DE1464128A1 - Langgestreckte Bauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Langgestreckte Bauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

  • Zanggestreckte Bauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf ein aus mehreren Einzelteilen be-stehendes langgeatreektes zylindrischen Bauelement mit einer Metallummantelung und einest in diesem befindlichen komprimierten festen Körper, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen derartiger Bauelemente.- - .. Langgestreekte, aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzte Bauelemente mit einer äußeren die mit einem in ihr befindlichen, aus einem komprimierten festen Stoff bestehenden 'Körper, beispielsweise aus einem keramischen oder Halbleiterwerkstoff-o.dgl., fest verbunden ist, finden heute auf vielen Gebieten Verwendung. Es liegt z.B. bei der Herstellung thermoelektrischei Einrichtungen eines der schwierigsten Probleme in der Erzielung guter elektrischer Kontakte mit dem aus dem eigentlichen thermoelektrischen Werkstoff bestehenden Körper: Die wirksamsten thermoelektrischen Werkstoffe sowohl für Kühl- als such für Stromerzeugungszwecke sind durchwegs Halbleter oder keramikartige Werkstoffe. Unbedingte Voraussetzung ist hierbei stets eine vorzügliche Bindung der metallischen elektrischen heiter mit dem thermoelektrischen Werkstoff, damit zwischen diesen beiden Bauteilen nur ein möglichst geringer Spannungsabfall eintritt. Des weiteren muß der Kontaktteil mechanisch derart verbunden sein, daß er sich in Betrieb auch dann nicht lockert, wenn in den Einrichtungen beträchtliche Temp®-raturunterschiedeauftreten. Jedem Fachmann ist bekannt, welch außerordentliche Schwierigkeiten sich ergeben, wenn ein metallischer Kontakt und ein Halbleiter oder ein keramischer Werkstoff Weich-oder hartgelötet oder auf andere Weise miteinander verbunden werden sollen, da diese Werkstoffe häufig außerordentlich spröde sind, so . daß sich die gestellten Aufgaben nur schwer verwirklichen lassen. Selbst bei den besten bisher bekannten Verfahren ergibt sich deshalb in der Fertigung ganz zwangsläufig immer wieder ein hoher Prozentsatz Auaschuß, und im Betrieb treten dann Infolge der allmählichen Abnutzung oder einer.mechanisehen Unterbrechung der Bindang zwischen den metallischen Kontakten und dem aus dem thermo- _ elektrischen Werkatoff_bentehenden Körper häufig Störungen auf. .Mit den erfindungsgemäßen Verfahren sind solche gemeint, die außer durch den Ausdruck "Strecken" unter den Namen "Kalibrieren,_liaß- , ziehen, Aufstauehen, Äufpreseen, Aufziehen, Aufhämmern, Radial- pressen oder Herunterziehen" bekannt sind.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines lang-. gestreckten zylindrischen Bauelementes, bei dem ein zylindrischer metallischer Bauteil, der konzentrisch noch andere metallische Bau- teile enthalten kann, mit einem verdichtbaren thermoelektrischen Stoff gefüllt wird, bei dem die Enden des/der zylindrischen Bau- teile abgeschlossen werden und der Stoff durch Strecken des Bau- elementes verdichtet wird, so das der thermoelektrische Stoff in festen und engen Kontakt mit der/den Wandungen des/der zylindrischen
    des Schaukelstreckverfahrens verdichtet.
  • In mindestens einen gesonderten Innenraum kann Urandioxyd eingefüllt Werden. Die metallischen Bauteile können aus Aluminium bestehen.
  • Die metallischen Bauteile können aus Zirkon bestehen. Die metalli- schen Bauteile könne, auch aus Edelstahl (rostfreiem Stahl) be- stehen. Die metallischen Bauteile können auch aus Kupfer bestehen. Die langgestreckten Bauelemente können als Thermoelementschenkel, als Thermoelemente oder als thermoelektrische Kernbrennelemente Versendung finden.
  • Die Erfindung sei nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Hauelement während der Bearbeitung.gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Querschnitt durch ein gestrecktes Bauelement mit Hohlkern, Fig. 3 einen Schnitt durch ein gestrecktes Bauelement mit Voll= metallkern.
