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Verfahren zur Herstellung korrosions- und verschleißfester metallischer
Überzüge durch Aufspritzen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung korrosions-und
verschleissfester metallischer Überzüge durch Aufspritzen ü.
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Einsintern von in Draht- oder Pulverform vorliegenden Hartmetall-Legierungen
auf Basis NiCrß und/oder CoCWB, gegebenenfalls unter Zusatz von Hartstoffen, wie
Carbiden, Siliciden und/oder Boriden.
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Bei derartigen Überzügen ist eine glatte, ebene und gleichmässige
Oberfläche erforderlich, einerseits um eine mechanische Nachbehandlung einzusparen,
andererseits, um einen möglichst hohen Korrosions- und Verschleißschutz zu gewährleisten.
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Die Haftfestigkeit der aufgebrachten Überzüge soll auch bei stärkeren
Schichten noch ausreichend hoch sein.
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Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse sog.
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elektrische Auftragsverfahren oder autogene Verfahren anzuwenden.
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Zu den elektrischen Auftragsverfahren zählen beispielsweise das Lichtbogenhandschweißen
und das Wolfram-Inertgas-Schweißen ( WIG), zu den autogenen Verfahren die Gasschweißverfahren.
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Die Lichtbogenhandschweißung und das WIG-Schweißen haben den Vorteil
der höheren Abschmelzleistung des Spritzgutes.
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Ein Nachteil der elektrischen Verfahren ist, daß diese Methoden eine
mehr oder minder starke Aufmischung des Schweißgutes zur Folge haben.
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Hierbei wird vor allem Eisen aus dem Grundmetall aufgenommen, wodurch
die Korrosionsbeständigkeit, aber auch die Härte der Legierungen in hohem Maße verändert
wird. ( R. Nass, Betriebs-Technik, 1966, Heft 9, S. 434).
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Um diese unerwünschten Wirkungen zu vermeiden, kann eine Mehrlagenschweißung,
mit beispielsweise 3 und mehr Lagen, angewandt werden, wobei die Aufmischungsrate
von lage zu Lage abnimmt. Allerdings wird durch den hohen Verbrauch an Schweißgut
sowie durch die entsprechend längeren Auftrags zeiten die Wirtschaftlichkeit dieser
Verfahren entscheidend beeinträchtigt.
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Die Gasschweißverfahren haben den Vorteil, daß die Überzugsstoffe
weitgehend in unveränderter Form auf das Werkstück aufgebracht werden können, weil
im Gegensatz zum Lichtbogenschweißen keine wesentliche Aufmischung des Schweißgutes
stattfindet. Sie werden in der Praxis bevorzugt.
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Zu dem Gassohweißverfahren zählen beispielsweise das Gaspulverauftragsschweißen
und das Spritzschweißen
( H. Wirtz, H.Hess, Schützende Oberflächen
durch Schweißen und Metallspritzen, 1969, Seiten 26/27 und 33/34).
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Die Vorteile des Gaspulverauftragsschweißens bestehen darin, daß im
Vergleich zum Spritzschweißen die Flammendes Brenners in wesentlich geringerem Abstand
zum zu überziehenden Werkstück angeordnet sind und dadurch die aufgespritzen Partikel
nahezu gleichzeitig anschmelzen und anlegieren können.
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Der Nachteil dieser Methode liegt darin, daß die Abschmelzleistung
an Spritzgut gering ist und daß sie höchstens etwa 3 kg/h beträgt. Außerdem lassen
Glätte, Verlauf und Gleichmässigkeit der Auftragsschichten zu wünschen übrig.
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Das Spritzschweißen bietet gegenüber dem Gaspulverauftragsschweißen
mit einer Abschmelzleistung von etwa 7 kg/h wesentliche Vorteile. Auch besitzen
die aufgebrachten Schichten eine größere Gleichmässigkeit und Glätte, nachteilig
ist aber, daß das Anschmelzen der aufgebrachten Partikel erst in einem zusätzlichen
Arbeitsgang, meist mit Hilfe wämeintensiver Brenner vorgenommen werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese und andere Nachteile
der Gasschweißverfahren zu vermeiden und homogene, glatte insbesondere rißfreie
Hartmetallüberzüge mit hoher Haftkraft in kurzer Zeit herzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, daß man den zu
überziehenden Grundwerkstoff auf eine Temperatur vorerwärmt, die tiefer als die
Erweichungs- oder Schmelztemperatur der aufzubringenden Legierung liegt, das Spritzgut
mittels einer oder mehrerer Spritzpistolen in einheitlicher oder
verschiedener
Schichthöhe aufspritzt, gleichzeitig die aufgespritzten Partikel homogen verschmilzt
und mit dem Grundwerkstoff verbindet, gegebenenfalls den noch plastischen Überzug
verformt und abkühlt.
