NO120577B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte og pistol til ved flammesprøyting å påføre et overflatebelegg på et arbeidsstykke.

Foreliggende oppfinnelse angår anbringelsen

av overflatebelegg på gjenstander og den tar

særlig sikte på en fremgangsmåte og et apparat

til flammesprøyting, spesielt fordelaktig til

påføring av overflatebelegg bestående av materialer med høyt smeltepunkt på gjenstander.

Det er tidligere kjent å forsyne gjenstander

med et beskyttende belegg ved å besprøyte dem

med smeltet og forstøvet materiale som fester

seg til en renset flate på gjenstanden. Denne

flatebesprøyting blir utført ved å føre beleggmaterialet, i alminnelighet i form av en stav,

inn i flammen på en gassbrenner for å smelte

materialet og derpå slynge det smeltede materiale mot den flate som skal belegges ved hjelp

av en kraftig strøm av luft eller inert gass. Slik

sprøyting har hittil med stort hell vært utført

ved å bruke lavtsmeltende metaller, men disse

belegg kan i mange henseender være utilfreds-stillende da de i alminnelighet er porøse og

ofte ujevnt fordelt. De mangler derfor mange

av de viktigste egenskaper for et godt beskyttende belegg, f. eks. hårdhet og god slitestyrke

samt motstand mot korrosjon.

Hovedhensikten med foreliggende oppfinnelse er å forbedre de foran nevnte mangler som

hefter ved de kjente fremgangsmåter og appa-rater til flatebesprøyting.

I henhold til oppfinnelsen er en fremgangsmåte til ved flammesprøyting å påføre et overflatebelegg på et arbeidsstykke, i hvilken man

kontinuerlig brenner en brennbar blanding av

et fluid brennstoff og et oksydasjonsmiddel inne

i et forbrenningsrom som er tilknyttet en ut-løpspassasje i hvilken forbrenningsproduktene

aksellereres til en stor hastighet, innfører fast

beleggmateriale i den brennende blanding og

retter den resulterende hurtige strøm av for-brenningsgasssr samman med de partikler av beleggmateriale, som tas med av denne, mot overflaten av arbaidsstykket, karakterisert ved at beleggmaterialet innføres i en forbrennings-sons som er dannet ved å brenne en blanding av adskilt tilførte strømmer av fluid brennstoff og av oksydasjonsmiddel inne i et uinnsnevret løp som har praktisk talt jevn boring, hvorunder forbrenningsbetingelsene holdes slik at K blir mellom 75 og 750 i likningen

At = tverrsnittsarealet i cm<2>, av strømmen av brennstoffmateriale på det sted hvor den inn-føres i rommet, A0 = tverrsnittsarealet i cm<2>, av strømmen av brennstoffmateriale på det sted hvor den går ut av rommet, Px = trykket i kg/cm<2> abs., på det sted hvor fiuidumstrøm-men innføres i rommet, P0 = trykket, i kg/cm<2 >abs., på det sted hvor den brennende strøm av brennstoff går ut fra rommet, W = vekten av fluid brennstoff som forbrukes i kg/sek.

Videre er i henhold til oppfinnelsen en flammesprøytepistol til utøvelse av fremgangsmåten og som omfatter et indre forbrenningsrom som skal oppta en brennbar blanding, en langstrakt utløpspassasje for aksellerering av forbrenningsproduktene til stor hastighet og ledninger for innføring av et fluid brennstoff, et oksydasjonsmiddel og et fast beleggingsstoff i forbrenningsrommet, karakterisert ved at pistolen har et løp med praktisk talt jevn boring, som ved sin lukkede ende er utstyrt med et injektormunnstykke som retter den ene av den brennbare blandings gasskomponenter sammen med beleggmaterialet aksialt inn i den nevnte boring, og at rommet som omgir det nevnte munnstykke kommuniserer med til-førselsanordninger for den annen gass.

