DE1646679C3

DE1646679C3 - Verfahren zur Herstellung von aluminiumhaltigen Schutzüberzügen auf Kohlenstofferzeugnissen

Info

Publication number: DE1646679C3
Application number: DE1646679A
Authority: DE
Inventors: Alexander Jordanow Dipl.-Ing. Sofia Valtschev
Original assignee: METALURGITSCHEN ZAVOD LENIN PERNIK (BULGARIEN)
Current assignee: METALURGITSCHEN ZAVOD LENIN PERNIK (BULGARIEN)
Priority date: 1965-03-29
Filing date: 1965-07-22
Publication date: 1975-04-10
Also published as: DE1646679A1; DE1646679B2; GB1151071A; CH490517A; FR1434642A; NO115694B; BE678523A; AT271036B; SE318159B; ES324641A1

Description

Anspruch 1 oder2 dadurch gekennzeichnet, daß der Vorgang: Auftragen einer Aluminiumschicht und einer oder mehrerer sich bekannter Schichten und anschließende

an sich bekannter Schc

Behandlung im Lichtbogen wiederholt w.rd.

und spcz ell^ rar' _{verwencJct wr}.

Stahlerzeugun_fe m L. g

den. D« Ek*. ^od^^nve™ bedeutend gesenkt werdung vcm ^^'^„^ _übJ_ä$c _können nicht für diesen Zweck eingesetzt werden, da sie die notwendigen Eigenschaften nicht besitzen.

Die Schutzüberzüge von Graphitelektrode fur die

Lichtbogenofen in der Stahlindustrie müssen drei

sehr strengen Forderungen genügen: Zersetzungstem-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren »r Herste!- peraturen über 1700 ] C ™^™£«^

de»«.

kannten Überzüge aus Siliciumcarbid erreicht, was 45 Df r aufgetragene hXen TemperatuL das Siliciumcarbid oxy- mit einem elckirischen li

ununterbrochen zwischen einei

^{oxy<lation nkhl widet}"

Ferner sind Verfahren zur Herstellung von emailartigen Oxidüberzügen bekannt, bei denen die Ausgangsstoffe auf die Kohlenstoffoberfläche aufgetragen werden und der Oxidüberzug durch mäßiges Erhitzen des Kohlenstofferzeugnisses (z. B. 600° C) in Luftalmosphäre geschmolzen wird. Diese Überzüge schützen den Kohlenstoff nur bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, beispielsweise bis zu C. und stellen nur für Spezialzwecke, z.B. für Atomreaktoren, ein Interesse dar.

den Lichtbogenofen wesentlich verbessert wird.

Die Anwendungsmöglichkeiten d,eses Verfahrens sind wegen der Verwendung von pulverförmig^ Stoffen als Ausgangsmatenal stark eingeschränkt da es bei beliebiger Zusammensetzung der Überzuge nicht möglich ist diese Materialien in einer ersten Schicht mit Hilfe des Lichtbogens zu fixieren Damit die Behandlung im elektrischen Lichtbogen eolgreich .st, ist es erforderlich, daß der Gesamtgehalt an Aluminium und Siliciumcarbid in dei Überzugs-

3 4

schicht ungefähr 80°/o beträgt, wobei mindestens wahrscheinlich auf der hohen Qberflächenspannting

20°/o Siliciumcarbid vorliegen. der außerordentlich dünnen Aluminiumoxidschidit,

Dieses bekannte Verfahren hat auch insofern die die einzelnen Aluminiumkörner dicht umhüllt.
Nachteile, als auf der Kohlenstoffoberfläche nur Erfindungsgemäß ist es möglich, daß bei Vorliegen dünne Schichten von etwa 0,1 mm aufgetragen wer- 5 einer Aluminiumschicht, die sogar weniger als den können. Außerdem läßt sich die wiederholte 20 mm dick sein kann, auf die Kohi-snstoffoberfläche Lichtbogenbehandlung zur Herstellung einer dichten verschiedene Stoffe durch Behandlung mit dem elek-Struktur sriiwer durchführen, da die Schicht, die trischen Lichtbogen aufgetragen werden können. So schon einmal mit dem elektrischen Lichtbogen be- können als Überzugsmaterialien mit Erfolg sogar handelt wurde, nicht mehr im erforderlichen Maß io Edelmetalle verwendet werden, obwohl es sonst prinzur Elektronenemission befähigt ist. Dadurch ist so- zipiell nicht möglich ist, eine Haftung zwischen ihnen wohl eine niedrige Produktionsleistung dieses Ver- und dem Kohlenstoff zu erzielen,
fahrens als auch die Wahrscheinlichkeit, daß einzelne ijei der praktischen Durchführung des erfindungsgasdurchlässige Stellen in den Schichten erzielt wer- gemäßen Verfahrens beginnt die Herstellung von den, bedingt. i₅ Schutzüberzügen, indem unmittelbar auf die Kohlen-

