DE2305276C2 - Verfahren zur Herstellung von Überzügen auf Kohlenstoff-Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Überzügen auf Kohlenstoff-Werkstückea insbesondere Elektroden für Lichtbogen-Schmelzöfen, sowie eine Kohlenstoffelektrode, die nach diesem Verfahren hergestellt ist

Aus der DE-OS 2040 511 ist ein Verfahren zur Herstellung von Überzügen auf zylindrische Kohlenstoff-Werkstücken aus AIi;miniumlegierungen durch Lichtbogen-Metallspritzen (Metallisierung) bekannt geworden. Auf der durch Metallspritzen aufgetragenen Schicht werden pulverartige Stoffe, die Aluminium und Legierungselemente enthalten, aufgetragen. Danach wird eine Lichtbogenbearbeitung der aufgetragenen Materialien durchgeführt, indem zwischen der Oberfläche des Kohlenstoffwerkstücks und einer Seitenelektrode ununterbrochen ein Lichtbogen brennt, wobei die Oberfläche gleichzeitig mit einer bestimmten Geschwindigkeit gegenüber dem Lichtbogen bewegt wird, während die kleine Seitenelektrode langsam parallel zur Achse des Werkstücks bewegt wird. Die Spur des Lichtbogens bildet dabei einen schraubenförmigen Streifen.

Das Verfahren wird mittels eines elektrischen Lichtbogens bei einer Stromstärke von 200 A und mit einer Steigung von 6,4 mm in Form einer Schraubenlinie über die Elektrodenoberfläche durchgeführt

Dieses Verfahren weist jedoch den Nachteil auf. daß die Lichtbogenbearbeitung nur langsam vorgenommen werden kann und deshalb viel Zeit in Anspruch nimmt, se daß die Produktivität sinkt Soll die Produktivität der Lichtbogenbearbeitung erhöht werden, so müssen an dem Spritzgerät mehrere Schweißköpfe angebracht werden. In diesem Fall aber beeinflussen die eigenen Magnetfelder an den Knotenstellen Elektrode-Lichtbogen-Seitenelektrode die Geradlinigkeit der Lichtbögen, wobei die Anodenflecken seitlich in verschiedenem Maße auswandern, wodurch beispielsweise durch die Ausbildung von Poren in der alten Schicht eine Qualitätsverminderung des Überzuges eintritt

Auch bei dem aus der DE-OS 16 71 065 bekannten Verfahren zur Herstellung eines Kohle- oder Graphitformkörpers wird dieser mittels Flammspritzen mit einer Schutzschicht überzogen, die anschließend auf 550⁰C aufgehitzi wird, um die Komponenten der aufgetragenen Schicht miteinander zu einer niedrigschmelzenden eutektischen Legierung zu verbinden. Bei der Herstellung eines solchen Kohlen- oder Graphitformkörpers treten aber ebenfalls die obengenannten Nachteile auf.

Aus der DE-PS 6 25 000 ist lediglich eine Stabilisierung eines Lichtbogens durch ein elektromagnetisches Feld als allgemein bekannt zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Schutzüberzügen auf Kohlenstoffelektroden, mit dem die Lichtbogenbearbeitung schnell mit erhöhter Produktivität ausgeführt und bei dessen Anwendung die Qualität des Überzuges verbessert wird, sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Kohlenstoffelektrode zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und bezüglich der Kohlenstoffelekrode entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 6 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine deutliche Erhöhung der Produktivität der Lichtbogenbearbeitung gegenüber bekannten Verfahren erzielt Diese Erhöhung wird durch die Verwendung eines Lichtbogenstroms mit mehr als 600A ermöglicht, wodurch die Steigerung der Lichtbogenspur mehr als 10 mm betragen kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird der Lichtbogen von einem Magnetfeld stabilisiert, wodurch eine weitere Verbesserung des Verfahrens erzielt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird ein Lichtbogenstrom zwischen 1000 und 2500 A bei der Lichtbogenbearbeitung von Kohlenstoffelektroden verwendet. Insbesondere im Zusammenhang mit der Anwendung eines elektromagnetischen Feldes füh.t dies zu unerwartet guten Ergebnissen. So wird eine starke verbesserte KoMsion des Überzugs mit der Kohlenwasserstoffoberfläche erreicht, wobei sich die Kohäsion über die gesamte Oberfläche erstreckt. Für die genaue Ausrichtung des Lichtbogens und zur Erzielung einer gleichmäßigen und guten Lichtbogenspur ist es dabei nicht mehr notwendig, auf die zu bearbeitende Schicht Materialien aufzustreichen, die eine gute lonenemission besitzen. Damit entfallen für einige Schichten das Bestreichen und die damit verbundenen technologischen Komplikationen. Außer-

