DE2920277A1 - Verfahren zur herstellung von metallbereichen auf einem metallstueck - Google Patents

Description

HOFPMANN · EITLlC & PAItTNEE

PATENTANWÄLTE Z 9 Z U L ff

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · DIPL.-ING. W.EITLE · D R. RER. NAT. K. HOFFMAN N · Dl PL.-I NG. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABEllASTRASSE-IISTERNHAUS) · D-8000 MÖNCHEN 81 · TELEFON (089) 9Π087 · TELEX 05-29619 (PATH E)

32031

Thermatool Corporation, Stamford, Conn. /V.St.A.

Verfahren zur Herstellung von Metallbereichen auf einem Metallstück

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Modifizierung der Oberflächeneigenschaften eines Metallstückes unter Verwendung einer elektrischen Erwärmung des Metalls in einem eingeschränkten Flächenbereich, um die Temperatur auf die Schmelztemperatur zu erhöhen, während zur selben Zeit ein anderes Material zu dem geschmolzenen Material zugegeben wird, welches sich mit dem Metall des Stückes legiert.

Es ist häufig wünschenswert, einen Körper aus einem Metallstück herzustellen, welches aus einem ausgewählten Metall mit bestimmten Eigenschaften besteht, beispielsweise Festigkeit, Kosten, Gewicht, Elastizität usw. Weiterhin ist es erforderlich, diese Metallkörper mit einem Bereich zu

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versehen, welcher vom Metall des Grundkörpers unterschiedliche Eigenschaften hat. Beispielsweise ist es wünschenswert, einen Metallbereich vorzusehen, welcher eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung hat, welcher eine bessere Korrosionsfestigkeit hat, eine bessere Härte, eine bessere Bearbeitbarkeit und/oder geringere Reibeigenschaften als die des Grundmetalls. Ebenso ist es beispielsweise wünschenswert, einen Bereich vorzusehen, welcher eine äußere Erscheinung oder Farbe hat, die sich von dem Grundkörpermetall unterscheidet oder aber am Körper elektrische Kontakte vorzusehen.

Es ist in der Technik sehr wohl bekannt, daß bestimmte wünschenswerte Metalleigenschaften erzielt werden können, indem andere Materialien, wie Kohlenstoff, Stickstoff, andere Metalle usw. mit einem Metall in geschmolzenem Zustand vermischt werden, wobei das abgekühlte Metall dann eine Legierung darstellt, welche gegenüber dem ursprünglichen Metall unterschiedliche Eigenschaften hat. Es ist ebenso bekannt, auf einem Metallstück durch Aufbringung einer Schicht oder eines Drahtes aus.Metallegierungszusatz dünne Legierungsschichten zu bilden, wobei das Legierungszusatzmetall eine pulvrige Form aufweisen kann. Dieses Zusatzmaterial wird auf ein Metallstück aufgebracht und dann erwärmt. Mit einem Laserstrahl wird zumindest das unter dem Zusatzmaterial liegende Metall auf seinen Schmelzpunkt erwärmt, wodurch auf der Oberfläche des Metallstückes ein Bereich gebildet wird, welcher von einer Legierung gebildet wird, die sich aus dem Metallegierungszusatz und dem Metall des Metallstückes zusammensetzt. Siehe hierzu der Artikel in "Automotive Industries", 1. August 1976, beginnend auf Seite 31 und im Artikel "Wärmebehandlung" vom Februar 1977, beginnend auf Seite 16.

Die Betriebswirksamkeit eines Laserstrahlgerätes, welches

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für solche Zwecke verwendet wird, ist relativ gering, beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad ungefähr 7 bis 10 %. Die Kosten eines derartigen Gerätes sind relativ hoch. Hochdurchschnittsenergie-Laserstrahlgeräte sind nicht verfügbar, obwohl hohe Spitzenkraftimpulse mit niedriger Durchschnittsenergie erzeugt werden. Weiterhin ist der Laserstrahl für die Erzeugung der Energie, beispielsweise 100000 w/cm² und zur Erzeugung der erforderlichen Wärmekonzentration sehr gering im Querschnitt, was relativ langsame Verfahrensabläufe für größere Bereiche zur Folge hat. Der Laserstrahl überstreicht die Fläche, von der die Wärme durch Wärmeleitung verteilt werden muß. Die Oberfläche muß sauber sein und eine gute Laserenergieabsorptionsflache darstellen. Weil der Laserstrahl die Fläche überstreicht, kann eine Fläche nur angeschmolzen werden, bevor die benachbarte Fläche auf die gewünschte Temperatur erwärmt wurde.

Es ist in der Technik bekannt, daß hohe Konzentrationen von elektrischem Strom in einem Metallstück erzeugt werden können, indem das Metallstück mit einem Paar von Kontakten in Berührung gebracht wird. Dabei befindet sich ein Kontakt an einem Ende des gewünschten Stromverlaufes und der andere Kontakt am anderen Ende dieses Verlaufes. Die Kontakte werden mit einer Hochfrequenzstromquelle verbunden, wobei zumindest ein Kontakt über einen als Annäherungsleiter bekannten Leiter mit der Stromquelle in Verbindung steht und sich der Annäherungsleiter vom benachbarten einen Kontakt zum anderen Kontakt erstreckt und dicht über dem Stromverlauf liegt und dem gewünschten Stromverlauf folgt. Siehe hierzu die US-Patentschriften 2 857 503, 3 591 757 und 3 860 778.

Aus letzterem Patent ist es bekannt, Teile eines Metalls eines Paares von Kontakt-Metallstücken zur Ausbildung

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einer Schweißung dazwischen zu schmelzen und Metall in Form eines Drahtes, eines Pulvers oder Chips dem geschmolzenen Metall zuzugeben. In diesem Patent wird davon ausgegangen, daß das zugeführte Metall dasselbe ist oder dem Metall der entsprechenden Stücke, die miteinander verschweißt werden sollen, ähnlich ist, und daß das zugesetzte Metall geschmolzen wird, um alle Spalte, Eindrücke oder Risse zu füllen, welche vom Schmelzen der Stücke herrühren können.

Es ist ebenso aus der ÜS-PS 3 497 662 bekannt, ein Füllmetall in Form einer Folie, eines Drahtes oder einer Stange im Verbindungsbereich zwischen zwei miteinander zu verschweißenden Metallstücken zuzugeben. Das Metall des Füllermetalls ist jedoch dasselbe oder ein ähnliches Metall wie das der Metallstücke und das Metall solcher Stücke, die nicht geschmolzen werden. Ein hierfür verwendetes Gerät wurde bisher weder für die Ausbildung von Bereichen legierten Metalls auf der Oberfläche eines Metallstückes verwendet noch für eine solche Verwendung vorgeschlagen.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schaffung einer Metallschicht auf der Oberfläche eines Metallstückes vorzusehen, welche Metallschicht strukturmäßig kontinuierlich ist und zumindest eine Legierung aus dem Metall des Metallstückes und einem anderen Material ist und vorzugsweise verbesserte mechanische Eigenschaften im Vergleich zum Metall des Metallstückes hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung werden entlang einer schmalen Strecke in einem Metallstück durch Aufbringung eines

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elektrischen Stromes an eine solche Strecke mittels Kontakten eine hohe Energiedichte, beispielsweise 20 KW/cm² und höher erzeugt. Die Kontakte befinden sich jeweils an einem Ende der Stromstrecke. Die Stromfrequenz und die Größe oder Stärke des Stromes ist so auszuwählen, daß ein grosser Strom wirkungsvoll das Metall nur in einem geringen Umfang durchdringt, indem der Strom durch einen Annäherungsleiter zu zumindest einem der Kontakte geleitet wird, wobei der Annäherungsleiter in geeigneter Weise angeordnet und auf geeignete Weise dimensioniert ist. Dieser Strom wird unter Berücksichtigung dieser Einjustierungen solange aufrechterhalten, bis Teile des Metalls des Metallstückes eine Temperatur erreicht, die zumindest der Schmelztemperatur gleich ist. Ein Legierungszusatzmaterial, nämlich ein anderes Metall oder ein dem Metall des Metallstückes ähnliches Metall, welches legiert wird, um gegenüber dem Metall des Metallstückes eine unterschiedliche Zusammensetzung zu haben, wird auf der Oberfläche des Metallstückes entweder vor oder während der Aufbringung des Heizstromes oder dann aufgebracht, wenn das Metall entlang der Heizstrecke geschmolzen ist, so daß ein strukturmäßig kontinuierlicher Bereich auf der Oberfläche entsteht, welcher eine Legierung umfaßt, die aus dem Metall des Metallstückes und dem Legierungszusatzmaterial besteht. Wenn das Legierungszusatzmaterial die Form von Partikeln hat, ist die Temperatur, auf die das Metall entlang der Stromstrecke erwärmt wird, so, daß solche Partikel schmelzen und mit solchem Material legiert werden. Wenn das Legierungszusatzmatertial eine strukturmäßig kontinuierliche Form hat, beispielsweise als dünne Platte, als Stange oder Draht, ist die Temperatur so, daß zumindest der Oberflächenabschnitt desselben schmilzt und mit dem Metall des Metallstücks so eine Legierung bildet, daß das Legierungszusatzmaterial zumindest an dem Metallstück durch eine Legierung aus dem Legierungszusatzmaterial und dem Metall des Metallstücks haftet. Das Legierungszusatzmaterial in einer solchen kontinuierlichen Form kann voll-

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ständig geschmolzen werden. Wenn dies der Fall ist, kann es vollständig mit dem Metall des Metallstückes so vermischt werden, daß im wesentlichen der gesamte Bereich eine Legierung ist, die aus dem Zusatzmaterial und dem Metall des Metallstücks besteht. Es kann aber auch sein, daß ein strukturmäßig kontinuierliches Zusatzmaterial auf dem Metall des Metallstückes durch ein strukturmäßig kontinuierliches Metall aufgeklebt ist, welches eine Legierung des Zusatzmaterials und des Metalls des Metallstücks ist. Die tatsächliche Struktur hängt von der Erwärmung und der Vermischung des Metalls des Metallstücks und des Zusatzmaterials und der Schmelztemperatur des Zusatzmaterials ab.

Eine abgeänderte Ausfuhrungsform der Erfindung ist dann verwendbar, wenn der zu schmelzende Bereich des Metallstückes ringförmig ist. Die Erwärmung des Metalls auf die Schmelztemperatur wird mittels einer Induktionsspule erzeugt, welche an einer Hochfrequenzstromquelle angeschlossen ist» Der übrige Funktionsablauf ist derselbe wie bei der zuerst genannten Ausführungsform..

