Elektrischer Widerstandskörper aus schmiedbarem Metall. @'orliegencle Erfindung bezieht sich auf t-iiif@n elektrischen Widerstandskörper aus f.,iner schmiedbaren Kupferlegierung.
Zur Erhöhung des elektrischen Wider- -t.andes von Kupfer hat man demselben ge- #.,. rilinlich Nickel oder Mangan als Legierungs- zu,#ä.lze zugesetzt; typische Widerstands bestehen aus Kupfer, welches mit 1() bis. a0% Nickel, oder 20 % Nickel, oder 1,a bis 4 % Nickel zusammen mit 12 bis. 14, ö @lan,@an legiert ist.
Solche Legierungen er fordern indessen verhältnismässig grosse An- t' an teuren Legierungskomponenten zur Erzielung des gewünschten Widerstandes, wodurch der Gestehungspreis der Legierun- ;c,n erhöht wird.
Die Anforderungen, welche ;:n Legierungen für elektrische Widerstands gestellt werden, sind ein verhältnis- niässig hoher spezifischer Widerstand und ein iiit@tli-i",er Wideratandstemperaturkoeffizient, imd ausserdem sollen die Legierungen inner- lxilh des Betriebstemperaturbereiches keiner 1'liascn@indcrung unterliegen.
Bekanntlich bewirkt die Beifügung eines v-(-rhililt:nismässig geringen Anteils Silizium, z. 1i. bis zu 5%, eine beträchtliche Erhöhung ilc-F-lektrischen Widerstandes von Kupfer, iitid c.s hat sich nun herausgestellt, dass unter lia,senden Abänderungen eine Reihe von 1i:
upfer-Silizium-Legierungen für elektrische. ZVi.derstandszwecke generell verwendet wer- i1c@n kann.
Indessen sind nicht alle diese Le- ,;ii@rungen bei hoben Betriebstemperaturen im Bereiche von 350 C und darüber geeignet, da sie einen zu geringen Widerstand gegen Vcrzunderung besitzen, und es hat sich her ausgestellt, dass durch die Beifügung von .A.luminium die Widerstandsfähigkeit gegen Verzunderung beträchtlich erhöht wird und Legierungen mit einer dauernden, isolieren den Oxydhaut erzielt werden können, welche nicht springt.
Im Gegensatz zu den üblichen Legierungen findet bei der Legierung gemäss Erfindung nach erfolgter Bildung der isolie renden Oxydhaut keine weitere progressive Oxydation mehr statt, so dass auch keine weitere Phasenänderung an der Oberfläche des Widerstandskörpers eintritt.
Man hat bereits gewisse Legierungen der Kupfer-Silizium-Aluminiumtype vorgeschla gen, welche sich indessen nicht als elektri sches Widerstandsmaterial eignen. So hat man z. B. ein Verfahren einer Wärmebe handlung von Legierungen vorgeschlagen, mit einem Siliziumgehalt von 3,7 bis<B>6,7%</B> und einem Aluminiumgehalt bis zu 3 %, wel ches darin bestand, die Legierungen einer Lösungswärmebehandlung zu unterziehen und hierauf abzuschrecken zwecks Erzeugung einer übersättigten festen Lösung, um duktile und korrosionsfeste Legierungen zu erhalten.
Bei einem derartigen Material würde indessen die Ausscheidungshärtung beginnen, sobald es einer Betriebstemperatur im Bereich von 400 bis 450 C ausgesetzt würde, und eine der hauptsä.chliehsten Eigenschaften von Le- gierungen für elektrische Widerstandszwecke besteht natürlich darin, dass sie innerhalb ihres Betriebstemperalurbereiches nicht zu Phasenänderungen führen.
