WO2005103330A1 - Method and device for coating an object - Google Patents

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WO2005103330A1
WO2005103330A1 PCT/EP2005/003945 EP2005003945W WO2005103330A1 WO 2005103330 A1 WO2005103330 A1 WO 2005103330A1 EP 2005003945 W EP2005003945 W EP 2005003945W WO 2005103330 A1 WO2005103330 A1 WO 2005103330A1
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WO
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coating
reactor
coated
coating material
sound waves
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/003945
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German (de)
French (fr)
Inventor
Volker Gallatz
Nikita Hirsch
Irina Tarasova
Original Assignee
Volker Gallatz
Nikita Hirsch
Irina Tarasova
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Filing date
Publication date
Application filed by Volker Gallatz, Nikita Hirsch, Irina Tarasova filed Critical Volker Gallatz
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for coating an object.
  • Coatings can be used, for example, for metallizing, for chemical and / or optical finishing of surfaces, for applying insulation layers or the like.
  • Various coating processes are known today. These are used, for example, to protect metallic parts from corrosion or to change their surface. For example, approximately 80,000 tons of zinc are required each year for zinc coatings in the United States. In addition, almost the same amount of chromium is required for corrosion protection and for aesthetic applications. A corresponding consumption of zinc and chromium can be assumed in Europe.
  • the known methods for chrome plating and galvanizing alone cause approximately ten times the amount of the above-mentioned masses in the form of highly toxic waste. These wastes are e.g. As cyanides, chromium ions, etc. In addition to unnecessary pollution of the environment, there are high disposal costs. These have a significant impact on the unit costs of the surface-coated objects.
  • the following methods for surface treatment, surface coating and surface protection are known from the prior art:
  • 6,368,482 to specifically produce nonlinear effects in the electrolytic deposition process in an electrolytic coating method by coupling directed acoustic beams of high intensity into the electrolytes, in particular to achieve a predominantly local coating at the location of the directed acoustic beam without masking layers on the object to be coated are required. It is known from US Pat. No. 6,398,937 to expose the electrolytic solution to ultrasonic vibrations in order to improve the deposition of copper ions from the electrolytic solution in blind holes in a printed circuit board.
  • a disadvantage of these processes is the limited number of coating materials that can be used, because only coating materials with a comparatively high electrochemical activity can be used. Practically all known electrolytic and galvanic processes represent a source of danger from a health and ecological point of view.
  • An acid bath for example a thio-urea acid bath followed by an alkaline buffer bath, is often used for chemical or currentless deposition.
  • ions of the coating metal are deposited on the surface of the object with the aid of the reducing agent.
  • Dip coating for example hot-dip galvanizing, is characterized by high energy consumption.
  • certain metals for example tin, aluminum or zinc, are heated up to the melting temperature and the parts to be coated are immersed in the molten coating metals.
  • EP 0 816 000 B1 discloses an ultrasonic vibration soldering device for soldering a workpiece by applying ultrasonic vibration to a molten solder in a solder container.
  • the thermal spray coating process includes plasma coating, arc discharge coating, flame coating, and explosion plating. In all these thermal spray processes, the coating material is in the
  • Flame plasma, arc discharge, chemical flame
  • the molten, droplet-like material is then passed through a gas flow onto the material to be coated Surface transported.
  • the coating material forms the desired protective layer on this surface by condensation.
  • US Pat. No. 5,932,302 discloses a plasma coating process for carbon, in which the substrate to be coated is exposed to ultrasonic vibrations during the deposition of carbon from the plasma in order to prevent large carbon molecules from depositing and thereby to achieve a uniform coating with fine carbon molecules.
  • the surfaces to be coated are heated together with a powder composition, for example by a nitrogen or inert gas atmosphere.
  • the powder composition consists of the coating material, a salt activator based on halides (e.g. NaCl or NaF) and an inert filling powder (e.g. AI203 or Si02).
  • halides e.g. NaCl or NaF
  • AI203 or Si02 an inert filling powder
  • a coating is hammered using mechanical energy.
  • the objects to be coated are moved in a slurry from a powdery coating material and a hammering medium, such as hard steel or glass balls, in a reactor, for example in a rotating drum.
  • Mechanical energy is coupled into the reactor by the rotational movement and through the hammering medium to the surface of the material to be coated Transfer objects, namely hammering the coating material from the hammering medium onto the surface of the objects.
  • an oxide layer is formed on the substrate surface.
  • the anode reacts with the negative ions of the boiling hot electrolyte and thereby forms an oxide layer.
  • the coating materials are melted or ionized in a vacuum. This is associated with high system costs due to the process.
  • the container volume of the vacuum space is limited and the process itself is relatively slow.
  • ion plating no separate layer is built up, rather the process of the process changes the elementary chemical structure of the surface of the substrate to be processed.
  • a reactant / gas mixture is brought into contact with the substrate to be coated.
  • the gas precursor is often heated to temperatures above 800 ° C.
  • the coating itself is formed by another precursor material, such as reacting steam. Thorough pretreatment of the substrate surface is crucial for the coating quality and is therefore an important and cost-intensive process step.
  • metals such as magnesium, aluminum or titanium
  • the coating itself is formed from an oxide layer in the surface area of the metals
  • a method for forming a thin ceramic-like layer on a bioimplant is known from DE 199 16 31 5 A1.
  • the bioimplant is immersed in a solution with a predetermined concentration of a substance compound containing at least one essential component of a biocompatible substance, in particular iridium oxide, in particular iridium chloride, after which the solution with the immersed bioimplant is irradiated with ultrasound energy. Due to a chemical reaction, the desired layer is formed on the surface, whereby the use of ultrasonic energy only serves to ensure that only those molecules that are really solid with the surface of the Bioimplant are connected, stick and form the desired rough surface structure.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for coating objects which overcome the disadvantages of the prior art.
  • it should be possible to produce a large number of coatings on almost any surface with low production and operating costs, in particular both on metallic and on non-metallic surfaces.
  • the coating should be ecological and economical, in particular little or preferably no ecologically problematic residues should be produced.
  • the coatings should be durable and wear-resistant.
  • the object is achieved by the method defined in claim 1 and by the device defined in the independent claim. Some special embodiments of the invention are defined in the subclaims.
  • the object is achieved in a method for coating an object, the object to be coated and a coating material being introduced into a reactor, and then by coupling mechanical energy into the reactor and transferring the mechanical energy in the reactor to one
  • Surface of the object to be coated at least part of the coating material permanently connects to the surface of the object to be coated, in that sound waves are coupled into the reactor in a frequency range between 15 kHz and 1 GHz, and that the coating material itself the mechanical energy up to transfers the surface of the object to be coated.
  • Sound waves transport the energy that is required for the coating material to adhere to and / or be embedded in the surface of the object.
  • This can be any form of attachment or embedding, including penetration into the surface of the object by diffusion, and the associated binding forces, in particular both strong and weak chemical binding forces.
  • a layer is preferably formed, which consists of the same material as the coating material. In one embodiment of the invention, however, it is also possible for predominantly or exclusively certain components of the coating material to adhere to or penetrate the surface. Preferably, only those are in the reactor introducing the coating object and the coating material, in particular no further liquid or solid materials.
  • the surface to be coated can also be cleaned or conditioned in the reactor due to the coupling of the mechanical energy.
  • sound waves of a certain frequency, pulse shape and / or amplitude can be used for this.
  • the coating material itself can also serve as the cleaning medium.
  • the coating can be masked or unmasked, preferably over the entire surface, in particular the object to be coated can be completely immersed in the coating material. Areas that are not to be coated can be masked, for example, by covering the surface in question with a plastic, for example also with a structured lacquer, wherein methods of photolithography can also be used for the structuring.
  • coating is understood to mean any type of change in the chemical or physical properties of the surface of the article to be coated, in particular the change in the composition of the layer of the article near the surface, either by incorporating foreign atoms from the coating material or by growing layers
  • Coating materials can be metallic, non-metallic, crystalline, amorphous or polymeric materials.
  • a reactor is generally to be understood as a device in which a chemical and / or physical reaction takes place, in the simplest case a container or a trough.
  • the reactor can be open or closed.
  • the coating can be carried out under atmospheric conditions, in particular at room temperature, under atmospheric pressure and in air. A certain atmosphere, for example under protective gas, an elevated pressure and / or an elevated temperature can be advantageous for some embodiments.
  • the reactor forms a coating space in which one, several or a plurality of objects to be coated are arranged in a regular or irregular arrangement and a coating material, preferably in powder form.
  • ultrasound radiation is generated by an ultrasound generator, which can be located outside or inside the reactor, and is coupled into the reactor.
  • the energy for the ultrasound I converter elements is provided by an electrical ultrasound generator in a constant or preferably in a modulated form.
  • the injected ultrasound radiation can facilitate and accelerate the diffusion process of the coating material into the surface of the object to be coated.
  • the entire coating process is preferably carried out by coupling in modulated ultrasound radiation. As a result, the entire process chain runs faster and more effectively.
  • the first step for example, a chemical, atomic
  • Boundary layers are formed in which the coating material combines with the material of the object to be coated at the atomic level and forms a boundary layer.
  • further coating material is deposited on this boundary layer and the Coating built up, which preferably has the same properties as the coating material.
  • the particle size of the powder is preferably between 1 nm and 500 m, preferably between 1 nm and 10 ⁇ m, and in particular between 1 nm and 1 ⁇ m.
  • the ultrasonic power depends on the respective application and can be, for example, between 50 watts and 100 kW, in particular between 500 watts and 100 kW.
  • the frequency range of the ultrasound is between 15 kHz and 1 GHz, preferably between 20 kHz and 100 MHz, and in particular between 22 kHz and 500 kHz or between 50 kHz and 500 kHz.
  • the effectiveness of the coating method according to the invention is increased by the simultaneous coupling in of two or more ultrasound frequencies by two or more transducer elements. For example, frequency pairs of 21, 7 kHz and 880 kHz or about 20 kHz and about 400 kHz can be used.
  • the ultrasound is modulated and / or coupled in a pulsed manner, one or more ultrasound pulses being able to be used for this.
  • the basic vibration can be, for example, sinusoidal, triangular, rectangular or their superpositions.
  • the coating material and the desired layer properties in particular amplitude modulation, frequency modulation or phase modulation are possible as types of modulation.
