DE2640741A1

DE2640741A1 - Dichtungsteil und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2640741A1
Application number: DE19762640741
Authority: DE
Inventors: Moses Aaron Levinstein
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-12
Filing date: 1976-09-10
Publication date: 1977-06-16
Also published as: GB1553865A; JPS5272335A; IT1068270B; JPS6018746B2; FR2334725A1; US4039296A; DE2640741C2; FR2334725B1

Description

Dichtungsteil und Verfahren zu dessen Herstellung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Dichtungsteil, ein Verfahren zu dessen Herstellung, sowie die Mischung zur Herstellung des Dichtungsteiles.

Das Dichtungsteil, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, schließt eine Basis und einen abreibbaren Überzug darauf οin, wobei diese Überzüge zur Steuerung des Abstandes dienen, bei Temperaturen bis zu 65Ο C eingesetzt werden können und als Hauptbestandteil Nickel enthalten.

Die Wirksamkeit eines Axialströmungs-Kompressors in einer Gasturbine ist zumindest teilweise abhängig von der Verhinderung von Leckbildung zwischen den einzelnen Turbinenstufen. Ist ein relativ

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weiter Abstand zwischen einem Kompressorgehäuse und einer Kompressorrotorstufe vorhanden, dann kann ein Strömungsmittel, wie Luft, die unter Druck steht, aus einem Teil des Kompressors, in dem ein höherer Druck herrscht, zu einem Teil mit einem geringeren Druck entweichen. Zusammen mit der Gasturbinen-Entwicklung erfolgte daher die Entwicklung von überzügen zur Steuerung der Spaltweite, um die Leckverluste zwischen den einzelnen Stufen möglichst gering zu halten.

Die Lösung des Problems, die Spaltweite zu steuern, wird durch die Tatsache kompliziert, daß sich während des Betriebes das Kompressorgehäuse und die rotierenden Kompressorblätter während eines Turbinenzyklus mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausdehnen oder zusammenziehen. Eine Lösung dieses Problems bestand darin, daß man die Blätter rotierend, stationär oder unter beiden Umständen einen Pfad in ein Material schneiden ließ, das in jeder Stufe mit den Blattspitzen nebeneinander gestellt war. Die dazu eingesetzten Materialien schlossen Bienenwaben, Drahtnetze, geschäumt e Metalle und andeieporöse Strukturen ein. Ein solches in weiter Anwendung in Gasturbinen für Plugzeuge befindliches Material ist in der US-PS 3 342 563 beschrieben.

Viele der vorhandenen Systeme zur Steuerung der Spaltbreite arbeiten für die Art Turbine, in der sie angewendet werden, in angemessener Weise. Die weiterentwickelteren Turbinen erfordern jedoch verbesserte Materialien mit Eigenschaften, die ihren Einsatz bei höheren Temperaturen gestatten und die einen geringeren Abrieb an den Blattspitzen verursachen, die mit dem abreibbaren überzug oder Material in reibende Berührung kommen.

Die pulverförmige Mischung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine mechanische Mischung einer Vielzahl pulverförmiger Materialien mit Teilchen^rofien, die durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 100 um hindurchgehen, die jedoch von einem Sieb mit einer lichten Masch .-nweite von 44 ^um zurückgehalten

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werden. Der Einfachheit halber werden diese Teilchen im folgenden als in einem Teilchengrößenbereich von 44 bis 100 um fallend bezeichnet. Die Mischung schließt ein Pulver ein, das mehr als 20 und bis zu etwa 40 % eines Nickel/Graphit-Pulvers umfaßt, das aus einem Graphitkern und einer Nickelumhüllung besteht, in dem das Nickel von mehr als etwa 50 bis weniger als 75 % des Nickel/ Graphit-Pulvers ausmacht. Der Rest der Mischung ist ein Legierungspulver auf Nickel-Chrom-Basis, das ggf. in Form eines pulverförmigen Verbundstoffes vorliegen kann, bei dem die Umhüllung oder Oberfläche aus einem anderen Element besteht. Es kann somit auch Mengen anderer Elemente enthalten, von denen einige Aluminium und Eisen sind.

