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Beschreibung
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Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Lichtbogenspritzdüse
zum Beschichten von Werkstückoberflächen durch Schmelzen von Drähten mit einem elektrischen
Lichtbogen unter Förderung der geschmolzenen Partikel mittels eines Zerstäubergases,
wobei das Gas über eine Düse auf den Lichtbogenbereich gerichtet ist und unter Einsatz
eines Hüllgases, welches über eine Ringblende zum seitlichen Umströmen des mit den
geschmolzenen Partikeln geladenen Zerstäubergaskegels vor dem Bildungsbereich des
Lichtbogens zugeführt wird, wobei als Zerstäubergas und als Hüllgas unterschiedliche
Gase bzw. Gasgemische eingesetzt werden.
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Das Lichtbogenspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der
draht- oder röhrchenförmige Spritzzusatz in einem elektrischen Lichtbogen geschmolzen
und durch ein Zerstäubergas, wie etwa Druckluft, auf die Werkstückoberfläche geschleudert
wird. Der elektrische Lichtbogen wird zwischen den beiden Drahtenden durch Anlegen
einer Spannung und Kontaktzündung erzeugt. Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist
die geringe Beeinflussungsmöglichkeit von Parametern, so beispielsweise der Spritztropfengröße,
der unterschiedlichen kinetischen Energie der Spritzteilchen, der Einfluß des Sauerstoffes
auf die Spritzteilchen oder der hohe Abbrand der Legierungselemente.
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Liegt ein Vorteil des Lichtbogenspritzverfahrens in der Überlegenheit
gegenüber anderen thermischen Spritzverfahren, insbesondere aufgrund der hohen Wirtschaftlichkeit
durch hohe Auftragsraten, geringe Spritzverluste und vergleichsweise niedrige Anlagenkosten,
so ist allen derartigen thermischen Auftragsverfahren gemeinsam, daß sich Probleme
mit der Schichtqualität ergeben können, insbesondere dann, wenn besonders reine
Schichten oder Schichten mit definierten mechanisch-technologischen Eigenschaften
hergestellt werden sollen.
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Selbst der Einsatz von Schutzgasen führt nicht immer zum gewünschten
Erfolg, dies insbesondere aufgrund der starken Einwirbelung von schädlichen Bestandteilen
der umgebenden Atmosphäre in den Spritzstrahl. Es kommt u. a. zu einem weitgehend
unkontrollierten Abbrand von Legierungselementen des drahtförmigen Spritzwerkstoffes,
z. B. Chrom, Silicium, Mangan und Kohlenstoff und eine hieraus resultierende Verarmung
dieser Legierungselemente in den gesprühten Schichten.
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In der DE-OS 28 21 880 sind beispielsweise ein unterschiedliches
Zerstäubergas einerseits als Druckluft und ein reduzierendes oder inertes Gas als
umgebendes Gas offenbart, wobei das letztere über eine Ringdüse zugeführt, die unmittelbar
den Bildungsbereich des Lichtbogens beaufschlagt.
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In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß diese Art der Hüllgaszuführung
nicht immer zu den gewünschten Ergebnissen führen kann, da je nach Arbeitsbedingungen
durch Verwirbelung des Hüllgases auf dem Wege von dem Spritzkopf bis zur Werkstückoberfläche
umgebende Atmosphäre eingesogen wird und damit die Gefahr besteht, die aufzuspritzenden,
geschmolzenen Partikel auf dem Weg von dem Lichtbogen bis zur Werkstückoberfläche
noch zu erreichen. Damit sind, wie vorstehend bereits ausgeführt, eine Fülle von
Partikeln nicht mehr
verspritzbar. Um aber insbesondere auch gegen
Fremdluft sehr sensible Partikel verspritzen zu können und um die Atmosphäre, die
der Spritzstrahl während des Spritzens umgibt, gezielt beeinflussen zu können, reichen
die in der DE-OS 28 21 880 offenbarten Verfahrensschritte nicht aus.
