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Leichtbaukörper Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes
Bauelement, das aus einem Leichtbaukörper (Leichtb augrundkörper) zusammengesetzt
ist, mit dem ein relativ härteres Material (Werkstoff) verbunden ist, Nach einer
erfindungsgemäßen Ausbildung kann der Körper in Form eines Kolbens für Verbrennungsmotoren
vorliegen, Die Erfindung schafft einen Leichtbaukörper, der einen Leichtmetallbauteil
mit einem an ihn gebundenen Element aufweist, das relativ härter ist als dasjenige
des Bauteiles, und ist da-# dßs3i gekennzeichnet:: daß dieses Element an seiner
innersten Ob erfläche gesohiehtete Partikel in gleichmäßigem Zusammenhang dispergiert
in innigem Kontakt mit nichtoxydierten Leiehtmetall--partikeln an der Grenzfläche
vorsieht" so daß das Element innig an das Leichtmetall gebunden ist und mit ihm
in einem guten Wätmeaustaüschverhältnis steht.
Es ist bekanat,daß
in ringsumlaufend eingeschnittenen Rillen auf die in Verbrennungsmotoren benutzten
Kolben nach aussen überstehende Ringe aus einem verhältnismäßig harten Mettal eingesetzt
werden.Der erste oder die ersten beiden Ringe in Nähe des Kolbenkopfes werden im
allgemeinen als Druckringe bezeichnet und dienen zur Blockierung des Flammendurchschlages
und der während der Kompression und der Explosion entwickelten heissen Gase, während
die weiter unten auf dem Kolbenmantel sitzenden Ringe 0-elringe sind, die den Durchgang
des Schmiermittels während den Kolbenhin- und Herganges regen.
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Iniolge der großen Hizze, der der Kopt des Kol= Jens ausgesetzt zst,neigt
die Aiuminummasse des Druclm.ages dazu,so wezen zu werden,dass Dez der Reiuung des
DrucK-ringes an der Zyiinderwand wahrend der Hinundneraewegung und dem Beharrungsvermögen
des Ringes seiust aeim Wechsel seiner Bewegungsrichtung beim schnellen Einundhergehen
des Kolbens das härtere Metall des Kolbenringes gegen die weiche Aluminumeinfassung
der Rille "hämmert" und diese dadurch ausweitet.Dieses Hämmern wird weiter durch
den Gasdruck verstä,rkt,der auf die Unterseite des obersten Ringes mit einer Kraft
eunwirkt,die den Beharrungskräften überlegen ist, und bei jeder Zündung ein Ringflattern
verursacht.Dieses Hämmern wird um so schlimmer, je mehr sich die.Rille aus-reitet.
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Es hat an Bemühungen nicht gefehlt, die behämmerten Seiten der Druckring-Rillen
mit härteren Metallen zu -besetzen,
die den Hämmern des Ringes widerstehen
und an Ort und Stelle festsitzen.Aufgrund der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten,der
Verbindungsschwierigkeiten usw.ergab sich aber,daß der die Rille bildende Hartmetalleinsatz
sich frei arbeitet,ein Hämmern von sich aus beginnt und die auf die Aluminiummasse
ausgeübte Hämmerwirkung vervielfacht.
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Ein Ziel der Erfindung ist eine Kolbenkonstruktion, bei der ein Ringlager
aus einem relativ härteren Metall in einen Leichtmetallkolben in verbesserter Weise
so eingefügt werden kann, daß dieser härtere Teil dicht und gut verfestigt im Kolben
eingebaut ist und eine gute Wärmeübertragung von dem eigentlichen Kolben auf die
Ringe und von diesen auf die gekühlten Wände des Zylinders bewirkt wird.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine verbesserte Kolbenringtragrillenkonstruktion,
die dem Hämmern des Kolbenringes in z.B. Dieselmotoren von Eisenbahnen über viele
100 000 km standhält,ohne daß der Kolben instandgesetzt oder durch einen neuen ersetzt
werden müsste.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Kolbenkonstruktion, bei der
der Kolben, wie das bei sehr schnell laufenden Motoren meist gefordert wird,aus
Aluminium oder aus anderen Leichtmetallen hergestellt ist,um seine Beharrungskräfte
zu verringern ,der aber dennoch einen für die golbenringmontage bestimmten Teil
aus einem verhältnismäßig harten Metall aufweist,der dauerhaft mit dem Kolben verbunden
-'_ ist und dadurch Verschlechterungen zwischen den Kolbenringen
und
den Seiten der Kolbenringrollen auf ein Mindestmass verringert.
