DE1521241A1

DE1521241A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung metallischer UEberzuege

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Publication number: DE1521241A1
Application number: DE19651521241
Authority: DE
Inventors: Federmann Alfred Paul
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-07-02
Filing date: 1965-07-02
Publication date: 1969-04-10
Also published as: US3468695A; BE666254A; GB1073871A; NO115161B; SE319056B; NL6508452A

Description

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH - sos* unterpfaffenhofen 1. Juli 1965

b. MDNOHEN

PATENTANWALT ,, /._v

BLUMENSTRASSE 5 h/AA.

TELEFON CRUNCHEN} 873638

TELEGRAMMADRESSE: " ,

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Meine Akte: 1439 \ . Γ " -^*

Anmelder: Alfred Paul Pederman, 97'i^ Sherman Road, Chesterland, Ohio,

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung metallischer

Überzüge

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auftragen eines metallischen Überzugs auf einem metallischen Gegenstand, insbesondere eines Aluminiumüberzugs auf einem Stahldraht, sowie einen mit Aluminium überzogenen Gegenstand aus Stahl, der mit einem derartigen Verfahren und einer derartigen Vorrichtung herstellbar ist. Unter "Aluminium" sind in diesem Zusammenhang praktisch reines Aluminium sowie verschiedene Aluminiumlegierungen zu verstehe», vorzugsweise solche Legierungen, die eine gute elektrische Leitfähigkeit und/oder gute Eigenschaften hinsichtlich eines Korrosionsschutzes aufweisen.

Bei der Herstellung dicker Aluminiuinüberzuge auf Stahldrähten bestehen bei der Massenproduktion verschiedene Nachteile und Schwierigkeiten. Diese Nachteile und Schwierigkeiten bekannter Verfahren sollen durch die Erfindung im wesentlichen vermieden werden, indem ermöglicht werden soll, daß ein dicker Aluminiumüberzug mit clatter Oberflächenbeschaffenheit auf Stahl in vorteilhafter Weise aufgetragen werden soll. Unter "dick" isl dabei dicker als 0,05 mm (o,0o2 Zoll) zu verstehen. Der Aluminiumüberzug haftet dabei vorzugsweise an dem Stahl körper mit einer Alum inium-Stahlzwischen-1 (igieruri.'isschicht an, die unterbrochen oder kontinuierlich über

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der gesamten Oberfläche des Stahlträgers vorhanden sein kann, und die entlang ihrer Ausdehnung eine Dicke von weniger als 0,02 mm (0,0007 Zoll) hat. Wahlweise kann die Legierungszwischenschicht vollständig oder im wesentlichen fehlen, und der dicke Aluminiumüberzug kann nicht fest an dem Stahlkörper haften, so daß eine folgende mechanische Bearbeitung und/oder Wärmebehandlung erforderlich ist, um den Überzug zuverlässig mit dem Körper zu verbinden .

Mit Aluminium überzogener Stahldraht ist gemäß der Erfindung durch einen außergewöhnlich glatten und konzentrischen dicken Aluminiumüberzug gekennzeichnet, der eine vorherwählbare Dicke hat.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahrenzur Herstellung eines Stahlkörpers mit einem verhältnismäßig dicken, glatten, im wesentlichen oxydfreien, korrosionsbeständigen, elektrisch leitenden Aluminiumüberzug gleichförmiger DicKe anzugehen. Insbesondere soll ein mit einem Aluminiumüberzug versehener Stahldraht hergestellt werden, der einen verhältnismriüiii;. dicken, platten und konzentrischen Überzug aus Aluminium aufweist. Ferner soll ein Verfahren zur Ausbildung eines verhältnismäßig dicken, glatten und gleichförmigen Überzugs aus Aluminium auf Stahl angegeben werden. Der Metallüberzug soll so auf einem Metallkörper aufgebracht werden, daß eine Legierungszwischenschicht zwischen dem Überzug und dem Körper in gewünschter Weise ausgebildet oder gewunschtenfalls vermieden werden kann. Ferner soll eine Vorrichtung zur Herstellung eines dicken, glatten, gleichförmigen Metallüberzugs auf einen Metallkörper angegeben werden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

BAD

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Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, wobei gewisse Teile weggebrochen sind und die Ventileinrichtung im geschlossenen Zustand dargestellt ist;

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt durch diese Vorrichtung, wobei die Ventileinrichtung geöffnet ist;

Fig. 3 eine Mikrophotographie mit 1350-facher Vergrößerung, die einen Querschnitt von 1065-Stahldraht (0,65% Kohlenstoff) zeigt, der mit einem Aluminiumüberzug gemäß der Erfindung versehen ist;

Fig. 4 eine Mikrophotographie mit 500-facher Vergrößerung, die einen anderen Querschnitt desselben überzogenen Drahts zeigt;

Fig. 5 eine Mikrophotographie mit 500-facher Vergrößerung, die einen Querschnitt von Iü65-Stahldralit zeigt, der mit Aluminium unter anderen Bedingungen gemäß der Erfindung überzogen wurde;

Fig. 6 eine Mikrophotographie mit 500-facher Vergrößerung, die einen Querschnitt durch 1095-Stahldraht (0,95% Kohlenstoff) darstellt, der gemäß der Erfindung mit Aluminium überzogen ist;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Dicke des Überzugs in Abhängigkeit von der Vorwärmtemperatür für eine spezielle nicht überzogene Drahtgröße, wobei die Drahtgeschwindigkeit und die Temperatur des Überzucsbads gemäß der Erfindung gewählt wurden; und

Fis,. >> eine Mikrophotographie eines Querschnitts durch einen lO^O-Stahldraht mit ";,25 mm (0,12.^ Zoll) Durchmesser, der einen platten, konzentrisch ausgebildeten Aluminiumüberzug gemäß einem Verfahren nach der Erfindung aufweist.

