DE4213422A1 - METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCING A METAL COVER BY ARC SPRAYING - Google Patents
METHOD AND SYSTEM FOR PRODUCING A METAL COVER BY ARC SPRAYINGInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Erzeugen eines metallischen Niederschlages auf einem Substrat durch Zerstäuben von Metall in einem elektri schen Lichtbogen und Aufsprühen der Metallteilchen unter Verwendung eines Trägergasstromes, der im wesentlichen aus einer Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff besteht.The invention relates to a method and an installation to generate a metallic deposit on a Substrate by sputtering metal in an electri arcing and spraying the metal particles under Use of a carrier gas stream, essentially from a mixture of nitrogen and oxygen consists.
Bei der 1920 erfundenen Lichtbogenzerstäubung wird ein Trägergas verwendet, das die in dem Lichtbogen feinst zerteilten Metallteilchen auf den Träger oder das Sub strat bzw. dessen Oberfläche befördert. Als Trägergas wird gegenwärtig Druckluft verwendet. Die Ausbeute, also das Verhältnis des tatsächlich auf dem Substrat niedergeschlagenen Metallgewichtes zu dem insgesamt verbrauchten Metallgewicht, schwankt bei Zink zwischen 50 und 57%. Zink ist das bei diesem Verfahren am häufigsten verwendete Metall für die Erzeugung von Korrosionsschutzschichten, insbesondere auf Rohren.The arc sputtering invented in 1920 turns on Carrier gas used, which is the finest in the arc divided metal particles on the carrier or the sub strat or its surface promoted. As a carrier gas compressed air is currently used. The yield, so the ratio of actually on the substrate deposited metal weight to the total used metal weight, varies between zinc 50 and 57%. Zinc is the most common in this process most commonly used metal for the production of Corrosion protection layers, especially on pipes.
Diesseits wurde festgestellt, daß das Trägergas zufolge seiner thermodynamischen Eigenschaften einen erheblichen Einfluß auf die Ausbeute hat. U.a. wird die Ver dampfungstemperatur des Metalls für Teilchen kleinen Durchmessers sehr rasch erreicht, wenn das Trägergas eine hohe thermische Leitfähigkeit hat. Da die Bildung von Oxyden auf den Metallteilchen auf ihrem Weg zwischen dem Lichtbogen und dem zu überziehenden Substrat eine exotherme Reaktion ist, kann es zu einer sehr starken Verdampfung des aufzustäubenden metallischen Materials kommen. Deswegen wurde vorgeschlagen, als Trägergase reine Inertgase wie Stickstoff oder Argon zu verwenden. Diese führen in der Tat zu einer Verbesserung der Aus beute, sind jedoch wegen ihrer hohen Kosten zum Auf stäuben von großen Metallmengen, also von beispiels weise mehr als 15 kg/h und bis zu 150 kg/h, ungeeignet. Außerdem können bei der Aufstäubung von Zink mittels Stickstoff toxische Dämpfe entstehen.On this side it was found that according to the carrier gas its thermodynamic properties Has an impact on the yield. Among other things the ver vaporization temperature of the metal for small particles Diameter reached very quickly when the carrier gas has a high thermal conductivity. Because education of oxides on the metal particles on their way between the arc and the substrate to be coated exothermic reaction, it can become a very strong one Evaporation of the metallic material to be dusted come. That is why it has been proposed as carrier gases to use pure inert gases such as nitrogen or argon. Indeed, these lead to an improvement in out loot, but are due to their high cost dusting large quantities of metal, for example wise more than 15 kg / h and up to 150 kg / h, unsuitable. In addition, when sputtering zinc by means of Nitrogen toxic vapors are generated.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der einleitend angegebenen Gattung und eine Anlage zu dessen Durchführung zu schaffen, die sich ebenso einfach wie im Fall der Verwendung von Druckluft verwirklichen lassen, geringe Betriebskosten haben und zu einer deut lichen Verbesserung der Ergiebigkeit der Metallzerstäu bung führen.The invention has for its object a method the genre specified in the introduction and an annex its implementation to create that is just as easy as in the case of using compressed air leave, have low operating costs and become a significant union improvement in the productivity of metal atomization exercise.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Trägergas zwischen 1 und 10% Sauerstoff, und vorzugsweise 2 bis 8% Sauerstoff, enthält und im übrigen aus Stickstoff besteht.This object is achieved in that the carrier gas between 1 and 10% oxygen, and preferably contains 2 to 8% oxygen, and im remaining consists of nitrogen.