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Diese und andere Ziele und Merkmale der Erfindung werden in der nun
folgenden Beschreibung ausführlich wiedergegeben.Eine bevorzugte Ausführungsform,die
anhand eines Beispieles erläutert wird, ist ausden dazugehörigen Zeichnungen zu
entnehmen.
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Eig. 1 stellt einen Längsschnitt durch einen Kolben dar,der die gehärteten
Ringlager nach den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung in fester Verbindung enthält..
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Fig.2 ist ein Querschnitt auf der Linie 2-2 der Fig. 1 Die Zig. 3
- 8 erläutern in Längsschnitten die verschiedenen Verfahrensstufen,nach denen die
verbesserte Kolbenrillung hergestellt wird;Fig. 3 zeigt einen Kolben, der ringsrum
um den Mantel 14 mit Kanälen oder Einschnitten 22 und 24 versehen ist,die bei seiner
Herstellung oder bei einer Wiederinstandsetzung erforderlich sind;Fig. 4 läßt erkennen,wie
diese Kanäle oder Einschnitte gekerbt oder in ähnlichwr Weise sufgerauht worden
sind;Fig.5 zeigt diese augerauhten Kanäle von der Seite,nachdem sie geriffelt worden
sind;Fig.6 zeigt,in welcher Weise härtere Materialien in die geriffelten Känäle
gespritzt und mit ihnen verbunden werden;pig. 7 zeigt den Kolben nach der Beendigung
des Spritzgorganges;und Fig.8 zeigt,wie das äußere härtere Material der Kolbenperipherie
angepasst ist und die Rillen
für die Ringe in dieses Material eingebracht
sind, so daß die Kolbenringe eingesetz werden können und der Kolben in Verbrennungsmotoren
benutzt werden kann.
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Fig. 9 zeigt einen Kolben von der Seite mit den üblichen Kolbenringrillen
und den Ölöffnungen am Grunde der letzten Rille.
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Fig.10 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Druckringrille des
beschädigten Kolbens,der wiederinstandgesetzt werden soll.
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Fig.11 zeigt die gleiche Stelle des Kolbens in Fig.10 mit der aufgebrachten
metallischen Zwischenschicht. Fig.12 zeigt ähnlich Wie Fig.9 und 10 die Anbringung
der Hartmetallfüllung.
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Fig.13 zeigt im Anschluß an die Fig.9 bis 12 das Einschniiden der
Kolbenrille in die Hartmetallfüllung. Fig.14 zeigt ähnlich wie Fig.13 eine andere
Form der Erfindung,bei der die Wände der wieder instandzüsetzenden Rille aufgerauht
worden sind.
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Fig.15 ist eine Mikroaufnahme,aus der die jeweiligen in den Fig.11
und 12 aufgebrachten Metallschichten zu erkennen sind.
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Im folgenden sind kurz zum besseren Verständnis der Erfindung
die Eigenschaften der benutzten Metalle zusam-
mengestellt.
| Schmelzpunkt Siedepunkt latente Ver- |
| dampfungswärme |
| Molydän 2620°C 4803°C 177 gcäl |
| Eisen 153500 2998o0 1110 gcal |
| Aluminium 657°C 205600 1950 gcal |
| Titan 1800°C 51000C 1320 geal |
Bei dem verbesserten Verfahren zum Verbinden zweier Metallmassen miteinander benutzt
man ein dazwischenliegendes Verbindungsmaterial,dessen Schmelzpunkt vorzugsweise
über dem Siedepunkt des einen und über dem Schmelzpunkt des anderen der zu verbindenden
Matalle liegt.Dieses Verbindungsmaterial wird in geschmolzenen Zustande bei einer
über seinem Schmelzpunkt liegenden Temperatur gegen das eine Metall gespritzt,sodaß
auf diesem eine dünne Schicht verdampft und sich da verspritzte Metall auf einer
unoxydierten Fläche niederschlägt.Durch das Verdampfen der dünnen Außenschicht werden
Oxyde und Oberflächenverunreinigungen entfernt.Bei der Verfestigung des verspritzten
Metalles kondensiert sich zuerst ein Teil des verdampfbBnt Metalles und verfestigt
sich auf der Außenfläche der Zwischenschicht.Beim anschließenden Verspritzen des
anderen Metalles im geschmolzenen Zustand auf die Zwischenschicht mit dem kondensierten
Metall auf der Oberfläche legiert sich dieses andere Metall mit
dem kondensierten
Metall,bis schließlich die restliche Menge des anderen Metalls rein verspritzt wird
und genügend Masse für
die weitere Bearbeitung liefert.