  • the degree of modulation is preferably between 1% and 100%, in particular between 20% and 100%, and typically between 50% and 100%, especially in the Amplitude modulation.
  • the modulation functions can have symmetrical or asymmetrical shapes or their superpositions.
  • the modulation frequency range is preferably between 50 Hz and 1 GHz, in particular between 500 Hz and 25 MHz and typically between 1000 Hz and 880 kHz.
  • the time period of the pulse periods is, for example, between 1 ns and 100 s, the pulse spacing being typically between 100 ns and 100 ms in the case of a plurality of ultrasound pulses.
  • the ultrasound energy supplied is used directly to produce a uniform and material-homogeneous coating.
  • an electromagnetic or electrostatic field is additionally (optionally) coupled in to further increase the effectiveness of the coating method according to the invention.
  • an electrically conductive coating material in particular a control current can be impressed
  • an electrostatic control field can be coupled in.
  • the present invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention.
  • the generator for generating the mechanical energy initially comprises one or more electrical signal generators and one or more transducer elements, for example ceramic piezoelectric transducer elements, piezoceramic composite transducer elements (1-3, 3-0 and others), magnetoresistive transducer elements, electro-optical ones Transducer elements and the like, also in mixed form, which convert the electrical signals into mechanical vibrations.
  • transducer elements for example ceramic piezoelectric transducer elements, piezoceramic composite transducer elements (1-3, 3-0 and others), magnetoresistive transducer elements, electro-optical ones Transducer elements and the like, also in mixed form, which convert the electrical signals into mechanical vibrations.
  • the reactor consists of a trough or a basin, which is preferably lined with plastic or, in any case, is covered on its surface that comes into contact with the coating material with a plastic film, which prevents coating of the reactor.
  • the present invention enables an inexpensive and highly effective coating of almost all technical materials with almost any coating materials.
  • polymer materials can be coated with metals without the risk of fusion.
  • the coatings which result from the application of the invention have the following advantageous properties: ® very smooth, shiny layers •> lowest porosity - as a result, gas tightness can be achieved
  • ⁇ coatings can be of any hardness; the hardness depends only on the coating material used, for example achieved a very high surface hardness through the use of ceramic powder made of TiAlN (titanium aluminum nitride), WC (tungsten carbide) or BC (boron carbide).
  • the coatings can form scratch-resistant, wear-resistant and / or corrosion-resistant surfaces.
  • the coating material can consist exclusively and directly of the coating material. It is also possible to additionally add a powdery material, such as quartz sand, which is inert with regard to the coating, for example in order to be able to specifically influence the transfer of the mechanical energy to the object to be coated.
  • the process according to the invention does not require any reactive liquids and therefore does not cause any polluting substances.
  • the coating method according to the invention is preferably a purely physical coating process in which there is no chemical reaction or conversion of the coating material introduced into the reactor, but in which the coating material is applied unchanged to the object to be coated with regard to its material composition. Neither a pretreatment of the object to be coated nor a post-treatment of the coated object is preferably necessary, in particular no chemical pretreatment or post-treatment.
  • the invention also makes it possible to produce rough or matt coatings. To obtain this surface effect, it is preferable to use settable powders with large particles. The bigger the Powder particles, the coarser the surface structure of the coating.
  • the layer growth rate depends on the material that can be removed, the particle size of the powder, and the material of the material to be coated
  • ultrasonic energy Subject and depending on the shape and intensity of the ultrasonic energy and is for example in the range of several microns / min to several mm / min.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of a coating device according to the invention.
  • Fig. 1 shows schematically the structure of an inventive
  • Device 1 for coating an object 2 in the present case an aluminum cuboid.
  • the previously pre-cleaned object 2 is introduced into the reactor 3, which in the present case is formed by a trough 9 which is provided with a Plastic film 10 is lined and can be closed with a lid 1 1.
  • the tub 9 is filled with a powdery coating material 4 so far that the object 2 is completely immersed in it.
  • the coating material 4 can be, for example, a powder made of a ceramic coating material with a grain size between 1 nm and 1 ⁇ m, with an average grain size of about 100 nm. A significant excess of coating material 4 is used, so that only a small part of the coating material 4 located in the reactor 3 connects to the object 2.
  • a signal generator 6 is arranged at a distance from the reactor 3 and generates continuous or pulse-like electrical signals with a preferably adjustable signal form and a frequency between 20 kHz and 1000 kHz and a power of 1 kW.
  • a modulation device 5 can, for example, control an amplitude modulation of the output signal of the signal generator 6, the modulation signal and the degree of modulation being adjustable.
  • the preferably triangular electrical output signal of the signal generator 6 is via coaxial conductor connections 12
  • Transducer elements 7 guided which are arranged on the walls of the trough 9 of the reactor 3, for example are glued, and in the exemplary embodiment are made of a ceramic piezoelectric material.
  • the number of transducer elements 7 depends, among other things, on the size of the tub 9. In the exemplary embodiment shown, only three converter elements 7 are provided by way of example; two transducer elements 7 are arranged on opposite side walls of the tub 9 and one transducer element 7 is arranged on the bottom surface of the tub 9.
  • Transducer elements 7 can be arranged on the bottom surface of the tub 9, and / or one or more transducer elements can be arranged on only one side wall or on all sides of the tub 9.
  • the converter elements 7 couple the mechanical energy in the form of ultrasonic waves 8 into the reactor 3.
  • the coating material 4 itself serves as a transmission medium for the mechanical energy of the ultrasound up to the surface 2a of the object 2 to be coated, as a result of which at least a portion of the coating material 4 permanently bonds to the object 2 to be coated.
  • the injected sound waves are in a frequency range between 15 kHz and 1 GHz.
  • the layer structure can thereby be influenced in a targeted manner, in particular the homogeneity of the coating can be controlled. It is also possible to place the third electrode 13 in one of the actual ones
  • Operate coating upstream process step thereby conditioning, in particular cleaning, the surface of the object 2 to be coated.
  • the easily replaceable plastic film 10 protects the tub 9 simply but effectively against coating with the coating material 4. Powder residues that have built up as a coating on the plastic film 10 can thus be worked up for recycling.
  • the lid 1 1 closes the tub 9 at the top, essentially to prevent contamination by foreign substances.
  • the reactor 3 does not have to be gas-tight, in particular the coating can be carried out under atmospheric pressure at room temperature.
  • In the tub 9 there are also electrodes 13 which pass through corresponding openings in the lid 11.
  • the arrangement of the electrodes 13 is preferably such that they accommodate the object 2 to be coated between them, in particular the distance of the object 2 from the two electrodes 13 is approximately the same.
  • the electrodes 13 are connected to a field generator 14 for generating an electromagnetic or electrostatic field, by means of which the coating can also be controlled.
  • the coating method according to the invention was carried out with different coating materials on objects made of different materials
  • the layer thickness was typically 0.1 ⁇ m, with a growth rate of 0.02 ⁇ m / min.
  • the materials of the objects to be coated were, for example, aluminum, titanium, niobium, various steels and steel alloys and plastics.
  • the material of the powdery coating material was Nickel, chrome, hafnium, titanium, silicon carbide, boron carbide, silicon aluminum nitride carbide,
  • Titanium aluminum carbide, tungsten carbide, zirconium carbide, zirconium dioxide, titanium dioxide, aluminum oxide are used. In the previous coating processes, these materials could only be used as coating materials with great technical effort. Test results have shown that metallic coating powders form very smooth and shiny layers. Ceramic-based coating materials form scratch-resistant surfaces with hardnesses up to 4800 HV. Their corrosion resistance was tested using the hot salt spray method. The test was stopped after 580 hours, since neither macroscopic nor microscopic corrosion or any other surface change was discernible. Aluminum parts with ceramic coatings show very good results regarding the durability of the coatings in long-term tests in acid baths such as sulfuric acid, hydrofluoric acid or in caustic baths.

Abstract

The invention relates to a method for coating an object (2), whereby the object (2) for coating and a coating material (4) are charged in a reactor (3) and then a part of the coating material (4) is permanently fixed to the surface (2a) of the object (2) for coating, by injection of mechanical energy into the reactor (3) and transmission of the mechanical energy in the reactor (3) to the surface (2a) of the object (2) for coating, characterised in that sound waves (8) in the frequency range of 15 kHz to 1 GHz are injected into the reactor (3), and that the coating material (4) itself transmits the mechanical energy to the surface (2a) of the object (2) for coating. The invention further relates to a corresponding device for coating.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Beschichten eines Gegenstandes Method and device for coating an object
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten eines Gegenstandes.The invention relates to a method and a device for coating an object.
