DE811899C - Vorrichtung zum Verspruehen von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Versprühen von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen Zur Erzeugung eines metallischen Sprühstrahles sind die verschiedensten Methoden bekanntgeworden, und zwar sowohl was den Zustand des Ausgangswerkstoffes als auch was die Erzeugung des Sprühstrahles selbst anlangt. Es kann ausgegangen werden vom pulverförmigen, festen oder flüssigen Zustand des Materials, und die Sprühstrahlerzeugung kann, wenn nicht die Schmelze selbst zerstäubt wird, durch elektrisches Erhitzen oder durch Erhitzen mit Gas herbeigeführt werden.
• Als die einfachste und zweckentsprechendste Methode hat sich das Zersprühen mittels sogenannter Spritzpistolen in die Praxis eingeführt. Das Zersprühen wird hierbei entweder elektrisch oder im Knallgasgebläse herbeigeführt und den metallischen Teilchen die Beschleunigung durch ein Treibgas vermittelt, das an der Zerstäubungsstelle einwirkt. Derartige Spritzpistolen sind praktisch ausschließlich dazu verwendet worden, filmartige Überzüge äuf metallischen oder nichtmetallischen Unterlagen zu erzeugen. Diese Filme stellen ein Haufwerk von Metallteilchen dar, die mechanisch miteinander verhakt sind, nicht aber im eigentlichen Sinne eine zusammenhängende metallische Masse bilden. Sie haben infolgedessen nur verhältnismäßig geringe Dichte und mechanische Festigkeit. Die Herstellung von Formkörpern auf diese Weise durch ein aufbauendes Aufsprühen oder Aufspritzen ist zwar vorgeschlagen, aber praktisch kaum ausgeführt worden, weil aus den oben angeführten Gründen ein Formkörper entsteht, der nicht genügend Festigkeit aufweist. Die erwähnten Erscheinungen sind nicht zuletzt auch darauf zurückzuführen, daß die metallischen Teilchen mit einem Oxydhautüberzug versehen sind, der eine feste, legierungsartige Bindung der einzelnen Teile verhindert.
• Nach einem nicht vorbekannten Vorschlag .sollen diese Schwierigkeiten beseitigt werden, indem der Sprühstrahl von der Erzeugung bis zum Auftreffen auf die Unterlage von einem Schutzgas umhüllt ist. Es befindet sich mithin die Zerstäubungsstelle und das zu behandelnde Werkstück bzw. die Unterlage in einem geschlossenen Gehäuse. Das Schutzgas selbst wird umgeführt und stets erneut wieder der Zerstäubungsstelle zugeführt. Die Beschleunigung der zersprühten Metallteilchen erfolgt im wesentlichen mechanisch durch Walzen oder Scheiben, die mit hoher Geschwindigkeit umlaufen. Der zugeführte Schutzgasstrom kann sich an dieser Beschleunigungswirkung beteiligen.
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung dieser Art zum Zersprühen der Werkstoffe, die der Sprühstelle fest, pulverförmig oder flüssig zugeführt werden. Die Metallteilchen sollen durch ein Treibgas beschleunigt werden, wobei aber grundsätzlich neue Wege gegangen werden, die beispielsweise bei den an sich bekannten Spritzpistolen nicht verwendet worden sind, obwohl auch diese praktisch ausschließlich ein Treibgas zur Beschleunigung der Metallteilchen ausnutzen.
• Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Expansionsdüsenanordnung vorzusehen, in der das Gas auf hohe Geschwindigkeit gebracht wird, und zwar vorzugsweise auf etwa Schallgeschwindigkeit. Als Expansionsdüse wird hierbei eine Form verwandt, die etwa der bekannten Lavaldüse entspricht. In dieser Düse wird das Treibgas, vorzugsweise ein neutrales oder reduzierendes Gas, wie beispielsweise Wasserstoff, beschleunigt und reißt die zersprühten Metallteilchen mit, wobei diese ebenfalls beschleunigt werden.
• Grundsätzlich bestehen drei Möglichkeiten, den feinverteilten Zustand des aufzusprühenden Werkstoffes herbeizuführen. Dies kann geschehen in der Flamme eines Knallgasgebläses oder im elektrischen Lichtbogen, wenn der Werkstoff in festem oder pulverförmigem Zustand zugeführt wird. Es ist aber auch möglich, den zu zersprühenden Werkstoff in flüssiger Form in die Apparatur einzubringen, worauf alsdann das Zersprühen ausschließlich durch den auf den Strahl schmelzflüssigen Materials einwirkenden Gasstrom herbeigeführt wird.
