Verfahren zum Beschichten von Festkörpern im Niedrigtemperaturbereich

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Beschichtungsfläche von Festkörpern, beispielsweise metallische Oberflächen wie Karosseriebleche, im deutlich unterhalb der Liquidustemperatur von Beschichtungsmittel und Substrat gelegenen Niedrigtemperaturbereich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gleichmaßig homogene und dichte Korrosionsschutzschichten auf Festkörpern ohne Nacharbeit bei geringem Energieeinsatz, hoher Flexibilität und umweltgerechter Zurückgewinnung und Wiederverwendung des Strahlmittels wirtschaftlich im Niedrigtemperaturbereich zu erzeugen.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass ein Beschichtungsmittel aus metallischen Partikeln wie beispielsweise Zink, Zinn, Blei, Aluminium oder Magnesium, inklusive deren Legierungen, in einen Trägergasstrom, der in einen Unterdruckbereich mündet, zudosiert, in einem Leitungssystem zu einer Strahllanze befördert und unter Beschleunigung auf durch eine Strahlkammer unter den Unterdruck gesetzte Beschichtungsfläche gelenkt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Beschichtungsfläche von Festkörpern, beispielsweise metallische Oberflächen wie Karosseriebleche, im deutlich unterhalb der Liquidustemperatur von Beschichtungsmittel und Substrat gelegenen Niedrigtemperaturbereich.

[0002] Verfahren zum formlosen Auftragen von festhaftenden Schichten aus formlosen Stoffen auf metallischen Oberflächen, insbesondere Blechen, sind hinlänglich bekannt.
Beim Verzinken wird der Metallgegenstand, besonders Stahl, mit einer Zinkschicht als Korrosionsschutzschicht versehen. Bekannte Verfahren zum Verzinken von Festkörpern sind das Feuerverzinken, das Spritzverzinken durch thermisches Spritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen und Plasmaspritzen, das Sheradisieren und das galvanische Verzinken (BACH, FR.-W., DUDA, T "Moderne Beschichtungsverfahren" WILEY-VCH-Verlag 2000, S. 1-266).
Allen diesem bekannten Verfahren ist der Nachteil gemeinsam, dass sie energiereiche Wärmequellen zum Aufschmelzen des Zinks erfordern und somit zu einer nicht zu vernachlässigenden thermischen Belastung von insbesondere dünnen Substraten führen, die regelmäßig Nacharbeiten an der Beschichtung erforderlich machen.
Darüber hinaus besitzen Spritzschichten eine Lamellenstruktur, die durch die oberflächliche Oxidation der hocherhitzten metallischen Spritzpartikel auf ihren Weg von der Spritzpistole zur Substratoberfläche mitverursacht werden. Diese Lamellenstruktur ist eine der Ursachen für die Zunahme der Schichthärte und Verschleißbeständigkeit, aber auch für die Abnahme der Korrosionsfestigkeit.
Infolge der konzentrierten Wärmeeinbringung in das Spritzpartikel kann des weiteren eine Veränderung in der Zusammensetzung beispielsweise durch selektives Verdampfen einer Komponente nicht ausgeschlossen werden.
Diese Verfahren erfordern außerdem auch eine aufwendige Anlagentechnik wie gekapselte Spritzräume oder -kabinen, Absaugeinrichtungen mit Filtern, um die Auswirkungen auf die Umwelt so gering wie möglich zu halten.

[0003] Aus der EP 0 275 083 B1 ist ein Verfahren zur Metall-Sprühbeschichtung eines Substrates wie Stahl im Niedrigtemperaturbereich bekannt, bei dem ein nichtvorbehandeltes Substrat vor seiner Metallbesprühung mit einer Harzschicht beschichtet und anschließend ein Metall durch eine Lichtbogensprühmaschine auf die Harzschicht aufgesprüht wird.

[0004] Dieses bekannte Verfahren ersetzt die mechanische Vorbehandlung mittels Sandstrahlen durch eine chemische Behandlung, die keineswegs ohne Umweltprobleme ist, so dass auch die o.g. Nachteile erhalten bleiben.