Beschichtungen können beispielsweise zum Metallisieren, zum chemischen und/oder optischen Veredeln von Oberflächen, zum Aufbringen von Isolationsschichten oder dergleichen eingesetzt werden. Heute sind verschiedene Beschichtungsverfahren bekannt. Diese werden beispielsweise angewandt, um metallische Teile vor Korrosion zu schützen oder um deren Oberfläche zu verändern. Beispielsweise werden in den USA für Zinkbeschichtungen jedes Jahr ca. 80.000 Tonnen Zink benötigt. Darüber hinaus wird für den Korrosionsschutz und für ästhetische Anwendungen fast die gleiche Menge an Chrom benötigt. In Europa kann von einem entsprechenden Verbrauch von Zink und Chrom ausgegangen werden. Allein die bekannten Verfahren zum Verchromen und Verzinken verursachen in etwa die zehnfache Menge der oben genannten Massen in Form von hochgiftigen Abfällen. Diese Abfälle sind z. B. Zyanide, Chrom- Ionen usw. Neben einer unnötigen Belastung der Umwelt entstehen hier hohe Entsorgungskosten. Diese schlagen sich signifikant auf die Stückkosten der oberflächenbeschichteten Gegenstände nieder. Aus dem Stand der Technik sind folgende Verfahren zur Oberflächenbehandlung, Oberflächenbeschichtung und zum Oberflächenschutz bekannt:Coatings can be used, for example, for metallizing, for chemical and / or optical finishing of surfaces, for applying insulation layers or the like. Various coating processes are known today. These are used, for example, to protect metallic parts from corrosion or to change their surface. For example, approximately 80,000 tons of zinc are required each year for zinc coatings in the United States. In addition, almost the same amount of chromium is required for corrosion protection and for aesthetic applications. A corresponding consumption of zinc and chromium can be assumed in Europe. The known methods for chrome plating and galvanizing alone cause approximately ten times the amount of the above-mentioned masses in the form of highly toxic waste. These wastes are e.g. As cyanides, chromium ions, etc. In addition to unnecessary pollution of the environment, there are high disposal costs. These have a significant impact on the unit costs of the surface-coated objects. The following methods for surface treatment, surface coating and surface protection are known from the prior art:
• Elektrolytische Abscheidung • Galvanisierung• Electrolytic deposition • Galvanization
® Anodisierung, Eloxierung® anodizing, anodizing
• Tauchbeschichtung, z. B. Feuerverzinkung• Dip coating, e.g. B. Hot-dip galvanizing
• Chemische, stromlose Absetzung (Abscheidung), z. B. stromlose Vernickelung • Thermische Sprühbeschichtung, einschließlich Plasmabeschichtung, Bogenentladungsbeschichtung, Flammbeschichtung, einschließlich Hochgeschwindigkeits-Flammbeschichtung, und Explosionsplattierung• Chemical, currentless deposition (deposition), e.g. B. Electroless Nickel Plating • Thermal spray coating including plasma coating, arc discharge coating, flame coating including high speed flame coating, and explosion plating
• Diffusionsbeschichtung, einschließlich Satz-Zementierung• Diffusion coating, including set cementation
• Mechanische Beschichtungsverfahren • Kalte Pulverbeschichtung• Mechanical coating processes • Cold powder coating
• Physikalisches Vakuum-Verdampfung;• Physical vacuum evaporation;
• lonen-Plattierung• ion plating
« Chemische Dampfabsetzung © Schweißraupenbeschichtung ® Heißsalzbadverfahren, einschließlich Zyanidbäder für Aufkohlungsverfahren, Kadmiumbeschichtung « Plasma-Elektrolytisches-Oxidationsverfahren, Mikro- Plasmabeschichtung, einschließlich Keronite-Verfahren.«Chemical vapor deposition © caterpillar coating ® hot salt bath process, including cyanide baths for carburizing processes, cadmium coating« Plasma electrolytic oxidation process, micro plasma coating, including Keronite process.
Bei elektrolytischen oder galvanischen Prozessen wird eine Beschichtung, häufig eine metallische Beschichtung, auf die Kathodenoberfläche aufgebracht. Diese Verfahren basieren auf elektrochemischen Prozessen. Dabei kommen unterschiedliche elektrolytische Lösungen zum Einsatz. Diese Lösungen sind häufig Säurelösungen und enthalten oft Zyanide. Aus der US 6,319,385 ist eine elektrolytische Beschichtung elektrisch leitfähiger Oberflächen mit gepulstem Stromverlauf bekannt. Aus der US 4,750,977 ist bekannt, bei einem elektrolytischen Beschichtungsverfahren die Homogenität der elektrolytischen Lösung während des Beschichtens durch Einkopplung von Ultraschall zu verbessern. Aus der US 6,368,482 ist bekannt, bei einem elektrolytischen Beschichtungsverfahren durch Einkoppeln gerichteter akustischer Strahlen hoher Intensität in den Elektrolyten gezielt nichtlineare Effekte in dem elektrolytischen Abscheideprozess hervorzurufen, insbesondere gezielt eine überwiegend lokale Beschichtung am Ort des gerichteten akustischen Strahls zu erreichen, ohne dass Maskierungsschichten auf dem zu beschichtenden Gegenstand erforderlich sind. Aus der US 6,398,937 ist bekannt, die elektrolytische Lösung Ultraschallschwingungen auszusetzen, um das Abscheiden von Kupferionen aus der elektrolytischen Lösung in Sacklöchern einer gedruckten Schaltkreisplatine zu verbessern.In electrolytic or galvanic processes, a coating, often a metallic coating, is applied to the cathode surface. These processes are based on electrochemical processes. Different electrolytic solutions are used. These solutions are often acid solutions and often contain cyanides. An electrolytic coating of electrically conductive surfaces with a pulsed current profile is known from US Pat. No. 6,319,385. From US 4,750,977 it is known in an electrolytic coating process to improve the homogeneity of the electrolytic solution during the coating by coupling in ultrasound. It is known from US Pat. No. 6,368,482 to specifically produce nonlinear effects in the electrolytic deposition process in an electrolytic coating method by coupling directed acoustic beams of high intensity into the electrolytes, in particular to achieve a predominantly local coating at the location of the directed acoustic beam without masking layers on the object to be coated are required. It is known from US Pat. No. 6,398,937 to expose the electrolytic solution to ultrasonic vibrations in order to improve the deposition of copper ions from the electrolytic solution in blind holes in a printed circuit board.
Nachteilig an diesen Prozessen ist die eingeschränkte Anzahl der verwendbaren Beschichtungswerkstoffe, denn es können nur Beschichtungswerkstoffe mit einer vergleichsweise hohen elektrochemischen Aktivität verwendet werden. Praktisch alle bekannten elektrolytischen und galvanischen Prozesse stellen eine Gefahrenquelle in gesundheitlicher und ökologischer Hinsicht dar.A disadvantage of these processes is the limited number of coating materials that can be used, because only coating materials with a comparatively high electrochemical activity can be used. Practically all known electrolytic and galvanic processes represent a source of danger from a health and ecological point of view.
Bei der chemischen oder stromlosen Abscheidung wird oft ein Säurebad, z.B. ein Thio-Harnstoff-Säurebad mit anschließendem alkalischen Pufferbad verwendet. Bei diesen Verfahren werden Ionen des Beschichtungsmetalls mit Hilfe des Reduktionsmittels auf der Oberfläche des Gegenstandes angelagert. Die Tauchbeschichtung, beispielsweise die Feuerverzinkung, ist durch einen hohen Energieverbrauch charakterisiert. Bei diesem Verfahren werden bestimmte Metalle, z.B. Zinn, Aluminium oder Zink bis zur Schmelztemperatur aufgeheizt und die zu beschichtenden Teile in die geschmolzenen Beschichtungsmetalle eingetaucht.An acid bath, for example a thio-urea acid bath followed by an alkaline buffer bath, is often used for chemical or currentless deposition. In these processes, ions of the coating metal are deposited on the surface of the object with the aid of the reducing agent. Dip coating, for example hot-dip galvanizing, is characterized by high energy consumption. In this process, certain metals, for example tin, aluminum or zinc, are heated up to the melting temperature and the parts to be coated are immersed in the molten coating metals.
Aus der EP 0 816 000 B1 ist eine Ultraschall-Vibrationslötvorrichtung bekannt zum Löten eines Werkstückes, indem Ultraschallschwingung auf ein geschmolzenes Lötmittel in einem Lötmittelbehälter aufgegeben wird.EP 0 816 000 B1 discloses an ultrasonic vibration soldering device for soldering a workpiece by applying ultrasonic vibration to a molten solder in a solder container.
Aus der US 4,307,128 und der US 4,006,707 ist bekannt, bei Tauchbeschichtungsverfahren entweder das geschmolzene flüssige Metall oder den in das flüssige Metall eingetauchten und zu beschichtenden Gegenstand Ultraschallschwingungen auszusetzen.From US 4,307,128 and US 4,006,707 it is known in dip coating processes to either expose the molten liquid metal or the object immersed in the liquid metal and to be coated to ultrasonic vibrations.
Beim Aufkohlungsverfahren oder beim Kohlenstoffbeschichtungsverfahren werden fast immer verschiedene Zyanidsalze verwendet. Dieses Verfahren ist aufgrund seiner hohen Toxizität nur mit hermetisch abgeschlossenen heißen Bädern durchführbar.Different cyanide salts are almost always used in the carburizing process or in the carbon coating process. Due to its high toxicity, this process can only be carried out with hermetically sealed hot baths.
Das Verfahren der thermischen Sprühbeschichtung schließt die Plasmabeschichtung, die Bogenentladungsbeschichtung, die Flammbeschichtung und die Explosionsplattierung mit ein. Bei all diesen thermischen Sprühverfahren wird der Beschichtungswerkstoff in dieThe thermal spray coating process includes plasma coating, arc discharge coating, flame coating, and explosion plating. In all these thermal spray processes, the coating material is in the
Flamme (Plasma, Bogenentladung, Chemische Flamme) eingebracht und meist bis zum Schmelzpunkt erhitzt. Der geschmolzene, tröpfchenförmige Werkstoff wird dann durch eine Gasströmung auf die zu beschichtende Oberfläche transportiert. Auf dieser Oberfläche bildet der Beschichtungswerkstoff durch Kondensation die gewünschte Schutzschicht.Flame (plasma, arc discharge, chemical flame) introduced and mostly heated to the melting point. The molten, droplet-like material is then passed through a gas flow onto the material to be coated Surface transported. The coating material forms the desired protective layer on this surface by condensation.
Aus der US 5,932,302 ist ein Plasma-Beschichtungsverfahren für Kohlenstoff bekannt, bei dem das zu beschichtende Substrat während der Abscheidung von Kohlenstoff aus dem Plasma Ultraschallschwingungen ausgesetzt wird, um das Anlagern großer Kohlenstoffmoleküle zu verhindern und dadurch eine gleichmäßige Beschichtung mit feinen Kohlenstoffmolekülen zu erreichen.US Pat. No. 5,932,302 discloses a plasma coating process for carbon, in which the substrate to be coated is exposed to ultrasonic vibrations during the deposition of carbon from the plasma in order to prevent large carbon molecules from depositing and thereby to achieve a uniform coating with fine carbon molecules.
Bei den Diffusionsbeschichtungsverfahren werden die zu beschichtenden Oberflächen zusammen mit einer Pulverkomposition beispielsweise durch eine Stickstoff- oder Edelgasatmosphäre aufgeheizt. Die Pulverkomposition besteht aus dem Beschichtungswerkstoff, aus einem auf Halogeniden basierenden Salzaktivator (z.B. NaCl oder NaF) und aus einem inerten Füllpulver (z. B. AI203 oder Si02). Die gasförmigen Metallhalogenide werden auf der Oberfläche angelagert und dort zerlegt. Danach diffundieren die metallischen Elemente in die Oberfläche des Gegenstandes.In the diffusion coating processes, the surfaces to be coated are heated together with a powder composition, for example by a nitrogen or inert gas atmosphere. The powder composition consists of the coating material, a salt activator based on halides (e.g. NaCl or NaF) and an inert filling powder (e.g. AI203 or Si02). The gaseous metal halides are deposited on the surface and broken down there. Then the metallic elements diffuse into the surface of the object.
