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Verfahren zum Überziehen von Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum überziehen von Werkstücken mit Metallen oder Metallverbindungen wie Oxyden, Carbiden, Siliciden oder Boriden mittels einer parallelisierten Lichtbogenflamme.
Es sind bereits zahlreiche Verfahren zur Erzeugung von Überzügen auf Oberflächen von Werkstücken bekannt. In vielen dieser Verfahren werden mit Hilfe von Brennstoff und Sauerstoff gebildete Flammen zum Schmelzen eines Pulverstroms oder eines Stabes verwendet und die schmelzflüssigen Teilchen auf der zu überziehenden Fläche abgelagert. Diese Verfahren ha, ben den Nachteil, dass die von der Flamme erzeugten Temperaturen zum Schmelzen von hochschmelzenden überzugsmaterialien nicht ausreichen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass in diesen Verfahren die Beeinflussung der dem Überzug benachbarten Atmosphäre nur im Hinblick auf die Oxydations-oder Reduktionswirkung der Flamme möglich ist.
Selbst dabei ist zum Zweck der Veränderung der Oxydationsoder Reduktionseigenschaften eine komplizierte Einstellung der Zufuhr des Brennstoffes und des Oxydationsmittels erforderlich, wobei sich unerwünschte Veränderungen der Temperatur der Flamme ergeben. Chemisch neutrale oder gegen- über den meisten Materialien indifferente Atmosphären können mit diesen Verfahren praktisch nicht erzielt werden.
Es sind auch schon überzugsverfahren vorgeschlagen worden, in denen mit elektrischen Licht- bögen gearbeitet wird. In einigen dieser Verfahren wird ein elektrischer Schutzgasbrenner mit unverbrauchbarer Elektrode verwendet, wobei das Überzugsmaterial in Form einer Stange zugeführt wurde. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass das abgelagerte Uberzugsmetall mit dem Grundwerkstoff stets eine Legierung bildet, ohne dass man den Grad der Legierungsbildung beeinflussen kann. Ausserdem erfordern diese Überzugsverfah- ren eine beträchtliche Geschicklichkeit der Bedienung.
Es sind bereits verschiedene andere mit elektri- schen Lichtbogen arbeitende Metallisierungsverfahren vorgeschlagen worden. Die bei Verwen- dung'dieser Lichtbögen erzielten Temperaturen und die von dem Lichtbogen auf das Überzugsmaterial übertragene Energie genügen jedoch im allgemeinen nicht, um das Material so stark zu erhitzen und vorwärtszubewegen, dass auf der Oberfläche des Werkstücks fehlerfreie, dichte, fest haftende Überzüge gebildet werden.
Die Erfindung'bezweckt daher die Schaffung eines Verfahrens zum überziehen von Oberflächen eines Werkstücks mit Hilfe einer lichtbogenartigen Entladung, die auf das pulverförmige überzugsmaterial eine solche Menge von Wärmeund kinetischer Energie überträgt, dass die Bildung von fehlerfreien, dichten, fest haftenden Überzügen gewährleistet ist.
Nach einem älteren Vorschlag der Anmelderin wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung einer parallelisierten Lichtbogenflamme von höherer Energiedichte pro Querschnittseinheit als bisher vorgeschlagen. Danach wird eine in einer Düse angeordnete Elektrode benützt, die dicht an den Einlass eines eingeengten Kanals im Düsenmundstück ragt. Durch den Kanal wird ein Gasstrom zusammen mit einem zwischen der Stabelektrode und dem Düsenmundstücik bzw. dem Werkstück erzeugten Lichtbogen geführt.
Zwecks Erzielung der vorteilhaften Parallelisie. rung der ausströmenden Lichtbogenflamme wird die Einengung des Kanals so gewählt, dass der Kanal einen kleineren Querschnitt aufweist, als ein offener Lichtbogen von gleicher Stromstärke. Ein Verfahren, bei dem das Überzugsmaterial in den Gasstrom einer Lichtbogenflamme eingeführt wird, ist bereits bekannt, jedoch benötigt dieses Verfahren eine Düse mit weit voneinander entfernten Elektroden, was hohe Spannung voraussetzt, sowie einen Auslasskanal, der zur Beschleunigung, jedoch nicht notwendigerweise zur Parallelisierung der Lichtbogenflamme dient.
Dagegen wurde nun gefunden, dass die nach dem oben er-
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der Anmelderin ge-bildete Lichtbogenflamme einwandfrei zum überziehen von Werkstücken mit verschiedenen Materialien geeignet ist und dass die Anwendung dieses Verfahrens viele der Nachteile der bisher verwendeten Energiequellen beseitigt.
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Die Erfindung betrifft demnach insbesondere ein Verfahren zum Überziehen von Werkstücken
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gen das Werkstück gerichtete Lichtbogenflamme.
Erfindungsgemäss wird das Oberzugsmaterial in einen Gasstrom eingeführt, der in bekannter Weise zusammen mit dem Plasma eines zwischen einer in einer Düse angeordneten Stabelektrode und einer zweiten Elektrode gebildeten Lichtbogens, durch einen dicht an der Elektrode liegendem, den Lichtbogen einschnürenden Kanal geführt wird, wobei das den Kanal einschliessende Düsenmundstück oder das Werkstück selbst als die zweite Elektrode dient.
