AT202053B

AT202053B - Hitzebeständiger, unter Preßdruck gesinterter, kompakter Körper und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: AT202053B
Application number: AT220454A
Authority: AT
Original assignee: Plessey Co Ltd
Filing date: 1954-04-20
Publication date: 1959-02-10

Description

Hitzebeständiger, unter Pressdruck gesinterter, kompakter Körper und Verfahren zu seiner Herstellung
Gegenstand der Erfindung ist ein hitzebeständiger, unter Pressdruck gesinterter, kompakter Körper aus Aluminiumoxyd und Molybdändisilizid, wobei der Gehalt an Molybdändisilizid vorzugsweise etwa 90 /o beträgt und welcher gegebenenfalls Kupfer enthält. Molybdändisilizid ist nicht nur hart und hitzebeständig und ein Elektrizitätsleiter, sondern hat ausserdem einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der sich kaum von dem des Aluminiumoxyds unterscheidet anderseits ist jedoch sein Schrumpffaktor bei der Sinterung wesentlich von demjenigen des Aluminiumoxyds verschieden.

Es wurde jedoch gefunden, dass sich trotzdem einwandfrei dichte und haltbare, sintergebundene, kompakte Körper aus Aluminiumoxyd und Molybdändisilizid herstellen lassen, wenn man die Sinterung unter Pressdruck vornimmt. Es lassen sich somit Körper herstellen, die auch bei sehr hohen Temperaturen nicht nur die sehr grosse Härte und Festigkeit des Molybdändisilizides besitzen, sondern letzterem hinsichtlich der Fliessgrenze sogar wesentlich überlegen sind. Infolge der annähernd identischen Wärmeausdehnungsko- effizienten der beiden Bestandteile kann die Mischung in jedem beliebigen Verhältnis erfolgen, wodurch sich innerhalb weiter Grenzen jeder gewünschte Wert des elektrischen Widerstandes erreichen lässt.

Erfindungsgemäss werden zur Einstellung beliebiger Werte des elektrischen Widerstandes ausserdem verschiedene Mischungsverhältnisse für verschiedene Teile eines sintergebundenen Körpers gewählt, ohne dabei eine Trennung bei starken Temperaturschwankungen befürchten zu müssen. Einzelne Teile können zum Beispiel aus reinem Molybdändisilizid bestehen, so dass sie mit Metallteilen verlötet werden können, oder es können Teile des Körpers gänzlich aus Aluminiumoxyd bestehen, so dass sie andere Teile elektrisch isolieren.

Verbundkörper können durch einmalige Wärme- und Druckeinwirkung oder durch eine Mehrzahl solcher gewonnen werden. Im ersten Falle werden die Bestandteile in geeigneter Weise in eine Form eingebracht und durch Druck zu Gestalten verdichtet, die miteinander leichter verbunden oder leichter gehandhabt werden können.

In letzterem Falle können in der Form ein oder mehrere, wie beschrieben, durch Wärme und Druck zusamemnhängend gemachte Körper allein oder mit weiterer, noch nicht so kohärent gemachten Materialien vereinigt werden.

Molybdändisilizid hat eine verhältnismässig hohe elektrische Leitfähigkeit ; Tonerde ist ein elektrischer Isolator. Verbundkörper aus Mischungen dieser Materialien können daher mit dazwischenliegender Leitfähigkeit erzeugt werden. Demzufolge können durch entsprechende Formgebung der Einzelteile und Wahl der Materialien für diese Teile, elektrische Artikel, wie Widerstände, Anschlüsse, sogenannte vorgezeichnete Stromkreise", Zündkerzen od. dgl. nach dem erfindungsgemässen Verfahren unmittelbar gewonnen werden. Derartige Artikel können auch für Betrieb bei hohen Temperaturen dienlich gemacht werden.
Andere Merkmale und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, welche in einem Querschnitt eine heizbare Presse für die Zwecke der Erfindung darstellt.