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Die auf dem Markt befindlichen Spritzpistolen, wie sie beispielsweise
auch aus der DE-OS 28 21 880 und der EP-A1 51 869 bekannt sind, lassen schon sein
einiger Zeit eine komfortable Durchführung des Lichtbogenspritzverfahrens zu, allerdings
ist gerade der Einfluß der den Spritzprozeß umgebenden Atmosphäre auf die Qualität
der Beschichtung noch immer ausgesprochen groß und verbesserungswürdig.
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Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Lösung, mit der
die den Spritzprozeß umgebende Atmosphäre gezielt beeinflußbar ist, insbesondere
mit der auf die im Spritzstrahl sich befindenden kleinsten Schmelzen Einfluß genommen
werden kann, wobei auch eine hohe symmetrische Einschnürung des Spritzstrahles ermöglicht
werden soll.
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Bei diesem Verfahren der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß stromabwärts hinter dem Lichtbogen wenigstens
ein weiteres Gas bzw. Gasgemisch zugeführt wird.
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Mit der Erfindung wird die völlig neue Möglichkeit geschaffen, nach
dem Bildungsbereich des Lichtbogens und erst nach der Bildung des Spritzkegels mit
einer zusätzlichen umgebenden Schutzgashülle weiteren Einfluß zu nehmen, um beispielsweise
diesem so gebildeten Spritzkegel zusätzlich eine noch weitere Atmosphäre zur Verfügung
zu stellen, die deutlich unterschiedlich von der gegebenen Atmosphäre ist. Dies
bedeutet z. B., daß hier nicht nur sehr unterschiedliche Gasarten ausgewählt werden
können, sondern auch die Gaszuführungsgeschwindigkeiten, die Gastemperaturen, die
Feuchtigkeitsgehalte der Gase u. dgl. mehr, je nach Art und Zusammensetzung des
zu verspritzenden Materials unterschiedlich sein können.
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Die mit der Erfindung geschaffene Einflußmöglichkeit ist insbesondere
deswegen von Vorteil, da immer mehr z. B. auch nichtmetallische gegenüber der Umgebungsluft
sensible Partikel zerstäubt und als Oberflächenmaterial benutzt werden und derartige
Partikel problemlos nach dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitbar sind.
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Solche Partikel werden z. B. über gefüllte röhrchenförmige Metalleiter
dem Lichtbogen und dann der zu beschichtenden Oberfläche zugeführt.
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Des weiteren wird durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert,
daß die Hüllschicht aufbricht. Dadurch wird der Zutritt von beispielsweise Luft,
Sauerstoff oder Stickstoff und deren Reaktion mit den Schmelzpartikeln vermieden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verfahrensweise besteht
darin, daß sie nicht nur bei dem hier im Vordergrund stehenden Lichtbogenspritzen
als Beschichtungsverfahren eingesetzt werden kann, sondern auch bei anderen thermischen
Spritzverfahren oder sonstigen Auftragsverfahren. In gleicher Weise lassen sich
aber auch beispielsweise mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise Granulate aus
Stoffen mit vorbestimmbaren Eigenschaften herstellen.
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An dieser Stelle sei bemerkt, daß die in dieser Anmeldung benutzten
Ausdrücke "stromaufwärts" bzw.
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"stromabwärts" sich auf die Strömungsrichtung bzw. die Ausbreitungsrichtung
des Spritzstrahles beziehen. Hier sei auch bemerkt, daß mit dem in der Anmeldung
benutzten Wort "Hüllgas" nicht nur solche im technisch engen Sinne gemeinten Gase
angesprochen sind, die nur die Funktion eines Hüllgases ausüben. Hier können ebenso
Mischgase eingesetzt werden, die beispielsweise durch Verwirbelung mit in die Flugbahn
des Spritzstrahles eingesogen werden und dort als Reaktionsgas bzw. aktives Schutzgas
wirken, d. h. sich an der Reaktion der erschmolzenen Partikel mit beteiligen.
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Durch die am Markt befindlichen Spritzpistolen der Firma der OSU-Maschinenbau
GmbH in Castrop-Rauxel ist es bekannt, über eine Verbindung den Gasraum, der die
Drahtzuführungsdüsen umgibt, mit einer Ringblende zu verbinden, so daß das dort
befindliche Gas durch diese Ringblende etwa im Bereich der Lichtbogenbildung dort
unmittelbar austreten kann. Diese Ringblende ist auch zu entnehmen aus "Dissertation
Ertürk, VDI Verlag, Fortschritt-Berichte, Reihe 5, Nr. 92, 1985, Seite 108".