Die folgende Beschreibung bezieht sich insbesondere auf die Ausbildung eines dicken Aluminiümüberzugs auf einem massiven Stahldraht mit kreisförmigen Querschnitt. Unter einem "dicken" Überzug ist ein solcher Aluminiumüberzug zu verstehen, der beträchtlich

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dicker als 0,05 mm (0,002 Zoll) ist und der vorzugsweise eine Querschnittsfläche von mindestens l^vjo des Gesamtquerschnitts des überzogenen Drahts hat. Dieser Überzug ist beträchtlich dicker als solche Überzüge, die durch bekannte Heißtauch-Verfahren hergestellt werden können, bei welchen das Aluminium geschmolzen ist, wenn der Stahldraht das Aluminiumbad verlässt, und nur wegen der eigenen Oberflächenspannung auf dem Draht verbleibt. Derartige durch Tauchverfahren hergestellte Überzüge besitzen eine Dicke von 0,05 mm oder weniger. Ferner ist der Aluminiumüberzug im wesentlichen nicht frei von gelöstem Eisen. Ein gemäß der Erfindung hergestellter Aluminiumüberzug ist beträchtlich dicker als ein mit Tauchverfahren hergestellter Überzug. Die Dicke dieses Überzugs ermöglicht, daß der übereogene Draht für andere Zwecke als durch Tauchverfahren hergestellte Drähte bekannter Art verwandt werden kann, beispielsweise als elektrischer Leiter. Ferner ist ein Überzug gemäß der Erfindung praktisch frei von gelöstem Eisen.

Bevor der Aluminiumüberzug aufgetragen wird, wird der Stahldraht vorzugsweise gründlich gereinigt. Obwohl die Erfindung nicht auf die folgenden Einzelheiten des Reinigungsvorgangs beschränkt ist, sollen im folgenden Verfahreneschritte zur Reinigung näher erläutert werden, mit denen vorteilhafte Ergebnisse erzielt wurden?

(1) Der Stahldraht wird mit einem Sandstrahlgebläse oder dergleichen behandelt, um Ziehfett oder dergleichen Verbindungen von dem Draht zu entfernen;

(2) der Draht wird in eine alkalische Reinigungslösung gebracht, in der gegebenenfalls ein elektrolytischer Angriff erfolgt;

(3) der Draht wird in kaltem Leitungswasser abgespült;

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(4) der Draht wird in einer Beizlösung bei einer Temperatur zwischen 140 und 150⁰P abgebeizt, die durch einen Ultrasehallumwandler gerührt wird;

(5) der abgebeizte Draht wird mit kaltem Leitungswasser abgespült; und

(6) der Draht wird schließlich mit heißem destillierten oder entionisierten Wasser abgespült.

Der gereinigte Stahldraht wird dann durch einen Vorwärraofen geführt. Dieser Ofen weist ein längliches rohrförmiges Gehäuse 10 auf, dessen oberes Ende in Fig. 1 dargestellt ist. Der Draht 11 erstreckt sich zentral in Längsrichtung durch dieses Gehäuse. Das Gehäuse 10 des Vorwärmofens ist mit einem weitgehend sauerstofffreien reduzierenden Gas wie Wasserstoff oder Kohlenmonoxyd gefüllt. Dieses Gas wird oberhalb des Atmosphärendrucks gehalten, indem eine kontinuierliche Gasströmung eingepumpt wird, die aus dem unteren Ende des Gehäuses 10 herausgelangen kann. Das austretende Gas wird vorzugsweise aus Sicherheitsgründen angezündet. Eine geeignete Wärmequelle wie Gasbrenner oder eine Induktionsbeheizung ist in der Umgebung des Gehäuses 10 vorgesehen, um den ♦ Draht 11 auf eine geeignete Vorwärmtemperatur zu erhitzen, wie im lolgenden näher erläutert werden soll. Eine Anzahl von nicht dargestellten Thermoelementen oder optischen Pyrometern ist in Abständen entlang der Länge des Gehäuses 10 vorgesehen, um die Drahttemperatur nachzuweisen. Ferner können Regeleinrichtungen (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um die Vorwärmtemperatur des Drahts zu regeln.

Nach dem Vorwärmen verläuft der Stahldraht 11 sofort in vertikaler Richtung durch einen Gießofen gemäß der Erfindung.

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Dieser in Fig. 1 dargestellte Gießofen enthält einen Kegel mit einer starr angeordneten, im wesentlichen tassenförraigen Außenhülle 12 aus Stahl oder einem entsprechenden Metall, welches eine erste hitzebeständige keramische Auskleidung 13 haltert. Die Auskleidung 15 trägt eine im wesentlichen tassenförmige, hitzebeständige innere keramische Auskleidung 14t, in welcher ein Bad 15 aus geschmolzenem Aluminium vorhanden ist. An ihrem unteren Ende ist die innere Auskleidung 14 nach innen abgesetzt und verjüngt sich nach unten zu einem ringförmigen Teil 16, welcher auf einem dicken Metallträger 17 des Gießofens aufliegt. Dieser untere Endteil l6 der inneren Auskleidung 14 endet in einem sich verjüngenden ringförmigen Vorsprung l6a, der in einer entsprechenden Öffnung 17a in dem Träger 17 vorgesehen ist.

