CH490517A - Verfahren zur Herstellung eines Schutzüberzugs auf einem Gegenstand aus Kohlenstoff - Google Patents
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Description
Verfahren zur Herstellung eines Schutzüberzugs auf einem Gegenstand aus Kohlenstoff Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzüberzugs auf einem Gegenstand aus Kohlenstoff, insbesondere auf Graphitelektroden für Lichtbogenöfen, sowie eine Einrichtung, mit deren Hilfe dieses Verfahren durchgeführt werden kann. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Herstellen eines Schutzüberzugs auf einem Gegenstand aus Kohlen stoff, wobei man auf den Gegenstand aufgetragenes Material der Wirkung eines elektrischen Lichtbogens aussetzt, der zwischen dem zu überziehenden Gegenstand und einer Nebenelektrode brennt, und dabei die Oberflä che des Gegenstandes gegenüber dem Lichtbogen bewegt, ist dadurch gekennzeichnet, dass man geschmolzenes Aluminium unmittelbar auf die Oberfläche des Gegen standes spritzt, um eine dichte Aluminiumschicht zu erzeugen, auf die so erhaltene Aluminiumschicht das Überzugsmaterial in geschmolzenen oder pulverförmigem Zustand aufbringt und dann den so vorbereiteten Gegen stand der genannten Wirkung des Lichtbogens aus setzt. Die am meisten verwendeten Kohlenstofferzeugnisse sind die Elektroden für elektrothermische Verfahren und speziell die Graphitelektroden, die bei der Stahlerzeugung in Lichtbogenöfen gebraucht werden. Der Elektrodenver brauch kann durch Anwendung von Schutzüberzügen bedeutend gesenkt werden. Die bekannten Überzüge kön nen nicht für diesen Zweck gebraucht werden, da sie die notwendigen Eigenschaften überhaupt nicht besitzen. Die Schutzüberzüge der Graphitelektroden für die Lichtbogenöfen in der Stahlindustrie müssen drei sehr schweren Forderungen genügen: Zersetzungstemperatu ren über 1700 C, Widerstandsfähigkeit im stark aggressi ven Medium der Lichtbogenöfen über 20 Stunden (bis 40 Stunden) und niedrige Herstellungskosten. In letzter Zeit ist ein Verfahren entwickelt worden, nach welchem Schutzüberzüge für Graphitelektroden durch Bearbeitung mit einem elektrischem Lichtbogen erzeugt werden. Nach diesem Verfahren wird auf die Kohlenstoffoberfläche eine wässerige Suspension aus Aluminiumpulver und Siliciumkarbid, bzw. anderen hochschmelzenden Stoffen, aufgetragen. Darauf werden die aufgetragenen Pulverstoffe mit einem elektrischen Lichtbogen bearbeitet, der ununterbrochen zwischen einer kleinen seitlichen Elektrode und der zu bearbeitenden Oberfläche brennt, wobei die Oberfläche mit einer geeig neten Gechwindigkeit gegenüber dem elektrischen Licht bogen bewegt wird. Das kurze Erhitzen auf hohe Tempe raturen (2000 bis 2200 C) führt zu einer ausgezeichne ten Adhäsion zwischen dem Schutzüberzug und der Kohlenstoffoberfläche. Nach der ersten Bearbeitung mit dem elektrischen Lichtbogen erhält man eine poröse Schicht mit bedeutender Gasdurchlässigkeit. Damit diese Schicht dicht wird, bearbeitet man sie noch einmal mit dem elektrischen Lichtbogen, ohne inzwischen irgendwel che Stoffe aufzutragen. Auf das Kohlenstofferzeugnis, z.B. eine Graphitelektrode, werden gewöhnlich zwei solche Schichten aufgetragen und mit einem elektrischen Lichtbogen bearbeitet. Infolge der geringen gesamten Stärke dieser Schichten (ungefähr 0,2 mm) wird darüber Aluminium