-
Verfahren zum Herstellen von Verbundkörpern durch Sintern von Glaspulver
und Pulvern anderer anorganischer Stoffe und Graphit Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zum Herstellen von Verbundkörpern durch Sintern von Glaspulver
und Pulvern anderer anorganischer Stoffe und Graphit.
-
Es ist bekannt, durch Sintern von Metallpulvern Gegenstände herzustellen,
die sich durch besonders günstige Foringebungsmöglichkeiten und besondere Eigenschaften
auszeichnen. Auch ist bereits vorgeschlagen worden, #Verbundkörper dadurch herzustellen,
daß man Metallpulver mit anderen nichtmetallischen Pulvern gemischt und gesintert
-hat. Auf diese Weise wurde erreicht, Werkstoffe herzustellen, die aus zwei Stoffen
bestanden, deren Eigenschaften an sich weit voneinander abwichen und die auf andere
Weise, beispielsweise auf dem Schmelzwege, nicht zu vereinigen waren.
-
So wurden beispielsweise Verbundkörper, die einerseits aus Metallen
und andererseits aus Glas oder Keramik bestanden, als vakuumdichte, elektrisch leitende
Einschmelzungen in Glas und Keramik benutzt. Auch wurde bereits vorgeschlagen, die
entstehenden Mischkörper bis zum Siedepunkt der dielektrischen Komponente zu erhitzen
und die Mischung zum Aufschäumen zu bringen. Besondere Bedeutung wurde der Auswahl
der metallischen Komponente beigemessen und deshalb vorgeschlagen, die metallischen
Sinterpulver nicht unmittelbar elementar zu verwenden, sondern mit der anderen Komponente
in Form von Oxyden oder Hydroxyden zu mischen und während des Sintervorganges zu
reduzieren.
-
Es gelang beispielsweise, aus Mischungen von Steingutmehl und Eisenpulver
durch Sintern elektrisch leitfähige Verbundkörper herzustellen, während die Versuche
zur Sinterung derartiger Körper mit Quarzmehl und Eisenpulver zu keinem brauchbaren
Ergebnis führten. Auch in anderen Fällen, d. h. mit anderen metallischen
Bestandteilen, gelang es nicht oder nur schwer, Verbundkörper aus Glas und Metallen
zu erhalten, welche bestimmte physikalische Eigenschaften aufwiesen.
-
Es wurde nun gefunden, daß der Grund für die bisherigen unbefriedigenden
Ergebnisse darin zu erblicken ist, daß man wohl sein Augenmerk auf die besondere
Auswahl und gegebenenfalls Vorbehandlung der metallischen Komponente gelegt, dagegen
in keiner Weise die Eigenschaften des zu verwendenden Glases berücksichtigt hat.
-
Insbesondere haben Versuche ergeben, daß ein hoher Erweichungspunkt
des Glases eine entscheidende Rolle für die Festigkeit des zu bildenden Verbundkörpers
spielt und in vorteilhafter Weise z. B. Metallkomponenten zur Anwendung gelangen,
deren Schmelzpunkt über dem Erweichungspunkt des Glases liegen. Der Grund hierfür
ist darin zu -erblicken, daß bei Verwendung normaler Gläser mit niedrigem Erweichungspunkt
die damit zwangläufig verbundene, niedrige Sintertemperatur nicht ausreicht, um
eine merkliche Reaktionsfähigkeit auch der Metallpartikelchen zu erzielen. Ein mechanisch
fester Verbundkörper wird aber immer dann erreicht ' wenn bei der Sinterung
die Bildung ineinander verschachtelter Raumnetzwerke der verschiedenartigen Komponenten
durch Bildung von Brücken an den Berührungsstellen von Teilchen gleicher Stoffart
eintritt.
-
Das Verfahren zum Herstellen von Sinterkörpern aus Glaspulver und
Pulvern anderer anorganischer Stoffe gemäß der Erfindung besteht daher im wesentlichen
darin, daß ein Glas Anwendung findet, welches einen Erweichungspunkt über
800'C, vorzugsweise über 900'C,
aufweist, wobei unter »Erweichungspunkt<,
die Temperatur zu verstehen ist, bei welcher die Viskositäti7 = 4,46.
107
Poise beträgt. Durch die Maßnahme gemäß der Erfindung wird erreicht, daß
eine hohe Sintertemperatur zur Anwendung gelangen kann, ohne daß eine Enimischung
der im flüssigen Zustand nicht mischbaren Komponenten eintritt.
