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Die Erfindung betrifft ein Flammspritzverfahren und ein bei hoher
Temperatur flammspritzbares Pulver. Insbesondere bezieht sie sich auf eine flammspritzbare
Pulvermischung, die ein Pulver einer selbstfließenden Legierung und ein Metallpulver
enthält, das bei hohen Temperaturen schmilzt, wie beispielsweise Wolfram, Rhenium,
Tantal, Molybdän, Niob oder Legierungen dieser hochschmelzenden Metalle. Außerdem
wird ein Verfahren zum Flammspritzen derartiger Pulverinischungen bei hohen Temperaturen
beschrieben, bei welchen dichte, fest haftende Überzüge erhalten werden, die ausgezeichnete
Verschleißfestigkeit besaßen und eine sehr hohe Belastung aushielten.
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Es ist bekannt, beim Flammspritzverfahren Pulver einzusetzen, die
allgemein als selbstfließende Spritzschweißpulver oder einfach als selbstfließende
pulverförmige Legierungen bezeichnet werden. Derartige Pulver sind beispielsweise
in den USA.-Patentschriften 2 875 043 und 2 936 229 beschrieben. Diese
Pulver enthalten ein Grundmetall, insbesondere Nickel oder Kobalt, und als Flußmittel
wirkende Komponenten, wie Bor oder vorzugsweise Bor und Silicium. Derartige Pulver
sind in der französischen Patentschrift 1209 669 beschrieben. Die Pulver
werden meistens zum Aufbringen von geschmolzenen Überzügen auf Trägerkörpem aus
Stahl oder Stahllegierungen nach dem sogenannten »Spritzschweißverfahren« verwendet.
Beim Spritzschweißverfahren wird zunächst das Pulver nach dem üblichen Flanunspritzverfahren
auf die zu überziehende Oberfläche aufgespritzt und anschließend der aufgespritzte
Belag aufgeschmolzen. Das Aufschmelzen kann beispielsweise in einem Ofen oder durch
Induktionsheizung usw. erfolgen. Häufig schmilzt man mit Hilfe eines direkt auf
die beschichtete Oberfläche gerichteten Schweißbrenners auf.
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In der deutschen Auslegeschrift 1151160 ist eine Metallpulverinischung
zum Spritzschweißen erläutert, die aus zwei Pulverkomponenten besteht, von denen
mindestens die eine eine selbstfließende phosphor-und/oder lithium- und/oder borhaltige
und mindestens 30 % Nickel enthaltende Legierung ist, während die zweite mit der
ersten Pulverkomponente unterhalb der oberen Grenze des Schmelzbereiches der Legierung
aus beiden Komponenten legierbar sein soll. Diese Metallpulvermischung läßt sich
zwar nach dem Spritzschweißverfahren zu einwandfreien Überzügen aufspritzen. Der
erste Arbeitsgang des Spritzschweißverfahrens, nämlich das Flammspritzen, führt
jedoch nicht schon zu einem dichten, fest haftenden und brauchbaren Belag.
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Beim Spritzschweißverfahren ist nämlich das Flammspritzen einfach
eine Methode zum Aufbringen des Legierungspulvers auf die zu überziehende Oberfläche,
wobei die Bildung eines zusammengeschmolzenen Belages durch anschließendes Anschmelzen
ermöglicht wird. Der aufgespritzte Belag ist vor dem Aufschmelzen porös, haftet
nicht fest an der Unterlage und entspricht in seinen Eigenschaften nicht denen des
anschließend gebildeten angeschmolzenen Überzuges, d. h., er bildet keine
harte, dichte, verschweißfeste Oberfläche. Die Teilchen eines geschliffenen, derart
aufgespritzten Überzuges werden beispielsweise abgerissen, wenn auf Druck ansprechende
Klebbänder, wie schottisches Klebband, aufgebracht und dann abgerissen werden.
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Gegenstand der Erfindung ist ein eine selbstfließende gemisch, das
unter Legierung enthaltendes Pulver,-besonderen Temperaturbedingungen unter Ausbildung
dichter, zusammenhängender überzüge aufgespritzt werden kann. Diese Überzüge sind
den angeschmolzenen, nach dem Spritzschweißverfahren gebildeten Überzügen gleichwertig,
erfordern jedoch kein nachfolgendes Aufschmelzen mehr.