  • Nach der Erfindung wird zur Erzielung der vorbesehriebenen Merkmale ein zusammendrückbarer Werkstoff zu einem festen Körper beliebiger Form komprimiert und mindestens eine äußere Metallummantelung fest. mit ihm verbunden. Es wird also ein aus mehreren Bauteilen zusammengesetztes Bauelement erhalten, indem zunächst ein zusammendrUckbarer Werkstoff in einen hohlen Metallzylinder eingebracht wird in dem durch die Zylinderinnenwand mindestens eine Kammer gebildet ist. In diesem Zylinder kann außerdem mindestens noch eine Metallwandung vorgesehen sein, die bei einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung aus einem weiteren mittag angeordneten Zylinder besteht. Dann wird der Zylinder an den Enden verschlossen, so daß der zusammendrückbare Werkstoff in ihm verbleibt und später auch in ihm komprimiert wird. Als nächstes wird dann das Bauelement mit dem abgedichteten Zylinder derart gestreckt, daß eine bestimmte Querschnittaverringerung von mindestens 1 % erreicht und damit ein langgestrecktes Bauelement mit einem aus dem zusammendrückbaren Werkstoff bestehenden stark komprimierten Körper erhalten wird, dessen gestreckte Metallteile sich in festem und innigem Kontakt mit den Oberflächen dieses Körpers befinden. Das Verfahren eignet sich, insbesondere zum Komprimieren von Kernsubstanzen wie Urankarbid und. Urandioxyd, sowie von Metallen, Halbleitern und keramischen und 'thermoelektrischen Werkstoffen. Das gemäß der Erfindung bevorzugte Schaukeletreckverfahren kann mit einer Vorrichtung der auf Seite 276 der Veröffentlichung "The Metallurgy of Ziroonium" von Lustman und Kerze beschriebenen Art durchgeführt werden und weicht von den allgemein üblichen Streckverfahren, bei denen die Querschnittfläche einen Teiles durch intermittierendes oder kontinuierliches Hämmern verringert wird, wesentlich ab. Hei einem derartigen Schaukel-streckverfahren werden zwei zusammenwirkende Schaukelmatrizen mit ihrer jeweiligen Abwäl$fläche zur Einwirkung auf die Außenfläche einen langgestreekten Teilen gebracht. Die Ebene der hin- und her- gehenden Schaukelbewegung der Matrizenteile liegt dabei parallel zur Längsrichtung des zu bearbeitenden langgestrookten Teiles. An den Matrizenteilen befinden sich allmählich kleiner werdende ein- ander entsprechende Nuten; bei der Bearbeitung drehen und ziehen die Formen durch ihre hin- und hergehende Schaukelbewegung den zu bearbeitenden Teil immer weiter durch diese Nuten und verringern damit an der betreffenden Stelle die Querechnittsfläche dieses Tei- les, wobei sie ihn gleichzeitig in die hänge streckt. Bei den im Zusammenhang mit der Erfindung verwendeten komprimierbaren Werkstoffen kann es sich sowohl um metallische als auch um nichtmetallische Stoffe wie schwerschmelzbare Metalle, keramische Werkstoffe oder Halbleiter, oder auch um aus zwei oder mehreren Bestandteilen bestehende Gemische derselben handeln, z.B. Metallkeramikpulver. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird ein zueammendrückbarer thermoelektrischer Werkstoff zu einem Körper beliebiger 'Form komprimiert, und gleichzeitig werden an den Oberflächen dieses Körpers Metallkontakte angebracht. Auf diese Weise wird also im vorbeschriebenen Verfahren ein Thermoelementschenkel erhalten. In einem solchen Falle wird der thermoelektrische Werkstoff zwischen #zwei konzentrisch zueinander angeordnete Metallzylinder eingebracht. Zur Erzielung eines guten Kontaktes zwischen dem komprimierten Werkatoff und den Metallteilen können die Metallteile auch einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Anschließend wird der auf diene Weise erhaltene langgestreekte Teil in der Weine weiterbearbeitet, daß die Enden entfernt werden. Er kann dann jeweils in eine Vielzahl zylindrischer Einheiten, die gegebenenfalls noch weiter bearbeitet werden können, oder auch in thermoelektriache Plättchen (Pillen zerlegt werden. Durch Verbindung dieser zylindrischen Einheiten oder Plättchen mit anderen thermoelektrisehen Plättehen können zusammengesetzte Thermoelemente und Anordnungen erhalten werden, die mit entsprechender elektrischer und thermischer Isolierung in Thermogeneratoren oder in Kühleinrichtungen eingebaut werden können. Der oder die komprimierbaren Werkstoffe können entweder im metallischen Hohlzylinder an Ort und Stelle zusammengeschmolzen oder ge- gossen, oder aber auch in Form einen oder mehrerer bereite vorgepreßter fester Körper, oder in loser Pulver- oder Ploekenform in den Zylinder eingebracht werden. In allen Fällen erscheint es zweckmäßig, dafür Sorge zu tragen, daß die Dichte des Werkstoffes bereite bei seinem Einbringen in den Metallhohlkörper so hoch wie möglich ist.
