DE1259685B - Verfahren zum Herstellen von Porenscheiben - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

B23p

Int. Cl.:

Deutsche Kl.: 491-

Nummer: 1259 685

Aktenzeichen: W 38435 I b/491

Anmeldetag: 29. Januar 1965

Auslegetag: 25. Januar 1968

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Porenscheiben hoher Präzision. In zahlreichen Anwendungsgebieten besteht ein Bedarf an solchen Porenscheiben, deren Poren nach Form, Größe und Abstand bestimmt sein sollen-.

Es ist besonders schwierig, solche Porenscheiben aus hoohschmelzenden bzw, schwerschmelzbaren Werkstoffen herzustellen. Anwendungsgebiete für Porenscheiben liegen z.B. in der chemischen Industrie vor, in der ein großer Bedarf an Filterwerkstoffen mit einer bestimmten und kontrollierbaren einheitlichen Porengröße besteht.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung lassen sich Porenscheiben und ganz allgemein poröse Strukturkörper für Anwendungen beispielsweise in Gasmeßgeräten herstellen. Das sind Anwendungsgebiete, wo Präzisionsporenscheiben mit Poren mikroskopischer Größenordnungen erforderlich sind.

Weiter können solche Porenscheiben bei Ionenantrieben verwendet werden, wie sie in der Raumfahrttechnik Bedeutung erlangt haben. Bei Ionenantrieben wird Caesium oder ein anderer leichtflüchtiger Stoff beim Verdampfen von einer porösen Emitterelektrode ionisiert. Diese Emitterelektroden sind aus Wolfram oder anderen hochtemperaturbeständigen Werkstoffen mit niedriger Austrittsarbeit hergestellt. Um eine Ionisierung mit ausreichendem Wirkungsgrad auch bei niedrigen Caesiumkonzentrationen zu erzielen, müssen die Poren nach Größe und Abstand sowie Durchlässigkeit und Reinheit sorgfältig kontrolliert werden.

Bisher wurden Porenscheiben nach einschlägigen Verfahren der Pulvermetallurgie oder in Drahtwickeltechnik hergestellt. Nach diesen Methoden konnten jedoch nur Porenscheiben und poröse Körper hergestellt werden, die bei weitem keine gleichmäßige Porengröße und auch keine gleichmäßige Verteilung und Durchlässigkeit der Poren aufweisen.

Bei einer bekannten Methode wird Draht zu einer Spule gewickelt, von der Wickeltrommel abgenommen und dann in eine ringrohrartige Ummantelung gegeben, die als ganzes gepreßt wurde. Es ist verständlich, daß man nach diesem Verfahren keine dichte Drahtpackung mit gleichmäßiger Porenweite erreicht hat.

Der besondere Nachteil bei der üblichen Wickeltechnik liegt darin, daß es nicht gelingt, den Draht über den ganzen Spulenumfang in den Leerzwickeln der vorausgehenden Spulenlage unterzubringen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, Porenkörper und Porenscheiben mit Poren genau kontrollierter Größe sowie Form und Verteilung zu Verfahren zum Herstellen von Porenscheiben

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Robert L. Eichinger, Pittsburgh, Pa.; Richard T. Begley, Verona, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 30. Januar 1964 (341 313)

erzielen. Die Erfindung besteht darin, daß der Draht jeweils zu einer vollen Lage mit einander berührenden Wicklungen in einer Spulenlauf richtung gewickelt wird, worauf der Draht umgelenkt und in entgegengesetzter Spulenlaufrichtung in den Leerzwickeln der vorausgehenden Wicklungslage liegend, gewickelt wird, daß diese Verfahrensschritte wiederholt werden und daß die Spule gesintert und in die Porenscheiben bildenden Sektoren zerschnitten wird. Beim Verfahren nach der Erfindung wird eine völlig neuartige Wickeltechnik verwendet. Man erzielt dadurch auch bei schwerschmelzbaren Werkstoffen gleiche Poren vorausbestimmbarer Feinheit.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung näher erläutert. ·

F i g. 1 gibt teilweise im Schnitt die Ansicht einer bewickelten Spultrommel wieder. Man sieht in Draufsicht auf die Schnittfläche eines schematisch dargestellten Spulen- bzw. Porenkörpers, wie er beim Verfahren nach der Erfindung entsteht. F i g. 1 ergibt sich bei einem durch I-I gelegten Schnitt nach F i g. 2. In F i g. 2 ist die Trommel nach F i g. 1 in Seitenansicht dargestellt.
An Hand von Fig. 3, in der wieder eine Spultrommel in Seitenansicht dargestellt ist, sollen verschiedene Verfahrensschritte erläutert werden.