Das obere Ende des Gehäuses 10 des Vorwärmofens ist mit einem ringförmigen Stahlflansch 18 verschraubt, der durch Bolzen mit dem unteren Ende einer Stahlhülse 19 verbunden ist. Ein vergrößerter ringförmiger Flansch 20 an dem oberen Ende dieser Hülse ist bündig von einer entsprechend ausgebildeten, nach unten weisenden Aussparung aufgenommen, welche in der Unterseite des Trägerglieds 17 aufgenommen ist. Das Trägerglied 17 hat eine nach unten weisende ringförmige Schulter 22 an der Schnittstelle der Aussparungen 17a und 21, welche Schalter koplanar zu der Unterseite des unteren Vorsprungs lba der inneren Auskleidung des Ofens liegt. Eine ebene, ringförmige, hitzebeständige Unterlegscheibe 23 liegt zwischen der Oberseite des Flansche 20 und der Schulter 22 und der Unterseite des Vorsprungs l6a.

Eine hitzebeständige keramische Spitze 24 erstreckt sich vertikal in einem Abstand von der inneren keramischen Auskleidung 14 des Gießofens. Ein Bohr 25 aus Edelstahl ist starr an der keramischen Spitze 24 befestigt, indem es beispielsweise darin eingegossen ist.

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BAD ORiG/NAL

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- 7 Das Rohr 25 erstreckt sich in die Hülse 19 koaxial dazu. Eine Anzahl von Bolzen 26 haltert das Rohr 25 in der Hülse 19. Die keramische Spitze 2h endet mit einer nach oben weisenden kegelstumpf f örmigen Oberfläche 27, die einen Teil einer Ventileinrichtung dieser Vorrichtung bildet. Die Spitze 2k weist einen zentralen, in Längsrichtung verlaufenden Kanal 28 auf, der bündig aber gleitend den Stahldraht 11 aufnimmt. Bei einem praktisch erprobten Ausführungsbeispiel für einen Draht mit einem Durchmesser von 3,25 mm (0,128 Zoll) betrug der Durchmesser dieses Kanals 3,53 mm (0,139 Zoll).

Der andere Teil dieser Ventileinrichtung ist durch ein vertikal angeordnetes, ringförmiges keramisches Glied 29 aus hitzebeständigem Material gebildet, das ein seitlich nach innen gedrehtes unteres Ende 30 hat, welches in einer nach unten weisenden kegelstumpfförmigen Oberfläche 51 endet, die entsprechend der Oberfläche 27 ausgebildet ist und daran andichtend angreift, welche auf dem oberen Ende der keramischen Spitze 21 vorhanden ist. Das Glied 29 hat eine zentrale vertikale Öffnung 52, die sich nach oben von dieser abdichtenden Oberfläche 31 erstreckt.

Das keramische Glied 29 ist durch Schrauben 33 an dem unteren Ende einer Metallhülse 3h befestigt. Das obere Ende dieser Hülse ist durch eine Endkappe 35 verschlossen. Die Endkappe 35 trägt zwei getrennte herabragende konzentrische vertikal angeordnete Metallrohre 36 und 37- Der ringförmige Raum 3β zwischen dem äußeren Rohr 56 und dem inneren Rohr 17 steht mit einem Hohlraum oder einer Aussparung 39 in Verbindung, welche in der Endkappe 35 ausgebildet ist. Eine Leitung 40 steht in Verbindung mit der Aussparung 39. Das obere Ende des inneren Rohrs 37 ist zur Atmosphäre an der Oberseite

der Endkappe 55 geöffnet. Die Endkappe selbst weist eine Anzahl von engen Abzugsöffnungen hl auf.

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Beim Betrieb der Vorrichtung wird ein geeignetes Gas, das

vorzugsweise Stickstoff oder Argon ist, durch die Leitung kO eingeführt und fließt unter Druck nach unten durch den Zwischenraum zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr 36 und 37, wodurch der Raum in dem keramischen Glied 29 und der Hülse J>k ausgefüllt wird. Es tritt zur Atmosphäre durch das offene obere Ende des inneren Rohrs 36 und durch die Abzugsöffnungen 41 in der Endkappe 35 aus.

Die Anordnung aus dem keramischen Glied 29, der metallischen Hülse 34, der Endkappe 35, den Rohren 36,37 und der Leitung kO ist in vertikaler Richtung auf- und abbeweglich vorgesehen, um die kegelstumpfförmige Dichtfläche 31 auf dem keramischen Glied 29 entweder in abdichtender Berührung mit der Oberseite 27 der keramischen Spitze 2k zu bringen, wie in Fig. 1 dargestellt ist, oder in einem Abstand davon vorzusehen, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Daraus ist ersichtlich, daß die keramischen Glieder 2k und 29 zusammen ein Ventil darstellen, welches den Durchfluß von geschmolzenem Aluminium von dem Bad 15 in den Innenraum des keramischen Glieds 29 steuert.

Vor dem Gießvorgang ist das keramische Glied 29 in seiner unteren Lage, wobei die Oberfläche 31 mit der Oberseite 27 der Spitze 2k abdichtet. Bevor geschmolzenes Aluminium 15 in dem Ofen vorhanden ist, oder bevor geschmolzenes Aluminium in dem Ofen das Niveau der Abdichtung zwischen dem keramischen Glied 29 und der keramischen Spitze 2k erreicht, wird der Innenraum des keramischen Glieds 29 und der Hülse 3k entlüftet, indem Stickstoff oder Argon unter Druck kontinuierlich hindurehgeleitet wird. Wenn das geschmolzene Alurainiumbad 15 vorhanden ist, wird das geschmolzene Aluminium daran gehindert, in den Innenraum des keramischen Glieds zu strömen, indem die Abdichtung zwischen den Ventilflächen 27 und vorhanden ist.

