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Elektrischer Leiter und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Leiter, der aus einem mit einem Mantel aus Titan umgebenen Kern aus Kupfer, Aluminium, Eisen oder Stahl besteht. Dieser Leiter ist insbesondere unter korrodierenden Bedingungen, wie sie z. B. in elektrolytischen Zellen auftreten, brauchbar.
In elektrolytischen Zellen, insbesondere in Zellen für die Elektrolyse von Chloriden, herrschen stark korrodierende Bedingungen, insbesondere für das Anodenmaterial und die Leiter, welche in die Zellen eintreten und die Anoden mit Strom versorgen. Viele Jahre lang wurden in Elektrolysezellen Stromleiter und Anoden aus Graphit verwendet, doch wurde in letzter Zeit bei Zellen zur Elektrolyse von Alkalichlorid zur Vermeidung der Nachteile der Graphitleiter vorgeschlagen, Titan bzw. billigere und besser leitende mit Titan überzogene Metalle für die Stromzuleitung zu den Graphitanoden zu verwenden.
Es wurde auch vorgeschlagen, auf Graphit in den Zellen zur Gänze zu verzichten und als Anodenmaterial einen Überzug oder einen Film aus Platin auf einem Träger aus Titan oder einem anderen mit Titan überzogenen Metall zu verwenden, welch letzterer also sowohl als Träger der Anode als auch als Leiter für die Stromzufuhr zur Anode fungiert.
Da Titan teuer ist und keine sehr grosse elektrische Leitfähigkeit besitzt, ist es vorteilhaft, elektrische Leiter zu verwenden, bei denen ein Titanmantel mit einem Kern aus einem billigeren bzw. besser leitenden Metall, wie z. B. Kupfer, versehen ist. Was die Widerstandsfähigkeit gegen die Angriffe durch die Elektrolyten und durch die Anodenprodukte bei der Elektrolyse anbetrifft, haben sich Leiter, die aus einem Kupferkern, der in Titan eingeschlossen ist, bestehen, als brauchbar erwiesen, da das Kernmetall durch den widerstandsfähigeren Titanüberzug geschützt ist.
Bei der Herstellung solcher Leiter jedoch besteht nach wie vor das Problem, zwischen der äusseren Titanschicht und dem Kern eine Verbindung mit geringem elektrischen Widerstand zu erzielen. Solche Leiter mit einem in Titan eingeschlossenen Kupferkern wurden beispielsweise durch Aufpassen eines Titanrohres auf einen Kupferstab und Ziehen des umschlossenen Stabes hergestellt, wobei die beiden Metalle in enge Berührung gebracht wurden. Solche mit Titan überzogene Leiter entsprechen jedoch nicht in jeder Hinsicht den an sie bei der Verwendung als Anoden gestellten Anforderungen, da der Leitungswiderstand zwischen dem Kupfer und dem Titan ziemlich gross ist.
Bei einem solchen stabförmigen Leiter fliesst der Strom hauptsächlich durch das gut leitende Kupfer, muss jedoch schliesslich die KupferTitan-Übergangsfläche passieren, um dann über den Titanmantel das Anodenmaterial zu erreichen.
Es wurde nun gefunden, dass ein elektrischer Leiter, bestehend aus einem mit einem Mantel aus Titan umgebenen Kern aus Kupfer, Aluminium, Eisen oder Stahl, bei welchem eine gute elektrische Verbindung zwischen dem Mantel und dem Kern vorliegt, hergestellt werden kann, wenn die am Kern anliegende Innenfläche des Mantels mit einem Überzug aus einem lötbaren Metall versehen und der Kern an diesem mittels eines schmelzbaren Metalls oder Metallegierungslots befestigt ist.
Weiters bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Leiters dieser Art, welches darin besteht, dass man die Innenfläche des Mantels anätzt und mit einem lötbaren Metall überzieht, dass man einen Kern aus Kupfer, Aluminium, Eisen oder Stahl eng passend in den überzogenen Teil des Titanmantels einsetzt und mit dem inneren Überzug des Mantels verlötet.
Mit dem Ausdruck" Titan" ist nicht nur Titan selbst gemeint, sondern auch Legierungen auf der Basis von Titan mit anodischen Polarisationseigenschaften, die mit denen des Titans vergleichbar sind.
Beispiele solcher Legierungen sind Titan-Zirkon-Legierungen mit einem Gehalt von bis zu 14% Zirkon, Legierungen mit einem Gehalt von bis zu 5% eines Platinmetalls, wie Platin, Rhodium oder Iridium und Legierungen mit Niob oder Tantal, mit einem Gehalt von bis zu 10% dieses Legierungsbestandteiles.
Unter dem Ausdruck eng in den überzogenen Teil des Titanmantels passend" ist zu verstehen, dass nur so viel Spielraum zwischen den das Lot aufnehmenden Teilen zugelassen wird, als in der Löttechnik üblich ist. Beispielsweise ist bei einem Kupferkern mit einem Durchmesser von 101, 6 mm ein Zwischenraum von etwa 0, 3 mm zulässig.
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Als Kernmetall wird wegen seiner guten Leitfähigkeit vorzugsweise Kupfer verwendet, jedoch eignen sich auch Aluminium, Eisen oder Stahl, insbesondere dann, wenn Leiter mit grösserem Durchmesser zugelassen sind, um den elektrischen Widerstand des Kernes herabzusetzen.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann die Titanoberfläche durch Eintauchen in konzentrierte analysenreine Salzsäure angeätzt werden, wobei Tauchzeiten von 12 bis 72 h in der kalten
Säure gewöhnlich am günstigsten sind. In heisser Säure können jedoch kürzere Tauchzeiten angewendet werden, wie z. B. 5 bis 15 min in Säure von 90 bis 100 C. Wenn die Titanoberfläche mit Öl oder Fett verunreinigt ist, ist es zweckmässig, das Metall vor dem Anätzen zu entfetten. Ist das Metall stark mit
Zunder bedeckt, so ist es am besten, diesen vor dem Ätzen mittels eines üblichen Abbeizverfahrens, bei- spielsweise durch Behandlung mit einem Gemisch von 20% Salpetersäure und 4% Flusssäure, zu entfernen.
