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Die vorliegende Erfindung betrifft ein auf pulvermetallurgischem Wege
hergestelltes Übergangsstück, dessen Ausdehnungskoeffizient sich stetig von einem
Ende zum anderen ändert, zum Verbinden von Teilen aus Keramiken, Hartglas, Cermets,
Legierungen, Schwermetallegierungen und Metallen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten
durch Schweißen bzw. Löten, wobei die Zusammensetzung des Übergangsstückes sich
in sämtlichen Bestandteilen stetig so ändert, daß der Ausdehnungskoeffizient an
den beiden Enden mit dem der zu verbindenden Materialien übereinstimmt, sowie ein
Verfahren zur Herstellung von Verbindungen mittels eines oder mehrerer Übergangsstücke.
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Die Schweißung zweier Materialien mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten
ist im allgemeinen schwer zu verwirklichen. Es treten hierbei nämlich eine Reihe
von Schwierigkeiten auf, wobei drei typische Fälle zu unterscheiden sind:
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Erster Fall
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Die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten der zwei Materialien ist
derart, daß die Herstellung einer Verbindung verhindert wird. Der kritische Wert
dieser Differenz hängt dabei von der Dehnbarkeit und der Sprödigkeit der zu verbindenden
Materialien ab.
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Falls die beiden Materialien, z. B. zwei Metalle, dehnbar sind, dann
ist der kritische Wert dieser Differenz genügend hoch, und zwar in der Größenordnung
von 6 bis 8 -10-6/'C. Wenn dieser Wert erreicht oder gar überschritten wird, ist
die Verbindung während der Abkühlung von der Schweiß- oder Löttemperatur Sitz sehr
scharfer Wärmespannungen, die sehr leicht vor oder nach der Abkühlung auf die Umgebungstemperatur
einen spontanen Bruch der Verbindung hervorrufen können. Beispielsweise weist die
Schweißverbindung zwischen »Kovar« (54°/o Eisen, 290 /o Nickel, 170/0 Kobalt)
und austenitischem Stahl mit den Ausdehnungskoeffizienten 9,3 - 10-6/°C und 19 -
10-6F° C eine spontane Bruchneigung auf.
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Der schwierigste Fall liegt dann vor, wenn eines oder beide Materialien
spröde sind. In diesem Falle kann die kritische Differenz der Ausdehnungskoeffizienten
kleiner als 1 - 10-6/°C sein. Dies tritt dann ein, wenn Keramiken mit Metallen verschweißt
werden sollen. In diesem Falle müssen die Ausdehnungskoeffizienten genau übereinstimmen,
damit ein Bruch vermieden wird.
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Zweiter Fall
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Hier treten zwar geringere Schwierigkeiten auf, die jedoch trotzdem
noch nachteilig für die herzustellende Verbindung sein können. Der Fall kann an
Hand der Schweißung von zwei dehnbaren Metallen erläutert werden, deren Differenz
der Ausdehnungskoeffizienten (x) nicht sehr hoch, z: B. bis 5 - 10-6/°C, ist, beispielsweise
die Verbindung von ferritischem Stahl (a = 15 - 10-6/° C) und austenitischem Stahl
(x = 19 - 10-6/°C). Die Herstellung derartiger Verbindungen bietet keine Schwierigkeiten.
Jedoch unterliegt eine solche Verbindung thermischen Ermüdungserscheinungen, die
zu einem Bruch führende Mikrorisse hervorrufen können, wenn sie periodisch erhitzt
und abgekühlt wird.
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Dritter Fall
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Dieser Fall bietet keinerlei spezielle Schwierigkeiten wie Rißbildung
u. dgl. Er kann an Hand der Schweißung zweier dehnbarer Metalle mit einander adäquater
Schweißbarkeit erläutert werden, wo die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten z.
B. zwischen 1 - 10-g/°C und 2 - 10-6/°C liegt.
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Es ist bereits aus den belgischen Patentschriften 556 520 und 579
544 bekannt, eine Verbindung zwischen Materialien herzustellen, deren Ausdehnungskoeffizienten
verschieden sind. In der belgischen Patentschrift 556 520 sind die beiden zu verbindenden
Materialien ferritischer und austenitischer Stahl. Gemäß der belgischen Patentschrift
579 544 werden die beiden Materialien aus einer Gruppe ausgewählt, welche Metalle
mit hohem Schmelzpunkt, wie Cermets, harte intermetallische Verbindungen, martensitische
Stähle, schwerschmelzbare Legierungen und austenitische Stähle umfaßt. Nach diesen
beiden Patentschriften wird die Verbindung zwischen zwei Materialien, deren Differenz
der Ausdehnungskoeffizienten beträchtlich größer ist als 2 - 10-6/°C, mittels eines
Übergangsstückes verwirklicht, das zwischen die beiden Materialien eingesetzt und
mit ihnen an seinen beiden Enden verbunden ist. Dieses Übergangsstück wird auf pulvermetallurgischem
Wege hergestellt und besitzt einen nicht schrittweise, sondern vom Wert des Ausdehnungskoeffizienten
des einen Materials gegen den des anderen kontinuierlich zunehmenden Ausdehnungskoeffizienten,
wobei das Übergangsstück durch die Anwesenheit einer Eisen-Nickel-Legierung mit
einer kontinuierlich veränderten Zusammensetzung, mit oder ohne Zusatz von Chrom
und Kobalt gekennzeichnet ist.