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Die Erfindung liefert ein Flammspritzpulver auf der Basis einer selbstfließenden
Legierung aus Nickel und/oder Kobalt, die als selbstfließendes Element Bor enthält,
zur Herstellung von dichten, haft- und verschleißfesten Metallüberzügen. Dieses
Flammspritzpulver der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver der selbstfließenden
Legierung in Mischung mit dem Pulver eines hochschmelzenden Metalls mit einem Schmelzpunkt
oberhalb 19301 C, insbesondere des Wolframs, Rheniums, Tantals, Molybdäns
oder Niobs und/oder von Legierungen dieser Metalle, vorliegt, wobei die Pulvermischung
zu 5 bis 95 Gewichtsprozent aus dem hochschmelzenden Metall besteht.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung liegt das hochsehmelzende
Metallpulver in Mengen von 15 bis 30% vor, nach einer anderen Ausführungsform in
Mengen von 70 bis 90 11/o.
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Es hat sich besonders bewährt, mit Pulverteilchen aufzuspritzen, die
eine Größe von 8 bis 150, insbesondere 15 bis 62 Mikron
haben.
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Bei der Anwendung der pulverförmigen Flammspritzmassen der Erfindung
erhitzt man die Pulvermischung in einer Heizzone unter solchen Flammspritzbedingungen,
insbesondere unter Verwendung einer Plasma-Spritzpistole, daß die hochschmelzende
Metallpulverkomponente schmilzt.
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Man erhält vorzügliche, dichte verschleiß- und belastungsfeste überziige,
deren überlegene Eigenschaften besonders für Lagerflächen ausgenutzt werden können.
Das mit dem Pulver der selbstfließenden Legierung vermischte Metallpulver soll vorzugsweise
einen Schmelzpunkt oberhalb 22101 C besitzen, beispielsweise zwischen 2540
und 34301 C schmelzen. Die für das Pulver mit dem höheren Schmelzpunkt angegebenen
Gewichtsprozente beziehen sich auf das Gesamtgewicht der Mischung dieses Metallpulvers
mit dem Pulver der selbstfließenden Legierung.
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Die hochsehmelzende Pulverkomponente, die mit dem selbstfließenden
Legierungspulver 5 bis 95 % der Gesamtmischung ausmacht, braucht nicht
aus einem Pulver eines Einzelmetalls zu bestehen, sie kann auch eine Mischung aus
mehreren Metallpulvern und/oder Legierungen darstellen, beispielsweise eine Mischung
aus Wolfram und/oder Rhenium und/oder Tantal und/oder Molybdän und/oder Niob und/oder
deren Legierungen sein.
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Als Ausgangsmaterial kann jedes bekannte oder übliche selbstfließende
Legierungspulver dienen, z. B. die in den USA.-Patentschriften 2 875 043
und 2 936 229 beschriebenen Produkte. Man bezeichnet diese Pulver oft als
selbstfließende Spritzschweißpulver oder spritzschweißbare Pulver. Nachstehend werden
diese Produkte jedoch als »selbstfließende Legierungspulver« bezeichnet. Vorzugsweise
werden selbstfließende Legierungspulver auf Basis von Nickel oder Kobalt verwendet,
die Bor oder insbesondere Bor und Silicium als selbstfließendes Element enthalten.
Besonders bewährt haben sich selbstfließende Legierungspulver, die aus Nickel oder
Nickel-Chrom-Legierungen bestehen und Bor und Silicium enthalten. Neben dem Grundmetall,
d. h. Nickel und/oder
Kobalt, und dem oder den Flußmitteln
kann das Pulver zusätzliche Legierungsbestandteile enthalten, z. B. bis zu 20% Chrom,
das dem Material Korrosions- und Oxydationsbeständigkeit verleiht, Kohlenstoff in
Mengen von nicht mehr als einigen Prozent, Eisen in einer 10% und vorzugsweise 5%
nicht überschreitenden Menge, alles bezogen auf die Gesamtlegierung.