Man hat ebenfalls Legierungen mit einem Siliziumgehalt von 0,1 bis 3,5 % und 0,1 bis<B>0,75</B> % Aluminium, oder 0,1 bis <B>0,75%</B> Silizium und 1 bis 10 Aluminium vorgeschlagen;
dieselben sind in dessen für die Zwecke der vorliegenden Er findung nicht geeignet, und zwar im erste ren Falle, weil der Aluminiumgehalt unzu- reichend ist, um den nötigen Schutz für die Legierung zu gewährleisten, wenn diese län gere Zeit hohen Betriebstemperaturen aus gesetzt ist, und im zweiten Falle, weil der Siliziumgehalt ungenügend ist, um den Le- ffi 1.
erungen den erforderlichen elektrischen Widerstand zu verleihen. Man hat auch Kupfer--Silizium-Aluminiumlegierungen mit Eisen vorgeschlagen, aber eine Beimengung von Eisen in grösserer Menge als ungefähr <B>0,5%</B> hat einen schädlichen Einfluss auf die Konstanz der elektrischen Charakteristiken der Legierung bei Erwärmung, auf ihre Kor rosionsfestigkeit und auf ihre Verarbeitbar- heit, z. B. zu Drähten.
Es sind ebenfalls schon Kupfer-Zinn-Silizium-Aluminiumlegie- rungen vorgeschlagen worden mit ungefähr 91 bis<B>99%</B> Kupfer, 0,25 bis<B>3,0%</B> Zinn, 0,5 bis 4% Aluminium und 0,25 bis 2,0% Si lizium, jedoch nicht zur Anwendung für elektrische Widerstandskörper.
Der elektrische Widerstandskörper aus einer schmiedbaren Kupferlegierung, welche innerhalb des Betriebstemperaturbereiches keinerlei Phasenänderungen unterliegt, ist nun dadurch gekennzeichnet, dass die Legie rung ausser Kupfer als Hauptbestandteil 1 bis ä % Silizium und 1 bis 7 % Aluminium ent hält.
Es kann auch ein geringer Anteil' Man gan bis zu 37o darin enthalten sein, welcher indessen zweckmässig ein bestimmtes Maxi mum für einen gewissen Siliziumgehalt nicht übersteigt. Dieses Maximum ist für niedrige Siliziumgehalte höher und umgekehrt. so dass z. B. einer Legierung mit 1 % Silizium 3 3langan zugefügt werden können, wäbrerid bei einem Silizitlmgehalt von 5 % das zu lässige Maximum nur I % 31angan ist.
Zwecks Erzielung einer Desoxydation und Reinigung der Schmelze können bis zu 0,1 % Phosphor, 0,5 % Zink oder Cadmium und 0,2 % Ma gnesium hinzugefügt werden. Es können auch 0,2 % Nickel beigefügt werden, indessen ist es vorteilhaft, in der fertigen Legierung die Summe von Zink, Cadmium, Magnesium und Nickel den Betrag von 0,5 % nicht über steigen zu lassen. Eisen ist vorzugsweise keines vorhanden oder höchstens als Verun reinigung von nicht mehr als<B>0,25%.</B>
Der Siliziumgehalt beträgt vorzugsweise 2,5 bis 4,5%.
Es hat sich ferner herausgestellt, da.ss die Eigenschaften der erfindungsgemässen Wi derstandskörper, insbesondere in bezug auf die Stabilität bei Betriebstemperaturen von 400 bis 450 C, verbessert werden können, in dem man durch den Einschluss verschiedener Zusätze in den Legierungen das Kornwachs tum während der Herstellung und im Betrieb hemmt.
Es werden deshalb zweckmässig-erweise den Legierungen in kleinen Mengen Mittel e;nverleibt, zur Hemmung des Wachstums des Kornes der Legierung unter dem Einfluss hoher Temperaturen.
Ein solches Mittel kann ein geeignete,-, Element sein, wie z. B. Chrom, Titan, Tellur. Selen, Zirkonium, Silber oder Cer, oder eine Verbindung, wie z. B.
