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Verfahren zum schmelzflüssigen Überziehen von Metallen mit Aluminium
Es ist bekannt, daß das Überziehen, von Metallen mit Aluminium oder Aluminiumlegierungen
Schwierigkeiten bereitet und praktisch bisher nicht durchgeführt werden kann, weil
die gegebenenfalls erzeugten Überzüge nicht fest haften.
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Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zum schmelzflüssigen Überziehen,
bei dem feste und dauerhafte Aluminiumübierzügeerhalten werden. Das Verfahren besteht
darin, daß das Metall vor dem Eintauchen in das Aluminiumschmelzbad in einer Wasserstoffatmosphäre
bei einer Temperatur von etwa i ooo° vorbehandelt wird. Eine Vörbehandlung durch
Wasserstoff ist an sich bekannt, jedoch wurde diese bisher nur beim Verzinken und
Verzinnen vorgenommen.
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Abgesehen hiervon, ist es bei dem Verfahren nach der Erfindung noch
wichtig, eine bestimmte Temperatur von etwa iooo° einzuhalten. Solche Temperaturen
wurden bisher nicht angewendet, und @es zeigt sich, daß gerade die Anwendung der
Wasserstoffvorbehandlung im Zusammenhang mit bestimmten Temperaturen eine Art Sättigung
der Oberfläche und des Metalls mit Wasserstoff herbeiführt, was zur Folge hat, daß
später der Aluminiumüberzug in ausgezeichneter Weisehaftet.
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Die Durchführung des Verfahrens geschieht am besten so, daß das Metall
bis auf Rotglut erhitzt wird, wonach. noch vor der Behandlung mit Wasserstoff eine
Behandlung mit einer Borverbindung stattfindet. Hierzu wird z. B. eine Lösung von
Borsäure oder Borax oder eine wäßrige Lösung eines anderen Borsalzes mit tiefliegendem
Schmelzpunkt benutzt.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht dann noch darin, daß
beim schmelzflüssigen Überziehen das Metall so in das Aluminiumbad hinein- und herausgebracht
wird, daß die Oberflächenbeile des Metalls dem Bade .alle die gleiche Zeitspanne
ausgesetzt ;sind.
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Das Verfahren ist in der nachfolgenden Beschreibung an Hand eines
Ausführungsbeispieles erläutert.
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Auf der Zeichnung zeigt: Abb. i ein Schaubild zur Erläuterung des
Verfahrens, Abb. z und 3 eine Seitenansicht und einen senkrechten Schnitt eines
Ofens, der geschmolzenes Aluminium oder eine Aluminium-
Legierung
enthält und in dem die Gegenstände mit einem Überzug versehen werden, Abb. q. einen
senkrechten Schnitt durch eine :-weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach der
Erfindung, Abb. 5 eine Wiedergabe einer Mikrophotographie eines Querschnitts durch
einen mit ' einer aluminiumreichen Legierung überzogenen Draht gemäß der Erfindung,
wobei der Draht wegen des Photographierens in einer Matrize eingeschlossen ist,
Abb. 6 ein Schaubild zur Erläuterung einer Abänderung des Verfahrens.
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Aluminium oxydiert sehr leicht in geschmolzenem Zustand, und der Oxydfilm
oder die Oxydschicht, die sich auf der Oberfläche eines Bades .aus geschmolzenem
Aluminium bildet, besitzt eine hohe Oberflächenspannung, die zusammen mit der geringen
Dichte des geschmolzenen Aluminiums dem Eindringen in einem erstaunlichen Maße Widerstand
leistet. Der Oxydfilm wird stark unter die Oberfläche des Bades gedrückt, wenn metallische
Gegenstände, z. B. -eine Stahlstange oder -draht, auf die Oberfläche des Bades gedrückt
werden: Der Film kann mit dem Metall zu einer sehr beträchtlichen Tiefe unter die
Oberfläche des Bades gedrückt werden, ohne daß er zerreißt. Außerdem scheint geschmolzenes
Aluminium m einer ähnlichen Weise ,auf metallische Gegenstände zu wirken, die einen
Oxydüberzug oder einen Oxydfilm besitzen. Diese Zwischenschaltung des Oxydfilms
zwischen Metall und Aluminium ist offensichtlich der Grund gewesen, weswegen es
nicht möglich war, einen fest haftenden Oberzug von Aluminium bei früheren Versuchen
herzustellen, die gemacht wurden, um Metall durch Eintauchen in ein Aluminiumbad
mit Aluminium zu überziehen.