• Wenn mit einem Knallgasgebläse gearbeitet wird, so wird die Expansionsdüse unmittelbar an den Raum angeschlossen, in dem das mit konzentrierter Flamme arbeitende Knallgasgebläse angeordnet ist. Dieser Raum wird mit Zuführungen für den zu versprühenden Werkstoff versehen. Bei dieser Anordnung werden die Verbrennungsgase selbst durch die Düse zum Zwecke der Treibgaswirkung beschleunigt. Selbstverständlich kann in diesem Falle auch zusätzlich noch ein neutrales oder reduzierendes Treibgas zugeführt werden, das dann, mit den Verbrennungsgasen gemischt, von der Düse beschleunigt wird.
• Wenn mit ,Aufschmelzen im elektrischen Lichtbogen gearbeitet wird, kann der Lichtbogen zwischen zwei mit entsprechender Geschwindigkeit zugeführten Drähten gezogen werden, die unmittelbar vor der Expansionsdüse einander genähert werden. In diesem Falle muß unter allen Umständen ein Treibgas zugeführt werden, und zwar wird auch hier ein neutrales oder reduzierendes Gas, vorzugsweise Wasserstoff, benutzt. Der Lichtbogen kann aber auch zwischen einem zentral zugeführten Draht und den Düsenkörper gezogen werden. Ferner ist es möglich, den Lichtbogen zwischen einzelnen Teilen der Apparatur selbst zu ziehen, wobei der zu zersprühende Werkstoff in fester Form oder pulverförmig zugeführt wird.
• Wenn mit flüssigem Einsatz gearbeitet werden soll, wird ein Schmelzbehälter vorgesehen, der einen zentralen Auslaß zur Expansionsdüse hin besitzt. Der Schmelzbehälter bzw. die darin enthaltene Schmelze muß unter Druck gesetzt werden, damit sie infolge des aus der Versprühungskammer wirkenden Rückdruckes nicht herausgeschleudert wird.
• Mit Vorrichtungen zum Zersprühen von Werkstoffen, vorzugsweise metallischer Art gemäß der Erfindung, werden besondere Vorteile erzielt, die vornehmlich darin bestehen, daß einerseits der Sprühstrahl mit außerordentlich großer Geschwindigkeit auf die Werkstückoberfläche, die mit dem Überzug versehen werden soll, auftrifft, und andererseits, daß der Sprühstrahl bis zum Auftreffen auf die Werkstückoberfläche von dem Treibgas umhüllt bleibt, das gleichzeitig eine Schutzwirkung ausübt. Durch geeignete Wahl des Abstandes der Auftreffstelle von der Zerteilungsstelle kann erreicht werden, daß ein zusammenhängender Film auf der Werkstückoberfläche erzeugt wird, der nicht aus nur mehr oder minder mechanisch miteinander verhakten Einzelteilchen besteht, sondern, metallographisch gesehen, ein einheitliches Gebilde darstellt. Es ist daher sogar möglich, ohne weiteres ein formgebendes und aufbauendes Sprühen durchzuführen in dem Sinne, daß Formkörper erzeugt werden, die entweder festhaftend auf der Unterlage aufgebaut sind, beispielsweise in der Form von Nocken, Flanschen o. dgl., oder aber von der Unterlage als selbständige Körper abgehoben werden können.
• Im nachfolgenden werden an Hand schematischer Zeichnungen einige Ausführungsformen der Düsenanordnung gemäß der Erfindung beispielsweise beschrieben und im Zusammenhang hiermit weitere Kennzeichen der Erfindung aufgezeigt. Es stellt dar Fig. t einen senkrechten Schnitt durch eine Düsenanordnung für Versprühung im Knallgasgebläse, Fig.2 einen senkrechten Schnitt durch eine Düsenanordnung für Versprühung im elektrischen Lichtbogen, Fig. 3 und .1 jeweils abgewandelte Anordnunger nach Fig. 2, Fig. 5 einen Schnitt durch den Düsenkörper im Bereiche der segmentartig angeordneten Elektroden, Fig. 6 eine Düsenanordnung im senkrechten Schnitt für flüssigen Einsatz und Fig. 7 eine schematische Darstellung der Gasumführung.
