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Verfahren zur Herstellung von synthetischen Metallkörpern.
Für die synthetische Herstellung von Metallkörpern werden grundsätzlich zwei Verfahren ver- wendet. Entweder das Schmelzverfahren oder das Sinterverfahren.
Die Schmelzverfahren weisen u. a. die nachteilige Erscheinung auf, dass der Gefügeaufbau ein und desselben Stückes in verschiedenen Teilen desselben auch bei sehr grossen Abkühlungsgeschwindig- keiten leicht inhomogen ist. Diese Inhomogenität des Aufbaues bedingt natürlich auch verschiedene
Eigenschaften an den verschiedenen Stellen ein und desselben Stückes. Diese Tatsache ist besonders bei der Verwendung als Schneidwerkstoff sehr ungünstig, und sie kann leicht zum Ausbröckeln der Schneide auch unter an sich normalen Schnittbedingungen führen.
Dieser Nachteil der Inhomogenität wird durch die sogannten Sinterverfahren ziemlich weit- gehend vermieden, und man kann vermittels dieser Verfahren praktisch homogene Körper herstellen. Dagegen haben die Sinterverfahren den Nachteil, dass die daraus hergestellten Stücke je nach der angewendeten Methode in mehr oder weniger starkem Ausmass die Erscheinung der Porosität aufweisen.
Das im folgenden beschriebene Verfahren, das auf Grund langer systematischer Versuche entwickelt wurde, vereinigt die Vorteile der beiden obengenannten Verfahren, ohne die nachteiligen Er- scheinungen aufzuweisen.
Das Wesen des erfindungsgemässen Verfahrens besteht darin, dass die Bestandteile, welche in der herzustellenden Legierung vorhanden sein sollen, vorher in die Form einer stabförmigen Elektrode gebracht und diese Elektroden je nach der Legierungszusammensetzung im elektrischen Lichtbogen am Plus-oder Minuspol bei Gleichstrom oder auch im Wechselstromlichtbogen niedergeschmolzen werden.
Für bestimmte Fälle kann das Niederschmelzen auch mit Hilfe einer Gasflamme erfolgen.
Es hat sich dabei gezeigt, dass durch entsprechende Bemessung der Lichtbogenleistung, weiters durch entsprechende Art der Polung bei der Gleichstromsehmelzung und auch durch Regelung der Lichtbogenlänge der Gefügeaufbau der herzustellenden Metallkörper willkürlich beeinflusst werden kann.
Bezüglich der Beeinflussung des Gefüges durch die Länge des Lichtbogens kann folgendes festgestellt werden : Es haben sich bei einer grossen Anzahl hergestellter Metallkörper folgende Gesetzmässigkeiten ergeben : Bei ganz kurzem Lichtbogen, besonders wenn hochschmelzende Materialien in den Legierungen vorhanden sind, besteht der Metallkörper aus einer sehr grossen Anzahl von in sich ziemlich gleichartigen Teilchen, die aber keineswegs Einkristalle sind, da jeder dieser kleinen Teile eine für sich erstarrte Schmelze darstellt, die in eine Vielzahl von Kristallen zerfallen ist. Die Verhältnisse liegen ähnlich wie bei einer ausgesprochenen Schichtkristallbildung, die bei der normalen Erstarrung von Metallschmelzen bei mangelnder Diffusion häufig auftreten. Es ergibt sich bei einer offenbar bei jeder Legierungsart bzw.
Legierungsgruppe kennzeichnenden Lichtbogenlänge ein fast ganz ruhiges Fliessen der Schmelze. Diese Schmelzen erstarren auch wesentlich langsamer als bei ganz kurzen Lichtbogen, und in diesem Falle ergeben sich auch bei Anwesenheit von hochsehmelzenden Metallen in der herzustellenden Legierung auf grosse Bereiche vollkommen homogene Schmelzkörper. Steigert man die Lichtbogenlänge noch weiter, so tritt vielfach, aber nicht bei allen Legierungen ein sehr starkes Spritzen ein, die Schmelze wird unruhig, und es zeigen sich dann häufig in den hergestellten Körpern Ungänzen und Hohlstellen,
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bogenlänge wird vielfach auch das Gefüge ungünstig. Es ist Erfahrungssache, wie weit man im einzelnen Fall mit der Lichtbogenlänge bei einer bestimmten Zusammensetzung zu gehen hat.
