EP0239584B1

EP0239584B1 - Verfahren und lichtbogenspritzdüse zum beschichten von werkstückoberflächen durch schmelzen von drähten in einem elektrischen lichtbogen

Info

Publication number: EP0239584B1
Application number: EP86905225A
Authority: EP
Inventors: Karl-Hermann Busse
Original assignee: Matthaus Heinz Dieter
Current assignee: Matthaus Heinz Dieter
Priority date: 1985-09-24
Filing date: 1986-09-17
Publication date: 1990-01-17
Anticipated expiration: 2006-09-17
Also published as: DE3533966C1; DE3668331D1; WO1987001737A3; EP0239584A1; WO1987001737A2

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Lichtbogenspritzdüse zum Beschichten von Werkstückoberflächen durch Schmelzen von Drähten mit einem elektrischen Lichtbogen unter Förderung der geschmolzenen Partikel mittels eines Zerstäubergases, welches über eine Düse auf den Lichtbogenbereich gerichtet ist, und unter Einsatz eines Hüllgases, welches über wenigstens eine Ringblende zum seitlichen Umströmen des mit den geschmolzenen Partikeln geladenen Zerstäubergaskegels im Bildungsbereich des Lichtbogens zugeführt wird, sowie unter Zuführung eines weiteren Gasstromes, welcher stromabwärts hinter dem Lichtbogen den aus Zerstäubergas und Hüllgas gebildeten Gaskegel umhüllt.
Das Lichtbogenspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der draht- oder röhrchenförmige Spritzzusatz in einem elektrischen Lichtbogen geschmolzen und durch ein Zerstäubergas, wie etwa Druckluft, auf die Werkstückoberfläche geschleudert wird. Der elektrische Lichtbogen wird zwischen den beiden Drahtenden durch Anlegen einer Spannung und Kontaktzündung erzeugt. Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist die geringe Beeinflussungsmöglichkeit von Parametern, so beispielsweise der Spritztropfengröße, der unterschiedlichen kinetischen Energie der Spritzteilchen, der Einfluß des Sauerstoffes auf die Spritzteilchen oder der hohe Abbrand der Legierungselemente.
Liegt ein Vorteil des Lichtbogenspritzverfahrens in der Überlegenheit gegenüber anderen thermischen Spritzverfahren, insbesondere aufgrund der hohen Wirtschaftlichkeit durch hohe Auftragsraten, geringer Spritzverluste und vergleichsweise niedriger Anlagenkosten, so ist allen derartigen thermischen Auftragsverfahren gemeinsam, daß sich Probleme mit der Schichtqualität ergeben können, insbesondere dann, wenn besonders reine Schichten oder Schichten mit definierten mechanisch- technologischen Eigenschaften hergestellt werden sollen.
Selbst der Einsatz von Schutzgasen führt nicht immer zum gewünschten Erfolg, dies insbesondere aufgrund der starken Einwirbelung von schädlichen Bestandteilen der umgebenden Atmosphäre in den Spritzstrahl. Es kommt unter anderem zu einem weitgehend unkontrollierten Abbrand von Legierungselementen des drahtförmigen Spritzwerkstoffes, z. B. Chrom, Silicium, Mangan und Kohlenstoff und eine hieraus resultierende Verarmung dieser Legierungelemente in den gesprühten Schichten.
Ein gattungsgemäßes Beschichtungsverfahren ist aus der US-PS-3 901 441 bekannt, bei welchem unterschiedliche Gase als Zerstäubergas und Hüllgas eingesetzt werden, wobei das letztere über eine Ringdüse zugeführt wird, die den Bildungsbereich des Lichtbogens beaufschlagt. Zusätzlich wird stromabwärts hinter dem Lichtbogen ein weiterer Strom des Hüllgases zugeführt, welches den Zerstäubergaskegel umlenken soll.
In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß eine derartige Hüllgaszuführung nicht immer zu den gewünschen Ergebnissen führen kann, da je nach Arbeitsbedingungen durch Verwirbelung des Hüllgases auf dem Wege vom Spritzkopf bis zu Werkstückoberfläche umgebende Atmosphäre eingesogen wird und damit die Gefahr besteht, die aufzuspritzenden, geschmolzenen Partikel auf dem Weg von dem Lichtbogen bis zur Werkstückoberfläche noch zu erreichen. Damit sind, wie vorstehend bereits ausgeführt, eine Fülle von Partikeln nicht mehr verspritzbar. Um aber insbesondere auch gegen Fremdluft sehr sensible Partikel verspritzen zu können und um die Atmosphäre, die der Spritzstrahl während des Spritzens umgibt, gezielt beinflussen zu können, reichen die in der US-PS-3 901 441 offenbarten Verfahrensschritte nicht aus.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Lösung, mit der die den Spritzprozeß umgebende Atmosphäre gezielt beeinflußbar ist, insbesondere mit der auf die im Spritzstrahl sich befindenden kleinsten Schmelzen Einfluß genommen werden kann, wobei auch eine hohe symmetrische Einschnürung des Spritzstrahles ermöglicht werden soll.
Bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Zerstäubergas, Hüllgas und für den weiteren Gasstrom unterschiedliche Gase eingesetzt werden und das weitere Gas bzw. Gasgemisch umgebungsluftfrei zugeführt wird.
Mit der Erfindung wird die völlig neue Möglichkeit geschaffen, nach dem Bildungsbereich des Lichtbogens und erst nach der Bildung des Spritzkegels mit einer zusätzlichen umgebenden Schutzgashülle weiteren Einfluß zu nehmen, um beispielsweise diesem so gebildeten Spritzkegel zusätzlich eine noch weitere Atmosphäre zur Verfügung zu stellen, die deutlich unterschiedlich von der gegebenen Atmosphäre ist. Dies bedeutet zum Beispiel, daß hier nicht nur sehr unterschiedliche Gasarten ausgewählt werden können, sondern auch die Gaszuführungsgeschwindigkeiten, die Gastemperaturen, die Feuchtigkeitsgehalte der Gase und dgl. mehr, je nach Art und Zusammensetzung des zu verspritzenden Materials unterschiedlich sein können.
Die mit der Erfindung geschaffene Einflußmöglichkeit ist insbesondere deswegen von Vorteil, da immer mehr z. B. auch nichtmetallische, gegenüber der Umgebungsluft sensible Partikel zerstäubt und als Oberflächenmaterial benutzt werden und derartige Partikel problemlos nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitbar sind. Solche Partikel werden z. B. über gefüllte röhrchenförmige Metalleiter dem Lichtbogen und dann der zu beschichtenden Oberfläche zugeführt.
Des weiteren wird durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert, daß die Hüllschicht aufbricht. Dadurch wird der Zutritt von beispielsweise Luft, Sauerstoff oder Stickstoff und deren Reaktion mit den Schmelzpartikeln vermieden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahrensweise besteht darin, daß sie nicht nur bei den hier im Vordergrund stehenden Lichtbogenspritzen als Beschichtungsverfahren eingesetzt werden kann, sondern auch bei anderen thermischen Spritzverfahren oder sonstigen Auftragsverfahren. In gleicher Weise lassen sich aber auch beispielsweise mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise Granulate aus Stoffen mit vorbestimmbaren Eigenschaften herstellen.
An dieser Stelle sei bemerkt, daß die in dieser Anmeldung benutzten Ausdrücke "stromaufwärts" bzw. "stromabwärts" sich auf die Strömungsrichtung bzw. die Ausbreitungsrichtung des Spritzstrahles beziehen. Hier sei auch bemerkt, daß mit dem in der Anmeldung benutzten Wort "Hüllgas" nicht nur solche im technisch engen Sinne gemeinten Gase angesprochen sind, die nur die Funktion eines Hüllgases ausüben. Hier können ebenso Mischgase eingesetzt werden, die beispielsweise durch Verwirbelung mit in die Flugbahn des Spritzstrahles eingesogen werden und dort als Reaktionsgas bzw. aktives Schutzgas wirken, d.h. sich an der Reaktion der erschmolzenen Partikel mit beteiligen.
Durch die am Markt befindlichen Spritzpistolen der Firma der OSU-Maschinenbau GmbH in Castrop-Rauxel ist es bekannt, über eine Verbindung den Gasraum, der die Drahtzuführungsdüsen umgibt, mit einer Ringblende zu verbinden, so daß das dort befindliche Gas durch diese Ringblende etwa im Bereich der Lichtbogenbildung dort unmittelbar austreten kann. Diese Ringblende ist auch zu entnehmen aus "Dissertation Ertürk, VDI Verlag, Fortschritt-Berichte, Reihe 5, Nr. 92, 1985, Seite 108".
Der wesentliche Unterschied der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß diese Ringblende mit einer getrennten Gaszufuhrmöglichkeit ausgerüstet ist, so daß hier ein qualitativ und/oder quantitativ anderes Gas bzw. Gasgemisch eingeblasen werden kann.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es durch die Zuführung wenigstens eines weiteren Gases bzw. Gasgemisches stromabwärts hinter dem Lichtbogen nunmehr möglich, die Atmoshphäre um den Spritzstrahl herum gezielt und wesentlich zu beeinflussen.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Zuführung des Gases oder Gasgemisches über zur Spritzstrahlmittelachse hin gerichtete Ringdüsenspalte mehrstufig erfolgt.
