DE69112827T2 - Verfahren zum aufsprühen einer beschichtung aus metall. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Sprüh-Abscheidung von Metallen.
• Die Sprüh-Abscheldung von Metallen wird aufgrund der erwachsenden technischen Vorteile in zunehmenden Maße zur Herstellung eines breiten Sortiments von Metall-Halbfertigprodukten verwendet. Diese Vorteile umfassen eine nahezu bei Null liegende Segregation, eine durch schnelles Aushärten verursachte sehr feine Struktur, gute mechanische Eigenschaften und einen kurzen Weg zum Produkt. Die Gattungsbezeichnung für die ganze Gruppe solcher Verfahren lautet Sprüh- (oder Spritz-)Forngebung (spray forming). Die Erfindung betrifft Insbesondere die Bewegung des Sprühmlttels (des Sprays) durch Ablenken eines atomlsierten Strahls (stream) geschmolzener Metallpartikel und das Lenken dieser Partikel auf ein statlonäres oder sich bewegendes Substrat.
• Mit dem erfindungsgemäßen Apparat wird ein Apparat zur Sprüh-Verteilung von Metallen zur Verfügung gestellt, umfassend ein Mittel zur Emission eines Strahls atomisierter geschmolzener Metallpartikel, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Emission eines Strahls atomlslerter geschmolzener Metallpartlkel eingerichtet ist, um den besagten Strahl in eine vorbestimmte Richtung zu emlttieren, und dadurch, daß ein Gasstrahl-Düsenmittel vorgesehen ist, das zur Rotation um den besagten Strahl angebracht ist, um den besagten Strahl seitlich abzulenken, wobei das Düsenmittel zur Strahlströmungsrichtung geneigt und auf den Strahl gerichtet ist, und durch Mittel zur Zufuhr von Ablenk-Gas unter Druck zum besagten Düsenmittel.
• Vorzugsweise ist das besagte Düsenmittel zur Rotation um die Achse des besagten Partikelstrahls angebracht.
• Der Druck des besagten atomlslerenden Gases ist vorzugsweise justierbar, um das Ausmaß der Ablenkung des Metallpartikelstrahls zu variieren.
• Der Apparat kann ferner ein zweites Gasstrahl-Düsenmittel umfassen, das zur Rotation um den besagten Strahl von Metallpartikeln angebracht ist, wobei die Rotationsachsen des besagten ersten Düsenmittels und des besagten zweiten Düsenmittels gegenüber der Achse des Metallpartlkelstrahls versetzt sind.
• Das Düsenmittel kann eine Vielzahl von Düsen umfassen, wobei das Mittel zur Zufuhr von Ablenk-Gas unter Druck zum Düsenmitteln so beschaffen ist, daß der Druck eines solchen Gases, das einer oder mehreren der Düsen zugeführt wird, zykllsch variiert werden kann.
• Das besagte Mittel zur Zufuhr von Ablenk-Gas unter Druck zum besagten Düsenmittel kann eine Vielzahl von Düsen umfassen, von denen zumindest eine In einem anderen Winkel als die andere oder die anderen Düsen geneigt ist. In einer solchen Anordnung kann der Druck des Gases, das einer der Düsen durch das besagte Mittel zur Zufuhr von Gas unter Druck zum Düsenmittel zugeführt wird, verschieden von dem sein, mit dem eine andere der Düsen versorgt wird.
• Der Strahl (stream) kann ein kompakt vertikal fallender Strahl atomisierter Metallpartikel sein, die aus einer Schmelze stammen. Es wird jedoch verständlich sein, daß andere Strahlen atomisierter geschmolzener Metallpartikel bei der Anwendung der Erfindung genauso gut verwendet werden können, wie z.B. Strahlen atomisierter geschmolzener Partikel, die nicht vertikal fallen, und Strahlen geringen Durchmessers aus atomisierten geschmolzenen Metallpartikeln, die von einem draht- oder pulvergespeisten Lichtbogen, einer thermischen Spritzpistole oder einer pulvergespeisten Plasmaquelle kommen
• Der atomisierte Strahl geschmolzener Metallpartikel kann kleinere Partikel enthalten, die teilweise flüssig und teilweise fest sind. Er kann auch einige kleinere Partikel enthalten, die bereits, wegen der sehr schnellen Abkühlung solch kleiner Partikel im atomislerenden Gasstrahl, fest sind. Das Betreiben der Erfindung wird durch diese Variation in der thermischen Geschichte der Partikel nicht beeinflußt.