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Im besonderen wurde gefunden,daß beim Auspritzen geschmolzenen Molybdäns
auf einen durch Infrarotlampen auf etwa 230o erwärmten Aluminiumkörper,besonders
zwischen benachbarte,im stumpfen Winkel 'von ungefähr 100o zueinander stehenden
Wände,eine dünne Molybdänschicht abgelagert wird, die mit den reffen Aluminum ohne
Bildung einer Schicht von oxydiertem Aluminum gründlichst verbunden ist.Wenndann
rostfreier Stahl gegen die Molybdänschicht gespritzt wird, bildet sich eine Schicht
vonFerroalum-inat (FeAl3) von wesentlicher Stärke ewig) zwischen dem Molybdän und
der Schicht
reinem rostfreien Stahl.Auf diese Weise bilden sich aus dem drei benutzten Metallen
vier so eng miteinander verbundene Metallschichten aus,daß Bruchprüfungen
Brüche ohne Ausbildung von Grenzflächen ergeben.Diese Bildung wird erreicht,gleichgültig,ob
die Ausgangsoberfläche glatt oder
Im besonderen wird das Verfahren zur Herstellung eines neuartigen Aluminiumkolbens
für Verbrennungsmotoren benutzt,bei denen der Kolbenring in einer Rille in einem
Hartmetalleinsatz befestigt ist,der beständig a und ausdauernd mit dem Alumiumteil
des Kolbens verbunden ist.
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Die Verbrennungsmotoren von heute benutzen ganz allgemein Kolben von
außerordentlich geringem Gewicht,die aus. Aluminium,Aluminumlegierungen und dgl.hergestellt
sind.
Obwohl das awwicht solcher Kolben gering ist,besitzt
das
Material den Nachteil,daß es starker Hitze und- durch das
entsprechend
härtere Material der in den Kolbenringrillen ' sitzenden Kolbenringe- einem Hämmereffekt
ausgesetzt ist. Daraus ergeben sich zahlreiche Nachteile während des Betriebes des
Notors,weil die Kolbenringrillen durch das sehr harte Material der Kolbenringe überaus
stark beansprucht werden.Es ist dies ein altes Problem.
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Das Hauptziel der Erfindung gilt der Überwindung dieser Nachteile,was
dadurch erreicht wird,daß man in-einem Zeichtkolben,z.B. einen Aluminiumkolben,einem
Hartnetallteil einsetzt,in welchem die Rillen für die Ringe liegen und dessen Material
härter als das des Kolbens ist,um die Ab-
nutzung der Rillen durch die Ringe
auf ein Mindestmaß zu verringern.Ein weiteres Ziel ist die gute-Verbindung des Kolbens
mit dem eingesetzen Teil aus härteren Metall in verbesserter und sicherer Weise,so
daß eine hohe erwünschte Wärmeübertragung von den Ringen auf den Kolben selbst erfolgt:
Diese Ziele werden ganz allgemein mit dem»erfindungsgemäßen Kolben,wt er in den
beiliegenden ZeichT nungen und in der folgenden Beschreibung erläutert wird,erreicht.
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In den beiliegenden Zeichnungen bezeichnen gleiche Ziffern stets gleiche
Teile. Die Ziffer 10 bezeichnet einen
der üblichen Leichtmetallkolben
aus z.B. Aluminium,einer Aluminiumlegiertng oder dgl. Der Kolben besteht aus dem
üblichen Kopf 12 und dem Mantel 14 sowie den genau einander gegenüber-liegenden
Beschlägen 16 zur Aufnahme des Kolbenbolzens, durch den die (nicht gezeigte) Kolbenstange
an dem Kolben befestigt ist und letzteren mit der Kurbelwelle des Motors
verbindet, wenn der Kolben in einem Zylinder arbeitet.