Beim mechanischen Beschichtungsverfahren, einschließlich dem Vibrationsbeschichtungsverfahren, wird mit Hilfe von mechanischer Energie eine Beschichtung aufgehämmert. Hierzu werden die zu beschichtenden Gegenstände in einem Schlamm (slurry) aus einem pulverförmigen Beschichtungsmatenal und einem Aufhämmermedium, wie beispielsweise Hartstahl- oder Glaskugeln, in einem Reaktor bewegt, beispielsweise in einer rotierenden Trommel. Durch die Rotationsbewegung wird mechanische Energie in den Reaktor eingekoppelt und durch das Aufhämmermedium bis an die Oberfläche der zu beschichtenden Gegenstände übertragen, nämlich das Beschichtungsmaterial von dem Aufhämmermedium auf die Oberfläche der Gegenstände gehämmert. Bei diesem Verfahren muß die Oberfläche der zu beschichtenden Gegenstände zuvor gründlich gereinigt werden.In the mechanical coating process, including the vibration coating process, a coating is hammered using mechanical energy. For this purpose, the objects to be coated are moved in a slurry from a powdery coating material and a hammering medium, such as hard steel or glass balls, in a reactor, for example in a rotating drum. Mechanical energy is coupled into the reactor by the rotational movement and through the hammering medium to the surface of the material to be coated Transfer objects, namely hammering the coating material from the hammering medium onto the surface of the objects. With this method, the surface of the objects to be coated must be cleaned thoroughly beforehand.
In der US 5,762,942, US 5,587,006 und US 4,202,915 werden verschiedene Zusammensetzungen der Schiämmlösung zur Verbesserung von mechanischen Beschichtungsverfahren beschrieben. In der US 4,849,258, US 4,950,504 und US 4,714,622 werden verschiedene Aufhämmermedien vorgeschlagen, beispielsweise Glaskugeln mit unterschiedlichen Abmessungen und Stahlkugeln mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Abmessungen.US Pat. No. 5,762,942, US Pat. No. 5,587,006 and US Pat. No. 4,202,915 describe various compositions of the slurry solution for improving mechanical coating processes. In US 4,849,258, US 4,950,504 and US 4,714,622 various hammer media are proposed, for example glass balls with different dimensions and steel balls with different compositions and dimensions.
Beim Anodisierungsverfahren wird wie bei der thermischen Oxidation eine Oxidschicht auf der Substratoberfläche gebildet. Die Anode reagiert mit den negativen Ionen des kochend heißen Elektrolyts und bildet dadurch eine Oxidschicht.In the anodization process, as in the case of thermal oxidation, an oxide layer is formed on the substrate surface. The anode reacts with the negative ions of the boiling hot electrolyte and thereby forms an oxide layer.
Bei der Physikalischen Vakuum-Verdampfung und lonen-Plattierung werden die Beschichtungswerkstoffe in einem Vakuum geschmolzen oder ionisiert. Verfahrensbedingt ist dies mit hohen Anlagenkosten verbunden. Das Behältervolumen des Vakuumraumes ist begrenzt und das Verfahren selbst ist verhältnismäßig langsam. Bei der lonen-Plattierung wird keine separate Schicht aufgebaut, vielmehr ändert der Prozess des Verfahrens den elementaren chemischen Aufbau der Oberfläche des zu bearbeitenden Substrates.In physical vacuum evaporation and ion plating, the coating materials are melted or ionized in a vacuum. This is associated with high system costs due to the process. The container volume of the vacuum space is limited and the process itself is relatively slow. In ion plating, no separate layer is built up, rather the process of the process changes the elementary chemical structure of the surface of the substrate to be processed.
Beim chemischen Dampfabsetzungsverfahren wird eine Reaktionsmittel- Gasmischung mit dem zu beschichtenden Substrat in Berührung gebracht. Um die Gasmischung zur Reaktion zu bringen, wird der Gasvorläufer oft auf Temperaturen über 800 °C erhitzt. Die Beschichtung selbst wird durch ein anderes Vorläufermaterial wie z.B. reagierender Dampf gebildet. Die gründliche Vorbehandlung der Substratoberfläche ist ausschlaggebend für die Beschichtungsgüte und deshalb ein wichtiger und kostenintensiver Prozessschritt.In the chemical vapor deposition process, a reactant / gas mixture is brought into contact with the substrate to be coated. In order to react the gas mixture, the gas precursor is often heated to temperatures above 800 ° C. The coating itself is formed by another precursor material, such as reacting steam. Thorough pretreatment of the substrate surface is crucial for the coating quality and is therefore an important and cost-intensive process step.
Beim Plasma-Elektrolytischen-Oxidationsverfahren oder Mikro-Plasma- Beschichtungsverfahren (einschließlich Keronite) wird in einem Elektrolyt eine Entladung erzeugt. Bei diesen Verfahren wird eine „galvanischeIn the plasma electrolytic oxidation process or micro plasma coating process (including Keronite), a discharge is generated in an electrolyte. With these methods a “galvanic
Wanne" benötigt. Nachteilig ist auch, dass nur eine begrenzte Anzahl von Metallen wie z.B. Magnesium, Aluminium oder Titan beschichtet werden können. Die Beschichtung selbst formiert sich aus einer Oxidschicht im Oberflächenbereich der Metalle. Die Vorreinigung der zu beschichtenden Oberflächen hat bei diesen Verfahren wie beim zuvor genannten Chemischen Dampfabsetzungsverfahren dieselbe Bedeutung und Kostenwirkung. Hinzu kommt, dass für jeden zu beschichtenden Werkstoff eine spezielle elektrolytische Lösung verwendet werden muss.Trough ". Another disadvantage is that only a limited number of metals such as magnesium, aluminum or titanium can be coated. The coating itself is formed from an oxide layer in the surface area of the metals In the chemical vapor deposition process mentioned above, the same importance and cost impact, plus the fact that a special electrolytic solution must be used for each material to be coated.
Aus der DE 199 16 31 5 A1 ist ein Verfahren zum Bilden einer dünnen keramikartigen Schicht auf einem Bioimplantat bekannt. Das Bioimplantat wird dabei in eine Lösung mit vorgegebener Konzentration einer zumindest eine wesentliche Komponente eines biokompatiblen Stoffes, insbesondere Iridiumoxid, enthaltende Stoffverbindung, insbesondere Iridiumchlorid, in einem geeigneten flüssigen Träger eingetaucht, wonach die Lösung mit dem eingetauchten Bioimplantat mit Ultraschallenergie bestrahlt wird. Aufgrund einer chemischen Reaktion entsteht an der Oberfläche die gewünschte Schicht, wobei die Anwendung der Ultraschallenergie lediglich dazu dient, dass nur diejenigen Moleküle, die wirklich fest mit der Oberfläche des Bioimplantats verbunden sind, haften bleiben und die gewünschte rauhe Oberflächenstruktur bilden.A method for forming a thin ceramic-like layer on a bioimplant is known from DE 199 16 31 5 A1. The bioimplant is immersed in a solution with a predetermined concentration of a substance compound containing at least one essential component of a biocompatible substance, in particular iridium oxide, in particular iridium chloride, after which the solution with the immersed bioimplant is irradiated with ultrasound energy. Due to a chemical reaction, the desired layer is formed on the surface, whereby the use of ultrasonic energy only serves to ensure that only those molecules that are really solid with the surface of the Bioimplant are connected, stick and form the desired rough surface structure.
Alle bekannten Verfahren haben mehrere entscheidende Nachteile: hoher Kapitalaufwand und/oder hohe Investitionskosten beim Bau von Beschichtungsvorrichtungen, hoher Energieverbrauch im Betrieb, geringe Effektivität der Prozesse, Gesundheitsgefahren während des Betriebs, Umweltbelastung und hohe Entsorgungskosten. Darüber hinaus sind alle heute bekannten Beschichtungsverfahren in ihrer Anwendung technisch, chemisch oder physikalisch begrenzt, insbesondere gibt es Einschränkungen bezüglich der Beschichtungswerkstoffe und Beschichtungsdicken, jedenfalls bei vertretbaren Verfahrensdauern.All known methods have several decisive disadvantages: high capital expenditure and / or high investment costs in the construction of coating devices, high energy consumption in operation, low effectiveness of the processes, health risks during operation, environmental pollution and high disposal costs. In addition, all of the coating processes known today are technically, chemically or physically limited in their application, in particular there are restrictions with regard to the coating materials and coating thicknesses, at least with acceptable process times.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten von Gegenständen bereitzustellen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Insbesondere soll mit geringen Herstellungs- und Betriebskosten eine Vielzahl von Beschichtungen auf nahezu beliebigen Oberflächen möglich sein, insbesondere sowohl auf metallischen als auch auf nichtmetallischen Oberflächen. Das Beschichten soll ökologisch und ökonomisch sein, insbesondere sollen wenig oder vorzugsweise keine ökologisch problematischen Rückstände anfallen. Die Beschichtungen sollen dauerhaft und abriebfest sein.The object of the invention is to provide a method and a device for coating objects which overcome the disadvantages of the prior art. In particular, it should be possible to produce a large number of coatings on almost any surface with low production and operating costs, in particular both on metallic and on non-metallic surfaces. The coating should be ecological and economical, in particular little or preferably no ecologically problematic residues should be produced. The coatings should be durable and wear-resistant.