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Ein typisches selbstfließendes LegierungspulVer des Bor-Nickel-Typs
hat folgende Zusammensetzung: 0,7 bis 1 ü/o Kohlenstoff, 3,5 bis 4,51%
Silicium, 2,75 bis 3,75 % Bor, 3 bis 5 % Eisen, bis
18 1/o Chrom, beispielsweise 16 bis 18 l)/o, Rest: Nickel.
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Eine typische Spritzschweißlegierung auf Basis von Kobalt hat beispielsweise
folgende Zusammensetzung:
1,5 bis
3 % Bor,
0 bis 4,5 % Silleium,
0 bis
3 ID/o Kohlenstoff,
0 bis 20 % Chrom,
0 bis 3019/o
Nickel,
0 bis 2011/o Molybdän,
0 bis 20 % Wolfram, Rest: Kobalt. Die
Teilchen des Pulvers sollten im allgemeinen kleiner sein als etwa 150Mikron. Wenn
nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer Plasmaflamme gespritzt
werden soll, sollte die Teilchengröße zwischen
8 und
150 Mikron, vorzugsweise
zwischen
15 und
62 Mikron, liegen. Die hochschmelzende Metallpulverkomponente,
die in Mischung mit dem selbstfließenden Legierungspulver vorliegt, soll ein Metallpulver
mit einem Schmelzpunkt oberhalb
19300 C und vorzugsweise oberhalb 2200'
C sein. Bevorzugt wird ein Pulver aus Wolfram, Rhenium, Tantal, Molybdän,
Niob oder aus Legierungen dieser Metalle mit einem Schmelzpunkt oberhalb 22100
C und vorzugsweise 34200
C.
| Beispiele |
| (Alle Angaben als Gewichtsprozente) |
| 99,4219/oMolybdän, 0,5%Titan, 0,08 % Zirkon; |
| 90 0/0 Tantal, 10 % Wolfram; |
| 85 % Tantal, 1011/o Hafnium, 5% Wolfram; |
| 50 l)/o Rhenium, 50 1/9 Molybdän; |
| 80 1/o Niob, 10%Molybdän, 10%Titan; |
| 75 % Wolfram, 25 1/o Rhenium. |
Auch Mischungen dieser Metall- oder Legierungspulver können angewandt werden. Besonders
bevorzugt werden Metallpulver aus Wolfram, Tantal oder Molybdän oder deren Legierungen
mit Schmelzpunkten oberhalb 2540 und 3420'
C. -
Die hochsehmelzende Metallkomponente muß aus einem Metall an sich
bestehen und kann nicht in Form eines schwer schmelzbaren Oxyds, Carbids usw. vorliegen.
Darüber hinaus muß das hochschmelzende Metallpulver unabhängig vom selbstfließenden
Legierungspulver sein und darf sich mit diesem nicht legieren usw. Die Teilchengröße
des hochsehmelzenden Metallpulvers soll der des selbstfließenden Legierungspulvers
entsprechen und im allgemeinen zwischen 8 und etwa 150 Mikron, vorzugsweise
zwischen 8 und 53 Mikron, liegen.
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Das Metallpulver von hohem Schmelzpunkt muß in Mengen von
5 bis 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise 15 bis 30% oder alternativ
70 bis 90%, vorliegen, bezogen auf das Gesamtgewicht der Mischung mit dem selbstfließenden
Legierungspulver.
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Die Pulvermischung wird erfindungsgemäß vorzugsweise als solche aufgespritzt,
sie läßt sich aber auch in Mischung oder Verbindung mit anderen Spritzmaterialien
aufspritzen. Solche Materialien sind beispielsweise: Aluminium; hochschmelzende
Carbide, wie Wolframcarbid, Tantalcarbid, Titancarbid usw., mit oder ohne ein Kobalt-
oder Nickelhilfsmetall; hochschmelzende Oxyde, wie Aluminiumoxyd oder Zirkonoxyd,
Molybdändisilicid usw. Die Pulvermischung der Erfindung kann beispielsweise in Mengen
von 5 bis 95%, vorzugsweise 10 bis 90"/o, neben dem anderen Spritzmaterial
aufgespritzt werden, alle Mengenangaben auf die Gesamtmischung bezogen.