• Das Ablenk-Düsenmittel kann eine Düse oder eine Gruppe von Düsen umfassen und besitzt üblicherweise eine Öffnung, die zum Zwecke einer bequemen Herstellung kreisförmig ist, die aber auch im Querschnitt rechteckig sein oder die Form eines Schlitzes annehmen kann. Die Düsen einer Ablenk-Düsengruppe können parallel zueinander sein, können auf den Strahl atomlsierter Metallpartikel gerichtet sein oder eine dazwischenliegende Richtung aufweisen und sequentiell betrieben werden.
• Die primäre Atomisierung, die einen vertikalen Strahl (stream) atomisierter geschmolzener Metallpartikel zur Verfügung stellt, kann durch jede beliebige der vielen konventionellen gas-atomisierenden Düsen erreicht werden; der Strahl atomisierter Partikel sollte aber vorzugsweise symmetrisch um eine Achse herum liegen und relativ kompakt sein, damit er effektiv durch die Gasstrahlen (gas jets) abgelenkt werden kann.
• Das Substrat oder der Kollektor, auf den der Strahl gerichtet ist, kann stationär sein, rotleren, sich ganz allgemein bewegen oder sich auf lineare Weise bewegen. Kontinuierliche lineare Bewegungen des Substrats in eine Richtung, die Im rechten Winkel zur Achse des primär atomislerten Metallstrahls liegt, führen zur Herstellung eines Bandes. Ein Kollektor, der sich langsam, mit kontrolllerter Geschwindigkeit In Richtung der Achse des primären Metallstrahls vom Atomisator fortbewegt, kann dazu verwendet werden, eine kreisförmige Platinenform (billet form) herzustellen, falls es eine manuell, visuell oder automatisch betriebene Rückkopplung zu den Ablenkstrahlen ermöglicht, ein relativ flaches Oberseitenprofil beizubehalten. Ein kreisförmiger Kollektor, der sich langsam, mit kontrollierter Geschwindigkeit In Richtung der Achse des primären Metallstrahls vom Atomisator fortbewegt und von einer stationären oder sich hin und herbewegenden kreisförmigen formwandung umgeben Ist, kann zur kontinuierlichen Herstellung einer Platine verwendet werden, falls eine Steuerungsart eingesetzt wird, die ähnlich zu der oben beschriebenen ist.
• Obwohl die Bewegung des Sprühmittels für die Herstellung vieler geformter Produkte wünschenswert ist, ist die kontinuierliche Sprüh- Formgebung eines flachen Metallbandes das Produkt, das die meisten Probleme verursacht und am häufigsten gebraucht wird. Die spezielle Schwierigkeit im Fall der kontinuierlichen Sprüh-Formgebung von Bändern ist, daß das Dickenprofil über die Breite sehr genaue Toleranzen einhalten muß, damit es nachfolgend heiß- oder kaltgewalzt werden kann. Eine weitere Beschränkung ist es, daß das "Overspray", d.h. derjenige Anteil des Sprühmittels, der nicht einen Teil des Produktes bildet, welcher innerhalb des genauen Toleranzfeldes liegt, minimal gehalten wird, um ein wirtschaftliches und kosteneffektives Verfahren sicherzustellen.