metallisiert, wodurch die Widerstandsfähig keit des Überzugs bei seinem Gebraucht in den Licht bogenöfen wesentlich verbessert wird. Die Benutzung von pulverförmigen Stoffen als Aus gangsmaterial beschränkt sehr wesentlich die Möglichkei ten dieses bekannten Verfahrens, da an erster Stelle die Fixierung mit dem elektrischen Lichtbogen bei beliebiger Zusammensetzung der Überzüge überhaupt nicht mög lich ist. Damit die Behandlung mit einem elektrischen Lichtbogen mit Erfolg verläuft, ist es notwendig, dass der gesamte Gehalt an Aluminium und Siliciumkarbid im Aufstrich ungefähr 807, beträgt, wobei der Gehalt an Siliciumkarbid mindestens 20% ausmacht. Im Betrieb hat dieses bekannte Verfahren den Nachteil, dass auf der Kohlenstoffoberfläche nur dünne Schichten, ungefähr 0,1 mm, fixiert werden können. Aus- serdem ist die wiederholte Lichtbogenbehandlung zur Herstellung einer dichten Struktur schwer durchführbar, da die Schicht, die schon einmal mit dem elektrischen Lichtbogen behandelt war, nicht mehr die nötige Elektro nenemission liefern kann. Dieses bedingt sowohl die niedrige Produktionsleistung dieses Verfahrens, als auch die bedeutende Wahrscheinlichkeit einzelne gasdurchläs sige Flecke zu erhalten. Hauptaufgabe- der vorliegenden Erfindung ist es, ein solches Verfahren zu schaffen, durch welches bei Be handlung mit einem elektrischen Lichtbogen mit Erfolg Überzüge mit beliebiger Zusammensetzung auf Kohlen stoffoberflächen fixiert werden können. Durch Auswahl geeigneter Zusammensetzungen können verschiedenartige Überzüge mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften erhal ten werden, die diese oder jene Anforderungen gemäss den Gebrauchsbedingungen befriedigen. Die zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, dass mit einem elektrischen Lichtbogen erfolgreich Schichten bearbeitet werden können, die eine mehrfach grössere Menge an Ausgangsstoffen enthalten. Die dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und die relative Geschwindigkeit der zu bearbeitenden Oberfläche gegen über dem elektrischen Lichtbogen, in weiten Grenzen ändern zu können. Dadurch wird die Möglichkeit ge schaffen, verschiedene Ergebnisse zu erhalten - von der völligen Homogenisierung der Ausgangsmaterialien bei starker Lichtbogenbearbeitung bis zu Mikroschichtüber- zügen oder leichter Oberflächenschmelzung bei milder Bearbeitung. Die Erweiterung der Grenzen, in denen Stromstärke und relative Geschwindigkeit verändert wer den können, gestattet eine bedeutende Leistungssteige rung der Lichtbogenbearbeitung zu erreichen. Dieses wird erfindungsgemäss durch Ausnutzung der überraschenden Tatsache erreicht, dass eine dichte Alu miniumschicht mit feindisperser Struktur sehr gut auf der Kohlenstoffoberfläche durch Bearbeitung mit einem elektrischen Lichtbogen fixiert werden kann. Es war nicht vorhersehbar, dass es möglich ist, auf der Kohlen stoffoberfläche Metalle zu fixieren, die keine starken Karbidbildner sind. Beim Überhitzen im elektrischen Lichtbogen müssten die Oberflächenkräfte das geschmol zene Metall in kugeligen Tröpfchen zusammenbringen, die darauf von der Oberfläche abfallen. In der Praxis geschieht dieses mit vielen Metallen, z.B. Kupfer, Eisen, Zinn usw. Es wurde festgestellt, dass die Bearbeitung mit einem elektrischen Lichtbogen Aluminium weder zerreisst, noch