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Formling für die Erzeugung von Glühfäden für elektrische Lampen und Verfahren zu seiner Herstellung.
Bei der Herstellung von Wolframdrähten für elektrische Lampen nach dem Ziehverfahren geht man unter anderm von Formlingen aus, welche durch Pressen von Wolframpulver, anschliessendes
Sintern und hohes Erhitzen in spröde Körper mit Kristallstruktur übergeführt werden, die man durch eine weitere Hitzebehandlung in aus Ein-oder aus wenigen grossen Makrokristallen bestehende Blöcke umwandelt. Dieses Verfahren ist sehr zeitraubend und schwierig, denn die Überführung in die Einkristallstruktur ist mehr oder weniger dem Zufall unterworfen, so dass während des Verfahrens oft Untersuchungen über den Verlauf der Kristallisation angestellt werden müssen.
Werden nun solche Blöcke durch mechanische Bearbeitung zu Glühfäden geformt, so muss eine vollständige Zerstörung der Kristallstruktur stattfinden. Der Formling bleibt hiebei nicht duktil, sondern wird spröde und geht beim Ziehen in einen Faserstrukturdraht über, der sich in keiner Weise von Drähten, die aus einem nur gesinterten Pressling hergestellt werden, unterscheidet.. Dabei muss die mechanische Bearbeitung ganz besonders vorsichtig und langsam vorgenommen werden, da die einzelnen Kristallpartien eine grosse Streckung erfahren und ein leichtes Gleiten wie beim Strecken der nur gesinterten Presslinge nicht stattfindet.
Gemäss der Erfindung werden für die Herstellung von Glühfäden für elektrische Lampen duktile, kristallinische Formlinge verwendet, die aus einem Kristallstapel bestehen, der aus vielen übereinander, nebeneinander und gegeneinander versetzt gelagerten Kristallen gebildet ist. Dadurch tritt eine weit- gehende Überlappung ein, und der Formling wird, ohne dass er eine Einkristallstruktur besitzt, duktiL
Dieser bietet für die mechanische Bearbeitung wesentliche Vorteile.
Die den Formling bildenden Kristalle I passen sich weit besser der Streckung an, da die einzelnen Kristallpartien leicht gegeneinander gleiten, so dass der Ziehprozess mit weniger Stufen und mit grösserer Geschwindigkeit durchgeführt werden kann.
Während bei der Herstellung von Gluhdrähten aus gesinterten Presslingen grosse Unterschiede in der
Festigkeit und auch in der Beschaffenheit der fertigen Drähte auftreten, hat es sich gezeigt, dass Drähte, die aus duktilen Kristallstapeln hergestellt werden, eine immer gleichbleibende Beschaffenheit in bezug auf ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften aufweisen, so dass sich dieselben in ganz besonderem
Masse für die Herstellung von Glühfäden für elektrische Lampen eignen.
Lange Kristalle werden bekanntermassen erreicht, wenn die Kristallisationstemperatur von einer
Seite zugeführt wird, also ein Temperaturgefälle vorhanden ist. Breitet sich die heisse Zone mit einer der Ausbildung des Kristallstapels angepassten Geschwindigkeit über den ganzen Formling aus, so wachsen die einzelnen in dem Formling sich befindlichen Kristalle und Kristallkeime zu einem Kristallstapel, wie ihn Fig. 1 darstellt. Die Vorwachsgeschwindigkeit ist von der Grösse und Form des Presslings abhängig und wird empirisch festgestellt.
Die innere Struktur, also die Grösse und die Anzahl der einzelnen Langkristalle des Stapels, hängt im wesentlichen von dem Vorhandensein genügender Kristallkeime in dem Pressling ab. Für die Weiter- verarbeitung ist nun ein in seiner Struktur sich immer gleichbleibender Formling von besonderer Be- deutung, da nur mit einem solchen in ihrer Beschaffenheit gleichmässige Glühfäden erzielt werden können.
Man kann nun die Ausbildung der Kristallstapel dadurch stark beeinflussen, dass man dem Aus- gangspulver bereits auskristallisierte Keime beimengt, deren Korngrössen verschieden gewählt sein können. Weiter kann man den Pressling über seine ganze Länge an verschiedenen, räumlich möglichst
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nahe beieinanderliegenden Stellen bis zur Kristallisationstemperatur erhitzen, so dass sich Schichten aus bereits kristallisiertem Wolfram bilden, zwischen denen das noch gesinterte Material gelagert ist.