• Man hat sich schon viele Verfahren ausgedacht, um das Problem zu bewältigen; das dabei am häufigsten benutzte Ist das mechanische oder pneumatische Scannen in Richtung der Breite des Bandes. Mechanische Scan- Einrichtungen leiden an durch die Trägheit des Systems verursachten Schwierigkeiten, wenn Schwingeinrichtungen benutzt werden, die zu einer verlängerten Verweilzeit an den Kanten des Bandes und konsequenterweise, wenn sie schnell betrieben werden, in diesen Bereichen zu einer Verdickung führen. Pneumatische Systeme weisen keine derartigen Beschränkungen auf, aber es ist schwierig, das Overspray auf einem wirtschaftlichen Niveau zu halten. Die vorliegende Erfindung bewältlgt diese beiden Probleme und weist den zusätzlichen Vorteil auf, die Abscheidung entlang der Walzbahn auszubreiten, wenn die Flußraten hoch sind.
• Im Fall der kontinuierlichen Herstellung flacher Bänder wird die Erfindung zur Modifizierung des Dickenprofils des Sprays aus einem Gasatomisator elngesetzt, um so eine im wesentlichen gleichmäßige Abscheidung quer über ein flaches Substrat hinweg herzustellen, das sich mit gleichförmiger Geschwindigkeit unter dem Spray vorwärtsbewegt.
• Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben:
• Fig. 1 zeigt in Form eines Diagramms einen erfindungsgemäßen Apparat.
• Die Fig. 2 und 3 illustrieren in Form eines Diagramms das Dickenprofil eines nicht-abgelenkten Strahls atomisierter Teilpartikel bzw. das erzeugende Dickenprofil des Strahls, wenn das Dickenprofil aus Fig. 1 seitlich abgelenkt wird.
• Fig. 4 illustriert in Form eines Diagramms das Ergebnis bei Ablenkung eines Partikelstrahls durch eine um die Strahlachse rotierende Gasdüse und Abscheidung der Partikel auf einem stationären Substrat.
• Die Fig. 5 - 7 zeigen in Form eines Diagramms die Wirkungen von Modifikationen der in Fig. 4 dargestellten Verteilung, und
• Fig. 8 illustriert in Form eines Diagramms ein experimentelles Profil, das mit einem erfindungsgemäßen Apparat erreicht wurde.
• Gemäß Fig. 1 der Zeichnungen wird ein Strahl (stream) 10 geschmolzenen Metalls durch einen primären Atomisator 11 geleitet und als ein atomisierter Strahl 12 auf einen Kollektor oder ein Substrat 13 gelenkt. Ein Ablenk-Gasstrahl wird von einer Gruppe paralleler Düsen 14 verströmt, die in einem Winkel von sagen wir 30 zur Horizontalen und In Richtung auf die Achse des Strahles 12 abwärts geneigt ist und - zur Rotation In einer kreisförmigen Spur 15, die auf die Achse des Strahles 12 zentriert ist - auf einem rotierenden Element (nicht dargestellt) angebracht ist.
• Wenn nicht abgelenkt wird, produziert der Atomisator 11 einen Partikelstrahl, der symmetrisch um eine Mittelachse herum liegt und ein Dickenprofil besitzt, wie es Fig. 2 in Form eines Diagramms veranschaulicht.
• Fig. 3 zeigt ein experimentell abgeleitetes Dickenprofil einer Abscheidung, die typischerweise auf einem stationären Substrat 12 gebildet wird, wenn der Ablenk-Strahl stationär gehalten wird und das nicht-abgelenkte Profil so wie in Fig. 2 ist. Man beachte, daß die Abscheidung so abgelenkt ist, daß sie 200 mm von der Mittellinie der Vorrichtung eine Spitze bildet. Das Profil, das mit einem nicht-rotierenden Ablenkstrahl erzeugt wird, wird Im folgenden "erzeugendes Profil" genannt.
