DE657903C - Verfahren zum Vergueten oder metallischen UEberziehen von Gegenstaenden metallischer oder nichtmetallischer Art mittels Lichtbogens - Google Patents

Description

• Verfahren zum Vergüten oder metallischen Überziehen von Gegenständen metallischer oder nichtmetallischer Art mittels Lichtbogens Es ist bereits ein Verfahren zum Vergüten von metallischen Gegenständen durch Behandeln nüttels Lichtbogens in Gegenwart der die Vergütung bewirkenden Stoffe bekannt. Dieses bekannte Verfahren arbeitet mit einem Lichtßbgen, der zwischen dem zu vergütenden Gegenstand und einer Elektrode aus dem zu übertragenden Stoff gebildet wird. Der Lichtbogen setzt bei dieseln Verfahren nur punktweise auf dem zu überziehenden Gegenstand an und führt hier zur Zerstörung des Materials. Eine gleichmäßige Vergütung der Oberfläche des zu vergütenden Gegenstandes ist infolgedessen nicht zu erzielen. Ferner erfolgen durch den direkten Stromübergang Form- und Strukturänderungen des zu vergütenden Gegenstandes. Außerdem sind Verfahren zum metallischen Überziehen von Gegenständen mittels thermischer Verdampfung oder Kathodenzerstäubung bekannt. Auf ein derartiges Verfahren bezieht sich die Erfindung aber nicht. Es ist ferner ein Verfahren zürn Überziehen von Gegenständen mit Stoffen, die sich in Staubform in einem unter Unterdruck stehenden Behälter befinden, der mit einem elektrischen Feld durchsetzt ist, bekannt, bei welchem die Staubteilchen durch ein zu ihrer Bewegungsrichtung schiefstehendes magnetisches Feld aus ihrer Richtung so abgelenkt werden, daß sie auf den züi überziehenden Gegenstand auftreffen. Es kann dabei im Lichtbogen zerstäubtes Metall auf den außerhalb des Lichtbogens befindlichen Gegenstand aufgebracht werden. Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß nur relativ stark abgekühlte Metallteilchen auf den Gegenstand auftreffen. Die Nachteile der bekannten Verfahren werden bei derErfindung vermieden.
• Die.Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergüten oder metallischen Überziehen von Gegenständen metallischer oder hich.tmetallischerArt, welches sich dadurch auszeichnet, daß durch Steuerung von zeitlich konstanten oder veränderlichen magnetischen Feldern, die durch Gleich- oder Wechselstromlichtbogen gebildeten Ladungsträger unmittelbar vom Lichtbogen. aus auf den zu behandelnden Gegenstand zu gerichtet werden. Durch elektrische Felder können dabei die Ladungsträger vorteilhaft in Richtung auf den zu behandelnden Gegenstand zu beschleunigt werden. Im Lichtbogen können gleichzeitig Ladungsträger verschiedener Elemente gebildet werden, die einen vergüteten Überzug, in einem Arbeitsgang ergeben. Bei metallischen zu behandelnden Gegenständen wird der Gegenstand vorzugsweise als Beschleunigungselektrode geschaltet. Die Beschleunigungselektrode wird beim Überziehen nichtmetallischer Gegenstände hinter dem Gegenstand angebracht. Der Bezugspunkt der Beschleunigungsspannung wird dabei an die elektrische Mitte des Lichtbogens gelegt. Der zu behandelnde Gegenstand kann in oder außerhalb des Lichtbogens angeordnet werden. Ferner kann der Lichtbogen intermittierend zur Einwirkung gebracht werden. Die Behandlung mittels Lichtbogens kann vielfach vorteilhaft unter vermindertem Druck vorgenommen werden:: Auch kann eine zusätzliche lonenbildung durch Photoionisierung erfolgen. Den Elektroden kann ferner das Vergütungsmittel in reiner Form; in Form von Verbindungen oder Legierungen oder Mischungen zugesetzt werden. Die