Die energiereiche erfindungsgemässe parallelisierte Lichtbogenflamme kann niedrigschmelzende Materialien wie Eisen, Aluminium leicht schmelzen ; diese Materialien können daher direkt angewendet werden. Bei hochschmelzenden Materialien, wie Wolframcarbid oder Siliciumcarbid, ist es manchmal notwendig, in dem Oberzugsmaterial Bindemittel wie Eisen, Nickel oder Kobalt in Mengen bis zu 30 Gew. -0/o vorzusehen, damit ein Teil des Oberzugsmaterials geschmolzen und dadurch ein dichter, fest haftender überzug erhalten wird, ohne dass die hochschmelzenden Materialien übermässig erhitzt und dadurch zersetzt werden.
In dieser Beschreibung bezeichnen die Ausdrükke schmelzbares Pulvermaterial"und "geschmolzenes Material" sowohl ein vollständig schmelzbares bzw. geschmolzenes Material als auch ein Materialgemisch, das ! bis. zu 30 % aus einem schmelzbaren oder geschmolzenen Bindemittel besteht. Der Ausdruck unverbrauchbar"betrifft die Tatsache, dass das Pulvermaterial seine Integrität nicht verliert, gleichgültig, ob gegebenenfalls je nach der Art des verwendeten Trägergases durch Oxydation oder Reduktion eine chemische Veränderung stattfindet, sofern dies erwünscht ist oder ob keine derartige chemische Veränderung erfolgt.
Es hat sich gezeigt, dass je nach dem zu überziehenden Material und dem gewünschten Oberzug zahlreiche Gase in diesem Verfahren verwendet werden können. Wenn ein reiner Metall- überzug erwünscht ist, soll eine gegenüber dem überzugsmaterial und der Grundplatte indifferente Atmosphäre verwendet werden. Wenn ein Oxydüberzug erwünscht ist, kann eine oxydierend wirkende Atmosphäre verwendet werden.
Wenn es für den Überzug erforderlich ist, kann aber auch eine reduzierend bzw. nitrierend wirkende Atmosphäre verwendet werden. In dieser Beziehung hat das erfindungsgemässe Oberzugsverfahren den Vorteil, dass die Eigenschaften der Umgebungsatmosphäre ohne wesentliche Beeinflussung der Temperatur der Flamme leicht ver- ändert werden können. Bei der Auswahl einer bestimmten Atmosphäre ist darauf zu achten, dass die Brennereinrichtung nicht beschädigt wird.
Der Strom des unverbrauchbaren schmelzbaren Pulvermaterials kann auf jede geeignete Weise in die parallelisierte Lichtbogenflamme eingeführt werden. Beispielsweise kann es direkt in die Lichtbogenflamme oder aber in den zur Erzeugung der Lichtbogenflamme dienenden Gasstrom eingeführt werden.
Es hat sich gezeigt, dass zur Energiezufuhr zur Lichtbogenflamme in dem erfindungsgemässen Verfahren eine Gleichstromquelle mit normaler Polarität (Elektrode negativ) oder mit umgekehrter Polarität (Elektrode positiv) oder aber eine Wechselstromquelle verwendet werden kann.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 schematisch im Schnitt eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Oberzugsverfahrens, wobei das Werkstück nicht in den Stromkreis der Lichtbogenflamme eingeschaltet ist und das Pulvermaterial mittels des zur Erzeugung der parallelisier-
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in diese Flamme eingeführt wird. Fig. 2 zeigt ebenfalls schematisch im Schnitt eine ähnliche Einrichtung wie Fig. 1, in der jedoch das Werkstück in den Stromkreis der Lichtbogenflamme eingeschaltet ist, Fig. 3 zeigt schematisch im Schnitt eine abgeänderte Ausführungsform, in der ein eigener Trägergasstrom zur Zuführung des Pulvermaterial zu der parallelisierten Lichtbo- ! genflamme dient.
Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt einen Teil einer andern Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Oberzugsverfahrens, in dem das Werkstück nicht in den Stromkreis der Lichtbogenflamme eingeschaltet ist. Fig. 5 zeigt schematisch im Schnitt eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung zur Durchführung des erfin- dungsgemässen Oberzugsverfahrens, In der das Werkstück wahlweise in den Stromkreis der Licht1bogenflamme eingeschaltet sein kann.
In den verschiedenen in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen der Einrichtung sind Elemente mit gleichen Funktionen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Fig. 1 zeigt einen Lichtbogenbrenner 10, der innen eine zylindrische Bohrung 12 hat, die an ihrem unteren Ende in einer verengten Düsenöffnung 14 endet und in deren Achse eine Stabelektrode 16 aus Metall, vorzugsweise Kupfer, angeordnet ist. Der Einlass 18 dient zur Zuführung von Wasser in den Ringraum 20 zum Kühlen des unteren Endes des Brenners. Die Abflussleitung 22 führt das Kühlwasser vom Brennerkörper weg.
Ein weiterer Einlass 24 dient zur Einführung von Kühlwasser in den Körper der Stabelektrode 16, von dem das Kühlwasser mittels des Abflusses 26 weggeführt wird. Die Stabelektrode 16 ist an ihrem oberen Ende bei 28 gegen das obere Ende 30 des Brenners 10 isoliert und über die Leitung 32 an den Pluspol einer Gleichstromquelle 34 angeschlossen. Die Leitung 36 verbindet den Minuspol der Stromquelle 34 mit jem Brennerkörper 10.