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Zweckmässig hält man die Temperatur des zu überziehenden.
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Grundwerkstoffes etwa 200 bis 500°C tiefer, als die Erweichungs- oder
Schmelztemperatur der aufzubringenden Legierung.
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Bevorzugt liegt die Temperatur etwa 300 bis 4000C tiefer als die Erweichungs-
oder Schmelztemperatur der aufzubringenden Legierung.
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Bei NiCrB-Legierungen liegt die Vorwärmtemperatur etwa bei 800 bis
900°C, bei CoCrW-Legierungen etwa bei 900 bis 1100°C.
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Die Vorerwärmung des Grundwerkstoffes kann beispielsweise mittels
Brenner oder auf induktive Weise erfolgen.
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Nach der Erfindung werden die in einheitlicher oder verschiedener
Schichthöhe aufgespritzten Partikel mit der gleichen Spritzpistole unmittelbar nach
deren Auftreffen homogen verschmolzen und mit dem Grundwerkstoff fest verbunden.
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Falls gewünscht, kann dabei der noch plastische Überzug durch Einwirkung
eines heißen oder kalten oder mehrerer heißer oder kalter Gasströme verformt werden,
wobei man die Intensität, d.h. die Stärke des oder der Gasströme stufenweise verringern
oder erhöhen kann.
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Den Abstand des oder der Gasströme von dem noch plastischen Überug
kann gegebenenfalls stufenweise verringert oder erhöht werden, wobei die Intensität
der Gasströme beibehalten werden kann.
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Zweckmässig richtet man dabei den oder die Gasströme in einem bestimmten
Winkel auf den noch plastixchen Überzug. Bevorzugt wird ein Anströmwinkel α
von etwa 5 bis 55° angewendet, wobei bei Verwendung mehrerer Gasströme verschiedene
Anströmwinkel, je nach dem gewünschten Verformungsgrad angewendet werden können.
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Am einfachsten erfolgt die Verformung durch eine Flamme, d.h.
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mittels Brenner. Diese Methode wird deshalb bevorzugt, Auch hierbei
kann, wie beim Gasstrom, Intensität, Abstand und Winkel, mit dem die Flamme auf
die noch teigige Hartmetall-Legierung trifft, je nach Erfordernis eingestellt werden.
Als Brenner können sog. Einflamm- als auch Mehrflammenbrenner verwendet werden.
Die Erfindung ist beispielsweise in der Zeichnung dargestellt und wird in den folgenden
Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Es zeigen Fig. 1 ~ in schematischer Darstellung eine Einrichtung zur
Durchführung des Verfahrens; Fig. 2 einen Ausschnitt der Einrichtung mit den zur
Beschichtung wichtigsten Geräten; Fig.3 in schematischer Darstellung die Verformung
der Panzerschicht mittels eines Brenners; Fig. 4 einige Beispiele von Arten der
Panzerschicht.
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An einer senkrecht angeordneten Säule 1, die auf einer mittels Rollen
oder Rädern 2 fortbewegbaren Unterlage 3 befestigt ist, ist die nach oben und unten
frei bewegliche Halterung 5 angebracht, die zur Aufnahme der waagerecht angeordneten
Führung 4 und Welle 6 dient, an der der zur Vorwärmung des
zu überziehenden
Werkstücks 7 erforderliche Brenner 8, die Spritzpistole 9 und die zum Verformen
dienenden Brenner 10 angeordnet sind. Die Welle6kann mittels loser Rollen 11 und
dem Gewicht 12 auf einen konstanten Abstand zum zu überziehenden Gegenstand 7 eingestellt
werden. Eine kontinuierliche Höhenverstellung erfolgt ebenfalls über eine lose Rolle
13 und Gewicht 14. Das Überzugsmaterial fliesst von Vorratsbehälter 15 durch die
Leitung 16 zur Spritzpistole 9. Zuleitungen für die Betriebsmedien der autogenen
Geräte sind der Übersichtlichkeit wegen weggelassen; 17 bedeutet eine Abtastrolle,
18 eine Halterung für das zu panzernde Werkstück, 19 einen Motor, mit dessen Hilfe
das Werkstück in drehende Bewegung gesetzt werden kann, 20 bedeutet die aufgebrachte
Panzerschicht.
