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Verfahren zum oberflächlichen Schmelzen von metallischen Werkstücken
Es ist bekannt, daß bei vielen Metallen ,eine' vollkommene oder weitgehende Mischbarkeit
in flüssigem Zustände besteht, daß aber die gegenseitige Löslichkeit der verschiedenen
Legierungskompönenten ineinander im festen Zustande nur begrenzt ist und gewöhnlich
mit sinkender Temperatur sehr weitgehend erniedrigt wird. Dies hat zur Folge,. da-9
das Feingefüge von Legierungen gewöhnlich eine heterogene Kristallhäufung darstellt.
Die Verhältnisse selbst sind in Zustandsdiagrammen niedergelegt, die ihrerseits
besonders bei einfächeren Legierungssystemen die Grundlage von geeigneten Wärmeb.ehandlungen
zur Erzeugung des jeweils gewünschten Gefüges bilden.
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Es wurde nun gefunden, däß sich eigenartigefneue Wirkungen auf Metalle
und Leglerungen ausüben lassen, wenn -man `auf die Oberfläche von metallischen Werkstücken
elektrische Funkenentladungen einwirken läßt; deren Intensität so groß ist, daß
sie zu einer örtlichen Schmelzung der vom Funken getroffenen Stelle der Oberfläche
des behandelten Metalls ausreicht. Bei einer derartigen Behandlung entstehen offenbar
in der Oberfläche des kompakten, festen und sonst kalten Werkstoffes sehr kleine
Bezirke mit einem Durchmesser von :etwa einigen Zehntelmillimeter,- die augenblicklich
aufschmelzen - und dann sofort wieder erstarren.- Die entstehenden Schmelztröpfchen,
die rings in sonst kaltes Metall eingebettet sind, gehen dabei ihren geringen Wärmeinhalt
über eine verhältnismäßig ;große Oberfläche außerordentlich rasch ab. Dies hat zür
Folge, daß ein beinahe glasähnlicher Zustand entsteht, bei dem die Löslichkeit der
Komponenten ineinarider
weitgehend den Verhältnissen des flüssigen
Zustandes ,angenähert erscheinen. Wem man also Legierungen, die im flüssigen Zustande
eine größere, im festen Zustande eine geringere Löslichkeit der Iegierungskomponenten
ineinander besitzen und eine Zusammen-Setzung aufweisen, die jenseits des Gebietes
der festen Löslichkeit liegt, nach dem Verfahren der Erfindung behandelt, so zeigt
sich überraschenderweise, daß eine Auflösung der Legierungsbestandteile ineinander
erfolgt, die weit über das nach dem Zustandsdiagramm möglich erscheinende Maß hinausgeht.
Zum Beweise hierfür sind in der Anlageeine Reihe von Mikroaufnahmen .angeschliffener
metallischer Oberflächen beigefügt.
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Abb. i zeigt dabei das Gefüge einer Aluminium-Silicium-Legierung mit
etwa 13 % Silicium. Nach dem Strukturdiagramm entspricht dies einer nahezu
eutektischen Zusammensetzung, die jedoch noch einige Siliciumprimärkristalle zeigt.
Die Löslichkeit des Siliciums im Aluminium im festen Zustande geht nicht wesentlich
über i % hinaus, so daß es sich bei dieser Zusammensetzung um einen Fall handelt,-
bei dem die Zusammensetzung jenseits. des Gebietes der festen Löslichkeit
liegt. Diese Legierung wurde in einem Funkenerzeug@er bekannter Art als Elektrode
eingeschaltet. Hierbei lag an dem Wechselstrom mit 220 Volt über einem Schiebewiderstand
von maximal 9o Ohm die Primärseite eines Transformators mit einem übersetzungsverhältnis
von r : 6o. Parallel der Sekundärseite, die über eine kontinuierlich veränderliche
Selbstinduktion von maximal 0,33 ._j06 CM mit den beiden Elektroden der Funkenstrecke
verbunden ist, sind wahlweise Kapazitäten von insgesamt 2,5 und 8 # i o3
cm anschaltbar. Gearbeitet wurde .mit konstanter Primärstromstärke von i,8 Amp.,
die bei einer Widerstandsgröße im Primärkreis von etwa 6o Ohm erhalten wurde, einer
Kapazität von 5 # 103 cm -und einer Selbstinduktion von 0,22 # los cm. Als
Elektroden dienten: bei den Versuchen Stäbchen von 5 mm Durchmesser oder q. X 5
mm Quadratquerschnitt, die im Winkel von etwa .6o° zugefeilt, vorn auf etwa i, 5
mm2 abgestumpft und an den Ecken und Kanten etwas gerundet waren. Die Elektroden
waren so angeordnet, daß die Ansatzstellen des Funkens parallel zur Achse ausgerichtet
sind. Der Abstand der Elektrodenenden betrug etwa 9 mm.