Der Erfindung liegt dagegen die Aufgabe zu- Stoffoberfläche eine dichte Aluminiumschicht durch

gründe, ein Verfahren rum Auftragen von Schutz- Aufspritzen in geschmolzenem Zustand aufgetragen

überzügen auf Kohlenstofferzeugnissen zugänglich zu wird. Dies erfolgt nach den bekannten Metallspritz-

machen, bei dem durch Behandlung im elektrischen verfahren. Danach werden auf diese Schicht nach be-

Lichtbogen erfolgreiche Überzüge beliebiger Zusam- ao kannten Verfahren die gewünschten Stoffe aufgetra-

mensetzung erhallen werden können. Erfindungsge- gen, worauf die Bearbeitung mit dem elektrischen

maß ist es möglich, durch entsprechende Auswahl von Lichtbogen durchgeführt wird.

Materialien unterschiedliche Überzüge mit sehr un- Es ist wünschenswert. Metalle auf die Aluminium-

terschiedlichen Eigenschaften zu erzielen, die im schicht ebenfalls durch Aufspritzen im geschmolze-

Hinblick auf die Anwendungsbedingungen variiert as nen Zustand aufzutragen. In diesem Fall können mit

werden können. Erfolg mit dem elektrischen Lichtbogen Schichten

Erfindungsgemäß lassen sich mit Hilfe des elektri- bearbeitet werden, die mehrfach größere Mengen der

sehen Lichtbogens Schichten herstellen, die eine gewünschten Metalle enthalten, als wenn dieselben

wesentlich größere Menge der Ausgangsstoffe enthal- Metalle als Pulver im suspensionsförmigen Anstrich

ten als die bekanntermaßen hergestellten Schichten. 30 aufgetragen werden.

Es konnte nun festgestellt werden, daß durch Auf- Auf das Aluminium oder auf die Metalle wird ein

spritzen im geschmolzenen Zustand und Bearbeitung Aufstrich von pulverförmigen Stoffen als Suspension

mit dem elektrischen Lichtbogen e^;ne dichte Alumi- aufgetragen. Die Zusammensetzung des Aufstriches

niumschicht sehr gut auf einer Kohlenstoffoberfläche wird nach verschiedenen Erwägungen festgelegt, /.. B.

fixiert werden kann. 35 Elektronenemission, Einführung gewünschter Legie-

Auf Grund des Standes der Technik war es über- rungselemente im Überzug, Fixierung gewünschter raschend, daß auf Kohlcnstoffoberflächen ein Metall Stoffe auf die Überzugsoberfläche,
aufgetragen werden kann, das kein starker Carbid- Nach Auftragung aller Ausgangsstoffe für die gebildner ist. Es wäre zu erwarten gewesen, daß beim gebene Schicht folgt die Bearbeitung mit dem elektri-Erhitzen im elektrischen Lichtbogen das geschmol- 40 sehen Lichtbogen. Letzterer wird zwischen dem Gezene Metall auf Grund der Oberflächenspannung genstand und einer kleinen seitlichen Elektrode ersieh zu kugeligen Tropfen vereinigen würde, die zeugt, die senkrecht zu der bearbeitenden Oberfläche dann von der Oberfläche abfallen, wie :s beispiels- steht. Diese Arbeitsweise wird nachträglich an Hand weise bei Kupfer. F.iscn. Zink der Fall ist. der Zeichnung erläutert. Hier ist mit 1 das zu beai-