[0005] Durch den Anmelder wurde bereits ein Verfahren zum Strahlbearbeiten, insbesondere formgenauen Abtragen und/oder Verdichten und/oder Beschichten, von festen Flächen, beispielsweise Entfernen von Lackfehlstellen aus Lackierungen, Glätten von Löt- und Schweißnähten, Abtragen von kontaminierten Betonschichten oder Rostschichten, Härten, Einebnen oder Beschichten von Metallflächen, vorgeschlagen, bei dem ein Strahlmittel in einem durch Unterdruck erzeugten Trägerluftstrom mittels Schwerkraft und/oder Injektorwirkung zudosiert, in einem Schlauchleitungssystem zu einer Strahllanze befördert und auf durch eine Strahlkammer unter Unterdruck gesetzte Bearbeitungsfläche gelenkt, von dort in den Luftstrom zurück, gereinigt und ggf. im Kreislauf gefahren wird, wobei dem durch Unterdruck beschleunigten Strahlmittel mindestens ein zusätzlicher Energieimpuls durch mindestens einen weiteren vom Unterdruck angesaugten, mindestens unter Atmosphärendruck stehenden Gasstrom zum Erreichen einer deutlich über der Strömungsgeschwindigkeit des Trägerluftstromes liegenden Endgeschwindigkeit stromaufwärts vom Dosierort erteilt wird und die Strahlkammer von Bearbeitungsfläche zu Bearbeitungsfläche verschoben wird.

[0006] Die mit diesem vorgeschlagenen Verfahren nach DE 101 02 924 erzeugte Zinkschicht baut sich durch den Aufprall von einzelnen Zinkpartikeln auf einer vorverdichteten Substratoberfläche auf, wobei sich die Zinkpartikel durch ihre hohe Bewegungsenergie beim Aufprall an der Substratoberfläche verformen und sich an dieser mechanisch verklammern. Die beim Aufprall freigesetzte Energie führt zu einer temporären Temperaturerhöhung an der Grenze zwischen Partikel und Substrat, wodurch die Adhäsion der Teilchen am Substrat verstärkt wird.
Trotzdem wurde festgestellt, dass die Haftkräfte derartiger Zinkschichten nicht ausreichend hoch sind.

[0007] Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, gleichmäßig homogene und dichte Korrosionsschutzschichten auf Festkörpern insbesondere ohne Nacharbeit bei geringem Energieeinsatz, hoher Flexibilität und umweltgerechter Zurückgewinnung und Wiederverwendung des Strahlmittels wirtschaftlich im Niedrigtemperaturbereich zu erzeugen.

[0008] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

[0009] Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die Metallteilchen auf metallischem Substrat eine gleichmäßig dichte und homogene Korrosionsschutzschicht im Niedrigtemperaturbereich bilden, ohne dass eine Nachbehandlung notwendig ist.

[0010] Die sich auf der Substratoberfläche ausbreitenden Metallteilchen werden insbesondere durch die auftreffenden Schlagkörper zu einer homogenen Schutzschicht verformt und zugleich verdichtet. Die erreichte Verbesserung in der Haftfähigkeit ist auf eine intensivere mechanische Verklammerung, Adhäsion, Diffusion und elektrostatische Kräfte zurückzuführen. Die beim Auftreffen der Metallteilchen und der Schlagkörper frei werdende Energie führt zu einer temporären Temperaturerhöhung, wodurch die Haftfähigkeit der Metallteilchen an der Substratoberfläche weiter verbessert wird.