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Der wesentliche Unterschied der vorliegenden Erfindung besteht darin,
daß diese Ringblende mit einer getrennten Gaszufuhrmöglichkeit ausgerüstet ist,
so daß hier ein qualitativ und/oder quantitativ anderes Gas bzw. Gasgemisch eingeblasen
werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es durch die Zuführung wenigstens
eines weiteren Gases bzw.
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Gasgemisches stromabwärts hinter dem Lichtbogen nunmehr möglich, die
Atmosphäre um den Spritzstrahl herum gezielt und wesentlich zu beeinflussen.
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Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Zuführung des Gases oder
Gasgemisches über Radialdüsensysteme mehrstufig erfolgt, wie dies die Erfindung
ebenfalls vorsieht.
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Erfindungsgemäß kann die Zuführung des Gases kurz vor dem Lichtbogen
und/oder die des Gases hinter dem Lichtbogen in ihrer Lage veränderbar vorgenommen
werden. Damit besteht die Möglichkeit der Beeinflussung, insbesondere der Bündelung
des Spritzstrahles, wobei die Erfindung auch vorsieht, daß die Zuführung des Hüllgases
über das Radialdüsensystem veränderbar ist.
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Neben der Verfahrensweise, unterschiedliche Gase oder Gasgemische
an unterschiedlichen Stellen dem System zuzuführen, sieht die Erfindung auch eine
Lichtbogenspritzdüse vor, die zur Durchführung des vorgeschriebenen Verfahrens geeignet
ist. Dabei ist die Lichtbogenspritzdüse mit einer Zerstäubergaszuführungsdüse im
Bereich der Drahtzuführung und einer gasbeaufschlagten Ringblende, etwa in der Ebene
der Lichtbogenbildung ausgerüstet, wobei die Ringblende mit wenigstens einer eigenen
Gaszuführung ausgerüstet und stromaufwärts kurz vor dem Bildungsbereich des Lichtbogens
an der Spritzdüse angeordnet ist.
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Zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe zeichnet sich die Lichtbogenspritzdüse
nach der Erfindung dadurch aus, daß zusätzlich eine stromabwärtige Kapselung des
Kopfbereiches der Drahtzuführungsdüse vorgesehen und diese Kapselung mit wenigstens
einer eigenen Gaszuführung versehen ist.
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Eine derartige Kapselung ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens besonders nützlich, so daß ein Teil der damit verbundenen Vorteile bereits
weiter oben angesprochen worden ist. Diese erfindungsgemäße
Kapselung
stellt eine besonders vorteilhafte Ausbildung dar, da sie eine Drittgaszuführung
in die Lichtbogenspritzdüse im Bereich der Lichtbogenbildung integriert, was insbesondere
bei von Hand zu handhabenden Geräten äußerst zweckmäßig ist.
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Ein weiterer Vorteil besteht beispielsweise darin, daß durch die
eigene Gaszuführung nicht nur ein weiteres ggf. anderes Gas bzw. Gasgemisch in diesem
Bereich dem System zuführbar ist, sondern das Gas bzw. Gasgemisch kann auch in vorbestimmbaren
Mengen bei vorbestimmbaren Drücken zugeführt werden, womit sich neben der Beeinflussung
der Atmosphäre auch eine weitere Beeinflussung der Stabilität des Lichtbogens und/oder
der Geometrie des Spritzstrahles ermöglichen läßt Ferner sind der Lichtbogen und
Ringblende durch diese Kapselung vor äußeren Einflüssen und gegen evtl.
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Beschädigungen geschützt.
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In spezieller Ausgestaltung sieht dabei die Erfindung auch vor, daß
die Kapselung als eine Radialdüse mit wenigstens einer eigenen Gaszuführung derart
um den Bildungsbereich des Lichtbogens angeordnet ist, daß ihr Gasaustritt am oder
hinter dem Lichtbogenbereich vorgesehen ist. Durch diese Gestaltung läßt sich mit
einfachen Mitteln sowohl zusätzlich die Geometrie des Spritzstrahles verändern,
als auch gezielt Gase oder Gasgemische in die unmittelbare Umgebung dieses Spritzstrahles
einbringen.