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Der gereinigte und vorgewärmte Stahldraht 11 wird durch den Kanal 23 in der keramischen Spitze hochgefördert und dann durch den Innenraum des keramischen Glieds 29 und durch das innere Rohr uryl hinaus durch die Spitze der Endkappe 35· Irgend ein geeigneter Zufiihrmechanismus für Draht kann zu diesem Zwecke Verwendung finden. Vorzugsweise erfolgt die Drahtzufuhr mit einer innerhalb enger Toleranzen geregelten gleichförmigen Geschwindigkeit,

¥enn das Überziehen des Stahldrahts mit Aluminium beginnen soll, wird die Einheit aus dem keramischen Glied 29, der metallischen Hülse 34, der Endkappe 35, der Leitung 40 und den Rohren 36 und 37 hochgehoben, so daß geschmolzenes Aluminium in dem Bad 15 zwischen den Ventiloberflächen 27 und 31 in den Innenraum de» keramischen Glieds 29 zur selben Höhe wie im Hauptteil des Bads einfließen kann. Das in das Glied 29 eingeflossene geschmolzene Aluminium ist praktisch oxydfrei, weil der Zufluss von Stellen unterhalb des Spiegels des nauptbads 15 erfolgte. Obwohl die Oberseite des Hauptbads 15 Luft ausgesetzt ist und mit Dxyden verseucht sein kann, ist praktisch keine Verseuchung durch Oxyd in dem geschmolzenen Aluminium unterhalb des Spiegels vorhanden. Das in das keramische Glied 29 eintretende geschmolzene Aluminium bleibt oxydfrei und unverseucht, weil in dem Glied 29 ein nicht reagierendes Gas vorhanden ist.

Wenn der Stahldraht 11 nach oben aus der keramischen Spitze 24 und durch das geschmolzene Aluminium in dem keramischen Glied 29 herausbewegt wird, nimmt er eine gleichförmig dicke, konzentrische Überzugsschicht aus Aluminium auf, welche an dem Draht anhaftet und sich darauf verfestigt. Das Spiel oder der Gleitsitz des Stahldrahts 11 in dem Kanal 2b, die Oberflächenspannung des geschmolzenen Aluminiums und der Kopf aus dem geschmolzenen Aluminium oberhalb der

Spitze 24 mit verhältnismäßig niedrigem Druck ermöglichen praktisch keinen Austritt des Aluminiums in den Kanal 28.

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Vorzugsweise liegt die vertikale Tiefe des AlumLniumbads über dem oberen Ende der keramischen Spitze 2k zwischen etwa 8 und 80 ram (5/l6 und ;) Zoll). Die Drahtgeschwindigkeit liegt über Ip m pro Minute (50 Fuß pro Minute), und beträgt vorzugsweise 30 m pro Minute (100 Fuß pro Minute)oder mehr. Mit einer Badtiefe von etwa 20 mm (5/h Zoll) und einer Drahtgeschwindigkeit von 30 m pro Minute (100 Fuß pro Minute) wird der Stahl dem geschmolzenen Aluminium während 0,0175 Sekunden ausgesetzt.

Das Bad 15 wird kontinuierlich oder intermittierend nachgefüllt, indem der Schmelze Aluminium zugeführt wird, um die Tiefe des Bads praktisch gleich zu halten, durch welche der Draht hindurchtreten muß.

Wenn bei einem Verfahren gemäß der Erfindung reines Aluminium als Überzugsmetall und ein Stahldraht mit 3,25 «im (0,126 Zoll) Durchmesser verwandt wird, liegt die Vorwärmtemperatur für den Draht zwischen 500 und 12Oo F, vorzugsweise zwischen 650 und 1000⁰F. Für andere Aluminiumlegierungen als Überzugsmetall liegt die bevorzugte Vorwärmtemperatur wegen des niedrigeren Schmelzpunkts derartiger Legierungen niedriger. Für gewisse Legierungen ist eine Vorwärmtemperatur von lediglieh 500⁰F zulässig. Bei Vorwärmung auf eine derartige Temperatur und unmittelbar anschließende Durchleitung durch das Aluminiumbad verfestigt sich ein glatter konzentrischer Aluminiumüberzug auf dem Stahldraht.

Bei Vorwärmtemperaturen oberhalb etwa 625°F wird im Falle von reinem Aluminium als Überzugsnietall, einem Stahldraht mit 3,25 mm (0,128 Zoll) Durchmesser und einer Wasserstoffatmosphäre in dem Vorwärniofen der Überzug mit deia Stahl mit einer dünnen Legierungszwischenschicht aus Stahl und Aluminium mit dem Staal verbunden. Obwohl diese Legierungszwischeuschicht gewöhnlich nicht

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kontinuierlich die gesamte Oberfläche des Stahldrahts bedeckt, ist sie groß genug, um ein geeignetes Anhaften des Aluminium-Überzugs an dem Stahldraht zu gewährleisten, so daß der überzogene Draht daraufhin durch eine Drahtform nachgezogen werden kann oder sonstwie mechanisch bearbeitet oder verformt werden kann, beispielsweise auch mit Hilfe einer Walzform.