in Tröpfchen zusammenballt, sondern dieses sehr gut als dichte ununterbrochene Schicht fixiert. Diese unerwartete Eigenschaft des Aluminiums beruht auf der hohen Oberflächenspannung der ausserordentlich dünnen Alu miniumoxidschicht, die die einzelnen Aluminiumkörper dicht umhüllt. Ausserdem wurde auch die Gesetzmässigkeit festge stellt, dass beim Vorhandensein einer unterliegenden Aluminiumschicht, die eine Stärke sogar unter 20 Mikron aufweisen kann, auf der Oberfläche verschiedenste Stoffe durch Bearbeitung mit einem elektrischen Lichtbogen fixiert werden können. So können zum Beispiel als Überzugsmaterial mit Erfolg sogar Edelmetalle verwen det werden, obwohl es prinzipiell ganz unmöglich ist, eine Adhäsion zwischen ihnen und den Kohlenstoff zu errei chen. In der Praxis beginnt die Herstellung von Schutzüber zügen immer mit dem Herstellen einer Aluminiumschicht nach den bekannten Metallspritzverfahren. Danach wer den auf diese Schicht nach bekannten Verfahren die gewünschten überzugsmaterialien aufgetragen, worauf die Bearbeitung mit dem elektrischen Lichtbogen durch geführt wird. Es ist wünschenswert, Metalle auf die Aluminium schicht ebenfalls durch Spritzen im geschmolzenen Zustand aufzutragen. In diesem Falle können mit Erfolg mit dem elektrischen Lichtbogen Schichten bear beitet werden, die mehrfach grössere Mengen der ge wünschten Metalle enthalten, als wenn dieselben Metalle als Pulver in Suspensionen aufgetragen werden. Auf das Aluminium oder auf die darüberliegenden Metalle wird fast immer ein Aufstrich von pulverförmi gen Stoffen als Suspension aufgetragen. Die Zusammen setzung des Aufstrichs wird nach verschiedenen Erwä gungen festgelegt, z.B. Elektronenemissionen, Einführung gewünschter Legierungselemente im Überzug, Fixierung gewünschter Stoffe auf der überzugsoberfläche u.a. Zur Verbesserung der Elektronenemission werden alumother- mische Mischungen, Bariumverbindungen, Graphit, hochschmelzende Stoffe usw. verwendet. Wenn man eine Legierung mit dem Aluminium oder mit den überzugs- metallen erreichen will, können sowohl die freien Ele mente, als auch ihre passenden Verbindungen verwendet werden. Oft werden in dem Aufstrich die Oxide der Legierungselemente benutzt, um dabei auch die Elektro nenemission der alumothermischen Reaktionen zu ver werten. Der Aufstrich kann auch Stoffe enthalten, die sich bei bestimmten Bearbeitungsbedingungen nicht mit dem Schutzüberzug legieren, sondern auf der Oberfläche fixiert bleiben und dadurch gewünschte Oberflächen eigenschaften sichern. Das beschriebene Verfahren erfordert nicht unbedingt den Gebrauch von hochschmelzenden Stoffen, wie Karbi- de, Nitride usw. Dies ist ein wertvoller Vorzug, da bei mehrschichtigen I7berzügen die hochschmelzenden Stoffe manchmal die Eigenschaften verschlechtern. Nach Auftragung aller Ausgangsstoffe für die gegebe ne Schicht folgt die Bearbeitung mit dem elektrischen Lichtbogen. Letzterer wird zwischen dem Erzeugnis und einer kleinen seitlichen Elektrode erzeugt, die vorzugs weise senkrecht zu der zu bearbeitenden Oberfläche steht. Anhand der beiliegenden Zeichnung wird ein Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In der Zeich nung ist mit 1 der zu bearbeitende Gegenstand und mit 2 die seitliche Elektrode bezeichnet. Die seitliche Elektrode 2 ist auf dem Halter 3 befestigt, der