• Die Düsenanordnung ist in den Fig. i bis 4 und 6 jeweils grundsätzlich die gleiche. Der Düsenkörper i besteht aus einem engen Teil 2, in dem die eigentliche Beschleunigung des Gases stattfindet. An diesen engen Teil schließt sich die eigentliche Expansionsdüse 3 an, in der das Gas expandiert, nachdem es dem zersprühten Werkstoff die Beschleunigung erteilt hat. In dem engen Teil 2 entsteht infolge der Anordnung eine Gasgeschwindigkeit, die durch geeignete Formgebung bis auf Schallgeschwindigkeit gebracht werden kann. Diese Geschwindigkeit teilt sich den mitgerissenen versprühten Teilchen mit, die im geschlossenen Strahl senkrecht durch die sich erweiternde Expansionsdüse 3 hindurchgeführt werden, während sich das Gas derart expandiert, daß es am unteren Ende 4 der Düse praktisch drucklos austritt und, wenn es sich um Wasserstoff handelt, drucklos abbrennen kann, oder es kann das Gas, wie weiter unten noch beschrieben werden wird, aufgefangen und in den Prozeß zurückgeleitet werden.
• Oberhalb der Beschleunigungsdüse 2 befindet sich die Zerstäubungskammer 5, die ebenfalls bei allen gezeigten Ausführungsformen grundsätzlich gleiche Ausbildung aufweist.
• Bei der Ausführungsform nach Fig. i ist diese Kammer 5 praktisch eine Verbrennungskammer, der durch die Leitung 6 Knallgas zugeführt wird. Konzentrisch in die unter Druck brennende Knallgasflamme wird durch die kanalförmige Öffnung 7 der zu versprühende Werkstoff zugeführt, und zwar entweder in Form eines metallischen Drahtes oder in Form von Metallpulver. Der Draht selbst kann hierbei reines Metall sein oder eine Legierung es ist ferner möglich, dem Draht auch nichtmetallische Stoffe, beispielsweise Flußmittel o. dgl., einzuverleiben. Das Pulver kann selbst aus einer Legierung bestehen, es kann aber auch ein Metallpulvergemenge zugeführt werden, wobei die Bestandteile des Pulvers erst beim Versprühen bzw. beim Auftreffen auf die Unterlage zur Legierungsbildung kommen.
• Bei dieser Anordnung ist es nicht erförderlich, ein besonderes Treibgas zu verwenden, vielmehr werden in diesem Falle die Verbrennungsgase des Knallgasgebläses als Treibgas ausgenutzt. Es ist lediglich eine Frage der geeigneten Wahl der Düsenabmessung, diesen Verbrennungsgasen eine Beschleunigung bis auf etwa Schallgeschwindigkeit zu vermitteln. Wird mit pulverförmigem Einsatz gearbeitet, so ist es zweckmäßig, das Pulver, von einem Gasstrom getragen, zuzuführen, wobei als Trägergas zweckmäßig Wasserstoff zu verwenden ist. Das Trägergas beteiligt sich ebenfalls an der Expansion und trägt damit zur Beschleunigung der in der Flamme aufgeschmolzenen und mitgerissenen Teilchen bei. , In Fig.2 wird die Zerstäubung des aufzusprühenden Werkstoffes in einem elektrischen Lichtbogen vorgenommen. Der Lichtbogen bildet sich aus zwischen zwei Drähten 8 und 8', die durch Isolationskörper 9 und c)' kontinuierlich der Versprühungskammer 5 so zugeführt werden, daß ständig ein Lichtbogen gehalten wird. Zentral wird durch die Leitung io das Treibgas der Kammer 5 zugeführt, das im verengten Teil 2 der Düse seine Beschleunigung erfährt und so die im Lichtbogen i i geschmolzenen Teilchen mitreißt und ihrerseits beschleunigt.
• In der Fig. 2 ist ferner schematisch angedeutet, wie das mit der Aufsprühung zu versehende Werkstück angeordnet werden kann, wobei diese Anordnung grundsätzlich auch bei den Ausführungsformen nach den anderen Abbildungen angewendet werden kann. Am Ende der Düse ist eine Haube 12 vorgesehen, die an einer Seite bei 13 auf der Oberfläche des zu besprühenden Gegenstandes 14 aufliegt. Am anderen Ende 15 ist die Haube aufgebogen, so daß hier das Gas, das in der Düse 3 bis zur Drucklosigkeit entspannt ist, austreten oder abbrennen kann. Das Werkstück kann ruhen oder sich beispielsweise in Richtung des Pfeiles 16 kontinuierlich unter der Vorrichtung hindurchbewegen. Um sicherzustellen, daß das Werkstück stets den richtigen Abstand von der Düse wahrt, können Abstandstücke 17 vorgesehen sein.
• Während bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sich der elektrische Lichtbogen zwischen zwei Drähten aus dem zu versprühenden Werkstoff ausbildet, ist in Fig. 3 eine Ausführungsform gezeigt, bei der sich der Lichtbogen i i zwischen dem Düsenkörper i und dem zugeführten Draht 18 ausbildet, der in der Apparatur durch ein Isolationsstück i9 hindurch kontinuierlich zugeführt wird. Das Treibgas wird der Kammer 5 in diesem Falle durch einen seitlichen Anschluß 2o zugeführt. Die Wirkungsweise ist sonst grundsätzlich die gleiche wie bei der Ausführungsform der Fig. 2.