dem können Überzüge mit einem sehr hohen Alummiumgehalt, beispielsweise mit ca. 95%, erzielt werden. Darüber hinaus kann das Verfahren einfach durchgeführt werden. Ein Überzug mit uen genannten hervorragenden Eigenschaften kann bei auch beträch lhchen Abweichungen bzw. Schwankungen des Stroms von ±20% und der Länge des Lichtbogens von +4 mm aufgetragen werden. Hierdurch wird es möglich, hei der Lichtbogenbearbeiiung einfache Typenschweißsiromrichter oder Aggregate zu benutzen.

Darüber hinaus hat der angefertigte Überzug eine verbesserte Oxydationsbeständigkeit. Elektroden mit einem solchen Überzug haben ungefähr eine um 10% größere Stirnfläche, wodurch eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Elektroden um 5% erzielt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 5 wird der Elektromagnet von einer unabhängigen Slromquelle gespeist, und nach Anspruch 6 wird das Magnetfeld vom gesamten oder einem Teil des Lichtbogenstroms erzeugt.

Der Schutzüberzug einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kohlenstoffelektrode weist parallele spiralförmige Streifen auf, die durch die Lichtbogenbearbeitung entstehen, und deren Breite über 10 mm beträgt. Diese Schutzüberzüge sind im Vergleich zu den nach einem bekannten Verfahren hergestellten Schutzüberzug erheblich widerstandsfähiger.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt im einzelnen

Fig. 1 einen Schnitt durch die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, die von einer mit dem Lichtbogen gemeinsamen Gleichstromquelle gespeist

Fig. 2 einen Schnitt durch die Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, bei dem der Elektromagnet und der Lichtbogen unabhängig voneinander gespeist werden;

Fig. 3 einen Teil einer Elektrode, die mit einem Lichtbogen mit einem in einem Magnetfeld stabilisier n, ten Strom von 1200 A bearbeitet wurde und

Fig.4 einen Teil einer Elektrode, die mit einem Lichtbogen mit einem Strom von 350 A, der nicht in einem Magnetfeld stabilisiert ist, bearbeitet wurde.

In Fig. t besteht der Elektromagnet aus einer Wicklung 1, die aus einem mit Wasser gekühlten Metallrohr gefertigt ist. Eine Seitenelektrode 2 und ein Elektrodenhalter 3 verlaufen durch das Innere der Wicklung 1 parallel zu deren Achse. Der Elektromagnet und der Lichtbogen werden von einer gemeinsamen Gleichstromquelle 4 gespeist und sind in Reihe zueinander geschaltet.

Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung nach Fig.2 zur Erzeugung eines den Lichtbogen stabilisierenden Magnetfeldes besteht der Elektromagnet aus einem hohlen Eisenkern 5, der mit Wasser gekühlt werden kann. Um den Eisenkern 5 herum ist die Wicklung 1 angeordnet. Die vordere Seite 6 des Elektromagneten wird ebenfalls durch Wasser gekühlt und besteht aus unmagnetischem Material, z. B. Kupfer w oder unmagnetischem Austenitstahl. Die Seitenelektrode 2 und der Elektrodenhalter 3 verlaufen durch den Hohlraum des Elektromagneten parallel zu seiner Achse. Der Elektromagnet und der Lichtbogen werden unabhängig voneinander gespeist: der Elektromagnet wird von einer Gleich- oder Wechselstromquelle gespeist, während der Lichtbogen von einer Gleichstromquelle 8 gespeist wird. Die Stabilisierung des Lichtbogens hängt von der Kraft des Magnetfeldes ab. Diese Kraft ist proportional dem Strom, der durch den Elektromagneten fließt. Andererseits hängt die Kraft des Magnetfeldes bei dem Lichtbogen von dem Abstand zwischen dem Ende des Elektromagneten und dem Lichtbogen ab. Durch Steuerung dieser Parameter (Strom und Abstand) wird die gewünschte Stabilisierung des Lichtbogens erreicht. Bei sehr starkem Magnetfeld erlischt der Lichtbogen, bei schwachem Magnetfeld sind der Kathodenfleck und der Lichtbogen Schwankungen ausgesetzt. Die Elektrodenoberfläche weist schraubenförmige Streifen auf, deren Breite 9 der Steigung, mit dem die Bearbeitung mit dem Lichtbogen ausgeführt ist, gleich ist Da die Bearbeitung mit einem in einem Magnetfeld stabilisierten Lichtbogen mit einer Steigung über 10 mm (normalerweise 12 bis 15 mm) durchgeführt wird, siehe Fig.3. während die Bearbeitung mit einem nicht im Magnetfeld stabilisierten Lichtbogen, siehe Fig.4, mit einer Steigung 10 unter 10mm (normalerweise 6 bis 8 mm) durchgeführt wird, ist es möglich aus der Breite der Streifen festzustellen, wie der Überzug einer Kohlenstoffelektrode angefertigt ist, d. h. ob der Lichtbogen im Magnetfeld stabilisiert war oder nicht.

In den folgenden drei Beispielen wird die Anwendung des Verfahrens bei der Anfertigung eines Überzuges mit hohem Aluminiumgehalt beschrieben.

In den Beispielen werden die Schutzüberzüge auf nicht zylindrischen Kohlenstoffwerkstücken angefertigt. Darum wird der Ausdruck »Peripheriegeschwindigkeit« statt Relativgeschwindigkeit benutzt Alle Stoffmengen beziehen sich auf einen Quadratmeter der Oberfläche des Werkstücks.

Beispiel 1

Es wird die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung benutzt. Das Magnetfeld bei der Durchführung der Lichtbogenbearbeitung w, eist folgende Parameter auf: Abstand von der Vorderseite des Elektromagneten bis zur Oberfläche des Kohlenstoffwe-kstücks:40 mm; Stärke des durch den Elektromagneten fließenden Stroms: 150A;
Spannung:8 V. . .

Auf die Oberfläche des Kohlenstoffwerkstückes wird mit Hilfe eines Eleklrometallisators 650 g Aluminium mittels Lichtbogen-Metallspritzen aufgetragen. Auf die metallisierte Schicht werden folgende pulverartige Materialien aufgetragen: 60 g Aluminium, 160 g Siliziumkarbid, 50 g Titanoxyd und 20 g Borsäure. Das Werkstück wird auf 140° C erhitzt, und mit einem Lichtbogen bei folgenden Bedingungen bearbeitet: Umfangsgeschwindigkeit: 11,2 m/min, Steigung: 13 mm. Strom: 1250 A.

Die Oberfläche, die mit einem Lichtbogen bearbeitet wird, wird mit 550 g Aluminium metallisiert und es wird folgende Mischung aufgetragen: Aluminium 60 g, Silizium 70 g, Titanoxyd 50 g und Borsäure 20 g. Nach dem Abtrocknen bearbeitet man sie mit einem Lichtbogen bei folgenden Bedingungen: Umfangsgeschwindigkeit: 11,2 m/min, Steigung: 13 mm, Strom:

1300A. . .

Die zweite Schicht wird mit 400 g Aluminium metallisiert und es werden 40 g Graphit aufgetragen. Es wird eine Lichtbogenbearbeitung bei folgenden Bedingungen durchgeführt: Umfangsgeschwindigkeit: 16,2 m/min, Steigung: 13 mm, Stronv 750 A. Zuletzt

erfolgt ein leichtes Schleifen, damit man eine glatte Oberfläche erhält.