Sprøytingen foregår kontinuerlig og omfatter, ved en foretrukket utførelse av oppfinnelsen, å suspendere findelt fast materiale i en brennbar blanding av brennstoff og forbren-ningsmiddel i slike forhold at det under forbrenningen unngås en overdreven oksyderende og dekarboniserende atmosfære. Forbrennings-midlet kan være luft, men man foretrekker å bruke oksygen, spesielt når materialer med høyt smeltepunkt skal belegges eller pletteres, på grunn av den høyere flammetemperatur det frembringer. Beleggmateriale kan føres inn i forbrenningssonen ved suspensjon enten i brennstoffet eller i oksygenet, eller det kan suspen-deres i den brennbare blanding før eller endog etter at forbrenningen har tatt sin begynnelse. De høye flammetemperaturer og flammens store lineære hastighet, som begge er av avgjørende betydning for et heldig utfall ved plettering ved hjelp av en flammestråle, oppnås ved å føre den partikkelbærende blanding til en brenner av den type hvor tenningen av bland-ingen under trykk frembringer store volum av flammende forbrenningsgasser som strømmer eller slynges ut gjennom en innsnevret kanal som bevirker at gassene akselereres opp til stor hastighet.

De høye temperaturer som partiklene kan opphetes til ved at de rives med i den brennende blanding og i flammestrålen og den betraktelige temperaturstigning som svarer til omsetningen av kinetisk energi når de med stor hastighet strømmende partikler slår an mot overflaten på den gjenstand som skal belegges, gjør det mulig å smelte selv materialer med høyt smeltepunkt (eller i det minste dette materiales bestanddel som har det laveste smeltepunkt) tilstrekkelig til å sikre en sterk mekanisk forbindelse med den flate som blir belagt. Den store hastighet som ved disse temperaturer meddeles partiklene bevirker at de ved anslaget mot flaten deformeres tilstrekkelig til at de sveiser seg sammen med andre partikler i belegget, så det dannes et fast vedhengende belegg som i det vesentlige er fritt for porer. I den foran beskrevne fremgangsmåte er partiklenes termiske og kinetiske energi så stor at det ikke er nødvendig å opphete arbeidsstykkets overflate til høye temperaturer som tilfellet er ved overflateherdning og liknende prosesser. Herav følger at ved anvendelsen av foreliggende oppfinnelse frembringes et godt vedheftende, porefritt belegg uten særlige endringer i arbeidsstykkets mikrostruktur.

Tegningen viser eksempler på utførelser av oppfinnelsen. Fig. 1 er et lengdesnitt gjennom en fore-trukken utførelse av en flammestrålepistol for utførelse av fremgangsmåten etter oppfinnelsen. Fig. 2 er et bruddstykke av et lengdesnitt gjennom en endret utførelse av den i fig. 1 viste flammestrålepistol.

I fig. 1 er flammepistolen i det store og hele betegnet med 10. Den er utstyrt med en rør-formet brenner 11 som er den brennertype som i alminnelighet foretrekkes ved utførelse av oppfinnelsen. Brenneren omfatter en fra innløp til utløp ikke innsnevret kanal som i innløps-enden mottar en brennbar fluidumblanding som antennes, strømmer gjennom og derpå ut gjennom den annen ende som en strøm av varme, brennende gasser for å frembringe en flamme med intens varmeoverføringsevne, stor hastighet og betraktelig slagkraft.

For å få tilfredsstillende resultater er det helt nødvendig at forholdene under forbrenningen er slik at verdien av K ligger mellom 75 og 750 i likningen:

hvor:

Ai = tverrsnittet i cm<2> av den brennbare

fluidumstrøm ved innløpet til den nevnte kanal,

Ao = tverrsnittet i cm<2> av den brennende

fluidumstrøm ved utløpet fra kanalen,

Pi = det absolutte trykk i kg/cm<2> ved inn-løpet til kanalen,

Po = det absolutte trykk i kg/cm<2> ved

kanalens utløp,

W = forbrukt fluidumbrennstoff i kg/sek. Flammepistolen 10 omfatter en brenner 11 med et hult sylindrisk parti 12 hvis ene ende er konisk og går over i et sentralt utboret løp 13 og hvis annen ende er åpen og opptar en brenn-stoffinjektor 14 med en sentral kanal 15 som ligger i flukt med aksen for løpet 13. Et gjenget midtparti på injektoren 14 er skrudd inn i en del 16 av partiet 12 og injektoren holdes på plass i forut bestemt aksialstilling i brenneren ved hjelp av en låsemutter 17.