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Am oberen Ende des Brennerkörpers 10 ist eine Pulver- und Gaszuführungsleitung 38 vorgesehen, die mit dem Innern der Bohrung 12 in Verbindung steht. Ober diese Leitung wird der pulverbeladene Gasstrom in den Ringraum zwischen der Wandung der Bohrung 12 und'der Umfangsfläche der Stabelektrode 16 eingeführt. Durch Herstellung des Lichtbogens 40 und Einleitung von Gas in die Bohrung 12 wird eine parallelisierte Lichrbogenflamme erzeugt, die der Form der Düsenöffnung 14 entspricht. Das von dem Gasstrom mitgeführte Pulver tritt durch diesen energiereichen parallelisierten Lichtbogen, wird von ihm erhitzt und vorwärtsbewegt und als dichter, fest haftender Überzug 42 auf der Oberfläche des Werkstücks 44 abgelagert.
In der Einrichtung nach Fig. 1 ist das Werk-
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nicht eingeschaltet und kann daher aus elektrisch nichtleitendem oder leitendem Material bestehen.
Wenn das Werkstück ein elektrischer Leiter ist,
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der Lichtbogenflamme einzuschalten, wie dies beispielsweise in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt einen Lichtbogenbrenner nach Fig.
1. Die Verbindung 36a führt von dem Minuspol der Stromquelle direkt zum Werkstück 44.
Zwischen dem Minuspol der Stromquelle 34 und dem Brennerkörper 10, ist ein St bilisationswider- stand (Eisen-Wasserstoffwiderstand) 50 eingeschaltet. Diese Anordnung dient zur Schaffung eines Zündlichtbogens zwischen der Stalbelektrode
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Gasstroms zwecks Zündung des Hauptlichtbogens
40 zwischen der Elektrode 16 und'dem Werk- stück 44 und zum Wiederzünden des Hauptlicht- bogens bei Unterbrechung desselben.
Die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der
Einrichtung unterscheidet sich von der nach Fig.
2 dadurch, dass die wassergekühlte Kupferelektro- de 16 des Brenners 10 mit einer Wolframspitze
46 versehen ist und das über die Leitung 48 dem
Ringraum 12b zugeführte und die Elektroden- spitze 46 umströmende Gas den Hauptlichtbogen umhüllt, so dass der durch die Zuführungsleitung
38 in den Ringraum 12a eingeleitete gasgetragene
Pulverstrom gegen einen unerwünschten Kon- takt mit der Elektrodenspitze 46 abgeschirmt wird. Der einzige andere Unterschied zwischen den Einrichtungen nach Fig. 2 und'3 besteht in der Umkehrung der Polarität der Gleichstrom- quelle.
Die in Fig. 4 der Zeichnung dargestellte Aus- führungsform ähnelt der nach Fig. 3 mit dem Unterschied, dass als zweite Elektrode eine von dem Werkstück getrennte, eigene Elektrode ver- wendet wird. Diese eigene Elektrode 52 steht über die Leitung 36b mit dem Pluspol, der Strom- quelle 34 in Verbindung und ist mit einem Ein- laps 54 und einem Abfluss 56 für die Kühlwasser-
Ringkammer 58 sowie mit einem Düsenkanal 60 versehen, der dem Düsenkanal j ! des Brennerkörper 10 ähnelt.
In diesem Fall wird der Lichtbogen zwischen der Spitze 46 der Elektrode 16 und der Wandung des Kanals 60 der abgesetzten Elektrode 52 erzeugt und bewirkt die Bildung einer parallelisierten Lichtbogenflamme in der gleichen Weise wie in den Einrichtungen nach den ändern Figuren der Zeichnung.
Die Einrichtung nach Fig. 5 ähnelt den andern dargestellten Ausführungsformen, doch wird hier das'Pulver durch die hohle Stabelektrode 62 zugeführt, die von einem zylindrischen Kühlwassermantel 64 umgeben ist, so dass zwischen diesem und der Wand der Hohlelektrode 62 ein ringförmiger Kühlraum 66 vorhanden ist.
Die verschiedenartigsten Werkstücke sind mit den verschiedenartigsten Pulvermaterialien, mit oder ohne Bindemittel, mit gutem Erfolg überzogen worden.
Mit dem erfindungsgemässen Verfahren ist es beispielsweise möglich, hochschmelzende Metall- überzüge z. B. aus metallischem Wolfram, thoriertem Wolfram oder aus Molybdän aufzubringen. Die Herstellung derartiger Überzüge war nach den früheren Verfahren infolge der hohen Schmelzpunkte der Metalle unmöglich oder es wurden dabei keine überzüge mit der zur Verwendung als Elektronenemissionselemente, Glühfäden für Hochtemperaturverwendung u. dgl. erforderlichen Reinheit erhalten.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens können rein metallische überzüge von einer bisher unerreichten Dichte und Haftfestigkeit erhalten werden.
In einem Beispiel wurde ein metallischer Wolframüberzug mit Hilfe einer Einrichtung der in Fig. 1 gezeigten Art erzeugt. Der Brenner wurde mit Gleichstrom von 150 A und etwa. 40 V bei negativ geschalteter Elektrode betrieben. Durch die Brennerdüse wurde Argongas in einer Menge von 3, 40 m3/h geführt. In den Argonstrom wurde Wolframpulver mit einer Teilchengrösse unter 11 Mikron in einer Menge von 2g pro Minute eingeführt. Auf diese Weise wurde auf einem Kupferwerkstück ein im wesentlichen reiner Wolframmetallüberzug erhalten.
In einem andern Beispiel wurde die gleiche Einrichtung mit einem an der unteren Anode angesetzten 2, 5 cm langen Ansatzrohr von 8 mm Innendurchmesser verwendet. Das im Abstand von etwa 9, 5 mm von dem Ende des Ansatzrohres angeordnete, aus Stahl bestehende Werkstück wurde während des Oberzugsvorganges gedreht.