Behandlung mittels Lichtbogens kann in einem Gas oder Dampf eines oder mehrerer Elemente oder einer oder mehrerer Verbindungen vorgenommen werden, die bei der Behandlung das bzw. die Vergütungsmittel abspalten: Die Konzentration des. Behandlungsgases oder Dampfes kann auch durch Zusatz solcher Gase oder Dämpfe eingestellt werden, die an dem eigentlichen Prozeß nicht wesentlich teilnehmen. Als gasförmige Vergütungsrrüttel werden Verbindungen von Wasserstoff mit Kohlenstoff, Silicium, Bor, Stickstoff, Phosphor verwendet. Zum metallischen Überziehen von Gegenständen im Lichtbogen dienen Elektroden aus reinem Metall oder einer Legierung. Die Elektroden können aus Metallen oder Legierungen der hochschmelzenden Gruppen; wie Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan, Zirkon, Vanadin, Niob, Tontal, Platin usw. bestehen. Man kann vorteilhaft einen Überzugswerkstoff aufbringen, welcher mit dem Unterlagswerkstoff eine Legierupg eingeht. Auf: metallische öder entsprechend vorbehandelte Gegenstände können auch Metallcarbid-, Metallborid-, Metallphosphid-, Metallsilicid-, Metallnitridüberzüge aufgetragen werden. 'Das zu vergütende Metall kann auch als Element oder Mischung in Pulverform im Lichtbogen bei Anwesenheit von gas- oder dampffärrnigen Vergütungsmitteln vergütet werden und als vergütetes Metall nach Durchgang- durch den Lichtbogen anfallen. Das" zu vergütende Metallpulver kann ferner auch auf einem endlosen Band unter dem oder den Lichtbogen vorbeigeführt werden. Das metallische überziehen wird vorteilhaft in Gegenwart von inerten Gasen vorgenommen.
• Im folgenden ist die Erfindung noch näher erläutert. Ein Gleich- oder Wechselstromlichtbogen wird zwischen einem bzw. mehreren Paaren von Elektroden gebildet und durch ein oder mehrere zeitlich konstante oder variable elektrische- öder magnetische Felder oder, deren gleichzeitige Anwendung in Anwesenheit der die . Vergütung bewirkenden Mittel bzw. der zum Überziehen notwendigen Metalle beeinffußt, wobei beide Maßnahmen auch gleichzeitig in einem Arbeitsgang erfolgen können. Das elektrische Feld, welches zwischen dem zu behandelnden Gegenstand und dein oder den Lichtbogenelektrodenpaar en gebildet wird, erteilt den geladenen Atomen kinetische, .Energie in Feldrichtung, so daß diese infolge der räumlichen Anordnung des Feldes auf den Gegenstand zu gerichtet werden. Eine Unterstützung und Beschleunigung dieses Vorganges wird erreicht durch eine Rilfselektrode, die auf der dem Behandlungsgegenstand abgewendeten Seite des oder der Lichtbogen angebracht ist, die sich-dadurch auszeichnet, daß sie stets eine dem Behandlungsgegenstand entgegengesetzte Polarität aufweist. Das magnetische Feld erteilt dem Lichtbogen eine gewünschte Vorzugsrichtung in verbreiterter oder konzentrierter Forte je nach der räumlichen Anordnung des Feldes, wobei sich der Gegenstand tin einer der gewünschten-Temperatur entsprechenden Entfernung bzw. vorwiegend bei der Überziehung mittels hochschmelzender Metalle teilweise in dem Lichtbogen befinden kann. Um bei hochschmelzenden Metallüberzügen eine Vergütung zu erreichen, ohne das Unterlagsmaterial in seiner Struktur oder Form zu verändern, kann mit Hilfe des magnetischen Feldes die Erhitzung des hochschmelzenden Metalls durch eine Umpolung des magnetischen Feldes reguliert werden, so daß der Lichtbogen nur zeitweise auf den Gegenstand einwirken kann. Die Beheizungspausen sind hierbei so groß, daß sich infolge der Wärmeleitfähigkeit des Gegenstandes