Eine solche Mischung wird verwendet zur Entwicklung eines Überzuges für ein Dichtungsteil in einer Ausfuhrungsform des Verfahrens, bei dem man zuerst ein Basisteil des Dichtungsteiles reinigt, einen Bindeüberzug, der hauptsächlich aus Nickel besteht, aufbringt und dann durch Flammauftragen unter Verwendung eines Sauerstoff/aliphatischer Kohlenwasserstoff-Gases, wie Sauerstoff/Acetylen-Gases_/ unter carburisierenden Bedingungen die pulverförmige Mischung in einem Temperaturbereich von etwa 1150 bis etwa 126O⁰C aufbringt.

Das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Pulvermischung, ergibt ein Dichtungsteil, welches ein Basisteil und einen abreibbaren Überzugsteil einschließt, der durch das Schmelzen und die Wechselwirkung der oben beschriebenen Pulvermischung erhalten wurde. Das abreibbare überzugsteil umfaßt eine Dispersion von Graphitteilchen und eine Vielzahl kompakter Teile aus der Legierung auf Chrom-Nickel-Basis, wobei Nickelplättchen die Verbindung ν>_·η Teilchen zu Teilchen unterstützen. Das Überzugsteil nat eine Dichte von etwa 3,7 bis 4,2 g/cm . Der Basisteil kann aus irgendeinem verträglichen Material bestehen, wie den Legierungen auf Eisen-, Kobalt-, Nickel-, Titan-, Aluminium- und Magnesiumgrundlage, die häufig in Gasturbinen verwende t we rden.

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Die Suche nach verbesserten Überzügen oder Materialien zur Steuerung der Spaltweite zur Verwendung bei den zusammenarbeitenden Teilen in Kompressoren, z. B. den rotierenden Blättern und Gehäusen ebenso wie den stationären Blättern und dem rotierenden Teil von Rotoren, schloß die Auswertung einer weiten Vielfalt von Materialien ein, die aus im Handel erhältlichen Metallpulvern erhalten wurden. So ist z. B. eine Vielfalt von Pulvern im Handel erhältlich, die aus einem Graphitkern und einer Nickelumhüllung in einer Vielfalt von Zusammensetzungen bestehen. Das Zubereiten und Aufbringen solcher überzogener Pulver, die manchmal als Verbundpulver bezeichnet werden, ist bekannt und in der Literatur beschrieben, wie z. B. in Spalte 2 der US-PS 3 3^2 563.

In der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, daß eine mechanische Mischung einer Vielzahl von Pulvern, die das Legierungspulver auf Nickel-Chrom-Basis und das Metallgraphitpulver einschließen, beim Aufbringen mittels eines thermischen Verbrennungsverfahrens bei relativ tiefer Temperatur und geringer Teilchengeschwindigkeit, das manchmal als Flammaufbring-Verfahren bezeichnet wird, bei dem die Teilchen unter carburisierenden Bedingungen bis zu einer Temperatur im Bereich von etwa II50 bis 126O°C erhitzt werden, einen verbesserten abreibbaren Überzugsteil zum Aufbringen auf ein Dichtungsteil ergibt. Ein solches Verfahren, das mit einer Verbrennung arbeitet, steht im Gegensatz zu dem thermischen Aufbringverfahren unter Verwendung eines Plasmas, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine deutlich verschiedene MikroStruktur entsteht. Das verbesserte erfindungsgemäße Verfahren zeigte beträchtlich weniger laminare Teilchen als das Aufbringverfahren unter Verwendung des Plasmas, insbesondere im Hinblick auf die Nickelteilchen gemäß der vorliegenden Erfindung. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ein Sauerstoff/aliphatischer Kohlenwasserstoff-Gas, wofür typische Beispiele ein Sauerstoff/Acetylen-Gas und ein Sauerstoff/Propan-Gas sind, die unter carburisierenden Bedingungen zur Erzeugung einer Teilchentemperatur im Bereich von etwa II50 bis etwa 126O°C angewendet werden.