Der Brenner wurde bei negativ geschalteter Elektrode mit Gleichstrom von 47 V, 125 A betrieben und Argongas in einer Menge von 4, 25 m3/h durch die Brennerdüse geführt. In den Argon- strom wurde Wolframpulver mit einer Teilchengrösse von 4, 5 Mikron in einer Menge von 5 g/min zugeführt. Der so erhaltene Wolframmetallüber- zug hatte eine ausgezeichnete Zwischenflächenbindung ; seine Porosität betrug weniger als 100/o,
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Wolframstabes heran (Vickershärte 450).
Die nachstehende Tabelle I zeigt die Ergebnisse verschiedener überzugsarbeiten an, in denen die in Fig. 2 gezeigte Einrichtung mit einer
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<tb>
<tb> 2 <SEP> mmPulver-Lichtbogen-Argon <SEP> Vorschub- <SEP>
<tb> Pulver <SEP> menge <SEP> Werkstück <SEP> span- <SEP> strom- <SEP> menge <SEP> geschwindigg/min <SEP> nung <SEP> stärke <SEP> m3/h <SEP> keit <SEP> cm/min
<tb> V <SEP> A
<tb> WC <SEP> + <SEP> zoo <SEP> Co <SEP> 2 <SEP> Stahl <SEP> 28 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 38
<tb> WC <SEP> + <SEP> 80/o <SEP> Co <SEP> 2 <SEP> Aluminium <SEP> 28 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 38
<tb> WC <SEP> + <SEP> 80/o <SEP> Co <SEP> 2 <SEP> Kohlenstoff <SEP> 28 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 38
<tb> WC <SEP> + <SEP> 80/0 <SEP> Co <SEP> 2 <SEP> rostfreier <SEP> Stahl <SEP> 30 <SEP> 80 <SEP> 1,
<SEP> 13 <SEP> 51
<tb> Aluminium <SEP> 1-4 <SEP> Stahl <SEP> 28 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 38
<tb> Eisen <SEP> 1-4 <SEP> Stahl <SEP> 28 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 38
<tb> SiC <SEP> 1/2 <SEP> Kohlenstoff <SEP> 35-40 <SEP> 250 <SEP> 0, <SEP> 71 <SEP> 20
<tb> Silicium <SEP> 1 <SEP> Kohlenstoff <SEP> 35-40 <SEP> 240 <SEP> 0, <SEP> 71 <SEP> 20
<tb> rostfreier <SEP> Stahl <SEP> 3 <SEP> Stahl <SEP> 26 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 33
<tb> rostfreier <SEP> Stahl <SEP> 3 <SEP> Aluminium <SEP> 26 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 33
<tb> "Hastelloy <SEP> Cα
<SEP> + <SEP> 3 <SEP> Stahl <SEP> 24 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 33
<tb> Hastelloy <SEP> C"+ <SEP> 3 <SEP> Aluminium <SEP> 24 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 33
<tb> + <SEP> 530/0 <SEP> Ni, <SEP> 190/0 <SEP> Mo, <SEP> 17 < '/o <SEP> Cr, <SEP> 60/o <SEP> Fe, <SEP> 5% <SEP> W
<tb>
Die nachstehende Tabelle II gibt verschiedene Arbeitsbedingungen an, die bei der Her-
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war als einem Tylersieb mit 325 Maschen pro Linearzoll (Maschenweite 0,043 mm) entsprach, auf einem unlegierten Kohlenstoffstab von 1, 27 cm Durchmesser, der sowohl vorgeschoben als auch gedreht wurde, erhalten wurden, u. zw. unter Verwendung des in der jeweils angegebenen Figur dargestellten Brenners.
Tabelle ! !
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<tb>
<tb> Figur
<tb> 2 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP>
<tb> Lichtbogenstromstärke, <SEP> A <SEP> 58 <SEP> (UP) <SEP> 75 <SEP> (UP) <SEP> 60 <SEP> (NP) <SEP> 40 <SEP> (NP) <SEP> 105 <SEP> (NP) <SEP> 160 <SEP> (NP) <SEP>
<tb> LichtbogenSpannung, <SEP> V <SEP> 40 <SEP> 48 <SEP> 39 <SEP> 74 <SEP> 56 <SEP> 56
<tb> Abstand <SEP> zwischen
<tb> Brenner <SEP> und <SEP> Werkstück, <SEP> mm <SEP> 6, <SEP> 3 <SEP> 6, <SEP> 3 <SEP> 18, <SEP> 9 <SEP> 6, <SEP> 3 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP>
<tb> Argonmenge, <SEP> m3/h <SEP> 1,13 <SEP> 1,13 <SEP> 2,26 <SEP> 1,13 <SEP> 4,25 <SEP> 4,25
<tb> Oberflächen <SEP> ge- <SEP>
<tb> schwindigkeit <SEP> bei
<tb> 1, <SEP> 27 <SEP> cm'D, <SEP> cm/min <SEP> 533 <SEP> 533 <SEP> 533 <SEP> 533 <SEP> 533 <SEP> 533
<tb> Pulvermenge,
<tb> g/min <SEP> 4 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> 4,
<SEP> 0 <SEP> 4, <SEP> 0 <SEP> 4 <SEP> 4
<tb> Düsendurchmesser, <SEP> mm <SEP> 3,2 <SEP> 4,8 <SEP> 3,2 <SEP> * <SEP> 3,2* <SEP> 3.2*
<tb> Dicke <SEP> des <SEP> Überzuges, <SEP> mm <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP>
<tb> UP <SEP> = <SEP> umgekehrte <SEP> Polarität <SEP> (Elektrode <SEP> positiv)
<tb> NP <SEP> = <SEP> normale <SEP> Polarität <SEP> (Elektrode <SEP> negativ)
<tb> *Zündlichtbogen-Düse, <SEP> Durchmesser <SEP> 4mm <SEP> ; <SEP> Anoden-Düse <SEP>
<tb> Durchmeser <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> mm <SEP> ; <SEP> Abstand <SEP> zwischen <SEP> den <SEP> Düsen <SEP> 6, <SEP> 4 <SEP> mm. <SEP>
<tb>
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Alle diese überzüge waren dicht und gut mit dem Werkstück verbunden.