Injektoren 14 er forsynt med en avtrapning 18 for å skaffe en blandingsseksjon 19 med

redusert diameter et stykke fra innersiden av seksjonen 12 og med et utløp 20 til forbrenningskanalen 21 som utgjøres av boringen i løpet 13. Blanderen 19 ligger et lite stykke fra den koniske endevegg i seksjonen 12 for å skaffe en ring-formet åpning for fluidstrømmen fra det ring-formede rom 22 rundt blanderen 19 og inn til kanalen 21. En ledning 24 for brennstofftil-førsel er gjennom en sideport 23 forbundet med kanalen 15 og en oksygenledning 25 er gjennom en sideport 26 forbundet med rommet 22. For å sikre tilbakeslag av flammen, som til en begynnelse tennes utenfor forbrenningskanalen

21, inn i denne kanal bør utløpet 30 fra denne ikke være vesentlig mindre enn 0,5 mm.

Beleggmaterialet kan i pulverform føres inn i brenneren som en suspensjon i brennstoffet eller i oksygenet eller som en suspensjon i den brennbare blanding. Som det fremgår av fig. 1 føres pulverformet materiale ved hjelp av en bærende gass, f. eks. hydrogen, inn i en nippel 27 som er skrudd inn i en plugg 28 som på sin side er skrudd inn i injektorens 14 bakre ende og lukker kanalen 15 i denne. Den bakre ende av nippelen 27 kan forbindes med en kilde for beleggmateriale og dens forreste ende er forsynt med et rør 29 som i det minste strekker seg forbi sideporten 23 for brennstoff og inn i kanalen 15 og som leverer bæregassen med det medførte beleggmateriale til blanderen 19.

Brennstoff og oksygen tilføres forbrenningskanalen under et trykk på fortrinsvis minst 1 kg/cm<2>. Når det partikkelbærende brennstoff trer inn i forbrenningskanalen 21 blir det intimt blandet med oksygen i kanalens bakre parti for å danne en strøm av brennbar blanding som tar til å brenne straks etter den er blandet og frembringer store mengder flammende forbrenningsgasser som med stor hastighet strømmer fremover gjennom forbrenningskanalen og ut gjennom utløpet 30 i form av en flammestråle. Det av forbrenningsgassene medrevne beleggmateriale slynges derfor ut fra pistolen i en retningsbestemt flammestråle med en intens vanneoverføringsevne, stor hastighet og en betraktelig slag- eller støtkraft. For å hindre en overdreven oppheting av løpet 13 er det rundt dette med et radialt mellomrom anbrakt en hylse 31 slik at det fremkommer en vann-kappe 32 som det fra innløpet 33 kan sirkuleres vann gjennom til utløpet 34.

Beleggmateriale kan også føres direkte inn i forbrenningssonen enten som pulver eller i form av en stang. Dette siste er vist i fig. 2 hvor en lang stang 40 av beleggmaterialet gjennom en åpning 41 i injektorens bakre ende er ført gjennom denne og blanderen 19 og så langt inn i kanalen 21 at dens forende blir liggende i forbrenningssonen. Stangen kan fremmates ved hjelp av en eller annen passende innretning, f. eks. de viste motsatt roterende friksjonsruller 42 som virker på motsatte par-tier på stangen 40. En O-ring 43 tjener til tetning av åpningen 41.

En sprøytepistol utstyrt med denne brennertype har den store fordel at partiklenes bane gjennom hele det avgrensede forbrennings- og utstrømmingsrom ikke er innsnevret, hvorav følger at partiklene ikke møter noen hindring som de kan avsette og hope seg opp på og til-stoppe kanalen.

Den gassammensetning, den store hastighet og de høye temperaturer som kreves ved fremgangsmåten etter oppfinnelsen kan oppnås i den beskrevne flammesprøytepistol ved riktig regu-lering av de variable verdier og ved riktig dimensjonering av bestemte deler i pistolen.