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Zur Durchführung des Verfahrens ist es notwendig, daß in bekannter
Weise die Oxyde von dem zu überziehenden Metall entfernt werden und daß ferner das
Hineindrücken des Metalls durch einen Oxydfilm vermieden wird und daß schließlich
das Anhaften von Aluminiumoxyd aus dem Aluminiumbad auf dem zu überziehenden Gegenstand
vermleden oder auf ein Mindestmaß eingeschränkt wird. Diese Bedingungen werden erfüllt,
indem der zu überziehende metallische Gegenstand in das Aluminiumbad unterhalb des
Oxydfilms eingebracht wird oder indem man den Oxydfilm auf der Oberfläche des geschmolzenen
Aluminiums tatsächlich praktisch vermeidet und indem das Metall, bevor es in das
Aluminiumbad .eingebracht; mit Wasserstoff behandelt wird, wodurch. Oxyde vollständig
reduziert und beseitigt werden und die Oberflächenschicht des metallischen Gegenstandes
mit Wasserstoff geladen oder gesättigt wird: Das Metall wird ferner vorzugsweise
mit einer Borverbindung überzogen, die .einen tiefliegenden Schmelzpunkt besitzt,
wie z. B. Borsäure öder Borax, und zwar bevor das Metall in dös Aluminiumbad gelangt
und nachdem .Alühspan usw. durch Beizen beseitigt ist.
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`"` Das in Abb. i veranschaulichte, vorzugsweise benutzte Verfahren
geht im wesentlichen folgendermaßen vor sich: Als Beispiel wurde die Behandlung
von Stahldraht gewählt, der überzogen werden soll. Der Draht wird, falls eine Säuberung
oder eine Beseitigung von Glühspan usw. notwendig ist, vorzugsweise zunächst durch
eine Beiz- oder Reinigungsvorrichtung io geführt, die .aus einem Trog mit einer
Lösung aus Salzsäure oder einem Alkalibad oder irgendeiner gewünschten Mischung
von Reinigungsmitteln bestehen kann. Hier wird die Oberfläche des Drahtes von Glühspan,
Oxyden, Fett usw. befreit. Der gesäuberte Draht wird dann vorzugsweise durch eine
Lösung von Borsäure (vorzugsweise eine konzentrierte Lösung, eine 7 %ige Lösung,
wurde benutzt) oder eine Lösung von Borax oder einem anderen Borsalz mit einem tiefliegenden.
Schmelzpunkt geführt. Die Lösung befindet sich in einem Trog 1q.. Vor dem Einführen
des Drahtes in die Borsäurelösung wird der Draht vorzugsweise auf Rotglut erhitzt,
z. B. 6öo° C. Hierdurch wird das den Draht unmittelbar umgebende Wasser ausgetrieben
und die Lösung auf den Draht konzentriert. Das Erhitzen kann in einem Ofen 12 vor
sich geben, der erhitzte Luft enthält.