Die nachstehende Tabelle III zeigt die Ergebnisse von Oberzugsarbeiten auf Stahl unter Ver- wendung der Einrichtung nach Fig. 4 mit einer Gleichstromquelle normaler Polarität (Elektro- de negativ) und verschiedenen Jberzugsmaterialien mit und ohne Bindemittel. Tabelle III
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<tb>
<tb> Oiberzugsmaterial
<tb> rost-rostAI"03 <SEP> CrC <SEP> freier <SEP> freier <SEP> Al <SEP> Ti
<tb> Al2O3 <SEP> Cr3C2* <SEP> Stahl <SEP> Stahl <SEP> Al <SEP> Ti
<tb> Lichtbogenstromstärke, <SEP> A <SEP> 80 <SEP> 150 <SEP> 150 <SEP> 150 <SEP> 150
<tb> Lichtbogenspannung, <SEP> V <SEP> 41 <SEP> 50 <SEP> 50 <SEP> 50 <SEP> 50
<tb> Abstand <SEP> zwischen
<tb> Brenner <SEP> und <SEP> Werkstück, <SEP> mm <SEP> 13 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25
<tb> Argomnenge, <SEP> m3/h <SEP> 1, <SEP> 70 <SEP> 3, <SEP> 40 <SEP> 3, <SEP> 40 <SEP> 3, <SEP> 40 <SEP> 3,
<SEP> 40 <SEP>
<tb> Pulvermenge, <SEP> g/min <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP>
<tb> Düsendurchmesser, <SEP> mm <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 19"/o <SEP> Cr, <SEP> 9, <SEP> 50/o <SEP> Ni, <SEP>
<tb> 20/a <SEP> Mox <SEP> Mn, <SEP> 0, <SEP> 100/0 <SEP> C
<tb>
In den in den Tabellen angegebenen Beispielen wurde Ar. gon als Trägergas und Lichtbogenumhüllungsgas verwendet. Man kann anstatt von Argon aber auch verschiedene andere Gase wie Wasserstoff, Helium, Kohlenoxyd, Kohlendioxyd oder Stickstoff verwenden. Wenn die Oxydation des Werkstücks oder des geschmolzenen Pulvers kein Problem ist, kann man sogar Sauerstoff, Pressluft oder andere oxydierend wirkende Gase anwenden.
Es hat sich gezeigt, dass die für einwandfreie Überzugsarbeiten erforderliche Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks von der Stromstärke der in dem Verfahren angewendeten Lichtbogen und der Gasgeschwindigkeit abhängig ist. Wenn zur Bildung eines überzuges mit einer relativ hohen Vorschubgeschwindigkeit von 533 cm/min und niedrigen Stromstärken, z. B. von etwa 80 A und Zuführung von 1, 13 m3/h Argon durch einen Düsenkanal von 3, 2 mm Durchmesser gearbeitet wurde, trat im wesentlichen keine Legierungsbildung zwischen dem Ülberzug und dem Grund- Werkstoff ein. Dagegen bewirkte die Anwendung hoher Stromstärken in der Grössenordnung von 140-160 A bei niedrigeren Vorschubgeschwindigkeiten von 12,5-25,4 com/min ein starkes Abschmelzen des Werkstücks und eine Verdünnung des überzugsmaterials durch das Material des Werkstückes.
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Process for coating workpieces
The invention relates to a method for coating workpieces with metals or metal compounds such as oxides, carbides, silicides or borides by means of a parallelized arc flame.
Numerous methods for producing coatings on surfaces of workpieces are already known. In many of these processes, flames formed with the aid of fuel and oxygen are used to melt a powder stream or a rod and the molten particles are deposited on the surface to be coated. These methods have the disadvantage that the temperatures generated by the flame are not sufficient for melting high-melting coating materials. A further disadvantage is that in this method, the atmosphere adjacent to the coating can only be influenced with regard to the oxidation or reduction effect of the flame.
Even then, for the purpose of changing the oxidizing or reducing properties, a complicated adjustment of the supply of the fuel and the oxidizing agent is necessary, which results in undesirable changes in the temperature of the flame. Chemically neutral atmospheres or atmospheres that are indifferent to most materials cannot be achieved with this method.
Coating processes have also already been proposed in which electrical arcs are used. In some of these methods, an electrical protective gas torch with a non-consumable electrode is used, the coating material being supplied in the form of a rod. These processes have the disadvantage that the deposited coating metal always forms an alloy with the base material without being able to influence the degree of alloy formation. In addition, these coating processes require considerable skill on the part of the operator.
Various other electric arc metallization processes have already been proposed. However, the temperatures achieved when using these arcs and the energy transferred from the arc to the coating material are generally not sufficient to heat the material so much and to move it forward that flawless, dense, firmly adhering coatings are formed on the surface of the workpiece will.
The invention therefore aims to provide a method for coating surfaces of a workpiece with the aid of an arc-like discharge which transfers such an amount of heat and kinetic energy to the powdery coating material that the formation of defect-free, dense, firmly adhering coatings is ensured.