• Die Ausführungsform nach Fig. 4 eignet sich besonders für pulverförmige Zufuhr des zu versprühenden Werkstoffes. Im Düsenkörper i sind ringförmige Elektrodeneinsätze 21 und 22 vorgesehen, zwischen denen sich im Bereiche der Verengung 2 der Düse der Lichtbogen 12 ausbildet. In diesem Falle ist es besonders zweckmäßig, den Düsenkörper selbst aus keramischem Werkstoff herzustellen, während die Elektrodeneinsätze aus einem elektrisch gut leitenden metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Kupfer, Wolfram, Molybdän, oder auch aus Graphit hergestellt sind. Es können aber natürlich auch diese Elektrodeneinsätze in einem metallischen Düsenkörper vorgesehen werden, sofern sie gegen den Düsenkörper isoliert sind. Die Kammer 5 muß, wenn sie aus Metall hergestellt ist, isoliert werden, es ist aber auch möglich, sie aus keramischem Werkstoff herzustellen. Die Pulverzufuhr erfolgt durch die zentrale Leitung 23, wobei das Treibgas, beispielsweise Wasserstoff, in diesem Stadium noch als Träger für das Pulver wirkend, durch die gleiche Leitung eingeführt wird.
• Es besteht ferner die Möglichkeit, die Elektroden nicht in Form zweier Ringe vorzusehen, sondern, wie dies in Fig. 5 andeutet ist, in Form von Segmenten, die konzentrisch um den Hohlraum der Düse angeordnet werden. Diese Ausbildungsform gibt die Möglichkeit, jedes Segment an eine Phase eines Drehstromerzeugers anzuschließen, so daß ein Lichtbogen i i entsteht, der in der Frequenz des Stromerzeugers im Düsenhohlraum kreist.
• Die hohen Temperaturen, die infolge des Ziehens des Lichtbogens entweder zwischen Werkstoff und Düsenkörper (Fig. 3) oder ausschließlich zwischen Teilen des Düsenkörpers selbst (Fig. 4) entstehen, lassen es zweckmäßig erscheinen, den Düsenkörper oder die Elektrodeneinsätze bzw. beide mit Wasser zu kühlen und dafür entsprechende Hohlräume vorzusehen. Auch in den Fällen, in denen der Lichtbogen nicht zwischen Teilen der Düse oder vom Werkstoff zur Düse überspringt bzw. beim Zersprühen in der Gebläseflamme kann es zweckmäßig sein, zu kühlen. Bei den dargestellten Ausführungsformen sind die Kühlräume nicht angedeutet.
• Wenn mit flüssigem Einsatz des zu zersprühenden Werkstoffes gearbeitet werden soll, wird über der Kammer ein Behälter 24 für die Schmelze 25 angeordnet (Fig. 6). Der Behälter ist mit einem zentralen Auslaß 26 zur Zerstäubungskammer 5 versehen, der das Treibgas durch die seitlich angeordnete Leitung 2o zugeführt wird. Durch geeignete Maßnahmen wird dafür gesorgt, daß die Schmelze durch den Auslaß 26 in gleichmäßigem Strom der Kammer 5 zugeführt wird, wo er vom Gasstrom erfaßt und unter Beschleunigung der Teilchen zersprüht wird. Die Schmelze 25 wird zweckmäßig unter Druck gesetzt, um zu verhindern, daß durch einen von der Kammer 5 ausgeübten Rückdruck die Schmelze aus der Vorrichtung herausgeschleudert wird. Das Abfließen der Schmelze durch den Auslaß 26 kann auch durch eine Injektorwirkung unterstützt werden.
• Während in Fig. 2 eine Gashaube gezeichnet ist, die das Austreten und drucklose Abbrennen des Gases gestattet, ist in Fig. 7 eine Anordnung schematisch angedeutet, die eine Wiederverwendung des Schutzgases gestattet und die ebenfalls in Verbindung mit den verschiedenen Düsenanordnungen verwendet werden kann. Die Ausführungsform nach Fig. 7 zeigt eine in Richtung des Pfeiles umlaufende Welle 27, die mit einem aufgespritzten Überzug versehen werden soll. Die Welle ist von einer Gassammelhaube umschlossen, die unmittelbar an der Düse i befestigt ist. An der der Aufsprühstelle entgegengesetzten Seite ist die Sammelhaube 28 mit einem Absaugstutzen 29 versehen, an dem sich eine zu einem Gasverdichter 3i? führende Leitung 3o anschließt. Das vom Verdichter 31 angesaugte Schutzgas wird über Leitung 32 der Düse bzw. der Versprühungskammer 5 zugeführt. Sinngemäß können für andere Werkstückformen anders gestaltete Hauben vorgesehen werden.
