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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein verschleißfestes Element zur Herstellung
von Verschleißschutzschichten
auf einem metallischen Grundkörper.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, eine Verschleißschutzschicht
zu schaffen, welche mechanisch, z.B. durch Reibung, oder fluidisch
beaufschlagte Oberflächen
von Bauteilen gegen Verschleiß durch
mineralische Substanzen schützt
und deren Lebensdauer erhöht.
Durch Minerale mechanisch beanspruchte oder umströmte Bauteile
unterliegen im allgemeinen abrasivem oder erosivem Verschleiß. Um die
Lebensdauer dieser Bauteile zu erhöhen ist es bekannt deren Oberfläche zumindest
in den am stärksten
betroffenen Bereichen mittels einer Verschleißschutzschicht abzudecken.
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Aus
der
DE 35 33 344.8 ist
die Herstellung einer Verschleißschutzschicht
durch Aufschweißen einer
Panzerung auf besonders beanspruchte Stellen von langen Tiefbohrrohren
bekannt, wobei diese Panzerung aus einer Stahllegierung mit eingelagerten
Hartteilchen, meistens Wolframcarbidteilchen bestehen, die durch
Auftragsschweißung
aufgetragen werden, welche aus mehrererl, nebeneinander liegenden
Schweißraupen
besteht.
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Die
DE 40 36 040 offenbart eine
verschleißfeste
Oberflächenpanzerung
für Walzen
von Hochdruck-Walzenpressen, der sich im Betrieb der Walzenpresse
selbst bildet, indem auf den Walzengrundkörper ein rautenförmiges Profil
aus V-förmig
angeordneten Schweißraupen
aufgebracht wird, wobei die Zwischenräume zwischen den Profilen sich
nach kurzer Betriebszeit mit zusammengepresstem feinkörnigen Mahlgut
auffüllen,
sodass ein autogener Verschleißschutz
aus dem Mahlgut entsteht.
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In
einer Weiterbildung dieser Erfindung beschreibt die
DE 41 32 474 die Einlagerung einer
Vielzahl von stift- oder plattenförmiger Werkstoffstücke aus
Hartmetall in den Walzenkörper
in entsprechend ausgebildeten Ausnehmungen der Walzenkörper durch
Kleben, Einpressen, Schrumpfen, Löten, Schweißen oder Schrauben. Die einzelnen
Hartmetallteile sind untereinander nicht mehr verbunden. Ihre freie
Oberfläche
bildet eine plane Ebene mit der Sichtfläche des Walzengrundkörpers.
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Alle
diese Methoden weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie zur Nachrüstung ungeeignet sind,
oder aber einen längeren
Stillstand der Arbeitsmaschine erfordern.
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Eine
andere Form von Verschleißschutzschicht
geht aus der CH 453 230 hervor, welche auf die dem Verschleiß unterworfenen
Oberflächenteile von
Maschinen und Geräten
aufschweißbar
ist. Sie besteht aus einem Streifen aus gut schweißbarem, arm
verformbarem Stahl als Grundlage, in deren Oberfläche in regelmäßigen Abständen durch
Auftragsschweißung
buckelförmige
Hartkörper
aus hochverschleißfestem
Schweißgut
eingelagert sind. Diese Verschleißschutzauflagen, die in verschiedenen
Abmessungen und Formen herstellbar sind, werden in Streifen oder
Bahnen im laufenden Arbeitsgang vorgefertigt, wobei das Streifengrundmaterial ständig an
den Elektroden vorbei läuft.
Der Schweißdraht
aus dem hochverschleißfesten
Werkstoff läuft dabei
ständig
dem Lichtbogen zu und das hochwertige Schweißgut verschmilzt dabei mit
dem Grundmaterial unter Bildung der aus der Grundfläche herausragenden
knopf- oder kuppelförmigen
Buckel.
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Die
solcherart vorgefertigten Verschleißschutzauflagen werden am Einsatzort
abgelängt, warmverformt
und durch einfaches Anschweißen
an der zu schützenden Oberfläche der
Maschine angebracht. Solche Verschleißschutzauflagen eignen sich insbesondere
für Grabkübel, Schleppschaufeln,
Rutschen, Förderwagen,
Mühlen,
ebenso wie für
die Innenauskleidung von Rohren oder Betonmischern.
