DE2920593A1

DE2920593A1 - Verfahren und vorrichtung zum einbetten von partikeln in eine metallische flaeche

Info

Publication number: DE2920593A1
Application number: DE19792920593
Authority: DE
Inventors: Wallace C Rudd
Original assignee: Thermatool Corp
Current assignee: Thermatool Corp
Priority date: 1978-07-12
Filing date: 1979-05-21
Publication date: 1980-01-31
Also published as: SE7904133L; JPS5514198A; GB2024686B; CA1122661A; US4192984A; GB2024686A

Description

HOFFMANN · EITLE Oc PAItTNER

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197«) · DIPL.-ING. W.EITLE · DR. RER.NAT. K. HOFFMAN N · DIPL.-ING. W. LEH N

DIPL.-ING. K.FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABEIlASTRASSEi(STERNHAUS) · D-8000 MÖNCHEN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATHE)

32032 Thermatool Corporation, Stamford, Conn. / V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Einbetten von Partikeln in eine metallische Fläche

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Veränderung der Oberflächeneigenschaften von Metallen unter Verwendung einer elektrischen Beheizung des Metalls an seiner Oberfläche, um die Temperatur auf den Schmelzpunkt zu erhöhen, wonach harte Partikel in das geschmolzene Metall eingebettet werden.

Es ist in der Technik bekannt, Metallstücke mit Oberflächen zu versehen, welche bessere Abnützungs- und Be- * arbeitungseigenschaften haben als das darunterliegende Metall, wobei diese verbesserte Oberflächenschicht durch ein härteres Metall gebildet wird, beispielsweise Wolframkarbid. Dieses härtere Material wird auf dem darunter-

9Q9885/0629

liegenden Metall geklebt oder in dieses eingebettet. Es wurden bereits verschiedene Verfahren zur Erwärmung des darunterliegenden Metalls auf die notwendige Temperatur verwendet, damit die Partikel darin eingebettet werden können. Jedoch mit diesen bekannten Verfahren ist es schwierig, wenn nicht unmöglich, die Erwärmung auf schmale Bereiche und geringe Tiefen zu begrenzen und so die Erwärmung während sehr kurzer Zeitdauer vorzunehmen.

Es ist in der Technik bekannt, daß hohe Konzentrationen elektrischen Stroms 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 Kontaktmetallstücken zur Ausbildung einer Schweißung dazwischen zu schmelzen und Metall in Form eines Drahtes, eines Pulvers oder in Form von Chips dem geschmolzenen Metall zuzugeben. In diesem Patent wird davon ausgegangen, daß das zugeführte Metall dasselbe ist oder aber dem Metall der entsprechenden Stücke ähnlich ist, die miteinander verschweißt werden sollen. Das zugeführte Metall wird geschmolzen gehalten, um alle Spalte, Eindrücke und Risse zu füllen, welche vom Schmelzen der Stücke herrühren können.

Es ist ebenso aus der ÜS-Patentschrift 3 497 662 bekannt, ein Füllmetall in Form einer Folie, eines Drahtes oder

9 09885/0629

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. Es wurde niemals ein Gerät verwendet oder vorgeschlagen, bei dem die Materialpartikel in ein Metallstück eingebettet werden, wobei die Partikel einen höheren Schmelzpunkt haben als das Metallstück selbst und gegenüber dem Metallstück unterschiedliche Eigenschaften hat und dabei verglichen mit dem Metallstück eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einbetten von Materialpartikeln in die Oberfläche eines Metallstückes zu schaffen, wobei die Materialpartikel härter sind als das Material des Metallstücks bzw. eine gegenüber dem Metall des Metallstücks bessere Abnutzungseigenschaft haben»

In Obereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung, wird eine Energiedichte von 20 KW pro cm² (125 KW pro inch²) und höher entlang eines Weges in einem Metallstück geschaffen, indem mittels Kontakten über einen bestimmten Weg ein Strom zugeführt wird, wobei an jedem Ende des Weges jeweils ein Kontakt angeordnet ist. Die Stromfrequenz und die Stromstärke werden so ausgewählt, daß ein großer Strom das Metall nur in einem sehr geringen Umfangl wirkungsvoll durchdringt. Der Strom wird zumindest zu einem der Kontakte über einen Annäherungsleiter geleitet, welcher geeignet angeordnet ist und eine geeignete Größe und Form aufweist. Nachdem das Metall so erwärmt wurde, daß es entlang dem Stromverlauf schmilzt, werden Materialpartikel, welche härter und/ oder bessere Abnutzungseigenschaften aufweisen, hierin bessere mechanische Eigenschaften genannt, als das Metall des Metallstücks, in das geschmolzene Metall abgelagert oder in dieses hinein gepreßt. Danach wird das geschmolzene Metall

909885/0629

mit den eingebetteten Partikeln gekühlt oder man läßt es sich abkühlen.

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 entlang einer Linie auf ihre Schmelzpunkte und zum Einbetten von Partikeln in die Schmelze,

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

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

Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht einer weiteren abgeänderten Geräteform und die Darstellung der Erwärmung einer Vielzahl von Linien des Metalls auf die Schmelzpunkte und zum Einbetten

^ von Partikeln in die Schmelze,

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

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 und zum Einbetten von Partikeln in die Schmelze, -

909885/0629

ORIGINAL INSPECTED

Fig. 7 Linien von Partikeln 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 Einbettung der Partikel über einen weiten Bereich ^Λ 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 und/oder zum Eindrücken der Partikel in das Metall,

Fig. 11 einen Querschnitt bzw. eine Seitenansicht mit der Darstellung der Verwendung von Platten oder Stangen an den Enden einer erwärmten Metallinie zur Verhinderung von Metallverlusten,

Fig. 12 und 13 jeweils eine Seitenansicht und eine Querschnittsansicht des Gerätes zum Einbetten von Partikeln in die Endfläche eines Werkzeuges, wobei Fig. 13 einem Schnitt entlang der Ebene 13-13 in 12 entspricht.