Fig. 4 ist die Wiedergabe der 500fachen Vergrößerung einer Porenstruktur, wie sie durch die be-" kannten Verfahren erreicht wird. F i g. 5 zeigt die 75f ache Vergrößerung der Porenstruktur, wie sie bei einer Porenscheibe, die nach der Erfindung hergestellt ist, erzielt wird.

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Fig. 6 zeigt die Porenstruktur nach Fig. 5 in und 24, die in Fig. 2 zu sehen sind. Jedes Schlitz-500facher Vergrößerung.' paar mit den Schlitzen 22 begrenzt einen Umlenk-Fig. 7 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus dem sektor 26. Die Schlitze eines Paares können auch Spulenkörper nach Fig. 1. einen kleineren oder größeren Sektor aus dem Spur-Zur Erläuterung der Erfindung werden zunächst 5 kranz aussparen. So können die Schlitze auch im die F i g. 1 und 2 herangezogen. Der erste Verfahrens- Spurkranz 20 diagonal angeordnet sein, schritt besteht darin, daß Draht mit vielen Wicklun- Um auf der Trommel 10 eine Spule der geschildergen 14 auf den Kern bzw. die Nabe 12 einer Trom- ten Präzision aufzubringen, werden die Endwicklunmel 10 zu einer Spule aufgewickelt wird. Die Draht- gen 14 b oder 14 c jeder Lage oder Wicklungsreihe 28 wicklungen 14 werden dabei auf besondere Weise, io vor Anlaufen am Spurkranz aus den Schlitzen 22 die später noch eingehender geschildert wird, zu einer oder 24 herausgeführt um den Umlenksektor 26 herdichten Packung im Wickelbereich aufgebracht. umgelenkt und in die Spultrommel zurückgeführt.

Die Drahtwicklungen stehen dabei mit allen Nach- Gleichzeitig wird die Laufrichtung der Trommel umbardrähten in Berührung. Ein Schnitt durch einen gekehrt. Dieses Umkehren ist durch den Doppelpfeil solchen Spulenkörper ist in F i g. 1 dargestellt. Beim 15 30 angedeutet. Die Laufrichtung der Trommel wird Verfahren: nach der Erfindung wird bei jeder folgen- also in dem Moment umgekehrt, in dem der Draht den Wicklungsreihe der Draht in die Lücken bzw. 14 & wieder in den Wickelbereich der Trommel ein-Leerzwickel zwischen den Drähten der vorausgehen- läuft. Dadurch wird um den Umlenksektor 26 eine den Wicklungsreihe gewickelt. Dazu ist^; erforderlich, Schleife gebildet. In Fig. 2 ist eine so bewickelte daß der Draht nach: einer vollen Lage bei der nach- 20 Trommel dargestellt. Wenn jeweils eine Wicklungssten Wicklungslage nicht in der üblichen Art zurück- lage 28 am anderen Spurkranz der Spultrommel angeführt wird. Im Wicklungsbereich auf der Spulen- läuft, wird der Draht bei umgekehrter Laufrichtung trommel 10 berühren die Drahtwicklungen 14 sechs entsprechend zurückgeführt.

Nachbardrähte. Nach der koventionellen Technik Der Wickeldraht wird von einer der Einfachheit hat dagegen jede Drahtwicklung ^lediglich mit 25 halber nicht dargestellten Lieferspule unter Vorspanwenigen, meist nur zwei benachbarten Wicklungen nung abgenommen und beim Wickeln durch eine Kontakt. . Präzisionsführung auf der Spultrommel 10 so auf-

Aus F i g. 7 ist zu erkennen, daß die Mittelpunkte gebracht, daß die Wicklungen 14 in den Lücken bzw. der Wicklungen 14 eines erfindungsgemäß gewickel- Leerzwickeln der darunterliegenden Wicklungslage 28 ten Spulenkörpefs ein Triangularhetz bilden; Die 30 angebettet werden. Jede Wicklungslage zeigt dadurch Drähte liegen in dichtester Packung aneinander, wo- dasselbe Strukturbild. Die Drähte verlaufen kreudurch die Lücken oder Leerzwickel 16 alle di& gleiche zungsfrei in gleicher Richtung, vorausbestimmbare .Größe aufweisen.. Der Abstand An Stelle der Umlenksektoren 26 können auch zwischen den Lücken 16, welche die Poren bilden, andere Mittel, beispielsweise Stäbe, verwendet wersteht mit dem Drahtdurchmesser der Wicklungen 14 35 den, die auf der Nabe 12 in der Nähe der Spurkränze in einer bestimmten Beziehung, wodurch die Poren- 20 eingesteckt sein können. Solche Stäbe können auf größe errechnet werden kann. Bei einem schon ge- der Nabe 12 auch an Stelle von Umlenksektoren in schilderten Anwendungsgebiet wird eine Porenscheibe der Spurkranzebene angeordnet sein, nach der Erfindung als Elektrode in Ionenantrieben Beim zuvor geschilderten Beispiel für Wolframeingesetzt. Dazu werden beispielsweise Wicklungen 40 draht empfiehlt es sich, den Draht unter einer gleich-14 aus Wolframdraht mit einem Drahtdurchmesser. mäßigen Vorspannung von etwa V* der Bruchlast zu von etwa 25,4 μ verwendet. Je nach dem beabsichtig- entnehmen. Bei solchen Zugspannungen muß die ten Anwendungsgebiet können auch Drähte anderer Nabe 12 verhältnismäßig dickwandig dimensioniert Durchmesser und aus anderen Werkstoffen heran- sein, um der resultierenden Gesamtbelastung vieler gezogen werden. Zur Herstellung von Strukturen mit 45 Wicklungen widerstehen zu können. Es versteht sich, Mikroporen erlaubt der derzeitige Stand der Techno- daß man auch mit größeren oder kleineren Spannunlogie, noch Wolframdrähte mit einem Durchmesser gen arbeiten kann, je nachdem, welche Belastung die von etwa 5 μ zu verwenden. Nabe oder der Draht vertragen können.