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Beispiel 1 Eine Zentrifugenschnecke mit den Abmessungen zylindrischer
Teil : Länge 900 mm Durchmesser 450 " Zahl d.Windgn. 14 konischer Teil: Länge 500
mm mittel.# 370 " Zahl d.Windgn. 8 soll mit einer Hartmetallauflage folgender Zusammensetzung
überzogen werden: Ni 11,0 Gew.% Cr 25,0 " B 3,o " Fe 1,0 " Si 2,75 I1 C 0,75 " W
10,0 " Co Rest
Die Legierung besitzt eine Härte ( Rockwellhärte
) von etwa 50 HRC; ein spezifisches Gewicht von 8, 45 g/ cm³ und einen Schmelzpünkt
von etwa 1110°C.
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Die Zentrifügenschnecke 7 wird zunächst durch Strahlen mit Sandkies
sorgfältig gereinigt, auf der Unterlage 3 befestigt und durch den Motor 19 in drehende
Bewegung gesetzt. Die Schnecke wird durch den Brenner 8, der eine Grösse von 20
bis 30 mm besitzt und in einem Abstand von 40 mm angeordnst ist, auf eine Temperatür
von 800°C vorgewärmt. Der Verbrauch an Acetylen beträgt etwa 2,0 Nm3/h,an Sauerstoff
etwa 2,5 Nm3/h. Die pulverförmige Hartmetall-Legierung wird von dem Pulvervorratsbehälter
15 der Spritzpistole 9 zugeführt, die in einem Abstand von 150 mm zum Brenner angebracht
ist.
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In der Acetylen-Sauerstoff-Flamme der Spritzpistole werden die Pulverpartikel
angeschmolzen und mittels Druckluft auf das zu überziehende Werkstück gespritzt.
Die Spritzpistole ist in einem Abstand von 50 mm angeordnet.
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Der Verbrauch an Acetylen beträgt dabei etwa 1,2 Nm³/h, an Sauerstoff
etwa 1,4 Nm3/h und an Druckluft etwa 4,0 Nm3/h.
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Um ein Oxydieren der Auflagefläche während des Vorwärmens zu verhindern,
wird zunächst eine 0,1 bis 0, 2 mm starke Spritzschicht ohne Vorwärmung und Verschmelzung
aufgebracht, wobei die Drehzahl bei 1,4 U/min liegt. Anschliessend wird die eigentliche
Panzerschicht aufgebracht und homogen verschmolzen, wobei die Drehzahl für den zylindrischen
Teil bei 0,22 U/min, für den konischen Schneckenteil bei 0,27 U/min liegt.
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Nach dem Aufbringen der Legierung wird der Überzug durch einen Brenner
geglättet. Der Verbrauch an Gas beträgt für diesen Brenner 1,4 Nm3/h Acetylen und
ca. 1,6 Nm³/h Sauerstoff.
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Die erhaltene Panzerauflage beträgt 2 mm, die Breite der Auflage beträgt
25 mm und die Gesamtlänge 30m.
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Die Gesamtzeit für den Beschichtungsvorgang einschliesslich Sandetrahlen
und Befestigen des zu überziehenden Gegenstandes beträgt ca. 4 Stunden. An Material
wird verbraucht: Legierungspulver 18 kg bei einer Durchsatzleistung einer Spritzpistole
von 7 kg/h.
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Beispiel 2 Mit einer Einrichtung gemäss Fig. 1 und Fig. 2 und Ausführungsbeispiel
1 wird eine Förderschnecke für einen Schneckenrohrförderer mit den Abmessungen äusserer
Durchmesser 300 mm Gesamtlänge 1500 " Steigung 150 mit einer Hartmetall-Auflage
folgender Zusammensetzung versehen: Ni Rest Cr 13,5 Gew.% B 3,0 " Be 4,75 Si 4,25
" C 0,75 die im Verhältnis 50:50 mit gesinterten Wolframcarbiden (WC) vermischt
war. Die Härte der Legierung beträgt 56 bis 61 Rockwellhärte ( HRc), die Wolframcarbide
haben eine Härte von 2400 bis 3200 Vickers Härte ( HV). Das Gemisch hat eine Wichte
von 10,5 g/cm³ und einen Schmelzpünkt von 1090°C Im Gegensatz zu Ausführungsbeispiel
1 wird das Spritzgut
mittels zweier Spritzpistolen auf den Gegenstand
aufgespritzt. Es wird eine 40 mm breite Auflage erzielt.