Erfindungsgemäß kann die Zuführung des Hüllgases kurz vor dem Lichtbogen und/oder die des weiteren Gases hinter dem Lichtbogen in ihrer Lage veränderbar vorgenommen werden. Damit besteht die Möglichkeit der Beeinflussung, insbesondere der Bündelung des Spritzstrahles, wobei die Erfindung auch vorsieht, daß die Zuführung des Hüllgases über das Radialdüsensystem veränderbar ist.
Neben der Verfahrensweise, unterschiedliche Gase oder Gasgemische an unterschiedlichen Stellen dem System zuzuführen, sieht die Erfindung auch eine Lichtbogenspritzsdüse vor, die zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens geeignet ist. Dabei ist die Lichtbogenspritzdüse mit einer Zerstäubergaszuführung im Bereich der Drahtzuführung und einer gasbeaufschlagten Ringblende etwa in der Ebene der Lichtbogenbildung und mit einer stromabwärtigen Kapselung des Kopfbereiches der Drahtzuführung ausgerüstet, wobei die Kappselung mit einer Gaszuführung versehen ist. Eine solche Lichtbogenspritzdüse ist beispielsweise aus der DE-PS 851 708 bekannt.
Zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe zeichnet sich die Lichtbogenspritzdüse nach der Erfindung dadurch aus, daß die Ringblende und die Kapselung zur Speisung mit unterschiedlichen Gasen bzw. Gasgemischen jeweils mit einer von der Zerstäubergaszuführung getrennten Gaszuführung versehen sind, wobei die Ringblende stromaufwärts kurz vor dem Bereich der Lichtbogenbildung an der Spritzdüse angeordnet ist.
Eine solche Lichtbogenspritzdüse ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders nützlich, so daß ein Teil der damit verbundenen Vorteile bereits weiter oben angesprochen worden ist. Durch die Anordnung der Ringblende sowie das Vorsehen getrennter Gaszuführungen für Zerstäubergas, Ringblende und Kapselung kann der Spritzstrahl und die den Spritzstrahl umgebende Atmosphäre gezielt beeinflußt werden, so daß die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden. Zudem ist die erfindungsgemäße Lichtbogenspritzdüse besonders leicht von Hand handhabbar und äußerst zweckmäßig.
Ein weiterer Vorteil besteht beispielsweise darin, daß durch die eigene, getrennte Gaszuführung der Kapselung nicht nur ein weiteres ggf. anderes Gas bzw. Gasgemisch in diesen Bereich dem System zuführbar ist, sondern daß das Gas bzw. Gasgemisch auch in vorbestimmbaren Mengen bei vorbestimmbaren Drücken zugeführt werden kann, womit sich neben der Beeinflussung der Atmosphäre auch eine weitere Beeinflussung der Stabilität des Lichtbogens und/oder der Geometrie des Spritzstrahles ermöglichen läßt.
In spezieller Ausgestaltung sieht dabei die Erfindung auch vor, daß die Kapselung mit wenigstens einem zur Spritzstrahlmittelachse hin gerichteten Ring düsenspatt mit wenigstens einer eigenen Gaszuführung derart um den Bildungsbereich des Lichtbogens angeordnet ist, daß der als Gasaustritt dienerde Ringdüsenspaft am oder hinter dem Lichtbogenbereich vorgesehen ist. Durch diese Gestaltung läßt sich mit einfachen Mitteln sowohl zusätzlich die Geometrie des Spritzstrahles verändern, als auch gezielt Gase oder Gasgemische in die unmittelbare Umgebung dieses Spritzstrahles einbringen.
Die Erfindung sieht auch vor, daß die Kapselung mit einer Mehrzahl hintereinander stromabwärts angeordneter Ringdüsenspalte für wenigstens ein Gas ausgerüstet ist.
Je nach gewünschter Zerstäubergeometrie und Beeinflussung der umgebenden Atmosphäre des Spritzstrahles sieht die Erfindung vor, daß die Ringdüsenspalte der Kapselung senkrecht und/oder im spitzen Winkel und/oder im stumpfen Winkel zur Spritzstrahlmittelachse ausgerichtet angeordnet sind.
Mit dieser unterschiedlichen Gestaltung, ggf. in einem einzigen Ringdüsenspalt, läßt sich beispielsweise verhindern, daß die Umgebungsatmosphäre der Spritzpistole in den Ringdüsenspaft als Grenzströmung eintritt, was bei bekannten Lösungen vorkommen kann, wodurch dann die Schmelzpartikel durch die umgebende Atmosphäre nachteilig beeinflußt werden können. Hier kann die Strahlrichtung des Gasaustrittes des Ringdüsenspaltes für Abhilfe sorgen.
