AT145172B

AT145172B - Lithium-Silizium-Legierungen.

Info

Publication number: AT145172B
Authority: AT
Inventors: Hans Osborg
Original assignee: Hans Osborg
Priority date: 1930-07-08
Filing date: 1931-07-06
Publication date: 1936-04-10

Description

Lithium - Silizium-Legierungen.

Gegenstand der Erfindung sind Legierungen des Lithiums mit Silizium, welche sich gegenüber der bisher ausschliesslich bekannten Kombination dieser beiden Stoffe in Form der Verbindung des Lithiums mit Silizium, demLithiumsilizid (Li6Si2,) durch ihre Beständigkeit, leichte Handhabungsmoglich- keit und damit weite Anwendungsmöglichkeit auszeichnen.

Es wurde gefunden, dass gegenüber dem erwähnten, bisher bekannten Lithiumsilizid, welches unter Anwendung eines Überschusses an Lithium durch mehrstündiges Erhitzen auf 4000 und vorsichtiges Abdestillieren des Lithiumübersehusses zwischen 400-500 C im Vakuum unter ausdrücklicher Vermeidung einer Überschreitung dieser Temperatur erhalten ist, Lithium-Silizium-Kombinationen nach der Erfindung, abgesehen von andern grundlegenden Unterschieden, sich bei Temperaturen oberhalb 500 und darüber hinaus, d. h. sogar oberhalb 700 , nicht zersetzen, sondern beständig sind. Im übrigen sind die Lithium-Silizium-Kombinationen hart, dicht, spröde und zerfliessen nicht an der Luft, was die bereits erwähnte leichte Handhabungsmöglichkeit, z. B.

Aufbewahrung für verhältnismässig lange Zeit und Eignung für die verschiedensten praktischen Zwecke, mit sich bringt. Durch ihre hohe chemische Aktivität sind sie insbesondere vorzüglich geeignet für die Raffination und Veredlung von Metallen und Legierungen.

Des weiteren sind sie durch ihr verhältnismässig hohes spezifisches Gewicht und die verhältnismässig hochliegenden Erstarrungspunkte besonders gegenüber der bekannten Verbindung gekennzeichnet. Für nachstehende Legierungen sind beispielsweise folgende spezifische Gewichte und Erstarrungspunkte ermittelt worden :

EMI1.1

<tb>
<tb> Zusammensetzung <SEP> spezifisches <SEP> Gewicht
<tb> ungefähr <SEP> 40% <SEP> Si <SEP> ungefähr <SEP> 60% <SEP> Li <SEP> ungefähr <SEP> 1
<tb> " <SEP> 50% <SEP> Si,, <SEP> 50% <SEP> Li,, <SEP> 1-15-1-18
<tb> " <SEP> 60% <SEP> Si,, <SEP> 40% <SEP> Li,, <SEP> 1'3-1-5
<tb> " <SEP> 75% <SEP> Si,, <SEP> 25% <SEP> Li,, <SEP> 1'7-1-75
<tb> Zusammensetzung <SEP> Erstarrungspunkt
<tb> ungefähr <SEP> 40% <SEP> Si, <SEP> ungefähr <SEP> 60% <SEP> Li <SEP> ungefähr <SEP> 500-550 C
<tb> 50% <SEP> Si, <SEP> # <SEP> 50% <SEP> Li <SEP> # <SEP> 625 <SEP> C
<tb> 60% <SEP> Si, <SEP> # <SEP> 40% <SEP> Li <SEP> # <SEP> 680-700 <SEP> C
<tb> 75% <SEP> Si, <SEP> # <SEP> 25% <SEP> Li <SEP> # <SEP> 700-750 <SEP> C
<tb>

Die im vorstehenden gegebene Aufstellung der spezifischen Gewichte, die bekanntlich zu den sprechendsten Kennzeichnungen gehören,

zeigen gegenüber der bekannten Verbindung Li. sis mit einer ungefähren Zusammensetzung von 42% Lithium und 58% Silizium, welche ein spezifisches Gewicht von 1-12 aufweist, in der Legierung 40% Lithium und 60% Silizium mit 1-4 spezifischem Gewicht besonders deutlich den vorhandenen Unterschied.