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Abb.2 zeigt in Zoofacher Vergrößerung die Einschlagstelle eines starken
Einschlages. Man sieht, wie ,an dieser Stelle das zunächst mehr eutektische Gefüge
im Mittelbereich der Abbildung zu einer großen weißen--einheitlichen Masse erstarrt
ist. Die Siliciumkristalle sind offensichtlich vollkommen verschwunden und in dieser
Masse noch gelöst, weil bei der sehr raschen Erstarrung des unter der Wir-..k urig
des Funkens aufgeschmolzenen Tröpf-
| rn-eajm |
| ns keine Entmischung mehr stattfinden |
| nte. Obwohl` die maximale Löslichkeit |
| h dem Zustandsdiagramm bei 577° C nur |
etwa i,65% Silicium im Aluminium betragen kann, liegt an der vom Funken getroffenen
Stelle eine so hohe Übersättigung vor wie etwa 130/0 Silicium.
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In Abb.3. ist das Mittelfeld durch eine Reihe von Einschlägen vergrößert,
und eine Verbindung zwischen den einzelnen Einschlägen ist vorhanden. Die Vergrößerung
ist hierbei 400fach. Die .seitlich liegenden dunklen Teile zeigdn eine etwas verschlackte
Oberfläche des Randes. Es handelt sich hier um die gleiche Legierung von etwa 12
bis 13010 Si wie vorher. Um die Verschlackung zu vermeiden, wird es zweckmäßig
sein, in der Praxis in -einer indifferenten oder reduzierenden Atmosphäre oder im
Vakuum zu arbeiten. Um aufzuzeigen, daß es sich hierbei wirklich um eine Übersättigung
handelt, hat der Erfinder eine Probe einer Wärmebehandlung unterworfen. In Abb.
q. ist in 400facher Vergrößerung der Schliff eines durch Funkeneinschlag erzeugten
Schmelztröpfchens der gleichen Legierung mit 12 bi$ 13 % Silicium wiedergegeben,
nachdem die Legierung - anschließend einer 4stündigen Glühurig bei 5oo° C unterworfen
war. Es zeigt sich ganz deutlich, daß in der vorher hamogen-,erscheinenden weißen
Masse jetzt eine Reihe von Wiederausscheidungen, die offenbar Siliciumkristalle
darstellen, auftreten. Damit ist der Beweis erbracht, daß es sich vorher um eine
weit- übersättigte Lösung handelte. Das Bild zeigt weiterhin, daß durch das- Verfahren
der Erfindung, verbunden mit einer Wärmebehandlung, neuartige Gefüge erzeugt werden
können, denn die Anordnung und Form der wiederausgeschiedenen Siliciunikxistalle
ist eine andere als der aus der Schmelze erstarrten.
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Nach dem Gesagten dürfte es klar sein, daß es sich bei den durch das
Verfahren der Erfindung hergestellten Umwandlungen der Oberfläche um einen neuartigen
Zustand, der vielleicht der einer unterkühlten Schmelze ist, handelt, der auch zu
.einer technologischen Änderung der Eigenschaften der so behandelten ,Oberflächen
führt. Das Verschwinden einzelner Kristalle bringt dann auch zum Teil außerordentlich
erwünschte Eigenschaften mit sich. Abb.5 zeigt z.B. den Schliff der gleichen Legierung,
wie sie etwa in Abb. 2 dargestellt ist. An diesem Schliff sind Ritzhärteversuche
durchgeführt. Im Mittelbereich des Schliffes ist die durch Funkeneinschläge getroffene
Stelle, die anscheinend eine übersättigte
Lösung von Silicium in
Aluminium zeigt. Die von rechts .her geführte Nadel des Ritzapparates hinterläßt
im normalen eutektischen Gefüge eine Hiefe, im Bild schwärzlich )erscheinende Kratzspur.