Für die Durchführung der Erfindung wird Molybdändisilizid aus Molybdän und Silizium hergestellt. Richtige molare Mengen von Molybdänpulver, 99, 8% rein, Teilchengrösse von 0-5 Mikron, sowie von Siliziumpulver, 980/o rein, Teilchengrösse 300 Maschen, werden in einer Kugelmühle innig vermengt, das Gemisch dann in einen geschlossenen, mit einem Wassermantel versehenen Zylinder eingebracht, letzterer dann mit inertem Gas gefüllt und die Reaktion mit Hilfe eines elektrisch erhitzten Molybdändrahtes angestellt und exothermisch weitergeführt. Das entstandene Molybdändisilizid von etwas kreidiger oder koksartiger Struktur wird dem Zylinder entnommen, zerbrochen und neuerlich in einer Kugelmühle auf kleine Teilchen zermahlen.

In diesem Stadium können auch andere, etwa zur Veränderung der Art des fertigen überzuges notwendige Materialien zugefügt werden, so z. B. Kupfer, um Wärmestoss-Eigenschaften zu verbessern und das spätere Plattieren oder Löten zu erleichtern.
Tonerde wird als feuerfestes Material verwendet. Reine oder umsetzfähige Tonerde hat den Nachteil einer hohen Sintertemperatur von 2000 bis 2050 C, doch kann diese Temperatur durch

Zusatz von annähernd 30/o Kieselerde oder Magnesia herabgesetzt werden. Fall- und vorzugsweise werden handelsübliche Tonerdesorten verwendet, z. B. die von der Fa. Morgan Crucible Company Limited unter der Bezeichnung Morgan Triangle R"verkaufte Sorte. Dieses Material hat eine Sintertemperatur von annähernd 1750 C.

Die Art und Weise, in welcher das Molybdändisilizid und die Tonerde zum Brennen zugerichtet werden, hängt von der Natur des erwünschten Verbundkörpers ab, doch soll bei dem besonderen Beispiel angenommen werden, dass ein einfach zy-
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gestellt werden soll. Unter "homogen" wird hier physikalische oder mechanische Gleichmässigkeit, nicht aber chemische Gleichheit verstanden.

Molybdändisilizid und Tonerde werden z. B. im Verhältnis von 900/o Silizid und 100/o Tonerde
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eine Form eingebracht, in der das Gemisch Wärme und Druck ausgesetzt werden kann. Eine hiefür geeignete Form ist in der Zeichnung veranschaulicht.

Sie besteht aus einem zylindrischen Graphitblock 10 mit einer zentralen zylindrischen Bohrung. Dieser Block ist von einem Mantel 11 aus Tonerde in einem Aussengehäuse 12 aus feuerfestem Material umgeben, das als Wärmeisolator dient und auch die Oxydation der Form herabsetzt. Der Block 10 samt seinem Gehäuse ruht auf einem feuerfesten Ziegel 13 auf der Platte 14 einer Presse auf. Eine wassergekühlte Hochfrequenzheizspule 15 umgibt das Aussengehäuse 12.

Innerhalb der Bohrung des Blockes 10 befinden sich zwei Graphitstangen 16 und 17, von denen die untere auf dem Ziegel 13 aufruht, während die obere von dem Stempel 18 der Presse unter Zwischenschaltung eines feuerfesten Ziegels 19 gefasst wird. Durch das Gehäuse 12 und den Mantel 11 ragt ein Rohr 20 aus Keramik zur Ermöglichung der Temperaturmessung mittels eines optischen Pyrometers.

Das Materialgemisch wird in den von den Wänden der Bohrung des Blockes 10 und den Stirnenden der Stangen 16 und 17 begrenzten Raum eingebracht. Für den einfach zylindrischen Körper nach diesem Beispiel kann das Gemisch Molybdändisilizid und Tonerde in diesen Raum lose eingebracht werden, meistens ist es aber zweckmässig, das Gemisch durch Kaltpressen in eine entsprechende Gestalt zu bringen. Später wird hierauf noch zurückgekommen.