Die Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 bestimmte Verfahren und durch die im nebengeordneten Anspruch bestimmte Vorrichtung gelöst. Einige besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt. Die Aufgabe ist gelöst bei einem Verfahren zum Beschichten eines Gegenstandes, wobei der zu beschichtende Gegenstand und ein Beschichtungsmatenal in einen Reaktor eingebracht werden, und anschließend durch Einkoppeln von mechanischer Energie in den Reaktor und Übertragung der mechanischen Energie im Reaktor bis an eineThe object is achieved by the method defined in claim 1 and by the device defined in the independent claim. Some special embodiments of the invention are defined in the subclaims. The object is achieved in a method for coating an object, the object to be coated and a coating material being introduced into a reactor, and then by coupling mechanical energy into the reactor and transferring the mechanical energy in the reactor to one
Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes mindestens ein Teil des Beschichtungsmaterials sich mit der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes dauerhaft verbindet, dadurch, dass in den Reaktor Schallwellen in einem Frequenzbereich zwischen 15 kHz und 1 GHz eingekoppelt werden, und dass das Beschichtungsmaterial selbst die mechanische Energie bis an die Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes überträgt.Surface of the object to be coated at least part of the coating material permanently connects to the surface of the object to be coated, in that sound waves are coupled into the reactor in a frequency range between 15 kHz and 1 GHz, and that the coating material itself the mechanical energy up to transfers the surface of the object to be coated.
Die vorzugsweise ausschließlich von dem Beschichtungsmaterial an die Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes übertragenenThose which are preferably transferred exclusively from the coating material to the surface of the object to be coated
Schallwellen transportieren jene Energie, die erforderlich ist, damit sich das Beschichtungsmaterial an der Oberfläche des Gegenstandes anlagert und/oder in diese einlagert. Dabei kann es sich um jede Form der Anlagerung oder Einlagerung, einschließlich des Eindringens in die Oberfläche des Gegenstandes durch Diffusion, und die damit einhergehenden Bindungskräfte handeln, insbesondere sowohl starke als auch schwache chemische Bindungskräfte.Sound waves transport the energy that is required for the coating material to adhere to and / or be embedded in the surface of the object. This can be any form of attachment or embedding, including penetration into the surface of the object by diffusion, and the associated binding forces, in particular both strong and weak chemical binding forces.
Vorzugsweise bildet sich eine Schicht, die aus demselben Werkstoff besteht wie das Beschichtungsmaterial. In einer Ausführungsart der Erfindung ist es aber auch möglich, das überwiegend oder ausschließlich bestimmte Bestandteile des Beschichtungsmaterials sich an der Oberfläche anlagern oder in diese eindringen. Vorzugsweise sind in dem Reaktor nur der zu beschichtende Gegenstand und das Beschichtungsmaterial eingebracht, insbesondere keine weiteren flüssigen oder festen Werkstoffe.A layer is preferably formed, which consists of the same material as the coating material. In one embodiment of the invention, however, it is also possible for predominantly or exclusively certain components of the coating material to adhere to or penetrate the surface. Preferably, only those are in the reactor introducing the coating object and the coating material, in particular no further liquid or solid materials.
In einem dem Beschichten vorangehenden oder überlagerten Verfahrensschritt kann auch eine Reinigung oder Konditionierung der zu beschichtenden Oberfläche im Reaktor aufgrund der Einkopplung der mechanischen Energie erfolgen. Hierzu können beispielsweise Schallwellen einer bestimmten Frequenz, Impulsform und/oder Amplitude verwendet werden. Als Reinigungsmedium kann auch das Beschichtungsmaterial selbst dienen.In a process step preceding or superimposed on the coating, the surface to be coated can also be cleaned or conditioned in the reactor due to the coupling of the mechanical energy. For example, sound waves of a certain frequency, pulse shape and / or amplitude can be used for this. The coating material itself can also serve as the cleaning medium.
Das Beschichten kann maskiert oder unmaskiert erfolgen, vorzugsweise ganzflächig, insbesondere kann der zu beschichtende Gegenstand vollständig in das Beschichtungsmaterial eingetaucht werden. Eine Maskierung von nicht zu beschichtenden Bereichen kann beispielsweise durch Abdeckung der betreffenden Oberfläche mit einem Kunststoff erfolgen, beispielsweise auch mit einem strukturierten Lack, wobei zum Strukturieren auch Verfahren der Photolithographie eingesetzt werden können.The coating can be masked or unmasked, preferably over the entire surface, in particular the object to be coated can be completely immersed in the coating material. Areas that are not to be coated can be masked, for example, by covering the surface in question with a plastic, for example also with a structured lacquer, wherein methods of photolithography can also be used for the structuring.
Unter Beschichten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jede Art von Veränderung der chemischen oder physikalischen Eigenschaften der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes zu verstehen, insbesondere die Veränderung der Zusammensetzung der oberflächennahen Schicht des Gegenstandes, entweder durch Einlagerung von Fremdatomen aus dem Beschichtungsmaterial oder durch Aufwachsen von Schichten. Beschichtungswerkstoffe können metallische, nichtmetallische, kristalline, amorphe oder polymere Werkstoffe sein. Unter Reaktor ist allgemein eine Einrichtung zu verstehen, in der eine chemische und/oder physikalische Reaktion abläuft, im einfachsten Fall ein Behälter oder eine Wanne. Der Reaktor kann offen oder geschlossen sein. Bei vielen Ausführungsarten der Erfindung kann das Beschichten bei Atmosphärenbedingungen erfolgen, insbesondere bei Raumtemperatur, unter Atmosphärendruck und in Luft. Für einige Ausführungsarten kann eine bestimmte Atmosphäre, beispielsweise unter Schutzgas, ein erhöhter Druck und/oder eine erhöhte Temperatur vorteilhaft sein.In the context of the present invention, coating is understood to mean any type of change in the chemical or physical properties of the surface of the article to be coated, in particular the change in the composition of the layer of the article near the surface, either by incorporating foreign atoms from the coating material or by growing layers , Coating materials can be metallic, non-metallic, crystalline, amorphous or polymeric materials. A reactor is generally to be understood as a device in which a chemical and / or physical reaction takes place, in the simplest case a container or a trough. The reactor can be open or closed. In many embodiments of the invention, the coating can be carried out under atmospheric conditions, in particular at room temperature, under atmospheric pressure and in air. A certain atmosphere, for example under protective gas, an elevated pressure and / or an elevated temperature can be advantageous for some embodiments.
Der Reaktor bildet einen Beschichtungsraum, in dem sich einer, mehrere oder eine Vielzahl zu beschichtender Gegenstände in regelmäßiger oder unregelmäßiger Anordnung und ein Beschichtungsmaterial befinden, vorzugsweise in Pulverform. Um eine Beschichtung aufzubauen wird durch einen Ultraschallgenerator, der sich außerhalb oder innerhalb des Reaktors befinden kann, eine Ultraschallstrahlung erzeugt und in den Reaktor eingekoppelt. Die Energie für die Ultraschal I-Wandlerelemente wird von einem elektrischen Ultraschallgenerator in gleichbleibender oder vorzugsweise in modulierter Form bereitgestellt. Die eingekoppelte Ultraschallstrahlung kann den Diffusionsprozess des Beschichtungsmaterials in die zu beschichtende Oberfläche des Gegenstandes erleichtern und beschleunigen. Das gesamte Beschichtungsverfahren wird vorzugsweise durch die Einkopplung von modulierter Ultraschallstrahlung betrieben. Dadurch läuft die gesamte Prozesskette schneller und effektiver ab.The reactor forms a coating space in which one, several or a plurality of objects to be coated are arranged in a regular or irregular arrangement and a coating material, preferably in powder form. In order to build up a coating, ultrasound radiation is generated by an ultrasound generator, which can be located outside or inside the reactor, and is coupled into the reactor. The energy for the ultrasound I converter elements is provided by an electrical ultrasound generator in a constant or preferably in a modulated form. The injected ultrasound radiation can facilitate and accelerate the diffusion process of the coating material into the surface of the object to be coated. The entire coating process is preferably carried out by coupling in modulated ultrasound radiation. As a result, the entire process chain runs faster and more effectively.
Im ersten Schritt kann beispielsweise eine chemische, atomareIn the first step, for example, a chemical, atomic
Grenzschichtbildung erfolgen, bei der sich das Beschichtungsmaterial mit dem Werkstoff des zu beschichtenden Gegenstandes auf atomarer Ebene verbindet und eine Grenzschicht bildet. In einem zweiten Schritt wird auf dieser Grenzschicht weiteres Beschichtungsmaterial abgesetzt und die Beschichtung aufgebaut, die vorzugsweise dieselben Eigenschaften hat wie das Beschichtungsmaterial. Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine gleichmäßige, gleichartige und werkstoffhomogene Beschichtung.Boundary layers are formed in which the coating material combines with the material of the object to be coated at the atomic level and forms a boundary layer. In a second step, further coating material is deposited on this boundary layer and the Coating built up, which preferably has the same properties as the coating material. The described method enables a uniform, similar and material-homogeneous coating.
