EP4532787A1 - Verfahren zum bearbeiten eines metallischen werkstücks - Google Patents

Verfahren zum bearbeiten eines metallischen werkstücks

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EP4532787A1
EP4532787A1 EP23723976.9A EP23723976A EP4532787A1 EP 4532787 A1 EP4532787 A1 EP 4532787A1 EP 23723976 A EP23723976 A EP 23723976A EP 4532787 A1 EP4532787 A1 EP 4532787A1
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EP
European Patent Office
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workpiece
auxiliary material
auxiliary
oxidation
auxiliary substance
Prior art date
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Pending
Application number
EP23723976.9A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Torsten Beenders
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SMS Group GmbH
Original Assignee
SMS Group GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for machining a metal workpiece.
  • workpieces such as billets from continuous casting or hollow blocks are often produced in stockpiles for further processing in an extrusion press or a radial forge and are only later reintroduced into a hot forming process. These workpieces then have to be heated to forming temperature in an oven. This can take several hours, and a very thick oxide layer often forms on the surface of the workpieces. This oxide layer, also called scale, means a loss of material. Depending on the material, this can be 1 to 3 percent by weight of the workpiece.
  • auxiliary substances are, for example, in powder form and only develop their desired oxidation-inhibiting effect when they are at least partially melted. Therefore, a known method for applying such powdery auxiliary materials to the surface of a workpiece consists in heating the workpiece, at least on its surface, to a temperature that corresponds to the melting point of the auxiliary material. Melting temperatures of the known auxiliary materials are above 400°C up to 1,000°C. The excipient then becomes liquid and wets the surface.
  • the auxiliary material then forms a protective film on the surface, which protects the surface of the workpiece from oxidation, ie scale formation.
  • Typical applications for this process are the vitrification of billets for extrusion, or the deoxidation of hollow blocks for seamless pipes, etc.
  • the necessary heating of the workpiece to the above-mentioned high temperatures is costly and time-consuming.
  • powdered auxiliary materials are at least partially melted in a burner flame and then shot at very high speed onto the surface of the workpiece to be coated. The speeds vary from 70 m/sec depending on the auxiliary material to be applied and the process. up to 800 m/sec. Due to this high speed, the particles of the auxiliary material deform when they hit the surface of the workpiece and become lodged in its surface. This creates a very strong connection between the layer of the auxiliary material and the surface of the workpiece.
  • the application rate and thus the resulting layer thickness of the auxiliary material on the surface of the workpiece is very low, typically only a few pm per spray pass, and the surface must be specially treated beforehand. Flame spraying is a classic process for coating workpieces with metals or oxides.
  • this known powder flame spraying is not suitable for applying an oxidation-inhibiting auxiliary substance, as provided in the method according to the invention.
  • the layer of the auxiliary material applied according to the invention should only be a “one-off application” that should partially or completely wear off the surface of the workpiece during a subsequent forming or preparation process.
  • powder flame spraying is pro The layer thickness that can be achieved by spraying is too low for certain planned subsequent processing steps of the workpiece.
  • the invention is based on the object of applying a scale-inhibiting coating to the workpiece in a simple and easily removable manner in a known method for machining a workpiece.
  • This method is characterized in that the workpiece has a temperature that is lower than the melting point of the powdered auxiliary substance - preferably below 50 ° C - before it is sprayed with the auxiliary substance; that the powdered excipient has an oxidation-inhibiting effect; and that the melting of the auxiliary material during the spraying of the auxiliary material forms a homogeneous coating of the auxiliary material on the workpiece.
  • the workpiece to be coated advantageously does not need to be heated beforehand; room temperature is typically sufficient.
  • the workpiece does not have to be heated to the melting point of the auxiliary material to be applied, as is the case with other methods for applying an auxiliary material to a workpiece - in particular to a metallic workpiece.
  • the claimed method can also be used in systems that categorically exclude the use of liquid auxiliary materials, such as: B. the coating of lances in a converter to reduce adhesions.
  • the sprayed auxiliary substance has an oxidation-inhibiting effect on the metallic workpiece.
  • This advantageously ensures that significantly less scale forms on the metallic workpiece when it is heated to the forming temperature in a furnace for a subsequent hot forming process than without the oxidation-inhibiting layer according to the invention on the workpiece.
  • This also means correspondingly less material loss, because the scale that forms on the workpiece during heating ultimately means a loss of material because it typically has to be removed before further forming. Because only a small amount of scale is created due to the applied oxidation-inhibiting auxiliary material, the time required to clean the workpiece or to remove the remaining scale that still forms is also reduced.
  • the method chosen for heating the gas mixture to the melting temperature of the auxiliary substance also influences its exit speed from the spray device.
  • the exit velocity is significantly greater than without flame formation.
  • the powder is transported to the outlet of the spray device using a driver gas. Therefore, the flow of the driver gas must be adjusted to the respective amount of auxiliary material.
  • the amount of burner gas must be adjusted to the amount of propellant gas so that the gas mixture remains ignitable.
  • the spray device is designed in the form of a Venturi nozzle.
  • the use of the Venturi nozzle offers the advantage that the propellant gas only has to be introduced into the Venturi nozzle with a significantly lower initial volume flow in order to achieve a significantly larger volume flow of the gas mixture at the outlet of the Venturi nozzle. Due to its design, the Venturi nozzle advantageously functions as an amplifier for the volume flow.