ο Bei einer Vorwärmung in Wasserstoff unterhalb etwa 625 F bildet

sich jedoch im Falle von reinem Aluminium als Überzugsmetall und einem Stahldraht mit einem Durchmesser von 5,25 mm (0,126 Zoll) diese Überzugsschicht nicht in einem beträchtlichen Ausmaß aus, weshalb der Aluminiumüberzug nicht fest an dem Stahldraht anhaftet. In derartigen Fällen kann jedoch der Aluminiumüberzug immer noch glatt und konzentrisch sein, so daß nach einer folgenden Wärmebehandlung eine Haftwirkung an dem Stahldraht erzielt wird und der überzogene Draht zu der gewünschten Größe gezogen werden kann, wobei der überzogene Draht korrosionsbeständig ist und auch eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist, so daß er für verschiedenartige Zwecke gut verwendbar ist.

Bei einer Vorwärmung in Wasserstoff zwischen etwa 625 und 1200°F wird bei Verwendung von reinem Aluminium als Überzugsmetall und einem Stahldraht mit einem Durchmesser von 3,25 mm (0,126 Zoll) die radiale Dicke dieser Legierungszwischenschicht dort wo sie vorhanden ist innerhalb etwa 0,005 nun (0,0002 Zoll) und 0,02 mm (0,0007 Zoll) liegen und gewöhnlich etwa 0,00··? (0,0003 Zoll) betragen. Je höher die Vorwärmt einp era tür ist, desto dicker wird im allgemeinen die Legierungszwischenschicht. Da die Brüchigkeit der Legierungszwischenschicht mit deren Dicke ansteigt, soll deren Dicke vorzugsweise etwa O₁Oo? mm (o,00Q5 Zoll) oder weniger betragen. Eine gegebenenfalls vorhandene Zwischenlegierungsschicht ist so dünn

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und ihre Ausbildung wird so schnell angehalten, daß praktisch kein Eisen in dem Stahldraht in dem Aluniiniumbad oder dem aufgetragenen Aluminiumüberzug gelöst wird.

Wenn die Legierungszwischenschicht möglichst gering oder praktisch vermieden werden soll, kann vorzugsweise Kohlenmonoxyd als Gas in dem Vorwärmofen Verwendung finden. Es wird angenommen, daß Kohlenmonoxyd Sauerstoff aus der Oberfläche des Stahldrahts absorbiert und Kohlenstoff auf die Oberfläche des Drahts niederschlägt, wodurch das Benetzen des Drahts verlangsamt wird, so daß die Ausbildung der Legierungszwischenschicht verringert oder verhindert wird. Bei sonst gleichen Bedingungen führt die Verwendung von Kohlenmonoxyd anstelle von Wasserstoff bei der Vorwärmung in jedem Falle zu einer im wesentlichen geringeren Legierungszwischenschicht. Gewünschtenfalls können sowohl Kohlenmonoxyd als auch Wasserstoff vorzugsweise in dieser Reihenfolge eingeführt werden, weil Wasserstoff schneller mit der Oberfläche des Stahldrahts reagiert als Kohlenmonoxyd, um die Gasatmosphäre in dem Vorwärmofen zu bilden.

Im Falle eines nicht vollständig angelassenen Stahldrahts ist die Zugfestigkeit des überzogenen Drahts geringer als bei dem ursprünglich nicht überzogenen Stahldraht. Die Zugfestigkeit ändert sich umgekehrt mit der Vorwärmtemperatur, wobei eine praktisch geradlinige Abhängigkeit vorliegt. Für eine gegebene Erhöhung der Vorwärmtemperatur ergibt sich deshalb eine im allgemeinen proportionale Erniedrigung der Zugfestigkeit des überzogenen Drahts. Wenn eine hohe Zugfestigkeit erwünscht ist, muß der überzogene Draht nachgezogen werden. Weil die Vorwärmtemperatur nicht über 1200 F liegt, und vorzugsweise weniger als IuOO⁰F beträgt, wird jedoch die Zugfestigkeit des Drahts nicht andauernd auf

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ein Ausmaß erniedrigt, das dessen Verwendung (selbst nach einem Nachziehen) für verschiedene Zwecke ausschließen würde, bei denen eine hohe Zugfestigkeit erforderlich ist, wie beispielsweise bei freihängenden Kabeln zur Übertragung elektrischer Energie. Dies ist sehr wichtig, weil eine bedeutsame praktische Anwendung der Erfindung darin besteht, mit Aluminium überzogene Stahldrähte mit hoher Zugfestigkeit herzustellen, bei welchen der Stahldraht eine Wärmebehandlung oder eine andere Behandlung erfuhr, um diesem eine hohe Zugfestigkeit zu verleihen, bevor der Aluminiumüberzug aufgetragen wird.

Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung des Durchmessers eines überzogenen Drahts in Abhängigkeit von der Vorwärmtemperatur für lOSO-Stahldraht (0,80# Kohlenstoff) mit einem ursprünglichen 'Durchmesser von 3,25 mm (0,128 Zoll), mit reinem Aluminium als Überzugsmetall. Die maximale Überzugsdicke ist bei etwa 625°P bei der Vorwärmung vorhanden. An dieser Stelle hat der Aluminiumüberzug eine Querschnittsfläche von etwa hl% des gesamten Querschnitts des überzogenen Drahts.

Bei Temperaturen unterhalb 625°F ist die Überzugsdicke von reinem Aluminium nicht beträchtlich größer als diese Dicke. Die Legierungszwischenschicht fehlt fast vollständig, wie bereits erläutert wurde, während der Aluminiumüberzug nicht sehr fest an dem Stahldraht anhaftet.

Bei einer Vorwärmtemperatur von etwa SoO⁰F hat im Falle dieser speziellen Größe und Zusammensetzung des Stahldrahts der reine Aluminiumüberzug eine Querschnittsfläche von etwa 2'j^, der gesamten Querschnittsfläche des überzogenen Drahts.