  • Bei manchen Verwendungszwecken, beispielsweise bei der Herstellung von Thermoelementschenkeln, erscheint es zweckmäßig, das Bauelement zu evakuieren, um sämtliche Gasreste aus dem zu komprimierenden Werk Stoff zu entfernen. Bei anderen Verwendungszwecken, beispielsweise bei Schmelzelektroden, ist dagegen eine Evakuierung nicht erfor- derlich, bzw. es braucht lediglich ein nicht reaktives Gas wie Stickstoff durch das Bauelement hindurchgeleitet zu werden.
  • Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Teil einer Schau- kelstreckvorrichtung 10 mit den beiden in einarnicht gezeigten Halterung gelagerten Walzen.12 und 14, die die Schaukelbewegung ausführen. Im Betrieb wird das aus dem hohlen Innenzylinder 18, dem Außenzylinder 20 und einem zwischen den beiden Zylindern eingebrachten komprimierbaren Werkstoff 22 bestehende zu Streckende Bau- element 16 in die einander entsprechenden, sich allmählich bezüg- lieh der Tiefe veränderndgn Nuten 13 und 15 der Walzen 12 und 14 eingebracht. In den Hohlraum 26 des Zylinders 18 wird vom rückwärtigen Ende her ein Dorn oder Kern 24 eingeschoben, dessen Durchmesser genau dem Durchmesser des Hohlraumes entspricht. Dann wird das Bauelement 16 in der Weise gestreckt, daß es durch die einander entsprechenden Nuten 13 und 15 der Walzen 12 und 14 hindurchgeführt wird; dabei wird durch die Schaukelbewegung der Walzen, die in einer zur Längsrichtung des Bauelementes parallelen Ebene erfolgt, das Bauelement innerhalb der Walznuten derart hin- und herbewegt, daß es fortschreitend allmählich weiterrückt und immermehr zusammengedrückt wird: Zwischen den einzelnen Komprimierungsschritten wird. das Bauelement 16 immer wieder gedreht, so das eine gleichmäßige Kompressionswirkung erzielt wird: Auf diese Weise bewirkt die Vor- richtung, daß die Querachnittsfläche des Bauelementes beim Durchlaufen der Vorrichtung allmählich immer mehr verringert wird. Fürden Fall; daß anstelle des hohlen Metallteiles 18 ein kompakter Stab verwendet wird, erübrigt sich das Einschieben des Kernes 24. Bei Streckvorgängen, die unter Zuhilfenahme der vorbeschriebenen Vorrichtung und des entsprechenden Verfahrens durchgeführt wurden, konnte eine Verminderung der Querschnittsfläche bis zu 70 % erreicht werden. Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch ein gestrecktes Bauelement 30, das aus einem hohlen Metallinnenzylinder 32, einem hohlen Metallaußenzylinder 34 und einem zwischen diese beiden Zylinder eingebrachten aus einem komprimierten Werkstoff bestehenden Körper 36 gebildet wird, der sich in festem und innigem Kontakt mit den anliegenden Wandungen der Metallteile 32 und 34 befindet. In Fig. 3 ist ein gestrecktes Bauelement 40 dargestellt, das einen durch einen kompakten Stab 42 gebildeten Innenzylinder und einen hohlen Außenzylinder 44# aus Metall aufweist. Zwischen diesen beiden zylindrischen Teilen befindet sich wiederum ein aus komprimiertem Werkstoff bestehender Körper 46, in ähnlicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel der Pig. 2; er steht in festem und innigem Kontakt mit den an ihm anliegenden Wandflächen des Metallstabes 42 und des Metallzylinders 44. Die Auswahl der bei der Herstellung der Innen- und Außenzylinder bestimmter Bauelemente verwendeten Metalle richtet sich jeweils nach ihrer Verträglichkeit mit dem zur Anwendung gelangenden komprimierbaren Werkstoff und nach dem beabsichtigten Verwendungszweck der fertigen, gestreckten Einheit. Soll