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Die obenerwühntellehandlung mittelsWasser-Stoff, durch die also eine
gewisse Sättigung der Oberflächenschicht mit Wasserstoff herbeigeführt wird, kann
auf folgende Weise vor sich gehen: Der DrahtX wird durch die Wasserstoff enthaltende
Kammer 16 hindurchgeführt. Die Länge der Wasserstoffkammer und die Temperatur, auf
die der Draht darin erhitzt wird, ist so gewählt, daß der Draht vollständig desoxydiert
und seine Oberflächenschicht mit Wasserstoff gesättigt oder geladen wird, bevor
der Draht in das Aluminium- oder Aluminiumlegierungsbad gelangt. Ein Ofen, der Wasserstoff
enthielt und der auf eine Temperatur von iooo° C erhitzt wurde; wobei der Draht
im wesentlichen eine gleichmäßige Temperatur erreichte, wurde benutzt. Umeine wirksame
Vorbehandlung in der angegebenen Weise hervorzubringen, werden hohe Temperaturen
angewendet. Bei Stahldraht werden Temperaturen von ungefähr goo° C und darüber gebraucht,
und. in diesem Falle sind Mischungen von Stickstoff mit Wasserstoff praktisch. In
gleicher Weise sind dies Mischungen von Kohlenoxyd und Kohlendioxyd
mit
Wasserstoff. Derartige Mischungen ermöglichen die- Ausnutzung gewisser industrieller
wasserstoffhaltiger Gase als wirtschaftliche Wasserstoffquelle. Solche Gase sin-i
z. B. Gichtgas und Blaugas. Indessen sollten Gase mit ungesättigten Kohlenwasserstoffen
vermieden werden.
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Der Ofen ist, wenn er in Verbindung mit dem Aluminiumtiegel steht,
vorzugsweise; dicht geschlossen, um eine Mischung des Wasserstoffes mit Sauerstoff
oder Luft .oder anderen Gasen, die gegenüber Aluminium ,aktiv sind, zu verhüten.
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Es ist wichtig, eine mit dem Aluminiumbad in Berührung stehende Gasschicht
zu benutzen, die praktisch frei von Sauerstoff und anderen, gegenüber dem Aluminium
aktiven Gasen ist, um hierdurch die Bildung eines Oxyd- oder anderen Films. auf
dem Aluminium an Ein- und Austrittsstellen auf ein Mindestmaß zu beschränken oder
praktisch ganz zu vermeiden.
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Anstatt das Metall durch erhitzten Wasserstoff in der Kammer 16 zu
erhitzen, kann es in vielen Fällen selbst erhitzt werden, um die gewünschte Oberflächentemperatur
zu erhalten.
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Wie in Abb. 6 gezeigt ist,, kann durch das Metall ein elektrischer
Strom geschickt werden. Der Strom fließt mit Hilfe von Kontaktrollen c, c' o. dgl.
durch den Draht -oder das Metall. Wenn der üb:erzugbehälter 14 benutzt wird, kann
ein Kontakt (Kontakt c) vor dem Behälter 14 liegen, so daß das Metall vor dem Eintritt
in diesen Behälter erhitzt wird. Wenn die Lösung einer Borverbindung oder ein Äquivalent
hiervon benutzt wird, wird das Metall mit einer Glasur versehen, die bei Temperaturen
über ihrem Schmelzpunkt dem Wasserstoff ein Durchdringen bis zum Draht ermöglicht
und die andererseits ein Herausgehen des Wasserstöffes verzögert, wenn der Draht
sauf dem Wege zwischen dem Wasserstoffofen und dem Aluminiumbad der freien Atmosphäre
,ausgesetzt oder einer Abkühlung unterworfen ist.
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Aus dem Ofen 16 läuft der Draht in das geschmolzene Aluminium oder
die ,geschmiolzene Aluminiumlegierung, und zwar derart, daß ein Hindurchgehen durch
einen Aluminiumoxydfilm vermieden wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der
Draht in das Aluminiumbad unterhalb der Oberfläche eintritt, so z. B. durch Einführen
mittels einer Mündung oder öffnung 2o eines Tiegels 22 mit geschmolzenem Aluminium,
wie dies Fig.2 und 3 zeigen. Die Mündung 2o liegt in der Wandung des Tiegels unter
der Oberfläche 24 des im Tiegel enthaltenen geschmolzenen Aluminiums. Der überzogene
Draht tritt Bannaus dem- geschmolzenen Aluminium entweder durch eine öffnu:ng 26,
.ähnlich der öffnung 20, in die Wandung des Tiegels 22 unterhalb der Oberfläche
24 aus oder @er wird unmittelbar aus dem Bad durch die Oberfläche desselben und
die Öffnung des Tiegels 22 herausgezogen. Es ist sehr erwünscht, daß die dem Bad
zugewendete Seite der Eintritts-oder Austrittsüffnung oder beider verengt ausgeführt
ist, so daß die Oxydation bis auf einen vernachlässigbanen Wert herabgemindert wird,
wodurch ein Anhaften von Aluminiumoxyd auf dem überzogenen metallischen. Gegenstand
verhindert wird.
