Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von metallischen Überzügen aus mittels eines Lichtbogens in einer Hammer verdampften Metallen. Es ist bereits ein Verfahren zur Rerstel- lung von metallischen Überzügen aus mittels eines Lichtbogens in einer Kammer ver dampften Metallen, bekannt geworden, bei dem die Verdampfungskammer in eine Düse ausläuft,
die von einer zweiten durch Druck luft betriebenen Saugdüse zum Absaugen der in der Kammer entwickelten Metalldämpfe umgeben .ist. Dieses bekannte Verfahren. eignet sich aber nur für relativ niedrig schmelzende Metalle, während es zur Ver dampfung von hochschmelzenden Metallen, wie Wolfram, Chrom, Titan, Hafnium, Molybdän, Tantal, V anadium, Zirkon und dergl. nicht geeignet ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallischen Überzügen aus mittels eines Lichtbogens in einer Kammer verdampften Metallen, welches sich ,dadurch. auszeichnet, dass die Verdampfung in einer Druckkammer geschieht, in welcher ein er höhter Druck durch Zufuhr eines Hilfs- druckmittels aufrecht erhalten wird, und dass das im Lichtbogen verdampfte Metall durch wenigstens eine in der einen:
Elektrode ange- brachte Öffnung aus der Druckkammer durch das abströmende Hilfsdruckmittel heraus geführt wird. Das zu verdampfende Metall kann dabei in an sich bekannter Weise in. den Lichtbogen eingeführt werden.
Die Elek troden können dabei aus Elektrodenkohle be- stehen. In vielen Fällen ist es, vorteilhaft, dass das zu verdampfende Metall oder eine Legierung -die Elektrode, z. B. die positive Elektrode, bildet. Als positive Elektrode kann auch eine Elektrodenkohle mit Metall seele -dienen:.
Die mit einer Öffnung versehene zum Beispiel negative Elektrode kann aus dem gleichen Metall wie die positive Elektrode, zum Beispiel aus einem hochschmelzenden Metall wie Wolfram bestehen.
Da es er wünscht ist, dass die durchbohrte Elektrode, meistens die negative, nicht abgeschmolzen bezw. verdampft wird, wird sie vortcilhaft aus Hartmetall oder ans hochschmelzenden Metallkarbiden, wie Titanka.rbid. Zirkon- ka.rbid, Hafniumkarbid, Niobiumkarbid, Tau talkarbid, Wolframkarbid. Molybdänkarbid,
oder auch aus hochschmelzenden Nitriden. wie Tantalnitrid oder Zirkonnitrid. Titan nitrid, hergestellt. Es können aber auch Ge mische dieser Stoffe verwendet werden, ge- gebetienfall,s in Mischung mit Graphit.
Als Hilfsdruckmittel kann man vorteil haft Gase, wie Wasserstoff, Stickstoff, Helium oder dergl. verwenden, welche den aus der Elektrodenöffnung austretenden Me- talldampfstrahl vor der Oxydation durch die Luft schützen. Das Hilfsdruckmittel kann aber auch ganz oder teilweise aus Dämpfen. z.
B. von Kohlenwasserstoffen, wie Methan, Äthan, Acetylen oder dergl. bestehen. die mit dem Metalldampf unter Bildung von hochbeständigen Metall - Met < alloidverbindun- gen, wie Karbiden. in Reaktion treten. Ein Acetylenzusatz wird dabei vorteilhaft so geregelt, dass er unterhalb der Explosions grenzen bleibt.
Das 3seta.llpulver oder der Metalldraht kann vorteilhaft durch eine durchbohrte Elektrode dem in der Druckkammer brennen den Lichtbogen zugeführt werden. Das Me tallpulver oder der Metalldraht kann dabei auch von der Seite her in den Lichtbogen eingeführt werden. Das Metallpulver kann ferner vorteilhaft durch einen Hilfsgasstrom in den Lichtbogen geblasen werden und der Metalldampf bezw. das Gemisch von Metall dampf und flüssigem Metall durch eine trichterförmig ausgebildete Elektrode in der Wandung der Druckkammer abgeführt wer den.