seinerseits auf der Führung 4 entlang von der Leitspindel 5 bewegt; wird. Der Gegenstand 1 ist mit Hilfe zweier Kopfstücke 6 zwi schen den Spitzen 7 befestigt, die ihm eine Drehbewegung erteilen. Das Erzeugnis 1 ist mit Hilfe der Bürste 8 und dem Kontaktring 9 mit der Stromquelle 10 verbunden. Die seitliche Elektrode 2 ist an dieselbe Stromquelle 10 mit Hilfe einer biegsamen Leitung geschaltet. Der elektri sche Lichtbogen brennt zwischen dem Erzeugnis 1 und der seitlichen Elektrode 2 und bei Drehung des Erzeug nisses 1 und Bewegung der seitlichen Elektrode 2 bear beitet der Lichtbogen fortwährend die ganze Oberflä che. Die seitliche Elektrode 2 hat die Aufgabe den elektri schen Lichtbogen zu unterhalten. Ihre Zusammensetzung hat auf die Schutzschichtbildung keinen Einfluss. Sie besteht gewöhnlich aus Graphit. ' Der elektrische Lichtbo gen wirkt gewöhnlich auf eine Fläche mit einem Durch messer von etwa 8 bis 12 mm und bei seiner relativen Bewegung entlang der zu bearbeitenden Oberfläche er hitzt er einen Streifen mit derselben Breite auf hohe Temperaturen. Die Erhitzung und Abkühlung des Überzuges dauert nur eine kurze Zeit, etwa einige Zehntelsekunden. Das erlaubt, die Bearbeitung mit dem elektrischen Lichtbogen in Luft durchzuführen, ohne dass ein sichtbares Oxidie- ren der überzugsbestandteile stattfindet. Durch Wahl der Stromstärke des elektrischen Licht bogens und der Geschwindigkeit der relativen Bewegung wird die notwendige Temperatur der überzugsmateria- lien erreicht. Um eine ausgesprochene Adhäsion der untersten ersten Schicht mit dem Kohlenstoff zu gewähr leisten, ist es notwendig, die aufgetragenen Materialien mit dem Lichtbogen auf 2000 bis 2200 C zu erhitzen. Infolge dieser hohen Temperatur hat die fertige Schicht eine verhältnismässig homogene Struktur, unabhängig davon, dass die Ausgangsstoffe in einzelnen streng begrenzten Schichten aufgetragen worden waren. Die Adhäsion zwischen der ersten und der zweiten Schicht kann durch Erhitzen mit dem Lichtbogen auch bei niedrigeren Temperaturen erreicht werden. Deswegen wird die zweite Schicht gewöhnlich bei 1,5mal höherer relativer Geschwindigkeit bearbeitet. Wenn die Bearbei tung bei viel höherer Geschwindigkeit bzw. bei niedrige rer Stromstärke durchgeführt wird, kann dadurch nur eine leichte Oberflächenschmelzung der aufgetragenen Materialien erreicht werden. Dann wird bei mehrschichti gem Auftragen der Ausgangsstoffe eine Mikroschichtig- keit der zweiten Schicht erhalten. Falls der fertige Überzug auch besondere Oberflä cheneigenschaften besitzen soll, die in bestimmten Fällen von der zweiten Schicht nicht erreicht werden, bildet man eine dritte Schicht. Gewöhnlich wird diese Schicht bei relativ hoher Geschwindigkeit bearbeitet, wobei durch das Erhitzen mit dem elektrischen Lichtbogen die gefor derten Oberflächeneigenschaften erreicht oder gewünsch te Stoffe auf der Oberfläche fixiert werden. Gewöhnlich bestehen die Überzüge gemäss vorliegen der Erfindung aus zwei oder drei Schichten. Es wird jedoch betont, dass die Auftragung mehrerer Schichten nur zur Erreichung von gewünschten Eigenschaften be stimmt ist und nicht um eine grössere Dicke der überzü- se zu erhalten. Das Verfahren gestattet nämlich die Bearbeitung einzelner Schichten mit Dicken über 1 mm, während gewöhnlich die gesamte Dicke des fertigen