Fig. 14 eine Seitenansicht einer Modifizierung der Ausfüh rungsform in Fig. 3,

Fig. 15 und 16 jeweils eine Seiten- und eine Querschnittsansicht eines Gerätes zum Einbetten von Partikeln in die Stirnfläche einer Stange, wobei Fig. 16 einem Schnitt in der Ebene 16-16 in Fig. 15 entspricht,

909885/0629

Fig. 17 eine perspektivische Ansicht eines Gerätes zum Erzeugen einer relativ langen Metallinie mit darin eingebetteten Partikeln,

Fig. 18 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Gerätes für die Herstellung einer relativ langen Metalllinie mit darin eingebetteten Partikeln,

Fig. 19 eine Draufsicht mit der Darstellung der Art und Weise, gemäß der die beim erfindungsgemäßen Gerät verwendeten Kontakte modifiziert werden können, um ein unerwünschtes Schmelzen des Metalls unmittelbar neben den Kontakten zu verhindern und

Fig. 20 und 21 jeweils eine perspektivische und eine Querschnittsansicht von erfindungsgemäßen Ausführungsformen, die eine Induktionsspule verwenden, um das Metall zu schmelzen, in welches die Partikel einzubetten sind.

Für ein besseres Verständis der Erfindung ist es wünschenswert, bestimmte Phänomene zu beachten, welche mit dem Erwärmen von Metall durch elektrischen Strom auftreten. 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 ir? das Teil einzufließen, 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:

909885/0628

- 10 -

d (in inch) =3160

uf

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.

Die Bezugstiefe des Stromes 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.

909885/0629

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. Bei 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 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 AnnäherungsIeiters in einer Richtung parallel zur Breite des Stromverlaufes wird die Breite des Stromverlaufes erhöht.

909885/0629

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

Die Grundprinzipien der Erfindung sind in Fig. 1 und 2 dargestellt. Diese Figuren zeigen ein Metallstück 1, welches entlang des Weges unterhalb der Schichtlinie von Partikeln 2 für den Zweck des Einbettens der Partikel in die 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 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 Ab-

909885/0629

schnitten 3a und 4a versehen, welche im wesentlichen parallel und in geringem Abstand zur Oberseite des Metallstücks 2 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 Strecke des Metallstückes, welches unter den Partikeln 2 liegt. Solch eine Strecke ist die physikalisch kürzeste Strecke zwischen 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 der Partikel 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.

Wie bereits zuvor erwähnt wurde, kann die Breite W des Querschnitts der unter den Partikeln 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 vorzugswei-.

909885/0629

se 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 Querschnittsbreite der Abschnitte 3a und 4a klein hält, und zwar übereinstimmend mit den Stromführungs- und Wärmeverteilungserfordernissen, so wird die Breite W klein gehalten. Je kleineer 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 Metal1volume ns entlang der unter den Partikeln 2 liegenden Strecke vollzogen werden. Es ist praktisch eine Erwärmungsenergiedichte im Piromvorlauf 1 von ?0 KW pro cn² und höher ru 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 din i'treckenbreite 0,203 cm (0,08 inch) oder weniger und die Btreokentiefe 0,508 cm (0,020 inch) oder W-iuij'.i , 1,'atür lieh J .-.'αι., toic:in dies gt^uutici/. ;,.ϊΐ:α, di·: Strecke breiter und -tiefer ausgeführt v/erden, worm die ruvor diskutierten Prinzipien ;:m Anwendung kommen, d.h. durch /.uswahl der Frequenz, der Größe und des /ibet aride« der /irmüher ungeleiter und die Auswahl ^rl-;.r Sfromf lußzeit und der Stronme-n-jr. Die Kriterien nüssen soiyfältig bestimmt wei'l'-n, um den irtiom und dessen Dauer so ru } onrentrieren, daH dar IiMaIl nicht durohschnilzt und da Γ uin großer Bereich lichen <1>ιί Sti οπγ.'-ϊ rlauf nicht durch Yiürr^lr i tuny des Metalls ei-vimi wird.

U 0 9 U a b I ü 6 ? 9

In allgemeiner Hinsicht werden die Partikel 2 lose aufgelegt bzw. übereinander geschichtet, während die Schichtlinie der Partikel eine niedrige elektrische Leitfähigkeit entlang ihrer Länge hat, so daß nur eine relativ geringe Erwärmung der Partikel durch den Strom erfolgt. Vorzugsweise liegt die Partikelgröße im Bereich von 50 bis 300 Mesh, d.h. solche Partikel, die durch ein Sieb mit einer Maschenweite von 0,297 mm bis 0,045 mm sortiert wurde. Die Partikel können aber auch eine Größe von 0,257 mm (0,1 inch) im Querschnitt haben.

Die Partikel 2 bestehen im allgemeinen aus einem Material, welches einen höheren Schmelzpunkt hat als der des Metalls des Metallstücks 1 und hat mechanische Eigenschaften, beispielsweise Härte- oder Abnutzungseigenschaften, die besser sind als die des Metalls des Metallstücks 1. Hinsichtlich des Schmelzpunktes können jedoch die Oberflächen der Partikel 2 schmelzen und mit dem Metall des Metallstücks bei den erreichten Temperaturen eine Legierung bilden, wenn solches Metall geschmolzen ist. Die Partikel 2 sind in einem solchen Fall nicht nur in das Metall des Metallstücks 1 eingebettet sondern haften auf dem Teil T durch eine Teillegierungsbildung der Partikel 2 und des Metalls. Dies wurde sogar dann als wahr befunden, wenn die Schmelztemperatur der Partikel wesentlich höher ist als die Schmelztemperatur des Metalls des Metallstücks. Andererseits besteht die Aufgabe der Erfindung nicht darin, zu bewirken, daß die Partikel vollständig schmelzen und somit ihre eigentliche Form verlieren. Daher wird das Erwärmen und Abkühlen des Metalls des Metallstücks so gesteuert, daß die meisten Partikel erhalten bleiben, wenn das geschmolzene Metall abgekühlt ist. Wenn es gewünscht wird, wird daher das Metall des Metallstücks 1 zumindest auf seine Schmelztemperatur erwärmt, jedoch auf eine Temperatur, welche unterhalb der Schmelztemperatur der