Vielfach empfiehlt sich, das in den Lichtbogen einzuführende Metallpulver in der Druckkammer anzuordnen und durch einen vorzugsweise tangential eintretenden Hilfsgasstrom aufzuwirbeln und in die Ab leitungselektrode einzuführen. Vorteilhaft können als '-Metallpulver oder Draht hoch schmelzende Metalle, insbesondere Hart metalle, wie Wolfram, Zirkon, Tantal, oder Hartmetallebgierungen oder Leichtmetalle wie Aluminium. oder Leichtmetallegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen, wie Aluminium - Eisen - Chromlegierungen allein oder zusammen mit andern niedriger schmel zenden Metallen, wie Nickel, Kobalt, Chrom, Eisen.
Stahl verwendet werden.
Auch Metallkarbide. vorzugsweise Hart- m-etallkarbide, wie Wolframkarbid, Chrom karbid, Molybdä nkarbid, Tantalkarbid, Ni- obiumka.rbid, Vanadiumkarbid. Zirkonkarbid, Titankarbid und Hafniumkarbid, oder Metall- silicide oder Metallboride,
oder Metallnitride oder Metallphosphide können in Verbin dung mit niedriger schmelzenden Metal len, wie Metallen der Eisengruppe. Kupfer gruppe, Zinkgruppe, wie vorzugsweise Eisen, Kobalt.
Nickel. Rhodium. Kupfer, Zink, Cadmium, ferner Antimon und Wismut vor teilhaft verwendet werden, wobei naturgemäss nur das niedriger schmelzende Metall bei dem Verfahren verflüssigt bezw. verdampft wird, während das hochschmelzende Metall oder die hochschmelzende Metallverbindung im wesentlichen in fester Form bleibt. Das nie driger schmelzende Metall kann zum Beispiel als feste Elektrode, Draht oder Band dem Lichtbogen zugeführt werden, während das hochschmelzende Metall oder die hochschmel zende Metallverbindung wie Metallkarbid. z.
B. Wolframkarbid. Metallsilicid, Metall- borid, Metallphosphid, zweckmässig als Pul ver zugeführt wird. Man kann natürlich auch beide Stoffe pulverförmig verwenden, zum Beispiel in Form eines Pulvergemisches. In der Druckkammer kann ein über dem atmosphä rischen Druck liegender Druck von vorzugs weise über 5 bis 100 Atm. eingestellt werden.
Das Verfahren nach der Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Anwendung eines erhöhten Druckes in der Druckkammer die Temperatur des Lichtbogens erheblich gestci- gert werden kann. Man kann so ,je nach der Höhe des Druckes Temperaturen, die weit über der bekannten Temperatur des Licht bogens unter normalen Bedingungen liegen, erreichen.
Durch das zugeführte Hilfsdruck mittel kann die Temperatur so hoch getrie- ben werden, daB das austretende Metall- lampfgasgemisch an den zu überziehenden. -Tegenstand genügend Wärme abzugeben in ler Lage .ist, um mit .dem aufzubringenden llletalleine feste Bindung bezw. Legierung ,
inzugehen. Man kann so in manchen. Fällen Schon mit 5 bis 30 Atm. auskommen.; in an lern Fällen kann man .den Druck auch bis 100, ja 200 Atm. oder mehr steigern. Durch die Drucksteigerung in der Verdampfungs- hammerist es. möglich, die hochschmelzenden Metalle, wie Wolfram, Chrom, Molybdän, Tantal, Zirkon, Hafnium, Vanadium, in er heblicher Menge zu verdampfen.
Die Ab führung des Metalldampfes, gegebenenfalls zusammen mit geschmolzenem Metall durch die eine mit einer Bohrung versehene Elek trode direkt ins Freie bietet den Vorteil eines ununterbrochenen Dampfstrahls, wobei das austretende Gas etwa die Temperatur des Lichtbogens. annimmt.
Durch entsprechende Kühlung :der Elek troden kann man auch erreichen, dass in der Hauptsache nur auf die Lichtbogentempera- tur gebrachtes Gas, z. B. Wasserstoff oder Stickstoff ausströmt, welches infolge der hohen Temperatur allein zur Schweissung an gewendet werden kann. Das die Schweiss naht ausfüllende Material kann wie beider normalen Gasschweissung zugebracht werden.