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur 45 bellende Erzeugnis und mit 2 die seitliche Elektrode Herstellung von aluminiumhaltigen Schutzübcr/ügen bezeichnet. Die seitliche Elektrode 2 ist auf dem Haiauf Kohlenstofferzeugnissen durch Auftragen von tcr 3 befestigt, der seinerseits auf der Führung 4 von Metallen durch Aufspritzen in geschmolzenem Zu- der Leitspindel 5 bewegt wird. Das E'zeugnis 1 ist mit stand oder als Pulver in Form einer Suspension oder Hilfe zweier Kopfstücke 6 in den Spitzen 7 befestigt, von Schichten, die pulverförmige Oxide, Carbide 50 die ihm eine Drehbewegung übertragen. Das Erzcug- und/oder Nitride enthalten, und Behandlung der auf- nis 1 ist ununterbrochen mit Hilfe der Bürste 8 und getragenen Materialien mit einem elektrischen Licht- dem Kontaktring 9 mit der Stromquelle 10 verbunbogen, der ununterbrochen zwischen den aufgetrage- den. Die seitliche Flektrode 2 ist an dieselbe Stromnen Materialien und einer seitlichen Elektrode quelle 10 mit Hilfe einer biegsamen Leitung geschalbrennt, wobei die Oberfläche gegenüber dem cleklri- 55 tet. Der elektrische Lichtbogen brennt zwischen dem sehen Lichtbogen bewegt wird, das dadurch gekenn- Erzeugnis 1 und der seitlichen Elektrode 2, und bei zeichnet ist, daß vor dem Auftrag der genannten Drehung der Erzeugnisse 1 und Entlangbewegung Überzugsmaterialien unmittelbar auf die Kohlen- ibr seillichen Elektrode 2 bearbeitet der Lichtbogen Stoffoberfläche eine dichte Aluminiumschicht durch fortwährend die ganze Oberfläche.
Aufspritzen im geschmolzenen Zustand aufgetragen 60 Die seitliche Elektrode 2 hat die Aufgabe, den wird. elektrischen Lichtbogen zu unterhalten. Mit ihrer

Es konnte festgestellt werden, daß bei dem erfin- Zusammensetzung nimmt sie bei der Oberflächenbil-

dungsgemäßen Verfahren bei der Behandlung mit dung nicht teil; sie besteht gewöhnlich aus Graphit,

dem elektrischen Lichtbogen das aufgespritzte Alu- Der elektrische Lichtbogen wirkt auf eine Fläche mit

minium sich weder teilweise von dem Kohlenstoffer- 65 einem Durchmesser von 8 bis 12 mm, und bei sei-

zeugnis ablöst noch zu Tröpfchen vereinigt, sondern ner relativen Bewegung entlang der zu bearbeitenden

sehr gut als dichte nicht unterbrochene Schicht auf- Oberfläche erhitzt er einen Streifen mit derselben

getragen wird. Diese unerwartete Eigenschaft beruht Breite auf hohe Temperatiiren.

Die Erhitzung und Abkühlung des Überzuges dauert kurze Zeit: zahlenmäßig im Bereich von einigen Zehnteln Sekunden. Dies erlaubt das Arbeiten mit elektrischen Lichtbogen an Anlagen in Lnftatmosphäre ohne sichtbares Oxydieren der Überzugsbestandteile.

Durch Wahl der Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und der Geschwindigkeit der relativen Bewegung wird die notwendige Temperatur der Überzugsmaterialien erreicht.

Um eine ausgesprochene Kohäsion der untersten ersten Schicht mit dem Kohlenstoff zu gewährleisten, ist es notwendig, die aufgetragenen Stoffe mit dem Lichtbogen auf 2000 bis 2200° C zu erhitzen. Infolge dieser hohen Temperatur hat die fertige Schicht eine verhältnismäßig homogene Struktur, unabhängig davon, daß die Ausgangsstoffe in einzelnen streng abgegrenzten Schichten aufgetragen waren.