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Das erfindungsgemäße Pulvergemisch wird vorzugsweise mit Hilfe einer
Pulverflammspritzpistole aufgespritzt, wobei jedoch solche Temperaturbedingungen
einzuhalten sind, daß die durch einen hohen Schmelzpunkt charakterisierte Metallpulverkomponente
schmilzt. Deshalb muß die Temperatur in der Heizzone oberhalb 22101 C und
vorzugsweise oberhalb 38901 C liegen.
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Es hat sich besonders bewährt, das Pulvergemisch nach der Erfindung
mit einer Plasma-Spritzpistole aufzubringen. Hierbei kommt besonders jener Pistolentyp
in Frage, bei welchem durch ein plasmabildendes, einen elektrischen Bogen in einer
Düse einschränkendes Gas eine Plasmaflamme erzeugt wird, wobei als Gas Stickstoff
oder Argon, allein oder in Mischung mit Wasserstoff, zum Einsatz kommt. Plasma-Spritzpistolen
dieser Art sind in der USA.-Patentschrift 2 960 594 beschrieben.
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Man kann für das Aufspritzen auch eine Drahtpistole benutzen, wobei
die Pulvermischung durch ein Bindemittel in Form eines Spritzdrahtes oder eines
Stabes zusammengehalten wird, beispielsweise durch synthetische Kunststoffe, wie
in der USA.-Patentschrift 2 570 649 beschrieben. Soweit nachstehend von Pulvern
die Rede ist, seien also hierunter nicht nur lose Pulver, sondern auch in gebundener
Form vorliegende Pulver verstanden. Arbeitet man mit Drahtpistolen, so muß die Temperatur
der Flamme ausreichen, um das hochsehmelzende Metall aufzuschmelzen, was beispielsweise
durch eine Plasmaflamme möglich ist.
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Hinsichtlich aller übrigen Bedingungen erfolgt das Aufspritzen in
der für das Flammspritzverfahren -üb-
lichen Weise, insbesondere bei Verwendung
von Plasma-Flammspritzpistolen.
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Die Überzüge können auf übliche Oberflächen aufgebracht werden, z.
B. solchen aus Eisen oder Stahllegierungen, und für alle Einsatzgebiete, bei denen
Verschleißfestigkeit und/oder Belastungsfestigkeit der Oberflächen verlangt wird.
Beläge von einer Dicke zwischen 0,05 und 3,2 mm, vorzugsweise zwischen
0,13 und 0,76 mm, lassen sich herstellen, sie sind äußerst brauchbar
als Beläge für Auflageflächen, beispielsweise von starker Belastung ausgesetzten
Kurbelwellen. Die Überzüge nach der Erfindung lassen sich auch einsetzen zur Ausbildung
blanker Lagerbüchsen, Pumpenplunger, mittel- bis hochtemperaturbeständiger
Stahlwalzenlager
oder Walzen, Motorenventilstößel, Glasgießformen, Motorkolbenböden, Glühwalzen usw.
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Die zu beschichtende Grundfläche soll in üblicher Weise für das Flammspritzen
vorbereitet werden, beispielsweise durch vorherige Behandlung mit Stahlgries, der
mit Luft unter einem Überdruck von 7 kg/cm2 aufgeblasen wird, oder durch
übliche Walzbehandlung der Grundfläche, beispielsweise durch Aufrauhen, Vorbeschichten
usw. Außer Eisen und Stahl eignen sich auch andere Materialien, deren Oberfläche
in bekannter Weise nach dem Flamnispritzverfahren mit einem Belag ausgestattet werden
kann, für das Flammspritzverfahren der Erfindung, insbesondere Flächen aus Kupfer,
Messing, Aluminium, Titan, Molybdän. Während die nach der Erfindung erzeugten Beläge
in ihrer lediglich aufgespritzten Form die angeschmolzenen, nach dem Spritzschweißverfahren
hergestellten Überzüge ersetzen können, sind sie doch mit den angeschmolzenen Belägen
nicht identisch und diesen in gewisser Hinsicht sogar überlegen. Sie unterscheiden
sich in ihrem Aufbau dadurch, daß die einzelnen Teilchen des hochschmelzenden Metalls
gewöhnlich in metallographisch präparierten Bereichen einzeln identifiziert werden
können. Obgleich die Beläge nach der Erfindung kein anschließendes Anschmelzen erfordern
und im allgemeinen auch ohne Schmelzen angewandt werden, kann man sie für viele
Fälle anschmelzen oder hitzebehandeln, um die gewünschten hochschmelzenden Legierungsüberzüge
zu erhalten.