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Dieser
Verschleißschutz
ist zwar prinzipiell für
die Nachrüstung
geeignet, allerdings hat er den Nachteil, dass das Grundmaterial
selbst einem hohen Verschleiß ausgesetzt
ist, wodurch sich die Hartmetallbuckel innerhalb kürzester
Zeit ablösen
werden und damit die Wirksamkeit des Verschleißschutzes nur ein sehr temporärer ist.
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Eine
Weiterentwicklung dieser Idee findet sich in der
DE 38 05 077 . Hierin wird ein Flächengebilde
zur Verschleißminderung
und Schlagfähigkeitsverbesserung
vorgeschlagen zum Schutz von Oberflächen von Geräten, welche
insbesondere mit stark abrasiven Gütern, wie beispielsweise Kohle,
Koks, Schlacke, Erz, Sinter, Glas, Quarz, Zement oder dgl. in Berührung kommen.
Das Flächengebilde,
welches zur beschichtenden Verkleidung von Rutschen, Rinnen, Rohren,
Rohrbögen,
Bunkern, Sichtern, Zyklonen, Rotorblättern od dgl. eingesetzt wird,
besteht im wesentlichen aus Hartkeramikplatten auf der Basis von
Al
2O
3, deren Härte jener
von Diamant nahe kommt. Die einzelnen flächengebildet werden beispielsweise
durch Aufkleben auf die zu schützende Oberfläche aufgebracht.
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Die
Sichtseite der Flächengebilde
weist vorzugsweise rasterförmig
verteilte Erhebungen oder Vertiefungen auf. Die Erhebungen können einstückig an
dem Flächengebilde
angeformt oder von mit dem Flächengebilde
verbundenen Formkörpern
gebildet sein. Im letztgenannten Fall können die Formkörper auf
der Oberfläche
des Flächengebildes
befestigt sein. Dabei können
die Erhebungen auch aus anderem Material bestehen und beispielsweise
kugelkappenförmig,
muldenartig gerundet, polygonförmig,
mit gerundeten oder spitzen Kanten geformt sein. An den Abschrägungen bzw.
Abrundungen gleitet das Fördergut
ab. Damit kann die Aufprallenergie besser abgeleitet werden, weil
diese nur noch in einem punktuell in einem durch die Erhebung verstärkten Bereich des
Flächengebildes
auftritt.
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Bei
feineren und/oder feuchten bzw. klebrigen Fördergütern bildet sich zwischen den
Erhebungen eine Ablagerung aus Fördergut
aus, womit eine natürliche
Materialaufpolsterung erzielt wird, welche einen zusätzlichen
Abrasionsschutz bildet.
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Mit
diesem Stand der Technik wird eine nachträgliche Umrüstung ermöglicht, beispielsweise durch
Aufkleben. Wenn in dem Flächengebilde
Befestigungslöcher
vorhanden sind, können
diese mittels Formstücken
verschlossen werden, deren Außenoberfläche die
Erhebungen bildet. Allerdings weist diese Variante des Verschleißschutzes
mehrere Nachteile auf. So stellt die Dauerhaftigkeit von nachträglich aufgebrachten
Formstücken
ein permanentes Problem dar. Des weiteren erfordert die nachträgliche Aufbringung
bzw. Ausbesserungsarbeiten an den Erhebungen längere Stillstandszeiten der
Maschine. Auch ist diese Form des Verschleißschutzes immer an ein keramisches
Flächengebilde
gebunden, womit das Gewicht des zu schützenden Maschinenteiles erheblich
steigt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung
die Aufgabe, ein verschleißfestes
Element zur Herstellung von Verschleißschutzschichten zu entwickeln,
welche folgende Eigenschaften besitzt:
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- – Die
Verschleißschutzschicht
soll mit geringstem apparativem Aufwand sowohl an Neuprodukten anbringbar
sein, als auch für
die Nachrüstung
von vorhandenen Maschinen oder Maschinenenteilen geeignet sein.
- – Das
durch die Anbringung der Verschleißschutzschicht aufgebrachte
Zusatzgewicht soll im Vergleich zu bisherigen Lösungen erheblich reduziert werden
können.