[0011] Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet im Vakuumsaugstrom, so dass alle Stoffströme im Kreislauf gefahren und die Strahlmittel kostengünstig zurückgewonnen werden können, ohne in die Umwelt zu gelangen. Aufwendige und energieintensive Spritzkabinen entfallen vollständig. Das Verfahren ist einfach, ortsunabhängig und infolge seines geringen Energieverbrauches wirtschaftlich zugleich.
Durch den an der Strahlkammer anliegenden Unterdruck in Verbindung mit einem auf das Beschichtungsmittel wirkenden zusätzlichen Energieimpuls ist es in weiten Grenzen möglich, das erfindungsgemäße Verfahren an unterschiedliche Beschichtungsaufgaben anzupassen.
Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut zum Auftragen von Zinkschutzschichten auf dünnen Stahlblechen, insbesondere Karosserieblechteilen, geeignet.

[0012] Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnung.

[0013] Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

[0014] Die einzige Figur zeigt ein prinzipielles Funktionsschema des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beschichten eines waagerecht liegenden, ebenen metallischen Karosseriebleches 1 mit einer ca. 10 µm dicken weitgehend homogenen Zinkschicht.

[0015] Als metallisches Beschichtungsmittel wird Zinkpulver mit einer Korngröße zwischen 3 µm und 10 µm und als Schlagmittel werden Glaskugeln mit einem Durchmesser von 100 µm bis 200 µm eingesetzt, deren Härte deutlich über der Härte des metallischen Zinks liegt.
Das Strahlmittelgemenge 2 setzt sich in diesem Beispiel aus 1 Teil Zinkpulver und 4 Teilen Glaskugeln zusammen. Die Beladung des Tragluftvolumenstromes mit dem Strahlmittelgemenge 2 beträgt etwa 100 g/m³, die Strahlgeschwindigkeiten erreichen etwa 120 bis 160 m/s.

[0016] Mit einem Saugaggregat 3 wird ein Tragluftstrom 4 mit einer Luftleistung von 100 m³/h bis 120 m³/h erzeugt. Der Saugstutzen 5 des Saugaggregates 3 ist über einen Abscheider 6 mit einer Schlauchableitung 7 verbunden, die zu einer Strahlkammer 8 führt. Mit dem Saugaggregat 3 wird ein Unterdruck von etwa 510 mbar erzeugt. Im Behälter 9 befinden sich zwei senkrecht übereinander angeordnete, nicht gezeigte Schütt-Trichter, die pneumatisch voneinander getrennt sind. Das Strahlmittelgemenge 2 gelangt durch die Schwerkraft über die Schütt-Trichter in und von dort in eine Dosiereinrichtung 10, die in eine Mischkammer 11 führt, welche über eine Schlauchzuleitung 12 mit einer Strahllanze 13 verbunden ist. Das Mischungsverhältnis von Zinkpulver und Glaskugeln im Strahlmittelgemenge, welches sich in der Dosiereinrichtung 10 befindet, wird in der Mischkammer 11 eingestellt und mit der einströmenden Luft vermischt. Das Strahlmittel-Zinkpulver/Luftgemisch wird durch den anliegenden Unterdruck angesaugt, strömt durch die Schlauchleitung 12 der in die Strahlkammer 8 führenden Strahllanze 13 zu, wo das Strahlmittel-Zinkpulver/Luftgemisch durch Zuluft auf die genannten Geschwindigkeiten gebracht wird.
In der Strahlkammer 8 trifft das Strahlmittel-Zinkpulver/Luftgemisch auf die zu beschichtende Fläche.

[0017] Aus der Strahlkammer 8 wird das Strahlmittel-Zinkpulver-Gemenge durch die Schlauchableitung 7 dem Abscheider bzw. Zyklon 6 zugeführt, in dem das Zinkpulver mit den Glaskugeln abgeschieden wird.
Es ist natürlich auch möglich, anstelle der Beladung des Luftstromes mit Strahlmittel und Zinkpulver das Zinkpulver separat zuzudosieren. Diese Art der Zudosierung ist besonders für die Kreislauffahrweise geeignet.
Die auftreffenden Zinkpartikel bilden eine zusammenhängende weitgehend homogene Zinkschicht auf der Oberfläche der zu beschichtenden Fläche des Karosseriebleches 1. Die Qualität der Zinkschicht ist im wesentlichen eine Funktion der thermischen und der kinetischen Energie der Partikel.
Die Zinkpartikel verkrallen sich zunächst an der Oberfläche des Karosseriebleches 1. Die auf die verkrallten Zinkpartikel auftreffenden Glaskörper verformen und verdichten die Zinkpartikel zu einer zusammenhängen, dichten und homogenen Schicht.
Die in diesem Beispiel erreichte Schichtdicke vom 10 µm besitzt auch nach Biegeversuchen eine feste Haftung, ist praktisch nicht porös und weist keine Risse auf. Sie ist metallisch homogen.

