[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mittels einer
thermischen Spritzmethode, beispielsweise dem Flamm-oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen,
dem Lichtbogen- oder Plasmaspritzen oder dem Detonationsspritzen, wobei ein Strahl
aus heißem Transportgas und geschmolzenen Materialpartikeln auf die betreffende Oberfläche
gerichtet wird und dabei benachbart zum Spritzstrahl mit einem zu wesentlichen Teilen
aus Kohlendioxid bestehenden Kühlstrahl enthaltend Kaltgas und Schneepartikel gekühlt
wird.
[0002] Ein solches Verfahren ist aus der DE-PS 26 15 022 bekannt. Bei diesem wird reine
Kohlensäure (C0
2) als Kühlmittel angewandt, wobei diese der den Kühlstrahl erzeugenden Düse in flüssigem
Zustand zugeführt wird. Dabei bildet sich beim Austritt aus dieser ein Gemisch aus
gasförmigem und festem C0
2, d.h. C0
2-Schneepartikeln, welches beim Auftreffen auf ein Werkstück eine besonders hohe und
in Verbindung mit dem thermischen Auftragen von Schichten besonders vorteilhafte Kühlleistung
erzielt. Würde bei der, in der DE-PS 26 15 022 gezeigten Weise, gasförmige statt flüssige
Kohlensäure (C0
2) eingesetzt, so ergäbe sich eine erheblich verringerte Kühlwirkung, da der entstehende
Kühlstrahl eine geringere Kälte und insbesondere einen erheblich niedrigeren Anteil
an C0
2-Schneepartikeln aufweisen würde. Dies kommt erstens dadurch zustande, daß diejenige
Kältemenge, die für den Phasenübergang flüssig gasförmig dem C0
2 zuzuführen ist, bei der reinen Gasexpansion nicht mehr vorhanden ist, und zum zweiten
dadurch, daß bei der in der obengenannten DE-PS gezeigten Düse und anderen gängigen
Runddüsen das C0
2 sofort nach dem Verlassen der Düse umgebende Luft ansaugt, folglich ein inniger Wärmeaustausch
mit dieser stattfindet und sich in der Folge deutlich weniger Schnee als bei der Flüssig-C0
2- Expansion bildet. Dieser C0
2-Schnee trägt jedoch wesentlich zur bekannten Kühlwirkung bei und bildet quasi einen
Latentkälte-Speicher, der das Werkstück unmittelbar kühlt. Die Folge wäre eine im
Vergleich zum Verfahren gemäß der DE-PS erheblich verringerte Kühlwirkung auf einem
beaufschlagten Werkstück.
[0003] Gleiches gilt auch für die aus der EP-PS 0 263 469 bekannten Verfahren, bei denen
ebenfalls ein aus Flüssig-C0
2 erzeugter, jedoch gemischter Kühlstrahl bestehend aus C0
2-Gas, C0
2-Schnee und weiteren Gasen, beispielsweise Helium und/oder Wasserstoff, zur Kühlung
der thermisch gespritzten Oberflächen angewandt wird.
[0004] Die Anwendung flüssigen Kohlendioxids, wobei jeweils auf Umgebungstemperatur befindliches,
unter dem Verflüssigungsdruck stehendes C0
2 angesprochen ist, bedeutet allerdings, daß eine spezielle Form der C0
2-Versorgung zu gewährleisten ist, nämlich eine solche, in der das Kohlendioxid aus
den jeweiligen Speicherbehältern in der flüssigen Phase ausgebracht wird. Das heißt,
daß das Kohlendioxid, das sich gemäß Standardspeicherung bei 20
° C mit etwa 57 bar Druck in den zugehörigen Speicherbehältern befindet, aus diesen
mittels Steigrohr oder auf andere spezielle Weise auszubringen ist, d.h. daß die Speicherbehälter
mit einer Flüssigphasenentnahme versehen sein müssen.
[0005] Eine weitere Schwierigkeit bei der Anwendung von Kohlendioxid zu Kühlzwecken in Verbindung
mit thermischen Spritzmethoden besteht darin, daß sich mit einem aus einer konventionellen
Runddüse austretenden Kohlendioxidstrahl ein turbulenter, breit gefächerter Schnee-Gas-Mischstrahl
ausbildet, der keine gezielte Einwirkung auf einen geeignet begrenzten Oberflächenbereich
zuläßt. Bei der Anwendung eines solchen turbulenten und divergenten Kohlendioxidstrahls
benachbart zu einem Spritzstrahl kann zudem eine nachteilige gegenseitige Beeinflussung
des Spritzstrahls und des Kühlstrahls erfolgen.