909885/0629

" ²² " 2920533

Partikel 2 liegt. Dann wird das geschmolzene Metall abgekühlt. Alternativ wird das Metall des Metallstücks auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur erv/ärmt und auf die Schmelztemperatur zumindest eines Teils der Partikel Allerdingswird das Metall des Metallstücks abgekühlt, bevor die Partikel vollständig geschmolzen sind. In beiden Fällen verbleiben die meisten Partikel 2 in ihrer ursprünglichen Form und sind im Metall oder in der. tlähe der Oberfläche des Metalls eingebettet, nachdem das Metall abgekühlt wurde.

Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften der Partikel 2 wird die Erfindung hauptsächlich dann verwendbar, wenn es erwünscht ist, die Oberflächeneigenschaften des Metallstücks 1 2U verbessern. Jedoch kann es in manchen Fällen wünschenswert sein, lediglich Linien mit eingebetteten Partikeln eines Materials vorzusehen, dessen Eigenschaften nur mechanisch unterschiedlich von denen des Metalls des Metallstücks ist.

Beispiele von Metallpartikeln, die mit verschiedenen Metallstücken 1 verwendet werden können, sind die folgenden:

Metall des MetallStücks J Partikel 2 Stahl Wolfram

Stahl Wolframkarbid

Stahl Wolframcarbid mit

_n Kobaltina tr ix

Stahl Aluminiumoxid

Stahl Siliciumnitrid

Stahl Diamantabfall

Stahl Bor™ oder Silizium

karbid

Blei Eisen

Silizium Aluminium

Nickel Borkarbid

Kupfer Aluminiumoxid

Aluminium Silisiumnitrid

Bronze Diamantabfall

909885/0629

In einigen Fällen kann das Material der Partikel 2 bei der Temperatur des geschmolzenen Metalls rapide oxydieren. Wenn dies unerwünscht ist, kann das Schmelzen des Metalls in einer inerten Atmosphäre erfolgen, wie beispielsweise in einer Argon- oder Stickstoffatmosphäre, oder aber in einer Reduktionsatmosphäre, beispielsweise in einer Wasserstoff atmosphäre , wobei das inerte Gas oder das Reduktionsgas die Partikel 2 umgibt, wenn das Metall geschmolzen wird.

Wenn das Metall des Stücks 1 die Partikel 2 nicht "befeuchtet", v/erden die Partikel 2 durch mechanische Verriegelung zwischen den Partikeln 2 und dem Metall am Ort gehalten. Um eine bessere Verbindung zwischen den Partikeln 2 und dem Metall zu schaffen, können vorzugsweise herkömmliche Flußmittel und Atmosphären verwendet werden, um das Befeuchten der Partikel 2 durch das geschmolzene Metall zu verbessern.

Wenn das Metall des Metallstücks 1 ein Metall ist, welches bei Einwirkung von Wärme und beim Abschrecken härter ist, so kann das geschmolzene Metall infolge der Tatsache durch Selbstabschrecken aushärten, daß nur ein schmaler Bereich im geschmolzenen Zustand gehalten wird. In einem solchen Fall werden die Partikel 2 in das Metall des Metallstücks eingebettet, welches dann härter ist als das benachbarte Metall.

t.: abyuändt.i 11„ Aui-iühi ιιηακί orm der in liy. I und '<■ ΰαΐ gestellten 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 eine herkömmliche Weise wassergekühlt sind.

Diese Blöcke 8 und 9 sind mit Abschnitten 10 und 11 versehen, welche leitend die Oberseite des Stückes 1 berühren. Die

909885/0629

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 den Partikeln. Um die Partikel 2 in das Metallstück 1 einzubetten, werden die'gewünschte Breite, Tiefe und Länge des Bereiches bestimmt, in den die Partikel 2 eingebettet werden sollen. Dann wird die Frequenz des elektrischen Stromes ausgewählt, um eine

Bezugstiefe vorzusehen, die ein wenig größer ist als die Tiefe des Metalls, welches im geschmolzenen Zustand gehalten werden soll. 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 den Partikeln 2 zu schmelzenden Metalls erzielt wird. Dabei müssen die Annäherungsleiter Hunderte von Ampe*re 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 die Partikel 2 in diesem Bereich gelagert wurden, 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, um eine bezeichnende Erwärmung des Metalls außerhalb des

909885/0629

gewünschten Bereiches durch Wärmeübertragung bzw. Wärmeleitung zu vermeiden.

Infolge der Stromverteilung in der unterhalb der Partikel 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 1116,48 ⁰K (1550⁰F) 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 Stromstärke unterhalb der Partikel 2 zu erzeugen. Dabei muß jedoch be-

909885/0629

rücksichtigt sein, daß für die Selbstabschreckung des verschmelzten Metalls des Stückes 1 die Erwärmung sehr plötzlich erfolgen 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 der Partikel 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 eines geschmolzenen und dann abgekühlten Metalls mit darin eingebetteten Partikeln auf der Oberfläche eines Metallstückes 1. In Fig. 4 erstreckt sich ein Annäherungsleiter 14 über die Partikellinie, 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 der Partikel 2 befindende Metall auf seine Schmelztemperatur erwärmt.