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Ausserdem konnte festgestellt werden, dass unter bestimmten Herstellungsbedingungen. u. zw. genauer Anpassung der physikalischen und chemischen Umstände des Niederschmelzens, die grosse Sprödig- keit, welche allen Hartmetallen von entsprechender Härte eigen ist, in vielen Fällen weitgehend vermindert werden kann. Diese Erscheinung ist ohne weiteres erklärlich aus der vorhin erwähnten Tatsache. dass der Gefügeaufbau als solcher durch die Art des Schmelzverfahrens beeinflusst werden kann.
Das Niederschmelzen selbst geschieht entweder. auf einer metallischen Unterlage, wenn z. B. auf einem Stahlhalter die eigentliche Schneide als synthetischer Metallkörper aufgeschmolzen werden soll.
Soll dagegen ein Körper selbständig, d. h. ohne Zusammenhang mit einer bestimmten Unterlage her- gestellt werden, z. B. um daraus Zähne herzustellen, welche später in ein Werkzeug eingesetzt werden sollen, so wird entweder auf eine ganz dünne Metallunterlage niedergesehmolzen, welche dann später, beispielsweise durch Abschleifen, entfernt wird. Diese Unterlage muss nur so stark sein, dass sie unter dem Einfluss des Lichtbogens und der von der Elektrode abtropfenden Tropfen nicht durchschmilzt.
Ausserdem muss diese Unterlage ein entsprechend grosses Wärmeableitungsvermögen haben, damit keine schädliche Vermischung des Unterlagswerkstoffes mit dem herzustellenden synthetischen) feta11- körper entsteht.
In vielen Fällen eignet sich dafür besonders ein nicht zu dünnwandiges, gut wassergekühltes Flach- kupferrohr. weil sich von ihm der synthetische Metallkörper dann leicht ablöst.
Schliesslich kann als Unterlage auch eine an sich nichtleitende Masse genommen werden, z. B. irgend- ein feuerfestes Material, welches oberflächlich, z. B. durch Aufspritzen eines Hilfsmetalls, leitend ge- macht wurde. Man kann auch eine poröse. nichtleitende Masse mit irgendeinem Metallsalz in geeigneter
Lösung infiltrieren und das Metall durch Reduktion dieses Salzes freimachen, wodurch dann der ganze
Körper. sofern seine Poren einigermassen zusammenhängen, eine für den vorgenannten Zweck vollkommen ausreichende Leitfähigkeit erhält.
Die Herstellung der Elektroden selbst, welche zweckmässig in Stabform ausgebildet sind, kann auf verschiedene Weise erfolgen. Soll z. B. eine Kobalt-Wolfram-Chrom-Legierung hergestellt werden, so stellt man sich zuerst ein trockenes Gemisch der entsprechend zerkleinerten Ausgangsstoffe dar, wobei das Mischungsverhältnis Rücksicht auf einen eventuell verschiedenen Abbrand beim späteren Nieder- schmelzen nehmen muss. Diese Mischung der meist pulverförmigen Ausgangsstoffe wird nun z. B. mit einigen Gewichtsprozenten eines schnell trocknenden Öles verrieben, so dass ein sehr zäher Brei entsteht.
Dieser Brei wird in zweiteilige Formen gebracht, welche innen mit dünnem Papier ausgelegt ist. Die Hohlform der angewendeten Form entspricht dem Ausmass der herzustellenden Elektrode, welche, wie bereits erwähnt, im allgemeinen stabförmiges Aussehen hat. Schon kurze Zeit nach der Herstellung werden die Stäbchen aus den Formen herausgenommen, wobei das Papier am Stäbchen anhaftet. Dieses Papier kann zur Beschleunigung der Trocknung entweder sofort oder erst später abgebrannt werden.