[0006] Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, ein thermisches
Spritzverfahren mit C0
2-Kühlung anzugeben, das die beschriebenen Nachteile vermeidet oder beseitigt und insbesondere
auch die Anwendung von gasförmigen Kohlendioxid ermöglicht.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kohlendioxidanteil im
Kühlstrahl aus gasförmigem, wenigstens unter 45 bar Druck stehendem Kohlendioxid gewonnen
wird und zwar derart, daß das Kohlendioxidgas über eine enge Schlitzdüse oder eine
sonstige schlitzartige Öffnung zunächst in ein um diesen Expansionsschlitz angeordnetes,
weitgehend abgeschlossenes Expansionsvolumen hinein expandiert wird und ausgehend
von diesem Expansionsvolumen und dessen Austrittsöffnung der Kühlstrahl gebildet und
auf die zu kühlende Fläche gerichtet wird.
[0008] Aufgrund der Tatsache, daß erfindungsgemäß von gasförmigem und nicht flüssigem Kohlendioxid
ausgegangen wird, kann zunächst jegliche Sonderausstattung der C0
2-Speicherbehälter entfallen. Eine geringfügige Einschränkung entsteht hierbei dadurch,
daß der C0
2-Druck in diesen Behältern zur Durchführung der Erfindung nicht unter 45 bar abfallen
darf,da die Kälte für den Kühlstrahl allein aus der Expansionsabkühlung des C0
2-Gases gewonnen wird und andererseits kein Beitrag aus der "latenten Kälte" des flüssigen
Kohlendioxids mehr verfügbar ist. Aus diesem Grund ist unterhalb von Druckwerten von
45 bar, die bei ungünstigen Bedingungen - z.B. bei Lagerung der Speicherflaschen im
Freien und tiefen Außentemperaturen - ohne weiteres auftreten können, die Kälteausbeute
zu gering. Sind jedoch die Standarddruckwerte von ca. 57 bar, wie sie sich bei Raumtemperatur
einstellen, verfügbar, so ergibt sich eine ausgezeichnete Funktion.
[0009] Dabei ist vor allem die erfindungsgemäße Art der Entspannung des Kohlendioxidgases
über eine Schlitzdüse oder dergleichen in ein abgeschlossenes Expansionsvolumen hinein
für die Funktion und Effektivität der Erfindung wesentlich. Die Schlitzdüse mit ihrer
länglichen und andererseits schmalen Querschnittsöffnung erzeugt nämlich einen Expansionsgasstrahl
mit einer im Vergleich zu einem aus einer Runddüse stammenden Expansionsgasstrahl
wesentlich vergrößerten Oberfläche. Diese vergrößerte Oberfläche resultiert in einer
verstärkten Wechselwirkung des Expansionsgasstrahls mit seiner Umgebung, die - nach
dem weiteren wesentlichen Merkmal der Erfindung - von einem Expansionsvolumen gebildet
wird, in dem sich im Betrieb fast ausschließlich bereits expandiertes, kaltes Kohlendioxidgas
befindet. Wärmere Umgebungsluft besitzt also keinen unmittelbaren Zutritt zum expandierten
Kohlendioxid. Daraus ergibt sich, daß zunächst nur wenig Wärme aus der Umgebung dem
Kohlendioxid zufließen kann und deshalb im Expansionsvolumen - durch das dort quasi
vorhandene Wärmedefizit - eine verstärkte Bildung von Kohlendioxid-Schneepartikeln
stattfindet. Im Vergleich zu einer unabgeschirmten Expansion gasförmigen Kohlendioxids
wird also ein deutlich erhöhter Anteil an Schneepartikeln erzeugt, welche vor allem
den bei der Kühlung thermisch gespritzter Schichten erwünschten, starken Kühleffekt
bewirken. Die im Expansionsraum entstandene Gas-Schnee-Mischung wird nun über den
weiteren Verlauf des Expansionsvolumens zu einem Kühlstrahl ausgebildet und durch
die Austrittsöffnung auf das Werkstück gelenkt. Mit einem auf diese Weise erzeugten
Kühlstrahl ergibt sich eine effektive Kühlung des Werkstücks in seinem Ansströmbereich,
wobei bei Bedarf dem Kühlstrahl noch weitere, die Kühlwirkung erhöhende Gase zugemischt
werden können.