Über die von den Funken getroffene Stelle gleitet sie jedoch im wesentlichen hinweg,
ohne tiefere Spuren zu hinterlassen. Diese Stelle ist also wesentlich härter als
die benachbarte Stelle. Vergleichsversuclhe ergaben für Aluminium-Silicium-Legierungen
mit i i % Silicium-bei-abgefunkter Oberfläche eine l2lßbreite von o,o9 Einheiten
gegen o,28 Einheiten bei Abschreckung der Schmelze durch Einbringen des Schmelztiegels
in Eiswasser. Andere Versuche zeigten, daß die behandelten Stellen der Oberfläche
auch eine erhöhte chemische Beständigkeit z. B. gegenüber verdünnter Salzsäure aufweisen.
-Die gleichen Erscheinungen zeigten sich an einer behandelten Kupfer-Aluminium-Legierung
mit etwa 33%- Kupfer, die ebenfalls der eutektischen Zusammensetzung entspricht.
Abb.6 gibt das Gefügeeiner unbehandelten Legierung" dieser Zusammensetzung in 400facher
Vergrößerung wieder. Die weißen Stellen entsprechen dem aluminiumreichen Mischkristall,
die dunklen der intermetallischen Verbindung CuA12. Abb. 7 und 8 zeigen "nun in
q.oo- bzw. ioofacher Vergrößerung einen bzw. mehrere Einschläge meinem aluminiumreichen
Bezirk. Die weißen Aluminiumdendriten erscheinen stark vergrößert. Das etwas ,andere
Aussehen des. Eutektikums beruht auf der kleineren Vergrößerung. Es zeigt 'sich,
daß die Einschlagstellen bevorzugt in dem Gebiet des Eutektikums verfolgt sind,
während die primären Aluminiumdendriten sich nur teilweise mit aufgelöst haben.
Erst bei stärkeren Funken, wie sie in, der linken Bildhälfte "auftreten, werden
auch die Aluminiumdendriten teilweise mitgelöst.
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Abb. 9 zeigt nun im 8oofacher Vergrößerung die Eiinschlagstelleeines
Funkens, nachdem die Probe 2 'Stunden bei 50o° geglüht wurde. Die übersättigung
ist wieder aufgehoben. Die kupferreichen. Kristalle haben sich etwa entsprechend
dem ursprünglichen Mengenverhältnis wieder - ausgeschieden, jedoch- zeigt auch hier
Form und Farbe dieser Ausschei--dungen einen etwas anderen Charakter als die :primär
vorhandenen kupferreichen Kristalle des Eutektikums. Die Probe war dabei nach dem
Glühen neu poliert und geätzt. Die verhältnismäßige Temperaturbeständigkeit der'Üb!er-Sättigung
ergibt sich aus der Tatsache, - daB ein 44stündiges Glühen bei 33o° noch keine Wiederausscheidungen
hervorbringen ließ.
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Schließlich seien noch die Ergebnisse an einer Kupfer-Silber-Legierung
mit 72 % Silber wiedergegeben. Abb. io zeigt das Primärgefüge, Abb. i i die Ei@nschlagstellle
des Funkens.
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Die thermische Beständigkeit des durch Funkeneinschlag hervorgebrachten
Zustandes hängt natürlich -von der individuellen Temperaturskala der behandelten
Stoffe ,ab. Bei niedrigerem Schmelzpunkt der Komponenten ist sie geringer, bei höherem
größer. Es wurde andererseits auch versucht, eine Unterkühlung z. B. von Aluminium-Silicium-Legierungen
mit 130/0 Si durch Eingießen der. Schmelze in Wasser herbeizuführen. - Von den entstehenden
Granalien wurden die kleinsten, die nur etwa i mm Durchmesser hatten, angeschliffen
und untersucht. Sie zeigten eine klare Ausbildung des Eutektikums, also einen völlig
normalen Zustand, und sind mit dem nach der .Erfindung erhaltenen Zustand nicht
vergleichbar.