Aluminiumoxyd, Ma gnesiumoxyd oder Ceroxyd. Diese Metalle oder Verbindungen werden zweckmässiger weise in folgenden Mengen beigefügt: 0,05 bis 1,0 % Chrom, Titan, Tellur oder Selen, 0,01 bis 0,1 % Zirkonium, 0,001 bis 0,1 Silber, 0,03 bis 0,05 % Cer, 0,05 bis 1.0 % Alii- miniumoxyd, Magnesiumoxyd oder Geroxy d.
Die Legierungen können in bekannter Weise erzeugt werden, und wenn ein Mittel zur Hemmung des Kornwachstums verwen det wird, kann dasselbe in Form einer Le gierung mit Kupfer, im Falle von Metallen wie Chrom oder Titan, beigefügt werden, während dasselbe im Falle der erwähnten Verbindungen der Schmelze in Pulverform l,eige.setzt: werden kann.
bie 'N,#Tiderstands1Lörpe.r können in bekann- tur N@'r,ise hergestellt werden durch Walzen, Zehen, Pressen oder andere Formungsvor- gingc zur Bildung von Draht, Band, Stangen odr-r Streifen, indessen ist es wichtig, während der Bearbeitung die Bildung von oberfläch- liehen Kupfer- oder Isu.pferoxydfilmen ztx vr rbüten,
da solche Filme den elektrischen WidF,rstand und den Temperaturkoeffizienten der Legierungen beeinflussen und überdies den Zir_.hvoi-gang erschweren, da.
sie eine rasebe Zerstörung der Ziehformen bewirken. Aus diesem Grunde müssen alle Reinigungs- tinrl Beizvorgä nge mit äusserster Sorgfalt riurcliöefiilii-t %verden,
wobei zweckmässiger- v.r#ise wässrige Lösungen von Bichromat und Sehivefelsäure oder aber wässrige Lösungen von 2N"atritini-Bifltiorid und Schwefelsäure verwendet werden.
In Fällen, wo die Verhä.ItniSZahlen der Le- ;;'ic@i-iiii"slzoiiipoiienten derart sind, dass die Ge- f < ilir einer innern Phasenänderung bei der Be triebstemperatur des Widerstandsmaterials be- stcIit, was z.
B. eintreten kann, wenn der 8i-
EMI0003.0050
<I>Tabelle <SEP> l:</I>
<tb> Gewichtszunahme <SEP> in <SEP> 10-.',9/0M2
<tb> Legierungs- <SEP> Gehalt <SEP> in <SEP> 0/0 <SEP> 400<U>0</U> <SEP> G <SEP> <B>50000</B>
<tb> Nr. <SEP> Si <SEP> I <SEP> Al <SEP> 2 <SEP> St. <SEP> 8 <SEP> St. <SEP> 2 <SEP> St.
<SEP> I <SEP> 8 <SEP> St.
<tb> 1 <SEP> 3 <SEP> - <SEP> 9 <SEP> 16 <SEP> 11'i <SEP> 22
<tb> 3 <SEP> 2 <SEP> 4 <SEP> 9 <SEP> 5 <SEP> 6
<tb> 1 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 8 <SEP> 3 <SEP> 4 Pie br.iiii Erwärmen auf Temperatureis von 011 bis 7()()" C gebildete Oxydhaut ist auch elektrisch isolierend, so dass aufgewickelte Widerstände hergestellt werden können, in Wf,lchen sich die einander benachbarten Win- rIiin,#-eri berühren.
Ferner muss der Widerstand der Legierun gen bei den Temperaturen, welche im norma- li@ii Betrieh entstehen und zweelzinässigei".veise liziumgehalt im höheren Bereich von 4-5 % liegt, können die Legierungen durch Ausglü hen bei ungefähr 500 C während 8 bis 24 Stunden stabilisiert werden.