Überzugs unter 1 mm liegt. Auf die Schichten, die mit dem elektrischen Lichtbo gen bearbeitet sind, können nach bekannten Verfahren Schichten aufgetragen werden, die nicht mit einem elek trischen Lichtbogen bearbeitet werden und die kein Aluminium enthalten können. Gewöhnlich bestehen diese Schichten aus aufgespritzen Metallüberzügen oder aus Oxidsystemen mit niedrigem Schmelzpunkt. Es ist eben falls eine Kombination von Metallschichten mit niedrig schmelzender Oxidschicht möglich. Gemeinsames Merkmal der Überzüge ist die dichte Aluminiumschicht mit feindisperser Struktur. Dies soll aber nicht bedeuten, dass der Aluminiumgehalt in den Schichten, die mit einem elektrischen Lichtbogen bear beitet werden, in bestimmten Grenzen gehalten werden soll. Wenn die Aluminium-Grundschicht sehr dünn ist und auf ihr bedeutende Mengen anderer Stoffe aufgetra gen sind, kann der Aluminiumgehalt in der Schicht unter <B>5%</B> betragen. Umgekehrt - bei verhältnismässig dicker Aluminiumschicht und geringer Menge anderer Stoffe, kann der Aluminiumgehalt in der fertigen Schicht<B>95%</B> übersteigen. Das beschriebene Verfahren schafft die Möglichkeit, eine oberste Schicht mit sehr niedrigem Kontaktwider stand zu erzeugen, was besonders wichtig für die überzü- ge der Elektroden für Grossraumöfen ist. Das Verfahren ermöglicht die Schaffung von Alumi- nium-Zinn Überzügen, die einen niedrigen Schmelzpunkt besitzen und einen guten Schutz auch im Bereich von 400 bis 650 C sichern. Mit Erfolg werden auch Überzüge mit Edelmetallen hergestellt, z.B. aus Silber. Silberüberzüge mit einem niedrigen Aluminiumgehalt und einer obersten Schicht aus niedrigschmelzenden Oxiden gewährleisten eine si chere Gasundurchlässigkeit im Verlauf von 1000 Stunden und darüber. Im Vergleich zu den Aluminiumüberzügen wird die Gasundurchlässigkeit mehr als dreissigmal verbessert. In den Beispielen werden Schutzüberzüge auf zylin drischen Gegenständen aus Kohlenstoff hergestellt. Alle Stoffmengen beziehen sich auf eine Oberfläche von 1 m2. <I>Beispiel 1</I> Auf die Oberfläche eines Kohlenstoffgegenstandes werden 700g Aluminium mit einem Elektrospitzgerät aufgetragen. Auf die Metallschicht wird eine wässerige Suspension der folgenden pulverförmigen Stoffen aufge tragen: 50 g Aluminium, 90 g Siliciumcarbid, 50 g Titan- dioxid und 30 g Borsäure. Der Gegenstand wird auf 200 C erwärmt und die Bearbeitung mit dem elektri schen Lichtbogen bei folgenden Bedingungen durchge führt: Peripheriegeschw. 5,4 m/min, Stufe 8 mm, Strom stärke 360 A. Auf die mit dem elektrischen Lichtbogen bearbeitete Oberfläche werden 500 g Aluminium gespritzt und ein Aufstrich mit folgender Zusammensetzung aufgetragen: 50 g Aluminium, 80 g Silicium, 50 g Titandioxid und 30 g Borsäure. Nach Trocknung wird die Bearbeitung mit dem elektrischen Lichtbogen bei folgenden Bedingungen durchgeführt: Peripheriegeschw. 7,0 m/min, Stufe 8 mm, Strom stärke 400 A. Auf die zweite Schicht werden 400 g Aluminium gespritzt und 40 g Graphit aufgetragen. Es folgt eine Bearbeitung mit dem elektrischen Lichtbogen bei folgen den Bedingungen: Peripheriegeschw. 