die partiell zugeführten Wärmemengen auf demselben verteilen können. Die Zeitintervalle der intermittierenden Erhitzung werden dabei so gewählt, daß die anwachsende Gesamttemperatur des Gegenstandes bei länger dauernden Behandlungsprozessen nicht wesentlieh die Temperaturen der Umwandlungsp 'kte des Unterlagmaterials überschreiten un kann. Um den Prozeß zeitlich abzukürzen, bringt man geeignete Kühlmaßnahmen zur Anwendung. Beim Vergüten von Gegenständen aus hochschmelzenden Metallen oder deren Legierungen kann unter Umständen das sich einstellende thermische Gleichgewicht noch unterhalb der für die Vergütung notwendigen Temperatur liegen. In diesem Fall verzichtet man auf die Kühlmaßnahme und kann sogar eine zusätzliche Erwärmung vornehmen, welche in bekannter Art und Wise erfolgen: kann. Um eine gleichmäßige Vergütung auf der gewünschten Fläche bei gleicher Tiefe auf dem Gegenstand zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Temperatur auf demselben auch. gleichmäßig zu verteilen. Am leichtesten. wird dies durch Bewegen des zu vergütenden Gegenstandes vorgenommen, Kann man jedoch aus besondere Gründen den Gegenstand nicht bewegen, so läßt man bei feststehendem Körper das oder die Lichtbogensysteme entsprechende Bewegtalgen aus- i führen, um in gleichmäßiger Zeitfolge den ganzen Körperoder gewünschte Teile der Oberfläche zu erhitzen. Das Verfahren zeigt außer bei Atmosphärendruck im Unterdruck sowie bei Überdruck für dasselbe wichtige Vorteile, die in derTemperaturregelung sowie in der Konzentrationsänderung des Vergütungsmittels, welches aus dem Elektrodenmaterial bzw. der Gasatmosphäre ab- oder aufgespalten wird, liegen. Zur Beschleunigung des Vergütungsprozesses nimmt man eine- zusätzliche Iodenbildung bzw. Verminderung der Rekombination durch Photoionisierung vor, wobei der UrsprungsGrt der Strahlen innerhalb oder außerhalb des Behandlungsgefäßes liegen kann. Die für die Vergütung notwendigen Mittel können einmal in den Elektroden in reiner Form vorliegen oder in Form von Verbindungen,. Legierungen, oder Mischungen in derselben vorhanden sein. Für die Carbidbildung in Metallen oder Metalllegierungen haben, sich z. B. reine Kohleelektroden, .für eine Silioidbildung haben sich z. B. Eisenelektroden mit hohem Siliciumgeh-alt bewährt. Ist das Vergütungsmittel in solchem Maße erforderlich, daß es durch die Abspaltung von den Elektroden nicht in genügender Menge erzeugt werden kann, so kann man durch Zufuhr von Vergütungsmittel enthaltenden lasen oder. Dümpferi, die bei der herrschenden hohen Temperatur dissoziert sind, die Mengen des oder der Vergütungsmittel erhöhen., Prinzipiell ist die Zuführung von Vergütungsmitteln in Gas- oder Dampfform immer dann erforderlich, wenn man metallische Gegenstände vergüten will, bei denen die Vergütungsmittel in der Elektrode selbst durch Verbindung, Legierung oder Mischung nicht untergebracht werden können. In einem solchen Falle -wird dann der Lichtbogen vorzugsweise zwischen zwei Elektroden gebildet, die dem zu vergütenden Metall entsprechen. Bei einer Vergütung, bei der das Vergütungsmittel in Gas- -bzw. Dampfform vorliegt, kann man, um eine Überproduktion des Vergütungsmittels zu vermeiden, die Konzentration durch Zusatzgase, welche nicht wesentlich an denn Prozeß teilnehmen, einstellen. Als Behandlungsmittel eignen sich besonders gasförmige Verbindungen 'von Wasserstoff mit dem entsprechenden Vergütungsmittel, z. B. Kohlenstoff, Silicium, Stiestoff, Phosphor, weil. nach