf das Metallsubstrat aufzutragen und die gegebenenfalls zusätzlich verwendete Deckschicht mit oder ohne Beschichtung auf die vorbereitete Schicht aus dem warmbindenden oder schmelzklebenden Polymer aufzutragen.

Während bekannte Warmbindungs- oder Schmelzklebeverfahren zum Beschichten von Metallsubstraten meist eine besondere Kühlung erfordern, ist dies beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, weil die thermische Bindung mit einer sehr beschränkten Wärmemenge an der Bindungsgrenzfläche in der im wesentlichen durch den Induktor definierten, vorzugsweise schmalen Zone erzielt werden kann. Bei Verwendung zusätzlicher Druckerzeugungsmittel, wie

Walzen, in der Nähe des Ind'iktors, d.h. nahe der aktivierten Bindegrenzfläche, haben diese Mittel vorzugsweise dieselbe Länge (Arbeitsbreite bezogen auf aas Bahnmaterial) wie der Induktor. Wie erwähnt, kann die Induktorschleife selbst und/oder der zugehörige Träger bzw. die Abschirmung als Druckerzeugungsmittel dienen.

Einzelheiten in bezug auf die Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung mit Frequenzen im Mittelwellenbereich können der Literatur zum Aufbau und Betrieb von Radiosendern im Mittelwellenfrequenzbereich entnommci; werden und bedürfen daher keiner eingehenderen Erläuterung.

Allgemein besteht ein für die Erfindung geeigneter schleifenförmiger Induktor aus einem rohrförmigen Gebilde, das ein elektrisch leitfähiges Material, wie Kupfer, und einen Kanal für ein Kühlmittel umfaßt. Der beigeordnete Induktorträger dient zur mechanischen Abstützung. Wenn er aus einem diamagnetischen Metall besteht, kann er gleichzeitig als Abschirmung dienen und den überwiegenden Teil der vom Induktor abgegebenen Strahlung in Richtung auf das Metalisubstrat lenken. Längliche Induktorschleifen, deren Länge (Arbeitsbreite) ein Mehrfaches ihrer Breite (Abstai.d zwischen den geraden und vorzugsweise parallelen Teilen der Schleife) beträgt, werden bevorzugt weil sie nicht nur an ebenen, sondern auch an zylindrisch gekrümmten, konkaven oder konvexen Flächen anliegend geführt werden können. Die Induktorschleife kann auch eine andere als längliche Form der Schleifenebene, z. B. eine runde bzw. kreisförmige Fläche umgrenzen und ist dann einem entsprechend runden zylindrischen Metallsubstrat anpaßbar, das senkrecht und koaxial zu der durch die Induktorschleife definierten Fläche durch diese geführt wird. Weitere Variationsmöglichkeiten der Form der Induktorschleife sind für den Fachmann ersichtlich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beschichtung eines Metallsubstrates mit einer gleichmäßigen Kunststofflage, wobei man das Metallsubstrat mit einer Polymer- j schicht belegt, die eine warmbindende oder schmelzklebende Polymermasse enthält, und zur Aktivierung der warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse durch elektromagnetische Strahlung erwärmt, um eine festhaftende Verbindung der Polymerschicht mit dem Metallsubstrat zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Quelle (15} elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz im Mittelwellenbereich relativ zu der und über die Polymerschicht (i2) an derer, vom Metalisubstrat (10) abgewandten Oberfläche bewegt, und daß man den durch die Strahlung erhitzten Oberflächenteil des Metallsubstrates (10) durch die relative Bewegung der elektromagnetischen Strahlungsquelle (15) kontinuierlich verschiebt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlung angewendet wird, die eine Frequenz im Bereich von 200 bis 800 kHz vorzugsweise 400 bis 600 kHz, besitzt.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle für die elektromagnetische Strahlung eine längliche Induktorschleife (15), die der Form des Oberflächenteils des Metallsubstrates (10) angepaßt ist, eingesetzt wird. μ

4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine längliche Induktorschleife (15,65), die flexibel bzw. biegsam ist, eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktorschleife (15) mit einer Leistungsaufnahme von mindestens etwa 25 kW pro Meter der Länge des die Induktorschleife (15) bildenden Rohres (151, 152, 153,154) betrieben wird.