Die Partikelgröße des Pulvers beträgt vorzugsweise zwischen 1 nm und 500 m, vorzugsweise zwischen 1 nm und 10 μm, und insbesondere zwischen 1 nm und 1 μm. Die Ultraschalleistung ist abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall und kann beispielsweise zwischen 50 Watt und 100 kW liegen, insbesondere zwischen 500 Watt und 100 kW. Der Frequenzbereich des Ultraschalls liegt zwischen 15 kHz und 1 GHz, vorzugsweise zwischen 20 kHz und 100 MHz, und insbesondere zwischen 22 kHz und 500 kHz oder zwischen 50 kHz und 500 kHz. Durch die gleichzeitige Einkopplung von zwei oder mehreren Ultraschallfrequenzen durch zwei oder mehrere Wandlerelemente wird die Effektivität des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren erhöht. Beispielsweise können Frequenzpaarungen von 21 ,7 kHz und 880 kHz oder etwa 20 kHz und etwa 400 kHz verwendet werden.The particle size of the powder is preferably between 1 nm and 500 m, preferably between 1 nm and 10 μm, and in particular between 1 nm and 1 μm. The ultrasonic power depends on the respective application and can be, for example, between 50 watts and 100 kW, in particular between 500 watts and 100 kW. The frequency range of the ultrasound is between 15 kHz and 1 GHz, preferably between 20 kHz and 100 MHz, and in particular between 22 kHz and 500 kHz or between 50 kHz and 500 kHz. The effectiveness of the coating method according to the invention is increased by the simultaneous coupling in of two or more ultrasound frequencies by two or more transducer elements. For example, frequency pairs of 21, 7 kHz and 880 kHz or about 20 kHz and about 400 kHz can be used.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Ultraschall moduliert und/oder impulsförmig eingekoppelt, wobei hierfür wahlweise ein oder mehrere Ultraschallimpulse verwendet werden können. Die Grundschwingung kann beispielsweise sinusförmig, dreieckförmig, rechteckförmig oder deren Superpositionen sein. Als Modulationsarten sind in Abhängigkeit von dem Werkstoff des zu beschichtenden Gegenstandes, dem Beschichtungsmaterial und den gewünschten Schichteigenschaften insbesondere Amplitudenmodulation, Frequenzmodulation oder Phasenmodulation möglich. Der Modulationsgrad beträgt vorzugsweise zwischen 1 % und 100 %, insbesondere zwischen 20 % und 100 %, und typischerweise zwischen 50 % und 100 %, insbesondere bei der Amplitudenmodulation. Die Modulationsfunktionen können symmetrische oder asymmetrische Formen bzw. deren Superpositionen aufweisen. Der Modulationsfrequenzbereich beträgt vorzugsweise zwischen 50 Hz und 1 GHz, insbesondere zwischen 500 Hz und 25 MHz und typisch zwischen 1000 Hz und 880 kHz.In a preferred embodiment of the invention, the ultrasound is modulated and / or coupled in a pulsed manner, one or more ultrasound pulses being able to be used for this. The basic vibration can be, for example, sinusoidal, triangular, rectangular or their superpositions. Depending on the material of the object to be coated, the coating material and the desired layer properties, in particular amplitude modulation, frequency modulation or phase modulation are possible as types of modulation. The degree of modulation is preferably between 1% and 100%, in particular between 20% and 100%, and typically between 50% and 100%, especially in the Amplitude modulation. The modulation functions can have symmetrical or asymmetrical shapes or their superpositions. The modulation frequency range is preferably between 50 Hz and 1 GHz, in particular between 500 Hz and 25 MHz and typically between 1000 Hz and 880 kHz.
Im Impulsbetrieb liegt die Zeitspanne der Impulsperioden beispielsweise zwischen 1 ns und 100 s, wobei der Impulsabstand bei mehreren Ultraschallimpulsen typisch zwischen 100 ns und 100 ms liegt. Dabei wird die zugeführte Ultraschallenergie unmittelbar zur Erzeugung einer gleichmäßigen und werkstoffhomogenen Beschichtung verwendet.In pulse operation, the time period of the pulse periods is, for example, between 1 ns and 100 s, the pulse spacing being typically between 100 ns and 100 ms in the case of a plurality of ultrasound pulses. The ultrasound energy supplied is used directly to produce a uniform and material-homogeneous coating.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich (optional) ein elektromagnetisches oder elektrostatisches Feld eingekoppelt, um die Effektivität des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren noch zu erhöhen. Bei einem elektrisch leitenden Beschichtungsmaterial kann insbesondere ein Steuerstrom eingeprägt werden, bei einem elektrisch isolierenden Beschichtungsmaterial ein elektrostatisches Steuerfeld eingekoppelt werden.In one embodiment of the invention, an electromagnetic or electrostatic field is additionally (optionally) coupled in to further increase the effectiveness of the coating method according to the invention. In the case of an electrically conductive coating material, in particular a control current can be impressed, in the case of an electrically insulating coating material an electrostatic control field can be coupled in.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The present invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention.
Der Generator zum Erzeugen der mechanischen Energie umfasst zunächst einen oder mehrere elektrische Signalgeneratoren und ein oder mehrere Wandlerelemente, beispielsweise keramische piezoelektrische Wandlerelemente, piezokeramische Komposit-Wandlerelemente (1-3, 3-0 und andere), magnetoresistive Wandlerelemente, elektrooptische Wandlerelemente und dergleichen, auch in Mischform, welche die elektrischen Signale in mechanische Schwingungen umwandeln.The generator for generating the mechanical energy initially comprises one or more electrical signal generators and one or more transducer elements, for example ceramic piezoelectric transducer elements, piezoceramic composite transducer elements (1-3, 3-0 and others), magnetoresistive transducer elements, electro-optical ones Transducer elements and the like, also in mixed form, which convert the electrical signals into mechanical vibrations.
Der Reaktor besteht im einfachsten Fall aus einer Wanne oder einem Becken, das vorzugsweise mit Kunststoff ausgekleidet ist oder jedenfalls auf seiner Oberfläche, die mit dem Beschichtungsmaterial in Berührung kommt, mit einer Kunststofffolie bedeckt ist, wodurch eine Beschichtung des Reaktors verhindert wird.In the simplest case, the reactor consists of a trough or a basin, which is preferably lined with plastic or, in any case, is covered on its surface that comes into contact with the coating material with a plastic film, which prevents coating of the reactor.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine preiswerte und hoch effektive Beschichtung von nahezu allen technischen Werkstoffen mit nahezu beliebigen Beschichtungswerkstoffen. Beispielsweise kann man Polymerwerkstoffe ohne Gefahr der Verschmelzung mit Metallen beschichten. Weiterhin ist es u.a. möglich, niedrigschmelzende Metalle mit beliebigen Keramiken zu beschichten.The present invention enables an inexpensive and highly effective coating of almost all technical materials with almost any coating materials. For example, polymer materials can be coated with metals without the risk of fusion. Furthermore, it is possible to coat low-melting metals with any ceramics.
Die Beschichtungen, die durch die Anwendung der Erfindung entstehen, haben folgende vorteilhafte Eigenschaften: ® sehr glatte, glänzende Schichten •> geringste Porosität - infolgedessen ist Gasdichtheit erreichbarThe coatings which result from the application of the invention have the following advantageous properties: ® very smooth, shiny layers •> lowest porosity - as a result, gas tightness can be achieved
• mehrere Schichten von verschiedenen Werkstoffen sind nach Belieben möglich β keine Beschränkung der Beschichtungsstärke• multiple layers of different materials are possible at will β no restriction of the coating thickness
• keine nachfolgende Temperaturbehandlung nötig • stärkere Verbindung der Beschichtung mit der Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes als bei allen bekannten Beschichtungsverfahren © Beschichtungen können von beliebiger Härte sein; die Härte hängt nur von dem verwendeten Beschichtungsmaterial ab, beispielsweise wird durch die Verwendung von keramischem Pulver aus TiAlN (Titan- Aluminiumnitrid),WC (Wolframkarbid) oder BC (Borkarbid) eine sehr hohe Oberflächenhärte erreicht.• no subsequent heat treatment necessary • stronger connection of the coating to the surface of the object to be coated than with all known coating methods © coatings can be of any hardness; the hardness depends only on the coating material used, for example achieved a very high surface hardness through the use of ceramic powder made of TiAlN (titanium aluminum nitride), WC (tungsten carbide) or BC (boron carbide).
Die Beschichtungen können je nach Beschichtungswerkstoff kratzfeste, verschleißfeste und/oder korrosionsbeständige Oberflächen bilden. Das Beschichtungsmaterial kann ausschließlich und unmittelbar aus dem Beschichtungswerkstoff bestehen. Es ist auch möglich, zusätzlich ein hinsichtlich der Beschichtung inertes pulverförmiges Material wie beispielsweise Quarzsand hinzuzufügen, beispielsweise um die Übertragung der mechanischen Energie an den zu beschichtenden Gegenstand gezielt beeinflussen zu können. Im Gegensatz zu den bekannten Beschichtungsverfahren benötigt das erfindungsgemäße Verfahren keine reaktiven Flüssigkeiten und verursacht deshalb keine umweltbelastenden Stoffe. Insbesondere handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren vorzugsweise um einen rein physikalischen Beschichtungsprozess, bei dem keine chemische Reaktion oder Umwandlung des in den Reaktor eingebrachten Beschichtungsmaterials erfolgt, sondern bei dem das Beschichtungsmaterial hinsichtlich seiner werkstoffmäßigen Zusammensetzung unverändert auf den zu beschichtenden Gegenstand aufgebracht wird. Dabei ist vorzugsweise weder eine Vorbehandlung des zu beschichtenden Gegenstandes noch eine Nachbehandlung des beschichteten Gegenstandes erforderlich, insbesondere keine chemische Vor- oder Nachbehandlung.Depending on the coating material, the coatings can form scratch-resistant, wear-resistant and / or corrosion-resistant surfaces. The coating material can consist exclusively and directly of the coating material. It is also possible to additionally add a powdery material, such as quartz sand, which is inert with regard to the coating, for example in order to be able to specifically influence the transfer of the mechanical energy to the object to be coated. In contrast to the known coating processes, the process according to the invention does not require any reactive liquids and therefore does not cause any polluting substances. In particular, the coating method according to the invention is preferably a purely physical coating process in which there is no chemical reaction or conversion of the coating material introduced into the reactor, but in which the coating material is applied unchanged to the object to be coated with regard to its material composition. Neither a pretreatment of the object to be coated nor a post-treatment of the coated object is preferably necessary, in particular no chemical pretreatment or post-treatment.
Die Erfindung ermöglicht es, auch rauhe oder matte Beschichtungen zu erzeugen. Um diesen Oberflächeneffekt zu erhalten, verwendet man vorzugsweise absetzbare Pulver mit großen Partikeln. Je größer die Pulverpartikel sind, desto gröber ist die Oberflächenstruktur der Beschichtung.The invention also makes it possible to produce rough or matt coatings. To obtain this surface effect, it is preferable to use settable powders with large particles. The bigger the Powder particles, the coarser the surface structure of the coating.
Durch die Anwendung der Erfindung können sehr kleine Bohrungen, Löcher und poröse Oberflächen beschichtet werden. So können Bohrungen bzw. Löcher mit einem Durchmesser bis zu 50 nm beschichtet werden, was bisher nicht möglich ist.By using the invention, very small bores, holes and porous surfaces can be coated. In this way, bores or holes with a diameter of up to 50 nm can be coated, which was previously not possible.