Zur Festellung der Erstarrungspunkte sind die erwähnten Zusammensetzungen erhitzt und zu verschiedenen Malen oberhalb 700 wiedererhitzt, und nach den Bestimmungsversuchen wurden keinerlei Veränderungen in der Zusammensetzung festgestellt. Mit andern Worten, wie bereits erwähnt, lassen sich augenscheinlich keinerlei Zersetzungen und keine Abdestillation von Komponenten feststellen. Diese

Tatsache ist von besonderer Bedeutung, da sie zeigt, wie grundlegend der Unterschied gegenüber der bekannten Verbindung ist.

Die erwähnten Eigenschaften der Lithiumlegierungen nach der Erfindung gestatten eine Pulverisierung bei gewöhnlicher Raumtemperatur oder in der Kälte durch langsame trockene Vermahlung.

Bei weniger langsamer Vermahlung tritt Funkenbildung ein. In Stücken lässt sich das Produkt in ver- schlossenen Flaschen verhältnismässig lang aufheben.

Es ist nicht erforderlich, die Aufbewahrungsgeiässe zu evakuieren, was bei bekannten Produkten unerlässlich war. Die einzige Veränderung, die bei Legierungen gemäss Erfindung beobachtet werden kann, ist die Bildung eines weissen Hütchens bei feuchter Luft, das augenscheinlich die feste Masse vor weiteren Angriffen schützt. Das Produkt ist insbesondere sicher vor Zerfliesslichkeit und hat eine graue bis graublaue Farbe. Die bekannte Lithium-Silizium-Verbindung dagegen ist zersetzlich und zerfällt an der Luft zu Pulver.

In chemischer und metallurgischer Hinsicht sind die Lithium-Silizium-Kombinationen gemäss Erfindung äusserst aktiv. Sie reagieren beispielsweise heftig mit Wasser unter explosionsartiger Bildung von Verbrennungsprodukten. Bei Einbringen in Lösungen kaustischer Alkalien oder in wässriges Ammoniak wird Wasserstoff in Freiheit gesetzt. Bei Verwendung für metallurgische Zwecke, z. B. Behandlung von Schmelzgut und Legierungen, nimmt es schädlichen Verunreinigungen ihren schädigenden Einfluss oder beseitigt dieselben und wirkt im übrigen veredelnd durch die Verbesserung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften.

Für die praktische Anwendung dürften insbesondere solche Legierungen in Frage kommen, deren Lithiumgehalt, sofern sie nicht durch irgendwelche Zusätze verdünnt werden, zwischen etwa 25-75% liegt. DieLegierungen selbst können ausser als Lithium-Silizium-Kompositionen verschiedensterZusammen-
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od. dgl., gewissermassen verdünnt werden, können die Lithiumanteile auch wesentlich geringer sein als etwa 25%.

Die Herstellung der Legierungen kann an sich in der verschiedensten geeigneten Weise erfolgen.

Doch soll im folgenden auf besonders geeignete Verfahren zur Herstellung der Legierungen gemäss Erfindung eingegangen werden.

Die Herstellung der Lithium-Silizium-Legierungen nach der Erfindung kann an sich in jeder geeigneten Weise erfolgen, vorzugsweise jedoch derart, dass ein Gemisch von Lithium und Silizium bei zwischen etwa 400-700 , vorzugsweise über 6000 liegenden Temperaturen in einer Kammer unter hohem oder praktisch absolutem Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre, Edelgasatmosphäre, z. B. in Helium' oder beispielsweise in einer Lithiumatmosphäre od. dgl. der Erhitzung unterworfen wird. Lithium und Silizium können dabei auch in Dampfform aufeinander zur Einwirkung gebracht werden. Weiterhin kann Silizium auch in Form eines Metallsilizids, z. B. Eisensilizids, wie Ferrosilizium, zur Einwirkung gebracht werden.

Gegebenenfalls kann auch ausserdem, wie bereits erwähnt, ein Metallsilizid gewissermassen als Verdünnungsmittel zugesetzt werden, so dass die erzeugteLithium-Silizium-Legierung gewissermassen in ein solches Metallsilizid, z. B. Kupfersilizid, Nickelsilizid od. dgl., eingebettet ist. Es kann auch eine Einbettung in Lithium dadurch bewirkt, werden, dass für einen Überschuss an Lithium Sorge getragen wird.

Schliesslich kann an Stelle des Lithiummetalls auch eine Lithiumlegierung, insbesondere mit Metallen der Alkaligruppe, Erdalkaligruppe und der Gruppe der seltenen Erden, zur Reaktion gebracht werden bzw. für einen Überschuss an freiem Silizium oder an niehtsiliziertem Lithium Sorge getragen werden, welches gegebenenfalls hydriert ist, oder neben oder an Stelle dessen noch Hydride vom Typus der salzartige Hydride, d. h. Ionenbindung einschliesslich der Hydride der seltenen Erden, vorhanden sein, wobei zu bemerken ist, dass die letztgenannten Hydride, deren Mitanwendung sich vielfach als vorteilhaft erwiesen hat, sich dabei durchaus denen der Alkalien und Erdalkalien analog verhalten.