According to an earlier proposal by the applicant, a method and a device for forming a parallelized arc flame with a higher energy density per cross-sectional unit than before was proposed. Then an electrode arranged in a nozzle is used, which protrudes close to the inlet of a narrowed channel in the nozzle mouthpiece. A gas flow is guided through the channel together with an arc generated between the rod electrode and the nozzle mouthpiece or the workpiece.
In order to achieve the advantageous parallelism. tion of the outflowing arc flame, the narrowing of the channel is chosen so that the channel has a smaller cross-section than an open arc of the same amperage. A method in which the coating material is introduced into the gas flow of an arc flame is already known, but this method requires a nozzle with electrodes that are far apart, which requires high voltage, and an outlet channel which is used to accelerate, but not necessarily parallelize the Arc flame is used.
In contrast, it has now been found that the
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The arc flame formed by the applicant is perfectly suitable for coating workpieces with various materials and that the application of this method eliminates many of the disadvantages of the energy sources used up to now.
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The invention accordingly relates in particular to a method for coating workpieces
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Arc flame directed towards the workpiece.
According to the invention, the covering material is introduced into a gas stream which, in a known manner, is guided together with the plasma of an arc formed between a rod electrode arranged in a nozzle and a second electrode through a channel which is close to the electrode and constricts the arc The nozzle mouthpiece or the workpiece itself serves as the second electrode.
The high-energy parallelized arc flame according to the invention can easily melt low-melting materials such as iron, aluminum; these materials can therefore be applied directly. In the case of refractory materials such as tungsten carbide or silicon carbide, it is sometimes necessary to provide binders such as iron, nickel or cobalt in amounts of up to 30% by weight in the coating material, so that part of the coating material is melted and thereby a denser, firmly adhering one coating is obtained without the refractory materials being excessively heated and thereby decomposed.
In this specification the terms fusible powder material "and" molten material "refer to both a completely fusible or molten material and a material mixture which consists of up to 30% of a fusible or molten binder. The term non-consumable" relates to the fact that the powder material does not lose its integrity, regardless of whether, depending on the type of carrier gas used, a chemical change takes place by oxidation or reduction, if this is desired or whether no such chemical change takes place.
It has been found that numerous gases can be used in this process, depending on the material to be coated and the coating desired. If a pure metal coating is desired, an atmosphere that is indifferent to the coating material and the base plate should be used. If an oxide coating is desired, an oxidizing atmosphere can be used.
If it is necessary for the coating, however, a reducing or nitrating atmosphere can also be used. In this regard, the coating method according to the invention has the advantage that the properties of the ambient atmosphere can be easily changed without significantly influencing the temperature of the flame. When choosing a certain atmosphere, care must be taken that the burner equipment is not damaged.
The stream of non-consumable fusible powder material can be introduced into the parallelized arc flame in any suitable manner. For example, it can be introduced directly into the arc flame or else into the gas flow used to generate the arc flame.
It has been shown that a direct current source with normal polarity (negative electrode) or with reverse polarity (positive electrode) or an alternating current source can be used to supply energy to the arc flame in the method according to the invention.
In the drawing, Fig. 1 shows schematically in section a device for carrying out the coating method according to the invention, the workpiece not being switched into the electric circuit of the arc flame and the powder material being used for generating the parallelizing
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is introduced into this flame. Fig. 2 also shows schematically in section a similar device as Fig. 1, in which, however, the workpiece is switched into the circuit of the arc flame, Fig. 3 shows schematically in section a modified embodiment in which a separate carrier gas flow for supplying the powder material to the parallelized arc! gene flame serves.
4 shows schematically in section a part of another embodiment of a device for carrying out the coating method according to the invention, in which the workpiece is not switched into the electric circuit of the arc flame. 5 shows, schematically in section, a further embodiment of a device for carrying out the coating method according to the invention, in which the workpiece can optionally be switched into the electric circuit of the arc flame.
In the various embodiments of the device shown in the drawings, elements with the same functions are denoted by the same reference numerals.
1 shows an arc torch 10, which has a cylindrical bore 12 on the inside, which ends at its lower end in a narrowed nozzle opening 14 and in the axis of which a rod electrode 16 made of metal, preferably copper, is arranged. The inlet 18 serves to supply water into the annulus 20 for cooling the lower end of the burner. The drain line 22 leads the cooling water away from the torch body.
Another inlet 24 is used to introduce cooling water into the body of the rod electrode 16, from which the cooling water is led away by means of the drain 26. The rod electrode 16 is insulated at its upper end at 28 from the upper end 30 of the burner 10 and is connected to the positive pole of a direct current source 34 via the line 32. The line 36 connects the negative pole of the power source 34 to a torch body 10.
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At the upper end of the burner body 10, a powder and gas supply line 38 is provided, which is in communication with the interior of the bore 12. The powder-laden gas stream is introduced into the annular space between the wall of the bore 12 and the peripheral surface of the rod electrode 16 via this line. By producing the arc 40 and introducing gas into the bore 12, a parallelized arc flame is generated which corresponds to the shape of the nozzle opening 14. The powder carried by the gas flow passes through this high-energy, parallelized arc, is heated and moved forward by it and deposited as a dense, firmly adhering coating 42 on the surface of the workpiece 44.
In the device according to Fig. 1, the factory is
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not switched on and can therefore consist of electrically non-conductive or conductive material.
If the workpiece is an electrical conductor,
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to switch on the arc flame, as shown for example in FIGS. 2 and 3.
Fig. 2 shows an arc torch according to Fig.