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Gerätes zum Erwärmen eines Metallstückes und zummindest eines Teils eines Legierungsmaterials entlang einer Linie auf ihre Schmelzpunkte,

Fig. 2 einen Querschnitt der in Fig„ 1 dargestellten Ausführungsform in der Ebene 2-2 in Fig. 1,

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Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, jedoch mit einer abgeänderten Ausfuhrungsform des Gerätes,

Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren abgeänderten Geräteform und die Darstellung der Erwärmung auf die Schmelzpunkte entlang einer Vielzahl von Linien des Metalls und eines Legierungsmaterials auf der Oberfläche des Metallstücks,

Fig. 5 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung, allerdings mit einem sinusförmig ausgebildeten Annäherungsleiter_f

Fig. 6 eine der Fig. 4 ähnliche Ansicht, jedoch mit der Darstellung eines Annäherungsleiters veränderten Querschnitts zur Herstellung einer Reihe von zueinander in Längsrichtung ausgerichteten Linien geschmolzenen Metalls auf der Oberfläche eines Metallstücks,

Fig. 7 Linien aus Legierungsmetall auf einem Metallstück, die mit dem Gerät entsprechend Fig. 6 erstellt wurden,

Fig. 8 eine Seitenansicht eines Annäherungsleiters, welcher sich in unterschiedlichem Abstand zum Metallstück befindet, um ähnliche Resultate zu erzielen wie sie sich aus Fig. 7 ergeben,

Fig. 9 eine der Fig. 4 ähnliche Darstellung, jedoch mit der Verdeutlichung der Herstellung des Legierungsmetalls über einen weiten Bereich der Oberfläche des Metallstücks,

Fig. 10 einen Querschnitt bzw. eine Endansicht mit der Darstellung der Verwendung einer Platte oder Stange zur Begrenzung des erwärmten Metalls,

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Fig. 11 einen Querschnitt bzw. eine Seitenansicht mit der

Darstellung der Verwendung von Platten oder Stangen
an den Enden einer erwärmten Metallinie zur Ver-' hinderung von Metallverlusten,

Fig. 12 eine schematische perspektivische Ansicht einer

bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung zur Herstellung eines Bereiches einer Metallegierung auf
der Oberfläche eines Metallstückes unter Verwendung
eines Drahtes oder einer Stange des Legierungszusatzes,

Fig. 13 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht eines Teils des in Fig. 12 dargestellten Metalls nach der Herstellung des Metallegierungsbereiches, wobei der Schnitt in der Ebene 13-13 der Fig. 12 liegt,

Fig. 14 eine Teilquerschnittsansicht mit der Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung eines Metallegierungsbereiches auf der
Oberfläche eines MetallStückes unter Verwendung eines Paares von Drähten aus Legierungszusatz,

Fig. 15 eine der Fig. 14 ähnliche Darstellung der Verwendung eines Drahtes aus einem Metall mit einer darauf befindlichen, aus einem anderen Metall bestehenden
Schicht,

Fig. 16 eine der Fig. 14 ähnliche Darstellung der Verwendung eines pulverförmigen Legierungszusatzes,

Fig. 17 eine Teilquerschnittsansicht mit der Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Metallegierungsbereiches auf der Oberfläche eines Ventilsitzes,

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Fig. 18 eine perspektivische Ansicht mit der Darstellung der Verwendung einer Induktionsspule zur Ausbildung eines Metallegierungsbereiches an der Endfläche eines Rohres,

Fig. 19 eine Querschnittsansicht mit der Darstellung einer abgeänderten Ausfuhrungsform des Gerätes in Fig. 18,

Fig. 20 eine perspektivische Ansicht mit der Darstellung der Verwendung einer Induktionsspule zur Herstellung eines ringförmigen Metallegierungsbereiches auf der Oberfläche eines Metallstückes,

Fig. 21 eine perspektivische Darstellung der Verwendung einer Induktionsspule zur Herstellung eines Umfangs-Metallegierungsbereiches auf der Oberfläche eines Metallzylinders,

Fig. 22 eine schematische, perspektivische Ansicht mit der Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines kontinuierlichen Metallegierungsstreifens auf der Oberfläche eines Metallstückes,

Fig. 23 eine Seitenansicht des in Fig. 22 dargestellten Gerätes unter Hinzufügung einer die Metallegierung bearbeitenden Walze,

Fig. 24 eine Endansicht bzw. Querschnittsansicht einer abgeänderten Ausführungsform des in Fig. 22 und Fig. 23 gezeigten Gerätes,

Fig. 25 eine der Fig. 22 ähnliche perspektivische Ansicht mit der Darstellung eines anderen Verfahrens zum Aufbringen des Metallegierungszusatzes zur Oberfläche eines Metallstückes,

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Fig. 26 eine der Fig. 22 ähnliche perspektivische Ansicht mit der Darstellung eines Gerätes zum Aufbringen eines Legierungszusatzmaterials in Pulverform auf ein Metallstück,

Fig. 27 eine perspektivische Ansicht eines dem in Fig. 22 dargestellten Gerätes ähnlichen Gerätes zur Herstellung eines Metallegierungsbereiches an einer Seitenkantenflache eines Metallstückes,

Fig. 28 eine Querschnittsansicht mit der Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform des in Fig. 27 dargestellten Gerätes,

Fig. 29 eine perspektivische Ansicht der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Metallegierungsschicht auf der Oberfläche eines Metallzylinders,

Fig. 30 eine perspektivische Ansicht der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Metallegierungsschicht auf der Oberfläche eines Metallstücks,

Fig. 31 eine Querschnittsansicht des in Fig. 30 dargestellten Gerätes,

Fig. 32 eine Teildraufsicht einer abgeänderten Ausführungsform eines Teils des in Fig. 30 dargestellten Gerätes,

Fig. 33 eine perspektivische Ansicht mit der Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines kontinuierlichen Streifens aus legiertem Metall auf der Oberfläche eines Metallstücks,

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Fig. 34 eine: Äxialschnitt mit der Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines axial verlaufenden Metallegierungsstreifens auf der Innenfläche eines Hohlzylinders und

Fig. 35 eine Teildraufsicht mit der Darstellung einer Abänderung der Kontakte zur Aufbringung des Heizstromes auf das zu beheizende Metallstück.

Die im Metall durch einen elektrischen Strom entwickelte Wärme ist dem Quadrat des Stromes χ dem effektiven Widerstand des Weges proportional, durch den der Strom fließt. Der effektive Stromverlauf hängt von der Oberflächenwirkung ab, d.h. der erhöhten Stromdichte an der Oberfläche eines Teils, vom Annäherungseffekt, d.h. der Tendenz des Stromes in das Teil einzufießen, je näher sich der Leiter dem Teil annähert, beispielsweise ein Annäherungsleiter, welcher entgegengesetzt fließenden Strom trägt. Weiterhin hängt der effektive Stromverlauf von der Bezugstiefe ab, d.h. der äquivalenten Tiefe mit einer gleichförmigen Stromverteilung bis zu einer solchen Tiefe annimmt (sogar wenn dies nicht der Fall ist), welche durch folgende Formel definiert ist:

d (in inch) = 3160

dabei ist ρ die Widerstandsfähigkeit bzw. der spezifische Widerstand des Metalls in ohm inch, u die relative magnetische Permeabilität und f die Frequenz in Zyklen pro s. Es ist festzustellen, daß die Bezugstiefe mit der Zunahme der Frequenz abnimmt. Dies bedeutet andererseits, daß der effektive Widerstand mit der Frequenz zunimmt. Da die Bezugstiefe ebenso von der Permeabilität abhängig ist und da magnetische Materialien, wie Stahl, ihre magnetischen Eigenschaften oberhalb einer bestimmten Temperatur (Curie-Punkt) verliert, ist es offensichtlich, daß die Bezugsgröße für derartige Materialien bei der Erwärmung progressiv zunimmt.

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Die Bezugstiefe des Ströme's in einem Metall ist durch die vorstehend angegebene Formel bestimmt. Sie bezieht sich manchmal auf die Tiefe, in der 86 % der Wärme entwickelt ist und innerhalb der ungefähr 86 % des Stromes fließt. Typische Bezugstiefen sind in der folgenden Tabelle in cm (inch) für verschiedene Metalle bei 290,78 ⁰K (70⁰F) angegeben.

Frequenz - Kilohertz

Material	0,06	3	10	100	400
Stahl*	0,104 (0,041)	0,01676 (0,0066)	0,000508 (0,0002)	0,001498 (0,00059)	0,00076 (0,0003)
Aluminium	1,092 (0,430)	0,2794 (0,110)	0,08382 (0,033)	0,0254 (0,010)	0,0127 (0,005)
Messing	1,6256 (0,640)	0,381 (0,150)	0,127 (0,050)	0,0406 (0,016)	0,02032 (0,008)
Kupfer	0,8534 (0,336)	0,2159 (0,085)	0,066 (0,026)	0,0203 (0,008)	0,0127 (0,005)

* unterhalb des Curie-Punktes? für nicht-magnetischen Stahl oder magnetischen Stahl oberhalb des Curie-Punktes für einen angenäherten Wert mit 100 multiplizieren.

Die Annäherungswirkung ist ebenfalls sowohl von der Stromfrequenz als auch vom Abstand der Verläufe der entgegengesetzt fließenden Ströme abhängig. Bei Stromfrequenzen unterhalb ungefähr 3000 Hz ist die Annäherungswirkung relativ gering. Jedoch wird die Annäherungswirkung spürbarer bei 3000 Hz oder höher und wird zunehmend bedeutend bei 50 KHz und höher. Eei Abständen zwischen den Zentren runder Leiter im Bereich des Fünffachen oder mehr des Leiterdurchmessers wird die Wirkung relativ gering. Jedoch mit Abständen weniger als das Doppelte des Durchmessers wird die Wirkung bezeichnend. Ähnliche Wirkungen ergeben sich mit Leitern anderer Form. Für die Zwecke der Erfindung muß die Heizstromfrequenz zumindest 3000 Hz betragen und vorzugsweise zumindest 50 KHz. Der Abstand zwischen dem Annäherungsleiter und den Oberflächen des

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zu erwärmenden Metallstückes sollte weniger als das Fünffache der Breite des Annäherungsleiters betragen. Vorzugsweise beträgt der Abstand weniger als das Dreifache des Annäherungsleiters. Beste Resultate werden erzielt, wenn der Abstand gleich oder geringer als die Breite des Annäherungsleiters ist.

Die Breite des Stromverlaufes im Stück wird ebenso durch die Verwendung magnetischer Stücke an den Seiten des Stromverlaufes beeinflußt und durch die Form und den Abstand des Annäherungsleiters, welcher entgegengesetzt fließende Ströme trägt, wobei der letztere in Fig. 7 bis 10 dargestellt ist und in der US-Patentanmeldung 901 360 (angemeldet am 1. Mai 1978) mit dem Titel "Hochfrequenz-Induktionsschweissen mit Rückkehrstromverläufe auf den zu beheizenden Oberflächen" beschrieben wird. Durch Erhöhung des Abstandes zwischen dem Annäherungsleiter und dem zu erwärmenden Metall wird die Breite des Stromverlaufes erhöht. Durch Erhöhung der Breite des Annäherungsleiters in einer Richtung parallel zur Breite des Stromverlaufes wird die Breite des Stromverlaufes erhöht.

Bei hohen Frequenzen wird der Verlauf des Hauptteiles des Stromes hauptsächlich durch die Reaktanz des Verlaufs als durch den Widerstand desselben bestimmt. Daher kann der Hauptteil des Stromes nicht dem kürzesten Weg zwischen zwei Punkten eines unterschiedlichen Potentials folgen. Da der Annäherungsleiter die Reaktanz des Stromverlaufes in seiner Nähe verringert, kann der Hauptstromverlauf als ein solcher ausgebildet werden, der in der Nähe des Annäherungsleiters liegt, sogar wenn solch ein Verlauf nicht der physikalisch kürzeste Verlauf ist.

Natürlich wird zu den Bereichen des Teiles außerhalb des Stromverlaufes durch Leitströme in einer Menge Wärme übertragen, die von der thermischen Leitfähigkeit des Metalls abhängt. Jedoch durch plötzliches Erwärmen des Metalls im Hauptstromverlaufbereich auf eine höhere Temperatur und durch ein

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sich daran anschließendes plötzliches Unterbrechen des Stromflusses / kann die Temperatur derartiger Bereiche im Vergleich zu der des stromführenden Metalls gering gehalten werden.