Führt man so vorbereitete Presslinge mit einer dem Kristallwachstum angepassten Geschwindigkeit durch die Formierzone, so entsteht ein Kristallstapel, dessen Grundform durch die Art der Vorbearbeitung gegeben ist. Die eingebrachten Kristallkörner oder die Schichten des bereits zur Kristallisation gebrachten Materials bilden die Basis für den Stapel. Ändert man nun den Feuchtigkeitsgehalt des reduzierenden Wasserstoffes in bekannter Weise, so kann man die Grösse der sich ausbildenden Langkristalle in der gewünschten Weise regeln.
Die Art der Beheizung, ob durch Strahlung, induktiv oder mittels Stromdurehganges, ist an sich gleich, wenn dadurch die kontinuierliche Überführung des Presslings in den Kristallstapel erreicht wird.
Die bekannte Erhitzung durch Strahlungswärme ist aber bei solchen Körpern, wie derartige Presslinge darstellen, praktisch nicht anwendbar.
Es werden daher erfindunsgemäss als Hitzequelle Induktions-vornehmlich Hochfrequenzöfen verwendet. Die von den Hochfrequenzströmen geeigneter Intensität und Wellenlänge gespeiste Schwingungsspule, die für diesen Zweck wassergekühlt sein sollte, legt man um den Formling, so dass derselbe,' wenn die Schwingungsspule mit Hochfrequenzströmen gespeist wird, auf einer schmalen Zone die Kristallisationstemperatur annimmt. Da ein solcher Formling eine grosse Masse darstellt, also eine beträchtliche Wärmemenge abstrahlt, die unter Umständen die Schwingungsspule zum Schmelzen bringen kann, ist es erforderlich, die Formierzone abzuschirmen. Der Schirm besteht aus einem Rohrstück, welches zwischen der Schwingungsspule und der Formierzone angebracht wird.
Als Material für diesen Schirm verwendet man beispielsweise Zirkon, das innen mit einem nicht in sich geschlossenen, schwer schmelzbaren, hochglanzpolierten Metallbelag ausgekleidet sein kann, wodurch eine Reflexion der Wärmestrahlen erreicht wird.
Die Verwendung solcher Öfen bietet auch die Möglichkeit, Sinterung und Formierung in einem arbeitsgang vorzunehmen. Zu diesem Zwecke legt man erfindungsgemäss um den Pressling eine Wendel aus Wolfram, durch die die Vorsintertemperatur in dem Formling durch Strahlung erzeugt wird. Räum- lich von dieser Heizzone getrennt ordnet man die Schwingungsspule an. Die Wärmezonen beider Hitze- quellen sollen sich nach Möglichkeit überdecken.
Wenn nun auch die Formierung in einer reduzierenden Atmosphäre vorgenommen werden kann, so ist es doch besonders vorteilhaft, dieselbe in geeignet gestalteten hochevakuierten Röhren vorzunehmen, in deren Mittelachse der zu formierende Pressling gelagert wird. Die Röhre muss dabei aus nichtmetall- schem Material bestehen (Quarzglas), da die Schwingungsspule um diese Röhre gelegt wird. Während des Formierens ist die Vakuumpumpe dauernd in Betrieb zur Aufrechterhaltung eines möglichst hohen
Vakuums. Auf diese Weise wird dem isoliert gelagerten Wolframkörper nur Wärme durch Strahlung abgeführt.
Es ist nun bekannt, dass die Entstehung von Wirbelströmen, die auf die oben geschilderte Art in metallischen Körpern erzeugt werden, begünstigt wird, wenn die Körper eine besondere Gestalt besitzen.
Als solcher Körper hat sich beispielsweise ein hohlzylindrischer Metallkörper erwiesen, u. zw. aus dem
Grunde, weil bei einem solchen der Leitungsquerschnitt für die erzeugten Wirbelströme kleiner wird als bei Vollkörpern, und weil bei einer derartigen hohlzylindrischen Gestalt die Wirbelströme nach Art des
Skineffektes an die Oberfläche gedrängt werden.
In der Fig. 2 ist eine solche Anordnung für die Formierung der Presslinge im Vakuum schematisch dargestellt. G ist eine zylindrische Röhre genügender Länge, die an ihren beiden Enden durch Schiffe SI und S 2 verschliessbar ist. Sie besitzt an passender Stelle einen Zuführungsstutzen St, der mit der Vakuum- pumpe fest verbunden ist. In der Längsachse dieser Glasröhre G ist der Pressling aus Metallpulver W in geeigneter Weise elektrisch und wärmetechnisch isoliert gelagert. Über die Glasröhre G mit dem Press- ling W ist eine Schwingungsspule S 3 gelagert, die an eine Hochfrequenzquelle passender Stärke und
Frequenz angeschlossen ist.