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Der Draht kann auch in das ,geschmolzene Aluminium unter Vermeidung
des Hindurchführens durch einen Oxydfilm .eingeführt werden, indem er in ein Bad
durch dessen Oberfläche eintritt, wobei das Bad auf seiner Oberfläche frei von Oxyd
ist, wie dies in Abb.4 dargestellt ist. Die Oberfläche des geschmolzenen Aluminiums
kann dadurch frei von Oxyd gehalten werden, daß sie mit einer reduzierenden Gasschicht
,aus reinem Wasserstoff, der im wesentlichen frei von Sauerstoff ist, bedeckt wird
usw., wie dies weiter oben beschrieben wurde.
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Wie in Abb.4 dargestellt, ist der Tiegel 22 mit einer Haube oder einem
Decke13o versehen, der öffnungen 32 und 33 besitzt, durch die der Draht hinein-
und heraustritt. Um den Draht in das Bad ein.- und aus diesem herauszuführen, kann
man eine Führung oder eine Rolle 35 vorsehen. Unter die Haube 30 kann mit Hilfe
von Rohren 37 Wasserstoff eingeführt werden.
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Um den Draht oder einen anderen metallischen Gegenstand fortlaufend
durch das Aluminiumbad hindurchzuziehen und denMittel überzogenen Draht aufzuspeichern,
können , z. B. :eine Rolle 39, vorges-ehen sein. Brei einer praktischen Durchführung
des Verfahrens wurde ein Draht von 0,3I6 mm Durchmesser verwendet und dabei: eine
Ziehgeschwindigkeit für den Draht von 3,3 bis 6,5 m/Min. benutzt.
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Der mit Aluminium überzogene Gegenstand wird vorzugsweise, nachdem
@er das Aluminiumbad verlassen hat und während der Aluminiumüberzug noch weich ist,
auf einer Abstreifvorrichtung behandelt, um überflüssiges Aluminium zu entfernen
und die Dicke des Aluminiumüberzuges zu regeln. In Abb. I und 6 ist eine Abstreifvorrichtung
45 schematisch dargestellt.
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Das Aluminium kann im Tiege122 durch Gasbrenner 40 oder andere geeignete
Mittel geschmolzen gehalten werden.. Der Tiegel kann von Wänden 42 umgeben sein.
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Bleche, Stäbe; Stangen usw. können ist gleicher Weise mit Aluminium
überzogen werden. Eine bestimmte Form besitzende Gegenstände, wie z. B. hohle Metallwaren,
Nägel usw., und zwar die verschiedensten
Gegenstände; können nach
dem Verfahren der Erfindung mit Aluminium oder einer Aluminiumlegierung überzogen
werden.
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Wenn eiserne Gegenstände mit dem ge-
schmolzenen Aluminium oder
der Aluminiumlegierung in Berührung kommen, bildet sich auf der Oberfläche des eisernen
Gegenstandes eine Legierungsbindeschicht aus Aluminium und Eisen. Damit die Dicke
dieser Bindeschicht bei den einzelnen Gegenständen im wesentlichen gleichmäßig ist,
werden diese derart in das Aluminiumbad und aus diesem herausgebracht, daß alle
Teile dem Aluminium eine gleiche Zeitlang ausgesetzt sind. Diese Bedingung wird
dadurch erfüllt, daß Draht, Bleche, Stäbe o. dgl. mit einer im wesentliehen gleichmäßigen
Geschwindigkeit hindurchgezogen werden, so daß jeder Teil bzw. jede Stelle des Gegenstandes
in das Bad hinein und aus diesem heraus im gleichen Zeitraum kommt. Kleine Gegenstände
werden in das Bad eingetaucht, -so daß sie mit allen Stellen im wesentlichen zur
gleichen Zeit in das Bad gelängen. Sie werden dann nach Verlauf eines geeigneten
Zeitabschnitts wieder aus dem Bad herausgenommen. Es sei. überdies bemerkt, daß
die Zeit, während der die Gegenstände dem Aluminium ausgesetzt sind, verhältnismäßig
kurz ist.