Aus all diesen Gründen sind der Verlauf des Stromflusses und seine effektiven Dimensionen, die erzielte Erwärmung und Temperatur und die Lokalisierung der Erwärmung von vielen Faktoren abhängig, einschließlich der Anwesenheit oder Abwesenheit eines Annäherungsielters, der Form und der Anordnung des Annäherungsleiters relativ zum zu erwärmenden Stück, der Zeitdauer des Stromflusses, den elektrischen und thermischen Eigenschaften des Metalls, der Gestalt des zu erwärmenden Stückes, der Anwesenheit oder Abwesenheit eines magnetischen Materials in der Nähe des Stromverlaufes, usw. In Übereinstimmung mit der Erfindung wird von einem solchen Phänomen Gebrauch gemacht, ein restriktives und plötzliches Erwärmen des zu behandelnden Metalls vorzusehen und einen Bereich solcher Stücke auf zumindest die Schmelztemperatur zu erwärmen ohne die Temperatur des Metalls in den benachbarten Bereichen weder auf der einen noch auf der anderen Seite auf die Schmelztemperatur zu erwärmen.

Gleiche Betrachtungen werden angestellt, wenn ein elektrischer Strom veranlaßt wird, mittels einer Induktionsspule durch ein Metallstück zu fließen, d.h. die Bezugstiefe und der effektive Widerstand des Stromes im Metallstück sind dieselben. Die Spule wirkt ähnlich wie ein Annäherungsleiter, da der Stromfluß darin dem Strom entgegenfließt, welcher im Stück induziert wird. Die Wärme wird auf die gleiche Weise erzeugt und übertragen, als wenn Kontakte und ein Annäherungsleiter verwendet würden, um einen Wärmestrom zu erzeugen. Wenn jedoch der Strom im Metallstück induziert wird, muß der Strom einem kontinuierlichen Verlauf im Metallstück folgen, ähnlich wie bei Kontakten, bei denen der Kontakt nur von Kontakt zu Kontakt fließt. Trotzdem kann, wenn der zu erwärmende Metallbereich kontinuierlich oder wiederkehrend ist, eine Induktionsspule entsprechend der Form des Bereiches verwendet werden, die mit

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einer Hochfrequenz-Stromquelle verbunden ist, um in dem Verlauf einen wärmenden Strom zu erzeugen, obwohl die Verwendung derartiger Spulen unter bestimmten Aspekten nicht so zufriedenstellend ist, wie die Verwendung von Kontakten und einem Annäherungsleiter oder Annäherungsleitern.

Die erfindungsgemäßen Verfahren sind anwendbar auf die Herstellung von metallegierten Bereichen unterschiedlichster Form auf unterschiedlichsten Metallstücken. Da der erwärmte Bereich eng an die Form des Annäherungsleiters angepaßt ist, kann der Bereich geradlinig, gekrümmt, kreisförmig, spiralförmig, usw. oder aber auch nur punktförmig sein. Der Bereich kann ebenso beispielsweise an den Enden oder am Umfang von Stangen oder Wellen, den Oberflächen von Schlitten, Maschinenwerkzeugführungen, Kolben, Ventilen, Ventilsitzen, Schneid- und Fräswerkzeugen, Bohrern, Lagerspuren, Schraubengewinden, elektrischen Schaltarmaturen, Walzen, Erdbewegungsausrüstungen, usw. vorgesehen werden, ebenso aber auch an den Innenwänden von Zylindern, Lagern, Ventilführungen usw. Jedoch werden nur die Prinzipien der Erfindung mit Anwendung auf Teile einfacher Konfiguration nachfolgend im einzelnen beschrieben. Die Anwendung dieser Prinzipien auf andere Teile ist vergleichbar und für den Durchschnittsfachmann anhand der nachfolgenden Beschreibung nachzuvollziehen.

Die Grundprinzipien der Erfindung sind in Fig. 1 und 2 dargestellt. Diese Figuren zeigen ein Metallstück 1, welches entlang des Weges unterhalb des Legierungszusatzmaterials 2 für den Zweck der Erzeugung eines verschmelzten oder legierten Metalles an der Oberfläche des Stückes 1 angeschmolzen wird. Ein Hochfrequenzstrom fließt mittels eines Paares von Leitern 3 und 4 entlang dieses Weges. Die Leiter 3 und 4 sind mit jeweils einem Ende an einer Hochfrequenzstromquelle 5 angeschlossen. Die gegenüberliegenden Enden befinden sich

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an den gegenüberliegenden Enden des zu schmelzenden Abschnittes des Metallstückes 1, wobei ein Paar von Kontakten 6 und an den Enden der Leiter angeordnet sind und auf dem Metallstück, anliegen.

Die Leiter 3 und 4 sind mit einem Paar von horizontalen Abschnitten 3a und 4a versehen, welche im wesentlichen parallel und in geringem Abstand zur Oberseite des Metallstücks 1 verlaufen. Es ist festzustellen, daß die Ströme in den Abschnitten 3a und 4a entgegengesetzt zum Strom im benachbarten anzuschmelzenden Verlauf des Metallstückes für einen Augenblick fließen. Daher wirken die Abschnitte 3a und 4a als Annäherungsleiter zur Konzentrierung des Stromes auf der Strekke des Metallstückes, welche unter dem Legierungszusatzmaterial 2 liegt. Solch eine Strecke ist die physikalisch kürzeste Strecke zwichen den Kontakten 6 und 7. Während der größte Teil des Stromes entlang einer solchen Strecke in Abwesenheit der Abschnitte 3a und 4a fließen würde, wäre die Breite dieser Stromverlaufsstrecke in Richtung parallel zur Oberseite des Stückes 1 und quer zu einer Linie zwischen den Kontakten 6 und 7 größer. Mit den Annäherungsleitern 3a und 4a ist die Breite der Stromverlaufsstrecke annähernd gleich dem Durchmesser der Leiter und somit der Breite der Abschnitte 3a und 4a.

In Fig. 2 ist der Querschnitt der unterhalb des Zusatzmaterials 2 liegenden Stromverlaufsstrecke durch einen schattierten Bereich angedeutet. Die Tiefe W ist die Bezugstiefe oder die Tiefe, innerhalb der ungefähr 86 % des Stromflusses und ungefähr 86 % der Wärme entwickelt wird. Durch geeignetes Auswählen der Stromfrequenz im -Verhältnis zum Metall des Stückes 1 kann die Tiefe des plötzlich erwärmten Metalls gesteuert werden.

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Wie bereits zuvor erwähnt wurde, kann die Breite W des Querschnitts der unter -dem Legierungszusatzmaterials 2 liegenden Strecke durch den Abstand der Abschnitte 3a und 4a relativ zur Oberseite des Stückes 1 gesteuert werden, aber auch durch die Breite und die Form der Abschnitte 3a und 4a. Wenn der Abstand zwischen den Abschnitten 3a und 4a und der Oberseite des Stückes 1 geringer als das Fünffache und vorzugsweise entsprechend dem Zweifachen oder weniger als der Querschnittsbreite der Abschnitte 3a und 4a beträgt, so ergibt sich eine bezeichnende Annäherungswirkung. Je geringer der Abstand ist, um ,so kleiner ist die Breite W. Wenn man gleicherweise die Querschnittssbreite der Abschnitte 3a und 4a klein hält, und zwar übereinstimmend mit den Stromführungs- und Wärmeverteilungserfordernissen, so wird die Breite W klein gehalten. Je kleiner die Breite der Abschnitte 3a und 4a ist, je kleiner ist die Breite W. Die Abschnitte 3a und 4a können beispielsweise Kupferrohre mit einem Außendurchmesser von 0,476 cm (3/16 inch) oder 0,635 cm (1/4 inch) sein, welches von innen her wassergekühlt ist, wobei das Wasser unter hohem Druck steht.

Entsprechend kann durch Auswahl der Heizstromfrequenz und der Breite der Abschnitte 3a und 4a (Annäherungsleiter) und deren Abstand relativ zur Oberseite des Stückes 1 ein plötzliches Erwärmen eines sehr schmalen und flachen Metallvolumens entlang der unter dem Legierungszusatzmaterial 2 liegenden Strecke vollzogen werden. Es ist praktisch eine Erwärmungsenergiedichte im Stromverlauf von 20 KW pro cm² und höher zu erzielen und das Metall entlang von Strecken unterschiedlicher Länge in weniger als 3 s zu schmelzen, ohne einen Schmelzvorgang außerhalb dieser Strecke zu erzeugen. Beispielsweise beträgt die Streckenbreite 0,203 cm (0, 08 inch) oder weniger und die Streckentiefe 0,508 cm (0,020 inch) oder weniger. Natürlich kann, sofern dies gewünscht wird, die Strecke breiter und tiefer ausgeführt werden, wenn die zuvor diskutierten Prinzipien zur Anwendung kommen, d.h. durch Aus-

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wahl der Frequenz, der Größe und des Abstandes der Annäherungsleiter und die Auswahl der Stromflußzeit und der Strommenge. Die Kriterien müssen sorgfältig bestimmt werden, um den Strom und dessen Dauer so zu konzentrieren, daß das Metall nicht durchschmilzt und daß ein großer Bereich neben dem Stromverlauf nicht durch Wärmeleitung des Metalls erwärmt wird.

Wenn das Legierungszusatzmaterial 2 die Form von kleinen Partikeln hat, so ist deren Leitfähigkeit relativ gering, so daß ein Großteil des Stromes unterhalb des Zusatzmaterials 2 im Metall des Stückes 1 fließen wird.

Wenn das unter den Materialpartikeln 2 liegende Metall des Stückes 1 geschmolzen ist, sinken die Partikel in das geschmolzene Metall ein und verschmelzen und/oder bilden mit dem geschmolzenen Metall eine Legierung, vorausgesetzt, daß die Dichte desselben hoch genug ist und die Temperatur des geschmolzenen Metalls ausreichend hoch ist. Sofern dies gewünscht wird, können die Materialpartikel 2 entsprechend der nachfolgenden Beschreibung in das geschmolzene Metall gedrückt werden.

Wenn das Legierungszusatzmaterial 2 die Form eines Drahtes, einer Folie, einer Stange, eines Streifens, eines Rohres usw. hat, hat dieses Material eine relativ hohe Leitfähigkeit. Da ein derartiges Material sich in leitender Berührung mit der Oberfläche des Stückes 1 befindet, wird ein wesentlicher Bestandteil des Stromes im Material 2 fließen, so daß es vollständig oder an seiner Oberfläche entweder vor oder während der Zeit geschmolzen werden kann, zu der das darunter liegende Metall des Stückes 1 erwärmt wird. Wenn das unter dem Zusatz-Material liegende Metall geschmolzen wird, wird zumindest ein Teil des Legierungszusatzmaterials 2 mit dem geschmolzenen Metall des Stückes 1 verschmelzt. So kann die Verschmelzung und die Vermischung des Zusatzmaterials 2 mit dem geschmolzenen

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Metall zur Bildung einer Legierung des Materials 2 und des Metalls des Stückes 1 gebildet werden. Es kann aber auch ein Teil des Materials 2 in seiner Zusammensetzung zurückbleiben und auf dem Metall des Stückes 1 durch das Metall des Stückes 1 verklebt werden, welches mit dem Material 2 verschmelzt ist.

Gleich ob das Zusatzmaterial 2 partikelförmig ist oder eine kontinuierlich, selbsttragende Form hat, wird das unter dem Zusatzmaterial 2 liegende Metall des Stückes 1 immer zumindest auf seinen Schmelzpunkt solange erwärmt, bis sich dieses Metall und das Zusatzmaterial 2 mit dem Ergebnis verschmelzen, daß, wenn der erwärmte Bereich unterhalb der Schmelztemperatur des Zusatzmaterials 2 und des Metalls des Stückes 1 abgekühlt wird, der Bereich hinsichtlich seiher Struktur kontinuierlich ist.

Der verwendete Ausdruck "hinsichtlich seiner Struktur kontinuierlich" für den entsprechend der Erfindung hergestellten Bereich wird folgendermaßen definiert:

(1) Ein im wesentlichen homogener Bereich oder ein im wesentlichen homogenes Volumen des Metalls, welches das Fusionsprodukt des Metalls des Stückes und des zugegebenen Legierungszusatzmateriales ist.