Die Erfindung sieht auch vor, daß die Ringdüsenspalte und/oder die Lage der Ringblende einstellbar ausgebildet sind. Je nach Gestaltung des Ringdüsenspaltes kann beispielsweise ein Austritt für die Beaufschlagung oder Zumischung von Hüll- oder Reaktionsgas erst nach einem beträchtlichen Flugweg der Partikel vorgesehen sein, um noch wähernd der Flugdauer auf die Spritzpartikel Einfluß nehmen zu können. Diese Einstellbarkeit kann beispielsweise über Stellgewinde, über Kulissen oder ähnliche Verstellmechanismen erzielt werden.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine Lichtbogenspritzdüse nach der Erfindung.
Die allgemein mit 1 bezeichnete Lichtbogenspritzdüse weist einen Düsenkopf 2 auf, der innen als Hohlkammer 3 ausgebildet ist. In diese Hohlkammer sind zwei Drahführungsdüsen 4 eingeführt, die nur teilweise in ihren Kopfbereich wiedergegeben sind.
Durch die Drahführungsdüsen 4 werden die zu schmelzenden Drähte 5 im Winkel zueinander so geführt, daß sie vor dem Spritzkopf 2 aufeinandertreffen, so daß bei entsprechender Zündung der mit 6 bezeichnete Lichtbogen entsteht.
In Fluglinie der Düse durchsetzt eine Düse 7 für ein Zerstäubergas die Kammer 3.
Die Düsenkammer 3 wird von einem Düsenkopf 8 mit einem zentrischen Düsenring 9 abgeschlossen. Der Düsenring 9 umgibt eine Ringblende 10, welche mit einer stromabwärts angeordneten Radialdüsenscheibe 11 einen Ringraum 10' zur Bildung einer radialer Strömung einschließt. Der Ringraum 10' ist über eine getrennte Gaszuführungsleitung 12 mit einem Gas oder Gasgemisch beaufschlagbar.
Wie sich aus der Figur ergibt, ist auch der Düsenraum 3 mit einer eigenen Gaszuführung 13 versehen, die hier an der Frontebene des Düsenkpfes vorgesehen ist, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt wäre.
Der stromabwärtige Bereich des Düsenkopfes 2 ist mit einer Kapselung 14 ausgerüstet, die zur Spritzstrahlmittelachse 24 hin gerichtete Ringdüsenspalte aufweist. Die Kapselung 14 ist im dargestellten Beispiel aus drei Teilbereichen 15, 16 bzw. 17 gebildet ist und am freien Ende von einer Ringscheibe 18 abgeschlossen ist.
Die Bereiche 15 - 18 der Kapselung 14 bilden Ringräume, die mit einer weiteren Gaszuführung 19 in Verbindung stehen, durch die ein weiteres Gas bzw. Gasgemisch in diesem Bereich einleitbar ist. In der Figur sind gestrichelt gezeichnet Gaszuführung 19a und 19b, die andeuten sollen, daß die Ringräume nicht nur mit einem Gas oder Gemisch beaufschlagbar sind, sondern je nach Einsatzgebiet auch mit unterschiedlichen Gasen.
Es sei bemerkt, daß in der Figur auf der linken Seite eine geringfügig von der rechten Seite abweichende Konstruktion der Kapselung 14 wiedergegeben ist, insbesondere, was die Geometrie und Anordnung der Düsenspalte betrifft. Die der linken Figurenhälfte entsprechenden Elemente der rechten Figurenhälfte tragen das gleiche Bezugszeichen, allerdings einfach gestrichen. Die Ringdüsenspalte 20 und 21 in der linken Figurenhälfte sind in stromabwärtiger Richtung nach vorne geneigt angeordnet, während der Ringdüsenspalt 22 gegen den Strom gerichtet ist. Die ledglich mit 23 bezeichneten Spalte der Radialdüse gemäß der rechten Figurenhäfte treffen im dargestellten Beispiel auf die Mittelachse 24 der Düse im rechten Winkel.
Es versteht sich von selbst, daß die Spalten 20 - 23 auch durch eine entsprechende Vielzahl von Bohrungen ersetzt werden können.
Nicht näher dargestellt ist im übrigen in der Figur die axiale Verschiebbarkeit sowohl der Ringblende 11 als auch der Lage der Düsenspalte 20 - 23.
Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. Wesentlich ist die Möglichkeit, unterschiedliche Gase bzw. Gasgemische an unterschiedlichen Stellen der Düse zuzuführen. Neben der dargestellten einfachen Anordnung der Ringblende 10 kann auch eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten, separat gasbeaufschlagten Ringblenden im Düsenkopfbereich vorgesehen sein, die entweder die dargestellte Radialdüse 14 ersetzten oder in Verbindung mit dieser einsetzbar sind.
Die nachfolgende Tabelle gibt bei unterschieldichen Substraten mögliche Gas bzw. Gasgemische an, wobei dies, wie oben ausgeführt, ein wesentlicher Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
In der Tabelle beziehen sich die Ziffern in der oberen Spalte auf die Bezugszeichen der Figuren. Weiter bedeuten "m, x, y : Koeffizienten; (1) - flüssiger Zustand; Me - Metall.