  • 10 g to 80 g of the at least partially melted auxiliary material can be applied per second to the surface of the workpiece and/or the liquid or pasty particles of the melted auxiliary material hit the material at a particle speed of only 4 m/sec. up to 20 m/sec. onto the surface of the workpiece.
  • This claimed application quantity of the auxiliary material per second on the surface or the low particle speed compared to other application methods for auxiliary materials on metallic workpieces advantageously result in an increase in the application efficiency because, firstly, fewer particles bounce off the surface of the workpiece and, secondly, the particles have more time Heating remains in the spraying device.
  • the effect of the applied oxidation-inhibiting auxiliary agent on the workpiece is better the cleaner the surface of the workpiece is before the auxiliary agent is applied. It is therefore particularly recommended that any oxidation present on the surface of the workpiece, in particular any scale present, is removed from there before the auxiliary material is applied according to the method according to the invention. This improves the effectiveness of scale prevention by the oxidation-inhibiting auxiliary in a reheating furnace.
  • the method according to the invention can advantageously also be used where the workpiece previously had to be heated before an auxiliary material could be applied, as was the case, for example.
  • B. is the case with extrusion, in which a pressing bolt is covered with a layer of glass.
  • FIG 1 shows a spray device 10 in the form of a Venturi nozzle 12 with a heat source 16 '.
  • the outlet of the Venturi nozzle 12 and the heat source 16 ' are connected to one another via a delivery line 14.
  • a gas mixture is heated without the formation of flames.
  • the heat source 16' is designed, for example, in the form of an electrically operated heating coil.
  • the heat source 16' forms the outlet of the spray device 10 for the heated gas mixture.
  • the powdery auxiliary material 2 When the powdery auxiliary material 2 is sucked into the spray device 10, it typically, but not necessarily, has the temperature of the ambient air 3 sucked in. Only in the spray device, preferably at its outlet, is the gas mixture then heated with the help of the heat source 16 'without flame formation at least heated to the melting temperature of the auxiliary substance 2 contained in the gas mixture, so that this auxiliary substance at least partially melts in the gas mixture. After melting, the auxiliary substance 2 is contained in the gas mixture in the form of liquid or pasty particles.
  • the sprayed auxiliary substance has an oxidation-inhibiting effect in the method according to the invention, the formation of oxidation, in particular a scale layer, on the coated surface of the Workpiece is effectively reduced, if not prevented, when the workpiece is subsequently heated.
  • the auxiliary substance 2 can also be suitable for removing existing oxidation, in particular from scale that is already present on the surface of the workpiece. In addition, it preferably also has a lubricating effect.
  • the amount with which the auxiliary material is applied to the surface of the workpiece 20 is between 20 g/m 2 and 400 g/m 2 .
  • This specific amount of auxiliary material also represents the layer thickness with which auxiliary material is applied to the surface of the workpiece.
  • the amount of auxiliary substance applied ultimately depends on the effects and properties of auxiliary substance 2.
  • the amount of auxiliary substance applied is 15 g/m 2 to 60 g/m 2 if the auxiliary substance only has the oxidation-inhibiting effect has effect. If the auxiliary substance 2, in addition to the oxidation-inhibiting effect, also has the property of removing existing oxidation on the workpiece 20, it is preferably sprayed onto the workpiece in an amount of 60 g/m 2 to 120 g/m 2 .
  • the at least oxidation-inhibiting auxiliaries used according to the invention are, for example, phosphates, borates or silicates or a mixture thereof.
  • soap and/or graphite can also be contained in the excipient.
  • the melting temperature of the invention The auxiliary material is in a temperature range between 500°C and 1,200°C. Accordingly, the gas mixture must be heated to a temperature from this temperature range using the heat source in order to at least partially melt the auxiliary material 2.
  • the method according to the invention can in principle be used alone, i.e. H. be carried out without any prior, timely processing of the workpiece and without any timely post-processing of the workpiece.
  • the method is integrated into an overall machining process of the workpiece, in which a timely pre-processing of the workpiece and/or a timely post-processing of the workpiece can take place.
  • a timely post-processing of the coated workpiece can in particular consist of the coated workpiece being heated to a predetermined forming temperature in the reheating oven and subsequently being formed.
  • the applied layer of the auxiliary material then develops its oxidation-inhibiting effect, i.e. H. scale formation during heating is reduced.
  • FIG 2 shows a second variant of the method according to the invention and the spray device 10 according to the invention.
  • the spray device according to Figure 2 differs from the first variant shown in Figure 1 in that the gas mixture is heated at the outlet of the spray device 10 with the aid of a burner 16.
  • a fuel in particular a fuel gas 6.
  • the fuel gas 6 is sucked into the spray device 10 together with the auxiliary material 2 and the ambient air and thus becomes part of the gas mixture 7 in the spray device.
  • the fuel gas 6 can also be supplied to the burner directly at its position, ie at the outlet of the spray device 10, as shown in Figure 2.
  • the fuel gas which can be, for example, propane gas, natural gas or hydrogen
  • the burner 16 Formation of a flame 8 ignited.
  • the auxiliary substance 2 contained in the gas mixture 7 is then melted in the flame 8 and sprayed onto the surface of the workpiece 20.