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Bei einer Vorwärmtemperatur von etwa 96O⁰F hat der reine Aluminiumüberzug eine Querschnittsflache von etwa 10% der gesamten Querschnittsfläche des überzogenen Drahts.

Für Drähte mit anderen Staiilzusammensetzungen und Grüften, anderen Zusammensetzungen des Überzugsbads, anderen Temperaturen bei der Vorwärmung und des Bads, und mit anderen Zeitspannen des Eintauchens des Drahts in das Überzugsbad unterscheiden sich die speziellen Werte der Dicke des Aluminiumüberzugs für verschiedene Temperaturen bei der Drahtvorwärmung von den in Fig. 7 dargestellten Werten. Die Kurve verläuft aber im allgemeinen ähnlich, wobei die Überzugsdicke ein Maximum bei der minimalen Vorwärmtemperatur hat, bei welcher eine glatte kontinuierliche, konzentrische Überzugsschicht aufgetragen wird, und neigt sich allmählich bei fortschreitend höheren Vorwarmtemperaturen bis zu etwa 12üü F. Bei wesentlich über 1200⁰F liegenden Vorwärmtemperaturen ist der Aluminiumüberzug dünn genug, um mit denjenigen Überzügen vergleichbar zu sein, die mit bekannten Heißtauchverfahren hergestellt wurden.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde unter Verwendung der beschriebenen Vorrichtung lOyO-Stahldraht (0,80% Kohlenstoff) mit einem Durchmesser von 3,25 n\ai (0,12.; Zoll) auf 720 F vorgewärmt und durch ein Bad aus reinem Aluminium mit einer Temperatur von 126o°F durchgeleitet. Die Badtiefe betrug etwa 53 mm (l 5/l6 Zoll). Die Eintauchzeit betrug υ,6θ6 Sekunden.

Der aufgetragene Überzug war glatt und konzentrisch, obwohl er

an
nicht stark an dem Stahlkern^haftete. Der überzogene Draht hatte einen Durchmesser von 5 mm (0,200 Zoll), so daß der Aluminiumüberzug 59% der gesamten Querschnittsfläche des überzogenen Drahts betrug.

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Daraus ist ersichtlich, daß der aufgetragene Überzug umso dicker ist, je niedriger die Temperatur des Überzugsbatts bei einer gegebenen Vorwärmtemperatür ist.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, wird ferner bei einer gegebenen Badtemperatur der Überzug umso dicker, je niedriger die Vorwärmtemperatur ist.

Bei dem Durchlauf des Stahldrahts durch das Aluminiumbad verfestigt fast die gesamte Dicke des Aluminiumiiberzugs auf dem Stahldraht innerhalb der ersten wenigen Millimeter des Drahtverlaufs durch das Bad. Der vorgewärmte Stahldraht wirkt als eine Wärmesenke und absorbiert Wärme von dem geschmolzenen Aluminium in dem Bad, um eine Verfestigung des Aluminiums auf dem Draht zu ermöglichen. Je höher die Temperatur ist, auf welche der Draht vorgewärmt wird, umso niedriger ist die Wärmekapazität des Drahts zur Aufnahme von Wärme aus dem geschmolzenen Aluminium, weshalb der verfestigte Alurainiuinüberzug umso dünner wird, wie aus Fig. 7 ersichtlich ist.Innerhalb des Temperaturbereichs der Vorwärmung zwischen etwa 500 und 12O)⁰F, wenn die Eintauchzeit kurz genug ist, erfolgt anscheinend kein wesentliches erneutes Schmelzen des verlestigten Aluminiums in dem Bad, wenn sich der Stahldraht erhitzt. Wenn der Draht aus dem Bad austritt, ist der Überzug darauf im wesentlichen vollständig verfestigt. Dies steht in einem Gegensatz zu bekannten Heißtauchverfahren, bei welchen das Aluminium weitgehend noch geschmolzen ist, wenn der Draht aus dem Bad austritt, und wobei das geschmolzene Aluminium an dem Draht in erster Linie wegen der Oberflächenspannung anhaftet, während eine Verfestigung des Aluminiums weitgehend auftritt, nachdem der Draht aus dem Bad herausgeführt wird.

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Die Tiefe des Aluminiumbads, entlang welcher der Draht hindurchgeleitet wird, scheint in sich und aus sich nicht kritisch zu sein. Gute Ergebnisse wurden mit verschiedenen Eintauchtiefen zwischen etwa 8 mm (0,3 Zoll) und 33 mm ( 1 5/l6 Zoll) und mit Drahtgeschwindigkeiten zwischen 3,3 und 43 Meter pro Minute (ll und Ikh Fuß pro Minute) erzielt. Wie bereits erwähnt wurde, verfestigt sich anscheinend der größte Teil des Aluminiums während der ersten wenigen Millimeter des Drahtverlaufs durch das Bad, so daß eine ftir diese Wirkung genügende Badtiefe geeignet erscheint. Die Badtiefe sollte nicht so groß sein, daß der Stahldraht so weit erhitzt wird, daß sich ein beträchtliches erneutes Schmelzen des Aluniiniumüberzugs in dem Bad ergibt.

Die Drahtgeschwindigkeit in dem Aluminiumbad scheint ebenfalls nicht kritisch zu sein, falls sie hinreichend hoch ist, damit die Eintauchzeit nicht lang genug für ein beträchtliches erneutes Schmelzen des aufgetragenen Aluminiumüberzugs innerhalb des Bads ist. Vorteilhafte Ergebnisse wurden mit Drahtgeschwindigkeiten zwischen 5,3 und kj> Meter pro Minute erzielt.