Det er forskjellige faktorer som bestemmer pulverets temperatur. Blant de viktigste av disse er de reagerende stoffers egenskaper, brennstoff-oksygenforholdet, beleggpulverets oppholdstid i de brennende gasser, kjøletapet i brenneren, avstanden fra brenner til arbeidsstykke og pulverets hastighet. Brennstoffer med høye flammetemperaturer, f. eks. acetylen, er påkrevet, og hvor det er tillatelig bør det brukes brennstoff-oksygenforhold som gir maksimale flammetemperaturer. Slike forhold bør imidlertid ikke brukes for mange beleggmaterialer av grunner som blir angitt i det følgende, men de er bl. a. meget gunstige for flammeplettering av keramiske materialer.

Beleggpulverets termiske energi er avhengig av såvel pulverhastighet som flammetemperatur, for partiklenes kinetiske energi omsettes effektivt til termisk energi ved anslaget mot arbeidsstykket. Dette fremgår av den følgende tabell av temperaturstigning ved anslag under forutsetning av helt uelastiske støt.

Den minimumstemperatur ved hvilken pulveret blir tilstrekkelig plastisk til å danne et godt belegg avhenger selvsagt av det materiale som brukes. Men minimumstemperaturen betyr i alle tilfeller den lavest tillatelige beleggings-temperatur av partiklene på det tidspunkt de slår an mot eller treffer arbeidsstykket. Anslags-temperaturen vil være summen av temperatur-ekvivalensene av den termiske energi som meddeles av flammen og pulverets kinetiske energi som frigis ved anslaget. Selv om således et i andre henseender tilfredsstillende brennstoff har for lav flammetemperatur for prosesser med liten hastighet, så kan det med gunstig resultat brukes ved foreliggende oppfinnelse på grunn av den ekstra varmeenergi som meddeles beleggmaterialet når det i samsvar med oppfinnelsen slår an med de store hastigheter.

Ved bruken av mange beleggmaterialer, hovedsaklig metall og metallegeringer og -forbindelser, er det viktig at den brennende gass-komposisjon er ikke oksyderende og ikke dekarboniserende for at man skal få et belegg av forønsket kvalitet. Brennstoffets egenskaper og forholdet mellom oksygen og brennstoff innvirker på atmosfærens oksydasjonsevne som på sin side innvirker på beleggets sammenset-ning. Kullstofffinnholdet av enkelte Wolfram-karbidpulvere som brukes er f. eks. 4,5 til 5,0 vektsprosent. Med oksygenacetylen i et volum-forhold på 1,0 viste det seg ved forbrennings-analyse at kullstoffinnholdet i belegget var ca. 3,0 %. Med et forhold på 1,4 var kullstoffinnholdet 2,0 % og med et forhold på 2,0 var det 1,3 %. Beleggets kvalitet varierte med kullstoffinnholdet, hvilket fremgikk av varia-sjoner i hårdhet, sprøhet og overflatens ut-seende. Den effektive oksydasjonsevne, i dette tilfelle målt ved dekarburering, av forskjellige kombinasjoner av oksygen og brennstoff er nøye forbundet med mengden av oksydasjonsmiddel i de varme, brennende gasser. Oksyda-sjonsmidler, f. eks. kullsyre og vann, kan i denne forbindelse forklares som stoffer som ved driftstemperaturene har oksyderende egenskaper. Det har vist seg at f. eks. ved belegging med en Wolfram-karbid må brennstoff-oksygen forholdet være slik at mindre enn 67 volum-prosent oksydasjonsmiddel er tilstede når reaksjonen er fullført, dvs. oksydasjonsmidlenes volum må i forhold til det totale volum av pro-dukter frembrakt ved reaksjonen være mindre enn 67 %. Det er av særlig viktighet å begrense atmosfærens oksydasjonsevne når det brukes beleggmaterialer som oksyderes lett ved høye temperaturer, f. eks. pulver at metaller og metall-karbider, borider, nitrider og silicium. Det er derfor klart at reguleringen av flammens sam-mensetning er av stor viktighet for å oppnå den riktige kvalitet av belegget.