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Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Erfindung. Soweit nicht
anderes angegeben, stellen alle Mengenangaben Gewichtsangaben dar.
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Beispiel 1
Wolframpulver mit einer Teilchengröße zwischen
8 und 53 Mikron und ein Pulver einer selbstfließenden Verbindung mit
einer Teilchengröße zwischen 15
und 62 Mikron wurden innig miteinander
zu einem Pulver vermischt, das 75 % der selbstfließenden Verbindung und
25 % Wolfram enthielt.
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Die selbstfließende Verbindung war eine Nickel-Bor-Legierung nachstehender
Analyse:
| B ............................ 3,5%, |
| Si ............................ 4%, |
| Fe ........................... 4%, |
| Cr ........................... 1714, |
| C ............................ 1,0%, |
| Rest ......................... Nickel. |
Die Pulvermischung wurde auf eine Flußstahlplatte aufgespritzt, die vorher entfettet
und durch Strahlbehandlung mit Stahlgries (Teilchengröße entsprechend SAE-Beschreibung
G 18) unter einem Luftdruck von
7 kg/cm2 vorbehandelt worden war.
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Das Aufspritzen erfolgte im Abstand von 10 bis 15 cm
von derPlatteunterVerwendungeinerPlasma-Flaminspritzpistole vom Typ 2 M (Hersteller:
Metco Inc. of Westbury, Long Island, New York). Das Gerät arbeitete bei
500 Ampere, 80 bis 85 Volt unter Erzeugung einer Plasmatemperatur
von 55401 C. Das Pulver wurde in einer Menge von 2,72 bis
3,18 kg/Stunde aufgespritzt. Gearbeitet wurde mit Stickstoff unter einem
Druck von 3,5 kg/cm2 und einer Strömungsgeschwindigkeit von 2,83 m3/Stunde
und mit Wasserstoff unter einem Druck von 3,5 kg/cm2 in einer Menge von 0,42
m3/Stunde. Das aufgespritzte Material bildete auf dem Trägerwerkstück einen dichten
Überzug, der bis zu einer Schichtdicke von 0,75 mm aufgebracht wurde. Der
Vorschliff des gespritzten Überzuges machte 0,18 mm aus gegenüber
0,76 bis 1,02 mm Vorschliff bei den üblichen aufgespritzten Belägen.
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Wird schottisches Klebband auf die geschliffene Oberfläche des Belages
aufgebracht und dann abgerissen, so wurden nur sehr wenig Teilchen abgezogen, während
bei den üblichen, lediglich aufgespritzten Spritzschweißüberzügen erhebliche Teilchenmengen
am Klebband haftenblieben.
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Beispiel 2 Beispiel 1 wurde wiederholt unter Beschichtung der
Auflageflächen der Kurbelwelle eines Explosionsmotors mit einem äußeren Durchmesser
von 5,1 cm für die Hauptlagerflächen und 3,8 cm für die verbindenden
Wellenlager. Die auf diese Weise ausgebildeten Aufla-eflächen stellen ausgezeichnete,
verschleißfeste Oberflächen dar, die der extrem hohen Belastung moderner Maschinen
gewachsen sind.
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Beispiel
3
Beispiel
1 wurde wiederholt, jedoch eine selbstfließende
Verbindung nachfolgender Zusammensetzung verwendet:
| Fe ........................... 2,50/03 |
| Cr ........................... 100/0, |
| C ............................ 0,15010, |
| Si ............................ 2,5%, |
| B ............................ 2,5%, |
| Rest ......................... Nickel. |
Das Wolframpulver lag mit einer Teilchengröße zwischen
8 und 44 Mikron vor.
Zusammensetzung des Pulvergemisches: 7511/o der selbstfließenden Verbindung,
25 1/o Wolfram.