[0018] Um die mechanische Haftfähigkeit der Zinkschicht auf dem Karosserieblech zu verbessern, kann die zu beschichtende Fläche insbesondere mit Glasbruch, Schlacken oder Korunden vorgestrahlt werden. Günstig haben sich Rauheiten von R_a 4µm und R_z 14µm für die Haftfähigkeit erwiesen. Die Korngröße des Schlaggutes liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 80 µm und 300 µm.
Der Unterdruck des Strahlvorganges der Vorbehandlung liegt vorteilhaft zwischen 50 bis 600 mbar und die Luftmenge zwischen 50 bis 5000 m³/h.
Das Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist selbstverständlich nicht nur auf die Verzinkung von Karosserieflächen beschränkt. Das beschriebene Verfahren ist vielmehr auch für die Beschichtung von Festkörpern mit metallischen Partikeln geeignet, die gekrümmte Flächen aufweisen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

[0019] 

Karosserieblech

1

Strahlmittelgemenge

2

Saugaggregat

3

Tragluftstrom

4

Saugstutzen

5

Abscheider

6

Schlauchableitung

7

Strahlkammer

8

Behälter

9

Dosiereinrichtung

10

Mischkammer

11

Schlauchzuleitung

12

Strahllanze

13

Ansprüche

1. Verfahren zum Beschichten einer Beschichtungsfläche eines metallischen Festkörpers im deutlich unterhalb der Liquidustemperatur von Beschichtungsmittel und Substrat gelegenen Temperaturbereich, bei dem ein Beschichtungsmittel aus metallischen Partikeln wie beispielsweise Zink, Zinn, Blei, Aluminium oder Magnesium, inklusive deren Legierungen, in einen Trägergasstrom, der in einen Unterdruckbereich einer Strahlkammer mündet, zudosiert, mit dem Trägergasstrom in einem Leitungssystem zu einer Austrittsöffnung, insbesondere einer Strahllanze befördert und unter Beschleunigung auf die durch die Strahlkammer unter den Unterdruck gesetzte Beschichtungsfläche gelenkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungstemperatur auf max. 400 °C, insbesondere kleiner 250 °C, eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägergasstrom atmosphärische Luft oder Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel mittels Schwerkraft und/oder Injektorwirkung zudosiert werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nicht auf der Beschichtungsfläche abgeschiedene metallische Partikel, ggf. gereinigt, im Kreislauf gefahren werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht abgeschiedenen metallischen Partikel unmittelbar in den Trägergasstrom zurückbefördert werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Beschichtung erforderliche Geschwindigkeit unter Mitwirkung des an der Strahlkammer anliegenden Unterdruckes erreicht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des an der Strahlkammer anliegenden Unterdruckes überwiegend, insbesondere im wesentlichen die erforderliche Geschwindigkeit erreicht wird.

9. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Beschichtung erforderliche Geschwindigkeit mittels eines auf den Trägergasstrom und das Beschichtungsmittel wirkenden Injektors erreicht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung der Beschleunigung durch Wahl einer Länge und/oder eines Durchmessers des Leitungssystems und/oder Strahllanze und/oder des Durchmessers der Injektoröffnung erreicht wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidungsgeschwindigkeit der metallischen Partikel durch mindestens einen weiteren, vom Unterdruck angesaugten Gasstrom erhöht wird, wobei der weitere Gasstrom einen höheren Druck aufweist, als der Trägergastrom an der Injektoröffnung.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel nach Verlassen der Injektoröffnung auf eine mindestens doppelt so hohe Geschwindigkeit wie vor verlassen der Injektoröffnung beschleunigt werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Beschichtung die Beschichtungsfläche neben den abzuscheidenden metallischen Partikeln von Schlagkörpern, insbesondere kugelförmigen Schlagköpern, zum Verdichten und Verformen der bereits abgeschiedenen metallischen Partikel beaufschlagt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens 90 % der einzelnen Schlagkörper der Durchmesser auf 50 bis 2000 µm eingestellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Schlagkörper solche aus Glas, Keramik, Quarz, Korund, Al₂O₃, SiC oder deren Gemische verwendet werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis von Schlagkörpern metallischen Partikeln im Bereich 50:1 bis 1:50, insbesondere 30:1 bis 1:5 liegt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilchengrößenverhältnis von abzuscheidenden metallischen Partikeln zu Schlagkörpern im Bereich 1:1 bis 1:100, vorzugsweise 1:5 bis 1:70 und insbesondere 1:10 bis 1:50, eingestellt wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägergasstrom mit einer Beladung von 10 bis 500 g abzuscheidender metallischer Partikel pro m³ Trägergasstrom beaufschlagt wird.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsfläche vorgestrahlt wird, insbesondere mittels Kunststoffen, mineralischen, keramischen und/oder metallischen Körpern, wie beispielsweise Glasbruch, Schlacken, Al₂O₃, SiO₂ und/oder SiC, insbesondere mit einer Körnung von 40 µm bis 500 µm durchgeführt wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck in der Strahlkammer auf 100 bis 600 mbar, vorzugsweise 200 bis 400 mbar, eingestellt wird.

21. Verfahren nach einem der vorherhegenden Ansprüche, dadurch geknnzeichnet, dass die abzuscheidenden metallischen Partikel auf eine Aufprallgeschwindigkeit von 120 m/s bis 300 m/s eingestellt werden.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens 90% der einzelnen abzuscheidenden Metallpartikel die Teilchengröße auf 1 bis 50 µm eingestellt wird.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägergasstrom auf 20 bis 600 m³/h, insbesondere 100 bis 120 m³/h, eingestellt wird.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel- und Schlagkörperdosierung und die Strahlzeit mittels einer Dosiereinrichtung mit einer Zeitsteuerung gesteuert wird.

25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsfläche auf eine Rauheit R_a von 1 bis 10 µm und eine Rauheit R_z von 4 bis 20 µm eingestellt wird.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der metallischen Partikel während der Beschichtung auf einer kleineren Fläche erfolgt als die der Beschichtungsfläche, wobei insbesondere auch die Strahlkammer kleiner ist als die Beschichtungsfläche, und dass die gesamte zu beschichtende Fläche durch eine Relativbewegung zwischen Festkörper und der Abscheidungsfläche erfolgt, wobei insbesondere die Strahlkammer verschoben wird.

27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der metallischen Partikel während der Beschichtung auf allen Beschichtungsflächen des Festkörpers erfolgt, wobei insbesondere die Strahlkammer größer ist als der zu beschichtende Festkörper, und dass der Festkörper in der Strahlkammer einer Rotationsbewegung unterworfen wird.

28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als metallischer Festkörper ein Blech, insbesondere Karosserieblech, ein Gussteil, eine Schmiedeteil, ein gewalzter Körper und/oder ein durch spanenden Abtrag erzeugter Körper eingesetzt wird.

29. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als metallischer Festkörper ein Festkörper aus Eisen, inklusive Stahl, Aluminium, Magnesium, alle insbesondere als Legierung, eingesetzt wird.

30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsfläche im wesentlichen nicht verdichtet wird.

31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsfläche vor der Beschichtung verdichtet und gleichzeitig oder anschließend zur Reinigung und/oder Aufrauhung gestrahlt wird.

Zeichnung