Die Eintauchzeit des Drahts in dem Aluminiumbad hangt von der Badtiefe und der Drahtgeschwindigkeit ab. Vorteilhafte Ergebnisse wurden mit Eintauchzeiten zwischen etwa 0,03 und 0,6 Sekunden erzielt.

Obwohl es bevorzugt wird, daß die Drahtoberiläche und das Aluminiumbad an den Stellen praktisch oxydfrei sind, wo der Draht in das Bad eintritt, können auch zufriedenstellende Überzüge gemäß der Erfindung in solchen Fällen hergestellt werden, wenn der Stahl absichtlich vor der Vorwärmung in einer reduzierenden Atmosphäre oxydiert wurde.

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Fig. 3 zeigt eine Mikrophotographie mit 1350-facher Vergrößerung, welche einen Querschnitt durch einen Bohrstangendraht aus 1065-Stahl (0,65% Kohlenstoff) mit einem Aluminiumüberzug gemäß der Erfindung darstellt. Der Stahldraht ist durch das Bezugszeichen 50 gekennzeichnet. Der schattierte Bereich 51 angrenzend an den Stahldraht 50 stellt die Legierungszwischenschicht aus Stahl und Aluminium dar, während der weniger schattierte Bereich 52 auf der anderen Seite des Bereichs 51 den Aluminiumüberzug 52 darstellt. Diese Mikrophotographie zeigt, wie die Legierungszwischenschicht 51 die OberflächenunregelmäiJigkeiten des Stahldrahts 50 ausfüllen. Dieser Draht wurde auf s6ü°F vorerhitzt und dann durch ein Aluminiumbad von 22 mm (7/6 Zoll) Tiefe bei 1^2u°F durchgeleitet. Die Drahtgeschwindigkeit durch das Bad betrug 3ö Meter pro Minute (9^ l/2 Fuß pro Minute) bei dem gemaiA der Erfindung durchgeführten Verfahren.

Fig. 4 zeigt eine weitere Mikrophotographie eines anderen Abschnitts des in Fig. 5 dargestellten Drahts, jedoch mit einer 500-fachen Vergrößerung. Der Stahldraht ist mit 53, die Legierungszwischenschicht mit 5^ und der Aluminiumüberzug mit 55 bezeichnet. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, wies der Stahldraht zwei verhältnismäßig tiefe Einbuchtungen 56 und 57 auf. An diesen Einbuchtungen ist die Legierungszwischenschicht 5h viel dünner als an anderen Stellen und außerdem nicht kontinuierlich ausgebildet. Sie erstreckt sich jedoch über den größten Teil der unregelmäßigen Oberfläche des Stahldrahts im Bereich dieser Einbuchtungen. Der Aluminiumüberzug haftet trotz dieser Oberflächenunvollkommenheiten fest an dem Stahldraht an.

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Fig. 5 zeigt eine Mikrophotographie mit einer 500-fachen Vergrößerung, die den Querschnitt eines anderen mit Aluminium überzogenen Bohrstangendrahts aus 1065-Stahl zeigt, welcher gemäß der Erfindung hergestellt wurde. Der dargestellte Stahldraht wurde auf eine Temperatur von 7^0⁰F vorgewärmt und dann durch ein 25 ram (l Zoll) tiefes Bad aus geschmolzenem Aluminium bei 1255°F mit einer Geschwindigkeit von jk m pro Minute (112,5 Fuß pro Minute) durchgeleitet. In dieser Figur ist der Stahldraht mit 98, die Legierungszwischenschicht mit 59 und der Aluminiumüberzug mit 60 bezeichnet. Wegen der geringeren Vorwärmtemperatur ist die Legierungszwischenschicht 59 nicht nennenswert diskontinuierlich. Der Aluminiumüberzug haltete jedoch gut an dem Stahldraht an·

Die in Fig. 6 dargestellte Mikrophotographie ist eine 500-fache Vergrößerung des Querschnitts eines Rohrstangendrahts aus 1095-Stahl (0,95% Kohlenstoff), der mit einer Alurainiumschicht gemäß der Erfindung überzogen wurde. Der dargestellte Draht wurde auf 825 F vorgewärmt und dann durch ein 50 mm ( 1 3/I6 Zoll) tiefes Bad aus geschmolzenem Aluminium bei 1345 F mit einer Geschwindigkeit von 113 Fuß pro Minute durchgeleitet. Der Stahlkern ist mit dem Bezugszeichen 6l, die Legierungszwischenschicht mit 62 und der Aluminiumüberzug mit 65 bezeichnet.

Fig. S zeigt den vollständigen Querschnitt eines 1030-Stahldrahts (O,bu% Kohlenstoff) mit 3,25 mm (o,12S Zoll) Durchmesser, weicher gemäß der Erfindung mit Aluminium überzogen wurde. Der Stahldraht wurde auf 025⁰F in einer Wasserstoffatmosphäre vorgewärmt und dann durch eine Aluminiumschmelze von 22 mm (7/0 Zoll) Tiefe bei 1430⁰F durchgeführt. Die Drahtgeschwindigkeit betrug lo Meter pro Minute (94 Fuß pro Minute) und die Eintauchzeit

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des Drahts in das Bad betrug 0,0^5 Sekunden. Der Stahldraht ist mit 64, die Legierungszwischenschicht mit 65 und der Aluminiumüberzug mit 66 bezeichnet. Diese Figur zeigt die hervorragende Glätte und Konzentrizität des Aluminiumüberzugs.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung beschränkt, da entsprechend vorliegenden Gegebenheiten andere Ausführungsbeispiele und zahlreiche Abwandlungen möglich sind. Zum Beispiel kann die Vorrichtung zum Auftragen eines anderen Metalls als Aluminium auf einen Stahl- oder einen anderen Metallkörper Verwendung finden, zum Beispiel zum Auftragen eines Kupferüberzugs auf Stahl. Ferner kann bei jedem derartigen Verfahren, bei dem die Legierungszwischenschicht beeinflusst oder sogar praktisch beseitigt werden soll, eine Vorwärmatmosphäre, die vollständig oder teilweise ein Kohlenstoff enthaltendes Gas wie Kolilenstoffmonoxyd ist, in vorteilhafter Weise gemäß der Erfindung Verwendung finden.