Im Anfang wird durch die Presse ein Druck von etwa 80 kg/cm2 zur Anwendung gebracht und durch die Heizspule 15 Hochfrequenzstrom hindurchgeschickt. Der Druck wird auf dieser Höhe bis vor Erreichung der Sintertemperatur aufrechterhalten. Sobald diese erreicht ist, schmilzt das Material und schrumpft und der Druck wird auf etwa 160 kg'cm2 erhöht und die Temperatur auf zwischen 1300 und 1800 , im gewählten Beispiel auf 1650 C, gesteigert.

Die Erhitzung wird so lange aufrechterhalten, bis die ganze Masse zum Sintern kommt. Bei einem kleinen Gegenstand mit Abmessungen von wenigen Zentimetern erwies sich eine Heizdauer bis zu 10 Minuten geeignet. Der Heizstrom wird dann abgeschaltet, und wenn die Temperatur auf etwa 1200 C gesunken ist, kann der Körper aus der Form herausgenommen und an der Luft ab-
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Tonerde hat beim Sintern einen Schrumpfungsfaktor, der deutlich verschieden ist von jenem des Molybdändisilizides, aber diese Volumsänderung wird toleriert und der verwendete Druck gewährleistet einen Verband der beiden Stoffe.

Bei der Herstellung eines Verbundkörpers aus einander ungleichen Teilen kann es zweckmässiger sein, die Einzelteile oder einige derselben durch anfängliches Kaltpressen des pulverförmigen Materials zu formen. Beispielsweise kann es für die Herstellung eines aus einem Tonerdezylinder mit einem Aussenmantel aus Molybdändisilizid bestehenden Gegenstandes zweckmässig sein, den Zylinder und den Mantel getrennt zu pressen und sie in der Form zu vereinigen, wobei man gegebenenfalls loses, pulverförmiges Material als Füllmittel verwendet.

Es ist auch möglich, einen Verbundkörper in einer Anzahl von Stufen zu erzeugen, d. h. einen oder mehrere Teile durch das beschriebene Heisspressverfahren fertigzustellen und diese dann in einem weiteren Heisspressverfahren zu sintern, oder man kann gegebenenfalls Teile, die bereits durch Heisspressen geformt wurden, durch Heissverpressen mit Teilen verbinden, die noch nicht so behandelt wurden. Dieser Vorgang ermöglicht die Darstellung grosser und insbesondere langgestreckter Körper ohne eine Form, die für die Auf-
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Aufbau eines Langkörpers in der geschilderten Weise Teilstücke, die durch parallele, schräg zur Länge des Körpers liegende Ebenen begrenzt sind, verwendet werden können. Die einzelnen Teilstücke können dann relativ dünn sein und durch Druckeinwirkung-bevorzugt in Richtung ihrer kleinsten Dimension-erzeugt werden.

Sollen Verbundkörper mit Hohlräumen, Ausnehmungen, Löchern od. dgl. hergestellt werden, so kann man Kerne benützen. Solche Kerne bestehen aus einem Material, das mit jenen der Körper nicht reagiert ; nachdem die Verbundkörper verpresst sind, können die Kerne durch maschinelle Bearbeitung oder in sonstiger Weise ausgetragen werden. Für Kerne eignet sich insbesondere Graphit, der mit der feuerfesten Masse oder mit dem Molybdändisilizid bei den während des Pressens herrschenden Temperaturen nicht in Reaktion tritt. Er ist leicht bearbeitbar und daher können Kernstücke in einfacher Weise ausgetragen oder etwa auch durch Erhitzen beseitigt werden.

Letzterer Vorgang ist ausführbar, weil das Mo-

lybdändisilizid gegen Oxydation höchst wider- standsfähig ist.

Das Austragen der Kernstücke durch Erhitzen hat den weiteren Vorteil, dass eine Anzahl solcher gleichzeitig aus einem Bestandteil beseitigt werden kann, und dass weiters eine Anzahl von Bestandteilen der Erhitzung in einem Ofen unterworfen werden können, um aus ihnen die Kerne zu beseitigen ; dadurch wird an Herstellungskosten und Zeit gespart.