10,2 m/min, Stufe 10 mm, Strom stärke 240 A. Am Ende wird die Oberfläche leicht geschliffen, um eine bessere Beschaffenheit zu erhalten. <I>Beispiel 2</I> Auf die Oberfläche eines Kohlenstoffgegenstandes werden 100 g Aluminium und 1000 g Silber mit einem Elektrospritzgerät aufgetragen. Auf das Silber wird ein Aufstrich mit folgender Zusammensetzung aufgetragen: 25 g Aluminium, 30 g Siliciumkarbid, 15 g Titandioxid, 10 g Borsäure und 10 g Bariumperoxid. Nach Trocknung wird eine Bearbeitung mit dem elektrischen Lichtbogen bei folgenden Bedingungen durchgeführt: Peripheriegeschw. 2 m/min, Stufe 5 mm, Stromstärke 120 A. Auf die :n:t dem elektrischen Lichtbogen bearbeitete Oberfläche werden aufeinanderfolgend 70 g Aluminium und 800 g Silber gespritzt. Auf das Silber wird 400 g Bleiglätte mit folgender Zusammensetzung aufgetragen: 857, Bleioxid, 10% Boroxid und 5% Siliciumdioxid. Der Gegenstand wird auf 500 C erhitzt, damit die Bleiglätte schmilzt. Es wird unterstrichen, dass nach der beschriebenen Erfindung Überzüge mit sehr verschiedenen Zusammen setzungen erhalten werden können. Ebenso können über züge mit ähnlicher Zusammensetzung aus verschiedenen Ausgangsstoffen hergestellt werden. In der Praxis werden mit Erfolg Elemente und Verbindungen aller Gruppen des periodischen Systems benutzt.
Claims (1)
- PATENTANSPRÜCHE I. Verfahren zum Herstellen eines Schutzüberzugs auf einem Gegenstand aus Kohlenstoff, wobei man auf den Gegenstand aufgetragenes Material der Wirkung eines elektrischen Lichtbogens aussetzt, der zwischen dem zu überziehenden Gegenstand und einer Nebenelek trode brennt, und dabei die Oberfläche des Gegenstandes gegenüber dem Lichtbogen bewegt, dadurch gekenn zeichnet, dass man geschmolzenes Aluminium unmittel bar auf die Oberfläche des Gegenstandes spritzt, um eine dichte Aluminiumschicht zu erzeugen, auf die so erhalte ne Aluminiumschicht das überzugsmaterial in geschmol zenem oder pulverförmigem Zustand aufbringt und dann den so vorbereiteten Gegenstand der genannten Wirkung des Lichtbogens aussetzt.II. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I zum Herstellen von Schutzschichten auf Graphitelek- troden. 11I. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch zwei zuge- spitzte Halter (7), um den zu überziehenden Gegenstand (1) festzuhalten und um seine Längsachse zu drehen, durch eine Bürste (8) und einen Kontaktring (9), um den Gegenstand leitend mit einer Stromquelle (10) zu verbin den, und durch eine Nebenelektrode (2) mit einem Halter (3), der von einer Leitspindel (5) in konstantem Abstand vom Gegenstand (1) geführt wird und mit dem zweiten Pol der Stromquelle (10) verbunden ist. UNTERANSPRÜCHE 1.Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch ge kennzeichnet, dass man mehrere Schutzschichten auf bringt, indem man auf die erste Schutzschicht wiederum in der genannten Weise eine Aluminiumschicht und auf diese wiederum in der genannten Weise eine Schutz schicht aufbringt. 2. Verfahren nach Patentanspruch I oder Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man über der Schutzschicht eine Deckschicht anbringt, ohne dass man diese der Wirkung eines Lichtbogens aussetzt.<I>Anmerkung des</I> Eidg. <I>Amtes für geistiges Eigentum:</I> Sollten Teile der Beschreibung mit der im Patentan spruch gegebenen Definition der Erfindung nicht in Einklang stehen, so sei daran erinnert, dass gemäss Art.<B>51</B> des Patentgesetzes der Patentanspruch für den sachlichen Geltungsbereich des Patentes massgebend ist.
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