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In einer Auswertungsserie wurde ein Verbundpulver mit einer Legierung auf Chrom-Nickel-Basis eingesetzt, das eine Zusammensetzung von etwa 4 bis 8 Gew.-^ Aluminium, 16 - 20 O.ev.-% Chrom und als Rest Nickel und zufällige Verunreinigungen aufwies, wobei die Nickel-Chrom-Legierung den Kern bildete und Aluminium die Umhüllung bzw. den Überzug auf dem Kern. Eine Form eines solchen Pulvers wird von der Metco Inc., Westbury, New York unter der Bezeichnung Metco 443-Pulver vertrieben. Dieses Verbundpulver mit der Nickel-Chrom-Legierung wurde in verschiedenen Anteilen mit einem Verbundpulver vermischt, das einen Graphitkern und eine Umhüllung aus Nickel aufwies, wobei Nickel in einer Menge von 60 Gew.-^ und Graphit in einer Menge von 40 Gew.-% vorlag. In dieser Beispielsreihe wies jedes Pulver Teilchengrößen im Bereich von 44 bis 100 um auf, da festgestellt wurde, daß ein größerteiliges Pulver zu einem Überzug unzureichender kohäsiver Festigkeit und ein kleinerteiliges Pulver zu einem zu dichten Überzug führt. Die verschiedenen untersuchten mechanischen Pulvermischungen wurden durch Flammspritzen auf ein Basis- oder Stützteil aus einer Titanlegierung unter Verwendung einer Sauerstoff/Acetylen-Gasmischung bei einem Druck von etwa 0,7 bis 1,05 kg/cm aufgebracht. Die Überzugsdicke lag im Bereich von etwa 0,75 bis 1 mm.

Nach der Erzeugung abreibbarer überzüge mit einer Vielzahl von Kombinationen solcher Pulver, wurden die überzüge Reibtests unter Verwendung von Kompressorblättern mit etwa 0,63 mm dicken Spitzen unterworfen. Die Blatt spitzen und das. abreibbare Überzugsmaterial wurden relativ zueinander mit einer Geschwindigkeit von etwa 1200 m/min mit einer festgelegten maximalen Reibtiefe von etwa 0,5 mm rotiert. In der folgenden Tabelle I sind die Blattabriebsdaten für jede Kombination der Pulvermischung aus dem Metco 44j5-Pulver (inyTabelle 443 genannt) und Nickel/Graphit-Pulver (in der Tabelle NiC(g))-angegeben.

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Tabelle I

■ Blatt aus Nickellegierung Pulvermischung

Blattabrieb Beispiel 443 6ONi/4OC(g) [mm]

■1 · 70 - 30 0,020

2 60 40 0,105

3 70 . 30 0,0025

4 .■.--,; 60 40 0,088

Die in Tabelle I aufgeführte Nickellegierung bezieht sich auf eine Superlegierung auf .Nickelbasis, die auch unter der Bezeichnung IN7l8-Legierung bekannt ist und nominell in Gew.-% folgende Bestandteile enthält, 0,05 C, 19 Cr, 18 Fe, 3 Mo, 5 Niob und Tantal zusammen, 1 Ti, 0,5 Al und der Rest sind im wesentlichen Nickel und zufällige Verunreinigungen. Die bei der Auswertung gemäß Tabelle I eingesetzten Probekörper wurden fünf Stunden bei 425°C vorgealtert, wobei die in der folgenden Tabelle II genannten Beispiele 5 und 6 einer zusätzlichen Alterung von 5 Stunden bei etwa 62O⁰C unterworfen wurden. Aus den Blattabriebsdaten der Tabelle I ist leicht ersichtlich, daß dieser Abrieb außerordentlich groß war bei Verwendung einer Mischung von 40 Gew.-% des 60 % Nickel und 40 % Graphit umfassenden Pulvers mit 60 %des Metco 443-Pulvers als Ausführungsform des Verbundpulvers mit einer Nickel-Chrom-Legierung. Der damit erhältliche Überzug wies nur eine geringe Erosionsbeständigkeit auf, nachdem man ihn 620 C ausgesetzt hatte. Bei einer anderen nicht in Tabelle I aufgeführten Auswertung wurde außerdem festgestellt, daß ein überzug mit etwa 80 Gew.-# des 443-Pulvers zu hart war und daher zuviel Abrieb auf dem Blatt erfolgte. Das Pulver gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt daher eine mechanische Mischung eines Niekel/Graphit-Pulvers und eines Legierungspulvers auf Chrom-Nickel-Basis, in dem das Nickel/Graphit-Pulver von mehr als 20 Gew.-%'bis weniger als 40 Gew.-^ der Mischung umfaßt und das