Die Kohäsion zwischen der ersten und der zweiten Schicht kann durch Erhitzen mit dem Lichtbogen auch bei niedrigeren Temperaturen erreicht werden. Deswegen wird die zweite Schicht gewöhnlich bei l,5mal höherer relativer Geschwindigkeit bearbeitet. Wenn die Bearbeitung bei viel höherer Geschwindigkeit bzw. bei niedrigerer Stromstärke durchgeführt wird, kann dadurch nur eine leichte Oberflächenschmelzung der aufgetragenen Stoffe erreicht werden.

Gewöhnlich bestehen die erfindungsgemäß hergestellten Überzüge aus zwei oder drei Schichten. Falls gewünscht wird, daß der fertige Überzug auch besondere Oberflächeneigenschaften besitzt, die in bestimmten Fällen durch die zweite Schicht nicht gewährleistet sind, werden eine dritte oder mehrere Schichten aufgetragen. Das Auftragen mehrerer Schichten erfolgt jedoch nur im Hinblick auf das Erreichen der gewünschten Oberflächeneigenschaften, nicht jedoch, um eine größere Dicke der Überzüge zu erhalten. Gewöhnlich werden in der dritten Schicht durch Erhitzen mit dem elektrischen Lichtbogen die gewünschten Oberflächeneigenschaften erzielt, oder es werden die gewünschten Stoffe auf der Oberfläche fixiert.

Das Verfahren gestattet die Bearbeitung einzelner Schichten mit einer Dicke von mehr als 1 mm, während gewöhnlich die Gesamtdicke des fertigen Überzugs unter 1 mm ist.

Auf die Schichten, die mit elektrischem Lichtbogen bearbeitet sind, können nach bekannten Verfahren Schichten aufgetragen werden, die nicht mit dem elektrischen Lichtbogen bearbeitet werden und die kein Aluminium zn enthalten braudien. Gewöhnlich bestehen diese Schichten aus aufgespritzten Metallüberzügen oder aus Oxidsystemen mit niedrigem Schmelzpunkt. Es ist aber auch eine Kombination von Metalischichten mit niedrigschmelzender Oxidschicht möglich.

Gemeinsames Merkmal der Herstellung der Überzüge gemäß vorliegender Erfindung ist die dichte Aluminiumschicht. Dies soll aber nicht bedeuten, daß der Aluminiumgehah in den Schichten, die mit dem elektrischen Lichtbogen bearbeitet sind, in bestimmten Grenzen gehalten werden soli. Wenn die Alummium-Grundschicht sehr dünn ist und auf ihr bedeutende Mengen anderer Stoffe aufgetragen sind, kann der Aluminiumgehalt in der Schicht unter 5 ·/« betragen. Umgekehrt: Bei verhältnismäßig deker Aluminiumschicht und geringer Mcnpc anderer Stoffe kann der Aluminiumgehalt in der fertigen Schicht 95%> übersteigen.

Das beschriebene Verfahren schafft die Möglichkeit, eine oberste Schicht mit sehr niedrigem Kontaktwiderstand zu erzeugen, was besonders wichtig für die Überzüge der Elektroden für Großraumöfen ist.

Das Verfahren ermöglicht die Schaffung von Aluminium-Zinn-Überzügen, die einen niedrigen Schmelzpunkt besitzen und einen guten Schutz auch ίο im Bereich von 400 bis 650° C sichern.

Die folgenden Beispiele erläutern die praktische Ausführung der Erfindung. Gemäß den Beispielen werden die Schutzüberzüge auf zylindrische Kohlenstoffgegenständen hergestellt. Anstatt des Begriffs Relativgeschwindigkeit wird der Ausdruck »Peripheriegeschwindigkeit« gebraucht. Alle Stoffmengen beziehen sich auf eine Oberfläche von 1 m².

Beispiel 1
beschreibt die Herstellung
eines Aluminiumüberzuges

Auf die Oberfläche des Kohlenstoffgegenstandcs weiden 700 g Aluminium mit dem Elektrospritzgerät

»5 aufgetragen. Auf diese Schicht wird als eine wäßrige Suspension ein Aufstrich aus den folgenden pulverfömnigen Stoffen aufgetragen: 50 g Aluminium, 90 g Siliciumkarbid, 50 g Titandioxid und 30 g Borsäure. Der Gegenstand wird auf 200° C erwärmt und die Bearbeitung mit dem elektrischen Lichtbogen bei folgenden Bedingungen durchgeführt:

Peripheriegeschwindigkeit
8 mm. Stromstärke 360 A.