  • propellant gas e.g. B. compressed air

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstückes. Es sieht folgende bekannte Schritte vor: Aufspritzen eines pulverförmigen Hilfsstoffes (2) mit Hilfe einer Spritzeinrichtung (10) auf das Werkstück (20) wobei der Hilfsstoff beim Austritt aus der Spritzeinrichtung zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, bevor er auf die Oberfläche des Werkstücks auftrifft. Um eine zunderhemmende Beschichtung einfach und leicht lösbar auf das Werkstück aufbringen zu können, sieht das erfindungsgemäße Verfahren weiterhin vor, dass das Werkstück (20) eine Temperatur hat, die kleiner ist als der Schmelzpunkt des pulverförmigen Hilfsstoffes – vorzugsweise unter 50°C -, bevor es mit dem Hilfsstoff (2) bespritzt wird, dass der pulverförmige Hilfsstoff eine oxidationshemmende Wirkung hat; und dass sich durch das Aufschmelzen des Hilfsstoffs während des Aufspritzens eine homogene Beschichtung des Hilfsstoffes auf dem Werkstück ausbildet.

Description

Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks.
Bei der Stahlproduktion werden häufig Werkstücke, wie Knüppel aus dem Strangguss oder Hohlblöcke zur Weiterverarbeitung in einer Strangpresse oder einer Radialschmiede auf Halde produziert und erst später wieder in einen Warmumformprozess eingebracht. Diese Werkstücke müssen dann dafür in einem Ofen auf Umformtemperatur erwärmt werden. Dies kann mehrere Stunden dauern, wobei sich dann oftmals eine sehr dicke Oxidschicht auf der Oberfläche der Werkstücke ausbildet. Diese Oxidschicht, auch Zunder genannt, bedeutet einen Materialverlust. Je nach Material kann dieser 1 bis 3 Gewichtsprozent des Werkstücks betragen.
Um die Ausbildung einer solchen starken Oxidschicht zu verhindern, ist es im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, insbesondere auch feste pulverförmige Hilfsstoffe auf die Oberfläche des Werkstücks aufzubringen. Die bekannten Hilfsstoffe sind beispielsweise pulverförmig und entfalten ihre gewünschte oxidationshemmende Wirkung erst dann, wenn sie zumindest teilweise aufgeschmolzen sind. Deshalb besteht ein bekanntes Verfahren zum Aufbringen derartiger pulverförmiger Hilfsstoffe auf die Oberfläche eines Werkstücks darin, dass das Werkstück zumindest an seiner Oberfläche auf eine solche Temperatur aufgeheizt wird, die dem Schmelzpunkt des Hilfsstoffes entspricht. Schmelztemperaturen der bekannten Hilfsstoffe liegen oberhalb von 400°C bis hin zu 1.000°C. Der Hilfsstoff wird dann flüssig und benetzt die Oberfläche. Der Hilfsstoff bildet dann auf der Oberfläche einen Schutzfilm aus, der die Oberfläche des Werkstücks vor Oxidation, d. h. Zunderbildung schützt. Typische Anwendung für dieses Verfahren sind die Beglasung von Pressbolzen für Strangpressen, oder die Deoxidation von Hohlblöcken bei Nahtlosrohren, etc.. Das notwendige Aufheizen des Werkstücks auf die besagten hohen Temperaturen ist jeweils kosten- und zeitintensiv.
Eine weitere bekannte Anwendung zum Auftrag von pulverförmigen Hilfsstoffen auf die Oberfläche eines metallischen Werkstücks ist das thermische Spritzen, wozu insbesondere auch das bekannte Pulverflammspritzen zählt; siehe Wikipedia. Dabei werden pulverförmige Hilfsstoffe in einer Brennerflamme zumindest teilweise aufgeschmolzen und sodann mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks geschossen. Die Geschwindigkeiten variieren dabei je nach aufzutragendem Hilfsstoff und Verfahren von 70 m/sec. bis zu 800 m/sec.. Aufgrund dieser hohen Geschwindigkeit verformen sich die Partikel des Hilfsstoffs beim Auftreffen auf die Oberfläche des Werkstücks und verkrallen sich dort in dessen Oberfläche. Es entsteht dadurch eine sehr feste Verbindung zwischen der Schicht des Hilfsstoffes und der Oberfläche des Werkstücks. Die Auftragungsrate und damit die resultierende Schichtdicke des Hilfsstoffs auf der Oberfläche des Werkstücks sind sehr gering, typischerweise nur wenige pm je Spritzdurchgang, und die Oberfläche muss zuvor speziell behandelt werden. Flammspritzen ist ein klassisches Verfahren zur Beschichtung von Werkstücken mit Metallen oder Oxiden.