(2) Ein Metallbereich oder Metallvolumen, welches hinzugefügtes homogenes Metall enthält, wobei zumindest ein Teil des letzteren Metalls mit dem Metall des Metallstückes verschmelzt ist.

Für den Fall, daß das Zusatzmaterial partikelförmig ist, schließt der Ausdruck "hinsichtlich der Struktur kontinuierlich" einen Metallbereich oder ein Metallvolumen aus, welches eine wesentliche Anzahl von diskreten Partikeln von zugefügtem partikelförmigen Material enthält, welches nicht mit dem

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Metall des Stückes verschmelzt ist und eine Legierung bildet.

Weiterhin versteht man unter dem Ausdruck "hinsichtlich der Struktur kontinuierlich" bei der Anwendung auf ein Metall/ welches einem geschmolzenen Metall zugeführt wird, ein Metall, welches bei Raumtemperatur kontinuierlich, selbsttragend und homogen ist, und welches beispielsweise Streifen, Folien, Draht oder Stangenform aufweist.

Die Erfindung wird insbesondere für die Verwendung in Verbindung mit Metallen nützlich, die nicht wärmehärtbar sind. Sie kann jedoch in Verbindung mit wärmehärtbaren Metallen verwendet werden, welche infolge einer Erwärmung oder eines Abkühlens erhärten, welches während der Anwendung der Erfindung auftritt. Im letzteren Fall wird beispielsweise das Metall des Stückes 1 in oder in der Nähe des erwärmten Bereiches gehärtet, was im allgemeinen wünschenswert ist.

Wenn das Metall des Stückes 1 nicht wärmehärtbar ist, beispielsweise Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, werden auf diesem Stück Bereiche verbesserter .Eigenschaften geschaffen, wenn die vorliegende Erfindung angewendet wird. Beispielsweise können mit derartigen Stählen besser tragende Bereiche erzeugt werden, wenn Stahldrähte hohen Kohlenstoffgehaltes oder Wolframpulver als Zusatzmaterial 2 verwendet werden oder durch Schmelzen des Stahls des gewünschten Bereiches in einer Stickstoffatmosphäre, um den Stahl des Bereiches zu nitrieren, welcher, sofern er abgeschreckt wird, in diesem Bereich gehärtet wird.

Bei Stählen niedrigen oder hohen Kohlenstoffgehaltes kann das Zusatzmaterial 2 ein Stahl höheren Kohlenstoffgehaltes, rostfreier Stahl, Legierungsstahl, Aufschweißlegierung, Schnellschneidestahl, Stickstoff enthaltende Salze, Kohlenstoff oder elektrisches Kontaktmaterial sein. Das Schmelzen dieser Stähle kann in einer Atmosphäre eines Legierungszusatzmaterials erfolgen, wie beispielsweise in einer carbonisierten bzw. Kohlen-

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stoff-oder einer Stickstoffatmosphäre.

Metallstücke 1 anderer Materialien als Stahl können ebenso mit Bereichen unterschiedlicher Eigenschaften versehen werden. Wenn beispielsweise das Stück 1 aus Kupfer besteht, kann das Zusatzmaterial 2 Zink sein, um einen Messingbereich zu schaffen. Wenn das Stück 1 aus Beryllium-Kupfer besteht, kann das Zusatzmaterial 2 Silber sein, um Silber an Beryllium-Kupfer durch eine Silberlegierung zu binden, so daß das Silber als elektrischer Kontakt verwendet werden kann. Im weitesten Sinne wird die Erfindung verwendet, einen strukturmäßig kontinuierlichen Metallbereich auf einem Metallstück herzustellen, indem das Metall des Stückes geschmolzen und zu dem geschmolzenen Material ein Zusatzmaterial zugefügt wird, welches mit dem Metall des Stückes verschmelzt und/oder eine Legierung bildet.

In einigen Fällen kann das Zusatzmaterial 2 und/oder das Metall des Stückes 1 rapide bei der Temperatur des geschmolzenen Metalls oxydieren. Wenn dies unerwünscht ist, kann das Schmelzen des Metalles in einer inerten Atmosphäre erfolgen, wie beispielsweise in einer Argon- oder Stickstoffatmosphäre oder in einer Reduktionsatmosphäre, wie beispielsweise einer Wasserstoffatmosphäre, wobei das inerte Gas oder das Reduktionsgas den zu erwärmenden Bereich sowie das zu schmelzende Metall umgibt. Sofern dies gewünscht ist, kann das Zusatzmaterial 2 herkömmliche Fließmaterialien enthalten.

Eine abgeänderte Ausführungsform der in Fig. 1 und 2 dargestellten Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Ausführungsform funktioniert auf dieselbe Weise wie die in Fig. 1 und 2 dargestellte Ausführungsform. Jedoch werden die Funktionen der Abschnitte 3a und 4a und der Kontakte 6 und 7 (Fig. 1) durch ein Paar von geformten Metallblöcken 8 und 9 ersetzt, die beispielsweise aus Kupfer bestehen und die über geeignete Leitungen mit einer Hochfrequenzquelle verbunden sind und auf

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eine herkömmliche Weise wassergekühlt werden.

Diese Blöcke 8 und 9 sind mit Abschnitten 10 und 11 versehen, welche leitend die Oberseite des Stückes 1 berühren. Die Blöcke 8 und 9 haben weitere Abschnitte 12 und 13, welche als Annäherungsleiter wirken. Der Strom wird an den benachbarten Stirnflächen der Blöcke 8 und 9 infolge der Annäherungswirkung konzentriert. Die Abschnitte 12 und 13 verursachen ähnlich wie die Abschnitte 3a und 4a in Fig. 1 eine Konzentrierung des Stromes im Stück 1 auf eine schmale Strekke auf der Oberseite des Stückes 1 und unter dem Legierungszusatzmaterial 2. Um das Zusatzmaterial 2 mit dem Metall des Metallstückes 1 zu verschmelzen, werden die gewünschte Breite, Tiefe und Länge des Bereiches, in dem das verschmelzte Metall erzeugt werden soll, bestimmt. Dann wird die Stromfrequenz ausgewählt, um eine Bezugstiefe vorzusehen, die ein wenig größer ist als die Tiefe des auszuschmelzenden Metalls. Die Kontakte 6 und 7 oder die Kontaktabschnitte 10 und 11 können relativ schmal sein, d.h. beispielsweise 0,635 cm (1/4 inch) bis 1,27 cm (1/2 inch) im Durchmesser oder auf einer Seite. Die Annäherungsleiter 3a und 4a oder 12 und 13 haben eine solche Größe, Form und Länge und einen solchen Abstand relativ zur Oberfläche des Stückes 1, daß die gewünschte Breite und Tiefe des unter dem Zusatzmaterial 2 zu schmelzenden Metalls erzielt wird. Dabei müssen die Annäherungslei-Hunderte von Ampere aufnehmen. Der Abstand zwischen den Annäherungsleitern und der Oberfläche des Stückes 1 kann relativ klein sein und beträgt vorzugsweise ungefähr das Zweifache der Breite des Annäherungsleiters oder weniger. Wenn das Zusatzmaterial 2 in diesem Bereich abgelagert wurde, wird ein Hochfrequenzstrom an die Kontakte und somit die Annäherungsleiter angelegt. Die Größe und die Dauer für die erwünschte Erwärmung des Metalls des Stückes 1 erforderlichen Stromes wird durch Versuche bestimmt. Allgemein gesehen wird die Stromflußdauer relativ kurz sein, beispielsweise weniger als 3 s,

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um eine bezeichnende Erwärmung des Metalls außerhalb des gewünschten Bereiches durch Wärmeübertragung bzw. Wärmeleitung zu vermeiden.

Infolge der Stromverteilung in der unterhalb des Zusatzmaterials 2 liegenden Stromverlaufes, wobei der Strom an der Oberfläche am höchsten ist und mit zunehmender Tiefe rapide abnimmt, wird die Oberflächentemperatur erheblich stärker angehoben als die Temperatur des unter der Oberfläche liegenden Metalls. Wenn darüber hinaus der Strom zuerst in einem magnetischen Material, wie beispielsweise Stahl, fließt, ist die Bezugstiefe klein, wohingegen, wenn die Temperatur über den Curie-Punkt ansteigt, d.h. über eine Temperatur von 1033 ⁰K (1400⁰F) ansteigt, kann die Bezugsgröße um ungefähr das Hundertfache ansteigen. Entsprechend verändert sich der effektive Widerstand und die Heizstromtiefe, wenn die Erwärmung unmittelbar nachfolgt.

Zur Veränderung der Heiztiefe und insofern der Schmelztiefe kann es wünschenswert sein, die Größe des Stromes in der Stromstrecke während des Heizzyklus zu verändern. Beispielsweise kann es wünschenswert sein, zu Beginn des Heizzyklus eine große Strommenge .zu haben und dann den Strom zu· reduzieren, wenn die Metalloberfläche die Schmelztemperatur erreicht, wodurch das Metall unterhalb der Oberfläche durch thermische Leitung und Stromerwärmung geschmolzen wird. Auf ähnliche Weise kann die Erwärmungstiefe auf Schmelztemperatur größer gemacht werden und auch größer als die Bezugstiefe, indem die Länge des Heizzyklus vergrößert und die Größe des Stroms bzw. die Stromstärke verändert wird, um die gewünschte Temperaturverteilung zu erzeugen. So kann die Größe des Stroms zu Beginn oder am Ende des Heizzyklus am größten oder auf andere Weise verändert werden, um die gewünschte Temperaturverteilung in der Stromstrecke unterhalb des Zusatzmaterials 2 zu erzeugen. Dabei muß jedoch be-

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rücksichtigt sein, daß für die Selbstabschreckung des verschmelzten Metalls des Stückes 1 die Erwärmung sehr plötzlich erfogen muß, damit das Abkühlen ebenso plötzlich vonstatten geht und um zu vermeiden, daß das Metall über die gewünschte Tiefe geschmolzen wird oder daß Metall geschmolzen wird, welches nicht unterhalb des Zusatzmaterials 2 liegt. Dies bedeutet, daß die Erwärmung sehr schnell erfolgen muß.

Fig. 4 verdeutlicht die Verwendung der Erfindung zur Herstellung einer Linie oder von Linien einer Metallegierung auf der Oberfläche eines Metallstückes 1. In Fig. 4 erstreckt sich ein Annäherungsleiter 14 über das Zusatzmaterial 2, dort wo das Metall geschmolzen werden soll und ist mit seinen Enden an einen Kontakt 15 angeschlossen, welcher an einer Seite 16 des Stückes 1 anliegt. Ein anderer Kontakt 17 berührt die gegenüberliegende Seite 18 des Stückes 1 und ist über eine Leitung 19 mit der Hochfrequenz-Stromquelle verbunden. Der Abstand zwischen dem Leiter 14 und der Oberseite des Stückes 1 kann beispielsweise von 0,1587 cm (1/16 inch) bis 0,4763 cm (3/16 inch) betragen. Wenn über den Annäherungsleiter 14, die Leitung 19 und die Kontakte 15 und 17 an das Stück 1 ein Strom angelegt wird, wird das sich unterhalb des Zusatzmaterials 2 befindende Metall auf seine Schmelztemperatur erwärmt.

Nachdem jede geschmolzene und gekühlte Linie der Metallegierung erzeugt wurde, kann das Stück 1 relativ zu den Kontakten 15 und 17 in Richtung des Pfeiles 20 weiter bewegt werden, um eine Reihe von im Abstand angeordneten Metallegierungslinien zu schaffen, welche durch die Schattenbereiche und 22 in Fig. 4 verdeutlicht sind.