- – Die
Verschleißschutzschicht
soll geeignet sein durch Ablagerung von Fördergut in den Zwischenräumen der
Erhebungen einen autogenen Verschleißschutz aus dem Mahlgut entstehen
zu lassen.
- – Das
Aufbringen der Verschleißschutzschicht
soll an jedem beliebigen Ort erfolgen können und keine zusätzlichen
Versorgungseinrichtungen wie speziell ausgebildete Stromversorgungen
erfordern.
- – Die
Aufbringung der Verschleißschutzschicht soll
nur zu einer minimalen Arbeitsunterbrechung der Maschine führen, welche
unmittelbar danach wieder ihren gewohnten Betrieb aufnehmen können soll.
- – Die
Gefahr einer Beschädigung
der Erhebungen, welche den Verschleißschutz durch Ausschlagen der
Erhebungen nachhaltig gefährdet, soll
nahezu ausgeschlossen werden.
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Die
erfindungsgemäßen Elemente
sollen in einer bevorzugten Ausführungsform
so ausgestaltet sein, dass sie auch an schwer zugänglichen
Stellen und auch über
Kopf anbringbar sind, wobei die Gefährdung durch Schmelzespritzer
ebenso ausgeschlossen sein soll, wie die Ausbildung von Blasen im Schmelzbad.
Weiters soll die Blasenbildung im Schmelzbad unterbunden werden
um eine gleichmäßig reproduzierbare,
dauerhafte Verbindung zwischen dem Grundmaterial der Maschine und
dem verschleißfesten
Element zu gewährleisten.
Des weiteren sollen die erfindungsgemäßen Elemente bei Bedarf auch
in möglichst
engem Abstand voneinander auf dem metallischen Grundkörper anbringbar sein.
Weiters sollen die verschleißfesten
Elemente so ausgebildet sein, dass sie nach dem Bolzenschweißverfahren
mit einem erheblich reduzierten Energieaufwand auf dem metallischen
Grundkörper
befestigbar sind.
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Diese
Aufgaben werden durch ein verschleißfestes Element, welches die
Merkmale des Anspruches 1 aufweist gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Zur
Herstellung der Verschleißschutzschicht wird
der metallische Grundkörper
zunächst
vor der Befestigung der verschleißfesten Elemente einer Oberflächenreinigung
unterworfen und anschließend werden
die einzelnen verschleißfesten
Elemente nacheinander mittels Bolzenschweißanlage im gewählten Abstand
zueinander nach einem frei zu wählenden
Muster auf dem metallischen Grundkörper aufgebracht.
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Zur
Aufbringung der verschleißfesten
Elemente werden in einer bevorzugten Ausführung tragbare Schweißanlagen
mit einem Anschlusswert von 16 Ampere verwendet. Dies hat gegenüber herkömmlichen
ortsgebundenen Anlagen mit Anschlusswerten von zumindest 64 Ampere
den Vorteil, dass die Anbringung der verschleißfesten Elemente nicht an einen
festen Ort gebunden ist, sondern die Schweißanlage transportabel ist.
Aufgrund des innen liegenden Teiles aus gut schweißbarem Material, welcher
in einer bevorzugten Ausführung
einen dünnen
zentralen Schaft besitzt, kann die Befestigung des verschleißfesten
Elementes mit Schweißanlagen mit
einem Anschlusswert von nur 16 Ampere durchgeführt werden. Diese Schweißanlagen
können
wesentlich kleiner und leichter gebaut sein als herkömmliche
Bolzenschweißanlagen
und sind daher an jedem Einsatzort verwendbar.
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Die
verschleißfesten
Elemente sind zweigeteilt aufgebaut, wobei ein erster Teil aus hochverschleißfestem
Material, beispielsweise aus Wolframcarbidstahl, anderen dafür üblicherweise
eingesetzten Hartmetallen, aber auch aus Keramik, Chromguß, selbstfließenden Legierungen,
Schweißauftragungen
und ähnlichem
besteht und in geeigneter Weise verbunden ist mit einem zweiten
Teil, der aus gut schweißbarem
Material eines dafür üblicherweise verwendeten
Metalls besteht, wobei die Bezeichnung Metall auch Metalllegierungen
einschließt,
welcher auch den mit Hilfe einer angeformten Zündspitze anzuschweißenden Zapfen
aufweist.