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Durch Veränderung des Spritzabstandes kann die Dicke der Auflage variiert
werden. Zu vorliegendem Beispiel hat die am äussersten Umfang angeordnete Spritzpistole
einen Spritzabstand von 60 mm, die um 20 mm nach innen und 70 mm in radialer Richtung
versetzte Spritzpistole einen Spritzabstand von 150 mm. Die Auflagendicke verjüngt
sich damit von außen nach innen gehend von 5 auf 2 mm. Da die so erstellte Auflage,
bedingt durch die höhere Spritzgutausbringung im Zentrum des jeweiligen Spritzstrahles
wellig vorliegt, bzw. eine Erhöhung aufweist, wird der nachgestellte Brenner zur
Ebnung und gleichmässigen Verteilung der noch im plastischen Bereich befindlichebn
Auftragslegierung verwendet. Der Abstand des Brenners zur letzten Spritzpistole
beträgt 120 mm, sein Abstand zum Werkstück 40 mm, der Anstellwinkel 20°. Die Flammeneinstellung
des Brenners ist dabei so gewählt, dass die flüssig werdende Auftragslegierung gleichmässig
der gewünschten Auflagenform entsprechend, verteilt wird, jedoch keine Möglichkeit
findet in ihre Ausgangsstellung zurückzufliessen.
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Beispiel 3 Gem. Fig. 1 und Fig. 2 und Beispiel 1 wird ein Misch-und
Knetflügel mit den Abmessungen Länge 650 mm Breite 110 mm Dicke 20 mm mit einer
1,0 mm starken Panzerung, bestehend aus folgender Legierung beschichtet:
Ni
Rest Cr 11,5 Gew.% B 2,5 Fe 3,75 " Si 3,25 " C 0,55 " W 16,0 " Die Härte dieser
Legierung beträgt 50 bis 55 Rockwell-Härte (HRc) ; die Wichte 8,5 g/cm3 und der
Schmelzpunkt liegt bei 1120°C.
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Das zu überziehende Werkstück wird durch einen Mehrflammenvorwärmbrenner
8 auf eine Temperatur von 900° C vorerwärmt.
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Im Gegensatz zu Beispiel 1 und 2 wird das Beschichtungssystem an dem
fest angeordneten Werkstück vorbeigeführt, wobei die Bewegung auch mit der Hand
durchgeführt werden kann. Die homogene Verschmelzung des Überzugs und Verbindung
mit dem Untergrund erfolgt mit der Flamme der Spritzpistole.
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Infolge der gewünschten Schichtatärke von nur 1 mm ist eine Nachbehandlung
des Überzugs mit einem Sinterbrenner entbehrlich. Die Länge der hergestellten Panzerung
beträgt 650 mm, die Breite 30 mm.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass es gelingt, das bisher sehr zeitintensive Auftragsschweissen durch ein Verfahren
zu ersetzen, das mit wesentlich kürzerem Zeitaufwand durchzuführen ist.
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Betrug bisher bei autogener Auftragsschweissung unter Berücksichtigung
einer mittleren Schweiß-geschwindigkeit von 0,6 m/h die gesamte Schweißzeit beispielsweise
bei einer Auftragslänge von 30 m und 25 mm Breite etwa 50 Stunden,
so
ist bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens nur noch eine Gesamtarbeitszeit
von etwa 4 Stunden erforderlich.
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Trotz der sehr hohen Schweißgeschwindigkeit von etwa 18 m/h, die gegenüber
den konventionellen Verfahren eine Steigerung um etwa 3000 % bedeutet, sind die
erhaltenen Hartmetall-Panzerungen sehr gleichmässig und glatt und erfordern keinerlei
mechanische Nachbehandlung. Infolge der kontrollierbaren Zu- und Abführung der Schweißwärme
in Verbindung mit einer gleichmässigen Temperaturführung können selbst Hartmetall-Legierungen
über 60 HRc in Stärken von über 4 mm zu rißfreien Überzügen verarbeitet werden,
ohne dass es bei relativ dünnwandigen Grundwerkstoffen zu wesentlichen Verziehungen
kommt. Das vorherige Auftragen sog. Pufferschichten , deren Wärmeausdehnungskoeffizient
und Härte zwischen Grundwerkstoff und Panzerschicht liegen müssen und die die Rißneigung
der Auflage verhindern soll, ist somit entbehrlich.
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Nach der Erfindung werden die Nachteile des Spritzschweissens und
des Pulverauftragsschweissens vermieden, indem die Spritzpartikel im Moment des
Aufpralles auf dem zu beschichtenden Werkstück verschmelzen und anlegiert werden.
Da die Spritzpartikel auf bereits teigigen Grund auftreffen, vermindert sich der
somit übliche Abprallverlust erheblich.