Patentansprüche

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Claims

- 20 - 1. Juli 1965 Ε/ΑΧ Meine Akte: 1439 Patentansprüche

1. Mit einer Aluminiumschicht überzogener Stahlkörper, dadurch 'gekennzeichnet, daß der Aluminiumüberzug an dem Stahlkörper mit einer Legierungszwischenschicht aus Stahl-Aluminium mit einer Dicke von weniger als 0,02 mm (0,0007 Zoll) anhaftet, und daß der Aluminiumüberzug über der Legierungszwischenschicht eine Dicke hat, die größer als 0,05 mm (0,002 Zoll) ist.

2. Gegenstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der Aluminiumüberzug glatt ist, eine im wesentlichen gleichförmige Dicke hat und praktisch frei von gelöstem Eisen ist.

3. Gegenstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Aluminiumüberzug an dem Stahlkörper so stark anhaftet, daß eine spätere mechanische Bearbeitung möglich ist.

k. Mit Aluminium überzogener Stahldraht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlkörper der Drahtkern ist, und da id der Aluminiumüberzug kontinuierlich und konzentrisch um den Kern gegossen ist.

5. Mit Aluminium überzogener Stahldraht nach Anspruch 4, d a durch gekennzeichnet,daß der Aluminiumüberzug eine Querschnittsfläche hat, die mindestens 7% der gesamten Querschnittsfläche des überzogenen Drahts beträgt.

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6. Verfahren zum Überziehen eines Stahlkörpers mit einer Aluminiumschicht, die wesentlich dicker als 0,05 mni (0,002 Zoll) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlkörper auf einer Temperatur zwischen etwa 500 und 1200⁰F vorgewärmt wird, daß der vorgewärmte Stahlkörper durch ein Bad aus geschmolzenem Aluminium während einer Zeitspanne hindurchgeführt wird, welche zur Ausbildung eines verfestigten Aluminiumüberzugs auf dem Stahlkörper ausreicht, welcher Überzug eine Dicke von mehr als 0,05 mm (o,OO2 Zoll) hat, und daß die Zeitspanne so kurz ist, daß ein wesentliches erneutes Schmelzen des aufgetragenen Aluminium-Überzugs in dem Bad nicht auftritt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Aluminiumüberzug mit dem Stahlkörper über eine Legierungszwischenschicht verbunden wird, deren Dicke nicht beträchtlich größer als 0,02 mm (0,0007 Zoll) ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge kennzeichnet, daß der Stahlkörper ein Draht ist.

9. Verfahren nach Anspruch S, dadurch gekennzeich net , daß der Stahldraht durch die Aluminiumschmelze mit einer Geschwindigkeit von mehr als 15 Meter pro Minute (50 Fuß pro Minute) durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Stahldraht in einer reduzierenden Atmosphäre vorgewärmt wird und in die Aluminiumschmelze unterhalb der Oberfläche der Schmelze eintritt.

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11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Stahlkörper in einer Kohlenstoff enthaltenden Atmosphäre vorgewärmt wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Tiegel für eine Überzugs-Metallschmelze aufweist, dadurch gekennzeichnet , daß sich ein temperaturbeständiges erstes Glied in den Tiegel erstreckt, das einen Drahtkanal aufweist, der zu einer Austrittsoffnung an dessen oberem Ende führt, daß das erste Glied eine abdichtende Oberfläche auf der Außenseite aufweist, welche diese Öffnung umgibt, und daß ein hohles temperaturbeständiges zweites Glied sich hinab in den Tiegel erstreckt und an der Unterseite eine Öffnung aufweist, welche mit der Austrittst)!¹ inung in dein ersten Glied ausgerichtet ist, daß das zweite Glied eine abdichtende Oberfläche hat, welche die untere öffnung umgibt und an der abdichtenden Oberfläche auf dem ersten Glied abdichtend angreift, um den Durchfluß von Metallschmelze aus dem Tiegel in das zweite Glied über die Austrittsöffnung in dem ersten Glied zu verhindern, daß die beiden Glieder voneinander weg bewegbar sind, um die abdichtenden Oberflächen voneinander zu trennen und den Durchtritt von Metallschmelze aus dem Tiegel in das zweite Glied über die Austrittsöffnung in dem ersten Glied zu ermöglichen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß ein Vorwärmofen vorgesehen ist, durch den ein Drahtkanal verläuft, welcher zu dem Drahtkanal

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in dem ersten Glied führt, und daß eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer sauerstof!'freien, nichtreaktiven Atmosphäre in den Drahtkanälen in dem Vorwäriuofen und dem ersten Glied vorgesehen ist.

Ik. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet , daß eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung einer sauerstofffreien, nichtreaktiven Atmosphäre in dem zweiten Glied oberhalb dem Flüssigkeitsspiegel der Metallschmelze darin vorgesehen ist.

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