Der spezifische Widerstand der erfin dungsgemäss zusammengesetzten Legierungen beträgt vorzugsweise zwischen 15 und 30 Microhm cm.
Der Widerstandstemperaturkoeffizient liegt meistens in der Grössenordnung von 50X10-5 innerhalb des Bereiches von 20 bis 95 C.
Die erfindungsgemäss zusammengesetzten Materialien besitzen eine sehr gute thermische Stabilität bis zu Temperaturen von 350 C. So bildet .sieh von selbst bei niedrigen Tempe raturen leicht eine Oxydhaut, welche eine wei tere Oxydation bei fortgesetzter Erwärmung , wirksamverhütet. Die Resultate vonZ'erzunde- rungsversuchen beim Erhitzen auf hohe Tem peraturen in einer oxydierenden Atmosphäre sind in Tabelle 1 dargestellt, aus welcher er sichtlich ist, dass die Dauerhaftigkeit einer Oxydhaut bei Aluminiumgehalt grösser ist als jene bei Bildung einer Oxydhaut ohne Alu minium.
noch über dieselben hinaus, dauernd stabil sein. Hierfür wurde eine Prüfung durchge führt, bei welcher der Draht während 24 Stunden auf 4000 C erwärmt und nachher während 28 Tagen auf 3500 C gehalten wurde. Es ergaben sich Widerstandsänderungen, -die kleiner als 1 % sind. Die Resultate zeigt die nachfolgende Tabelle.
EMI0004.0001
<I>Tabelle <SEP> 2:</I>
<tb> Legierupgs- <SEP> Gehalt <SEP> in <SEP> o/o <SEP> 1 <SEP> Tag <SEP> bei <SEP> 4000 <SEP> C <SEP> und <SEP> 28 <SEP> Tage <SEP> bei <SEP> <B>8500</B> <SEP> C
<tb> Nr. <SEP> Si <SEP> ( <SEP> Al <SEP> o% <SEP> Widerstands-Änderung
<tb> 1 <SEP> 3 <SEP> - <SEP> <B>+5,0</B>
<tb> 2 <SEP> 4 <SEP> 1 <SEP> +2,0
<tb> 3 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> <B>+0,5</B>
<tb> 4 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> <B>+0,5</B>
<tb> 5 <SEP> 1 <SEP> 4 <SEP> +0,4 Schliesslich ist die Konstitution der Legie rungen stabil über den genannten Temperatur bereich, das heisst innerhalb dieses Bereiches zeigen sie keine Phasenänderungen an.
Die vorteilhafte Wirkung der Zugabe eines Mittels zur Hemmung des Kornwacüs- tums bei hohen Temperaturen ist in Tabelle :3 angegeben, aus welcher die Beschränkung des Kornwachstums infolge der Zugabe von Chrom bei der Herstellung und unter dein Einfluss hoher Betriebstemperaturen klar her vorgeht.
EMI0004.0006
<I>Tabelle <SEP> 3:</I>
<tb> Gehalt <SEP> in <SEP> 1/o <SEP> Korngrösse <SEP> in <SEP> mm <SEP> nach <SEP> 501/o
<tb> Legierung. <SEP> Kaltbearbeitung <SEP> und <SEP> Ausglühen
<tb> Nr. <SEP> Si <SEP> I <SEP> A1 <SEP> Cr <SEP> bei <SEP> <B>7500</B> <SEP> während <SEP> 1 <SEP> Stunde
<tb> 3 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> - <SEP> 0,085
<tb> 6 <SEP> 3 <SEP> 2 <SEP> 0,3 <SEP> 0,025 Die Legierungen besitzen einen guten Kor rosionswiderstand gegen Meerwasser und wur den auch durch Grundwasser nicht ange griffen.
Die nach vorliegender Erfindung erhal tenen Erzeugnisse eignen sieh insbesondere zur Verwendung als Widerstände zur Span nungsregulierung in elektrischen Apparaten, Schaltapparaten usw.