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Nickel, wie im folgenden noch gezeigt wird, mehr als etwa 50 % aber weniger als etwa 75 % des Nickel/Graphit-Pulvers umfaßt. In dem fertigen Überzug, der das Produkt des Schmelzens und der Wechselwirkung der mechanischen Pulvermischung beim Flammauftragen darstellt, sorgt das Nickel/Graphit-Pulver für die Porosität und das Nickel-Chrom-Legierungspulver für die Oxydationsbeständigkeit. Beim anfänglichen Reiben kann das Graphit als Schmiermittel wirken. Nachdem man den überzug jedoch einer relativ kurzen Zeit den Betriebsbedingungen ausgesetzt hat, wird der Graphit zu einem Gas oxidiert und dies führt zur Entstehung weiterer Hohlräume oder Porosität in der Überzugsstruktur. So ist der Graphit z. B. bei etwa 65O⁰C nach etwa 2 Stunden und bei etwa 48O⁰C nach etwa 24 Stunden oxydiert.

Eine andere Auswertungsreihe wurde unter Verwendung einer mechanischen Mischung aus 65 bis 75 Gew.-% Metco 443-Pulver und 25 bis 35 Gew.-% des aus 60 % Nickel und 40 % Graphit bestehenden Pulvers ausgeführt. Der Überzug wurde_/wie oben beschrieben, in einer Dicke von etwa 1 mm unter Verwendung von Sauerstoff/Acetylen-Gas hergestellt. Der oben beschriebene Reibtest wurde unter Verwendung von Blättern aus der IN718 Nickel-Legierung ausgeführt, wobei die Eindringgeschwindigkeit 0,025 mm/sek betrug und ein Gesamtabrieb von 0,37 mm erfolgte. Der Blattabrieb war dabei sehr gering und betrug nicht mehr als etwa 0,025 mm.

Das Nickel/Graphit-Pulver wurde noch in einer anderen Testreihe ausgewertet, in der eine Mischung von 70 % Metco 443-Pulver und 30 % zweier verschiedener Arten von Nickel/Graphit-Pulver verwendet wurden. In der folgenden Tabelle II sind einige Ergebnisse der oben beschriebenen Reibversuche aufgeführt.

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Tabelle II 70 % Metco 443-Pulver - 30 % NiC(g)-Pulver

Eisenlegierungs-Blattmaterial

Beispiel	NiCg % Ni	JiC(R)	Blattabrieb [mmj	überzug gealtert unter folgenden Bedingungen
Ul	60	40	■ 0 .	65O°C/5 h
6	75	25	0,150-0,175	65O°C/5 h
7	60	40	0	65O°C/5 h
8	75	25	0,150	65O°C/5 h

Das in Tabelle II genannte Eisenlegierungs-Material, das auch unter der Bezeichnung A-286-Legierung bekannt ist, b'estand nominell in Gew.-% aus folgenden Bestandteilen: 15 Cr, 25,5 Ni, 1,3 Mo, 2,2 Ti, 0,007 B, 0,3 V, und der Rest waren Eisen und zufällige Verunreinigungen.