Nachdem jede geschmolzene und gekühlte Linie des Metalls erzeugt wurde, kann das Stück 1 realtiv zu den Kontakten 15 und 17 in Richtung des Pfeiles 20 weiter bewegt werden, um eine Reihe von im Abstand angeordneten Linie mit eingebetteten Partikeln 2 zu schaffen, welche durch die Schattenbereiche 21 und 22 in Fig. 4 verdeutlicht sind und Linien vorbehandelten Metalls darstellen.

909885/0629

Wegen der Verwendung des Annäherungsleiters muß die Schmelzlinie und die Einbettungslinie der Partikel 2 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 mit darin enthaltenen Partikeln. Das Schmelzen tritt unterhalb den schmäleren Abschnitten 25 des Näherungsleiters 14b auf, und zwar wegen der größeren Stromkonzentration.

Metallsegmente mit darin enthaltenen Partikeln 2 ähnlich den in Fig. 7 dargestellten Mustersegmenten 24 können ebenso mit einem in Fig. 8 dargestellten Annäherungsleiter 14c erzielt werden, gemäß dem der Leiter zum Stück 1 einen sich veränderten Abstand hat, so daß der elektrische Strom unter den Abschnitten erheblich stärker konzentriert ist, die der Oberfläche des Metallstücks 1 näher 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.

9 09885/0629

Wenn beispielsweise das Metall des Stückes 1 Stahl ist, kann eine Linie einer Kupferplattxerung vorgesehen werden, wo der Stromverlauf sein soll. Den Segmenten 24 entsprechende Abschnitte werden vor dem Aufbringen des Stromes entlang der ansonsten mit den Partikeln belegten Strecke des Stückes 1 weggeschliffen. Auf diese Weise ist wegen des geringeren Verlustes an Kupfer die Erwärmung zwischen den Segmenten 24 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, einen im wesentlichen kontinuierlichen, Partikel enthaltenden Metallbereich herzustellen, der 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 den Partikeln 2 legierten Metalls an der Oberfläche des Stückes 1 herzustellen.

Wegen der Größe bzw. der Stärke des bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Stromes wird das zu behandelnde Metall relativ großen Magnetfeldern ausgesetzt, die bestrebt sind, das geschmolzene Metall zu versetzen, was insbesondere bei 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 die Partikel 2 am Ort zu halten, während das darunter befindliche Metall

909885/0629

geschmolzen wird, kann der zu erwärmende Bereich durch eine Stange oder eine Platte 28 höheren Temperaturwiderstandes aus isolierendem Material, wie beispielsweise Siliziumnitrid entsprechend der Darstellung in Fig. 10 abgedeckt werden. Wenn das Metall schmilzt oder nachdem das Metall geschmolzen ist, kann die Platte 28 nach unten gedruckt werden, um die Partikel 2 in das geschmolzene Metall zu drücken. Die Aufbringung von Druck auf die Partikel verringert den elektrischen Widerstand derselben. 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 39 hohen Temperaturwiderstandes 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 die Partikel eingebettet sind, kann das Abkühlen dadurch unterstützt werden, daß ein Kühlgas oder eine Kühlflüssigkeit auf das erwärmte Metall aufgegeben oder aber in die Nähe des erwärmten Metalls geführt wird. Sofern dies erwünscht wird, kann das Abkühlen durch Abschrecken des Metallstückes vor der Aufbringung des erwärmenden Stromes beschleunigt werden.

909885/0629

Die in Fig. 10 dargestellte Ausführungsform kann entsprechend der Darstellung in Fig. 12 und 13 dazu verwendet werden, die Abnützungseigenschaften der Kante eines Stahlwerkzeuges 31 zu verbessern. Entsprechend der Darstellung in Fig. 12 und 13 werden die Partikel 2 mittels einer Stange 28 gegen die Kantenfläche des Werkzeuges 31 gehalten. Ein elektrischer Strom mit einer Frequenz von zumindest 3000 Hz wird an den Kontakten 15a und 17 angelegt/ welche an jeder Seite am Werkzeug 31 anliegen. Dieser elektrische Strom wird durch den Annäherungsleiter 14 und den Leiter 19 zugeführt. Der Stromfluß wird solange aufrechterhalten, bis die Oberfläche de'r Kantenfläche schmilzt und die Partikel 2 mittels der Stange 28 in das geschmolzene Metall gedrückt werden. Danach wird die Kantenfläche gekühlt. Die daraus resultierende Kantenfläche enthält somit Partikel 2, die in einer Metallmatrix des Werkzeuges 31 eingebettet sind.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann entsprechend der Darstellung in Fig. 14 modifiziert werden, indem sie eine Stange 32 enthält, mittels der die Partikel am Ort gehalten werden. Mittels der Stange können die Partikel allerdings auch in das geschmolzene Metall des Stücks 1 eingedrückt werden. Wenn die Stange 32 aus einem weniger elektrisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Siliziumnitrid besteht, dann sollte sie eine relativ schmale Vertikaldimension haben, wie dies in Fig. 14 dargestellt ist, so daß die Abschnitte 12 und 13 nicht mehr als um das Fünffache der Breite der Abschnitte Λ2 und 13 (in Richtung quer zur Ebene des Papiers) von der zu schmelzenden Oberfläche im Abstand gehalten werden. Jedoch ist eine Erstreckung über die Breite der Abschnitte 12 und 13 möglich.

Wenn die Stange 32 aus einem Material guter elektrischer Leitfähigkeit, wie Kupfer, besteht, wird darin ein elektrischer Strom induziert, welcher relativ zum Stromfluß in den Blök-

909885/0629

ken 8 und 9 und dem Stück 1 strömt, wie dieser durch die Pfeile in Fig. 14 dargestellt ist. So wirkt die Stange 32 ähnlich wie ein Annäherungsleiter. Die Breite seiner Unterseite sollte relativ schmal sein, um den Stromverlauf im Stück 1 relativ schmal zu halten.