Zum Aufträgen eines oxidationshemmenden Hilfsstoffes, wie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, ist dieses bekannte Pulverflammspritzen jedoch nicht geeignet. Das gilt zum einen deshalb, weil bei der vorliegenden Erfindung keine derartig feste Verbindung zwischen der Schicht des Hilfsstoffes und dem Werkstück gewünscht ist. Vielmehr soll es sich bei der erfindungsgemäß aufgetragenen Schicht des Hilfsstoffes lediglich um einen „Einmalauftrag“ handeln, der sich bei einem nachfolgenden Umform- oder Vorbereitungsprozess teilweise oder vollständig von der Oberfläche des Werkstücks abnutzen soll. Zum anderen ist die mit dem Pulverflammspritzen pro Spritzdurchgang erzielbare Schichtdicke für bestimmte geplante nachfolgende Bearbeitungsschritte des Werkstücks zu gering.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem bekannten Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes eine zunderhemmende Beschichtung einfach und leicht lösbar auf das Werkstück aufzubringen.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück eine Temperatur hat, die kleiner ist als der Schmelzpunkt des pulverförmigen Hilfsstoffes - vorzugsweise unter 50°C-, bevor es mit dem Hilfsstoff bespritzt wird; dass der pulverförmige Hilfsstoff eine oxidationshemmende Wirkung hat; und dass sich durch das Aufschmelzen des Hilfsstoffes während des Aufspritzens des Hilfsstoffs eine homogene Beschichtung des Hilfsstoffs auf dem Werkstück ausbildet.
Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens braucht das zu beschichtende Werkstück vorteilhafterweise nicht vorher erwärmt zu werden; es genügt typischerweise Raumtemperatur. Insbesondere muss das Werkstück nicht wie bei anderen Verfahren zum Aufbringen eines Hilfsstoffes auf ein Werkstück - insbesondere auf ein metallisches Werkstück - auf den Schmelzpunkt des aufzutragenden Hilfsstoffes erwärmt zu werden. Das spart zunächst erhebliche Kosten ein, denn die Aufheizung des Werkstücks auf die Schmelztemperatur des Hilfsstoffes ist in der Regel erheblich energieintensiver als die entsprechende Erwärmung des Hilfsstoffes. Das beanspruchte Verfahren kann auch genutzt werden bei Anlagen, welche den Einsatz von flüssigem Hilfsstoffen kategorisch ausschließen, wie z. B. die Beschichtung von Lanzen bei einem Konverter zur Reduktion von Anhaftungen. Beansprucht wird für die vorliegende Erfindung, dass der aufgespritzte Hilfsstoff eine oxidationshemmende Wirkung bei dem metallischen Werkstück hat. Damit wird vorteilhafterweise bewirkt, dass sich auf dem metallischen Werkstück, wenn es für einen nachfolgenden Warmumformungsprozess in einem Ofen auf die Umformtemperatur erwärmt wird, nur wesentlich weniger Zunder bildet, als ohne die erfindungsgemäße oxidationshemmende Schicht auf dem Werkstück. Dies bedeutet gleichermaßen auch entsprechend weniger Materialverlust, denn der sich auf dem Werkstück während des Erwärmens bildende Zunder bedeutet letztendlich einen Materialverlust, weil er vor einer weiteren Umformung typischerweise entfernt werden muss. Weil aufgrund des aufgetragenen oxidationshemmenden Hilfsstoffes nur noch wenig Zunder entsteht, verringert sich auch der Zeitaufwand zum Reinigen des Werkstückes bzw. zum Entfernen des sich dennoch bildenden restlichen Zunders.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Gasgemisch zumindest bestehend aus dem Hilfsstoff, Umgebungsluft und einem Treibgas zumindest auf die Schmelztemperatur des darin enthaltenen Hilfsstoffes erwärmt, so dass der darin enthaltene Hilfsstoff zumindest teilweise aufschmilzt. Das Erwärmen des Gasgemisches kann entweder mit Hilfe einer Wärmequelle ohne Flammenbildung oder mit einem Brenner unter Flammenbildung erfolgen. Bei der Wärmequelle ohne Flammenbildung, z. B. in Form einer elektrisch betriebenen Heizwendel, erfährt der Gasgemisch-Strom bei der Erwärmung nicht notwendigerweise eine zusätzliche translatorische Energie in einer Förderrichtung. Dies ist anders insbesondere, wenn die Erwärmung mit Hilfe des Brenners unter Flammenbildung erfolgt; in diesem Fall kann eine Beschleunigung des Gasgemisches in Richtung Austritt der Spritzeinrichtung aufgrund von einer stattfindenden Explosion des Gasgemisches erfolgen. Insofern beeinflusst das gewählte Verfahren zum Erwärmen des Gasgemisches auf die Schmelztemperatur des Hilfsstoffes auch dessen Austrittsgeschwindigkeit aus der Spritzeinrichtung. Im Fall der Explosion bzw. der Flammenbildung ist die Austrittsgeschwindigkeit deutlich größer als ohne Flammenbildung. Der Transport des Pulvers zum Austritt der Spritzeinrichtung erfolgt mittels eines Treibergases. Daher muss der Strom des Treibergases auf die jeweilige Menge des Hilfsstoffes angepasst werden. Weiterhin ergibt sich bei Verwendung des Brenners eine notwendige Anpassung der Brennergasmenge an die Menge des Treibgases, damit das Gasgemisch zündfähig bleibt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Spritzeinrichtung in Form einer Venturidüse ausgebildet. Die Verwendung der Venturidüse bietet den Vorteil, dass das Treibgas nur mit einem wesentlich geringeren Initialvolumenstrom in die Venturidüse eingebracht werden muss, um am Austritt der Venturidüse einen wesentlich größeren Volumenstrom des Gasgemisches zu erreichen. Die Venturidüse fungiert insofern vorteilhafterweise aufgrund ihrer Konstruktion als Verstärker für den Volumenstrom.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können 10 g bis 80 g des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Hilfsstoffes pro Sekunde auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebracht werden und/oder die flüssigen oder pastösen Partikel des aufgeschmolzenen Hilfsstoffes treffen mit einer Partikelgeschwindigkeit von nur 4 m/sec. bis 20 m/sec. auf die Oberfläche des Werkstückes auf. Diese beanspruchte Auftragungsmenge des Hilfsstoffes pro Sekunde auf die Oberfläche bzw. die im Vergleich zu anderen Aufbringungsverfahren für Hilfsstoffe auf metallische Werkstücke nur geringe Partikelgeschwindigkeit bewirken vorteilhafterweise eine Erhöhung des Auftragungswirkungsgrades, weil erstens weniger Partikel von der Oberfläche des Werkstückes abprallen und zweitens den Partikeln mehr Zeit zur Erwärmung in der Spritzeinrichtung verbleibt. Insofern ermöglicht die beanspruchte Auftragungsmenge pro Sekunde und die nur geringe Partikelgeschwindigkeit die Ausbildung von dickeren Schichten des Hilfsstoffes auf dem Werkstück als dies im Stand der Technik möglich war. Der Abstand des Austritts der Spritzeinrichtung zur Oberfläche des Werkstücks beim Aufspritzen des Hilfsstoffes beträgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwischen 15 cm und 60 cm. Dieser Abstand hängt davon ab, ob für das Erwärmen des Hilfsstoffes die Wärmequelle ohne Flammenbildung oder der Brenner mit Flammenbildung gewählt wird, in letztem Fall auch von der Flammenlänge und der Menge des verwendeten Brennergases.