Claims

1. Verfahren zum Beschichten von Werkstückoberflächen durch Schmelzen von Drähten mit einem elektrischen Licht bogen unter Förderung der geschmolzenen Partikel mittels eines Zerstäubergases, welches über eine Düse auf der Lichtbogenbereich gerichtet ist, und unter Einsatz eines Hüllgases, welches über wenigstens eine Ringblende zurr seitlichen Umströmen des mit den geschmolzenen Partikeln geladenen Zerstäubergaskegels im Bildungsbereich de; Lichtbogens zugeführt wird, sowie unter Zuführung eines weiteren Gasstromes, welcher stromabwärts hinter dem Licht bogen den aus Zersträubergas und Hüllgas gebildeten Gaskegel umhüllt, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerstäuber gas, Hüllgas und für den weiteren Gasstrom unterschiedliche Gase bzw. Gasgemische eingesetzt werden und da; weitere Gas bzw. Gasgemisch umgebungsluftfrei zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Gases bzw. Gasgemisches über zu Spritzstrahlmittelachse hin gerichtete Ringdüsenspalte mehrstufig erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Hüllgases kurz vor dem Licht bogen und/oder die des weiteren Gases hinter dem Lichtbogen in ihrer Lage veränderbar vorgenommen wird.

4. Lichtbogenspritzdüse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit eine Zerstäubergaszuführung (7) im Bereich der Drahtzuführung (4) und einer gasbeaufschlagten Ringblende (9) etwa in de Ebene der Lichtbogenbildung und mit einer stromabwärtigen Kapselung (14) des Kopfbereiches der Drahtzuführung (4) wobei die Kapselung (14) mit einer Gaszuführung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringblende (9) un< die Kapselung (14) zur Speisung mit unterschiedlichen Gasen bzw. Gasgemischen jeweils mit einer von der Zerstäuber gaszuführung (7) getrennten Gaszuführung (12) bzw. (19) versehen sind, wobei die Ringblende (9) stromaufwärts kur; vor dem Bereich der Lichtbogenbildung an der Spritzdüse (1) angeordnet ist.

5. Lichtbogenspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselung (14) als mit wenigstens einen zur Spritzstrahlmittelachse (24) hin gerichteten Ringdüsenspalt (22, 23) mit wenigstens einer eigenen Gaszuführunc, (19) derart um den Bildungsbereich des Lichtbogens (6) angeordnet ist, daß der als Gasaustritt dienende Ringdüsen spalt (22) bzw. (23) am oder hinter dem Lichtbogenbildungsbereich vorgesehen ist.

6. Lichtbogenspritzdüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselung (14) mit einer Mehrzah hintereinander stromabwärts angeordneter Ringdüsenspalte (20 - 23) für wenigstens ein Gas ausgerüstet ist.

7. Lichtbogenspritzdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüsenspalte (20 - 23) der Kapselunc, (14) senkrecht und/oder im spitzen Winkel und/oder im stumpfen Winkel zur Spritzstrahlmittelachse (24) ausgerichte angeordnet sind.

8. Lichtbogenspritzdüse nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringdüsenspalte (20 bi; 23) der Kapselung (14) und/oder die Lage der Ringblende (11) in ihrer Lage einstellbar sind.