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Bei mit Aluminium überzogenem Metall, die den bei der Herstellung
von überzogenen metallischen Gegenständen gewöhnlich angewendeten Metallbearbeitungsverfahren
unterworfen sind, ist die Zeit, während der der metallische Gegenstand dem Aluminium
ausgesetzt ist, vorzugsweise derart, daß nur eine dünne Bindeschicht von Aluminium-Eisen-Legierung
zwischen dem .eisernen Gegenstand und dem Aluminiumüberzug gebildet-wird, da die
Aluminium-Eisen-Legierung genau so wie die Zink-Eisen- und die Zinn-Eisen-Legierungen
für sich meistens hart und spröde sind. Aus diesem Grunde wird die Bindeschicht
dünngehalten, damit sie sich mit dem eisernen Grundkörper ohne Ablösen und Brechen.
biegt. Eine Dicke von 50,8 bis 76,2/io ooo mm hat sich für die Legierungsbindeschicht
als geeignet erwiesen, um einem Biegen Widerstand zu leisten, ohne daß sich an der
Biegestelle Korrosion zeigt, wenn der metallische Gegenstand Prüfungen auf Korrosion
unterworfen ist: Legierungen und insbesondere Legierungen mit Aluminium als Grundlage
und ferner auch handelsübliches Aluminium können nach der Erfindung für den fest
haftenden. Überzug angewendet werden. Der Ausdruck Aluminium ist so zu verstehen,
daß er Aluminium und Aluminiumlegierungen deckt, in gleicher Weise ist der Ausdruck
Wasserstoff so zu verstehen, daß er Wasserstoff enthaltende Gase deckt mit Ausschluß
von Gasen, die in der angegebenen Weise schädlich wirken.
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Draht- und flache Streifen, die mit Aluminium nach der Erfindung überzogen
werden, sind glatt und glänzend. Der Aluminiumüberzug haftet fest und erstreckt
sich im wesentlichen gleichmäßig über das ganze Metall, das mit ihm überzogen ist.
Der Aluminiumüberzug einschließlich der Legierungsbind4eschicht zwischen dem Aluminiumüberzug
und dem Grundkörper ist im wesentlichen gleichmäßig in der Dicke. Überzogene Metallteile
können scharf gebogen werden, ohne daß der Aluminiumüberzug abspringt und an der
Biegungsstelle zerstört wird. Außerdem tritt kein Abbröckeln des Metalls, nachdem
es das Verfahren durchgemacht hat, infolge des Wasserstoffes oder eines anderen
Grundes, insbesondere bei Eisengegeriständen, ein. Der Aluminiumüberzug 5o (Abb.
5) bildet mit dem Grundkörper oder der metallischen Grundlage 52 ein Stück. Die
Bindeschicht 5¢ stellt eine Aluminiumlegierung mit dem Metall dar, auf das der Aluminiumbezug
aufgebracht wird, Eine Matrize 56 umgibt in Abh. 5 den überzogenen Gegenstand, damit
der vergrößerte Schnitt durch den überzogenen Draht photogxaphiert werden konnte.
Versuche zeigen, daß das mit Aluminium nach der Erfindung überzogene Metall sehr
stark korrosions- und oxydationsbeständig ist, und zwar sowohl bei gewöhnlichen
als auch bei -hohen. Temperaturen.
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Versuche zeigen ferner, daß derartig mit Aluminium überzogene Gegenstände
gegenüber Frucht- und vegetabilischen Säuren öder Verbindungen, die die meisten
Metalle angreifen, außerordentlich widerstandsfähig sind.
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Die Erfindung umfaßt andere Ausführungen; sie kann durch andere Verfahrensarten
zur Ausführung gebracht werden als die, die in der Beschreibung erwähnt und auf
der Zeichnung veranschaulicht -sind.