-
Weiter hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß das zur Anwendung
gelangende Glas für den Temperaturbereich von 20 bis 300'C einen linearen
Wärmeausdehnungskoeffizienten bis zu 60 - 10-7 pro 'Cbesitzt, also zu den
sogenannten Hartgläsern gehört. Nach Untersuchungen wird nämlich der lineare Wärineausdehnungskoeffizient
der Verbundkörper sowohl von der Glaskomponente als auch von der Metallkomponente
bestimmt, abhängig vom Mischungsverhältnis beider Komponenten. Es gelingt somit,
die hohe Wärmeausdehnung, z. B. der Metalle
Kupfer, Eisen, Kobalt
und Nickel, durch Verwendung eines Silikatglases kleiner Wärmeausdehnung zu tieferen
Ausdehnungswerten zu transformieren und damit diese Metalle in der Form der Verbundkörper
einer Einschmelzung in die in der Elektrotechnik gebräuchlichen Einschmelzgläser
und Keramiken zum Zwecke einer Stromdurchführung oder zur Erzielung eines bestimmten
elektrischen Widerstandes zugänglich zu machen.
-
Es wurde gefunden, daß es gelingt, die vorgenannten Bedingungen weitgehend
zu erfüllen, wenn ein Glas Anwendung findet, welches aus 10 bis
30 Gewichtsprozent Tonerde, 10 bis 25 Gewichtsprozent Erdalkalien,
vorzugsweise in Form von Calcium- und Magnesiumoxyd, 0 bis 5 Gewichtsprozent
Alkalien und restlichen Anteilen von Kieselsäure sowie gegebenenfalls Borsäure,
Zirkonoxyd und Titanoxyd besteht.
-
Des weiteren ergab es sich, daß mit zunehmender Kornfeinheit eine
steigende Reaktionsfähigkeit und damit auch eine erhöhte mechanische Festigkeit
erzielt wird. Gemäß derweiteren Ausbildung der Erfindung soll daher das verwendete
Glaspulver eine Körnung besitzen, deren Durchmesser kleiner als 0,12 mm, vorzugsweise
kleiner als 0,08 mm, ist.
-
Versuche haben ergeben, daß Verbundkörper, welche durch Sinterung
unter Verwendung von feinkörnigem Glaspulver hergestellt sind, erheblich schwächer
zur Entmischung neigen als solche Sinterkörper, die aus grobkörnigem Pulver zusammengefügt
sind. Der breitere Sinterbereich von feinkörnigem Glaspulver gegenüber grobkörnigem
Pulver hat sich für die Herstellung von brauchbarenVerbundkörpern, insbesondere
unter Einbeziehung der Metall- oder Graphitkomponente, als sehr bedeutungsvoll erwiesen.
Die Anwendung von kleinen Korngrößen ist daher auf die Auswahl und das mögliche
Mischungsverhältnis mit der weiteren Komponente von besonderem Einfluß und erlaubt,
die physikalischen Eigenschaften des hergestellten Verbundkörpers nach Wunsch zu
ändern.
-
Als anorganische Komponente kommen für die Herstellung von Sinterkörpern
gemäß der Erfindung Pulver von Metallen, reduzierfähigen metallischen Verbindungen,
wie Oxyden, Nitraten, Karbonaten, Oxalaten, Formiaten, Karbonylen, Nitriden und
Carbiden, sowie Graphit, einzeln oder in Mischung miteinander mit Körnungen, deren
Durchmesser kleiner als 0,10 mm ist, in Betracht.
-
Die Verwendung reduzierfähiger metallischer Verbindungen ist beispielsweise
deshalb günstig, weil hierdurch die Korngestalt beeinflußt werden kann. Diese hat
sich ebenfalls als festigkeitsbestimmender Faktor erwiesen. So zeigte es sich, daß
aus Kupferoxyd gewonnenes feindisperses metallisches Kupfer bei der Sinterung mit
Glaspulver Verbundkörper ergab, welche außerordentlich hohe Biegefestigkeiten aufwiesen.
-
Vielseitig verwendbare Verbundkörper erhält man insbesondere, wenn
als anorganische Komponente Kupfer, Eisen, Nickel und Kobalt einzeln oder in Mischung
Verwendung finden. Diese Körper besitzen eine erstaun-Rehe Temperaturabschreckfestigkeit
und ausgezeichnete mechanische Festigkeiten. Sie können weich und hart gelötet,
gefeilt und auch geschweißt werden. Ein Ab-
schrecken in kaltem Wasser schadet
einem eben geschweißten Verbundkörper nicht. Die Sprödigkeit aller anorganischen
Gläser kommt durch die plastische Verformbarkeit der Metallkomponente nicht zur
Geltung. Das Aussehen der Verbundstoffe wird von der nicht glasigen Komponente bestimmt,
auch bei geringen Konzentrationen.
-
Bei einer besonderen Abwandlung des Verfahrens gemäß der Erfindung
werden zersetzungs-, insbesondere reduzierfähige, metallische Verbindungen in Pulverform
mit Glaspulver vermischt und die Mischung oder gegebenenfalls der Preßling aus den
Pulvern in einer Wasserstoffatmosphäre bis zur vollständigen Zersetzung der metallischen
Verbindung bei einer Temperatur, die unterhalb des Erweichungspunktes des Glases
liegt, erhitzt, das gewonnene Gut gemahlen und nach erneuter Verpressung bis zur
Sinterung erhitzt.