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Die
erfindungsgemäßen verschleißfesten Elemente
können
in unterschiedlichen Ausbildungsvarianten vorgesehen sein, abhängig von
ihrem konkreten Einsatz bzw. von der Art der Arbeitsmaschine oder
des Arbeitsgerätes.
Einige der möglichen
Ausbildungsvarianten sind in den Figuren dargestellt. Die Erfindung
ist jedoch ausdrücklich
nicht auf die hier abgebildeten Ausführungen beschränkt. Wesentlichste
Eigenschaft des verschleißfesten
Elementes ist, dass die durch abrasives oder erosives Material beaufschlagte
freie Angriffsfläche
des ersten Teiles aus hochverschleißfestem Material größer oder
zumindest gleich groß ist
wie die freie Angriffsfläche des
zweiten Teiles und der erste Teil den zweiten Teil gegen den Angriff
des abrasiven oder erosiven Materials weitestgehend oder nahezu
vollständig
abdeckt. Diese Eigenschaft wird noch verstärkt durch die abgerundete Oberfläche des
ersten Teiles, an welchem das angreifende Material leicht abgleiten
kann.
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Die 1 zeigt einen ersten, die
verschleißfeste
Oberfläche
bildenden Teil 1, welcher aus hochverschleißfestem
Material hergestellt ist, eine annähernd kugelkalottenförmige äußere Oberfläche 16 mit
einem angeformten hohlzylindrischen Abschnitt 17 aufweist
und einen zentrischen Durchbruch 7 besitzt. Ein dazu passend
ausgebildeter zweiter Teil 2 aus leicht verschweißbarem Material
ist in 2 dargestellt.
Teil 2 weist einen Zapfen 3 mit einer Zündspitze 4 auf.
Teil 1 besitzt den axialen Durchbruch 7 zur passgenauen
Aufnahme des Zapfens 3 von Teil 2.
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Wird
Teil 2 in Teil 1 eingesetzt, so ragt die Zündspitze 4 aus
der Ebene der Auflagefläche 5 von Teil 1 im
Ausmaß von
wenigen Millimetern hervor. Zwischen dem Schaft 10 des
Zapfens 3 und der Innenfläche 11 von Teil 1 entsteht
ein ringförmiger Hohlraum 12.
Die zusammengesetzten Teile 1 und 2 werden zur
Befestigung des verschleißfesten
Elementes auf einem metallischen Grundkörper in die Halterung einer
nicht dargestellten Bolzenschweiß-pistole eingelegt und mit
der Zündspitze 4 auf
den metallischen Grundkörper
aufgesetzt. Sobald der Schweißstrom
angelegt wird, bildet sich zwischen der Zündspitze 4 und dem
metallischen Grundkörper
ein Lichtbogen, wobei die Zündspitze abbrennt
und der Zapfen 3 teilweise aufschmilzt, wodurch sich eine
schmelzflüssige
Verbindung mit dem metallischen Grundkörper bildet.
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In
einer möglichen
Ausführungsform,
bei welcher das verschleißfeste
Element einen Basisdurchmesser von etwa 2 Zentimeter bei einer Höhe von etwa
1,4 Zentimeter hat, ragt der Hohlraum 12 etwa 3 bis 5 Millimeter
in das verschleißfeste
Element hinein und besitzt einen Ringquerschnitt von etwa 2 bis
4 Millimeter.
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Die 3 und 4 zeigen eine zu den 1 und 2 alternative
Ausgestaltung der Teile 1 und 2. Hier besteht
die Auflagefläche 5 aus
einem äußeren Rand 6 von
Teil 1. Im zusammengesetzten Zustand der Teile 1 und 2 befindet
sich zwischen dem Rand 6 und dem Zapfen 3 alternativ
zum Hohlraum 12 aus 1 eine
kegelstumpfförmige
Ausnehmung 8, welche in einem ersten Abschnitt 8' einen Winkel
von bevorzugt 20° und
in einem zweiten Abschnitt 8" einen Winkel
von bevorzugt 45° aufweist.