Vorteilhafterweise hat der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgetragene Hilfsstoff nicht nur die besagte oxidationshemmende Wirkung, sondern auch eine Eigenschaft zur Ablösung von vorhandener Oxidation, insbesondere von bereits vorhandenem Zunder von der Oberfläche des Werkstücks, und/oder auch eine Schmierwirkung. Je nachdem, welche der genannten Eigenschaften der jeweils verwendete Hilfsstoff hat, beträgt die Menge des Hilfsstoffes, die auf die Oberfläche des Werkstücks aufgetragen wird, zwischen 15g/m2 und 400g/m2.
Grundsätzlich können als Hilfsstoff alle technischen Deoxidationsmittel bzw. Schmierstoffe eingesetzt werden, die über einen Anteil von schmelzbaren Substanzen verfügen. Die Schmelztemperatur liegt typischerweise in einem Bereich von 500°C bis 1.200°C. Nicht schmelzbare Bestandteile des Hilfsstoffes werden gegebenenfalls in die geschmolzenen Partikel eingebunden. Übliche Basisstoffe in den Hilfsstoffen sind Phosphate, Borate oder Silikate, die optional durch Seife und/oder Grafit etc. angereichert werden.
Die Wirkung des aufgetragenen oxidationshemmenden Hilfsstoffes auf dem Werkstück ist umso besser, je sauberer die Oberfläche des Werkstücks vor Auftragung des Hilfsstoffes ist. So ist es insbesondere empfehlenswert, dass eine auf der Oberfläche des Werkstückes vorhandene Oxidation, insbesondere vorhandener Zunder von dort entfernt wird, bevor der Hilfsstoff gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht wird. Dadurch wird die Wirksamkeit der Zundervermeidung durch den oxidationshemmenden Hilfsstoff in einem Nachwärmofen verbessert. Schließlich sei erwähnt, dass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise auch dort eingesetzt werden kann, wo bisher das Werkstück erwärmt werden musste, bevor ein Hilfsstoff aufgebracht werden konnte, wie dies z. B. beim Strangpressen der Fall ist, bei dem ein Pressbolzen mit einer Schicht aus Glas überzogen wird.
Der Beschreibung sind zwei Figuren beigefügt, wobei
Figur 1 das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer ersten Variante; und
Figur 2 das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer zweiten Variante veranschaulicht.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In beiden Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt eine Spritzeinrichtung 10 in Form einer Venturidüse 12 mit einer Wärmequelle 16‘. Der Ausgang der Venturidüse 12 und die Wärmequelle 16' sind über eine Förderleitung 14 miteinander verbunden. Bei der Wärmequelle 16' erfolgt die Erwärmung eines Gasgemisches ohne Flammenbildung. Die Wärmequelle 16' ist beispielsweise ausgebildet in Form einer elektrisch betriebenen Heizwendel. Die Wärmequelle 16' bildet den Austritt der Spritzeinrichtung 10 für das erwärmte Gasgemisch.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit dieser Spritzeinrichtung 10 wie folgt ausgeführt: Zunächst werden der Hilfsstoff 2 und Umgebungsluft 3 in die Spritzeinrichtung 10 angesaugt, wo sie mit einem Treibgas 5, z. B. Druckluft, zu einem Gasgemisch 7 vermischt werden. Angetrieben durch die kinetische Energie des Treibgases strömt das Gasgemisch 7 als kontinuierlicher Gasgemisch-Strom in einer Förderrichtung FR zum Austritt der Spritzeinrichtung 10, um dort auszuströmen.