6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Polymerschicht (12), welche die warmbindende oder schmelzklebende Polymermasse (14) enthält, ein normalerweise flexibles Material, insbesondere Bahnmaterial, das eine mit der warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse (14) verbundene Schicht (16) aus einer zweiten Polymermasse enthält, verwendet wird.

7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht (16) aus Polyolefinmasse verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine warmbindende oder schmelzklebende Polymermasse verwendet wird, die ein Polymer enthält, das ein organisches Homopolymer oder Copolymer mit in der Molekülkette wiederkehrenden Carboxylgruppen ist.

9. Verfahren nach einem der Palentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungs- f>o quelle (15) an der Oberseite der Polymerschicht (12) anliegend relativ zu dieser verschoben wird.

10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallsubstrat (10) eingesetzt wird, das ein selbsttragendes ^fe5 bzw. starres Stahlgebilde mit einer zusammenhängenden Oberfläche ist und die Polymerschicht (12) bahnförmig aufgelegt wird, wobei die längliche Induktorschleife (15) quer zu den Kanten (121, 122) der bahnförmigen Polymerschicht (12) relativ zu dieser bewegt wird, vorzugsweise im Zuge des Auflegens der Polymerschicht

11. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die warmbindende oder schmelzklebende Polymermasse mindestens stellenweise als solche schichtförmig auf das Metallsubstrat (10) aufgetragen und, gegebenenfalls nach Auflegen einer weiteren Polymerschicht, mittels der Strahlungsquelle (15, 75) festhaftend an das Metallsubstrat (10) gebunden wird.

12. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine längliche flexible Induktorschleife (15, 65) c^;ngesetzt wird, die einen die Strahlung abgebenden flexiblen metallischen Leiter (45, 53) und ein flexibles nicht-metallisches, flüssigkeitsundurchlässiges Rohr (41, 51) aufweist, die mindestens einen Kanal (46, 54) für ein Kühlmedium bildet, das die Strahlung praktisch nicht dämpft. wenn das nicht-metallische flexible Rohr (41) über dom flexiblen metallischen Leiter (45) liegt.

13. Verfahren zum Erzeugen einer korrosionsbeständigen Beschichtung auf einem starren bzw. selbsttragenden Gebilde, das mindestens eine zusammenhängende Stahloberfläche aufweist, durch Beschichten der Stahloberfläche mit einer praktisch gleichmäßigen Kunststofflage, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusammenhängende Polymerschicht, die mindestens auf einer Außenseite aus warmbindender oder schmelzklebender Polymermasse besteht, mit der aus der warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse bestehenden Außenseite auf die Stahloberfläche aufgebracht und mittels der von einem im Mittelwellenfrequenzbereich von über 100 kHz und unter 1 MHz arbeitenden Sender erzeugten Strahlung festhaftend auf der Stahloberfläche befestigt wird.

14. Vorrichtung zur Beschichtung von Metallsubstraten mit Kunststofflagen durch Auflegen einer Polymerschicht, die eine warmbindende oder • schmelzklebende Polymermasse enthält, auf das Metallsubstrat und Aktivieren der warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (20) einen Generator (28) für elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von über 100 kHz und unter I MHz sowie einen zur Abgabe der Strahlung bestimmten, schleifenförmigen Induktor (25) aufweist, dessen Schleife (15) zur praktisch parallelen Anpassung an die Oberfläche des Metallsubstrates (10,200) befähigt ist.

15. Vorrichtung nach Patentanspruch 14. gekennzeichnet durch mindestens eine Einrichtung (27, 250) zum Anpressen der Polymerschicht (22) an das Metallsubstrat (200) in der Nähe des Induktors (25).