1. The connection 36a leads from the negative pole of the power source directly to the workpiece 44.
A stabilization resistor (iron-hydrogen resistor) 50 is connected between the negative pole of the power source 34 and the torch body 10. This arrangement serves to create an ignition arc between the rod electrode
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Gas flow for the purpose of igniting the main arc
40 between the electrode 16 and the workpiece 44 and for re-igniting the main arc when it is interrupted.
The embodiment shown in Fig. 3 of
The device differs from that according to Fig.
2 in that the water-cooled copper electrode 16 of the torch 10 has a tungsten tip
46 is provided and the line 48 to the
Annular space 12b and the gas flowing around the electrode tip 46 envelops the main arc, so that the through the supply line
38 introduced into the annular space 12a gas-borne
Powder flow is shielded against undesired contact with the electrode tip 46. The only other difference between the devices of FIGS. 2 and 3 is the reversal of the polarity of the direct current source.
The embodiment shown in FIG. 4 of the drawing is similar to that according to FIG. 3 with the difference that a separate electrode that is separate from the workpiece is used as the second electrode. This own electrode 52 is connected to the positive pole, the current source 34 via the line 36b and is connected to an insert 54 and an outlet 56 for the cooling water
Annular chamber 58 and provided with a nozzle channel 60 which corresponds to the nozzle channel j! of the torch body 10 is similar.
In this case the arc is generated between the tip 46 of the electrode 16 and the wall of the channel 60 of the remote electrode 52 and causes the formation of a parallelized arc flame in the same way as in the devices according to the other figures of the drawing.
The device according to FIG. 5 is similar to the other illustrated embodiments, but here the powder is fed through the hollow rod electrode 62 which is surrounded by a cylindrical cooling water jacket 64, so that an annular cooling space 66 is present between this and the wall of the hollow electrode 62 .
The most varied of workpieces have been coated with the most varied of powder materials, with or without binders, with good success.
With the inventive method it is possible, for example, to apply high-melting metal coatings such. B. from metallic tungsten, thoriated tungsten or from molybdenum. Such coatings have been impossible or impossible to produce in the previous methods due to the high melting points of the metals, or coatings containing the coating used as electron emission elements, filaments for high temperature use, and the like have not been obtained. Like. Required purity obtained.
With the aid of the method according to the invention, purely metallic coatings of a previously unattained density and adhesive strength can be obtained.
In one example, a metallic tungsten coating was produced using a device of the type shown in FIG. The burner was running on direct current of 150 A and approximately. 40 V operated with the electrode switched negative. Argon gas was passed through the burner nozzle in an amount of 3.40 m3 / h. Tungsten powder with a particle size below 11 microns was introduced into the argon stream at a rate of 2 g per minute. In this way an essentially pure tungsten metal coating was obtained on a copper workpiece.
In another example, the same device was used with a 2.5 cm long extension tube with an internal diameter of 8 mm attached to the lower anode. The steel workpiece, which was arranged at a distance of about 9.5 mm from the end of the extension tube, was rotated during the pulling process.
The burner was operated with a negative electrode with a direct current of 47 V, 125 A and argon gas was passed through the burner nozzle in an amount of 4.25 m3 / h. Tungsten powder with a particle size of 4.5 microns was fed into the argon stream in an amount of 5 g / min. The tungsten metal coating thus obtained had excellent interfacial bonding; its porosity was less than 100 / o,
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Tungsten rod (Vickers hardness 450).
Table I below shows the results of various coating operations in which the device shown in FIG
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<tb>
<tb> 2 <SEP> mmPowder-Arc-Argon <SEP> Feed- <SEP>
<tb> powder <SEP> quantity <SEP> workpiece <SEP> chip- <SEP> current- <SEP> quantity <SEP> speed / min <SEP> voltage <SEP> strength <SEP> m3 / h <SEP> speed <SEP> cm / min
<tb> V <SEP> A
<tb> WC <SEP> + <SEP> zoo <SEP> Co <SEP> 2 <SEP> steel <SEP> 28 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 38
<tb> WC <SEP> + <SEP> 80 / o <SEP> Co <SEP> 2 <SEP> Aluminum <SEP> 28 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 38
<tb> WC <SEP> + <SEP> 80 / o <SEP> Co <SEP> 2 <SEP> carbon <SEP> 28 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 38
<tb> WC <SEP> + <SEP> 80/0 <SEP> Co <SEP> 2 <SEP> stainless <SEP> steel <SEP> 30 <SEP> 80 <SEP> 1,
<SEP> 13 <SEP> 51
<tb> aluminum <SEP> 1-4 <SEP> steel <SEP> 28 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 38
<tb> Iron <SEP> 1-4 <SEP> Steel <SEP> 28 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 38
<tb> SiC <SEP> 1/2 <SEP> carbon <SEP> 35-40 <SEP> 250 <SEP> 0, <SEP> 71 <SEP> 20
<tb> silicon <SEP> 1 <SEP> carbon <SEP> 35-40 <SEP> 240 <SEP> 0, <SEP> 71 <SEP> 20
<tb> stainless <SEP> steel <SEP> 3 <SEP> steel <SEP> 26 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 33
<tb> stainless <SEP> steel <SEP> 3 <SEP> aluminum <SEP> 26 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 33
<tb> "Hastelloy <SEP> C?