Wenn der pulverförmige Hilfsstoff 2 in die Spritzeinrichtung 10 angesaugt wird, hat er typischerweise, aber nicht zwingend notwendig, die Temperatur der mitangesaugten Umgebungsluft 3. Erst in der Spritzeinrichtung, vorzugsweise an dessen Austritt wird das Gasgemisch sodann mit Hilfe der Wärmequelle 16' ohne Flammenbildung zumindest auf die Schmelztemperatur des in dem Gasgemisch enthaltenen Hilfsstoffes 2 erwärmt, so dass dieser Hilfsstoff in dem Gasgemisch zumindest teilweise aufschmilzt. Nach dem Aufschmelzen ist der Hilfsstoff 2 in Form von flüssigen oder pastösen Partikeln in dem Gasgemisch enthalten.
Mit der Spritzeinrichtung 10 wird das an ihrem Austritt austretende Gasgemisch 7 mit den darin enthaltenen aufgeschmolzenen Partikeln des Hilfsstoffes 2 auf die Oberfläche des Werkstückes 20 aufgespritzt. Auf der Oberfläche des Werkstückes 20 bildet der zuvor zumindest teilweise aufgeschmolzene Hilfsstoff 2 eine homogene Beschichtung, wie in Figur 1 gezeigt. Das Werkstück 20 wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor dem Aufbringen des Hilfsstoffes nicht auf eine bestimmte Temperatur vorerwärmt, sondern hat dann typischerweise Raumtemperatur bzw. Umgebungstemperatur, also in der Regel eine Temperatur unter 50°C. Insbesondere muss das Werkstück nicht auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des aufgebrachten pulverförmigen Hilfsstoffes erwärmt werden, weil das Aufschmelzen des Hilfsstoffes bereits in der Spritzeinrichtung 10 erfolgt ist und nicht erst auf dem Werkstück 20 erfolgt. Weil der aufgespritzte Hilfsstoff bei dem erfindungsgemäßen Verfahren oxidationshemmende Wirkung hat, wird die Ausbildung einer Oxidation, insbesondere einer Zunderschicht auf der beschichteten Oberfläche des Werkstückes bei einer nachfolgenden Erwärmung des Werkstückes wirkungsvoll reduziert, wenn nicht sogar verhindert.
Beim Aufspritzen des Hilfsstoffes hat die Spritzeinrichtung typischerweise einen Abstand zwischen 15 cm und 60 cm zu Oberfläche des Werkstückes 20. Wenn eine Venturidüse 12 verwendet wird, wird das Treibgas beispielsweise mit einem Initialvolumenstrom von 150 l/min. bis 300 l/min. in die Venturidüse 12 eingebracht. Die Venturidüse verstärkt diesen Volumenstrom, so dass das Gasgemisch mit einem Volumenstrom von 800 l/min. bis 4.000 l/min. aus der Venturidüse austritt. Mit dem Gasgemisch-Strom werden 10 g bis 80 g des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Hilfsstoffes pro Sekunde auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebracht. Anders ausgedrückt betreffen die flüssigen oder pastösen Partikel des aufgeschmolzenen Hilfsstoffes 2 mit einer Partikelgeschwindigkeit von 4 m/sec. bis 20 m/sec. auf die Oberfläche des Werkstückes 20 auf. Bei dieser im Vergleich zu anderen Auftragungsverfahren niedrigen Partikelgeschwindigkeit prallen vorteilhafterweise nur wenige Partikel von dem Werkstück ab und deshalb kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine größere Schichtdicke auf dem Werkstück realisiert werden.
Neben der besagten oxidationshemmenden Wirkung kann der Hilfsstoff 2 auch zur Ablösung von vorhandener Oxidation insbesondere von bereits vorhandenem Zunder auf der Oberfläche des Werkstücks geeignet sein. Darüber hinaus hat er vorzugsweise auch eine schmierende Wirkung.
Grundsätzlich beträgt die Menge, mit der der Hilfsstoff auf die Oberfläche des Werkstückes 20 aufgetragen wird, zwischen 20 g/m2 und 400 g/m2. Diese spezifische Menge an Hilfsstoff repräsentiert auch die Schichtdicke, mit der Hilfsstoff auf die Oberfläche des Werkstücks aufgetragen wird. Die aufgetragene Menge des Hilfsstoffes richtet sich letzten Endes nach den Wirkungen und Eigenschaften des Hilfsstoffes 2. So beträgt die aufgetragene Menge des Hilfsstoffes 15 g/m2 bis 60 g/m2, wenn der Hilfsstoff nur die oxidationshemmende Wirkung hat. Wenn der Hilfsstoff 2 zusätzlich zu der oxidationshemmenden Wirkung auch die Eigenschaft zur Ablösung von bereits vorhandener Oxidation auf dem Werkstück 20 besitzt, so wird er vorzugsweise mit einer Menge von 60 g/m2 bis 120 g/m2 auf das Werkstück aufgespritzt. Wenn der Hilfsstoff 2 neben der oxidationshemmenden Wirkung und der Eigenschaft zur Ablösung von vorhandenem Zunder auf dem Werkstück zusätzlich auch die besagte Schmierwirkung besitzt, so empfiehlt das erfindungsgemäße Verfahren, den Hilfsstoff mit einer Menge von 120 g/m2 bis 400 g/m2 auf die Oberfläche des Werkstückes aufzutragen.
Um die genannten Mengen des Hilfsstoffes auf die Oberfläche des Werkstücks 20 aufzutragen, ist der oben bereits genannte Gasgemisch-Volumenstrom von 800 l/min. bis 4.000 l/min. am Austritt der Venturidüse bzw. der Spritzeinrichtung 10 erforderlich.