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Nach diesen beiden Patentschriften ist bekannt, daß das Übergangsstück
aus zwei oder mehreren Legierungssystemen bestehen kann. Die in den genannten Patentschriften
erwähnten Legierungssysteme besitzen folgende Zusammensetzung:
| 1. Von 53"/, Eisen, 3004 Nickel, 170/,
Kobalt, |
| 00/, Chrom |
| bis 740/, Eisen, 180/, Chrom, 80/, Nickel,
011/, |
| Chrom. |
| 2. Von 58 °/o Eisen, 42 °/o Nickel, 0 °/o Chrom |
| bis 74/, Eisen, 18"/, Chrom, 80/, Nickel. |
| 3. Von 1000/, Zirkonium, 011/, Titan |
| bis 00/, Zirkonium, 1000/, Titan. |
Diese Legierungssysteme gestatten es, alle zwischen den nachfolgend genannten Grenzen
gelegenen Ausdehnungskoeffizienten zu erhalten.
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Ausdehnungskoeffizient x/°C (Temperaturintervall von 20 bis 500°C)
| 1. Von 6,4 - 10-6 bis 18 10-6 |
| 2. Von 7,6 - 10-6 bis 18 10-6 |
| 3. Von 6,4 - 10-6 bis 9,7 - 10-6 |
Ausdehnungskoeffizient x/°C (Temperaturintervall von 20 bis 700°C)
| 1. Von 9,3 - 10-6 bis 19 - 10-6 |
| 2. Von 10 - 10-6 bis 19 - 10-6 |
| 3. Von 6.5-10-6bis10-10-6 |
Es ist nun ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Schweißverbindungen von spröden
Materialien wie Keramikstoffen, Cermets und Schwermetallegierungen von niedrigeren
Ausdehnungskoeffizienten mit Metallen zu schaffen, welche höhere Ausdehnungskoeffizienten
besitzen.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Übergangsstück
erreicht, das aus einem oder mehreren Teilen besteht, von denen jedes einzelne jeweils
aus einem der folgenden Legierungssysteme besteht:
| Ausdehnungskoeffizient in |
| 10-5/°C imTemperatur- |
| intervall von 20 bis 700'C |
| 1. Von 94°/s Wolfram, 66g6 Kohlen- |
| stoff, O 6/6 Kobalt bis O 6/6 Wolfram, |
| O6,/6 Kohlenstoff, 1006,/6 Kobalt .. 4,5 bis 14,4 |
| 1I. Von 81,56j6 Titan, 18,56/6 Kohlen- |
| stoff, 00/, Nickel bis 01)11, Titan, |
| O6/6 Kohlenstoff, 1006,/6 Nickel .. 8 bis 15,4 |
| 111. Von 926/6 Wolfram, 56/6 Nickel, |
| 36/6 Kupfer bis O6/6 Wolfram, |
| 1006/6 Nickel, O6,/6 Kupfer ...... 7,2 bis 15,5 |
| IV. Von 746/6 Eisen, 186/6 Chrom, |
| 86/6 Nickel, O6,/6 Mangan bis |
| 79,56/6 Eisen, 3,56/6 Chrom, 126/6 |
| Nickel, 5 6/6 Mangan ........... 19 bis 22,2 |
Ein derartiges Übergangsstück gemäß Erfindung kann ferner nach einer bevorzugten
Ausführungsform aus mehreren Teilen (Teilübergangsstücken) bestehen, die untereinander
mittels bekannter Schweißverfahren verbunden sind.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Übergangsstück zum Verbinden
eines Teiles aus gebundenem Wolframcarbid (x = 5 - 10-6/'C) mit einem Teil aus Kohlenstoffstahl
(x = 15 - 10-6/°C) so beschaffen, daß das Übergangsstück aus 2 Teilen besteht, wobei
die Zusammensetzung des einen Teilstückes dem Legierungssystem Nr.1 entspricht und
von 89,7 6/6 Wolfram, 5,8 6/6 Kohlenstoff, 4,5 6/6 Kobalt (a = 5 - 10-6/°C) bis
49,86/6 Wolfram, 3,26/6 Kohlenstoff, 476/6 Kobalt (x = 9,3 - 10-6/°C) variiert und
die Zusammensetzung des anderen Teilstückes einem an sich bekannten Legierungssystem
entspricht und von 546/6 Eisen, 29 6/6 Nickel, 17 6/6 Kobalt, 0 6/6 Chrom
(a = 9,3 - 10-1/'C) bis 65 °,!6 Eisen, 17 6/6 Nickel, 7 6/6 Kobalt, 116/6 Chrom
(x = 15 - 10-6/°C) variiert.