Det kan brukes forskjellige brennstoffer. Acetylen som har særlig høye flammetemperaturer ved brennstoffoksygenforhold som frembringer forønskede flammesammensetninger, har vist seg å være særdeles passende til flamme-sprøyting. Men det kan også brukes andre brennstoffer som gir de temperaturer og sam-mensetninger som kreves. F. eks. er hydrogen, metan og etylen med hell blitt brukt til flamme-sprøyting etter foreliggende oppfinnelse.

Pulverhastigheten i flammesprøytepistolen er rundt regnet proporsjonal med gasshastig-heten. Da denne i første rekke beror på til-førselstrykket er dette en viktig faktor ved valg av brennstoff. Jo høyere trykk det ka11 brukes for et spesielt brennstoff, desto høyere blir den oppnåelige pulverhastighet. Høyere pulverhastighet gir pulveret effektivt større termisk energi. Dette er en følge av temperatur-stigningen ved frigivelse av kinetisk energi ved pulverets anslag mot arbeidsstykkets overflate. Brennstoffer som tåler et større tilførselstrykk og dermed gir større pulverhastigheter kan derfor ha lavere flammetemperaturer og dog fremdeles være brukbare til flammesprøytingen i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

Beleggets hårdhet og porøsitet er i betraktelig grad avhengig av pulverhastigheten. Dette fremgår av nedenstående tabell hvor de opp-nådde resultater er fremkommet ved sprøyting av en legering av Wolfram-karbidkobolt med en pistol med den i fig. 1 viste brenner.

Fordelene ved stor pulverhastighet og høye temperaturer fremkommet ved foreliggende oppfinnelse er innlysende når man ønsker et ikke-porøst, godt vedheftet belegg. Disse gode egenskaper er ikke begrenset til noe bestemt beleggmateriale, for selv om oppfinnelsen særlig er beregnet til belegging med materialer med høye smeltepunkter, så er den også velegnet til-belegging med hvilke som helst av en mengde forskjellige metaller, legeringer, metallforbindel-ser, plaster, keramiske materialer og mineraler. Grunnflatene, som kan være renset på en hvilken som helst passende måte, kan også være av de mest forskjellige materialer. Følgende tabell viser en rekke illustrerende eksempler på stoffer som er blitt belagt ved hjelp av fremgangsmåten etter oppfinnelsen. Beleggene ble påført ved i den i fig. 1 viste brennertype å bruke ca. 17 m<3>/ time med oksygen og acetylen i forholdet 1,0 til 1,6. Når det gjaldt kopperpulver ble det bare brukt 8,4 m<3>/time oksygen og acetylen. Beleggene ble utført av knapper på et plant arbeidsstykke.

Vurderingen av adhesjonen var følgende:

Bra — Undersøkelse av prøvestykkenes tverrsnitt viste på enkelte steder sprekker mellom belegget og grunnmetallet.

God — I prøvestykkenes tverrsnitt ble det på anleggsflatene mellom belegget og grunnmetallet observert sorte områder, mens adhesjonen ellers syntes å være i orden.

Utmerket — Belegget heftet godt til grunnmetallet med ingen eller ytterst få mellomrom mellom anleggsflatene.

I det følgende er det beskrevet et eksempel

som viser oppfinnelsens evne til å avsette et i

det vesentlige ikke-porøst belegg bestående av

et slitesterkt materiale med høyt smeltepunkt,

f. eks. Wolfram-karbid forbindelser. Brenneren

i den i fig. 1 viste flammesprøytepistol ble til-ført en Wolfram-kull-kobolt komposisjon med

ca. 4 % kullstoff og 9 % kobolt som et fint

oppdelt pulver som kunne gå gjennom 0,043 mm

siktåpninger, med en hastighet på 6,8 kg/time

i en bærende hydrogengass på 1,7 m<:!>/time.