In Versuchen konnte festgestellt werden, dass bei dieser Ausführung die
Bildung von störenden
Blasen im Schmelzbad, welche die Festigkeit der Schmelzverbindung zwischen
dem Zapfen 3 und dem metallischen Grundkörper negativ
beeinflussen würde,
praktisch ausgeschlossen ist. Damit wird es erstmals möglich das
verschleißfeste
Element ohne zu Hilfenahme eines schützenden Keramikringes vollflächig und
im Schweißbad
nahezu blasenfrei aufzuschweißen. Weiters
wird es erstmals möglich,
verschleißfeste Elemente
mit sehr geringer Bauhöhe
von 10 Millimeter oder weniger auf einer metallischen Grundfläche zu befestigen.
Die Zündspitze 4 weist
hier in Alternative zu 2 eine
Basis auf, welche geringeren Durchmesser hat als die Stirnfläche 9 des
Zapfens 3. Ebenfalls alternativ ist die Zündspitze 4 hier
an ihrer Spitze abgeflacht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des verschleißfesten
Elementes, welche in den 5 bis 8 dargestellt ist, wird in
den Hohlraum 12 eine Feder 13 und ein Keramikring 14 eingelegt.
Anschließend
wird ein Bördelrand 15 an
der Stirnfläche 9 des
Zapfens 3 gebildet, welcher ein Herausrutschen des Keramikringes
verhindert. Die Feder 13 ist in einer besonders bevorzugten
Ausführung
kegelstumpfförmig
ausgebildet, um im komprimierten Zustand einen geringst möglichen
Raumbedarf zu haben. Durch den im Gegensatz zu herkömmlichen
Bolzen, welche an der Schweißpistole
außen
von einem Keramikring umfasst werden, innerhalb des verschleißfesten
Elementes angeordneten Keramikringes, welcher nach dem Aufschweißen im verschleißfesten
Element verbleibt, wird es erstmals möglich, die einzelnen verschleißfesten
Elemente mit sehr geringem Abstand zueinander auf der metallischen Grundfläche anzuordnen.
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In 5 ist lediglich der Teil 2,
nicht jedoch Teil 1 dargestellt. Teil 2 hat hier
annähernd
die Form einer Kugelkalotte, bevorzugt mit einer umlaufenden Krempe 18 an
ihrer Auflagefläche 5 und
einen innenliegenden, ringförmigen
Hohlraum 12, sowie einen in Achsrichtung angeformten Zapfen 3 mit
Zündspitze 4.
Der verschleißfeste
Teil 1 wird, wie aus 7 hervor
geht, wie eine Kappe 19 über den Teil 2 gestülpt und
in geeigneter Weise befestigt.
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In
der hierzu alternativen Ausführung
nach 6 ist Teil 1 ähnlich zu 1 aufgebaut und Teil 2 als
Zapfen 3 in einen Durchbruch 7 von Teil 1 eingesetzt.
Auch hier kann es zweckmäßig sein,
eine Krempe 18 an der Auflagefläche 5 anzuformen.
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8 zeigt Teil 2 aus 5 im Zustand nach seiner
Befestigung auf dem metallischen Grundkörper 20. Die Feder 13 ist
weitestgehend zusammen gedrückt,
der Keramikring 14 liegt vollständig innerhalb des Hohlraumes 12.
Der abgeschmolzene Teil von Zapfen 3 und Teile des metallischen
Grundkörpers 20 bilden
das erstarrte Schmelzbad 21, welches den freigebliebenen
Hohlraum innerhalb des Keramikringes 14 nahezu vollständig ausfüllt.
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Der
Keramikring 14 dient dabei sowohl als Schutz des Schweißbades,
indem er einer Porenbildung im Schweißbad vorbeugt, als auch als
Schutz für
den Schweißer,
indem das Herausspritzen von Schweißbadteilchen verhindert wird.
Außerdem
dient er zur Abstützung
des Schmelzbades beim Eintauchen des Zapfens 3. Weitere
besondere Vorteile, welche sich aus der Verwendung des Keramikringes ergeben
sind:
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- – Er
hält die
Atmosphäre
ab und reduziert die Reaktion mit der Schmelze.
- – Er
verhindert das Ausweichen des Lichtbogens bei Blaswirkung.