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Die mit 18 bezeichneten Druckringe dienen dazu, den Druck der
explodierten Gase zwischen dem Kolben ünd der Zylinderwand nicht entweichen zu lassen,während
der mit 20 bezeichnete Ölring seinerseits verhindert, daß Öl nach
oben hinter den Kolben und in die Verbrennungskammer des ZXlinders entweicht.
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Wie aus lpig.1 hervorgeht,ist der Kolben rundherum mit einem
Kanal 22 unmittelbar unterhalb des Kolbenkopfes versehen,dessen Seitenwände nach'
außen auseinanderlaufen.Bin ähnlicher Kanal 24 kann um den unteren Teil
des
Kolbenmantels 14 herum vorgesehen sein.Die Neigung der Kanalwände
beträgt etwa 150 zur Waagrechten (vgl.Fig.-10). Diene
geneigten Wände halten das eingespritzte Material mit fest und ergeben den
besten Winkel für die Grenzflächen un-ter Berücksichtigung der betreffenden
Wärmeausdehnung.
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Zur Einbringung der Metalle in der beschriebenen
Weine
wird der chemisch gereinigte Kolben vorzugsweise auf
einer (nicht
gezeigten) Drehbank montiert,auf der die mit
40 bezeichneten
Infrarotlampen den gesamten Kolben 10 auf etwa die zu erwartende Arbeitstemperatur,nämlieh
230o,erhitzen. Dadurch verdampft die Feuchtigkeit und etwa zurückgebliebene Reinigungsflüssigkeit,
wobei das Aluminum sich normal ausdehnt.Eine der üblichen Spritzpistolen 41 wird
mit Molybdän gefüllt,das,wie aus Fig.11 ersichtlich,in dünner Schicht (0,035-0,070mm)
bei einer über seinem Schmelzpunkt liegenden Temperatur augespritzt wird.Dann wird
die Spritzpistole,wie in Fig.12 gezeigt,mit einem Rostfreien Stahl gefüllt,der einen
hohen Chrom- und einem gewissen Nickelgehalt aufweist,und der Kanalwie bei 43 angezeigt,so
gefüllt,daß ein Teil über die Seiten des Kanals überläuft. Anschließend wird der
überspritzte Teilvorzugsweise unter Benutzung eines Kühlmittels,suf den Durchmesser
des Kolbens abgeschliffen und die Rille 30-wiederum unter Kühlungmit Iiartmetallwerkzeugen
eingeschnitten.
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Die Verdampfung der oxydierten Oberfläche des Aluminums bringt das
Kolybdän in innige Verbindung mit der nichtoxydierten Aluminummasse,wobei das verdampfte
Aluminum einen zeitweiligen Schutz gewährt,bis das Kolybdän sich zu verfestigen
beginnt.Da das Aluminium den niedrigeren Schmelzpunkt hat,verfestigt sich der Aluminiumdampf
auf dem Molybdän.Das verfestigte Aluminum wird-danach geschmolzen,um sich mit den
ersten Schichten des rostfreien Stahls, der in der nächsten Stzfe aufgespritzt wird,
innig zu verbinden,
Durch diese Diffusion entwickelt sich eine
Schicht von Ferroaluminat 44,die sich gut mit dem Molybdän und mit dem aufzubringenden
Stahl verbindet.Sobalä kein weiteres Aluminium mehr zum legieren vorhanden ist,ist
der aufgebrachte rostfreie Stahl rein . Dadurch ertateht eine sehr wirksame Verbindung
mit gutem Wärmeaustausch und eine Rille,die eine lange Betriebsfähigkeit gewährleistet.