Gleichfalls können auch zur Bildung von Formkörpern Zusätze verwendet werden von siliziertem oder niehtsiliziertem Metall, insbesondere solchen der Alkaligruppe, der Gruppe der Erdalkalien oder der seltenen Erden.

Abhängig von der Menge des Lithiums und Siliziums im Reaktionsgemisch werden dabei die verschiedenartigsten Produkte erhalten. Beispielsweise kann man eine Vielheit von im wesentlichen gleichen, dunkelsilbergrauen Kristallen erhalten ; eine weitere Erscheinungsform besteht aus blauvioletten Massen schieferartiger Platten. Ein dritter Typus von Kristallen ist lichtgrau, was auf einen Gehalt an freiem Lithium zurückzuführen sein dürfte.

Während die beiden ersten Arten der Silizide hart und brüchig und von metallischem Glanz sind sowie Zersetzungsprodukte bilden, die das Innere schützen, erweist sich die andere als bröckelig und zerfällt an der Luft zu Puder. Untersuchungen zeigen, dass der Anteil jeder Komponente in diesen Produkten praktisch vollkommen dem Anteil der Einzelkomponenten im Reaktionsgemisch, welches zur Bildung der Produkte verwendet wurde, entspricht.

Nachstehend seien für die Herstellung einige praktische Beispiele gegeben :
1. Eine Mischung von 53 Teilen Lithium und 47 Teilen Silizium wurden in einem passenden Tiegel auf ungefähr 6000 erhitzt. Bald nach dem Schmelzen der Lithiumlegierung tritt eine Reaktion ein, und die Lithiumlegierung und das Silizium bilden eine Substanz von gleichmässiger Zusammensetzung. Nach dem Erkalten findet man einen festen Körper, der aus gleichmässigen dunkelsilbergrauen Kristallen besteht. An den Bruehstellen ändern diese Kristalle ihre Farbe in ein rötliches Blau, kurz nachdem sie der Atmosphäre ausgesetzt sind. Die analytische Prüfung ergab, dass der erzeugte Körper 47% Silizium und 53% Lithiumlegierungen hatte.

Abgesehen von dem oben erwähnten Farbwechsel wurde jedoch festgestellt, dass die Kristalle nicht zerfliesslich waren und dass sie sich in trockener Luft handhaben liessen, ohne dass besondere Massnahmen zum Schutze des Körpers gegen atmosphärische Einflüsse getroffen werden mussten.

2. Unter denselben Bedingungen, wie in Beispiel 1 angegeben, wurde eine Mischung von 20-8 Teilen Lithium und 28-3 Teilen Silizium der Reaktion unterworfen. Der erzeugte Körper erschien aussen dunkelgrau und beim Bruch innen silbergrau und bestand aus feinen Kristallen. Die Analyse ergab 58-60% Silizium und 40-42% Lithiumlegierung. Im übrigen war das Verhalten des erzeugten Körpers gleich dem unter 1 angegebenen.

3. Unter denselben Bedingungen wie, bei 1 angegeben, wurden 41-6 Teile einer Lithiumlegierung, z. B. Lithium-Calcium, und 28 Teile Silizium der Reaktion unterworfen. Das Aussehen des erzeugten Produktes war silbergrau, die Analyse ergab 40% Silizium-und 60% Lithiumlegierung. Im übrigen verhielt sich der erzeugte Körper wie unter 1 angegeben.

Wenn in den vorhergehenden Beispielen das Erhitzen in einem Vakuum empfohlen wurde, so ist die Erfindung doch nicht auf diese spezielle Methode beschränkt.

Weiterhin ist es z. B. möglich, die Herstellung der verschiedenen Lithium-und Lithiumlegierungskombinationen mit Silizium auch auf andere Weise, z. B., wie erwähnt, in einer Edelgasatmosphäre oder auch in einer Atmosphäre von Lithium oder Silizium oder einer Mischung dieser vorzunehmen, wobei der erstgenannte Fall von besonderer Bedeutung ist. Die Anwendung einer derartigen Atmosphäre bei den genannten Reaktionstemperaturen, beispielsweise von 700 , wird dabei dadurch ermöglicht, dass unter reduziertem Druck unter Vakuum gearbeitet wird.