Bei den unterschiedlichen, hierin beschriebenen Ausführungsformen können die Partikel ebenso auf andere Weise in das geschmolzene Metall eingedrückt werden. Beispielsweise können die Partikel, nachdem das Metall geschmolzen wurde, mittels eines Rohres mit einer hohen Geschwindigkeit gegen das geschmolzene Metall geworfen werden. Die Partikel können aber auch zunächst auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls aufgebracht und dann mittels eines Streichbleches oder einer Rolle eingedrückt werden.

Unter Verwendung der Einrichtung gemäß Fig. 15 und 16 wurde ein Versuch durchgeführt. Eine Metallstange 33 aus Flußeisen und 3,175 cm (1 1/4 inch) im Quadrat wurde an seinen Enden so bearbeitet, daß eine schmale Nut 34 mit einem Radius von ungefähr 0,079375 cm (1/32 inch) gebildet wurde. Die Nut wurde mit 99,5 % Wolframpartikel 2 mit einer Partikelgröße im Bereich von 30 bis 100 Mesh (Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,595 bis 0,149 mm) gefüllt. Ein nicht leitendes Band wurde über die Partikel und an die Stange 33 gelegt, um die Partikel 2 am Ort zu halten. Die Schmelztemperatur von Stahl betrug ungefähr 1755,35 ⁰K (2700⁰F) und die Schmelztemperatur des Wolframs betrug ungefähr 3683,15 ⁰K (6170⁰F). Die Kontakte 15a und 17 wurden über den Näherungsleiter 14 und den Leiter 19 für nahezu 0,56 s mit einem Strom versorgt, welcher von einem 160 KW-Generator erzeugt wurde, welcher mit 400 KHz betrieben wird. An den Enden der Nut 34 erfolgte der Schmelzvorgang in erheblich größerem Umfang, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 19 noch beschrieben wird. Ein Schmelzen trat nur entlang einer Kante der Nut 34 auf, und zwar

909885/0629

- 02 -

über die gesamte Länge der Nut, eher als quer über die volle Breite, da der Näherungsleiter 14 nicht exakt über der Mittellinie der Nut 34 lag. Jedoch vermischten sich die Wolframpartikel mit dem Metall, wo dieses geschmolzen wurde. Nach dem Abkühlen des Metalls wurde herausgefunden, daß die Wolframpartikel fest im Metall der Stange 33 eingebettet waren. Eine Untersuchung derartiger Bereiche der Stange 33 mit einem Mikroskop zeigte, daß die Wolframpartikel durch eine Wolfram-Eisen-Legierung an ihren Oberflächen am Platz gehalten wurden.

Eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung zur Erzielung einer relativ langen Metallinie mit eingebetteten Partikeln ist in Fig. 17 dargestellt. In dieser Figur ist eine an ihrer Oberseite mit einer Nut 35 versehene Stange 34 mit Partikeln 2 gefüllt, und zwar vor oder während der Erwärmung. Den Kontakten 6 und 7 wird über die Leiter 3 und 4 ein Strom zugeführt. Da das Metall an der Oberfläche der Nut 35 zwischen den Kontakten 6 und 7 schmilzt und die Partikel 2 in das geschmolzene Metall eingebettet werden, wird die Stange 34 in Richtung des Pfeiles 36 in einem solchen Maße bewegt, daß eine kontinuierliche Oberfläche erzielt wird, in der Partikel 2 in das Metall der Oberfläche der Nut 35 eingebettet sind. Sofern dies gewünscht wird, oder als notwendig befunden wurde, können die Partikel 2 durch ein konisches Streichglied aus Siliziumnitrid in das geschmolzene Metall eingedrückt werden, wobei dieses Glied zumindest teilweise in die Nut 35 eingrieft^und welches in der Nähe und stromabwärts der Kontakte 6 und 7 angeordnet ist.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform zur Erzielung einer langen Metallinie mit eingebetteten Partikeln ist schematisch in Fig. 18 dargestellt. In dieser Figur wird eine Stange 37 kontinuierlich in Richtung des Pfeiles 38 bewegt und es wer-

909885/0629 CaMgmal inspected

den die Kontakte 39 und 40 mittels des Leiters 19 und des Annäherungsleiters 14 mit Strom beaufschlagt. Der Hauptstrom folgt dem Verlauf 41 auf der Oberfläche der Stange 47 und erwärmt das Metall entlang des Verlaufes 41 so, daß dieses dann schmilzt, wenn es den Kontakt 40 erreicht oder sich unter diesem befindet. Die Partikel 2 werden vor dem Kontakt 40 über ein Rohr 42 aus isolierendem Material dem erwärmten Metall zugeführt. Stromabwärts des Kontaktes 40 werden die Partikel in das geschmolzene Metall eingedrückt, und zwar mittels einer Walze 43, welche auf irgendeine gewünschte Art und Weise so abgestützt ist, daß sie in Richtung auf die Oberfläche der Stange 37 drückt und somit die Partikel 2 in das geschmolzene Metall preßt. Sofern dies gewünscht wird, könnten die Partikel 2 unmittelbar stromabwärts des Kontaktes 40 und stromaufwärts der Walze 43 dem geschmolzenen Metall zugegeben werden.