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Wegen der Verwendung des Annäherungsleiters muß die Schmelzlinie und die Verschmelzlinie nicht gerade oder kontinuierlich sein. Beispielsweise kann entsprechend der Darstellung in Fig. 5 eine Wellenlinie 23 erzeugt werden, wobei der Näherungsleiter 14a eine entsprechend gekrümmte Form hat. Wegen der Annäherungswirkung konzentriert sich der Strom unterhalb des Näherungsleiters 14a und sein Verlauf entspricht der Form des Leiters 14a.

Auf gleiche Weise kann durch Veränderung der Breite des Annäherungsleiters oder des Abstandes zur Oberfläche des Stückes 1 die Stromkonzentration und die Erwärmung unterhalb des Näherungsleiters verändert werden, um beabstandete geschmolzene Metallbereiche zu schaffen. Fig. 6 verdeutlicht einen solchen Näherungsschalter 14b mit veränderlicher Breite. Fig. 7 zeigt die Metallmustersegmente 24 des verschmelzten Metalls. Das Schmelzen tritt unterhalb den schmäleren Abschnitten 25 des Näherungsleiters 14b auf, und zwar wegen der größeren Stromkonzentration.

Segmente aus verschmelztem Metall ähnlich dem Muster 24 in Fig. 7 kann durch die Verwendung des in Fig. 8 dargestellten Näherungsleiters 14c erzielt werden, welcher über seine Länge unterschiedlich weit von der Oberseite des Stückes beabstandet ist. Der Strom wird stärker unter den Abschnitten des Leiters 14c konzentriert, welche näher an der Oberfläche des Metallstückes 1 liegen.

Ein alternatives Verfahren zur Herstellung des in Fig. 7 dargestellten Musters liegt in der Verwendung des Gerätes entsprechend Fig. 4, wobei jedoch Metallbereiche geschaffen werden, die eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, welche bezeichnend höher ist als die elektrische Leitfähigkeit des Metallstückes 1, wo ein Schmelzen nicht erwünscht ist.

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Wenn beispielsweise das Metall des Stückes 1 Stahl ist, kann eine Linie einer Kupferplattierung vorgesehen werden, wo der Stromverlauf sein soll. Den Segmenten 24 entsprechende Abschnitte werden vor dem Aufbringen des Stromes entlang der ansonsten mit dem Zusatzmaterial belegten Strecke des Stückes 1 weggeschliffen. Auf diese Weise ist wegen des geringeren Verlustes an Kupfer die Erwärmung zwischen den Segmenten gering. Natürlich kann das Kupfer nur dann durch bekannte Techniken auf das Stück 1 aufgebracht werden, wenn eine geringe Erwärmung erwünscht ist, anstatt eine kontinuierliche Kupferlinie aufzubringen und dann die Abschnitte entsprechend den Segmenten 24 wegzuschleifen.

Wenn es gewünscht wird, eine im wesentlichen kontinuierliche Schicht einer Metallegierung herzustellen, die breiter ist als die Linien 21 und 22 in Fig. 4, kann das Stück 1 kontinuierlich oder stufenweise in kleinen Abschnitten in Richtung parallel zur Oberfläche des zu behandelnden Stückes 1 und senkrecht zur Länge des Stromverlaufes entsprechend der Darstellung in Fig. 9 bewegt werden. Entsprechend der Darstellung in Fig. 9 kann das Stück 1 in Richtung des Pfeiles 26 bewegt werden, um einen relativ großen Bereich 27 eines geschmolzenen und dann gekühlten, mit dem Zusatzmaterial 2 legierten Metalls an der Oberfläche des Stückes 1 herzustellen.

Wegen der Größe bzw. der Stärke des bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Strome wird das zu behandelnde Metall relativ großen Magnetfeldern ausgesetzt, die bestrebt sind, das geschmolzene Metall zu versetzen, was insbesondere bei der Verwendung von Nichteisenmetallen der Fall ist. Die magnetischen Felder können eine ausreichende Stärke haben, um das geschmolzene Metall aus der normalen Lage weg zu "blasen". Um eine derartige Beseitigung des geschmolzenen Metalls zu vermeiden und/oder das Legierungs-

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zusatzmaterial 2 am Ort zu halten, während das darunter befindliche Metall geschmolzen wird, kann der zu erwärmende Bereich durch eine Stange oder eine Platte 28 höheren Temperaturwiderständes aus isolierendem Material, wie beispielsweise Silikonnitrid entsprechend der Darstellung in Fig. 10 abgedeckt werden. Wenn das Metall schmilzt oder nachdem das Metall geschmolzen ist, kann die Platte 28 nach unten gedrückt werden, um das Legierungszusatzmaterial 2 in das geschmolzene Metall zu drücken. Wenn das Legierungszusatzmaterial partikelförmig ist, wird auf die Partikel ein Druck ausgeübt, welcher geringer ist als der elektrische Widerstand desselben. Wenn der Druck während der Stromfließzeit aufgebracht wird, fließt mehr Strom durch die Partikel, so daß die Erwärmung derselben verstärkt wird.

Auf gleiche Weise können Dämmplatten 29 und 30 hohen Temperaturwider Standes aus isolierendem Material gegen die Seiten des Stückes 1 gehalten werden, wie dies in Fig. 11 dargestellt ist, um das geschmolzene Metall am Ort zu halten, wenn die Linie oder der Bereich geschmolzenen Metalls von einer Seite zur anderen Seite des Stückes verläuft, so daß das geschmolzene Metall an den Enden der Linie austropfen oder sich verwerfen kann. Natürlich können derartige Dämmplatten 29 und 30 zusammen mit einer Platte 28 verwendet werden oder als Verlängerungen einer solchen Platte ausgebildet sein.

Obwohl das geschmolzene Metall sich nur abkühlen kann, nachdem es mit dem Zusatzmaterial 2 verschmelzt ist, kann das Abkühlen dadurch unterstützt werden, daß ein Kühlgas oder eine Kühlflüssigkeit auf das erwärmte Metall aufgegeben oder aber in der Nähe des erwärmten Metalls geführt wird. Sofern dies erwünscht wird, kann das Abkühlen durch Abschrecken des Metallstückes vor der Aufbringung des erwärmenden Stromes

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beschleunigt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Gerätes zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ist in Fig. 12 dargestellt. Solch ein Gerät gleicht dem in Fig. 4-11 dargestellten Gerätes. Ein Metallstück 1, beispielsweise aus Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, wird an beiden Seiten durch Kontakte 15a und 17 berührt, an die über den Näherungsleiter 14 und die Leiter 19 ein hochfrequenter Strom angelegt wird. Ein strukturmäßig kontinuierlicher Draht 2a wird durch ein im Kontakt 15a befindliches Loch so zugeführt, daß er auf der Oberseite des Stückes 1 unmittelbar unterhalb des Näherungsleiters 14 liegt und vom Kontakt 15a zum dem Kontakt 17 benachbarten Rand des Stückes 1 verläuft. Der Draht 2a kann beispielsweise ein Draht aus Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt sein, welcher einen Durchmesser von 0,0508 cm (0,020 inch) aufweist. Der Strom wird solange an die Kontakte 15a und 17 angelegt, bis der Draht 2a und das darunter liegende Metall des Stückes 1 geschmolzen und miteinander verschmelzt sind. Die Stromstärke beträgt ungefähr einige hundert Ampere und die Dauer des Stromflusses beträgt typischerweise von 0,1 bis 1 s.

Mit dem Gerät und der Anordnung gemäß Fig. 12 wurde mit Ausnahme dessen ein Versuch durchgeführt, daß der Draht 2a nicht durch ein Loch im Kontakt 15a verlief, allerdings von einem isolierenden Band am Ort gehalten wurde. Eine dünne Glimmerscheibe wurde auf dem isolierenden Band zwischen dem Band und dem Näherungsleiter 14 gelegt. Die Versüchsbedingungen waren wie folgt:

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Stück 1

Draht 2a

Leiter 14

Kontakte 15a und 17

Strom

Stromdauer

Stange aus warmgewalztem Stahl, welcher einiae 2,54 cm lang und

3,81 cm (1 - 1/2 inch) im Quadrat ist; der Stahl hat nahezu 0,18 % Kohlenstoff und eine Härte von weniger als Rockwell C 20

3,81 cm (1-1/2 inch) langer Klavierdraht (nahezu 0,6 % Kohlenstoff) wird auf eine Endoberfläche der Stange nahezu in der Mitte zwischen einem Paar von Stangenseitenoberflächen gelegt

0,3175 cm (1/8 inch) Kupferdraht, welcher oberhalb des Drahtes 2a liegt und von der Oberfläche des Stückes 1 um 0,2032 cm (0,08 inch) entfernt liegt.

Ein Kontakt berührt eine Seitenfläche der Stange an einem Ende des Drahtes 2a und der andere Kontakt berührt die gegenüberliegende Seitenfläche der Stange an dem anderen Ende des Drahtes 2a

Ausgang eines 160 kw-Generators bei 450 kHz

0,5 s.

Der Draht 2a und die Oberfläche des Stückes 1 unterhalb des Drahtes 2a wurden geschmolzen, so daß das geschmolzene Metall ineinander verfloß. Nach dem Abkühlen erstreckte sich quer über die Endfläche der Stange eine leicht erhabene, unebene Metallinie, welche ungefähr 0,15875 cm (1/16 inch) breit war. Die Metallinie wurde leicht angeschliffen, um sie abzuflachen. Die Rockwell C-Messungen der flachen Oberfläche der Metallinie ergab folgende Resultate:

Rockwell C Härte in der Nähe eines Ende Rockwell C Härte in der Nähe der Mitte

Rockwell C Härte in der Nähe des gegenüberliegenden Endes 64,5 65

61

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Eine Untersuchung und überprüfung des Querschnitts der Metalllinie mit einem Mikroskop zeigte, daß das Metall hinsichtlich seiner Struktur kontinuierlich war. Fig. 13 zeigt nahezu einen vergrößerten Querschnitt der Metallinie 32 vor dem Anschleifen. - .

Ein ähnlicher Versuch ohne den Draht 2a und demselben Stück 1 ergab eine Rockwell C Härte an den jeweiligen vorgenannten Punkten folgender Werte: 28,5, 41,5 und 33.

Sofern dies gewünscht wird, kann der Draht 2a bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch ein Paar von Drähten 2b und 2c derselben oder unterschiedlichen Zusammensetzung entsprechend der Darstellung in Fig. 14 ersetzt werden. Die Drähte 2b und 2c können parallel zueinander oder aber miteinander verdrillt sein. Wenn beispielsweise das Stück 1 aus einem AISI C - 1010 Stahl besteht, der Draht 2b aus AISI C - 1080 Stahl und der Draht 2c aus Nickel besteht, wird eine Linie 32 aus einer Nickel-Stahl-Legierung gemäß dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugt.

Anstatt eines Paares von Drähten 2b und 2c kann ein Einzeldraht 2d mit einem Kern 33 und einer Außenschicht 34 (Fig.15) verwendet werden, wobei der Kern 33 und die Außenschicht 34 aus unterschiedlichen Metallen bestehen. Der Kern 33 kann beispielsweise aus Stahl mit einer plattierten Nickelschicht 34 bestehen.

Alternativ kann eine Linie aus pulvrigem Material 2e (Fig. 16) verwendet werden, weiche auf der Oberfläche des Stückes 1 gelegt wird, wobei das Material 2c ein Ersatz für die Drähte 2a bis 2d ist. Das Material 2e kann beispielsweise aus Metalloder Metallegierungspartikeln bestehen, pulvriger Kohlenstoff oder Stickstoff enthaltende Salze oder eine Mischung dieser Materialien, welche, wenn sie dem geschmolzenen Metall des Stückes 1 zugegeben werden, nach dem Abkühlen eine Linie aus

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sturkturmäßig kontinuierlichem Metall ergibt, dessen Eigenschaften vom Metall des Stückes 1 unterschiedlich sind. Wenn es gewünscht wird oder notwendig ist, so kann das pulvrige Material 2e durch eine Stange, wie beispielsweise die Stange 28 in Fig. 10 in das geschmolzene Metall des Stückes 1 eingepreßt werden.

Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform wird der Strom mittels eines Paares von Kontakten und einem Annäherungsleiter zum Metall des zu erwärmenden Stückes 1 und zum Zusatzmaterial 2 geleitet. Wie bereits zuvor erwähnt wurde, kann der wärmende Strom mittels einer Induktionsspule zum Metallstück 1 und zum Zusatzmaterial 2 geleitet werden. In diesem Falle ist der Bereich, in dem das modifizierte Metall hergestellt werden soll, ringförmig. In dieser Verbindung sollte festgehalten werden, daß der im Stück 1 induzierte Strom einen geschlossenen Verlauf nehmen muß und darunter ist zu verstehen, daß, wenn der Strom eine ausreichende Größe oder Stärke und Dauer hat, um das Metall zum Schmelzen zu bringen, das Metall über die gesamte Strecke geschmolzen wird, ohne daß die Spule an den Punkten vergrößert wird, wo kein Schmelzen erwünscht ist oder der Abstand zwischen der Spule und dem benachbarten Stück 1 an diesen Punkten vergrößert ist.

Fig. 17 illustriert die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Schaffung einer Linie modifizierten Metalls auf der Oberfläche eines Ventilsitzes 35 unter Verwendung einer Induktionsspule 36. Ein Draht 2a wird gegen die Oberfläche 35 des Ventilsitzes mittels eines ringförmigen Halters 37 hohen TemperaturwiderStandes aus isolierendem Material, wie beispielsweise Silikonnitrid gehalten. Der wärmende Strom wird in der Oberfläche 35 und im Draht 2a mittels der Induktionsspule 36 induziert, welche an einer

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Hochfrequenzquelle angeschlossen ist. Der Strom erwärmt einen beschränkten Bereich der Oberfläche 35 und den Draht 2a auf ihre Schmelztemperaturen, wodurch auf der Oberfläche 35 in der im Zusammenhang mit den vorgenannten Ausführungsbeispielen genannten Weise eine Linie von modifiziertem Metall erzeugt wird.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 18 kann eine Induktionsspule 36 in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, um an der stirnseitigen Endfläche eines Rohrstücks 1 ein modifiziertes Metall zu schaffen. Das Stück 1 kann beispielsweise eine Hohlsäge sein. Dabei, ist es erwünscht, an dem Ende ein unterschiedliches Metall vorzusehen, v/o die Zähne der Säge ausgebildet werden sollen. An dieser Endfläche des Stücks 1 wird ein Drahtring 2a aufgelegt und in der Endfläche des Stückes 1 und im Draht 2a mittels der an einer Hochfrequenzquelle angeschlossenen Induktionsspule einen wärmenden Strom zu erzeugen. Die Endfläche des Stücks 1 und der Draht 2a werden geschmolzen und bilden so eine Legierung aus dem Metall des Stückes 1 und dem Metall des Drahtes 2a an der Endfläche des Stückes

Wenn es notwendig ist, den Draht 2a an der Endfläche des Stückes 1 festzuhalten oder wenn das Zusatzmaterial 2 ein pulvriges Material ist, so kann der Draht 2a und das pulvrige Material 2 an der Endfläche mittels eines ringförmigen Halters 38 aus hochtemperaturwiderstandsfähigem, isolierendem Material, wie beispielsweise Silikonnitrid, entsprechend der Darstellung in Fig. 19 am Ort gehalten werden.

Fig. 20 zeigt die Verwendung einer Induktionsspule 36 zur Herstellung einer ringförmigen-Linie modifizierten Metalls an der Oberfläche eines Metallstücks innerhalb seiner Ränder. Die Verwendung des in Fig. 20 dargestellten Gerätes entspricht der Verwendung der zuvor in Verbindung mit Fig. 17

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und 18 beschriebenen Geräte, wobei die modifizierte, ringförmige Metallinie durch Erwärmen des Zusatzmaterials 2 und des Metalls an der Oberfläche des Stückes 1 auf die Schmelztemperatur erzeugt wird, wodurch diese beiden Materialien sich vermischen und verschmelzen.

Fig. 21 illustriert eine weitere Verwendungsmöglichkeit einer Induktionsspule 36 zur Herstellung einer über den Umfang verlaufenden Metallinie an der Außenoberfläche eines zylindrischen Metallstückes 1. In Fig. 21 wird ein Metalldraht 2a um das zylindrische Stück 1 so angeordnet, daß es die Oberfläche des Stücks 1 umgreift und am Ort bleibt. Die Induktionsspule 36, welche mit einer Hochfrequenzquelle verbunden ist, ist radial außerhalb des Drahtes 2a angeordnet. Der Strom wird der Induktionsspule 36 solange zugeführt, bis das Metall an der Oberfläche des Stückes 1 und der Draht 2a schmilzen und sich daraufhin verschmelzen und vermischen. Nach dem Abkühlen wird das Metallstück 1 mit einer Umfangslinie modifizierten Metalls versehen sein, wo das Schmelzen und Verschmelzen stattgefunden hat. Sofern dies notwendig ist, kann der Draht 2a und das geschmolzene Metall mittels eines Halters der zuvor beschriebenen Art am Ort gehalten werden.

Bei den in Fig. 17 bis 20 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der ringförmige Bereich oder die ringförmige Linie modifizierten Metalls kreisförmig. Allerdings kann diese Ringlinie auch eine andere Form haben, beispielsweise eine ovale, quadratische, rechteckige, sinusförmige Form. Der Abschnitt der Induktionsspule 36, welcher dem Bereich am nächsten ist, hat eine entsprechende Form. Der Begriff "ringförmig" schließt nicht nur die Kreisform sondern auch die übrigen genannten Formen mit ein.

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Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Länge der Linie modifizierten Metalls im wesentlichen auf den Abstand zwischen den Kontakten oder auf die Länge der Induktionsspule begrenzt, wobei der Leiter dem zu behandelnden Bereich überliegt. Es ist jedoch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend zu verwenden, eine Linie modifizierten Metalls unbestimmter Länge herzustellen, d.h. eine Länge, die um ein Vielfaches langer ist als der Abstand zwischen den stromführenden Kontakten, indem das Metallstück während der Erwärmung des Metalls und des Zusatzmaterials relativ zu den Kontakten bewegt wird, und dabei das Zusatzmaterial kontinuierlich dem zu behandelnden Bereich zugeführt wird.

Fig. 22 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der wärmende Strom und das Zusatzmaterial dem Mstallstück zugeführt werden, während es relativ zu den Kontakten bewegt wird, wodurch eine relativ lange Linie behandelten oder modifizierten Metalls an der Oberfläche eines Metallstücks erzeugt wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 22 wird über eine Leitung 19 einem Kontakt 15b ein Hochfrequenzstrom zugeführt. Der Kontakt 15b berührt die Oberseite des Metallstückes 1. Ein Hochfrequenzstrom wird ebenfalls über einen Näherungsleiter 14 einem Kontakt 17a zugeführt, wobei der Kontakt 17a die Oberseite des Metalls berührt und in der der Oberseite des Stückes zugewandten Seite eine Nut 39 aufweist, deren Zweck nachfolgend beschrieben wird.

Ein Metalldraht 2a wird durch ein Führungsrohr 40 und ein im Kontakt 15b befindliches Loch zur Oberseite des Stückes 1 in den Bereich unterhalb des Näherungsleiters 14 zugeführt. Das Führungsrohr 40 besteht vorzugsweise aus einem isolierenden Material.

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Das Stück 1 wird kontinuierlich in Richtung des Pfeiles 41 bewegt, wenn wärmender Strom den Kontakten 15b und 17a zugeführt wird. Der Draht 2a wird kontinuierlich und mit nahezu derselben Lineargeschwindigkeit wie die Lineargeschwindigkeit des Stückes 1 der Oberseite des Metallstückes 1 zugeführt. Während der Bewegung des Teils 1 in Richtung des Pfeiles 41 werden sowohl der Abschnitt der Oberseite unterhalb des Näherungsleiters 14 und der Abschnitt, des Drahtes 2a unterhalb des Näherungsleiters 14 durch den wärmenden Strom erwärmt. Das Bewegungsmaß des Stückes 1 und die Größe bzw. Stärke des Hochfrequenzstromes werden so eingestellt, daß kurz vor dem Kontakt 17a sowohl die Oberseite des Metallstückes 1 als auch der Draht 2a unterhalb des Leiters 14 geschmolzen, verschmelzt und gemischt werden. Das geschmolzene Metall gelangt durch die Nut 39 an der Unterseite des Kontaktes 17a und kühlt sich ab, wenn es an der stromabwärts liegenden Seite des Kontaktes 17a verbleibt. Wenn so das Stück 1 in Richtung des Pfeiles 41 bewegt wird, wird der Oberflächenbereich des Stückes 1 kontinuierlich geschmolzen und mit geschmolzenem Metall des Drahtes 2a verschmelzt. Nachdem das Material sich am oder stromabwärts des Kontaktes 17a abgekühlt hat, dann liegt eine Linie aus strukturmäßig kontinuierlichem Metall an der Oberfläche des Stückes 1 vor, welches zumindest teilweise eine Legierung des Metalls des Stückes 1 und des Metalls des Drahtes 2a ist.

Wenn der Draht 2a und die benachbarte Oberfläche des Metallstückes 1 nur geschmolzen und dann abgekühlt wird, so weist die Linie modifizierten Metalls gewöhniicherweise eine ziemlich unebene Oberfläche auf. Zum Glätten der Metallinie kann der Ausführungsform gemäß Fig. 22 eine in Fig. 23 dargestellte Walze hinzugefügt werden. Das Stück 1 wird durch eine untere Walze 43 abgestützt. Die obere Walze 42 berührt

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und glättet das geschmolzene oder heiße Metall, wenn es sich stromabwärts des Kontaktes 17a bewegt.

Wenn es erwünscht ist oder wenn es notwendig ist, kann der Draht 2a auch entsprechend der Darstellung in Fig. 23 durch einen Halter 44 begrenzt werden. Dieser Halter ist auch in Fig. 24 dargestellt. Der Halter 44 besteht aus hochtemperaturfestern isolierendem Material, wie beispielsweise Siliciumnitrid.

Es wird beobachtet, daß der Draht 2a im Vergleich zur thermischen Masse des Stückes 1 eine relativ kleine thermische Masse aufweist. Daher schmilzt in Abhängigkeit von den natürlichen Verhältnissen des Materials des Drahtes 2a dieser, bevor der entsprechende Abschnitt der Oberfläche des Stückes 1, mit dem eine Verschmelzung stattfinden soll, schmilzt. Entsprechend kann es wünschenswert sein, den Draht 2a entsprechend der Darstellung in Fig. 25 der Oberfläche des Stückes 1 zuzuführen. Gemäß Fig. 25 wird der Draht 2a durch ein Führungsrohr 40a zur Oberfläche des Stückes 1 an einem Punkt gefördert, welcher ungefähr in der Mitte zwischen den Kontakten 15b und 17a liegt, so daß der Abschnitt der Oberseite des Stückes 1 durch den wärmenden Strom vor der Zeit vorgeheizt wird, zu der der Draht 2a das Stück 1 berührt. Der Draht 2a wird nicht vor der Zeit erwärmt, zu der er die Oberseite des Stückes 1 berührt. Andererseits ist der Funktionsablauf des Gerätes gemäß Fig. 25 derselben wie bei den in Fig. 22 bis 24 dargestellten Geräten.