• Die Wirkung der Druck- und Richtungs-Steuerung der Ablenk-Strahlen während der Rotation des Rotorelements wird am besten durch eine Computersimulatlon dargestellt, die den experimentell abgeleiteten Werten eng folgt. Fig 4 zeigt eine computergenerierte perspektivische Ansicht der Abscheidung, die auf einem stationären Substrat mit dem obigen erzeugenden Profil gebildet werden könnte, wobei jedoch der Ablenk-Strahl effektiv rotiert. Die vertikale Ordinate repräsentiert die Dicke der Abscheidung und wurde übertrieben, um die Topographie der Abscheidung zu veranschaulichen. In der Praxis würde die Dicke für gewöhnlich im Band- oder Platten-Dickenbereich von 2 - 10 mm liegen, während der Durchmesser der Abscheidung durchaus einen Meter betragen kann.
• Die vertikale Ordinate repräsentiert für einen geeigneten Maßstab auch die Sprüh-Dichte oder Flußrate (Strömungsrate) pro Einheitsfläche, die auf einem Substrat aufprallt, das sich mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 17 in Fig. 4 auf den Beobachter zubewegt. Die Anhäufung einer Abscheidung auf einem Breitenelement beim Durchlaufen des Sprühmlttels ist demnach proportional zum Volumen der vertikalen Scheibe, die dasselbe Breitenelement enthält. Die Begrenzungslinien 16 zwischen den Scheiben sind in Fig. 4 dargestellt.
• Fig. 5 ist ein computergenerierter Plot des Volumens schmaler vertikaler Scheiben gleicher Dicke durch die Abscheidung aus Fig. 4 über die Breite des Substrats, und sie repräsentiert auch, für einen geeigneten Maßstab, das Dickenprofil einer Abscheidung, die auf einem das Sprühmittel mit konstanter Geschwindigkeit durchquerenden Substrat gebildet würde. Der Computerplot sagt eine mittige Mulde vorher und dies wird durch praktische experimentelle Beobachtungen zur Abscheidung von Metallen unter diesen Bedingungen bestätigt. Die Mulde ist bei der Herstellung von Bändern und Blechen nicht akzeptabel, und sie kann ausgefüllt werden, indem zyklisch, nach einer vorbestimmten Anzahl von Rotorelement-Umdrehungen, unter verschiedenen Drücken stehendes Gas an die Ablenk-Düsen angelegt wird. Dementsprechend ist Fig. 6 das Profil, das man für das erzeugende Profil aus Fig. 3 auf einem bewegten Substrat erwarten würde, wenn der Ablenk-Strahldruck während jedes vierten Umlaufes abgesenkt wird. Die zugehörige perspektivische Ansicht einer Abscheidung auf einem stationären Substrat ist in Fig. 7 dargestellt.
• In einem alternativen Verfahren zum Ausfüllen der Mulde sind zwei oder mehr Ablenk-Düsen auf dem Rotorelement vorgesehen und in verschiedenen Winkeln zur Horizontalen geneigt. Zum Beispiel würde ein zweiter, die Mitte ausfüllender Strahl in einem größeren Winkel abwärts geneigt sein als der Haupt-Ablenkstrahl.
• Eine weitere Möglichkeit zur Mulden-Ausfüllung ist es, zwei rotierende Ablenk-Strahlen entlang desselben Längsabschnittes einzusetzen, wobei der eine kontinuierlich mit dem erzeugenden Profil aus Fig. 3 und der andere kontinuierlich mit einer niedrigeren Flußrate und möglicherweise auch mit einem geringeren Druck betrieben wird.
• Fig. 8 veranschaulicht ein experimentelles Profil, das mit einem erfindungsgemäßen Apparat erreicht wurde.
• Es kann mehr als ein Rotations-Atomisator eingesetzt werden, um die Breite einer Band-Abscheidung abzudecken; im Falle zweier Atomisatoren, die mit überlappenden Profilen betrieben werden, wird das Overspray auf weniger als die Hälfte reduziert. Die zwei Vorrichtungen werden auf zueinander im Abstand liegenden Zentren angebracht, die dazu geeignet sind, zwischen sich eine konstante Dicke im überlappungsbereich beizubehalten.