Wenn die Kontakte an den Rändern des MetallStückes angeordnet sind , wie beispielsweise bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 4 bis 13 und 15 und 16, schmilzt das Metall der Kanten und fällt oder bewegt sich von der Kante weg. Außerdem erfolgt an den Kanten infolge der Lage der Kanten und der Tatsache, daß das Kantenmaterial nicht von einem kühleren Material umgeben ist, ein übermäßiges Schmelzen. Die Weglauftendenz kann durch die Verwendung von Dämmplatten 29 und 30, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 11 beschrieben wurden, überwunden werden. Jedoch wird der Strom nach wie vor an den Kantern relativ konzentriert sein und schmilzt somit das Metall unterhalb der Dämmplatten 29 und 30, oder das Metall an den Kanten kann auf eine Temperatur erwärmt werden, welche höher ist als die Temperatur des verbleibenden geschmolzenen Metalls, so daß nach wie vor an den Kanten an unerwünschtes übermäßiges Schmelzen erfolgt. Wie bereits erwähnt wurde, tritt dies im Zusammenhang mit der in Fig. 15 und 16 dargestellten Ausfuhrungsform auf.

909885/0629

Zur Reduzierung der Erwärmung der Ränder können die Kontakte, wie die Kontakte 15, 17 und 15a, entsprechend der Darstellung in Fig. 19 mit zwei Kontaktflächen versehen sein. Entsprechend der Darstellung hat der Kontakt 45, welcher mit dem Leiter 14 oder dem Leiter 19 verbunden sein kann, oder es können ähnliche Kontakte 45 für beide Kontakte 15 oder 15a und 17 verwendet werden, ein Paar von Flächen 46 und 47 mit einem Kontakt- und Versorgungsstrom zum Stück Die,Flächen 1 sind durch eine Nut 48 voneinander getrennt. Ein Strom fließt von den Flächen 46 und 47 entlang zwei Wegen 49 und 50, bevor sie sich zu einem einzelnen Stromweg 51 vereinigen. So ist der Strom nicht auf den Rand des Stücks 1 konzentriert, wenn er entlang dem Weg 51 fließt. Der Abstand zwischen den Flächen 46 und 47 hängt von den Betriebsbedingungen ab. Beispielsweise kann dieser Abstand 0,1587 cm (1/16 inch) betragen.

Wenn natürlich das Schmelzen bei den anderen Ausführungsformen der Erfindung zu nahe an den Kontakten auftritt, können die Kontakte mit einem Paar von im Abstand angeordneten Kontaktflächen versehen sein, wie dies in Fig. 19 dargestellt ist.

Es ist in der Technik bekannt, daß Metall mittels eines darin induzierten Stromes unter Verwendung einer Induktionsspule geschmolzen werden kann, wobei die Induktionsspule an eine Hochfrequenzstromquelle angeschlossen ist. Siehe hierzu beispielsweise die US-PS 3 872 275. Wenn mittels einer Induktionsspule in einem Metallstück ein Strom induziert wird, können vielerlei Wirkungen auftreten, wenn der Strom dazu veranlaßt wird, über Kontakte und einen Näherungsleiter in das Metallstück einzuströmen, wie dies bereits zuvor beschrieben wurde. Die Bezugstiefe des Stromes im Metallstück und der effektive Widerstand des Stromweges sind dieselben wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen. Wärme wird im Metallstück durch Wärmeleitung übertragen, wenn Kontakte und Näherungsleiter verwendet werden. Da der Strom im Metallstück in ent-

909885/0629

gegengesetzter Richtung zum Stromfluß in der Induktionsspule fließt, wirkt die Induktionsspule selbst wie ein Näherungsleiter, indem der Hauptstrom im Metallstück einem Weg folgt, welcher unmittelbar unterhalb des Leiters der Spule
liegt, und zwar so nahe wie möglich. Die Breite des Weges
hängt von der Breite eines derartigen Leiters ab und von
seinem Abstand relativ zum Metallstück.

Jedoch mit einer Induktionsspule muß der induzierte Strom
auf einem geschlossenen Weg fließen, wogegen mit Kontakten
und einem Näherungsleiter der Strom im Stück von Kontakt zu Kontakt unterhalb des Näherungsleiters verläuft. Wenn daher eine Induktionsspule verwendet wird, tritt ein Schmelzen des Metalls an Orten des Metallstücks auf, wo ein Schmelzen außerhalb des die Partikel enthaltenden Bereiches nicht erwünscht ist, d.h. also ebenso in Form eines geschlossenen Verlaufes. Im letzteren Fall kann eine Induktionsspule verwendet werden, um das Metall vor dem Einbetten der Partikel darin zu schmelzen.

Fig. 20 zeigt die Verwendung einer einwickligen Induktionsspule zum Schmelzen eines kreisförmigen Bereiches unterhalb der Partikel 2, welche in diesem Bereich entsprechend der
Beschreibung im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen eingebettet werden sollen. Durch Auswahl der Frequenz, der Stärke und der Dauer des Stromes und der Breite und des Abstandes der Spule 52 relativ zur Oberseite des Metallstücks 1 "kann entsprechend der Beschreibung im Zusammenhang mit den vorgenannten Beispielen, ein kreisförmiger Bereich
gewünschter Größe und Tiefe geschmolzen werden und es können die Partikel 2 in dieses geschmolzene Metall eingebettet werden. Wenn wie bei den vorgenannten Beispielen das Metall abgekühlt wird, so existieren die meisten zugeführten Partikel 2 nach der Verfestigung des geschmolzenen Metalls in der ursprünglichen Form.

909885/0629

Fig. 21 illustriert eine ähnliche Verwendung der Induktionsspule 52, um Partikel 2 in die Stirnfläche eines Hohlzylinders oder Rohres 53 einzubetten. Während des Erwärmens des Metalls an der Stirnfläche des Rohres 53 auf zumindest seine Schmelztemperatur, können die Partikel 2 durch einen Ring 54 aus hochtemperaturfestem, isolierendem Material, wie Siliziumnitrid, am Ort gehalten werden. Wenn dies gewünscht oder notwendig ist, können die Partikel 2 mittels eines Rings 54 in das geschmolzene Metall eingepreßt werden.