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Ein anderes erfindungsgemäßes Übergangsstück zum Verbinden eines Teiles
aus einer Schwermetallegierung (a = 7,2 - 10-6/'C) mit einem Teil aus austenitischem
Stahl (x = 22,2 - 10-6/°C) ist so aufgebaut, daß das Übergangsstück aus 3 Teilen
besteht, wobei die Zusammensetzung des einen Teilstückes dem Legierungssystem Nr.
111 entspricht und von 926/6 Wolfram, 56/6 Nickel, 3 6/6 Kupfer (x = 7,2 - 10-1,/'C)
bis 68 6/6 Wolfram, 30 6/6 Nickel, 2 6/6 Kupfer (x = 9,3 - 10-6,f° C) variiert,
die Zusammensetzung des zweiten Teilstückes einem an sich bekannten Legierungssystem
entspricht und von 540/, Eisen, 29"/, Nickel, 170/, Kobalt, 00/" Chrom (x
= 9,3 - 10-6/°C) bis 746/6 Eisen, 186/6 Chrom, 811/0 Nickel, 00/, Kobalt (x = 19
- 10-s/° C) variiert und die Zusammensetzung des dritten Teilstückes dem Legierungssystem
Nr. IV entspricht und von 740/, Eisen, 180/, Chrom, 80 ,I6 Nickel,
00/, Mangan (x = 19 -10-s/° C) bis 790/, Eisen, 3,50/, Chrom, 12 6/6
Nickel, 5 6/6 Mangan (x = 22,2 -10-s/° C) variiert.
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Ein weiteres Übergangsstück gemäß Erfindung zum Verbinden eines Teiles
aus gebundenem Wolframcarbid (a = 5 - 10-61°C) mit einem Teil aus Aluminiumoxyd
(x = 9,3 - 10-61°C) ist so aufgebaut, daß das Übergangsstück aus dem Legierungssystem
Nr. 1 besteht, dessen Zusammensetzung von 89,70/, Wolfram, 5,8 6/6 Kohlenstoff,
4,5 6/6 Kobalt (x = 5.10-6/1 C) bis 49,8 6/6 Wolfram, 3,2 °,/6 Kohlenstoff, 47 6/6
Kobalt (a = 9,3 - 10-6/'°C) variiert.
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Die möglichen Kombinationen der vier Grundlegierungssysteme 1 bis
IV gestatten es, alle möglichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den Extremwerten
von 4,5 .10-6 !° C und 22,2 - 10-1/'C zu verwirklichen und erlauben infolgedessen
eine genaue Anpassung an den Ausdehnungskoeffizienten von Materialien, die geringe,
mittlere oder höhere Ausdehnungskoeffizienten besitzen wie z. B. an
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Materialien mit geringen Ausdehnungskoeffizienten von 4 - 10-6/°C
bis 10 - 10-6/°C: Keramiken, Cermets, Schwermetallegierungen, intermetallische Hartverbindungen,
Wolfram, Molybdän, Zirkonium und Titan;
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Materialien mit Ausdehnungskoeffizienten von 10 - 10-617'C bis 16
- 10-11'C: martensitischer Stahl mit bis zu 126/6 Chrom, ferritischer Stahl, Superlegierungen
auf Basis von Nickel und Kobalt, Kobalt und Nickel;
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Materialien mit hohen Ausdehnungskoeffizienten von 16 - 10-6/°C bis
22,2 .10-6/°C: Beryllium, austenitischer Stahl, Kupfer, Aluminium.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden aus den Beispielen zur Schweißung
von Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hervorgehen.
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Es können bei der vorliegenden Erfindung alle Schweißmethoden angewandt
werden. Derartige Verfahren sind z. B. Kaltpreßschweißen, Schmelzschweißen, Diffusionsschweißen
mit Feststoffen bei hohen Temperaturen, z. B. die Sintermethode in der Pulvermetallurgie,
Lötschweißen mit Feststoffen, z. B. Lötung bei hohen Temperaturen, Schmelzschweißen
ohne Auftragsmetall, z. B. Gasschweißen, Schmelzschweißen mit Auftragsmetall, z.