Die Elektroden sind nunmehr praktisch nach einer eventuellen Lagerzeit zur Erzielung einer gewissen "Lufttrocknung"zum Abschmelzen fertig. Allerdings weisen so hergestellte Elektroden nur eine verhältnismässig geringe mechanische Festigkeit auf.
Wesentlich einfacher ist die Herstellung der Elektroden, wenn wenigstens einer der zur Legierung verwendeten Stoffe als Draht vorliegt. In diesem Falle wird der Draht z. B. oberflächlich aufgerauht oder in Form einer Schraube vorgeformt oder als räumliche Zickzacklinie hergestellt. Dieses Vorformen bezweckt nur, der später aufzutragenden, z. B. wie oben beschrieben hergestellten Paste aus den andern . Legierungsstoffen einen entsprechenden Halt zu geben. Es lassen sich auf diese Art Elektroden mit viel grösserer mechanischer Widerstandsfähigkeit ohne weiteres herstellen, wobei das Auftragen der Paste beispielsweise so geschehen kann, dass der Stückdraht durch eine Ziehdüse gezogen wird, welcher die Paste gegebenenfalls unter Druck zugeführt wird.
Für die Herstellung sehr hochgekohlter Legierungen kann man für Sonderfälle auch einen Kohlestab als Kern verwenden, um welchen dann die übrigen Legierungsstoffe als Paste aufgetragen werden.
Noch einfacher kann die Herstellung der Stabelektroden erfolgen, wenn einer der die Legierung bildenden Stoffe in Form eines Rohres herstellbar ist. Dabei kann das Rohr z. B. aus einem Metall bestehen, muss aber nicht aus Metall bestehen. Für den ersteren Fall sei die Herstellung einer hochprozentigen Eisen-Wolfram-Legierung beschrieben.
In ein Eisenrohr, zweckmässig Abfallenden von der Herstellung gezogener Rohre, wird ein Gemisch von entsprechenden Teilen Ferrowolfram und eventuell auch Kohlenstoff oder nur Wolframkarbid eingestampft, wobei der Kohlenstoffgehalt vom gewünschten Kohlenstoffgehalt der fertigen Legierung abhängt.
Die Gesamtzusammensetzung der Elektrode entspricht der Fertiglegierung, jedoch unter Berücksichtigung des erfahrungsgemäss zu bestimmenden Abbrandes bzw. des dadurch bedingten relativen Zubrandes der andern Stoffe. Die so hergestellte Elektrode wird zweckmässig am Gleichstrompluspol niedergesehmolzen.
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, dass man die Ausgangswerkstoffe, deren Wahl auch durch wirtschaftliche Erwägungen bestimmt wird, ob man z. B. Ferrowolfram oder reines Wolframkarbid verwendet, mit einem schnell trocknenden Bindemittel, z. B. ein Gemisch von Terpentin, Sikkativ und
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Firnis, zu einer Paste anreibt und diese Paste in das Rohr einfügt. Diese Methode gibt gleichzeitig eine gut reduzierende Atmosphäre.
Man kann als Rohrwerkstoff auch irgendein anderes Material verwenden, welches gar nicht oder nur zum Teil in den eigentlichen synthetischen Metallkörper eintritt. So eignen sich z. B. leitend gemachte Papiere bzw. Pappenrohre ausgezeichnet. Man kann auch höher schmelzende Legierungen vermittels eines Rohres aus einem niedrig schmelzenden Metall herstellen, jedoch muss eine gewisse Beziehung zwischen Schmelztemperatur des Rohrwerkstoffes und dem des herzustellenden Metallkörpers bestehen.
Wenn das Rohr zu früh schmilzt, können Teile des darin eingefüllten Ausgangswerkstoffes abbröckeln, auf diese Weise zu Unterbrechungen im Schmelzverfahren und damit zu Inhomogenitäten im Schmelz- gut führen.