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Die Erfindung sieht auch vor, daß die Radialdüse mit einer Mehrzahl
hintereinander stromabwärts angeordneter Austrittsbereiche für wenigstens ein Gas
ausgerüstet ist.
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Je nach gewünschter Zerstäubergeometrie und Beeinflussung der umgebenden
Atmosphäre des Spritzstrahles sieht die Erfindung vor, daß die Gasaustritte der
Radialdüse senkrecht und/oder im spitzen Winkel und/oder im stumpfen Winkel zur
Spritzstrahlmittelachse ausgerichtet angeordnet sind.
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Mit dieser unterschiedlichen Gestaltung, ggf. in einer einzigen Radialdüse,
läßt sich beispielsweise verhindern, daß die Umgebungsatmosphäre der Spritzpistole
in die Radialdüse als Grenzströmung eintritt, was bei bekannten Lösungen vorkommen
kann, wodurch dann die Schmelzpartikel durch die umgebende Atmosphäre nachteilig
beeinflußt werden können. Hier kann die Strahlrichtung des Gasaustrittes der Radialdüse
für Abhilfe sorgen.
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Die Erfindung sieht auch vor, daß die Gasaustritte der Radialdüse
und/oder die Lage der Ringblende einstellbar ausgebildet sind. Je nach Gestaltung
der Radialdüse kann beispielsweise ein Austritt für die Beaufschlagung oder Zumischung
von Hüll- oder Reaktionsgas erst nach einem beträchtlichen Flugweg der Partikel
vorgesehen sein, um noch während der Flugdauer auf die Spritzpartikel Einfluß nehmen
zu können. Diese Einstellbarkeit kann beispielsweise über Stellgewinde, über Kulissen
oder ähnliche Verstellmechanismen erzielt werden.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine Lichtbogenspritzdüse nach
der Erfindung.
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Die allgemein mit 1 bezeichnete Lichtbogenspritzdüse weist einen
Düsenkopf 2 auf, der innen als Hohlkammer 3 ausgebildet ist. In diese Hohlkammer
sind zwei Drahtführungsdüsen 4 eingeführt, die nur teilweise in ihren Kopfbereich
wiedergegeben sind.
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Durch die Drahtführungsdüsen 4 werden die zu schmelzenden Drähte
5 im Winkel zueinander so geführt, daß sie vor dem Spritzkopf 2 aufeinandertreffen,
so daß bei entsprechender Zündung der mit 6 bezeichnete Lichtbogen entsteht.
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In Fluglinie der Düse durchsetzt eine Düse 7 für ein Zerstäubergas
die Kammer 3.
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Die Düsenkammer 3 wird von einem Düsenkopf 8 mit einer zentrischen
Ringblende 9 abgeschlossen. Stromabwärts liegt vor der Ringblende 9 unter Bildung
eines Ringraumes 10 eine Radialdüsenscheibe 11. Der Ringraum 10 ist über eine getrennte
Gaszuführungsleitung 12 mit einem Gas oder Gasgemisch beaufschlagbar.
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Wie sich aus der Figur ergibt, ist auch der Düsenraum 3 mit einer
eigenen Gaszuführung 13 versehen, die hier an der Frontebene des Düsenkopfes vorgesehen
ist, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt wäre.
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Der stromabwärtige Bereich des Düsenkopfes 2 ist mit einer als Radialdüse
ausgebildeten Düsenfassung 14 ausgerüstet, die im dargestellten Beispiel aus drei
Teilbereichen 15, 16 bzw. 17 gebildet ist und am freien Ende von einer Ringscheibe
18 abgeschlossen ist.
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Die Radialdüsenteile 15-18 bilden Ringräume, die mit einer weiteren
Gaszuführung 19 in Verbindung stehen, durch die ein weiteres Gas bzw. Gasgemisch
in diesem Bereich einleitbar ist. In der Figur sind gestrichelt gezeichnet Gaszuführung
19a und 19b, die andeuten sollen, daß die Ringräume nicht nur mit einem Gas oder
Gasgemisch beaufschlagbar sind, sondern je nach Einsatzgebiet auch mit unterschiedlichen
Gasen.