Bei den in Fig. 20 und 21 dargestellten Ausführungsbeispielen überliegt die Spule 52 im wesentlichen den gesamten zu schmelzenden Bereich. Der Abschnitt der Spule 52 in der Nähe des Oberflächenbereiches hat im wesentlichen die Form des Bereiches selbst und ist von der Oberfläche des Bereiches nicht mehr als das Fünffache und vorzugsweise nicht mehr als das Zweifache der Breite der Spule entfernt angeordnet (die Breite entspricht hier dem Durchmesser). Die Breite wird im wesentlichen in einer Richtung parallel zur Oberfläche des Metallstücks gemessen. Natürlich kann der zu schmelzende Bereich nicht kreisförmig oder irregulär sein und die Spule 52 entsprechend ausgebildet sein.

909885/0629

SV

Leerseite

Claims

HOFFMANN · SITXJ5 & PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL-ING. W.EtTLE · DR. RER. NAT. K.HOFFMANN . DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANStN ARABELIASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MÖNCHEN 81 ■ TELEFON (08?) 9Π087 . TELEX 0S-29il9 (PATHE) 32032 Thermatool Corporation, Stamford, Conn., V.St.A. Verfahren und Vorrichtung zum Einbetten von Partikeln in eine metallische Fläche Patentansprüche

1. Verfahren zum Einbetten einer Vielzahl von diskreten Partikeln in die Oberfläche eines Metallstücks, wobei der Schmelzpunkt der Partikel höher liegt und die mechanischen Eigenschaften anders sind als die des Metallstücks, dadurch gekennzeichnet , daß das Metallstück an einem Ende des zu behandelnden Oberflächenbereiches mit einem ersten Kontakt und am gegenüberliegenden Ende mit einem zweiten Kontakt in Berührung gebracht wird, um die Länge des genannten Bereiches auszubilden, daß das Metall dieses Bereiches rapide zumindest auf die Schmelztemperatur desselben erwärmt wird, indem die Kontakte mit einem elektrischen Strom einer Frequenz von zumindest 3000 Hz

909885/0629

versorgt werden, wobei der Strom über einen Näherungsleiter, welcher den genannten Bereich zwischen den Kontakten im wesentlichen über die gesamte Länge überspannt, zum Metallstück geleitet wird, wobei der Näherungsleiter nicht mehr als das Fünffache der Breite desselben in Richtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Bereiches und quer zur Länge des Bereiches von der Oberfläche des Bereiches entfernt liegt und wobei der Näherungsleiter mit den Kontakten in Verbindung steht, so daß der darin fließende Strom jederzeit entgegen dem Strom im Metallstück fließt, daß die Materialpartikel in das Metall des gesamten Bereiches eingegeben werden, nachdem dieses geschmolzen wurde und daß das Metall abgekühlt wird, wodurch sich an der Oberfläche des Metallstücks ein Bereich ausbildet, welcher diskrete Materialpartikel enthält, die in einer festen Matrix des Metalls eingebettet sind, wobei das Abkühlen erfolgt, bevor die meisten Partikel vollständig geschmolzen sind, so daß zumindest die meisten zugefügten Partikel in ihrer ursprünglichen Form weiter bestehen, obwohl Oberflächenbereiche derselben angeschmolzen sein können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall des genannten Bereiches auf eine Temperatur erwärmt wird, die oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls liegt, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur der Partikel.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall des Bereiches auf eine Temperatur erwärmt wird, die oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls liegt und oberhalb der Schmelztemperatur zumindest eines Teilbereiches der Partikel um diese Partikel mit dem Metallstück zu verbinden, daß

909885/0629

zwischen dem Material der Partikel und dem Metall des Metallstücks ein Legierung gebildet wird.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Partikel größer sind als 0,254 cm (0,1 inch).

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn-' zeichnet , daß die Partikel im Bereich zwischen 50 bis 300 Mesh liegen (lichte Maschenweite von 0,297 bis 0,045 mm).

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Partikelmaterial härter ist als das Metall des Metallstücks und aus der Gruppe der folgenden Materialien ausgewählt ist: Wolfram, Wolframkarbid, Wolframkarbid mit einer Kobaltmatrix, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Borkarbid, Eisen, Aluminium und Diamantstaub oder Diamantabfall sowie deren Mischungen.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall des Metallstücks ein Metall ist, welches aus der nachfolgenden Gruppe ausgewählt ist: Stahl, Blei, Silizium, Nickel, Kupfer, Aluminium und Bronze.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß zum Abkühlen ein Kühlmedium nach der Unterbrechung des elektrischen Stromes auf das geschmolzene Metall gerichtet wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Metall durch Unterbrechung des Stromes

909885/0629

erfolgt, bevor das Metall neben dem geschmolzenen Metall eine Temperatur erreicht, welche ein Selbstabkühlen oder Selbstabschrecken des geschmolzenen Metalls durch Wärmeleitung zum benachbarten Metall verhindern würde.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der genannte Bereich in der Atmosphäre eines inerten Gases erwärmt wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der genannte Bereich in einer Atmosphäre eines Reduktionsgases erwärmt wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel vor dem Erwärmen des Metalls des genannten Bereiches auf diesem Bereich abgelegt werden.

13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel durch Einpressen in das geschmolzene Metall des Bereiches eingesetzt werden.

14. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel während des Erwärmens des genannten Bereiches durch ein isolierendes Teil im genannten Bereich gehalten werden.

15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Metallstück einerseits und den Kontakten sowie dem Annäherungsleiter andererseits eine Relativ-

909885/0629

bewegung erzeugt wird, daß in Richtung quer zur Länge des genannten Bereiches die Partikel eingesetzt werden und daß sukzessive gleicherweise eine Erwärmung und ein Kühlen zumindest eines weiteren Bereiches auf dem Metall erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 15,dadurch gekennzeichnet, daß das Metallstück absatzweise bewegt wird und daß der Strom vor jedem Absatz unterbrochen wird.

17. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß das Metallstück kontinuierlich bewegt wird und daß der Strom dann unterbrochen wird, wenn das Metall des genannten Bereiches die Endtemperatur erreicht hat.

18. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontakte kontinuierlich mit Strom versorgt werden und daß das Metallstück bewegt wird, um die Stromversorgung zum genannten Bereich zu unterbrechen, wenn der genannte Bereich die gewünschte Temperatur erreicht hat.

19. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stück einerseits und den Kontakten sowie dem Annäherungsleiter andererseits während der Erwärmung des genannten Bereiches in Längsrichtung des Bereiches eine Relativbewegung erzeugt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Stück kontinuierlich bewegt wird, daß der Strom kontinuierlich zu den Kontakten geführt wird und daß die Partikel kontinuierlich auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls gebracht werden.

9098 8 5/0629

21. Verfahren nach Anspruch 20,dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel in das Metall des genannten Bereiches gepreßt werden, nachdem die Partikel auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls aufgebracht wurden.

22. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Näherungsleiter ein Paar von Leitern umfaßt, wobei dieses Paar von Leitern so angeordnet ist, daß sie zusammen im wesentlichen die gesamte Länge des genannten Bereiches überspannen und daß ein Leiter mit dem ersten Kontakt und der andere Leiter mit dem zweiten Kontakt verbunden ist.

23. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Annäherungsleiter ein Einzelleiter ist, welcher mit dem ersten Kontakt verbunden ist und die gesamte Länge des genannten Bereiches überspannt.

24. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Metalls entlang der Länge des genannten Bereiches veränderlich ist, um von einander im Abstand liegende Metallstreifen zu bilden, in die Partikel eingebettet sind.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß die Erwärmung durch Veränderung der Form des Näherungsleiters, 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 elektrischen

909885/0629

Leitfähigkeit höher als die elektrische Leitfähigkeit des Metalls des Metallstücks auf und in Berührung mit dem Metall der Zwischenräume zwischen den ausgebildeten beabstandeten Metallstreifen, und zwar vor der Beaufschlagung des genannten Bereiches mit dem elektrischen Strom, abgelegt wird.

27. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Metalls zumindest in der Nähe eines Kontaktes dadurch reduziert wird, daß der elektrische Strom zum Stück über ein Paar von auf dem einen Kontakt befindlichen Flächen angelegt wird, wobei diese Flächen auf dem Stück anliegen, so daß der Strom einem Paar von dem Kontakt benachbarten Wegen folgt.

28. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet , daß der Strom eine Frequenz von zumindest 50 KHz hat, daß die Dauer des Stromes geringer als 1 s ist, daß die Größe des Stromes so ist, daß. eine Energiedichte von zumindest 20 KW pro cm² erzeugt wird, daß die Breite des Annäherungsieiters weniger beträgt als 1,27 cm (1/2 inch) und daß der Abstand zwischen dem Annäherungsleiter und der Oberfläche des genannten Bereiches weniger beträgt als das Zweifache der Breite des Näherungsleiters.

29. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe bzw. Stärke des Stromes während der Erwärmung des Metalls des genannten Bereiches verändert wird.

30. Verfahren zum Einbetten einer Vielzahl von diskreten Partikeln in einen Oberflächenbereich eines Metallstückes,

909885/0629

wobei das Partikelmaterial einen Schmelzpunkt hat, welcher höher liegt als der des Metalls des Metallstücks und daß dessen mechanische Eigenschaften vom Metall des Metallstücks unterschiedlich ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Metall des genannten Bereiches der Oberfläche des Metallstücks zumindest auf die Schmelztemperatur erwärmt wird, ohne jedoch das benachbarte Metall auf die Schmelztempe-■ ratur zu erwärmen, wobei die Erwärmung mit einem elektrischen Strom einer Frequenz von zumindest 3000 Hz erfolgt, welcher in den genannten Bereich strömt, während ein Strom derselben Frequenz einen Leiter durchströmt, welcher den genannten Bereich überspannt, wobei jedoch dieser Strom jederzeit dem Strom im genannten Bereich entgegengesetzt fließt, und wobei der Leiter nicht mehr von der Oberfläche des genannten Bereiches entfernt liegt, als das Fünffache der Breite des Leiters in einer Richtung im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Metallstücks, daß die Materialpartikel in das Metall des genannten Bereiches eingesetzt werden, während dieses Metall geschmolzen wird und daß die Abkühlung des Metalls erfolgt, wodurch sich an der Oberfläche des Metallstücks ein Bereich ausbildet, welcher diskrete Materialpartikel enthält, die in einer festen Matrix des Metalls eingebettet sind, wobei das Abkühlen erfolgt, bevor die meisten Partikel vollständig geschmolzen sind, so daß zumindest die meisten zugefügten Partikel in ihrer ursprünglichen Form weiter bestehen, obwohl Oberflächenbereiche derselben angeschmolzen sein können.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet , daß der Strom in dem genannten Bereich dadurch fließt, daß das Metallstück mit Kontakten in Berührung steht, die das Metallstück an gegenüberliegenden Enden des genannten Bereiches be-

909885/0629

rühren und die mit einer Stromquelle verbunden sind/ wobei zumindest ein mit der Stromquelle verbundener Kontakt mit dem Leiter in Serie geschaltet ist.

32. Verfahren nach Anspruch 30, d a d 'u r c h g e k e η η zeichnet, daß der genannte Bereich die Form eines geschlossenen Verlaufes hat und daß der Leiter als Induktionsspule ausgebildet ist, die mit einer Stromquelle verbunden ist, wobei der Leiter im wesentlichen dieselbe Form hat wie der genannte geschlossene Verlauf.

90988 5/0629