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Der erzeugte Belag hatte nach dem Schleifen das Aussehen von Schmiedeeisen,
während ein 0,13 mm
dicker Belag erhalten wurde.
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Beispiel 4 Beispiell wurde unter Verwendung von Pulvermischun-en nachstehender
Teilchengröße und Zu-C sammensetzung wiederholt: a) 80 % Wolfram mit einer
Teilchengröße zwischen 30 und 74 Mikron, 20% der selbstfließenden Legierung
des Beispiels 3 mit einer Teilchengröße zwischen 8 und 53 Mikron.
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b) 80 0/0 Molybdänpulver mit einer Teilchengröße zwischen 44
und 88 Mikron und 20% der selbstfließenden Legierung des Beispiels
1.
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c) 15% Wolframpulver mit einer Teilchengröße zwischen 8 und
53 Mikron, 15% Molybdänpulver mit einer Teilchengröße zwischen
8 und 53 Mikron, 70% des selbstfließenden Legierungspulvers des Beispiels
1.
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d) 25% eines Pulvers einer Wolfram-Rhenium-Legierung mit einer Teilchengröße
zwischen 8
und 53 Mikron (Rheniumgehalt: 25 %) und 75% der selbstfließenden
Legierung des Beispiels 1.
In allen Fällen wurde ein dichter,
extrem zugfester Belag erhalten. Beispielsweise besaß der mit der Mischung a) erhaltene
überzug eine Zugfestigkeit, die doppett so hoch lag wie die Zugfestigkeit eines
in üblicher Weise aufgespritzten Wolframbelages. Wurde dieser überzug bei 10401
C 2 Stunden in einer inerten Atmosphäre nacherhitzt, so legierte der erhaltene
Belag und wies einen Schmelzpunkt oberhalb 2200' C
auf. Beispiel
5
Es wurden verschiedene Mischungen der selbstfließenden Legierung des Beispielsl
mit Molybdänpulver einer zwischen 15 und 105 Mikron liegenden Teilchengröße
hergestellt. Nachstehende Mischungen wurden aufbereitet: 90% selbstfließende Legierung,
10 % Molybdän.
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70 % selbstfließende Legierung, 30% Molybdän.
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50% selbstfließende Legierung, 50%Molybdän. Jede dieser Mischungen
wurde mit Hilfe einer Sauerstoff-Acetylen-Pulverflammspritzpistole aufgespritzt.
(Hersteller dieser Pistole: Metco Inc., Westbury, Long Island, New York; Bezeichnung:
Therino Spray-Gun.) Der Belag wurde auf einen kalt gewalzten Stahl aufgespritzt,
der unter einem Luftdruck von 7 kg/cm2 in einem Abstand von 15 bis
20 cm mit G-18-Stahlsand vorbehandelt worden war. Acetylen wurde unter einem Druck
von 0,8 kg/CM2 und einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,84 m3, Sauerstoff
unter einem überdruck von 1 kg und einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,84
m3 zugeführt, wobei 2,3 kg der Pulvermischung je Stunde vom Acetylen
mitgerissen wurden. In allen Fällen wurden überzüge ausgebildet, die die charakteristischen
Eigenschaften teilweise angeschmolzener Beläge besaßen. Die hergestellten überzüge
eignen sich ausgezeichnet zur Reparatur verschließbarer Walzen und Lager.
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In den Beispielen können auch an Stelle der beschriebenen Pulver selbstfließender
Legierungen alle in den USA.-Patentschriften 2 875 043 und 2 936 229
aufgeführten
oder auch andere übliche Pulver selbstfließender Legierungen angewandt werden. Die
prozentualen Anteile des Pulvers mit dem höheren Schmelzpunkt beziehen sich auf
die Summe aus hochschmelzendem Pulver und selbstfließendem Legierungspulver. Soweit
beispielsweise von 5 Gewichtsprozent des höherschmelzenden Pulvers, bezogen
auf das selbstfließende Legierungspulver, gesprochen wird, heißt dies, daß vom Gesamtgewicht
des aus höherschmelzendem Pulver und selbstfließendem Legierungspulver 5% auf das
höherschmelzende Pulver entfallen und 9511/o auf das Pulver der selbstfließenden
Legierung.