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Zur Ausübung des Verfahrens sind keine teuren Spezialgeräte notwendig.
Zum Vorwärmen des zu überziehenden Werkstückes genügen ein oder mehrere übliche
Brenner, die sowohl als Einflamm- aber auch als Mehrflammbrenner ausgebildet sind
und in einem Abstand von 50 bis 200 mm zur Spritzpistole, je nach Wanddicke des
zu überziehenden Werkstoffs, Höhe der Vorwämungs- u. Schweißgeschwindigkeit angeordnet
sind.
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Im Idealfall sind die Vorwärmbrenner auf der Rückseite der Werkstückfläche
angeordnet, was eine gründliche Durchwärmung erwirkt, eine schädliche Überhitzung
vermeidet und bessere Haftung des Überzuges bewirkt. Insbesondere wird ein
zu
schneller Wärmeentzug verhindert und dadurch eine Verziehung des Werkstücks und
der damit verbundenen Rißbildung des Überzugs weitgehenst vermieden. Es ist ferner
möglich, Vorwärmbrenner sowohl auf der Vorderseite, als auch auf der Rückseite des
Werkstückes gegebenenfalls auch unter zusätzlicher Verwendung von induktiver Beheizung,
anzuordnen.
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Zum Aufspritzen des Spritzgutes werden die üblichen, beim Spritzschweissen
verwendeten Pistolen verwendet. Der Abstand zum Werkstück beträgt üblicher Weise
etwa 200 bis 300 mm, kann aber, im Rahmen der Erfindung, je nach Intensität der
Vorwärmung auf etwa 50 mm verringert werden, was von besonderem Vorteil ist, wenn
partielle, beispielsweise spitz zulaufende und /oder partielle dickere Auflagen
erzielt werden sollen.
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Bei Verwendung von zwei oder mehr Spritzpistolen kann durch Variieren
des Spritzabstandes eine Panzerauflage hergestellt werden, die z.B. die Form einer
schiefen Ebene oder einer Parabel annehmen kann. Diese Form kann z.B.
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bei schneckenförmigen Werkstücken gewählt werden, die einevon äusserem
Umfang nach innen gehende abnehmende Abnutzungstendenz aufweisen.
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Zur Verzögerung der Abkühlungsgeschwindigkeit, zur Ebnung bzw. Formgebung
der Auflage und zum homogenen Verschmelzen dickerer Panzerschichten z.B. in Stärken
von 4 mm, dient der der Spritzpistole im Nachgang angeordnete Brenner. Die Anzahl
der Brenner, deren Grösse und Ausbildung als Einflamm- oder Mehrflammbrenner , wird
je nach Anwendungsfall gewählt, ebenso der Abstand zur Spritzpistole.
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Der Abstand muss jedoch so bemessen sein, dass das noch im plastischen
Zustand befindliche Überzugsmittel noch ohne grösseren Energieaufwand verformbar
ist. Statt des Brenners
oder auch zur Ergänzung, kann, wie beim
Vorwärmbrenner, eine andere Wärmequelle, z.B. eine induktive Beheizung, gewählt
werden. In jedem Palle soll gewährleistet sein, daß in beide Seiten des zu panzernden
Werkstückes eine möglichst gleichgrosse Wärmeenergie eingebracht wird.
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Der Formgebung der Auflage durch die genannte Anordnung und Verwendung
von Brennern oder Luftdüsen kommt insofern eine hohe Bedeutung zu, als hierdurch
eine zeitintensive Mehrlagenschweissung oder langwierige mechanische Abarbeitung
der meist sehr harten Legierungen eingespart werden kann.
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Andere bekannte Verfahren, wie die Warmformgebung durch Gesenk- oder
Warmhämmern, sind nur für sehr spezielle Werkstücke anwendbar und können bei den
hier genannten Beispielen nicht eingesetzt werden.
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Bei der erfindungsgemässen Einrichtung kann das zu beschichtende Werkstück
an dem starren, Jedoch nach oben und unten bewegbaren Beschichtungssystem vorbeigeführt
werden oder aber das Beschichtungssystem kann beweglich an den starr befestigten
Werkstücken entlanggeführt werden. Dies kann in bekannter Weise durch Schlitten,
Rollen und dergleichen erfolgen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren und die Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens ermöglichen somit, mit bekannten, üblichen Geräten in sinnvoller
Anordnung innerhalb kürzester Zeit Panzerungen auf Werkstücken jeder Art herzustellen,
die sich durch ihre hervorragende Haftung, Glätte und Homogenität bei weitgehender
Rißfreiheit auszeichnen.