Beim Verfahren nach der Erfindung können für Bevor der weitere Verfahrensablauf an Hand der

einzelne Wicklungslagen auch Drähte mit abweichen- 50 F i g. 3 geschildert wird, sind zunächst einige weitere

dem Durchmesser oder mit anderer Querschnittsform Verfahrensschritte zu erklären: Wenn eine Spule ge-

nach einem vorgegebenen Schema aufgewickelt wickelt ist, wird sie zusammen mit der Trommel 10

werden. gesintert. Die Sintertemperatur ist so zu wählen, daß

Werden Runddrähte mit gleichem Durchmesser eine physikalische Bindung zwischen jeweils benach-

verwandt, dann sind Größe und Form der Leer-· 55 barten Wicklungen 14 eintritt. Bei Bedarf können die

zwickel 16 in einer einfachen Beziehung zum Draht- Lücken 16, die die Poren bilden, durch verlängerte

durchmesser festgelegt. Sinterzeit bis auf ein vorgegebenes Maß verengt

Die Fig. 7 veranschaulicht die regelmäßigen und werden. Verwendet man z.B. Wolframdraht mit. vielseitigen Berührungen der Drahtwicklüngen 14. So einem Durchmesser von 25,4 μ Durchmesser, so kann berührt eine einzelne Drahtwicklung 14 a in Mittel- 60 die Sinterung bei etwa 2200° C durchgeführt werden, lage in den Zonen 18 sechs Nachbardrähte. Lediglich . Diese Temperatur ist dann etwa zwei Stunden zu die Wicklungen an den Rändern des Spulenkörpers^; halten. ' Bei Wolframdraht mit kleineren Durchberühren weniger als sechs Nachbarwicklungen. Den messern ist die Sinterzeit entsprechend zu verringern. Berührungszonen 18 kommt bei den weiteren Stufen Bei schwer schmelzenden Metallen oder Werkstoffen des Verfahrens nach der Erfindung eine besondere 65 mit einer bestimmten, geringen Verunreinigung kann' Bedeutung zu. das Sintern im Vakuum oder in Schutzgasatmosphäre

Nach den Fig. 1 und 2 weist jeder Spurkranz20; durchgeführf* werden, um die gewünschte Reinheit

ein Schlitzpaar auf, beispielsweise die Schlitze 22 des Drahtwerkstoffes, zu erhalten. Im Fall des ge-

schilderten Ionenantriebes ist die höchstmögliche Reinheit eine Grundvoraussetzung.

Durch Vakuumsintern kann man einen Werkstoff, der bei niedrigeren Temperaturen als der gewählten Sintertemperatur schmilzt, in die Leerzwickel oder Poren 16 der Wicklung als Tränkmittel einlassen. Dadurch wird beim nachfolgenden Aufschneiden der Spule in Wicklungssektoren vermieden — oder zumindest verringert —, daß die Drähte an den Schnittflächen verschmieren und die Poren verstopfen oder verquetscht werden. Man hat festgestellt, daß einige Werkstoffe, z. B. Wolframdraht, besonders zum Verschmieren neigen. Gerade bei Wolframdraht läßt sich aber die Schmierneigung durch Tränkmittel besonders stark vermindern. Als Tränkmittel sind an sich solche Werkstoffe geeignet, die mit dem Werkstoff der Spulenwicklungen 14 verträglich sind. Wird Wolframdraht verwendet, so hat sich Kupfer als besonders geeignetes Tränkmittel erwiesen.