Die Menge des dafür notwendigen initialen Volumenstroms des Treibgases muss an die jeweils gewünschte aufzutragende Menge des Hilfsstoffes angepasst werden. Die Menge bzw. der Volumenstrom, mit dem der Hilfsstoff in die Spritzeinrichtung 10 eingebracht wird, und die gewünschte resultierende Schichtdicke auf der Oberfläche des Werkstückes richten sich nach der Art des Hilfsstoffes und dem Ziel, das mit der Beschichtung des Werkstückes erreicht werden soll. Das Treibgas 5 wird vorzugsweise in Form eines kontinuierlichen Volumenstroms in die Spritzeinrichtung eingebracht, um einen kontinuierlichen Volumenstrom des Gasgemisches am Austritt der Spritzeinrichtung zu erreichen und um damit einen gleichmäßigen Auftrag des Hilfsstoffes auf das Werkstück zu ermöglichen.
Bei den erfindungsgemäß verwendeten zumindest oxidationshemmenden Hilfsstoffen handelt es sich beispielsweise um Phosphate, Borate oder Silikate oder ein Gemisch davon. Optional können auch Seife und/oder Graphit in dem Hilfsstoff enthalten sein. Die Schmelztemperatur des erfindungsgemäßen Hilfsstoffes liegt in einem Temperaturbereich zwischen 500°C und 1.200°C. Auf eine Temperatur aus diesem Temperaturbereich muss dementsprechend das Gasgemisch mit Hilfe der Wärmequelle erwärmt werden, um den Hilfsstoff 2 zumindest teilweise aufzuschmelzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann grundsätzlich für sich alleine, d. h. ohne eine zeitnah erfolgte vorhergehende Bearbeitung des Werkstücks und ohne eine zeitnah erfolgende Nachbearbeitung des Werkstücks durchgeführt werden. Vorzugsweise wird das Verfahren jedoch integriert in einem Gesamtbearbeitungsprozess des Werkstücks, bei dem eine zeitnahe Vorbearbeitung des Werkstücks und/oder eine zeitnahe Nachbearbeitung des Werkstücks erfolgen können. Eine zeitnahe Nachbearbeitung des beschichteten Werkstücks kann insbesondere darin bestehen, dass das beschichtete Werkstück in dem Nachwärmofen auf eine vorbestimmte Umformtemperatur erwärmt wird und nachfolgend umgeformt wird. Insbesondere bei dem besagten Erwärmen des Werkstücks entfaltet dann die aufgebrachte Schicht des Hilfsstoffes ihre oxidationshemmende Wirkung, d. h. eine Zunderbildung während des Erwärmens wird reduziert.
Figur 2 zeigt eine zweite Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Spritzeinrichtung 10. Die Spritzeinrichtung gemäß Figur 2 unterscheidet sich von der in Figur 1 gezeigten ersten Variante dadurch, dass die Erwärmung des Gasgemisches am Austritt der Spritzeinrichtung 10 mit Hilfe eines Brenners 16 erfolgt. Damit der Brenner 16 funktionieren kann, benötigt er ein Brennmittel, insbesondere ein Brenngas 6. Das Brenngas 6 wird zusammen mit dem Hilfsstoff 2 und der Umgebungsluft in die Spritzeinrichtung 10 angesaugt und wird somit Bestandteil des Gasgemisches 7 in der Spritzeinrichtung. Alternativ oder zusätzlich kann dem Brenner das Brenngas 6 auch direkt an seiner Position, d. h. am Ausgang der Spritzeinrichtung 10 zugeführt werden, wie in Figur 2 gezeigt. In beiden Fällen wird das Brenngas, bei dem es sich beispielsweise um Propangas, Erdgas oder Wasserstoff handeln kann, in dem Brenner 16 unter Ausbildung einer Flamme 8 gezündet. Der in dem Gasgemisch 7 enthaltene Hilfsstoff 2 wird dann in der Flamme 8 aufgeschmolzen und auf die Oberfläche des Werkstücks 20 aufgespritzt. Sowohl bei der in Figur 1 gezeigten ersten Variante wie auch bei der in Figur 2 gezeigten zweiten Variante zum Erwärmen des Hilfsstoffes 2 in dem Gasgemisch erkaltet der Hilfsstoff 2 auf der Oberfläche des Werkstücks 20 sehr schnell, so dass es, zumindest durch das besagte Aufträgen des Hilfsstoffes alleine, nicht zu einer deutlichen Erwärmung des Werkstückes kommt.