Die Schichtwachstumsrate ist vom absetzbaren Werkstoff, von der Partikelgröße des Pulvers, vom Werkstoff des zu beschichtendenThe layer growth rate depends on the material that can be removed, the particle size of the powder, and the material of the material to be coated
Gegenstandes und von der Form und Intensität der Ultraschallenergie abhängig und liegt beispielsweise im Bereich von mehreren μm/min bis zu mehreren mm/min.Subject and depending on the shape and intensity of the ultrasonic energy and is for example in the range of several microns / min to several mm / min.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.Further features and details of the invention emerge from the subclaims and the following description, in which an exemplary embodiment is described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can be essential to the invention individually or in any combination.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Beschichtungsvorrichtung.Fig. 1 shows schematically the structure of a coating device according to the invention.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßenFig. 1 shows schematically the structure of an inventive
Vorrichtung 1 zum Beschichten eines Gegenstandes 2, im vorliegenden Fall eines Quaders aus Aluminium. Hierzu wird der zuvor jedenfalls vorgereinigte Gegenstand 2 in den Reaktor 3 eingebracht, der im vorliegenden Fall durch eine Wanne 9 gebildet ist, die mit einer Kunststofffolie 10 ausgekleidet ist und mit einem Deckel 1 1 verschließbar ist. Die Wanne 9 ist mit einem pulverförmigen Beschichtungsmaterial 4 so weit gefüllt, dass der Gegenstand 2 vollständig darin eintaucht. Bei dem Beschichtungsmaterial 4 kann es sich beispielsweise um ein Pulver aus einem keramischen Beschichtungswerkstoff handeln mit einer Korngröße zwischen 1 nm und 1 μm, mit einer mittleren Korngröße von etwa 100 nm. Es wird mit einem deutlichen Überschuss an Beschichtungsmaterial 4 gearbeitet, so dass sich nur ein geringer Teil des in dem Reaktor 3 befindlichen Beschichtungsmaterials 4 mit dem Gegenstand 2 verbindet.Device 1 for coating an object 2, in the present case an aluminum cuboid. For this purpose, the previously pre-cleaned object 2 is introduced into the reactor 3, which in the present case is formed by a trough 9 which is provided with a Plastic film 10 is lined and can be closed with a lid 1 1. The tub 9 is filled with a powdery coating material 4 so far that the object 2 is completely immersed in it. The coating material 4 can be, for example, a powder made of a ceramic coating material with a grain size between 1 nm and 1 μm, with an average grain size of about 100 nm. A significant excess of coating material 4 is used, so that only a small part of the coating material 4 located in the reactor 3 connects to the object 2.
Von dem Reaktor 3 beabstandet ist ein Signalgenerator 6 angeordnet, der kontinuierliche oder impulsartige elektrische Signale mit einer vorzugsweise einstellbaren Signalform und einer Frequenz zwischen 20 kHz und 1000 kHz und einer Leistung von 1 kW erzeugt. Eine Modulationseinrichtung 5 kann beispielsweise eine Amplitudenmodulation des Ausgangssignals des Signalgenerators 6 steuern, wobei das Modulationssignal und der Modulationsgrad einstellbar ist.A signal generator 6 is arranged at a distance from the reactor 3 and generates continuous or pulse-like electrical signals with a preferably adjustable signal form and a frequency between 20 kHz and 1000 kHz and a power of 1 kW. A modulation device 5 can, for example, control an amplitude modulation of the output signal of the signal generator 6, the modulation signal and the degree of modulation being adjustable.
Das vorzugsweise dreieckförmige elektrische Ausgangssignal des Signalgenerators 6 wird über Koaxialleiterverbindungen 12 zuThe preferably triangular electrical output signal of the signal generator 6 is via coaxial conductor connections 12
Wandlerelementen 7 geführt, die an den Wänden der Wanne 9 des Reaktors 3 angeordnet sind, beispielsweise angeklebt sind, und im Ausführungsbeispiel aus einem keramischen piezoelektrischen Werkstoff hergestellt sind. Die Anzahl der Wandlerelemente 7 ist unter anderem von der Baugröße der Wanne 9 abhängig. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind nur beispielhaft drei Wandlerelemente 7 vorgesehen; dabei sind zwei Wandlerelemente 7 auf gegenüberliegenden Seitenwänden der Wanne 9 angeordnet und ein Wandlerelement 7 ist an der Bodenfläche der Wanne 9 angeordnet. In Abhängigkeit des Anwendungsfalles können auch mehrere Wandlerelemente 7 an der Bodenfläche der Wanne 9 angeordnet sein, und/oder es können nur an einer Seitenwand oder allseitig an der Wanne 9 ein oder mehrere Wandlerelemente angeordnet sein.Transducer elements 7 guided, which are arranged on the walls of the trough 9 of the reactor 3, for example are glued, and in the exemplary embodiment are made of a ceramic piezoelectric material. The number of transducer elements 7 depends, among other things, on the size of the tub 9. In the exemplary embodiment shown, only three converter elements 7 are provided by way of example; two transducer elements 7 are arranged on opposite side walls of the tub 9 and one transducer element 7 is arranged on the bottom surface of the tub 9. Depending on the application, several can be used Transducer elements 7 can be arranged on the bottom surface of the tub 9, and / or one or more transducer elements can be arranged on only one side wall or on all sides of the tub 9.
Die Wandlerelemente 7 koppeln die mechanische Energie in Form von Ultraschallwellen 8 in der Reaktor 3 ein. Dabei dient das Beschichtungsmaterial 4 selbst als Übertragungsmedium für die mechanische Energie des Ultraschalls bis an die Oberfläche 2a des zu beschichtenden Gegenstandes 2, wodurch sich mindestens ein Teil des Beschichtungsmaterials 4 mit dem zu beschichtenden Gegenstand 2 dauerhaft verbindet. Die eingekoppelten Schallwellen liegen in einem Frequenzbereich zwischen 15 kHz und 1 GHz.The converter elements 7 couple the mechanical energy in the form of ultrasonic waves 8 into the reactor 3. The coating material 4 itself serves as a transmission medium for the mechanical energy of the ultrasound up to the surface 2a of the object 2 to be coated, as a result of which at least a portion of the coating material 4 permanently bonds to the object 2 to be coated. The injected sound waves are in a frequency range between 15 kHz and 1 GHz.
Es ist auch möglich, die beiden einander gegenüberliegenden Elektrode 13 mit einer ersten, modulierten Frequenz zu betreiben und die an der Bodenfläche der Wanne 9 angeordnete dritte Elektrode 13 mit einer zweiten, unmodulierten Frequenz und/oder unterschiedlicher Leistung zu betreiben. Dadurch kann der Schichtaufbau gezielt beeinflusst werden, insbesondere kann die Homogenität der Beschichtung gesteuert werden. Es ist auch möglich, die dritte Elektrode 13 in einem der eigentlichenIt is also possible to operate the two opposite electrodes 13 with a first, modulated frequency and to operate the third electrode 13 arranged on the bottom surface of the tub 9 with a second, unmodulated frequency and / or different power. The layer structure can thereby be influenced in a targeted manner, in particular the homogeneity of the coating can be controlled. It is also possible to place the third electrode 13 in one of the actual ones
Beschichtung vorgeschalteten Verfahrensschritt zu betreiben, um dadurch die Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstandes 2 zu konditionieren, insbesondere zu reinigen.Operate coating upstream process step, thereby conditioning, in particular cleaning, the surface of the object 2 to be coated.
Die leicht auswechselbare Kunststofffolie 10 schützt die Wanne 9 einfach aber wirksam gegen eine Beschichtung mit dem Beschichtungsmaterial 4. Pulverreste, die sich als Beschichtung an der Kunststofffolie 10 aufgebaut haben, können damit zur Wiederverwertung aufgearbeitet werden. Der Deckel 1 1 schließt die Wanne 9 nach oben ab, im wesentlichen um die Verunreinigung durch Fremdstoffe zu verhindern. Der Reaktor 3 muss nicht gasdicht sein, insbesondere kann das Beschichten unter Atmosphärendruck bei Raumtemperatur erfolgen. In der Wanne 9 sind außerdem Elektroden 13 angeordnet, die durch entsprechende Öffnungen im Deckel 1 1 hindurchtreten. Die Anordnung der Elektroden 13 ist vorzugsweise so, dass sie den zu beschichtenden Gegenstand 2 zwischen sich aufnehmen, insbesondere ist der Abstand des Gegenstandes 2 zu den beiden Elektroden 13 etwa gleich groß. Die Elektroden 13 sind mit einem Feldgenerator 14 zum Erzeugen eines elektromagnetischen oder elektrostatischen Feldes verbunden, durch das die Beschichtung zusätzlich steuerbar ist.The easily replaceable plastic film 10 protects the tub 9 simply but effectively against coating with the coating material 4. Powder residues that have built up as a coating on the plastic film 10 can thus be worked up for recycling. The lid 1 1 closes the tub 9 at the top, essentially to prevent contamination by foreign substances. The reactor 3 does not have to be gas-tight, in particular the coating can be carried out under atmospheric pressure at room temperature. In the tub 9 there are also electrodes 13 which pass through corresponding openings in the lid 11. The arrangement of the electrodes 13 is preferably such that they accommodate the object 2 to be coated between them, in particular the distance of the object 2 from the two electrodes 13 is approximately the same. The electrodes 13 are connected to a field generator 14 for generating an electromagnetic or electrostatic field, by means of which the coating can also be controlled.
Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren wurde mit verschiedenen Beschichtungswerkstoffen auf Gegenständen aus verschiedenenThe coating method according to the invention was carried out with different coating materials on objects made of different materials
Werkstoffen getestet. Darüber hinaus wurden sowohl Platten, Röhren oder Nadeln als auch Gegenstände mit komplexen Geometrien wie zum Beispiel Kühlkörper erfindungsgemäß beschichtet. Die Schichtdicke lag typisch bei 0,1 μm, mit einer Wachstumsrate von 0,02 μm/min.Materials tested. In addition, plates, tubes or needles as well as objects with complex geometries such as heat sinks were coated according to the invention. The layer thickness was typically 0.1 μm, with a growth rate of 0.02 μm / min.