Beispiel 2

Es wird die in F i g. 2 gezeigte Vorrichtung benutzt. Es werden die gleichen Parameter wie in Beispiel 1 beibehalten.

Auf die Oberfläche des Kohlenstoffwerkstückes wird mit einem Eiektrometallisator 600 g Aluminium mittels Lichtbogen-Metallspritzen aufgetragen. Die metallisierte Schicht wird mit einem Lichtbogen bei folgenden Bedingungen bearbeitet: Umfangsgeschwindigkeit: 11 m/min, Steigung: 12 mm,Strom: 1150 A.

Die mit einem Lichtbogen bearbeitete Oberfläche \s wird mit 500 g Aluminium metallisiert und bei folgenden Bedingungen mit einem Lichtbogen bearbeitet: Umfangsgeschwindigkeit: 13,2 m/min, Steigung: 11mm, Strom: 1150 A.

Auf die zweite Schicht werden 700 g Aluminium und 200 g Kupfer durch Lichtbogen-Metallspritzen aufgetragen. Die Lichtbogenbearbeitung wird bei folgenden Bedingungen durchgeführt: Umfangsgeschwindigkeit: 13,2 m/min, Steigung: 11 mm. Strom: 1150A. Danach erfolgt ein leichtes Schleifen, um eine glatte Oberfläche zu erhalten.

Beispiel 3

Es wird die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung benutzt. Bei der Durchführung der Lichtbogenbearbeitung hat das Magnetfeld folgende Parameter: Abstand von der Vorderseite der Wicklung bis zur Oberfläche des Kohlenstoffwerkstücks: 30 mm; Spannungsabfall in der Wicklung: 3 V; Stärke des durch die Wicklung fließenden Stroms: 1900A.

Auf die Oberfläche des Kohlenstoffwerkstücks wird mit einem Eiektrometallisator 700 g Aluminium aufgetragen. Auf die metallisierte Schicht werden folgende pulverartige Materialien aufgetragen: Aluminium: 80 g, Siliziumkarbid: 120 g, Borsäure 30 g. Das Werkstück wird bis 120⁰C erhitzt und mit einem Lichtbogen bei folgenden Bedingungen bearbeitet: Umfangsgeschwindigkeit: 18,3 m/min, Steigung: 14,5 mm, Strom: 1900 A.

Auf die mit einem Lichtbogen bearbeitete Oberfläche wird 600 g Aluminium aufgetragen und mit einem Lichtbogen bei folgenden Bedingungen bearbeitet: Umfangsgeschwindigkeit: 15,0 m/min, Steigung: 13,0 mm. Strom: 1700 A.

Auf die zweite Schicht wird 500 g Aluminium durch Lichtbogen-Metallspritzen aufgetragen. Danach wird leicht geschliffen, um eine glatte Oberfläche zu erhalten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Oberzügen auf Kohlenstoff-Werkstücken — insbesondere Elektroden für Lichtbogen-Schmelzöfen — durch Lichtbo- gen-Metallspritzen und durch anschließendes Aufschmelzen der Oberzüge durch einen Lichtbogen zwischen dem sich drehenden Werkstück und einer nichtabschmelzenden Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogenstrom grö- ßer als 600A ist und daß die Steigung der Lichtbogenspur (9) mehr als 10 mm beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-■ zeichnet, daß der "Lichtbogen von einem Magnetfeld

stabilisiert wird. is

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenbearbeitung mit einem Strom von 1000 bis 2500A und mit einer Steigung von 13 mm durchgeführt wird

4. Verfahren nach Anspruch I, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Magnetfeldes mit der Achse der Seitenelektrode übereinstimmt oder parallel zu dieser liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet von einer unabhängigen Stromquelle gespeist wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld vom gesamten oder einem Teil des Lichtbogenstroms erzeugt wird.

7. Kohlenstoffelektrode für elektrothermische öfen mit Schutzüberzug mit hohem Gehalt an Aluminium, der auf der Kohlenstoff oberfläche durch Lichtbogenbearbeitung fixiert ist, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundschichten der Schutzbedeckung parallele, durch die Lichtbogenbearbeitung entstehende Streifen aufweist, deren Breite (9) über 10 mm beträgt

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