Wie aus den Zeichnungen zu ersehen ist,nimmt jede der schmalen Rillen,die in dem
Ringteil 26 aus Hartmetall eingeschnitten sind, einen Druckring 18 auf ,während
in der einen Rille im Hartmetallteil 28 am unteren Kolbenteil nur ein einziger Öldichtungsring
20 angebracht wird.Diese Zahl der Ringe am Kolben kann selbstverständlich variiert
werden, und natürlich könnte auch für jede Ringrille ein besänderer Hartmatallringteil
am Kolbenmantel angebracht werden. Wenn das Hartmetall 26 bzw. 28 fest in den Kanälen
22 bzw. 24 sitzt, wird das so in den Kolben eingebrachte Material barbeitet,um diesen
gehüteten Teil eine dem Kolben entsprechende glatte zylindarisohe Oberfläche zu
geben. Doieses gehärtete Material wird dünn mit den Rillen 30 versehen,um die Kolbenringe
18 einsetzen zu können; in dem-Hartmetalltell 24 am unteren Teil des Kolbens wird
die Rille 32 angebracht,in die der Kolbenring 20 eingesetzt wird. Bin weiteres geeignetes
Verfahren zur Bearbeitung des Kolbenkörpers vor Einbringung des Hartmetalls ist
in den
Figuren 3 bis 6 dargestellt.
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In Fig.3 ist der Kolben 10 in der Mantelwand 14 mit dem oberen Kanal
22 und dem unteren Kanal 24 für die Druck-bzw. Ölringe versehen worden.Diese Kanäle
können während des Gusses hergestellt oder aber nach beendetem Guss eingearbeitet
werden.In jedem Fall werden die Kanalböden 34 bzw.
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3e )Fig.4) an allen drei Wänden aufgerauht.Diese Aufrauhun-' gen bewirken,daB
sich das eingespritzte Hartmaterial innig an den Kanalboden und an die Kanalwände
anschmiegt und daB sich eine gute Verbindung mit dem Kolben ergibt.
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Wie aus Fig.5 zu ersehen ist,kann die Kanalfläche.auf den Wänden auch
ausgezackt oder in irgendeiner anderen Weise aufgerauht werden.
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Wenn die Aufrauhungen bzw. Auszackungen der Kanaloberfläche
durchgeführt sind,werden nachekiander wie beschrieben geschmolzenes Molybdän
und geschmolzener rostfreier Stahl in die Kanäle eingespritzt.Wie bereits beschrieben,
werden die Kanäle mit dem Hartmetall 26 bzw. 28 (Fig.?) nicht nur gefüllt,sondern
das Hartmetall tritt auch ringarum den Kolben herum über die Außenränder der Kanäle
hinweg auf die golbenwand,wo es später abgeschliffen bzw. bearbeitet wird,um
diese Teile,wie bereits beschrieben, der glatten zylinderischen OWerfläehe des Kolbens
anznpsaaen.
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Nach dieser Durchführung des Verfahrens sind die Hartmetalle sowohl
mechanische als auch vom Gesichtspunkt der Wärmeübertragung her ausgezeichnet mit
den wärmeleitenden
Wänden des Leichtmetallkolbens verbunden.Es
ist dadurch eine Oberfläche geschaffen worden,die dem Hämmern der harten Kolbenringe
zu widerstehen vermag,ohne daß damit die Vorteile, die ein Leichtmetallkolben bietet,geopfert
würden. In gewisser Hinsacht ist eine vollgültige Erklärung für die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren erhaltenen Ergebnisse nicht zu geben.Jeder Versuch einer Anlyse dieser
Ergebnisse kann nur als eine mögliche Erklärung für gewisse zu beobachtende physikalische
Phänomene gewertet wers den.Obwohl z.B. die Ferroaluminiumschicht aus einer Niederschlagung
des verdampften Aluminiums auf dem Molybdän herzustammen scheint,wenn diese eingesprätzt
wird, geht offensichtlich aus ihrer Anwesenheit hervor,daß das Molybdän mit reinem
Aluminium verbunden wird.Das ist in Fig.15 dargestellt.Es ist keine Aluminiumoxydschicht
zwischen dem Aluminium und dem Molybdän vorhanden.Gegehenfalls kann der Niederschlag
vor Aufbringung des rostfreien Stahls entfernt werden,trotzdem wird eine ausgezeichnete
Verbindung des reinen rostfreien Stahls auf dem Molybän erhalten.Die Anwesenheit
der Ferroaluminatschicht neben dem Aluminium ist aber zweekmäßig,inabesondere da
beide Schichten praktisch den gleichen Wäraeausdehnungskoeffizienten haben. Es kann
hier auch Titan mit seinem hohen Siedepunkt als Zwischenmaterial in sauerstoffreier
Atmosphäre benutzt werden.Aus den hohen Schmelz-und Siedepunkt dieser beiden
Metalle
geht hervor,daß genügend Wärme vorhanden ist,um das Aluminium zu verdampfen,das
sich nicht eher niederzuschlagen beginnt,als bis sich Molybdän oder Titan verfestigen
und mit dem reinen Aluminium zu verbinden beginnen,um zwischen beinen reffen Metallen
ohne Verunreinigung durch das Aluminiumoxyd eine gute Verbindung sicherzustellen.Da
das Aluminium unmittelbar vor dem Zeitpunkt schmilzt und verdampft,an dem das Molybdän
sich nach dem aufspritzten abzusetzen beginnt, muß tatsächlich angenommen werden,daß
die Reinheit des an das Molybdän gebundenen Aluminiums selbst bei einer Mischung
der Moleküle an der Grenzfläche gesichert ist.