Bevorzugt wird hierbei das Trägergas von einer Einheit zur Trennung von Luft nach dem Adsorptions- oder dem Permeationsprinzip geliefert, wobei die Trägergasmenge typisch über 35 m3/h liegt und größer als 100 m3/h sein kann.In this case, the carrier gas is preferably supplied by a unit for separating air according to the adsorption or permeation principle, the carrier gas amount typically being above 35 m 3 / h and being greater than 100 m 3 / h.
Die mit der Erfindung vorgeschlagene Anlage zur Erzeu gung eines Metallniederschlages auf einem Substrat durch Lichtbogenzerstäubung von Metallteilchen umfaßt eine Lichtbogenzerstäuberpistole, die Mittel zum Zuführen von zwei Metalldrähten und eine Primärleitung zum Zuführen des Trägergases aufweist. Die Anlage zeichnet sich da durch aus, daß sie eine Adsorptions- oder Permeations lufttrenneinheit umfaßt, deren Ausgang mit der Primär leitung für das Trägergas verbunden ist.The plant proposed with the invention for generating metal deposit on a substrate Arc sputtering of metal particles includes one Arc atomizing gun, the means for feeding two metal wires and a primary lead for feeding of the carrier gas. The plant stands out there by out that they are an adsorption or permeation air separation unit includes, the output with the primary line for the carrier gas is connected.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die stark schematisiert und beispiel haft eine Anlage zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens zeigt.The invention is described below with reference to the drawing explained in more detail, the highly schematic and example a facility to implement the proposed Procedure shows.
Die Anlage umfaßt eine Pistole 1 zur elektrischen Licht bogenzerstäubung von Metallteilchen 2 und zur Erzeugung eines Metallniederschlages 3 auf einem Substrat 4. Die Pistole 1 hat in ihrem Inneren ein Führungsprofil 5, Antriebsmittel 6 für zwei Metalldrähte 7, 7′, die von Spulen 8 und 8′ abgewickelt werden, sowie nicht näher dargestellte Anschlüsse für eine Spannungs- bzw. Strom quelle, deren einer Pol mit dem Draht 7 und deren anderer Pol mit dem Draht 7′ verbunden ist. Die durch die Antriebsmittel 6 und 6′ zugeführten Drähte 7, 7′ konvergieren infolge der Führung 5 in einem Halsbereich 9 der Pistole 1, wo sich zwischen Ihnen ein elektrischer Lichtbogen ausbildet.The system comprises a gun 1 for electrical arc sputtering of metal particles 2 and for producing a metal deposit 3 on a substrate 4th The gun 1 has in its interior a guide profile 5 , drive means 6 for two metal wires 7 , 7 ', which are handled by coils 8 and 8 ', and connections, not shown, for a voltage or current source, one pole of which Wire 7 and its other pole is connected to the wire 7 '. The wires 7 , 7 'supplied by the drive means 6 and 6 ' converge as a result of the guide 5 in a neck region 9 of the gun 1 , where an electric arc is formed between them.
Die Pistole 1 umfaßt eine Primärgasleitung 10, die stromauf von dem Halsbereich 9 einen zentralen Primär gasstrom erzeugt, der die durch den Bogen atomisierten Metallteilchen mitnimmt und auf das Substrat 5 auf stäubt. Die Pistole umfaßt außerdem Sekundärgasleitungen 11, 11′, die seitlich und tangential stromab von dem Halsbereich 9 münden und um den Lichtbogen herum eine Wirbelzone schaffen.The gun 1 comprises a primary gas line 10 , which generates a central primary gas stream upstream of the neck region 9 , which entrains the metal particles atomized by the arc and dusts onto the substrate 5 . The gun also includes secondary gas lines 11 , 11 ', which open laterally and tangentially downstream from the neck region 9 and create a swirl zone around the arc.
Nach dem vorliegenden Vorschlag sind die Primärgaslei tung 10 sowie die Sekundärgasleitungen 11 mit dem Aus laßanschluß einer Adsorptions- oder Permeationsluft trenneinheit 13 verbunden, die durch einen Kompressor 14 mit atmosphärischer Luft versorgt wird.According to the present proposal, the primary gas line 10 and the secondary gas lines 11 are connected to the outlet connection from an adsorption or permeation air separation unit 13 , which is supplied by a compressor 14 with atmospheric air.