• Es ist selbstverständlich, daß die Ausführungsformen lediglich grundsätzlich die Anordnungsmöglichkeiten darstellen und daß der Erfindungsgedanke, dem Treibgas und damit den versprühten Teilchen mit Hilfe einer Expansionsdüse eine außerordentlich hohe Geschwindigkeit zu verleihen, auch in anderer Form verwirklicht werden kann, ohne diesen Grundgedanken zu verlassen. Obwohl die Maßnahmen gemäß der Erfindung in hervorragendem Maße für das Versprühen von metallischen Werkstoffen zum Zweck der Erzeugung zusammenhängender Überzugsschichten oder von Aufbauformkörpern geeignet sind, können sie auch dazu verwendet werden, nichtmetallische Werkstoffe in gleicher Weise feinverteilt auf Trägerwerkstoffen aufzubringen, sofern sich diese Werkstoffe in geeigneter Form in einer Flamme oder einem Lichtbogen in feine Teilchen auflösen lassen. Es ist ferner in der Beschreibung von Schutzgas die Rede, und als besonders zweckmäßig wurde Wasserstoff erwähnt; es ist aber'auch selbstverständlich möglich, andere Gase zu verwenden, wie beispielsweise Stickstoff, Argon oder ein sonstiges Gas, das sich praktisch neutral dem Werkstoff gegenüber verhält.
• Zur Unterstützung der Haftfähigkeit der erzeugten Überzüge auf dem Trägerwerkstoff kann es zweckmäßig sein, den gesamten Trägerkörper zu erwärmen oder auch nur den Teil des Werkstücks auf erhöhte Temperatur zu bringen, der besprüht wird.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Vorrichtung zum Versprühen von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen, die der Sprühstelle fest, pulverförmig oder flüssig zugeführt und bei welcher die Metallteilchen durch ein Gas mitgerissen und beschleunigt werden, gekennzeichnet durch eine Expansionsdüse für das Treibgas und/oder Verbrennungsgas zur Erzielung hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise Schallgeschwindigkeit der Gase.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch ein mit Zuführungen für den zu versprühenden Werkstoff versehenes Knallgasgeblä'se mit konzentrierter Flamme und eine sich an das Knallgasgebläse anschließende Expansionsdüse, in der die Verbrennungsgase zum Zweck einer Treibgaswirkung beschleunigt werden.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine Drahtzuführung vor der Expansionsdüse, wobei zwischen zwei mit entsprechender Geschwindigkeit zugeführten Drähten ein Lichtbogen gezogen und als Treibgas oder reduzierendes Gas, vorzugsweise Wasserstoff, benutzt wird. Vorrichtung nach den Ansprüchen i und 3, gekennzeichnet durch eine zentrale Drahtzuführung, derart, daß der Lichtbogen zwischen Düsenkörper und Draht gezogen wird. 5. Vorrichtung nach den Ansprüchen i, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß für pulverförmige oder feste Werkstoffzuführung und Versprühung in elektrischen Lichtbogen in oder an der Düse zwei oder mehrere ring- oder segmentförmige Elektroden vorgesehen sind. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch drei segmentförmige, mit je einer Phase einer Drehstromquelle verbundene Elektrodeneinsätze. 7. Vorrichtung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch einen gegebenenfalls unter Druck stehenden Schmelzbehälter mit zentralem Auslaß zur Expansionsdüse. B. Vorrichtung nach den Ansprüchen i bis 7, gekennzeichnet durch eine Wasserkühlung für den metallischen Düsenkörper und gegebenenfalls für die Elektroden. g. Vorrichtung nach den Ansprüchen i bis 7, gekennzeichnet durch eine Düse aus keramischem Werkstoff, gegebenenfalls mit Elektrodeneinsätzen aus Metall oder Graphit. io. Vorrichtung nach den Ansprüchen i bis 9, gekennzeichnet durch eine bis kurz über die Oberfläche des zu besprühenden Körpers reichende Düse. ii. Vorrichtung nach den Ansprüchen i bis io, gekennzeichnet durch eine am Düsenkörper befestigte, das Werkstück überdeckende oder umschließende Gasauffanghaube und Leitungen mit Verdichter zur Erzeugung eines Schutzgasumlaufes.