Bei den Ausführungsformen in Fig. 22 - 25 wird ein Draht 2a zur Oberfläche des Metallstücke.s gefördert. Wenn es gewünscht wird, kann das Material 2 in Partikelform der Oberfläche des Metallstückes 1 zugeführt werden, indem im wesentlichen dasselbe Gerät verwendet wird, wie es in Fig. 22 - 25 dargestellt ist. Entsprechend der Darstellung in Fig. 26 wird das partikelförmige Material durch ein Führungsrohr 45 zur Ober-·

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fläche des Stückes 1 kurz vor dem Kontakt 17a zugeführt. Der Abstand zwischen dem unteren Ende des Führungsrohres 45 und dem Kontakt 17a hängt von der Natur des partikelförmigen Materials und der Größe oder Stärke des wärmenden Stromes ab. Die Bedingungen sind so gewählt, daß sowohl das partikelförmige Material 2 als auch der Abschnitt der Oberseite des Metallstückes 1, mit dem das partikelförmige Material verschmelzt werden soll, während der Zeit geschmolzen werden, in der sie unter dem Kontakt 17a durchlaufen. Nachdem das verschmolzene Metall stromabwärts des Kontaktes 17a läuft, kann es geglättet werden und das Metall des Materials 2 und des Stückes 1 kann durch eine Rolle 42 zusammengepreßt werden. Das Stück 1 kann durch eine Rolle 43 entsprechend der Beschreibung in Verbindung mit Fig. 23 abgestützt werden.

Fig. 27 illustriert die Anwendung der im Zusammenhang mit Fig. 22 - 26 beschriebenen Prinzipien auf die Herstellung einer Schicht modifizierten oder legierten Metalls an der Kante eines Metallstücks 1 in Streifenform. Das Metallstück 1 kann beispielsweise ein Sägeblatt sein. Die Schicht modifizierten Metalls an der Kante des Streifens kann für die Ausbildung von Sägezähnen wünschenswert sein. Der Funktionsablauf des in Fig. 27 dargestellten Gerätes entspricht dem Funktionsablauf des in Fig.22 dargestellten Gerätes. Sofern dies erwünscht oder notwendig ist, kann der Draht 2 durch eine in Fig. 28 dargestellte Führung 46 am Ort gehalten werden. Die Führung 46 besteht dabei aus hochtemperaturfestern, isolierendem Material, wie Siliciumnitrid.

Sofern es erwünscht wird, auf der Oberfläche eines zylindrischen Metallstückes eine Schicht modifizierten Metalls aufzubringen, d.h. beispielsweise auf einer Welle oder Walze eine harte Oberflächenschicht aufzubringen, wird die Anordnung gemäß Fig. 29 verwendet. Die in Fig. 29 dargestell-

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te Anordnung stellt tatsächlich eine modifizierte Form des in Fig. 22 dargestellten Gerätes dar. Der Draht 2a wird über ein Führungsrohr durch ein im Kontakt 15b befindliches Loch zur Umfangsflache des zylindrischen Metallstückes 1 zugeführt. Wenn ein hochfrequenter Strom den Kontakten 15b und 17c zugeführt wird, wird das Metallstück 1 um seine Achse in Richtung des Pfeiles 47 gedreht. Der Kontakt 17c ist an seiner Unterseite "L"-förmig, damit das geschmolzene Metall darunter hindurchlaufen kann. Das Metallstück 1 und der Draht 2a bilden eine verschmelzte oder geschmolzene Mischung vor dem Kontakt 17a. Danach kühlt sich die Mischung ab, um eine strukturmäßig kontinuierliche Metallschicht 48 auf dem Stück 1 zu bilden. Diese Schicht 48 besteht aus dem Metall des Drahtes 2a und dem Metall des Stückes 1. Der Draht 2a kann zuvor modifiziertes Metall entsprechend der Darstellung in Fig. 29 überlappen oder Seite an Seite dieses berühren. Der Draht 2a kann aber auch im Abstand davon angeordnet sein, um eine spiralförmige Linie modifizierten Metalls auf der Oberfläche des Metallstücks 1 vorzusehen. Der Kontakt 15b kann entsprechend dem Kontakt 17c geformt sein, damit der Draht 2a am zuvor ausgebildeten modifizierten Metall anliegen kann, aber erlaubt, daß der Kontakt 15b das kühlere Metall an der Oberfläche des Stückes 1 berührt. Der Draht 2a kann mittels einer Silicium-Nitrid-Führung unterhalb des Leiters 14 geführt sein.

Eine Oberfläche einer Metallstange kann auf ähnliche Weise mit einer Schicht modifizierten Metalls entsprechend der Anordnung in Fig. 30 und 31 versehen werden. Die Seitenflächen eines Metallstückes 1 in Form einer Stange stehen mit Kontakten 15d und 17d in Berührung, welche vorzugsweise die im Zusammenhang mit Fig. 35 beschriebene Form haben. Ein Heizstrom wird über einen Näherungsleiter an den Kontakt 15d angelegt. Der Kontakt 17d ist über die

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Leitung 19 mil der Hochfrequenzquelle verbunden.

Ein Fülltrichter 49 befindet sich in der Nähe des Näherungsleiters 14. In den Fülltrichter 49 wird pulvriges Zusatzmaterial 2 eingegeben. Wenn die Oberseite des Stückes 1 mittels des Hochfrequenzstromes auf den Schmelzpunkt oder höher erwärmt wird, wird das Stück 1 in Richtung des Pfeiles 50 bewegt und pulvriges Zusatzmaterial fließt auf das geschmolzene Metall des Stückes 1. Das pulvrige Zusatzmaterial 2 verschmelzt mit dem geschmolzenen Metall und bildet so eine Schicht 51 aus strukturmäßig kontinuierlichem, verschmelztem Metall. Die Dicke der Schicht 51 kann durch die Höhe des unteren Endes des Fülltrichters 49 oberhalb der Oberseite des Stückes 1 und durch die Bewegungsgeschwindigkeit des Stückes 1 gesteuert werden.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 30 und 31 befindet sich der Fülltrichter 49 stromabwärts des Näherungsleiters 14. Sofern dies jedoch erwünscht ist, kann der Fülltrichter auch an der stromaufwärts liegenden Seite des Näherungsleiters 14 angeordnet werden.

Im Zusammenhang mit dem in Fig. 30 und 31 dargestellten Gerät wird beobachtet, daß die Kontakte 15d und 17d in unmittelbarer Nähe des geschmolzenen Metalls liegen und insofern sehr heiß werden. Es ist daher wünschenswert, diese ein wenig stromaufwärts des Näherungsleiters 14 zu verschieben (Fig. 32), so daß die Kontakte 15d und 17d das kühlere Metall berühren. Der Hauptstromverlauf, welcher durch die unterbrochene Linie 52 in Fig. 32 angedeutet ist, wird leicht stromaufwärts des Näherungsleiters 14 in die unmittelbare Nähe der Kontakte 15d und 17d verschoben und befindet sich im wesentlichen unterhalb des Näherungsleiters 14 innerhalb der Seitenflächen des Metallstücks 1.

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Weil jedoch das Metall des Stücks 1 in der Nähe der Seitenflächen schneller erwärmt wird als. das weiter innen liegende Metall, weil solches Metall in der Nachbarschaft der Seitenflächen liegt, wird das an den Seitenflächen liegende Metall trotz der Verschiebung der Kontakte und des verschobenen Stromverlaufs im wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt die Schmelztemperatur erreichen wie das weiter innen liegende Metall.

Obwohl Fig. 30 und 31 die Herstellung einer Schicht modifizierten Metalls auf einer flachen Oberfläche illustriert, ist es verständlich, daß das Gerät ebenso dazu verwendet werden kann, eine ähnliche Schicht auf eine periphere Oberfläche eines Zylinders aufzubringen, wobei die Drehung des Zylinders der Bewegung der Stange entspricht. Der Fülltrichter 49 und der Näherungsleiter 14 verlaufen parallel zur Achse des Zylinders.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Erzeilung einer relativen langen Linie modifizierten Metalls ist in Fig. 33 dargestellt. In dieser Figur wird ein Metallstück 1 in Form einer Stange mit einer Nut 53 an seiner Oberseite mit pulvrigem Zusatzmaterial 2 gefüllt, und zwar entweder vor oder während des Erwärmens. Über die Leiter 3 und 4 wird den Kontakten 6 und 7 Strom zugeführt. Wenn das Metall an der Fläche der Nut 53 und das Zusatzmaterial 2 zwischen den Kontakten 6 und 7 geschmolzen wird, wird das Stück 1 in Richtung des Pfeiles 54 in einem Maße bewegt, daß in der Nut 53 ein strukturmäßig kontinuierlicher Oberflächenbereich aus verschmelztem Metall des Stückes 1 und dem Zusatzmaterial 2 geschaffen wird. Sofern dies erwünscht ist oder als notwendig befunden wird, kann das Zusatzmaterial 2 mittels eines verjüngten Streichbrettes aus Silikonnitrid in das geschmolzene Metall eingepreßt werden, wobei dieses Streich-

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brett zumindest teilweise in die Nut 53 eingreift und in der Nähe und stromabwärts der Kontakte 6 und 7 angeordnet ist.

Die erfindungsgemäßen Prinzipien können für die Erzeugung von Linien modifizierten Metalls verwendet werden, die entweder geradlinig oder spiralförmig sind oder eine andere Form aufweisen und auf der Innenfläche eines hohlzylindrischen Stückes aufgebracht werden. Beispielsweise sind aus verschiedenen Gründen Verbrennungsmotorblöcke aus Aluminium erwünscht. Aluminium und Aluminiumlegierungen haben jedoch selbst nicht die gewünschten Trag- und Widerstandseigenschaften, wenn solch ein Aluminium oder solche Aluminiumlegierungen die Zylinderwandung bilden, in der der Kolben gleitet. Daher ist es wünschenswert, das Verschleißverhalten der Zylinderwände zu verbessern. Eine Verbesserung kann dadurch erreicht werden, daß auf diesen Zylinderwänden ein Metall aufgebracht wird, welches bessere Abnutzungseigenschaften hat, d.h. Abnutzungen besser widersteht als das Aluminium oder die Aluminiumlegierung .

Entsprechend der Darstellung in Fig. 34 ist ein Metallstück 1 in Form eines Rohres oder eines Hohlzylinders an seinen Endflächen mit Kontakten 15a und 17 versehen. Dem Kontakt 15a wird über den Näherungsleiter 14 ein Hochfrequenzstrom zugeführt. Dieser Strom wird dem Kontakt über den Leiter 19 zugeführt. Eine Linie von Zusatzmaterial, welches beispielsweise aus Silicium in Pulverform oder Drahtform besteht, kann auf der Innenfläche des Stückes 1 unterhalb des Näherungsleiters 14 abgelagert werden. Die Innenfläche des Stückes 1 unterhalb des Näherungsleiters 14 kann über eine geringe Tiefe geschmolzen werden. Ebenso kann das Zusatzmaterial 2 auf die zuvor beschriebene Weise geschmolzen werden, um so eine Linie von strukturmäßig kontinuier-

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lichem, verschmelztem Metall an der Innenfläche des Stückes 1 zu schaffen. Nachdem der Heizström unterbrochen wurde, kann das Stück 1 um den gewünschten Betrag verdreht werden. Sodann kann das Verfahren zur Erzeugung einer zweiten Linie modifizierten, strukturmäßig kontinuierlichen Metalls auf der Innenfläche des Stückes 1 wiederholt werden. Das Verfahren kann entsprechend einer solchen Zahl wiederholt werden, die die Zahl der Linien modifizierten Metalls entspricht, die auf der Innenfläche des Stückes 1 aufgebracht werden sollen.