5,4m/min, Stufe

Auf die mit dem elektrischen Lichtbogen bearbeitete Oberfläche werden 500 g Aluminium aufgespritzt und wird ein Aufstrich mit folgender Zusammensetzung aufgetragen: 50 g Aluminium, 80 g Silicium, 50 g Titandioxid und 30 g Borsäure. Nach

Trocknung wird die Bearbeitung mit dem elektrischen Lichtbogen bei den folgenden Bedingungen durchgeführt.

Peripheriegeschwindigkeit 7,0 m/min, Stufe 8 mm, Stromstärke 400 A.

Auf die zweite Schicht werden 400 g Aluminium aufgespritzt und wird ein Aufstrich aus 40 g Graphit aufgetragen. Es folgt eine Bearbeitung mit dem elektrischen Lichtbogen bei folgenden Bedingungen:

Peripheriegeschwindigkeit 5,4 m'min, Stufe 10 mm, Stromstärke 240 A.

Am Ende wird die Oberfläche leicht geschliffen, um eine bessere Beschaffenheit zu erhalten.

Beispiel 2 beschreibt die Herstellung von Silberüberzügen Auf die Oberfläche des Kohlenstoffgegenstandes werden 100 g Aluminium und 1000 g Silber mittels βο Elektrospritzen aufgespritzt. Auf das Silber wird ein Aufstrich mit folgender Zusammensetzung aufgetragen: 25 g Aluminium, 30 g Siliciumkarbid, 15 g Titandioxid, 10 g Borsäure und 10 g Bariumperoxid Nach Trocknung wird eine Bearbeitung mit demelektrischen Lichtbogen bei folgenden Bedingunger durchgeführt:

Peripheriegeschwindigkeit 2 m min, Stufe 5 mm Stromstärke 120 A.

des
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nilich
ri-

Auf die mit elektrischen Lichtbogen bearbeitete Oberfläche werden aufeinanderfolgend 70 g Aluminium und 800 g Silber aufgespritzt. Auf das Silber werden 400 g Bleiglätte mit der folgenden Zusammensetzung aufgetragen: 85°/o Bleioxid, lO°/o Boroxid und 5% Siliciumdioxid. Der Kohlenstoffgegenstand wird auf 500⁰C erhitzt, damit die Bleiglätte schmilzt.

Beispiel 3

^r ίο

In diesem Beispiel wird die Herstellung eines Aluminium-Zinn-Überzugs beschrieben.

Auf die Oberfläche eines Kohlenstofferzeugnisses werden mit Hilfe eines Lichtbogenspritzgeräts 300 g Aluminium im geschmolzenen Zustand aufgetragen. Auf diese Aluminiumschicht werden dann 120 g Zinn im geschmolzenen Zustand auf eine für niederschmelzende Metalle übliche Weise aufgetragen. Auf das Zinn wird ein Aufstrich aufgetragen, der folgende Zusammensetzung hat: 35 g Aluminium, 40 g ao Titandioxid, 10 g Graphit und 10 g Bariumperoxid. Nach dem Trocknen wird die Lichtbogenbehandlung bei folgenden Bedingungen durchgeführt:

Peripheriegeschwindigkeit 8,0 m/min, Stufe — Vorschub der seitlichen Elektrode pro Um- *⁵ drehung der bearbeiteten Graphitelektrode — 3 mm, Stromstärke 70 A.

Eine zweite Schicht wird in gleicher Weise wie die erste Schicht hergestellt.

Beispiel 4

Auf die Oberfläche eines Kohlenstofferzeugnisses werden mit Hilfe einer Lichtbogenspritzvorrichtung 150 g Aluminium in geschmolzener Form aufgetragen. Auf die Aluminiumschicht werden mit Hilfe eines Sauerstoff-Spritzgeräts 300 g Chrom ebenfalls in geschmolzener Form aufgetragen.

Auf die Chromschicht wird ein Aufstrich der folgenden Zusammensetzung aufgebracht: 35 g Alumi- +o nium, 10 g Bariumoxid, 20 g Borcarbid, 15 g Siliciumdioxid, 20 g Dichromtrioxid. Nach dem Trocknen wird die Lichtbogenbearbeitung unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Peripheriegeschwindigkeit 4 m/min, Stufe 6 mm, Stromstärke 220 A.