• Die oben beschriebenen Apparate sind insofern vorteilhaft, als während des Betriebs Justlerungen des Profils durchgeführt werden können, insbesondere In dem Fall, bei dem die Geschwindigkeit des Rotors zyklisch variiert wird, indem der Druck während der Niedrigdruck-Periode und der Zeitanteil, in dem der niedrige Druck angelegt wird, variiert werden. Solche Justierungen können innerhalb einer Rückkopplungs-(Feedback-)Schleife in einem System durchgeführt werden, das kontinuierlich das End-Dickenprofil überwacht, wobei z.B. ein kontaktloses Meßinstrument verwendet wird. Der Vorschriften-Satz zur Minimierung des Profilfehlers könnte leicht in einen Mikroprozessor einprogrammiertwerden, der innerhalb der Schleife operiert. Auch ist die Konstruktion einfacher als bei anderen Scannertypen, insbesondere einfacher als bei den mechanischen Schwingtypen, die große Beschleunlgungs- und Bremskräfte mit sich bringen. Darüberhinaus ist eine Hochgeschwindigkeitsrotation möglich, die viel höhere Scan-Geschwindigkeiten erlaubt, als mit mechanischen Schwingtypen erreicht werden kann.

Claims (7)

1.) Apparat zur Sprüh-Vertellung von Metallen, umfassend ein Mittel zur Emission eines Strahls atomisierter geschmolzener Metallpartikel, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Emission eines Strahls atomisierter geschmolzener Metallpartikel eingerichtet ist, um den besagten Strahl In eine vorbestimmte Richtung zu emittieren, und dadurch, daß ein Gasstrahl-Düsenmittel vorgesehen ist, das zur Rotation um den besagten Strahl angebracht ist, um den besagten Strahl seitlich abzulenken, wobei das Düsenmittel zur Strahlströmungsrichtung geneigt und auf den Strahl gerichtet ist, und durch Mittel zur Zufuhr von Ablenk-Gas unter Druck zum besagten Düsenmittel.

2.) Apparat wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem das Emissionsmittel dazu geeignet ist, den Strahl in einer symmetrischen Form um eine Achse herum zu emittieren, und das besagte Düsenmittel zur Rotation um die Achse des Partikelstrahls angebracht ist.

3.) Apparat wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, in dem das besagte Düsenmittel eine Vielzahl von Düsen umfaßt und das besagte Mittel zur Zufuhr von Ablenk-Gas unter Druck zum besagten Düsenmittel so beschaffen ist, daß der Druck eines solchen Gases, das einer oder mehreren der Düsen zugeführt wird, zyklisch variiert werden kann.

4.) Apparat wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, in dem das besagte Mittel zur Zufuhr von Ablenk-Gas unter Druck zum besagten Düsenmittel eine Vielzahl von Düsen umfaßt, von denen zumindest eine in einem anderen Winkel als die andere oder die anderen Düsen geneigt ist.

5.) Apparat wie in Anspruch 4 beansprucht, in dem der Druck des Gases, das einer der Düsen durch das besagte Mittel zur Zufuhr von Gas unter Druck zum Düsenmittel zugeführt wird, verschieden von dem ist, mit dem eine andere der Düsen versorgt wird.

6.) Apparat wie in Anspruch 1 beansprucht, der darüberhinaus ein zweites Gasstrahl-Düsenmittel umfaßt, das zur Rotation um den besagten Strahl von Metallpartikeln angebracht ist, wobei die Rotationsachsen des besagten ersten Düsenmittels und des besagten zweiten Düsenmittels gegenüber der Achse des Metallpartikelstrahls versetzt sind.

7.) Apparat wie in einem der Ansprüche 1 bis 6 beansprucht, darüberhinaus umfassend ein Mittel zur Herbeiführung einer linearen Bewegung eines Halters für ein Werkstück, das besprüht wird, ein Mittel zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Messung der Sprüh-überzugdicke über die Breite des Werkstücks und ein Mittel zur Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit des Düsenmittels und/oder des Drucks des dem Düsenmittel zugeführten Gases in Abhängigkeit von Messungen, die durch das Mittel zur Dickenmessung gemacht werden.