-
Vorteilhaft ist es auch, die Sinterung selbst in einer inerten oder
reduzierenden Gasatmosphäre, beispielsweise in einem Stickstoff- oder Wasserstoffstrom,
durchzuführen, um eine Oxydation der einzelnen Stoffe vor und während des Sintervorganges
zu vermeiden. Hierbei wird man bei einer Sinterung von Glaspulver mit einem Metallpulver
eine Wasserstoffatmosphäre und bei Anwendung von Graphit als zweite Komponente eine
Stickstoffatmosphäre vorziehen.
-
Es hat sich gezeigt, daß Verbundkörper, welche nach den Verfahren
gemäß der Erfindung hergestellt werden, überraschende physikalische Eigenschaften
zeigen. So gelingt es beispielsweise, aus Glaspulver und Kupferpulver Verbundkörper
zu erhalten, die sich spanabhebend verarbeiten und ohne Schwierigkeit durch Lot
mit anderen Metallen verbinden lassen und andererseits eine Verschweißung mit Glas-
oder Keramikkörpem zulassen. Durch Veränderung des Mischungsverhältnisses läßt sich
sowohl der Wärmeausdehnungskoeffizient wie die elektrische Leitfähigkeit sowie die
Wärmeleitfähigkeit nach Wunsch einstellen. Es gelingt also auf diese Weise, Übergänge
von den Eigenschaften der Metalle zu den Gläsern zu erzielen. Durch diese vorteilhaften
Eigenschaften werden durch die Verbundkörper gemäß der Erfindung völlig neue Anwendungsgebiete
erschlossen. Beispiel 1
Verbundkörper, hergestellt aus Kupfer- und Aluminatglaspulver.
-
Zur Anwendung gelangt ein chemisch reines, körniges Kupferpulver mit
einer Körnung kleiner als 80 #t: linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient
des Kupfers a - 101 (20 bis 300')/'C ............ 165,
spezifischer
elektrischer Widerstand des Kupfers e 20' (Ohm - cm) ................
1,55 - 10-', und ein Aluminatglaspulver mit einer Körnung ebenfalls kleiner
als 80 #t. Die interessierenden physikalischen Daten dieses Glases sind:
linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient a - 101 (20 bis 300')/'C
............ 37,
Erweichungspunkt Ew ('C); n = 101,6 Poise
.......... 940'C, Verarbeitungspunkt VA (IC); 104 PoiSe
........... 1220'C.
Herstellung 100 g einer Mischung, bestehend
aus dem vorstehenden Kupfer- und Aluminatglaspulver mit einem Kupferanteil von
50 Gewichtsprozent werden zwecks inniger Vermischung 1 Stunde in einer
kleinen PorzeHankugelmühle vermahlen. Die Pulvermischung wird darauf in Graphitformen
gefüllt, von Hand eingepreßt und in einem elektrisch beheizten Röhrenofen unter
Durchleiten von sauerstofffreiem und getrocknetem Wasserstoff bei 1000'C
20 Minuten gesintert. Nach Abkühlung werden die erhaltenen Mischkörper aus den Formen
genommen, für die Messung durch Sägen, Schleifen und Polieren
zugerichtet
und von diesen Proben die folgenden Konstanten ermittelt: linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient
a - 107 (20 bis 300')/'C ............ 54, spezifischer elektrischer
Widerstand 2 20' (Ohm - cm) ................ 4,7-10-5, Biegefestigkeit
UB (Kg/CM2) .................... 804. Beispie12 Verbundkörper, hergestellt
aus Nickel- und Aluminatglaspulver Zur Anwendung gelangte ein chemisch reines Nickelpulver
mit einer Körnung kleiner als 60 #t und das ün Beispiel 1 angegebene
Glaspulver: linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Nickels a
- 101 (20 bis 300')/'C ........... 125,
spezifischer elektrischer Widerstand
des Nickels 20' (Ohm - cm) ................ 6,10.10-1. Herstellung
Die Herstellung erfolgt nach dem gleichen Verfahren wie gemäß Beispiel
1. An Stelle des Kupferpulvers wird lediglich das zuvor genannte Nickelpulver
benutzt, ebenfalls mit einem 50-Gewichtsprozent-Anteil. Die Sintertemperatur beträgt
jedoch 1250'C, die Sinterzeit wiederum 20 Minuten.
-
Die von dem Verbundkörper ermittelten Konstanten sind folgende: linearer
thermischer Ausdehnungskoeffizient a - 107 (20 bis 300')/'C ...........
55,
spezifischer elektrischer Widerstand Q 20' (Ohm - cm)
................ 1,72.10-3, Biegefestigkeit a.B (kg/cm') .....................
1450.