Im dargestellten Beispiel ist die Trenneinheit 13 eine Membranpermeationseinheit, die an dem Auslaß anschluß 12 Stickstoff liefert, der 1 bis 10%, typisch 2 bis 8% und vorzugsweise 3 bis 5% Sauerstoff enthält.In the example shown, the separation unit 13 is a membrane permeation unit which supplies the outlet 12 with nitrogen which contains 1 to 10%, typically 2 to 8% and preferably 3 to 5% oxygen.
Das bei 15 abgezogene Permeat besteht aus mit Sauerstoff angereicherter Luft.The permeate drawn off at 15 consists of with oxygen enriched air.
Bei einer solchen Anlage, die ein aus Stickstoff mit einem kleinen Anteil Sauerstoff bestehendes Gasgemisch liefert, dessen Produktionskosten außerordentlich nied rig sind, beobachtet man eine Verbesserung der Ausbeute der Zerstäubung bzw. Aufstäubung in der Gegend von 5%, verglichen mit einem Betrieb mit Druckluft. Diese Verbesserung der Ausbeute ist insbesondere auf die Absenkung der Spitze der thermischen Leitfähigkeit dieses Gasgemisches bei der Dissoziationstemperatur von Sauerstoff zurückzuführen.In such a system, which is made of nitrogen a small amount of oxygen existing gas mixture delivers, whose production costs are extremely low rig, an improvement in the yield is observed of atomization in the area of 5% compared to operating with compressed air. These Improvement in yield is particularly due to the Lowering the peak of thermal conductivity this gas mixture at the dissociation temperature of Attributed to oxygen.
Beispielsweise zur Bildung von Antikorrosionsüberzügen durch Zinkzerstäubung können bei einem Gasgemisch aus 97% Stickstoff und 3% Sauerstoff sowie einem Zerstäu bungsmassenfluß von 20 kg/h folgende Werte gewählt werden:For example, to form anti-corrosion coatings Zinc atomization can result in a gas mixture 97% nitrogen and 3% oxygen and an atomizer Exercise mass flow of 20 kg / h selected the following values will:
-
- Primärleitung:
Druck: 4,5 × 10⁵ PA;
Durchfluß: 28 m³/h;- primary line:
Pressure: 4.5 × 10⁵ PA;
Flow: 28 m³ / h; -
- Sekundärleitung:
Druck: 2 × 10⁵ Pa;
Durchfluß: 13 m³/h;- secondary line:
Pressure: 2 × 10⁵ Pa;
Flow: 13 m³ / h; - - Stromstärke: 200 A;- current: 200 A;
- - Spannung: 18 V.- Voltage: 18 V.
Unter diesen Betriebsbedingungen ist die Ausbeute der Zinkaufstäubung etwa 6% besser als bei Verwendung von Druckluft. The yield is under these operating conditions the zinc sputtering is about 6% better than when used of compressed air.
Der vorliegende Vorschlag kann auch für alle anderen Anwendungsfälle einer elektrischen Lichtbogenzerstäu bung eingesetzt werden. Solche Anwendungsfälle sind u. a. die Oberflächenbeschichtung von Maschinenteilen mit rostfreiem Stahl, sowie das Aufstäuben von Kupfer, Aluminium oder Zink- und Aluminiumlegierungen auf Isolierstoffe oder Kunststoffbehälter zur Schaffung elektrisch leitender Bereiche oder zur elektrischen Abschirmung. Mit dem Verfahren nach der Erfindung können je nach Auslegung der Trenneinheit 13 Durch flüsse von mehr als 100 m3/h bei einem Druck zwischen 7 und 10×105Pa erzielt werden, die auch für erheb liche, beispielsweise mehr als 150 kg/h liegende Verbräuche an aufzustäubendem Metall genügen.The present proposal can also be used for all other applications of an electric arc atomization. Such applications include the surface coating of machine parts with stainless steel and the dusting of copper, aluminum or zinc and aluminum alloys on insulating materials or plastic containers to create electrically conductive areas or for electrical shielding. With the method according to the invention, depending on the design of the separation unit 13, flows of more than 100 m 3 / h can be achieved at a pressure between 7 and 10 × 10 5 Pa, which can also be used for considerable loads, for example more than 150 kg / h horizontal consumption of metal to be dusted is sufficient.
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