beispielsweise ein zusammendrückbarer thermoelektrischer Werkstoff komprimiert werden, so ist es zweckmäßig, für die aus Metall bestehenden Innen- und Außenteile oder Gehäuse Kupfer, Aluminium, Zirkon, Eisen oder Legierungen dieser Metalle zu verwenden, da bei diesen Metallen gute Kontaktmöglichkeiten für den thermoelektrischen Werkstoff gegeben und diese Metalle auch verhältnismäßig gute elektrische und thermische Leiter sind. Für den Fall, daß das gestreckte Bauelement als sich verbrauchende Elektrode eingesetzt und ein komprimierbarer Werkstoff mit pulver- oder spanförmigem Zirkon verwendet werden soll, wird für die innere und äußere Ummantelung ein anderes Metall, beispielsweise Molybdän, verwendet,-wenn Molybdän gegebenenfalls dem Zirkon als Legierungsbestandteil zugegeben werden soll. Es kann jedoch auch ein aus Molybdän- und Zirkonpulver oder aus anderen Pulvern bestehendes Gemisch zwischen aus Kupfer oder anderen Metallen bestehenden Zylindern komprimiert, die Zylinder anschließend entfernt und die komprimierten festen Körper für sich verwendet werden. Das Schaukelstreckverfahren ist im Vergleich zu anderen Streckverfahren insofern günstig, als das Außengehäuse dabei im wesentlichen weniger stark hart wird und auch Bauelemente größeren Durchmessers gestreckt werden können. Die Schaukelstreckvorrichtung eignet sich ausnehmend gut zum Strecken von' Rohren mit kreisförmigem Querschnitt oder für Bauelemente mit Durchmessern bis zu annähernd 60 cm und Längen bis zu etwa 25 m, d.h. also für Arbeitsvorgänge, die sich bei Anwendung der üblichen Streckverfahren nicht ohne weiteres durchführen lassen. Die Rohre können weiter mit einer Metallschicht überzogen werden, um die Bindung mit der komprimierten Substanz noch zu verbessern. So ist es z.B. zweckmäßig, Kupferrohre mit einer Eisenauflage zu versehen, damit beim Betrieb der so erhaltenen thermoelektrischen Einrichtung eine geringere Reaktion auftritt, als dies der Fall wäre, wenn sich das Kupfer unmittelbar in Kontakt mit dem Bleitellürid und anderen thermoelektrischen Substanzen befände.

Claims (6)

  1. Patentansprüche 1, Verfahren zum Herstellen eines langgestreckten zylindrischen Bauelementes, bei ciem ein zylindrischer metallischer Bauteil, der konzentrisch noch andere "ietri,li i sehe Baute i.le enthalten kann, meinem verdichtbaren tltier:noelektr#i schon Stoff gefüllt wird, bei cJem die Enden de2/der zylindrischen Bauteile abgeschlossen werden lind der Stoff durch Strecken: des Bauelementes verdichtet wird, so da13 der thermoelektrische Stoff in festen und engen Kontakt mit der/den Wandungen des/der zylindrischen Bauteile gebracht wird
    zeichnet, daß der Stoff durch ätrecken mittels des Schaukelstreckverfahrens verdichtet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einen gesonderten Innenraum Urandioxyd eingefüllt wird.
  3. 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bauteile aus Aluminium bestehen.
  4. 4. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bauteile aus Zirkon bestehen.
  5. 5. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Bauteile aus Edelstahl (rostfreiem Stahl) bestehen .
  6. 6. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli scht:n Bauteile aus Kupfer bestehen. '. Langgestrecktes Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung als Therrloelementschenkel, Thermoelement oder thermoelektrisches Kernbrennelement.
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