Die Vorrichtung zur Ausübung des, er findungsgemässen Verfahrens zeichnet sich aus durch eine Druckkammer mit Zufüh- rungsleitung für das Druckmittel und mit darin angeordneter Lichtbogen - Metallver- dampfungsvorrichtung nebst Stromzuführun gen, deren eine Elektrode mit wenigstens einer Öffnung versehen ist, die mit wenig stens einer Öffnung in :der Wandung :
des Druckgefässes übereinstimmt, derart, :dass, :die Elektrodenöffnung ins Freie führt. Die Vor- richtung kann dabei eine auf einer Führungs- schiene bewegbar angeordnete, von aussen zum Beispiel durch ein Handrad einstellbare Elektrode enthalten. Ferner kann eine Kühl vorrichtung für die mit :der Öffnung verse hene Elektrode vorgesehen werden. Im Be darfsfalle kann auch eine Kühlvorrichtung für die Gegenelektrode vorgesehen werden.
In der Zeichnung ist die Vorrichtung in drei Ausführungsbeispielen je in einem Schnitt schematisch dargestellt.
In .der Fig. 1 ist 1 die Druckkammer, .die durch einen abnehmbaren Deckel 2 ver schliessbar ist. An dem Deckel ist eine Füh- rungsschiene 3 befestigt, auf der eine Halte vorrichtung 4 für die eine, z. B. die posi tive Elektrode 5, durch ein Handrad 6 mit tels einer Welle 7, :die eine Schraubenspindel 8 trägt, von aussen verstellbar ist. 9 ist eine im Deckel angeordnete Kühleinrichtung, 10.
ist -ein eingeschliffener Dichtungskörper, 11 eine Anpressvorrichtung für den Dichtungs körper, 12 ist ein Stromzuführungskabel. In der Wandung der Druckkammer 1 ist eine Zuführungsleitung 13 für das Hilfsdruck- mittel angeordnet, sowie ein mit seinem Schauglas 14 verschlossener Stutzens 15.
16 ist ein Dichtungsring. Die .dem Deckel 2 gegenüberliegende Wandung 17 -der Druck- kammer ist mit einer mittleren, Öffnung 18 und zwei seitlichen Öffnungen 19 und 20 versehen. Über diesen Öffnungen ist in der Druckkammer ein Einsatz bezw. Tragteil 2.1, der :die auswechselbare andere Elektrode 22, :die mit einer Bohrung 53 versehen ist, trägt.
24 ist ein an die Elektrode sich anschliessen der, :gleichfalls mit einer Bohrung versehener Körper, der vorteilhaft aus hochsehmelzenr dem Material besteht. Die Elektrode 22 ist gleichfalls aus hochschmelzendem Material, z.
B. aus Metallen wie Wolfram oder Hart- metallkarbiden oder :dergl. hergestellt. Fer ner ist in :dem Tragteil 21 eine Kühleinrich- tung 25 für ,die Elektrode 22 und den Kör per 24 angeordnet, deren Zuleitungsrohr 216 und Ableitungsrohr 27 durch ,die Öffnungen 19 und 20 hindurchgeführt sind.
Der Trag- teil 21 ist unter Zwischenschaltung einer wärmebeständigen Isolierschicht 28 an der uTandung des Druckgefässes gaadicht befe- stigt. Die Befestigung ist -durch<B>je</B> eine Schraubenmutter 29 und 30 bewirkt, die auf einem Gewinde sitzt, das sich auf .der Kühl- leitung 26, bezw. 27 befindet,
und die unter Zwischenschaltung<B>je</B> einer Isolierscheibe 31 und 32 an den Teil 17 der Druckkammer an- gepresst wird. Der Strom wird von der durch bohrten Elektrode durch die Kühlleitung 2 7 und die Stromleitung 33 abgeführt. 34 ist der Lielitbogen und<B>35</B> der aus der Bohrung der zum Beispiel negativen Elektrode austre tende Dampfstrahl, 3i; ist der zu behandelnde Körper.
In Fig. 2 ist 37 die Druckkammer, in d,3ren einer Wandung die auswechselbare durchbohrte Elektrode 38 mittels des mit einer mittleren (Iffnung versehenen Deckels 39 festgehalten ist.
Die Elektrode ist vor zugsweise triebterartig und diisenföi'mig aus gebildet, um eine leichte Eierausführung des geschmolzenen bezw. verdampften Aufstäu- bungsgutes zu erreichen. 40 ist die mit einer Bohrung 41 versehene Gegenelektrode. die aber auch massiv sein kann. und die in einer Hülse 42 sitzt, welche ein Schraubengewinde trägt und mit der Seliraul)s1)iiidel 43. die gleichfalls eine Bohrung 44 besitzt. verstell bar verbunden ist.