16. Vorrichtung nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (65) einen flexiblen metallischen Leiter (45, 53) aufweist, der mit einem flexiblen nicht-metallischen und flii'sig keitsundurchlässigen Rohr (41, 51) vereinigt -,« ■■■■■: Kanäle (46, 54) für einen Kühlmittelsuom />>·■ Kühlung des Leiters (45,53) besitzt.

17. Vorrichtung nach Patentanspruch Ib. da<i"v·. · gekennzeichnet, daß der flexible metallische I.·, '^ (45) aus einer Vielzahl von Drähten (43) besteh: mJ das aus flexiblem Kunststoff bestehende Rohr (41) mit dein Leiter (4S) zur Bildung von Kühlmitteln μ

Ien (46) vereinigt ist

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Metallsubstraten mit einer gleichmäßigen Kunststoff lage, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 13 und eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruches 14.

Zum Korrosionsschutz metallischer Gebilde mit Kunststoffschichten sind verschiedene Methoden bekannt Da der Verwendung von Kunststoffen zum Korrosionsschutz in Form von Anstrichmassen Grenzen gesetzt sind, wurden in den letzten zwanzig Jahren verschiedene Methoden zur lösungsmittelfreien Erzeugung von Kunststofflagen auf Metallsubstraten entwikkelt Typische Beispiele sind Plastisol-Besjhichtungsmethoden, Wirbefschichtmethoden, das elektrostatische Sprühen, das Flammsprühen, die Guß- oder Rotationsbeschichtung, die Vakuumbeschichtung und dergleichen. Dieser Stand der Technik ist beispielsweise in Europlastics Monthly (Februar/März 1974, Seiten 59—63) zusammengefaßt. Diese Methoden beruhen allgemein darauf, daß der die Schicht bildet Je Kunststoff plastifiziert bzw. aufgeschmolzen werden muß. Bei der Verfestigung entstehen dann meist mechanische Spannungen in der Beschichtung, die wahrscheinlich durch Schrumpferscheinungen bei der Verfestigung der Beschichtung bedingt sind.

Durch Verwendung von vorgeformten Polymerschichten, z. B. Filmen oder Folien, die adhäsiv mit dem Substrat verbunden werden, können die Schrumpfspannungsprobleme umgangen werden. Hierzu sind verschiedene warmbindende oder schmelzklebende Massen entwickelt und in der Literatur beschrieben worden. Dazu gehören beispielsweise die in den US-PS 24 05 950, 28 38 437, 29 53 551, 30 27 346, 32 64 272 und 32 67 083 beschriebenen Zusammensetzungen bzw. Methoden. Die Modifikation der Polymerkette eines normalerweise mit metallischen Substraten nicht bindenden Polymers, wie etwa eines Olefins, ζ. Β. Polyäthylen, durch Carbonsäuregruppen (in Form der freien Säuregruppen, als Ester oder Salze), beispielsweise durch Copolymerisieren von Alkylen, wie Äthylen, und einer λ, ^-ungesättigten Carbonsäure, ζ. Β. Acrylsäure, ist typisch für eine Technologie zur Herstellung von warmbindenden bzw. schmelzklebenden Polymermassen, die sich zur Verbindung von Metallsubstraten mit Polymerbeschichtungen eignen, wie z. B. in GB-PS 8 64 879, FR-PS 20 12 338 und US-PS 39 81762 beschrieben.

Die Arbeitsweise bekannter thermischer Klebeverfahren zur Beschichtung von Metallsubstraten kann wie folgt zusammengefaßt werden: das Metallsubstrat wird mit einer organischen Polymerschicht belegt, die mit einer warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse versehen ist, und zur Aktivierung der warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse erhitzt. Nach dem Abkühlen ist die Polymerschicht festhaftend mit dem Metallsubstrat verbunden. Zur Aktivierung durch Erwärmung werden beiden bekannten Verfahren verschiedene Erhitzungsniethoden verwendet, einschließlich von elektromagnetischer Strahlung, wie IR-Sfrahlung(3 ■ 10" bis 3,8 ■ ΙΟ¹" Hertz).