Auf die mit dem Lichtbogen bearbeitete Schicht werden 50 g Aluminium im geschmolzenen Zustand aufgespritzt. Darauf werden nacheinander 2500 g Eisen und 300 g Kupfer in geschmolzener Form aufgespritzt. Dann wird ein Aufstrich aus 30 g Graphit und 30 g Titancarbid aufgebracht. Nach dem Trocknen wird eine Lichtbogenbehandlung unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Peripheriegeschwindigkeit 15 m/min, Stufe 7 mm, Stromstärke 280 A.

Beispiel 5

Auf die Oberfläche eines Kohlenstoffkörpers werden nacheinander 200 g Aluminium, 100 g Kobalt und 300 g Nickel in geschmolzener Form aufgespritzt. Dann wird ein Aufstrich aus 30 g Aluminium, 20 g Silicium, 40 g Titanoxid und 30 g Siliciumcarbid aufgebracht. Nach dem Trocknen wird die Lichtbogenbearbeitung unter folgenden Bedingungen vorgenommen:

Peripheriegeschwindigkeit 5 m/min, Stufe 5 mm, Stromstärke 160A.

Auf die erste Schicht werden noch einmal die gleichen Materialien aufgetragen, und es wird eine weitere Lichtbogenbehandlung unter den vorstehend angegebenen Bedinungen durchgeführt.

Auf die zweite, mit dem Lichtbogen bearbeitete Schicht werden nacheinander 400 g Nickel und 400 g Chrom in geschmolzener Form aufgespritzt. Auf die Chromschicht werden 850 g Wasserglas mit einem Gehalt an 110 g Natriumoxid und 190 g Siliciumdioxid aufgetragen. Das Natriumoxid kann auch durch Kaliumoxid ersetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von aluminiumhaltigen Schutzüberzügen auf Kohlenstofferzeugnissen durch Auftragen von Metallen durch Au spritzen in geschmolzenem Zustand oder als Pulver in Form einer Suspension oder von Schiertlen, die pulverförmige Oxide, Carbide und/oder Nitride enthalten, und Behandlung der aufgetragenen Materialien mit einem elektrischen Lichtbogen, der ununterbrochen zwischen den au getragenen Materialien und einer seitlichen fclektrode brennt, wobei die Oberfläche gegenüber dem elektrischen Lichtbogen bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Auftrag der genannten Überzugsniaterial.en unmittelbar auf die Kohlenstoffoberflache eine dichte Aluminiumschicht durch Aufspritzen .m geschmolzenen Zustand aufgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die dichte Aluminiumschich durch Aufspritzen mit dem Elektrospnugerat Für die Erfordernisse der Raketentechnik wurde ein Verfahren entwickelt, durch das hochschmel-Materialien im Plastnazustand in einem Argonauf Kohlenstofferzeugnisse aufgetragen ;.ver-₃₀85 317). Bei diesen bekannten VerdenJ₁U- - ^. _bodBauasüesuie Metalle, wie Wolfranr^c" ^ _{Molybdän un}d deren Legierungen, als «£' uesmaterialien benutzt werden, und in gewis-^Uö it.f: _werd_en als Zusatzstoffe auch hochschmelsen"""¹ _{ie Zirko}ndioxid, Aluminiumoxid

zende ^^^ _{Dieses bekannte} Verfahren, das "^. _mm Auftragen von Überzügen auf Ra-

^^uP~^C _{dient>
führt zu} überzügen, die den Kohkcua. _{sehr hohen Teniperaturen von}

!f.™f"fJ™S,_{3 c wä}hrend 2 Minuten schützen. Das ^^L dt jedoch nicht nur eine

voiStung als andere Verfahren _von überzügen, sondern ist auch mil ££Ordentlich großen Energieaufwand und ™^e£ J"f^r^Ξ Verbunden. Auch die Vorbe-'° Z A^offc ist kompliziert. Dieses

r nur begrenzte Anwendung

Rakctentetnnik.
verwendeten Kohlenstoffer-

*5