[0010] Grundsätzlich ist hinsichtlich der vorgeschlagenen Expansionsweise darauf hinzuweisen,
daß diese bereits aus einem anderen technischen Fachgebiet, nämlich der Medizintechnik
bekannt ist. Beispielsweise zeigt die DE-PS 36 24 787 eine Kühl-und Gefriersonde zum
lokalen Abkühlen von menschlichen oder tierischen Körperbereichen und - in einem Nebenaspekt
- auch von elektronischen Bauteilen, die auf dem beschriebene Prinzip beruht, wobei
jedoch die Kühlung des jeweiligen Bereichs aus unmittelbarer Nähe erfolgt und kein
weitreichender Kühlgasstrahl, sondern ein geeignet geführter Kühlgasstrom gebildet
wird. Die Übertragung, Anpassung und abgewandelte Anwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt jedoch nicht nahe.
[0011] Bevorzugte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind nun in den Unteransprüchen
2 bis 5 angegeben.
[0012] Dabei ist zu bemerken, daß ein nachfolgend und/oder vorausgehend zum Spritzstrahl
geführter Kühlstrahl vor allem temperaturempfindliches Spritzmaterial oder hitzeempfindliche
Werkstücke insgesamt vor Überhitzung schützt. Mit in der beschriebenen Weise gekühlten
thermischen Spritzvorgängen ist allerdings generell eine Leistungssteigerung gegenüber
ungekühlten Spritzvorgängen möglich.
[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren wird schließlich in vorteilhafter Weise mit einer
Expansionsdüse durchgeführt, welche ein an eine C0
2-Gasquelle anschließbares Innenrohr 6 mit abschließender Schlitzdüse besitzt, sowie
ein das Innenrohr am Schlitzdüsenende umhüllendes, deutlich darüber hinaus ragendes
und das Expansionsvolumen bildendes Außenrohr 9 aufweist. Bei dieser Expansionsdüse
wird hinsichtlich des mit dem Außenrohr gebildeten, zylinderförmigen Expansionsvolumens
ein Durchmesser zu Längenverhältnis von 1 zu 3 bis 1 zu 10, vorzugsweise 1 zu 5, eingehalten.
[0014] Mit der erfindungsgemäßen Expansionsdüse wird im Verfahrensbetrieb mit Vorteil ein
Abstand zum Werkstück von wenigstens ca. 3 cm eingehalten, um eine günstige Verfahrensfunktion
zu erhalten.
[0015] Prinzipiell besteht mit dem erfindungsgemäßen Kühlstrahlen auch die Möglichkeit,
aus dem Spritzbereich zurückprallende Spritzpartikel vom Werkstück weg zu befördern
und so Beschichtungfehler zu vermeiden.
[0016] Im folgenden wird anhand der Zeichnungen das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine
entsprechende Expansionsdüse beispielhaft näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 einen autogenen Flammspritzvorgang in schematischer Darstellung;
Figur 2 eine erfindungsgemäße C02-Expansionsdüse in Seitenansicht im Schnitt;
Figur 3 eine erfindungsgemäße C02-Expansionsdüse in Vorderansicht;
[0017] Zunächst sei von einer standardgemäßen C02-Versorgung ausgegangen, d.h. z.B. von
einem unter Umgebungstemperatur stehenden Mittel- oder Hochdrucktank für C02. Dieser
enthält im Normalfall im Gleichgewicht sowohl flüssiges als auch gasförmiges C02 mit
einem Druck von ca. 57 bar. Das unter diesem Druck stehende Kohlendioxidgas wird nun
gemäß der Erfindung über eine sehr enge, schlitzartige, in ihrer Längsausdehnung im
Bereich einiger Millimeter liegende Düse in ein abgegrenztes Expansionsvolumen hinein
entspannt. Auf diese Weise entsteht ausgangsseitig des z.B. durch ein Röhrchen gebildeten
Expansionsvolumens ein relativ eng begrenzter und wenig turbulenter Strahl aus kaltem
C02-Gas und Schnee, der sich insbesondere für die Kühlung bei thermischen Spritzvorgängen
ausgezeichnet eignet.
[0018] Durch weitere Versuche hat die Anmelderin festgestellt, daß eine noch höhere und
vorteilhaftere Kühlwirkung des wie geschildert gebildeten Kühlstrahls dadurch erhalten
werden kann, daß von einem Kohlendioxidgas mit mehr als 65 bar Druck, vorzugsweise
70 bis 80 bar, ausgegangen wird. Dazu sind jedoch besondere Vorkehrungen zu treffen,
da - wie oben beschrieben - C0
2 in Standardspeichern nur mit etwa 57 bar zur Verfügung steht. Erfindungsgemäß wird
zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, daß die besagten höheren Drucke durch Aufheizen
des Gasspeichers samt Inhalt und somit durch Erzeugen eines höheren Dampfdrucks des
flüssigen C0
2's hergestellt werden oder daß die Druckerhöhung durch eine dem Speicher nachgeschaltete
Pumpe erzeugt wird. Besonders vorteilhaft wird ein Speicherbehälter z.B. dadurch beheizt,
daß ein elektrischer Heizleiter in diesem angeordnet wird. Mit Heizleitern ausgestattete
Behälter sind im übrigen verfügbar, da bei der Bereitstellung großer C02-Gasmengen
in den zugehörigen Speicherbehältern solche Heizeinrichtungen ohnehin vorgesehen sind.