der .thermischen Aufspaltung cdes Behandlungsgases der frei werdende Wasserstoff reduzierende Eigenschaft besitzt und zugleich günstige Bedingungen für den Lichtbogen schafft. Auch Verbindungen -der Vergütungsmittel mit Halogenen, z. B. Chloride, sind geeignet. Bisher wurde die Erfindung in der Hauptsache für die Vergütung von metallischen Gegenständen oder auf metallischen Gegenständen aufgebrachte Metallschichten beschrieben. Wie eingangs erwähnt, eignet sich die- gleiche Apparatur nicht nur für Vergütungsprozesse, sondern auch für metallische Überzugsprozesse. Wenn mgn metallische Gegenstände überziehen will, z. B. mit Metall oder Metalllegierungen der hochschmelzenden Gruppen, wie Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan, Zirkon, Vanadin, Niob, Tantal, Platin usw., zum Zwecke des Oberflächenschutzes gegen mechanische, chemische und thermische Beanspruchung, so wird in derselben Apparatur kein Vergütungsmittel hufgespalten, sondern es werden in den bestehenden Vorrichtungen Elektroden verwendet, die das aufzubringende Metall in reiner Form oder auch in einer gewünschten Legierung enthalten. Der zwischen den Metallelektroden gebildete Lichtbogen löst unter bekannten Bedingungen mehr oder weniger Metallionen, die durch das zwischen dem Elektrodensystem und dem Gegenstand herrschende elektrische Feld eine kinetische Energie in Richtung auf den Gegenstand zu erhalten und sich dort als festhaftender, homogener Niederschlag binden. Um den Ladungsträgern eine möglichst geringe Gelegenheit der Rekombination zu geben, bringt man den zü, behandelnden Gegenstand teilweise in Berührung mit der Gasstrecke, wobei gleichzeitig durch die Übertragung der hohen Temperatur außer der festhaftenden Bindung eine Legierung mit dem Unterlagsmaterial erfolgt. Wie eingangs erwähnt, stellt das Lichtbogenelektrodensystem gegen den als Kathode geschalteten Gegenstand eine Anode dar, wenn man eine Gleichspannung zwischen Lichtbogenelektrodensvstem und Gegenstand legt. Legt man aber eine Wechselspannung zwischen Lichtbogenelektrodensystem und Gegenstand, bildet der Gegenstand nur zeitweise die Anode, was unter Umständen Vorteil bieten kann, auch wenn man negativ geladene Ionen auftragen will. Um zu, verhindern, daß zwischen der so gebildeten Anode und Kathode ein selbständiger Lichtbogen entstehen kann, wird in die Spannungszuführung der Kathode (Gegenstand) ein Begrenzungswiderstand eingeschaltet. Um die Beschleunigungsspannung in bezug auf beide Lichtbogenelektroden gleichmäßig wirken zu lassen, wird der eine Pol der Beschleunigungsspannung (einer Gleich- oder Wechselspannung) an die elektrische Mitte des Lichtbogens gelegt. Bei. dieser Art der metallischen tiberziehung von Gegenständen erhöht sich gegenüber den bisher bekannten. Verfahren die Wirtschaftlichkeit insofern, als nicht nur neutrale Atome auf der Oberfläche nach den- Gesetzen derWahrscheinlichkeit niedergeschlagen werden (Kathodenzerstäubung, Verdampfung), sondern vorzugsweise die geladenen Ionen eine innige Bindung mit dem als Kathode geschalteten Gegenstand eingellen, wobei die Haftfestigkeit des aufgebrachten Überzuges durch evtl. Legierung noch bedeutend erhöht wird. Infolge der Eigenart der Schaltung lassen sich nicht nur, wie bei den bisher bekannten Verfahren, begrenzte gchichtdicken aufbringen, da' ein amorpher Aufbau des Materials verhindert wird: Das Verfahren eignet sich grundsätzlich zum Überziehen von metallischen Gegenständen mit metallischen Schichten, sogar