Sofern die Herstellung der Lithium-Silizium-Kombinationen dadurch bewirkt wird, dass Lithium und Silizium in Dampfform unter erhöhten Temperaturen zur Einwirkung aufeinander gebracht werden, worauf das Reaktionsprodukt in geeigneter Weise, z. B. durch Kühlen, kondensiert wird, führt man das Verfahren vorzugsweise unter sehr hohem Vakuum durch. Man erhält dann im Kondensationsprodukt praktisch eine gleiche Zusammensetzung und gleiche Verhältnisse, wie sie die oben angegebenen Beispiele zeigen.

Bei der Verwendung von Metallsiliziden der obenerwähnten Art an Stelle von Silizium kann man beispielsweise eine Mischung von 50% Lithium und 50% Eisensilizid mit etwa 80% Silizium in einem geeigneten Gefäss unter hohem Vakuum bei etwa 600 zur Erhitzung bringen und erhält dabei, wie gefunden wurde, eine verhältnismässig beständige Kombination von grauer Farbe, die die Farbe verliert, wenn sie der Luft ausgesetzt wird. Die Analyse des Produktes ergibt einen Anteil von etwa 51. 5% Silizium, 419% Lithium, Rest Eisen.

Kombinationen der genanntenArt, dieMetalIsilizide enthalten, beispielsweise, wie oben erwähnt, in solche eingebettet oder mit solchen verdünnt sind, sind besonders für metallurgische Zwecke zu bevorzugen.

PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Lithium-Silizium-Legierungen, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe Lithium und Silizium, vorzugsweise zwischen 25 bis 75% Lithium, enthält, bei Erhitzung im Vakuum oder in inerter Atmosphäre auf 400 C übersteigende Temperaturen unzersetzbar ist und als harter, dichter und spröder Körper an der Luft nicht zerfliesst.

Claims

2. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus etwa 40% Silizium und etwa 60% Lithium, gekennzeichnet durch ein spezifisches Gewicht von etwa 1 und einen Erstarrungspunkt von annähernd 500 bis 5500 C.

3. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus etwa gleichen Teilen Lithium und Silizium, gekennzeichnet durch ein spezifisches Gewicht von etwa 1-15 bis 1-18 und einen Erstarrungspunkt von annähernd 625 C.

4. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus etwa 60% Silizium und etwa 40% Lithium, gekennzeichnet durch ein spezifisches Gewicht von etwa 1-3 bis 1-5 und einen Erstarrungspunkt von annähernd 680 bis 700 C.

5. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus etwa 75% Silizium und etwa 25% Lithium, gekennzeichnet durch ein spezifisches Gewicht von etwa 1-7 bis 1-75 und einen Erstarrungspunkt von annähernd 700 bis 750 C.

6. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe noch Silizide enthält, z. B.

Metallsilizide, wie Eisensilizium, z. B. Ferrosilizium, Nickelsilizid, Kupfersilizid u. dgl. <Desc/Clms Page number 4>

7. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe durchsetzt ist von Silizium und/oder Hydriden einer oder beider Komponenten.

8. Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe noch Metalle der Alkaligruppe, der Gruppe der Erdalkalien oder der seltenen Erden, gegebenenfalls als Silizide und/oder Hydride, enthält.

9. Verfahren zur Herstellung von Legierungen nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Lithium und Silizium bzw. Lithiumlegierungen und Silizium, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 400 bis 700 C bzw. zweckmässigerweise über 600 C, durch Erhitzen zur Einwirkung aufeinandergebracht werden, wobei allenfalls die Reaktion im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre, z. B. in Helium, bzw. einer Lithiumatmosphäre, zur Durchführung gebracht werden kann.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskomponenten in Dampfform zur Einwirkung aufeinandergebracht werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Silizium in Form eines Metallsilizids, z. B. Eisensilizid, Kupfer-oder Nickelsilizid, zur Reaktion gebracht wird.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Reaktion ein Überschuss an Lithium bzw. Silizium bzw. Siliziden Verwendung findet, welcher eine teilweise oder vollkommene Einbettung des vorzugsweise in feiner Verteilung vorliegenden Reaktionsproduktes in Silizium gestattet.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle von Lithium Legierungen des Lithiums, insbesondere mit einem oder mehreren Vertretern der Alkalien, der Erdalkalien oder der seltenen Erden, der Reaktion unterworfen werden.