Fertigbearbeitungen des Körpers, etwa das Bohren von Löchern oder das Einarbeiten von Hohlräumen kann ausser nach den üblichen Methoden durch Ultraschall- oder elektrische Einrichtungen durchgeführt werden ; die beiden vorgenannten Bearbeitungsmethoden eignen sich ganz besonders zum Bohren von Löchern.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann auch für die Herstellung von Verbundkörpern verwendet werden, die beispielsweise aus keramischem Material mit einer oder mehreren Einlagen aus Molybdändisilizid bestehen. Wie vorhin erwähnt, kann die Erfindung zur Herstellung sehr verschiedener elektrischer und mechanischer Artikel benützt werden, die sich bei hohen Temperaturen verwenden lassen sollen. Als Beispiel wird die Erzeugung eines einfachen Artikels bzw. Bestandteiles eines Steckers beschrieben, der aus einem zylindrischen Tonerdekörper mit einer Anzahl von ihn in der Längsrichtung durchsetzenden Bohrlöchern besteht, von denen jedes einen Sockel mit zwei Enden aus Molybdändisilizid enthält.

Zur Herstellung eines solchen Artikels werden der zylindrische Körper und die Sockeleinschlüsse zuerst je für sich hergestellt. Z. B. wird der zylindrische Körper mit seinen Löchern dadurch erzeugt, dass pulverförmige Tonerde in eine entsprechend ausgebildete Form eingebracht und bei Zimmertemperatur einem Druck von etwa 300 kg/cm2 ausgesetzt wird.

Ein vorher zugerichteter Sockel mit zwei Enden aus Molybdändisilizid wird dann in jedes Loch eingeführt und die gegenüberliegenden Enden der Löcher werden je durch einen Kern abgeschlossen, welcher aus einem Graphitstopfen besteht, von denen jeder mit einem nach innen in das gegenüberliegende Ende des zugehörigen Sokkels reichenden Schaft ausgestattet ist.

Diese zusammengefügten Teile werden dann in eine Graphitform eingebracht und bei einer Tem-
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Pressens dienen die Kerne zur Erhaltung der Gestalt der Bohrlöcher und auch der Stellung der Sockeleinlagen.
Nach Abkühlung wird der Bestandteil der Form entnommen und die Kerne, wie vorhin erläutert, entweder durch Erhitzen oder durch Ausbohren entfernt.

Das Fertigstellen des Bestandteiles, etwa das Abkanten der Ränder der metallenen Einlagsokkel, kann durch überschallbohrung bewerkstelligt werden, wozu ein ringförmiges Schneidwerkzeug Verwendung findet.

Es hat sich gezeigt, dass der Durchmesser von unter Verwendung von Graphitkernen erzeugten Bohrlöchern eine Genauigkeit von mehr als 0, 01 mm zeigt.

Die Herstellung eines aus Metall-Keramik bestehenden Gutes und insbesondere eines Löcher oder sonstige Hohlräume besitzenden Artikels mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens erwies sich als gangbarer Vorschlag, da solche Artikel wirtschaftlich und rasch herstellbar sind.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Hitzebeständiger, unter Pressdruck gesinterter, kompakter Körper aus Aluminiumoxyd und Molybdändisilizid, wobei der Gehalt an Molybdändisilizid vorzugsweise etwa 901/o beträgt und welcher gegebenenfalls Kupfer enthält, dadurch gekennzeichnet, dass an bestimmten Stellen des Körpers das Mischungsverhältnis der Bestandteile von demjenigen an bestimmten andern Stellen verschieden ist.

Claims

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Stellen des Körpers nur Aluminiumoxyd oder nur Molybdändisilizid enthalten.

3. Verfahren zur Herstellung von Körpern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Teilkörper des einer Stelle entsprechenden Mischungsverhältnisses hergestellt und dieser dann unter Pressdruck mit einem oder mehreren Teilkörpern anderer Mischungsverhältnisse bzw. dem diesen entsprechenden Materialpulver EMI3.2

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Teilkörper durch Kaltpressen hergestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Drucksinterung ein der Bohrung od. dgl. entsprechender Kern aus einem gegen Sinterdruck und-temperatur beständigen Material, insbesondere Graphit, verwendet und dieser nach der Sinterung, vorzugsweise durch Erhitzen, entfernt wird.