Aus den Blattabriebsdaten in der Tabelle II ergibt sich eine deutliche Zunahme im Blattabrieb unter variierenden Bedingungen des aufgebrachten Überzuges, wenn der Nickelgehalt des Nickel/ Graphit-Pulvers auf 75 Gew.-% erhöht wird. Weiter wurde erkannt, daß nur 50 Gew.-% Nickel nicht ausreichen, den erforderlichen

Teilchen NickelfχIm zu bilden, der die Chrom-Niekel-Legierungspul ver-v" in dem Überzug gemäß der vorliegenden Erfindung zusammenbindet. Das erfindungsgemäße Nickel/Graphit-Pulver enthält daher Nickel in einer Menge im Bereich von mehr als 50 bis weniger als 75 Gew.-%.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Teilschnittansicht eines Umhüllungsdichtungsteiles für einen Gasturbinenkompressor, und.

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Figur 2 eine photografische Aufnahme in 100-facher Vergrößerung einer Ausführungsform des abreibbaren Überzuges nach der vorliegenden Erfindung.

Das erfindungsgemäße Dichtungsteil, von dem eine Art in Figur 1 als Teil eines Umhüllungsringes für einen Gasturbinenkompressor dargestellt ist, das ein Stützteil oder eine Basis 10 und einen abreibbaren Überzugsteil 12 einschließt, der direkt oder vermittels eines abziehbaren Teiles oder eines Bindungsüberzuges 14, der hauptsächlich aus Nickel besteht, mit dem Basisteil verbunden ist. Das abreibbare Überzugsteil 12 besteht auch hauptsächlich aus Nickel und ist das Schmelz- und Wechselwirkungsprodukt der Aufbringung der erfindungs gemäßen Pulvermischung unter

eines
Verwendung /Verbrennungsverfahrens. In dem Uberzugsteil, von dem die Aufnahme der Figur 2 in 100-facher Vergrößerung gemacht worden ist, umfaßt der Überzug, bevor man ihn den Betriebsbedingungen aussetzt, eine Dispersion körnig erscheinender dunkler Graphitteilchen und einer Vielzahl heller erscheinender kompakter Teile aus der Nickel-Chrom-Legierung, die mit einem Nickelfilm verbunden sind. Das Überzugsteil der Figur 2 wurde, wie oben beschrieben, aus einer Mischung von 67,5 % Metco 443-Pulver und 32,5 % Nickel/Graphit-Pulver hergestellt, wobei das Nickel etwa 60 % des Nickel/Graphit-Pulvers umfaßte.

Eine andere Auswertungsreihe benutzte ein Nickel-Chrom-Legierungspulver mit einer Zusammensetzung von etwa 15 bis 22 Gew.-% Chrom, bis zu 14 Gew.-% Eisen und als Rest im wesentlichen Nickel. Eine Form einer solchen Legierung, die im Handel als Inco 600-Legierung erhältlich ist, hat eine nominelle Zusammensetzung von 15,5 Gew.-% Chrom, 8 Gew.-% Eisen und als Rest im wesentlichen Nickel. Die oben beschriebenen Blattabrieb-Tests wurden mit dem gleichen relativen Nutzen, aber mit etwas m'eh Blattabrieb ausgeführt .,

Wie oben im Bezug auf Figur 1 erwähnt, kann das Dichtungsteil nach der vorliegenden Erfindung ein Zwischenteil oder einen metallischen Bindeüberzug 14 zwischen dem Basisteil 10 und dem

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abreibbaren Überzugsteil 12 einschließen, wobei der Bindeüberzug mit einer chemischen Lösung., die im wesentlichen keine nachteilige Wirkung auf das Material des Basisteiles ausübt, abstreifbar ist. In einer Reihe von Beispielen war ein solcher abstreifbarer Zwischenteil ein Bindungsüberzug aus Nickel, der durch Flammsprühen vor und in^: der gleichen Weise wie der abreibbare überzug aufgebracht worden war. Ein Zwischenbindeüberzug mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,1 bis 0,2 mm ist für den beabsichtigten Zweck, die Entfernung des abreibbaren Teiles zu gestatten, im allgemeinen angemessen, z. B. für die Reparatur einer Dichtung oder das Ersetzen des abreibbaren Teiles. So wurde ζ-, B. der oben beschriebene abreibbare Teil der Figur 1 von dem Basisteil durch Auflösen des unter Verwendung des Sauerstoff/ Acetylen-Gases flammgespritzten Nickelzwischenbinde-Überzuges in einer wäßrigen Lösung aus .etwa der Hälfte HNO., in etwa 1/2 bis 1 Stunde bei etwa 80 bis 95°C abgelöst.