Für das Zusatzmaterial 2 können natürlich zur Schaffung von Linien modifizierten Metalls eine Vielzahl von Materialien verwendet werden. Natürlich müssen die Linien nicht geradlinig sein. Die Linie modifizierten Metalls kann sinusförmig, schraubenförmig, spiralförmig usw. sein.

Es wurde herausgefunden, daß, wenn die Kontakte an den Rändern der Metallstücke angeordnet sind, wie beispielsweise bei den in Fig. 4 bis 12, 30, 32 und 34 dargestellten Ausführungsformen, das an den Kanten befindliche Metall schmilzt und sich von den Kanten weg bewegt. Außerdem besteht die Möglichkeit, daß an diesen Rändern oder Kanten infolge der Lage der Ränder und infolge der Tatsache, daß diese Ränder nur teilweise von kühlerem Metall umgeben sind, vorzeitig schmilzt. Das Abfließen des Metalls kann durch die Verwendung von Dämmplatten 29 und 30, wie sie in Verbindung mit Fig. 11 beschrieben wurden, vermieden werden. Dennoch wird der Strom an den Kanten relativ konzentriert sein und kann Metall unterhalb der Dämmplatten 29 und 30 schmelzen. Das an den Kanten befindliche Metall kann auf eine Temperatur erwärmt werden, die höher ist als die Temperatur des übrigen geschmolzenen Metalls. Doch kann allerdings auch ein übermäßiges Schmelzen der Randbereiche erfolgen, was unerwünscht ist.

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Zur Reduzieru q der Erwärmung der Ränder können die Kontakte, wie die Kontakte 15, 15a und 17 entsprechend der Darstellung in Fig. 35 mit zwei Kontaktflächen versehen sein. Der Kontakt 15d oder 17d, welcher mit dem Leiter 14 oder dem Leiter 19 verbunden sein kann und welcher sowohl für die Kontakte 15 oder 15a und 17 verwendet werden kann, hat ein Paar von Flächen 55 und 56, welche das Stück 1 berühren und auf dieses den Strom übertragen. Die Flächen 55 und 56 sind durch eine Nut 57 voneinander getrennt, so daß der Strom von den Flächen 55 und 56 entlang den Verläufen 58 und 59 strömt, bevor sie sich zu einem einzelnen Verlauf vereinigen. So ist der Strom nicht auf den Randbereich des Stückes 1 konzentriert, wie dies später entlang dem Verlauf 60 der Fall ist. Der Abstand zwischen den Flächen 55 und 56 hängt von den Betriebsbedingungen ab und kann beispielsweise 0,1587 cm (1/16 inch) betragen.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Verfahren zur Herstellung eines Metallbereiches auf der Oberfläche eines Metallstücks, welcher Bereich das Fusionsprodukt des Metalles und eines Legierungszusatzmaterials ist, welches eine Legierung bildet, wobei die Zusammensetzung des Legierungszusatzmaterials von dem des Metallstücks unterschiedlich ist und das Fusionsprodukt eine von dem des Metalls des genannten Stückes unterschiedliche Zusammensetzung hat und der genannte Metallbereich strukturmäßig kontinuierlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall eines bestimmten Bereiches der Oberfläche des Stückes zumindest auf den Schmelzpunkt erwärmt wird, ohne das benachbarte Metall auf den Schmelzpunkt zu

   erwärmen, indem ein elektrischer Strom mit einer Frequenz von zumindest 3000 Hz in diesem Bereich fließt, während ein Strom derselben Frequenz durch einen Leiter fließt, der oberhalb dieses Bereiches liegt, welcher aber jederzeit der Richtung des Stromflusses in diesem Bereich entgegengesetzt gerichtet ist, wobei der Leiter von diesem Bereich in einem Abstand angeordnet ist, welcher nicht größer ist als das Dreifache der Breite des Leiters, daß das Legierungszusatzmaterial auf diesem Bereich abgesetzt wird und erwärmt wird, bis zumindest ein Teil desselben schmilzt und sich mit dem geschmolzenen Metall des Metallstückes vermischt und das Metall des genannten Bereiches strukturmäßig kontinuierlich ausgebildet ist und daß das Metall des genannten Bereiches abgekühlt wird, um an der Oberfläche des Metallstückes einen Bereich zu bilden, welcher aus einer Legierung aus dem Metall des Metallstückes und dem Legierungszusatzmaterial besteht und strukturmäßig kontinuierlich ausgebildet ist.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom in diesem Bereich über das Metallstück berührende Kontakte fließt, indem die Kontakte an gegenüberliegenden Enden des genannten Bereiches anliegen und mit einer Stromquelle verbunden sind, wobei zumindest einer der mit der Energiequelle verbundenen Kontakte mit dem Leiter in Serie geschaltet ist.

   3. Verfahren nach dsn Ansprüchen 1 und ^oder 2, dadurch ce— kennzeichnet, daß der genannte Bereich die Form einer geschlossenen Linie einnimmt und der Leiter als Induktionsspule ausgebildet ist, die an eine Stromquelle angeschlossen ist, wobei der Leiter im wesentlichen die Form der geschlossenen Linie aufweist.

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   Verfahren zur Herstellung eines Metallbereiches auf der Oberfläche eines Metallstücks, welcher Bereich das Fusionsprodukt des Metalles und eines Legierungszusatzmaterials ist, welches eine Legierung bildet, wobei die Zusammensetzung des Legierungszusatzmaterials von dem des Metallstücks unterschiedlich ist und das Fusionsprodukt eine von dem des Metalls des genannten Stückes unterschiedliche Zusammensetzung hat und der genannte Metallbereich strukturmäßig kontinuierlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Metallstück an einem Ende des Bereiches ein erster Kontakt und an dem gegenüberliegenden Ende ein zweiter Kontakt angelegt wird, wodurch die Länge des gesamten Bereiches bestimmt wird, daß das Metall des genannten Bereiches rapide zumindest auf die Schmelztemperatur erwärmt wird, indem an die Kontakte ein elektrischer Strom mit einer Frequenz von zumindest 3000 Hz angelegt wird und dann dieser Strom auf das Metallstück aufgebracht wird, und zwar durch Näherungsleiter, die die Länge des genannten Bereiches zwischen den Kontakten im wesentlichen überspannt und von der Oberfläche des genannten Bereiches nicht weiter beabstandet ist, als das Dreifache der Breite des Näherungsleiters in Richtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Bereiches und senkrecht zur Länge des Bereiches und welcher mit den Kontakten derart verbunden ist, daß der darin fließende Strom jederzeit entgegen dem Stromfluß im Metallstück gerichtet ist, daß das Legierungszusatzmaterial auf den genannten Bereich abgelagert und solange erwärmt wird,bis zumindest ein Teil desselben schmilzt und sich mit dem geschmolzenen Metall des Metallstückes vermischt und das Metall des genannten Bereiches strukturmäßig kontinuierlich ausgebildet ist und daß das Metall des genannten Bereiches abgekühlt wird, um an der Oberfläche des Metallstückes einen Bereich zu bilden, welcher aus einer Legierung aus dem Metall des Metall-

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   Stückes und dem Legierungszusatzmaterial besteht und strukturmäßig konitnuierlich ausgebildet ist.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial ein Metall ist, welches aus der Gruppe: Kohlenstoffstahl, Wolfram, rostfreier Stahl, Legierungsstahl, Aufschweißlegierung, Zink und Silber ausgewählt ist.

   6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Gas ist, welches aus der Gruppe Kohlenstoff gas und Stickstoff ausgewählt ist.

   7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine strukturmäßig kontinuierliche Form hat.

   8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine pulvrige Form hat.

   9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Metallstückes ein Metall ist, welches aus der Gruppe: Stahl, Kupfer, Aluminium und Berylliumkupfer ausgewählt ist.

   10. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des genannten Bereiches in einer Atmosphäre eines inerten Gases erwärmt wird.

   11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzmaterial auf dem genannten Bereich abgesetzt wird, bevor das Material dieses Bereiches erwärmt wird.

   12. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

   die Partikel des Zusatzmaterials mittels eines isolierenden

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   Teils während des Erwärmens dieses Bereiches auf den Bereich beschränkt werden.

   13. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Metallstück einerseits und den Kontakten und dem Näherungsleiter andererseits in einer Richtung quer zur Länge des des Zusatzmaterials aufnehmenden Bereiches relativ zueinander bewegt werden und daß aufeinanderfolgend ein Erwärmen vorgenommen wird und daß zumindest ein weiterer Bereich des Metalls gekühlt wird.

   14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück ein rohrförmiges Metallstück ist und daß der genannte Bereich sich auf der Innenfläche des rohrförmigen Metallstückes befindet und axial zu diesem verläuft.

   15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück schrittweise bewegt wird und der Strom vor jedem Schritt unterbrochen wird.

   16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück kontinuierlich bewegt wird und der elektrische Strom unterbrochen wird, sobald der genannte Bereich die Endtemperatur erreicht hat.

   17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom den Kontakten kontinuierlich zugeführt wird und das Metallstück bewegt wird, um die Stromversorgung zum Bereich zu unterbrechen, wenn das Metall des genannten Bereiches die Endtemperatur erreicht hat.

   18. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Relativbewegung zwischen dem Metallstück einerseits und den Kontakten und dem Annäherungsleiter andererseits während der Erwährung des genannten Bereiches in Richtung

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   der Länge dieses Bereiches eine Relativbewegung erzeugt wird.

   19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück kontinuierlich bewegt wird, daß der Strom kontinuierlich zu den Kontakten geleitet und das Zusatzmaterial kontinuierlich auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls aufgebracht wird.

   20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück eine zylindrische Oberfläche aufweist und daß der genannte Bereich sich auf der Oberfläche befindet und sich über den Umfang desselben erstreckt.

   21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück eine Kantenfläche aufweist und sich der genannte Bereich auf dieser Fläche befindet.

   22. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der AnnäherungsIeiter ein Paar von Leitern umfaßt, wobei dieses Paar von Leitern so positioniert ist, daß sie zusammen im wesentlichen die gesamte Länge des genannten Bereiches überspannen und daß einer der Leiter mit dem ersten Kontakt und der andere Leiter mit dem zweiten Kontakt verbunden ist.

   23. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Leiter mit dem ersten Kontakt verbunden und so angeordnet ist, daß er die gesamte Länge des genannten Bereiches überspannt.

   24. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Metalls über die Länge des genannten Bereiches variiert, um beabstandete Längen der fusionierten Produktes zu schaffen.

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   25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung dadurch verändert wird, daß die Form des Annäherungsleiters, welcher den genannten Bereich überspannt, verändert wird.

   26. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung dadurch verändert wird, daß ein Metall mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als die Leitfähigkeit des Metalls des Metallstückes auf und in Berührung mit dem Metall zwischen den Orten plaziert wird, wo die Längenabschnitte des fusionierten Produktes vor Anlegen des elektrischen Stromes an den genannten Bereich vorzusehen sind.

   27. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Metalls in der Nähe zumindest eines Kontaktes dadurch reduziert wird, daß der elektrische Strom durch ein Paar von beabstandeten Flächen eines Kontaktes auf das Metallstück übertragen wird, wobei diese beabstandeten Flächen das Metallstück so berühren, daß der Strom einem Paar von Verläufen in der Nähe des einen Kontaktes folgt.

   28. Verfahren nach Anspruch"4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom eine Frequenz von zumindest 50 KHz hat, daß die Dauer des Stromes weniger als 1 s beträgt, daß die Größe des Stromes so ist, daß eine Energiedichte von zumindest 20 KW pro cm² erzeugt wird, daß die Breite des Annäherungsleiters geringer ist als 1,27 cm und der Abstand zwischen dem Annäherungsleiter und der Oberfläche des genannten Bereiches geringer ist als das Zweifache der Breite des Annäherungsleiters.

   29. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Stromes während der Erwärmung des Metalles des genannten Bereiches verändert wird.

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