Dieser Umstand kommt also der "Hochdruckvariante" der Erfindung entgegen und ein entsprechend
ausgerüsteter Speichertank mit z.B. drucksensitiver Heizungsregelung kann die besagten
Drucke über 65 bar problemlos liefern. In jedem Falle jedoch, wird mit dieser Verfahrensvariante
ein besonders effektiver Kühlstrahl ausgebildet, dessen Wirkung in dem relativ hohen
Schneeanteil im Strahl begründet liegt.
[0019] Figur 1 zeigt nun einen thermischen Spritzvorgang,beispielsweise einen mit Brenngas
und Transportgas betriebenen Flammspritz- oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzvorgang.
Gezeigt ist eine Spritzdüse 1, sowie eine Expansionsdüse 2 und ein Werkstück 3. Zum
Auftrag der Oberflächenschicht wird das gezeigte Werkstück, nämlich eine Welle 3,
gemäß Pfeil 4 in Rotation versetzt und der Spritzstrahl der Spritzdüse 1 etwa senkrecht
auf deren Oberfläche gerichtet. Beispielsweise kann eine verschleißfeste, Wolframcarbide
enthaltende Schicht aufgetragen werden, wobei die Flammspritzdüse 1 sowie die Kühlmitteldüse
2 gekoppelt, parallel ausgerichtet und gemäß Pfeil 5 entlang einer Parallele zur Werkstückoberfläche
vorgeschoben werden. Die Expansionsdüse folgt der Spritzdüse in gleichbleibendem Abstand
von ca. 5 bis 15 cm (Abstand bezüglich der beiden Düsenachsen). Es ist zu erkennen,
daß die neu aufgebrachten Schichtbereiche nach Verlassen des Sritzbereichs unter den
Einfluß des von der Expansionsdüse 2 ausgehenden Kühlmittelstrahls 2' gelangen und
somit dieser Oberflächenbereich mit frisch aufgetragener Beschichtung abgekühlt und
zudem auch die Ausbreitung der Wärme von der Spritzzone weg in bereits beschichtete
Werkstückbereiche verhindert wird. Als Kühlmittel kommen hierbei insbesondere reines
Kohlendioxid oder - bei Notwendigkeit einer besonders hohen Kühlleistung - auch Mischungen
von Kohlendioxid zusammen mit Helium und/oder Wasserstoff gemäß EP-PS 0 263 469 zur
Anwendung, wobei die Zumischgase mit Vorzug erst unmittelbar im Auftreffbereich des
Kühlmittelstrahls 2'auf dem Werkstück zugemischt werden.
[0020] In Figur 2 ist eine der möglichen Expansionsdüsen für die Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens im Schnitt gezeigt. Diese setzt sich zusammen aus einem Innenrohr 6 mit
abschließender Schlitzdüse 7, sowie einem das Innenrohr endseitig umhüllenden, das
Expansionsvolumen 8 bildenden Außenrohr 9, das an seinem der Expansionsdüse 7 abgewandten
Ende offen ist.
[0021] Die Figur 3 zeigt hierzu eine Vorderansicht der in Figur 2 gezeigten Expansionsdüse
ebenfalls in einer Schnittansicht gemäß der Schnittlinie S in Figur 2. Erfindungsgemäß
wird nun dieser Düse und insbesondere dem darin befindlichen Innenrohr 6 gasförmiges
Kohlendioxid mit vorzugsweise mehr als 65 bar Druck zugeführt und in den Expansionskanal
8 hinein entspannt. Beim Entspannungsprozeß entstehen insbesondere aufgrund einer
Unterdruckbildung hinter der Schlitzdüse 7 C0
2-Kaltgas und anteilig Schneepartikel, und es ergibt sich so im Expansionsvolumen 8
ein Gemisch aus kaltem Gas und Schnee, das durch die Austrittsöffnung 10 des Außenrohres
9 die Expansionsdüse verläßt und auf das Werkstück gelenkt wird.