Acetylen og oksygen i forholdet 1 : 1,4, og med

et trykk på 2,46 kg/cm<2> ble tilført brenneren

med en samlet mengde på 17,0 kg/time. Arbeidsstykket, en sylindrisk stålplate med en diameter på 12,7 mm og en lengde på 38,1 mm,

roterte med 150 omdr. pr. min. og vandret

3,2 mm forbi brenneren pr. omdreining i en

avstand på 102 mm. På denne måte ble arbeidsstykket belagt med en tykkelse (på radien) på

0,10 mm på ca. 5 sek. Den belagte prøve ble

på kjent måte slipt og ferdigpolert og gitt en

meget glatt overflate hvis hårdhet ble målt å

være 1200 Knoop. Sprøytepistolen som ble

brukt hadde et vannkjølt sylindrisk munnstykke

på 71 mm diameter og 203 mm lengde.

Den kontinuerlige virkemåte av foreliggende

oppfinnelse gjør det mulig å føre en jevn strøm

av beleggmateriale mot en overflate, hvor partiklene alltid meddeles omtrent like stor kraft.

På denne måte kan et jevnt ikke-porøst belegg

spredes på en flate på forholdsvis kort tid.

Under arbeidet kan sprøytepistolen holdes

enten vertikalt eller horisontalt og arbeidsstykket som skal belegges kan beveges i forhold til

pistolen eller omvendt. Ved belegging av spesi-elle arbeidsstykker, f. eks. læredorer, kan

arbeidsstykket spennes inn i en dreibenkchuck

og rotere mens pistolen røres langsetter doren,

som derved vil få et jevnt belegg.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte til ved flammesprøyting å påføre et overflatebelegg på et arbeidsstykke, i hvilken man kontinuerlig brenner en brennbar

blanding av et fluid brennstoff og et oksydasjonsmiddel inne i et forbrenningsrom som er tilknyttet en utløpspassasje i hvilken forbrenningsproduktene aksellereres til en stor hastighet, innfører fast beleggmateriale i den brennende blanding og retter den resulterende hurtige strøm av forbrenningsgasser sammen med de partikler av beleggmateriale, som tas med av denne, mot overflaten av arbeidsstykket, karakterisert ved at beleggmaterialet inn-føres i en forbrenningssone som er dannet ved å brenne en blanding av adskilt tilførte strøm-mer av fluid brennstoff og av oksydasjonsmiddel inne i et uinnsnevret løp som har praktisk talt jevn boring, hvorunder forbrenningsbetingelsene holdes slik at K blir mellom 75 og 750 i likningen

I Ai = tverrsnittsarealet i cm<2>, av strømmen av brennstoffmateriale på det sted hvor den inn-føres i rommet, Ao = tverrsnittsarealet i cm<2>, av strømmen av brennstoffmateriale på det sted hvor den går ut av rommet, Pi = trykket i kg/cm<2> abs., på det sted hvor fluidumstrømmen innføres i rommet, Po = trykket, i kg/cm<2> abs., på det sted hvor den brennende strøm av brennstoff går ut fra rommet, W = vekten av fluid brennstoff som forbrukes i kg/sek.

2. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, karakterisert ved at løpet tilføres surstoff og acetylen i et forhold mellom 0,8 : 1 og 1,9 : 1, og at pulverisert wolfram-karbidkomposisjon, som kan passere gjennom 0,043 mm siktåpninger, inn-føres i forbrenningssonen.

3. Flammesprøytepistol til utførelse av fremgangsmåten i påstand 1 eller 2, omfattende et indre forbrenningsrom som skal oppta en brennbar blanding, en langstrakt utløpspas-sasje for aksellerering av forbrenningsproduktene til stor hastighet og ledninger for innføring av et fluid brennstoff, et oksydasjonsmiddel og et fast beleggingsstoff i forbrenningsrommet, karakterisert ved at pistolen (10) har et løp (31) med praktisk talt jevn boring (21), som ved sin lukkede ende er utstyrt med et injektormunnstykke (19) som retter den ene av den brennbare blandings gasskomponenter sammen med beleggmaterialet aksialt inn i den nevnte boring (21), og at rommet (22) som omgir det nevnte munnstykke (19) kommuniserer med til-førselsanordninger (25) for den annen gass.

4. Flammesprøytepistol ifølge påstand 3, karakterisert ved at injektormunnstykkets boring (15) er forsynt med et koaksialt rør (29) for med pulver belastet gass, hvilket strekker seg forbi et sideveis anbrakt innløp (23) for en gasskomponent av den brennbare gassblanding.