Wird die Spule S 3 mit Hochfrequenzströmen beschickt, so werden in den
Stellen des Presslings W, die sich innerhalb oder in der Höhe der Spule befinden, Wirbelströme erzeugt, die ihrerseits eine Erwärmung des Presslings bis zu seiner Kristallisationstemperatur bewirken. Man kann nun entweder die Glasröhre G mit dem Pressling W durch die Spule im Tempo des Kristallwachstums hindurch bewegen oder auch die Spule S 3 über die Glasröhre G in gleichem Tempo hinwegschieben, um den Formierprozess des Presslings auszuführen. Ordnet man die Glasröhre G fest an, dann setzt man die Schwingungsspule praktisch auf einen Schlitten, wie es in Fig. 3 angedeutet ist.
Hier bedeutet S 4 den eigentlichen Spulenkörper und S 5 den Schlitten, auf dem sie montiert ist, und der in einer Art optischen Bank gleiten kann. In der Fig. 2 ist Z das Wärmesehutzrohr, dass durch geeignete Vorrichtungen gleichzeitig mit der Schwingungsspule verschoben werden kann.
Wesentlich einfacher wird aber die Erhitzung der Presslinge mittels Durchleiten elektrischen Stromes erzielt.
Um bei einer solchen Beheizung ein Temperaturgefälle zu erzielen, die Vorbedingung für die Überführung in einen Kristallstapel, erhalten die Presslinge erfindungsgemäss einen ungleichmässigen Querschnitt. Man kann dieselben z. B. konisch, Fig. 4, tonnenförmig, Fig. 5, oder auch rillenförmig, Fig. 6,
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ausbilden. Bei allen diesen Formen entsteht bei Erhitzung mittels Stromdurchganges ein Temperatur- gefälle, das der Querschnittsverteilung entlang läuft.
Eine rillenförmige Gestalt des Presslings ist besonders für die Darstellung von Kristallböcken nach der Erfindung geeignet, da durch diese Formgebung innerhalb des Presslings an verschiedenen Stellen die Kristalle gleichzeitig. zum Wachsen kommen. Über dem Pressling entstehen der Rillenzahl entsprechende, räumlich voneinander getrennte Temperaturgefälle, die die Ausbildung der Stapelstruktur in besonderer Weise begünstigen.
Bei der Beheizung solcher Presslinge steigert man die Stromstärke so, dass an dem kleinsten Querschnitt die Kristallisationstemperatur erreicht wird. Wenn nun die Stromstärke konstant gehalten wird, pflanzt sich die Temperatur durch Wärmeleitung über den ganzen Pressling fort und verläuft längs den Begrenzungslinien. Besonders vorteilhaft ist es, wenn man den vielen kleinen, unregelmässig gelagerten Kristallen des gesinterten Presslings vor der entgültigen Formierung durch eine Hitzezone zuerst eine gemeinsame Richtung einimpft. Dieses geschieht, indem man den Pressling einer kurzen mechanischen Bearbeitung, z. B. durch Walzen oder Hämmern, unterwirft, durch welche eine Streckung der vielen kleinen Kristalle erreicht wird, so dass eine erste schwache Orientierung längs der Achse des Presslings erfolgt.
Diese mechanische Bearbeitung darf jedoch nicht soweit vorgetrieben werden, dass eine Zerstörung der Kristalle eintritt und eine Faserstruktur entsteht. Hiedurch würde die Umbildung in den Kristallstapel bei der nachträglichen Hitzebehandlung wesentlich erschwert werden.
Formiert man nun solche vorgearbeitete Presslinge, so wachsen die vielen kleinen Kristalle, denen sozusagen eine bestimmte gemeinsame Orientierung durch die mechanische Bearbeitung eingeimpft ist, zu einem duktilen Kristallstapel zusammen, der aus langen Kristallen besteht, die längs der Achse nebenund übereinander sich überlappend liegen.
Besonders vorteilhaft ist es, die Presslinge in vertikaler Stellung der Formierung durch eine Hitzezone zu unterwerfen und die Formierzone von oben nach unten zu führen, da auf diese Weise ein besonders scharfes Temperaturgefälle zwischen dem kalten und dem warmen Teil des Presslings erzielt wird, weil die Hitze der Formiereinrichtung nach oben abfliesst.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Formling für die Erzeugung von Glühfäden, dadurch gekennzeichnet, dass der duktile, aus schwer schmelzbarem Metall, insbesondere Wolfram, bestehende Pressling einen Kristallstapel bildet, der sich aus vielen übereinander, nebeneinander und gegeneinander versetzt gelagerten Kristallen zusammensetzt.