[0022] Eine solche Expansionsdüse ist je nach gewünschtem Mengendurchsatz zu dimensionieren.
Eine für gängige Flammspritzvorgänge geeignete Kühlmitteldüse der gezeigten Art weist
z.B. einen Innendurchmesser D (siehe Figur 2) bezüglich des Außenrohres 9 von 3 mm
und somit - gemäß der einzuhaltenden Längendimensionierung - eine überstehende Länge
L von z.B. 15 mm auf. Eine weitere, erfindungsbezogen wichtige Größe stellt die Öffnungsweite
der Schlitzdüse des Innenrohres dar. Diese beträgt im Regelfall und mit Vorteil zwischen
0,1 und 0,4 mm. Diese Öffnungsweite ist nach Auswahl der Grundgröße der Expansionsdüse,
d.h. nach Auswahl des Durchmessers für das Innen- bzw.das Außenrohr, im engeren Sinne
bestimmend für den Durchfluß an C0
2-Gas.
[0023] Mit der gezeigten Expansionsdüse und der dargestellten Erzeugung eines Kohlendioxid-Kühlstrahles
aus gasförmigem Kohlendioxid wird also eine vorteilhafte Möglichkeit zum Kühlen bei
thermischen Spritzmethoden zur Verfügung gestellt, wobei die wesentlichen Elemente
in der Expansionsweise des C0
2's und der zugehörigen Expansionsdüse zu finden sind.
1. Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mittels einer thermischen Spritzmethode,
wobei ein Spritzstrahl aus heißem Transportgas und geschmolzenem Materialparikeln
auf die betreffende Oberfläche gerichtet wird und dabei benachbart zum Spritzstrahl
mit einem zu wesentlichen Teilen aus Kohlendioxid bestehenden Kühlstrahl enthaltend
Kaltgas und Schneepartikel gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kohlendioxidanteil im Kühlstrahl aus gasförmigem, wenigstens unter 45 bar
Druck stehendem Kohlendioxid gewonnen wird und zwar derart,
daß das Kohlendioxidgas über eine Schlitzdüse oder eine sonstige schlitzartige Öffnung
zunächst in ein um diesen Expansionsschlitz angeordnetes, weitgehend gegen die Umgebung
abgeschlossenes Expansionsvolumen hinein expandiert wird
und ausgehend von diesem Expansionsvolumen und dessen Austrittsöffnung der Kühlstrahl
gebildet und auf den zu kühlenden Bereich gerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlendioxidanteil im
Kühlstrahl aus gasförmigem, wenigstens unter 65 bar stehendem , vorzugsweise 70 bis
80 bar aufweisendem, Kohlendioxid gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erhöhte Druckniveau
des Kohlendioxids durch Zufuhr von Wärme zum zugehörigen Speicherbehälters bewirkt
wird, wobei Temperaturen von 25 bis 35 °C, vorzugsweise von 30 bis 32 °C, erzeugt
werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von Wärme zum
Speicherbehälter mit einem im Speicherbehälter untergebrachten, elektrischen Heizleiter
durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erhöhte Druckniveau
mittels eines bzw. durch den Einsatz eines, dem Speicherbehälter nachgeschalteten
Verdichters erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das den
Kühlstrahl bildende Expansionsvolumen mit seiner Austrittsöffnung mit einem Abstand
zum Werkstück von 2 bis 15 cm, vorzugsweise 3 bis 8 cm, geführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung
mit dem Kühlstrahl in der Weise ausgeführt wird, daß der Kühlstrahl dem Spritzstrahl
nachfolgend geführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlstrahl
dem Spritzstrahl vorauslaufend geführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als
ein Kühlstrahl vorgesehen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, der Spritzstrahl
von mehreren Kühlstrahlen oder von einem Kühlgashüllstrom nach allen Seiten hin umgeben
wird.
11. Expansionsdüse zur Ausführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 10, gekennzeichnet durch ein an eine Kohlendioxidquelle anschließbares Innenrohr
6 mit abschließender Schlitzdüse 7, sowie ein das Innenrohr am Schlitzdüsenende umhüllendes,
darüber hinaus ragendes und das Expansionsvolumen 8 bildendes Außenrohr 9, das an
seinem der Schlitzdüse 7 abgewandten Ende eine Austrittsöffnung 10 besitzt.
12. Expansionsdüse nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, daß hinsichtlich des mit
dem Außenrohr gebildeten, zylinderförmigen Expansionsvolumens 8 ein Durchmesser zu
Längenverhältnis von 1 zu 3 bis 1 zu 10, vorzugsweise etwa 1 zu 5, eingehalten ist.