auch nichtmetallischer Gegenstände, wenn dieselben entweder vorher mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen sind oder wenn die Beschleunigungselektrode hinter dem Gegenstand angeordnet wird. Um die Wirtschaftlichkeit des Aufstäubungsprözesses zu erhöhen, kann man noch zusätzlich Metall :in reiner Form bzw. Metallegierungen oder in Form von organischen oder anorganischen Verbindungen, z. B. MetalIcarbonyle, Metallalkyle bzw. Metallhalogene, im Lichtbogen zur Verdampfung bringen. Die bisher beschriebenen Prozesse lassen sich auch in Kombination, d. h. gleichzeitig, anwenden. Bei der beispielsweise elektrischen Aufdampfung von Wolfram unter gleichzeitiger Anwesenheit von reaktionsfähigem Kohlenstoff erfolgt die Umwandlung in das Wolframcarbi@d entweder schon vor oder auf der Oberfläche des zu überziehenden Gegenstandes. Das Vergütungsmittel bzw. das Überzugsmaterial kann hierbei entweder in fester Form, in Gestalt von Elektroden oder aber, wie eingangs beschrieben, :gas- oder dampfförmig vorliegen. Bei dem gleichzeitigen Überziehen und Vergüten gibt es die verschiedenartigsten Variationen, z. B. Vergütungsmittel und Überzugsmaterial beide aus fester Form; Vergütungsmittel und Überzugsmaterial beide in Gas- oder Dampfform; Vergütungsmittel in fester Form, Überzugsmaterial in Gas- oder Dampfform; Überzugsmittel in fester Form, Vergütungsmittel in Gas- oder Daanpfform, und die darüber hinaus noch möglichen Varianten. Auf diese Art und Weise lassen sich von allen Metallen oder Legierungen, die eine Carbidbildung eingehen, Metailcarl)idüberzüge auf metallische oder entsprechend vorbehandelte Gegenstände aufbringen. Im. selben. Maße wie die Carbidbildung kann man natürlich auch die Borid-, Phosphid-, Silicid-, Nitridbildung durch entsprechende Kombinationen des aufzubringenden Metalls mit dem gewünschten. Vergütungsmittel erzielen. Um das vergütete Metall füt sich zu gewinnen, wird nach dem durchgeführten Prozeß der Unterlagskörper, welcher metallisch oder nichtmetallisch sein kann, durch bekannte Maßnahmen gelöst. Oft ist es vorteilhaft,. Metall als Element oder Mischung in Pulverform im Lichtbogen unter Anwesenheit gas- oder dampfförmiger Mittel zu vergüten; nach Verlassen des Lichtbogens ist der Prozeß der Vergütung beendet, Die Vergütungsdauer ist hierbei abhängig von der Größe der,einzelnen zur Vergütung gelangenden Metallteilchen: Um vergütetes Metall, z. B. Metallearbid, in für einen Sinterungsprozeß geeigneter Form zu erhalten, vergütet man das Metall in kleinsten Teilchen, welche aus einem Element oder aus einer Legierung bestehen können. . Zu diesem Zweck läßt mau z. B. das pulverisierte Metall auf einem laufenden endlosen Asbestband, hinter dem. eine Beschleunigungselektrode angebracht ist, unter einem Lichtbogen, welcher durch ein magnetisches Feld eine Vorzugsrichtung auf das Asbestband zu bekommt, vorbeilaufen. Das vergütete Metallpulver wird auf der einen Seite des Asbestbandes durch geeignete Vorrichtung zugebracht und nach Passieren des Lichtbogens als vergütetes Metallpulver entfernt. Die Geschwindigkeit des endlosen Asbestbandes richtet sich nach der Größe und dem Verhalten des zur Vergütung gelangenden Metallpartikels. Besonders zur Herstellung reiner Metallüberzüge eignen sich als Zusatzmittel inerte Gase, z. B. Heliunm, Argon, Neon, Crypton, Xenon. Eine Beschleunigung der Vergütung und des Überziehens wird durch Verwendung geeigneter anorganischer oder organischer Katalysatoren erreicht.