Auf die beschriebenen Methoden lassen sich eine sehr grosse Reihe synthetischer Metallkörper herstellen, wobei das Schmelzverfahren im elektrischen Lichtbogen besonders dann allergrösste Bedeutung hat, wenn in der fertigen Legierung sich schwer bildende Bestandteile vorfinden.
Bei den verschiedenen Versuchen, die wie oben beschrieben hergestellten Elektroden niederzuschmelzen, wurde die Erfahrung gemacht, dass gewisse Elektroden, vor allem solche, deren mechanische Festigkeit nicht sehr gross ist, mit Vorteil in einer entsprechend heissen Gasflamme niedergeschmolzen werden können. Aber auch genügend mechanisch widerstandsfähige Elektroden werden bei bestimmten Zusammensetzungen besser in der Gasflamme als durch den Lichtbogen niedergeschmolzen. Das Schmelzen mit der Gasflamme hat nämlich den Vorteil, dass man die Art der Atmosphäre weitgehend unabhängig von der Wärmeleistung gestalten kann. Muss z. B. irgendwo gleichzeitig viel Wärme zugeführt werden und bedingt die Legierungsart eine reduzierende Atmosphäre, so arbeitet man mit zwei Flammen. Eine davon ist z.
B. rein neutral und wirkt nur als Heizflamme, während eine zweite neben der Heizwirkung durch reduzierendes Einstellen die notwendige Atmosphäre ergibt. Beim Lichtbogen dagegen besteht ein bestimmter Zusammenhang zwischen seiner Heizwirkung und den chemischen Bedingungen. Ausserdem ist für bestimmte Legierungen mit leicht verdampfenden Bestandteilen die Lichtbogentemperatur zu hoch, so dass in solchen Fällen das Niederschmelzen in Gasflammen richtiger ist.
Das im vorstehenden beschriebene Verfahren ist also durch folgende Eigenheiten gekennzeichnet :
Die Herstellung der Elektrode geschieht bei normaler Temperatur. Ein physikalisches Gemisch der die Legierung bildenden Stoffe wird mit einem beim späteren Schmelzverfahren ganz oder teilweise verschwindenden Bindemittel in Form einer stabförmigen Elektrode gebunden. Dieses physikalische Gemisch, das der zweckmässigen Handhabung wegen am besten in Stabform hergestellt wird, wird durch den darauffolgenden Schmelzvorgang erst in die eigentliche Legierung übergeführt. Es geschieht also die Herstellung des fertigen Metallkörpers durch einen Schmelzvorgang, der bei richtiger Führung jegliche Porosität ausschaltet.
Die Vermeidung von Inhomogenitäten, wie sie bei den normalen Schmelzverfahren immer entstehen, ist dadurch ausgeschaltet, dass immer wieder neue Teile des physikalischen Gemisches zum Schmelzen kommen und dadurch alle Ursachen, die zu einer Inhomogenität führen können, ausgeschaltet sind. Das ist der eine beschriebene Hauptvorteil des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens. Ein zweiter Vorteil liegt darin, dass gewisse Eigenschaften, z. B. die Zähigkeit bei Hartmetallen, nach dem erfindungsgemässen Verfahren wesentlich günstigere Werte aufweisen als bei den bisherigen Methoden. Ein dritter Vorteil liegt in der universellen Anwendungsmöglichkeit, welche die Herstellung aller praktisch in Frage kommenden Legierungen durch einfaches Niederschmelzen geeigneter Elektroden gestattet.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von synthetischen Metallkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass die die Legierung bildenden Bestandteile unter Berücksichtigung des Abbrandes gegebenenfalls unter Zugabe von desoxydierenden und gasbildenden Bestandteilen mit oder ohne Bindemittel in die Form einer vorzugsweisen stabförmigen Elektrode gebracht werden und diese Elektroden im Gleich-oder Wechselstromlichtbogen oder einer Kombination beider auf eine leitende oder leitend gemachte Unterlage niedergeschmolzen werden.