Durch die Bohrung 44 kann ein Druckgas für s:eli oder zusammen mit -Metallpulver zugeführt werden. Die Hülse 4? trägt am Ende eine Führungsnase =15, welche in einer entsprechenden Führungs- nut 46 des Verschlussstopfens 47 gleitet. der durch eine Isolierschicht -18. zum Beispiel aus Asbest oder einem andern Isoliermaterial ge genüber der Druchkammer 1 7 isoliert ist.
Der Verschlussstopfen -17 ist mittels des Deckels 49 in die Druckkammer 3 7 eingeschraubt. Das Handrad 50, gegen das sich eine Feder abstützt, dient zum Verstellen der Elektrode 40, der der Strom durch die Leitung 51 zuge führt wird. 52 ist ein Handgriff; 53 ist die Stromzuführung für die andere Elektrode 38. 54 ist ein Gefäss, welches zur Aufnahme des Metallpulvers dient und welches mit einer tangentialen Hilfsga,szufiihrung 55 und mit einer Füllöffnung 5,6 versehen ist.
Durch den Zweiweghahn 57 kann der mit. dem Metall pulver beladene Hilfsgasstrom durch die Lei tung 58 vorzugsweise tangential in die Druckkammer eingeblasen und damit dem Lichtbogen und der trichterförmigen Ablei tungselektrode seitlich zugeführt werden. Das Metallpulver kann aber auch durch die Leitung 59 der andern durchbohrten Elek trode und durch deren Bohrung dem Licht bogen 34 zugeführt werden. An der Mün dung 60 des Rohres 58 kann, wie gesstriehelt angedeutet wurde.
ein Ansatzrohr 61 vor gesehen werden, welches den Metallstaub direkt in den Elektrodentrichter zu führen gestattet. Ferner kann man das Metallpulver 62 direkt in der Druckkammer 37 lagern und durch den aus dem Rohr 58 tangential in die Druckkammer eintretenden Hilfsgasstrom aufwirbeln und dem Lichtbogen zuführen, während die Ableitung durch die durch bohrte trichterförmige Elektrode 38 erfolgt. (i 3 ist eine' L( i tung zum Zuführen eines un ter Druck befindlichen Gases.
Die Vorrichtung nach Fig. 3 unterschei det sich von der Vorrichtung nach Fig. 2 im wesentlichen nur durch .die Art der Zubrin- gung des Metallei, welches in Form einer vor zugsweise von aussen verstellbaren Draht rolle 64 in der Druckkammer derart ange ordnet ist, dass der Draht 65 dem Lichtbogen 34 durch eine F'ührun g 66 zugeleitet wird.
Der Antrieb der Rolle erfolgt von aussen mit tels der Antriebswelle 6 7 über ein Kegel radgetriebe 68. Die 'Welle 67 kann durch eine biegsame -Welle 69 mit einem nicht ge zeichneten Antriebsmotor verbunden werden.
Ferner ist die durchbohrte Elektrode 38 in der Wandung der Druckkammer 37 durch eine Schicht 70 und mit einer Stromzufüh rung 71 verbunden. isoliert. angeordnet. Der V erschlussstopfen 7 2 ist nicht isoliert in die Druckkammer eingesetzt. Man kann aber auch den Verschlussstopfen 72 durch die ge- strielielt gezeichnete Isolierung 73 isoliert einsetzen und dann die durchbohrte Elek trode 38 ohne Isolation und ohne Stromlei tung 71 verwenden, während dann der Stop fen 72 mit einer gestrichelt angedeuteten Stromleitung 74 versehen ist.
Um zu verhindern, daB sich die durch bohrte Elektrode über den Schmelzpunkt des Elektrodenmaterials erhitzt, ist eine Kühlung der durchbohrten Elektrode, z. B. eine Was- serkühlung, vorgesehen. Der in der Druckkammer herrschende Druck wird .durch .die Regelung er Zufuhr des Hilfsdruckmittels und durch die entspre chende Wahl der Grösse der Abflussöffnung in der Elektrode eingestellt.