Bezugszeichenliste
2 Hilfsstoff 3 Umgebungsluft
5 Treibgas, z. B. Druckluft
6 Brenngas
7 Gasgemisch
10 Spritzeinrichtung 12 Venturidüse
14 Förderleitung
16 Brenner als Wärmequelle
16' Wärmequelle ohne Flammenbildung
20 Werkstück
FR Förderrichtung

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zum Bearbeiten eines metallischen Werkstücks (20), aufweisend folgende Schritte,
Aufspritzen eines pulverförmigen Hilfsstoffes (2) mit Hilfe einer Spritzeinrichtung (10) auf das Werkstück (20), wobei der Hilfsstoff (2) beim Austritt aus der Spritzeinrichtung (10) zumindest teilweise aufgeschmolzen wird, bevor er auf die Oberfläche des Werkstücks (20) auftrifft; dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (20) eine Temperatur hat, die kleiner ist als der Schmelzpunkt des pulverförmigen Hilfsstoffes - vorzugsweise unter 50°C- , bevor es mit dem Hilfsstoff (2) bespritzt wird; dass der pulverförmige Hilfsstoff (2) eine oxidationshemmende Wirkung hat; und dass sich durch das Aufschmelzen des Hilfsstoffes (2) während des Aufspritzens des Hilfsstoffs eine homogene Beschichtung des Hilfsstoffs auf dem Werkstück ausbildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Hilfsstoff (2) und Umgebungsluft (3) in der Spritzeinrichtung (10) mit einem Treibgas (5), z.B. Druckluft, zu einem Gasgemisch (7) vermischt werden; und dass das Gasgemisch als kontinuierlicher Gasgemisch-Strom - veranlasst durch das Treibgas (5) - in einer Förderrichtung (FR) zum Austritt der Spritzeinrichtung (10) strömt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch (7) in der Spritzeinrichtung (10) zumindest auf die Schmelztemperatur des darin enthaltenen Hilfsstoffes (2) erwärmt wird, sodass der darin enthaltene Hilfsstoff (2) zumindest teilweise aufschmilzt; dass das Erwärmen des Gasgemisch-Stromes mit einer Wärmequelle (16‘) ohne Flammenbildung, z.B. in Form einer elektrisch betriebenen Heizwendel, und/oder mit einem Brenner (16) mit Flammenbildung erfolgt; und dass die Wärmequelle (16‘) ohne Flammenbildung und/oder der Brenner (16) vorzugsweise jeweils am Austritt der Spritzeinrichtung (10) angeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzeinrichtung (10) eine Venturidüse (12) aufweist; und dass das Treibgas (5) mit einem Initialvolumenstrom von 150 - 300 Itr/min in die Venturidüse eingebracht wird zum Erzeugen eines Gasgemisch- Volumenstromes von 800ltr/min bis 4000ltr/min am Austritt der Venturidüse.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung der Spritzeinrichtung (10) mit dem Brenner (16) an ihrem Austritt, ein Brennergas (6) zusammen mit dem Hilfsstoff (2) dem Treibgas beigemischt wird, bevor der Gasgemisch-Strom den Brenner (16) der Venturidüse (12) erreicht hat, und/oder dass das Brennergas (6) direkt in den Brenner (16) am Austritt der Spritzeinrichtung (10) eingespritzt wird, jeweils vorzugsweise mit einem Brennergas-Volumenstrom von 4kg/h bis 50kg/h, insbesondere bei Verwendung von Propangas oder Erdgas als Brennergas.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Gasgemisch-Strom 10-80 Gramm des zumindest teilweise aufgeschmolzenen Hilfsstoffs (2) pro Sekunde auf die Oberfläche des Werkstücks (20) aufgebracht werden; und/oder dass die flüssigen oder pastösen Partikel des aufgeschmolzenen Hilfsstoffes (2) mit einer Partikelgeschwindigkeit von 4m/s bis 20m/s auf die Oberfläche des Werkstückes (20) auftreffen. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Austritts der Spritzeinrichtung (10) zur Oberfläche des Werkstücks (20) beim Aufspritzen des Hilfsstoffes (2) zwischen 15cm und 60cm beträgt. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsstoff (2) neben der oxidationshemmenden Wirkung auch eine Eigenschaft zur Ablösung von vorhandener Oxidation, insbesondere von bereits vorhandenem Zunder, von der Oberfläche des Werkstücks (20) besitzt, und vorzugsweise weiterhin auch eine Schmierwirkung besitzt. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Hilfsstoffs (2), die auf die Oberfläche des Werkstücks (20) aufgetragen wird, zwischen 15gr/m2 und 400gr/m2 beträgt, vorzugsweise zwischen 15-60 gr/m2 beträgt, wenn der Hilfsstoff (2) nur die oxidationshemmende Wirkung besitzt, oder weiter vorzugsweise zwischen 60gr/m2 und 120gr/m2 beträgt, wenn der Hilfsstoff (2) neben der oxidationshemmenden Wirkung auch die Eigenschaft zur Ablösung von der bereits vorhandenen Oxidation auf dem Werkstück (20) besitzt, oder noch weiter vorzugsweise zwischen 120gr/m2 bis 400gr/m2 beträgt, wenn der Hilfsstoff (2) oxidationshemmend, zur Ablösung von der vorhandenen Oxidation auf dem Werkstück (20) und zusätzlich mit der Schmierwirkung ausgebildet ist.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Hilfsstoff (2) beispielsweise um Phosphate, Borate, Silikate oder ein Gemisch davon handelt, optional unter Zugabe von Seife und/oder Graphit.
11 . Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur des Hilfsstoffes (2) in einem Temperaturbereich zwischen 500°C und 1200°C liegt.
12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf der Oberfläche des Werkstücks (20) vorhandene Oxidation, insbesondere vorhandener Zunder, von dort entfernt wird, bevor der Hilfsstoff (2) aufgebracht wird.
13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet, durch
-optional: Erwärmen des mit dem Hilfsstoff homogen beschichteten Werkstücks (20) auf eine vorbestimmte Umformtemperatur; und - Umformen des mit dem Hilfsstoff (2) beschichteten Werkstücks.
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