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Die Intensität der molekularen Wirkung an den Grenzflächen kann etwa
geschätzt werden,wenn man bedenkt,daß der Siedepunkt des Aluminiums bei
20560 liegt und die latente Verdampfungswärme,die weitere Kalorien erfordert,1950
gcal beträgt,und der Siedepunkt des rostfreien Stahls bei
29980 liegt.Die
Verwendung von Molybdän,das bei
26200
schmilzt und bis zu 4803o geschmolzen
bleibt (nicht gasförmig ist) (Titan bleibt bis
51000 im Schmelzzustand),läßt
den Wärmebereich erkennen der zur Verdampfung der Oberfläche des Aluminiums angewand
werden kann.Diese Umstände sind in gleicher Weise vorteilhaft,weil die hohe latente
Verdampfungswärme des Aluminiums eine zu starke Verdampfung des Aluminiums verhindert
und auch das Nolj:bdän an der Grenzfläche schnell unter seinen Schmelzpunkt abkühlt,so
da8
Aufbringung,verdampfung, und notwendige Abkühlung praktisch
gleichzeitig bei ungefähr
26200 eintreten und das Molybdän sich verfestigt,ehe
das Aluminium das gleiche an der Grenzfläche tut.Auf diese Weise wird das härtere
Metall durch das unter 657o sich verfestigende Aluminium an die Grenzfläche angepasst.
Der rostfreie Stahl schmilzt dann. den Aluminiumniederschlag bei Temperaturen über
1535o,aber unter 2998o; und die Molekularaktivität ergibt das Ferroauminat,wenn
das Aluminium nicht entfernt worden ist, und die Veriiindung ist vollständig. Als
Zwischenstoffe können auch andere Metalle benutzt werden,wenn ihr Siedepunkt hoch
geneng liegt,damit das Aluiminium verdampft wird,vorzugsweise ohne daß das Metall
seinen eigenen Siedepunkt erreicht,In diesem Zusammenbange könnten auch Kobalt und
Nickel unter sorgfältig kontrollierten Temperaturbedingungen benutzt werden,wobei
die Kalorien je Gramm bei beiden Metallen sehr wichtig sind.Es sollen genügent Kalorien
indem aufgebrachten Metall unter seinem Siedepunkt vorhanden sein,um eine gewisse
verdampfung des Grundmetalls an seiner Oberfläche zu bewirken. Es wurde jedoch gefunden,daß
Molybdän die besten Ergebinsse liefert,weil eine gewisse Abtrift in der Ent-
| fernungfHisDDURUnteil der Spritzpistole und dem |
Werkstück möglich ist,so dass man mit einer gewissen Sicherheit
die
Verdampfung und die Brinellhärte*des Metalles regeln kann.Für das Füllmetall ergibt
eine Entfernung von etwa 9 cm den besten Härtegrad hinsichtlich Abschleifen und
Rillenschneiden, der zwischen Rockwell C 23 - 26 liegen soll. Die vorstehenden Ausführungen
begrenzen die Erfindung nicht, da zahlreiche Abänderungen innerhalb des beansprucb~ten
Erfindungsbereiches möglich sind.