Der lötbare Metallüberzug, beispielsweise ein Überzug aus Nickel oder Kupfer, kann auf die angeätzte
Titanoberfläche nach jedem Metallbeschichtungsverfahren, beispielsweise durch Niederschlagen auf elektrolytischem Weg, nach dem Metallspritzverfahren oder durch stromloses Plattieren, aufgebracht werden. Wegen der Einfachheit der Aufbringung ist die Anwendung eines Nickelüberzuges nach der bekannten stromlosen Plattiermethode zweckmässig. Die Lötverbindung kann sodann nach üblichen
Lötmethoden nach dem Verzinnen der beiden miteinander zu verbindenden Oberflächen unter Ver- wendung des geeigneten Lots hergestellt werden.
Nach der Lötung ist es oftmals erforderlich, den Titanmantel für viele Verwendungszwecke, beispielsweise wenn der Leiter in eine Bohrung in eine Anodenplatte eingesetzt werden soll, auf eine genaue zylindrische Form zu bringen. Bei Verwendung von Aluminium als Kernmetall ist es zweckmässig, sowohl die Oberfläche des Aluminiums als auch die des Titanmantels vor dem Verzinnen mit dem Lot und der Herstellung der Lötverbindung mit einem lötbaren Metall, beispielsweise mit Nickel, zu überziehen.
Weiters soll die Aluminiumoberfläche vor Aufbringung des Überzuges gereinigt und aufgerauht werden, beispielsweise indem man eine Tauchätzung in einer kalten 30%igen wässerigen Ätznatronlösung oder in kalter konzentrierter Salzsäure vornimmt.
Die Art des Lots ist nicht wesentlich und es kann beispielsweise auch ein übliches Blei/Zinn-Lot verwendet werden. Auch kann eine Legierung mit einem Gehalt von mehr als 50 Gew.-% Wismut, z. B. eine Legierung von 55, 5% Wismut mit 44, 5% Blei verwendet werden, mit dem Vorteil, dass solche Legierungen sich beim Erstarren nicht ausdehnen und daher das Auftreten von Spannungen in der Verbindung nach dem Abkühlen des Lots auf ein Minimum reduzieren.
In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsformen des elektrischen Leiters gemäss der Erfindung schematisch dargestellt.
In Fig. 1 weist der Mantel 1 aus Titan, dessen unteres Ende 2 geschlossen ist, innen auf der Bodenfläche und auf dem unteren Teil der Wände einen Nickelüberzug 3 auf, der nach dem Entfetten und An- ätzen der Flächen in Salzsäure aufgebracht wurde. Der Kupferkern 4 besitzt einen unteren Teil 5 mit grösserem Durchmesser, der eng in den überzogenen unteren Teil des Titanmantels 1 passt und mit dem Nickelüberzug durch den Lotfilm 6 verlötet ist. Das Verlöten erfolgt durch Verzinnen aller Berührungsflächen des Nickelüberzuges 3 und des Teiles 5 des Kupferkerns, Einbringen des Lots in den Mantel, Erhitzen des Mantels und des Kerns über den Schmelzpunkt des Lots und Einpressen des Kerns in den Mantel unter leichter Drehung, wonach die Verbindungsstelle abkühlen gelassen wird.
Der Titanmantel wird gegebenenfalls zur Erzielung einer genau zylindrischen Form noch nachbearbeitet.
Der Leiter ist an eine Graphitanodenplatte 7 angeschlossen, indem das untere Ende des Titanmantels 1 in eine Bohrung der Graphitplatte eingepresst ist. Zur Erzielung einer guten elektrischen Verbindung zwischen dem Titanmantel und dem Graphit ist das untere Ende des Titanmantels zweckmässig mit einem Überzug 8 aus einem Platinmetall versehen.
Bei dieser Ausführungsform kann die Graphitanode mit dem unteren Ende des Leiters in eine elektrolytische Zelle eingesetzt werden, wobei das obere Ende des Leiters durch eine Dichtung 9 im Zellendeckel 10 herausgeführt werden kann. Auf diese Weise ist der Kupferkern durch den Titanmantel vor dem Angriff des Elektrolyten in der Zelle geschützt, sein oberes Ende liegt jedoch frei, so dass Stromzuführungen 11 angeschlossen werden können.
Die Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher das untere Ende des Titanmantels 12 am Rand 17 an eine Titanplatte 18 angeschweisst ist. Der Leiter wird in diesem Fall so hergestellt, indem die Innenwand des Mantels entfettet, angeätzt und mit einem Nickelüberzug 13 versehen wird, der sodann mit einer den Kern bildenden zylindrischen Kupferplatte 15 durch einen Lotfilm 14 verbunden wird. In eine Bohrung der Platte 15 wird ein Kupferstab 16 eingelötet, der zum Anschluss der Stromzufuhr 19 dient.
Auf die Unterseite der Titanplatte 18 wird ein Anodenfilm aus einem Platinmetall aufgebracht. Zur Erleichterung des Austrittes des an der Anode der elektrolytischen Zelle freigesetzten Gases ist die Platte 18 rund um die Schweissstelle 17 mit Löchern oder Schlitzen versehen.
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