Bei den Werkstoffen der zu beschichtenden Gegenstände handelte es sich beispielsweise um Aluminium, Titan, Niobium, verschiedene Stähle und Stahllegierungen und Kunststoffe. Als Werkstoff des pulverförmigen Beschichtungsmaterials wurde u.a. Nickel, Chrom, Hafnium, Titan, Siliziumkarbid, Borkarbid, Siliziumaluminiumnitridkarbid,The materials of the objects to be coated were, for example, aluminum, titanium, niobium, various steels and steel alloys and plastics. Among other things, the material of the powdery coating material was Nickel, chrome, hafnium, titanium, silicon carbide, boron carbide, silicon aluminum nitride carbide,
Titanaluminiumkarbid, Wolframkarbid, Zirkoniumkarbid, Zirkondioxid, Titaniumdioxid, Aluminiumoxid eingesetzt. Diese Werkstoffe konnte man bei den bisherigen Beschichtungsverfahren nur mit hohem technischen Aufwand als Beschichtungswerkstoffe verwenden. Versuchsergebnisse haben gezeigt, dass metallische Beschichtungspulver sehr glatte und glänzende Schichten bilden. Beschichtungswerkstoffe auf keramischer Basis bilden kratzfeste Oberflächen mit Härten bis zu 4800 HV. Deren Korrosionsbeständigkeit wurde mit dem Heiß- Salzsprühverfahren getestet. Der Versuch wurde nach 580 Stunden abgebrochen, da weder makroskopisch noch mikroskopisch eine Korrosion oder eine sonstige Oberflächenveränderung erkennbar waren. Aluminiumteile mit keramischen Beschichtungen zeigen bei Langzeittests in Säurebädern wie zum Beispiel Schwefelsäure, Fluorwasserstoffsäure oder auch in Laugenbädern sehr gute Resultate betreffend die Beständigkeit der Beschichtungen. Titanium aluminum carbide, tungsten carbide, zirconium carbide, zirconium dioxide, titanium dioxide, aluminum oxide are used. In the previous coating processes, these materials could only be used as coating materials with great technical effort. Test results have shown that metallic coating powders form very smooth and shiny layers. Ceramic-based coating materials form scratch-resistant surfaces with hardnesses up to 4800 HV. Their corrosion resistance was tested using the hot salt spray method. The test was stopped after 580 hours, since neither macroscopic nor microscopic corrosion or any other surface change was discernible. Aluminum parts with ceramic coatings show very good results regarding the durability of the coatings in long-term tests in acid baths such as sulfuric acid, hydrofluoric acid or in caustic baths.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Verfahren zum Beschichten eines Gegenstandes (2), wobei der zu beschichtende Gegenstand (2) und ein Beschichtungsmaterial (4) in einen Reaktor (3) eingebracht werden, und anschließend durch Einkoppeln von mechanischer Energie in den Reaktor (3) und Übertragung der mechanischen Energie im Reaktor (3) bis an eine Oberfläche (2a) des zu beschichtenden Gegenstandes (2) mindestens ein Teil des Beschichtungsmaterials (4) sich mit der Oberfläche (2a) des zu beschichtenden Gegenstandes (2) dauerhaft verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass in den Reaktor (3) Schallwellen (8) in einem Frequenzbereich zwischen 1 5 kHz und 1 GHz eingekoppelt werden, und dass das Beschichtungsmaterial (4) selbst die mechanische Energie bis an die Oberfläche (2a) des zu beschichtenden Gegenstandes (2) überträgt.1 . Process for coating an object (2), the object to be coated (2) and a coating material (4) being introduced into a reactor (3), and then by coupling mechanical energy into the reactor (3) and transferring the mechanical energy in the reactor (3) up to a surface (2a) of the object (2) to be coated, at least part of the coating material (4) permanently bonds to the surface (2a) of the object (2) to be coated, characterized in that in the Reactor (3) sound waves (8) are coupled in a frequency range between 15 kHz and 1 GHz, and that the coating material (4) itself transfers the mechanical energy to the surface (2a) of the object (2) to be coated.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (4) pulverförmig eingebracht wird und in dem Reaktor (3) pulverförmig an dem zu beschichtenden Gegenstand (2) anliegt.2. The method according to claim 1, characterized in that the coating material (4) is introduced in powder form and in the reactor (3) is in powder form on the object (2) to be coated.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgröße des Pulvers zwischen 1 nm und 500 μm beträgt, vorzugsweise zwischen 1 nm und 10 μm, und insbesondere zwischen 1 nm und 1 μm.3. The method according to claim 2, characterized in that the particle size of the powder is between 1 nm and 500 μm, preferably between 1 nm and 10 μm, and in particular between 1 nm and 1 μm.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellen (8) kontinuierlich oder impulsförmig eingekoppelt werden, vorzugsweise mit einer Dreieck- Signalform.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the sound waves (8) continuously or be coupled in pulse form, preferably with a triangular waveform.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellen (8) moduliert eingekoppelt werden, insbesondere amplitudenmoduliert, frequenzmoduliert und/oder phasenmoduliert.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the sound waves (8) are injected modulated, in particular amplitude-modulated, frequency-modulated and / or phase-modulated.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal symmetrisch und/oder asymmetrisch ist.6. The method according to claim 5, characterized in that the modulation signal is symmetrical and / or asymmetrical.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Schallwellen (8) zwischen 15 kHz und 100 MHz liegt, vorzugsweise zwischen 20 kHz und 1 MHz, und insbesondere zwischen 22 kHz und 800 kHz.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the frequency of the sound waves (8) is between 15 kHz and 100 MHz, preferably between 20 kHz and 1 MHz, and in particular between 22 kHz and 800 kHz.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schallwellen (8) unterschiedlicher Frequenzen, Amplituden und/oder Phasen gleichzeitig und/oder hintereinander eingekoppelt werden.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that sound waves (8) of different frequencies, amplitudes and / or phases are coupled in simultaneously and / or in succession.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schallwellen (8) mit unterschiedlicher Frequenz gleichzeitig eingekoppelt werden, vorzugsweise eine erste niederfrequente Schallwelle (8) mit einer Frequenz von etwa 20 kHz und eine zweite hochfrequente Schallwelle (8) mit einer Frequenz von etwa 400 kHz. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that two sound waves (8) with different frequencies are coupled in simultaneously, preferably a first low-frequency sound wave (8) with a frequency of about 20 kHz and a second high-frequency sound wave (8) with a frequency of about 400 kHz.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung eines Generators (5, 6, 7) der Schallwellen (8) zwischen 50 W und 100 kW beträgt, vorzugsweise zwischen 100 W und 10 kW, und insbesondere zwischen 500 W und 2 kW.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the power of a generator (5, 6, 7) of the sound waves (8) is between 50 W and 100 kW, preferably between 100 W and 10 kW, and in particular between 500 W and 2 kW.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch ein in den Reaktor (3) zusätzlich eingekoppeltes elektrostatisches und/oder elektromagnetisches Feld unterstützt wird.1 1. Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the coating is supported by an electrostatic and / or electromagnetic field additionally coupled into the reactor (3).
12. Vorrichtung (1) zum Beschichten eines Gegenstandes (2), mit einem Reaktor (3), in den der zu beschichtende Gegenstand (2) und ein Beschichtungsmaterial (4) einbringbar sind, und mit einem Generator (5, 6, 7) zum Erzeugen mechanischer Energie, wobei durch Einkoppeln der mechanischen Energie in den Reaktor (3) und Übertragung der mechanischen Energie im Reaktor (3) bis an eine Oberfläche (2a) des zu beschichtenden Gegenstandes (2) mindestens ein Teil des Beschichtungsmaterials (4) sich mit mindestens einem Bereich der Oberfläche (2a) des zu beschichtenden Gegenstandes (2) dauerhaft verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (5, 6, 7) in den Reaktor (3) einkoppelbare Schallwellen (8) in einem Frequenzbereich zwischen 15 kHz und 1 GHz erzeugt, und dass das Beschichtungsmaterial (4) selbst die mechanische Energie bis an die Oberfläche (2a) des zu beschichtenden Gegenstandes (2) überträgt.12. Device (1) for coating an object (2), with a reactor (3), into which the object to be coated (2) and a coating material (4) can be introduced, and with a generator (5, 6, 7) for generating mechanical energy, at least part of the coating material (4) being obtained by coupling the mechanical energy into the reactor (3) and transferring the mechanical energy in the reactor (3) to a surface (2a) of the object (2) to be coated permanently connects to at least one area of the surface (2a) of the object (2) to be coated, characterized in that the generator (5, 6, 7) can be coupled into the reactor (3) with sound waves (8) in a frequency range between 15 kHz and 1 GHz, and that the coating material (4) itself transfers the mechanical energy to the surface (2a) of the object (2) to be coated.
13. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellen (8) durch Wandlerelemente (7) erzeugt werden, die vorzugsweise unmittelbar an einer Wand des Reaktors (3) angeordnet sind.13. The device (1) according to claim 12, characterized in that the sound waves (8) are generated by transducer elements (7) which are preferably arranged directly on a wall of the reactor (3).
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wandlerelemente (7) vorgesehen sind, insbesondere an gegenüberliegenden Wänden des Reaktors (3) angeordnet sind.14. The device (1) according to claim 12 or 13, characterized in that a plurality of converter elements (7) are provided, in particular are arranged on opposite walls of the reactor (3).
15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein erstes Wandlerelement (7) Schallwellen (8) mit einer ersten Frequenz einkoppelbar sind, und dass durch ein zweites Wandlerelement (7) Schallwellen (8) mit einer zweiten Frequenz einkoppelbar sind, die höher als die erste Frequenz ist.15. The device (1) according to claim 14, characterized in that sound waves (8) can be coupled in at a first frequency through a first converter element (7), and that sound waves (8) can be coupled in at a second frequency through a second converter element (7) are higher than the first frequency.
16. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenseite des Reaktors (3) eine Oberfläche aufweist, an welcher keine dauerhafte Anlagerung des Beschichtungsmaterials (4) erfolgt, insbesondere eine Oberfläche aus einem Kunststoff.16. The device (1) according to any one of claims 12 to 15, characterized in that an inside of the reactor (3) has a surface on which there is no permanent accumulation of the coating material (4), in particular a surface made of a plastic.
1 7. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zusätzlich Elektroden (13) aufweist für das Einkoppeln eines zusätzlichen elektrostatischen und/oder elektromagnetischen Feldes in den Reaktor(3). 1 7. Device (1) according to one of claims 12 to 16, characterized in that the device (1) additionally has electrodes (13) for coupling an additional electrostatic and / or electromagnetic field into the reactor (3).
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