Claims (3)

1. PATT:NTANsp12ÜcHß: i. Verfahren zum Vergüten oder inetalfischen Überziehen von Gegenständen metallischer oder nichtmetallischer Art mittels Lichtbogens, dadurch gekennzeichnet, daß durch Steuerung von zeitlich konstanten oder veränderlichen magnetischen Feldern, die durch Gleich- oder Wechselstronmtichtbogen gebildeten Ladungsträger unmittelbar vom Lichtbogen aus 'auf den zu behandelnden Gegenstand zu gerichtet werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß durch elektrische Felder die Ladungsträger in Richtung auf den zu behandelnden Gegenstand zu beschleunigt werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtbogen gleichzeitig Ladungsträger verschiedener Elemente gebildet werden, die einen vergüteten Überzug in einem Arbeitsgang ergeben. ¢. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei metallischen zu behandelnden Gegenständen der Gegenstand als Beschleunigungselektrode geschaltet wird. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungselektrode beim Überziehen nichtmetallischer Gegenstände hinter dem Gegenstand angebracht wird. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugspunkt der Bescbleunigungsspannung an die elektrische Mitte des Lichtbogens gelegt wird. 7. Verfahren nach Anspruch i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß der zu behandelnde Gegenstand in oder außerhalb des Lichtbogens angeordnet wird. B. Verfahren nach Anspruch i bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen intermittierernd zur Einwirkung gebracht wird. g. Verfahren nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mittels Lichtbogens unter vermindertem Druck geschieht. io. Verfahren nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Ionenbildung durch Photoionisierung vorgenommen wird. i i. Verfahren' nach Anspruch i- bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Elektroden das Vergütungsmittel in reiner Form, in Form von Verbindungen oder Legierungen oder Mischungen zugesetzt wird, 12. Verfahren nach Anspruch i bis g, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mittels. Lichtbogens in einem .Gas oder Dampf eines oder mehrerer Elemente oder einer oder mehrerer Verbindungen vorgenommen wird, die bei der Behandlung das bzw. die Vergütungsmittel abspalten. 13. Verfahren nach Anspruch io, da- -durch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Behandlungsgases oder -dampfes durch Zusatz solcher Gase oder Dämpfe eingestellt wird, die an dem eigentlichen Prozeß nicht wesentlich teilnehmen. i,¢. Verfahren nach Anspruch io und 11, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmige Vergütungsmittel Verbindungen von Wasserstoff :mit Kohlenstoff, Silicium, Bor, Stickstoff, Phosphor verwendet werden. 15. Verfahren nach Anspruch i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß beim metallischen Überziehen von Gegenständen in Lichtbogen Elektroden aus reinem Metall oder einer Legierung verwendet werden. 16. Verfahren nach Anspruch i3-, dadurch gekennzeichnet, .daß die Elektroden aus Metallen oder Legierungen der hochschmelzenden Gruppen, wie Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan, Zirkon, Vanadin, Niob, Tattal, Platin usw., bestehen. 17. Verfahren nach Anspruch i bis 8 und 13 und 1q., dadurch gekennzeichnet, daß -man einen Überzugswerkstoff aufbringt, welcher mit dem Unterlagswerkstoff eine Legierung eingeht. 18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf metallische oder entsprechend vorbehandelte Gegenstände Metallcarbid-, Metallborid-, Metallphosphid-, Metallsilicid-, Met:allnitridüberzüge aufgetragen werden. ig. Verfahren nach Anspruch i bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zu vergütende Metall als Element oder Mischung in Pulverform im Lichtbogen bei Anwesenheit von gas- oder dampfförmigen Vergütungsmitteln vergütet wird und als vergütetes Metall nach Durchgang durch den Lichtbogen anfällt. 2o. Verfahren nach Anspruch ig, dadurch gekennzeichnet, daß das, zu vergütende Metallpulver auf einem endlosen Band unter dem oder den Lichtbogen vorbeiläuft. 21. Verfahren nach Anspruch i bis 2o, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Überziehen in Gegenwart von inerten Gasen vorgenommen wird.