Anschließend an das Sintern und die gegebenen- so falls durchgeführte Tränkung können Porenscheiben dadurch gewonnen werden, daß die bewickelte Trommel 10 durch Radialschnitte zur Spulenachse 32 in Sektoren aufgeteilt wird. In F i g. 3 ist das durch die gestrichelten Linien 34 angedeutet. Die zunächst keilförmige Porenscheibe 36 kann dann aus dem Spulenkörper herausgenommen werden. Ein solcher Schnittkeil ist in F i g. 3 durch Schraffurlinien 38 angedeutet. Die Aufsicht auf eine Schnittfläche ergibt das in Fig. 1 als Schnitt 40 wiedergegebene Bild. Durch dichter beieinanderliegende Schnitte, die in F i g. 3 durch Linien 42 angedeutet sind, kann der Keilwinkel der Porenscheiben kleiner gemacht werden, so daß annähernd parallele Oberflächen entstehen.

Ebenso können weitgehend parallele Oberflächen auch bei dickeren Porenscheiben dadurch erzielt werden, daß Trommeln mit größerem Nabendurchmesser verwendet werden. Schließlich kann man Porenscheiben mit genau parallelen Oberflächen durch Schleifen erzielen.

Wie aus der F i g. 3 zu ersehen ist, können verhältnismäßig viele Porenscheiben aus einer einzigen Spulenwicklung gewonnen werden. Dazu kann die ganze Trommel in Sektoren gewählter Größe zerlegt werden.

Nach dem Schneiden und Schleifen der Porenscheiben kann das gegebenenfalls verwendete Tränkmittel aus den Poren 16 entfernt werden. Das kann beispielsweise durch eine Warmbehandlung im Va- so kuum erzielt werden. Dennoch vom Schneidvorgang verbliebene Metallreste können durch Läppen oder Polieren der porösen Scheibenoberflächen entfernt werden.

Die F i g. 5 und 6 zeigen, weiche Porenpräzision beim Verfahren nach der Erfindung erzielt wird. In F i g. 6 ist auch die physikalische Bindung zwischen den Wicklungen 14 einer Porenscheibe 36 nach F i g. 3 dargestellt. Diese Bindung tritt beim Sintern ein und ist ein Festkörperphänomen. Es ist nicht erforderlich, daß der Werkstoff der Drahtwicklungen 14 schmilzt. Als Faustregel kann man angeben, daß der Wicklungswerkstoff bis auf eine Temperatur zu erhitzen ist, die etwa 60% der Temperatur des Schmelzpunktes beträgt, um die physikalische Bindung zu den Nachbarwicklungen durch Sintern zu erzielen. Durch längeres Sintern dehnen sich die Berührungszonen 18 (Fig. 7) aus, wodurch die Poren bzw. Leerzwickel 16 bis auf ein kontrollierbares Ausmaß verengt werden. Dadurch kann die Porengröße außer durch den gewählten Drahtdurchmesser zusätzlich beeinflußt werden.

Zum Vergleich, um die Vorteile der erfindungsgemäß hergestellten Porenscheibe zu ermessen, ist in Fig. 4 das Mikrofoto der Oberfläche einer Porenscheibe wiedergegeben, die nach bekannten Methoden der Wickeltechnik erhalten werden. Es wurde die bisher übliche Drahtrückführung verwendet. Im übrigen sind die weiteren Verfahrensschritte nach der Erfindung angewendet worden. Man sieht, daß durch die bekannte Wickeltechnik sehr unregelmäßig verteilte Poren unterschiedlicher Größe zustande kommen. Beim Verfahren nach der Erfindung wird dagegen die gleichmäßige Porenstruktur der Fig. 6 erzielt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Porenscheiben aus an einer Spule aufgewickeltem Draht, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht jeweils zu einer vollen Lage mit einander berührenden Wicklungen in einer Spulenlaufrichtung gewickelt wird, worauf der Draht umgelenkt und in entgegengesetzter Spulenlaufrichtung, in den Leerzwickeln der vorausgehenden Wicklungslage liegend, gewickelt wird, daß diese Verfahrensschritte wiederholt werden und daß die Spule gesintert und in die Porenscheiben bildende Sektoren zerschnitten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule vor dem Zerschneiden mit einem Stoff getränkt wird, dessen Schmelzpunkt unterhalb der Sintertemperatur liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Porenscheiben im Vakuum bis oberhalb des Schmelzpunktes des Tränkstoffes erhitzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Porenscheiben auf planparallele Oberflächen abgeschliffen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Porenscheiben geläppt und poliert werden.

6. Trommel zum Wickeln der Spulen nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel Spurkränze aufweist, in denen Schlitzpaare Umlenksektoren begrenzen, um die der Draht vor Umkehr der Trommellaufrichtung außen herumgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintertemperatur etwa 60% des Schmelzpunktes des Drahtwerkstoffes beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterzeit bis zur Verminderung der Porengröße verlängert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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