<SEP> + <SEP> 3 <SEP> steel <SEP> 24 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 33
<tb> Hastelloy <SEP> C "+ <SEP> 3 <SEP> aluminum <SEP> 24 <SEP> 80 <SEP> 1, <SEP> 13 <SEP> 33
<tb> + <SEP> 530/0 <SEP> Ni, <SEP> 190/0 <SEP> Mo, <SEP> 17 <'/ o <SEP> Cr, <SEP> 60 / o <SEP> Fe, <SEP> 5% <SEP> W
<tb>
The following table II gives various working conditions which are
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was equivalent to a 325 mesh per linear inch Tyler screen (0.043 mm mesh) on a 1.27 cm diameter unalloyed carbon rod that was both advanced and rotated, and the like. zw. Using the burner shown in the figure given.
Table ! !
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<tb>
<tb> figure
<tb> 2 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP> 4 <SEP>
<tb> Arc current strength, <SEP> A <SEP> 58 <SEP> (UP) <SEP> 75 <SEP> (UP) <SEP> 60 <SEP> (NP) <SEP> 40 <SEP> (NP) < SEP> 105 <SEP> (NP) <SEP> 160 <SEP> (NP) <SEP>
<tb> Arc voltage, <SEP> V <SEP> 40 <SEP> 48 <SEP> 39 <SEP> 74 <SEP> 56 <SEP> 56
<tb> distance <SEP> between
<tb> torch <SEP> and <SEP> workpiece, <SEP> mm <SEP> 6, <SEP> 3 <SEP> 6, <SEP> 3 <SEP> 18, <SEP> 9 <SEP> 6, < SEP> 3 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP>
<tb> Quantity of argon, <SEP> m3 / h <SEP> 1.13 <SEP> 1.13 <SEP> 2.26 <SEP> 1.13 <SEP> 4.25 <SEP> 4.25
<tb> surfaces <SEP> ge <SEP>
<tb> speed <SEP> at
<tb> 1, <SEP> 27 <SEP> cm'D, <SEP> cm / min <SEP> 533 <SEP> 533 <SEP> 533 <SEP> 533 <SEP> 533 <SEP> 533
<tb> amount of powder,
<tb> g / min <SEP> 4 <SEP> 5, <SEP> 5 <SEP> 4,
<SEP> 0 <SEP> 4, <SEP> 0 <SEP> 4 <SEP> 4
<tb> nozzle diameter, <SEP> mm <SEP> 3.2 <SEP> 4.8 <SEP> 3.2 <SEP> * <SEP> 3.2 * <SEP> 3.2 *
<tb> Thickness <SEP> of the <SEP> coating, <SEP> mm <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 08 <SEP> 0, < SEP> 08 <SEP> 0, <SEP> 25 <SEP> 0, <SEP> 20 <SEP>
<tb> UP <SEP> = <SEP> reverse <SEP> polarity <SEP> (electrode <SEP> positive)
<tb> NP <SEP> = <SEP> normal <SEP> polarity <SEP> (electrode <SEP> negative)
<tb> * pilot arc nozzle, <SEP> diameter <SEP> 4mm <SEP>; <SEP> anode nozzle <SEP>
<tb> diameter <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> mm <SEP>; <SEP> Distance <SEP> between <SEP> the <SEP> nozzles <SEP> 6, <SEP> 4 <SEP> mm. <SEP>
<tb>
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All of these coatings were tight and well bonded to the workpiece.
Table III below shows the results of coating work on steel using the device according to FIG. 4 with a direct current source of normal polarity (electrode negative) and various coating materials with and without binders. Table III
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<tb>
<tb> Covering material
<tb> rost-rostAI "03 <SEP> CrC <SEP> free <SEP> free <SEP> Al <SEP> Ti
<tb> Al2O3 <SEP> Cr3C2 * <SEP> steel <SEP> steel <SEP> Al <SEP> Ti
<tb> arc current, <SEP> A <SEP> 80 <SEP> 150 <SEP> 150 <SEP> 150 <SEP> 150
<tb> Arc voltage, <SEP> V <SEP> 41 <SEP> 50 <SEP> 50 <SEP> 50 <SEP> 50
<tb> distance <SEP> between
<tb> torch <SEP> and <SEP> workpiece, <SEP> mm <SEP> 13 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25 <SEP> 25
<tb> Argon volume, <SEP> m3 / h <SEP> 1, <SEP> 70 <SEP> 3, <SEP> 40 <SEP> 3, <SEP> 40 <SEP> 3, <SEP> 40 <SEP> 3,
<SEP> 40 <SEP>
<tb> Amount of powder, <SEP> g / min <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> 3 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP>
<tb> nozzle diameter, <SEP> mm <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> 3, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 19 "/ o <SEP> Cr, <SEP> 9, <SEP> 50 / o <SEP> Ni, <SEP>
<tb> 20 / a <SEP> Mox <SEP> Mn, <SEP> 0, <SEP> 100/0 <SEP> C
<tb>
In the examples given in the tables, Ar. gon is used as a carrier gas and an arc-enveloping gas. Instead of argon, you can also use various other gases such as hydrogen, helium, carbon dioxide, carbon dioxide or nitrogen. If the oxidation of the workpiece or the molten powder is not a problem, you can even use oxygen, compressed air or other oxidizing gases.
It has been shown that the feed rate of the workpiece required for proper coating work depends on the current strength of the arc used in the process and the gas velocity. If to form a coating at a relatively high feed rate of 533 cm / min and low currents, e.g. B. of about 80 A and supply of 1.13 m3 / h argon was worked through a nozzle channel of 3.2 mm in diameter, there was essentially no alloy formation between the overlay and the base material. On the other hand, the use of high currents in the order of magnitude of 140-160 A at lower feed speeds of 12.5-25.4 com / min caused the workpiece to be severely melted and the coating material was thinned by the workpiece material.