- – Er
konzentriert den Lichtbogen auf einen kleinen Bereich des Werkstücks.
- – Er
verringert die Abkühlgeschwindigkeit
und die Wärmeabfuhr.
- – Er
stabilisiert den Lichtbogen.
- – Er
formt die Schmelze zu einem ringförmigen definierten Schweißwulst.
- – Er
stützt
die Schmelze beim Schweißen
in Zwangslagen ab.
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Durch
die Verwendung eines innenliegenden Keramikringes 14, welcher
integraler Bestandteil des verschleißfesten Elementes ist, können die
einzelnen verschleißfesten
Elemente auf dem metallischen Grundkörper auch in sehr geringem
Abstand zueinander angeordnet sein. Der Keramikring 14 wird
einerseits durch den Bördelrand 15 vor
dem Herausfallen gesichert und zum anderen mittels der Feder 13 nach
außen
gedrückt.
Damit wird das Verschweißen der
verschleißfesten
Elemente in Zwangslage, z.B. Überkopf
leicht möglich,
wo ein Aufsetzen des Ringes rund um die Schweißstelle durch Gravitation nicht
möglich
ist.
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In 9 ist eine weitere Variante
von Teil 2 dargestellt, wobei Teil 2 auch hier
annähernd
die Form einer Kugelkalotte hat, bevorzugt mit einer umlaufenden
Krempe 18 an ihrer Auflagefläche 5 und einem innenliegenden,
ringförmigen
Hohlraum 12, einen in Achsrichtung angeformten Zapfen 3 mit
Zündspitze 4 und
einen auf den kugelkalottenförmigen
Teil axial angeformten Halteschaft 22 mit einer verjüngten Sollbruchstelle 23.
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In 10 ist Teil 2 aus 9 mit abgetrenntem Halteschaft 22 zu
sehen. Der annähernd
kugelkalottenförmige
Teil 2 aus 10 kann
in einer bevorzugten Ausführungsform
eine Abflachung 23 besitzen, wie aus 11 hervor geht. Diese dient zur besseren
Befestigung einer Kappe 19 aus hochverschleißfestem
Material, wie sie etwa in den 12 mit
zentrischem Durchbruch 23, oder in 13 ohne zentrischem Durchbruch dargestellt
ist. Der zentrische Durchbruch 23 weist bevorzugt einen
erheblich geringeren Durchmesser auf als Durchbruch 7 in
den 1, 3 oder 6.
Er dient hier zum leichteren Entweichen von Gasen beim Anlöten der
Kappe 19 auf Teil 2.
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14 zeigt eine weitere alternative
Ausgestaltung von Teil 2, welcher in 15 mit angelöteter Kappe 19 zu
erkennen ist. 16 zeigt
eine weitere alternative Ausgestaltung von Teil 1, welche
hier die Möglichkeit
bietet, auf Teil 1 eine Kappe 19 als zusätzlich besonders
verschleißfeste
Oberfläche
anzubringen. 17 stellt
eine weitere alternative Ausgestaltung von Teil 1 als Kappe 19 dar.
Der dazu passende Teil 2 ist in 18 dargestellt.
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Eine
weitere alternative Ausgestaltung von Teil 2 geht aus 19 hervor. Hier hat Teil 2 die
Form eines Zylinders, wiederum bevorzugt mit einer umlaufenden Krempe 18 an
seiner Auflagefläche 5,
einen innenliegenden, ringförmigen
Hohlraum 12, einen in Achsrichtung angeformten Zapfen 3 mit
Zündspitze 4 und
eine außen
liegende, axial angeordnete weitere Ausnehmung 24, deren
Durchmesser etwa um 2 bis 3 Millimeter geringer ist als der Durchmesser
des Zylinders zur Aufnahme einer nicht dargestellten Einlage aus
hochverschleißfestem
Material.
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Wie
aus dieser Vielfalt der alternativen Ausgestaltungen bereits hervor
geht, ist die Geometrie des erfindungsgemäßen verschleißfesten
Elementes in einer großen
Vielfalt denkbar und wird jeweils dem speziellen Einsatz angepasst.
Die figuralen Darstellungen können
naturgemäß nur einen
begrenzten Ausschnitt aus dieser Vielfalt wieder geben.