Elektromagnetische Strahlung im Hochfrequenzbereich von Megahertz (10^b) bis Gigahertz (10') ist zum Erhitzen für viele Zwecke einschließlich der Thermo-

plastschweißung und Duroplasthärtung bekannt. Allgemein beruht die Hochfrequenzbeheizung darauf, daß nicht-leitende organische Stoffe im Hochfrequenzfeld eines Kondensators erhitzt werden, z. B. indem das zu erhitzende Material zwischen die Kondensatorplatten eines Hochfrequenzkreises gebracht wird. Ferner ist die elektromagnetische Induktionsbeheiz!\ng von Metallen in der Metallurgie bekannt und übliche Metallschmelzanlagen arbeiten im Frequenzbereich von etwa 200 bis 20 000Hz.

Es wurde gefunden, daß die Verwendung von elektromagnetischer Strahlung innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches für thermische Klebverfahren zur Beschichtung von Metallen wesentliche Vorteile bietet, weil dadurch bewirkt werden kann, daß die Strahlung durch Polymerschichten praktisch ohne direkte Erwärmung hindurchgleitet und für eine lokale Oberflächenerhitzung es unter der Polymerschicht liegenden Metalisubstrates zur indirekten Aktivierung, d.h. durch Wärmeübergang aus dem lokal erhitzten Oberflächenteil des Metallsubstrates, eines anliegenden thermischen Klebers verwendet werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Beschichtung eines Metallsubstrates gemäß Anspruch 1 bzw. 13. Dieses Verfahren betrifft die Beschichtung eines Metallsubstrates, vorzugsweise aus Stahl, mit einer praktisch gleichmäßigen Kunststofflage, wobei man das Metallsubstrat mit einer Polymerschicht belegt, die eine warmbindende oder schmelzklebende Polymermasse enthält, und zur Aktivierung der warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermasse durch elektromagnetische Strahlung erwärmt, um eine festhaftende Verbindung der Polymerschicht mit dem Metallsubstrat zu erzielen. Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß man eine Quelle elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz im Mittelwellenbereich relativ zu der und über die Polymerschicht an deren vom Metallsubstrat abgewandten Oberfläche bewegt, um die Strahlung durch die Polymerschicht praktisch ohne direkte Erwärmung derselben auf das Metallsubstrat in einem Bereich zur Einwirkung zu bringen, in welchem das Metallsubstrat mit der Polymerschicht belegt ist, und um einen Oberflächenteil des Metallsubstrates in dem mit der Polymerschicht belegten Bereich kurzzeitig bzw. vorübergehend auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der die warmbindende oder schmelzklebende Polymermasse zur Verbindung mit dem Metallsubstrat befähigt ist, und daß man den durch die Strahlung erhitzten Oberflächenteil des Metallsubstrates durch die relative Bewegung der elektromagnetischen Strahlungsquelle kontinuierlich verschiebt.

Erfindungsgemäß wird somit das bekannte Verfahren zur Beschichtung von Metallsubstraten mit warmbindenden oder schmelzklebenden Polymermassen dadurch modifiziert, daß für das Erwärmen bzw. die Aktivierung der Polymermasse elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Frequenzbereich verwendet wird. Dadurch wird die direkte Erzeugung von Wätme in der Polymerschicht vermieden, weil die Maximalfrequenz der Strahlung erheblich unter derjenigen liegt, welche von der Polymerschicht absorbiert werden kann. Gleichzeitig wird eine übermäßige, d. h. gesamthafte bzw. tiefgehende Erhitzung des allgemein ferromagnetischen Metallsubstrates durch Verwendung einer Mindestfrequenz vermieden, die über der zum Metallschmelzen verwendeten Frequenz, d. h. allgemein über 100 kHz, ließt. Der Frequenzbereich von 100 kHz