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Leerseite

Claims

Patent ansprüche

1. Mechanische Mischung aus einer Vielzahl von pulverförmigen Materialien in einem Teilchengroßenbereich von etwa 44 bis 100 um_/ gekennzeichnet durch folgende Bestandteile in Gew.-%:

mehr als 20 bis weniger als 40 % eines Nickel/Graphit-Pulvers, das aus einem Graphitkern und einer Nickelhülle besteht, wobei· das Nickel mehr als 50 bis weniger als 75 Gew.-% den Nickel/Graphit-Pulvers umfaßt, und

der Rest der Mischung ein Legierungspulver auf Nickel-Chrom-Basis ist.

2. Mischung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Nickel/Graphit-Pulver in Gew.-% aus 55 bis 65 % Nickel und als Rest Graphit besteht.

3. Mischung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungspulver auf Chrom-Nickel-Basis ein Verbundpulver ist, das einen Kern aus Niekel-Chrom-Legierung und eine Hülle aus Aluminium umfaßt, wobei die Hülle bis zu 8 Gew.-% ausmacht.

4. Mischung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Verbundpulver in Gew.-% aus 4 bis 8 Aluminium, l6 bis 20 Chrom und als Rest Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

5. Mischung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Legierungspulver aus Nickel-Chrom-Legierung eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung ist, die in Gew.-% aus 15 bis 23 % Chrom, bis zu 14 % Eisen und als Rest Nickel und zufälligen Verunreinigungen besteht.

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6. Dichtungsteil mit einem Basisteil und einem abreibbaren Überzugteil, dadurch gekennzeichnet, daß das abreibbai-e Überzugsteil das Schmelz- und Wechselwirkungsprodukt der Mischung nach Anspruch 1 ist, das an dem Basisteil befestigt ist, wobei das Überzugsteil eine Dispersion aus Graphitteilchen und einer Vielzahl kompakter Teilchen aus einer Nickel-Chrom-Legierung umfaßt, die hauptsächlich mit Nickel-Plättchen verbunden sind, und der Überzug eine Dichte von 3,7 bis 4,2 g/cnr aufweist.

7. Dichtungsteil nach Anspruch 6, dadurct. gekennzeichnet , daß es zusätzlich einen Zwischenübersug aufweist, der sowohl mit dem Basisteil als auch mit dem abreibbaren Überzugsteil verbunden ist, wobei der Zwischenüberzug aus einem Material besteht, das mit einer chemischen Lösung, die im wesentlichen keine nachteilige Wirkung auf das Basisteil ausübt, abziehbar ist.

8. Dichtungsteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Zwischenüberzug aus Nickel besteht.

9. Dichtungsteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das 3asisteil aus einer Legierung auf der Grundlage von Eisen, Kobalt, Nickel, Titan, Aluminium und Magnesium besteht.

10. Verfahren zum Herstellen eines ein Basisteil einschließenden Dichtungsteiles, gekennzeichnet durch die folgenden Stufen:

Säubern des Basisteiles,

Aufbringe.ι eines Zwischenbindeüberzuges hauptsächlich au_ü Nickel, der leicht in einer chemischen Lösung aufgelöst werden kann,

thermisches Aufbringen eines Überzuges zum Steuern der Spaltweite auf den Bindeüberzug.

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11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Bindeüberzug mit einem thermischen Verfahren unter Verwendung eines Sauerstoff/aiipha tischer Kohlenwasserstoff-Gases unter Anwendung einer Verbrennung aufgebracht wird.

12. Verfahren nach-Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß der Überzug zum Steuern der Spaltweite ein abreibbarer Überzug ist, der das Schmelz- und Wechselwirkungsprodukt der Mischung nach Anspruch 1 ist.

PAD ORMlNAL