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Es sei bemerkt, daß in der Figur auf der linken Seite eine geringfügig
von der rechten Seite abweichende Radialdüsenkonstruktion wiedergegeben ist, insbesondere,
was die Geometrie und Anordnung der Düsenspalte betrifft. Die der linken Figurenhälfte
entsprechenden Elemente der rechten Figurenhälfte tragen das gleiche Bezugszeichen,
allerdings einfach gestrichen. Die Düsenspalten 20 und 21 in der linken Figurenhälfte
sind in stromabwärtiger Richtung nach vorne geneigt angeordnet, während der Spalt
22 gegen den Strom gerichtet ist.
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Die lediglich mit 23 bezeichneten Spalte der Radialdüse gemäß der
rechten Figurenhälfte treffen im dargestellten Beispiel auf die Mittelachse 24 der
Düse im rechten Winkel.
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Es versteht sich von selbst, daß die Spalten 20-23 auch durch eine
entsprechende Vielzahl von Bohrungen ersetzt werden können.
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Nicht näher dargestellt ist im übrigen in der Figur die axiale Verschiebbarkeit
sowohl der Ringblende 11 als auch der Lage der Düsenspalten 20-23.
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Natürlich ist das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung
noch in vielfacher Hinsicht abzuändern, ohne den Grundgedanken zu verlassen. Wesentlich
ist die Möglichkeit, unterschiedliche Gase bzw. Gasgemische an unterschiedlichen
Stellen der Düse zuzuführen. Neben der dargestellten einfachen Anordnung der Ringblende
11 kann auch eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten, separat gasbeaufschlagten
Ringblenden im Düsenkopfbereich vorgesehen sein, die entweder die dargestellte Radialdüsei4
ersetzen oder in Verbindung mit dieser einsetzbar sind.
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Die nachfolgende Tabelle gibt bei unterschiedlichen Substraten mögliche
Gase bzw. Gasgemische an, wobei
dies, wie oben ausgeführt, ein wesentlichen
Bestandteil der vorliegenden Erfindung ist.
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In der Tabelle beziehen sich die Ziffern in der oberen Spalte auf
die Bezugszeichen der Figuren. Weiter bedeuten "m, x, i': Koeffizienten; (I) = flüssiger
Zustand; Me = Metall.
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Tabelle (Beispiele) Legierung/ Gase bei (Haupt)-Reaktionen bei 6 Gase
bei 19 (Haupt)-Reaktionen Werkstoff bei 5 7 12 13 stromabwärts von 6 Stahl: N2 H2
Ar Aufsticken: CH4/Luft u.a. CH4 + 1/2 O2 (Luft) # Co + 2H2 X 2 Cr Ni 188 N2, N,
N2+, N+ + Stahl (1) # Aufnahme von N im Stahl H2 + 1/2 O2 (Luft/MexOy) # H2O Reduktion:
Co + 1/2 O2 (Luft/MexOy) # CO2 H2, H, H+, H- + MexOy # Me + H2O Luft NE-Metalle
AL Ar O2 - O2, O, O-, O+ + Al(1) # AlxOy + O2 Luft gering Ti N2 N2 Ar N2, N, N2+,
N+ + Ti(1) # TixNy + N2 Ar entfällt bzw. gering Fülldraht Mantel Füllung Luft CH4
- CH4 + 1/2 O2 (Luft) # Co + 2H2 CH4/Luft gering Me MexCy / H2 + 1/2 O2 (Luft/MexOy)
# H2O CH4 Co + 1/2 O2 (Luft/MexOy) # CO2 d.h.: O2 (Luft) mit Me u. MexCy Reaktion
ist gering Me MexNy N2 N2 N2 MexNy hohe Temp. MexNy-m Ar entfällt bzw. gering MexNy-m
+ N2 + N + N2+ + N+ -hohe Temp.
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MexNy + N2, d.h. kein od. geringer Zerfall MeI MeII Ar Ar Ar Legierungsbildung
aus MeI(1) und MeII(1) CH4/Luft gering