B. elektrisches Lichtbogenschweißen, und schließlich Lötschweißen von Keramiken
mit Metallen, z. B. mittels des Mo-Mn-Verfahrens.
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Verbindungen gemäß Erfindung können mittels eines oder mehrerer Übergangsstücke
vorteilhaft dadurch hergestellt werden, daß die Verbindung zweier oder mehrerer
Teile mit Hilfe eines oder mehrerer Übergangsstücke in Form eines Einzelblockes
auf pulvermetallurgischem Wege vorgenommen wird.
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Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
können Verbindungen mittels eines oder mehrerer Übergangsstücke dadurch erzielt
werden, daß man die Verbindung zweier Teile mit dem Verbindungsstück durch Hartlöten
an einem oder an beiden Enden oder durch Hartlöten an einem Ende und Gasschweißen
am anderen Ende herstellt.
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Verbindungen von Keramiken mit Metallen oder Legierungen
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Keramiken, wie man sie in der Elektrotechnik, in der kernphysikalischen
Technologie sowie für keramische Werkzeuge verwendet, sind beispielsweise Hart-
und Weichgläser, Aluminiumoxyd, Zirkonium, Steatit, Forsterit und Porzellan. Die
Schweißbarkeit von Keramiken mit Metallen ist in der Regel auf Grund des großen
Unterschiedes zwischen den Ausdehnungskoeffizienten und der Sprödigkeit der Keramiken
sehr schwierig.
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Bei Glas darf auf Grund seiner großen Sprödigkeit die Differenz zwischen
dem Ausdehnungskoeffizient des Glases und jenem des Materials 1 - 10-61'C nicht
überschreiten, und die Ausdehnungskurven des Glases
und des Metalles
müssen sich unterhalb des Erweichungspunktes des Glases nähern, was sich daraus
ergibt, daß selbst eine geringe Differenz bei mittleren Temperaturen einen Bruch
des Glases bewirkt, welches sich vom Metall trennt.
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Aus diesem Grunde kann eine bestimmte Glasart nur mit einer speziellen
Legierung verbunden werden, deren Ausdehnungskoeffizient praktisch gleich dem des
Glases ist. Beispielsweise werden Weichgläser auf Natrium-Calcium-Basis mit Ausdehnungskoeffizienten
von 10 - 10-8/°C (zwischen 20 und 500°C) mit speziellen Legierungen verbunden, die
z. B. folgende Ausdehnungskoeffizienten besitzen:
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Legierung 720/, Eisen, 280/, Chrom:
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a = 11 - 10-l/' C (zwischen 20 und 500°C). Legierung
520/, Eisen, 420/, Nickel, 60/, Chrom x = 10,8 - 10-8/°C (zwischen
20 und 500°C).
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Hartgläser auf Borsilikatbasis haben geringe Ausdehnungskoeffizienten
von etwa 4 - 10-8/°C bis 6 - 10-6/'C zwischen 20 und 500°C und werden mittels Metall
und Metallegierungen verschweißt, wie etwa den folgenden:
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Wolfram: x = 4,6 - 10-l/' C (20 bis 500°C). Molybdän: x = 5,5
-10-8/°C (20 bis 500°C). »Kovar« (54 °/o Eisen, 29 °/o Nickel, 17 °/o Kobalt): x
= 6 -10-8/°C (20 bis 500°C).
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Die Form der Ausdehnungskurve der als »Kovar« bekannten Legierung
ist oberhalb und unterhalb des Wendepunktes praktisch identisch mit jener von mehreren
Hartglasarten, weshalb aus diesem Grunde »Kovar« am geeignetsten ist und oft für
die Schweißung von Hartgläsern verwendet wird.
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Die Verschweißung von Glas mit Metall ist einfach. Das Glas und das
Metall werden bei einer genügend hohen Temperatur miteinander in Berührung gebracht,
| Keramiken Metall Ausdehnungskoeffizient Temperaturintervall |
| Forsterit ....................... 50 °/o Nickel, 50
°/o Eisen 11 -10-8/°C 20 bis 700'C |
| Steatit ......................... 42 °/a Nickel, 58
°/o Eisen 10 - 10-8/°C 20 bis 700'C |
| Aluminiumoxyd ................ »Kovar« 9,3 - 10-8/°C
20 bis 700°C |
Es gibt zwei gut eingeführte Methoden zum Schweißen von Keramiken mit Metallen:
das Molybdän-Mangan-Verfahren, bei welchem eine sehr stark haftende Metallschicht
auf der Keramik aufgebracht wird und der metallische Bestandteil auf diese Schicht
hartgelötet wird und jenes Verfahren (»Aktivmetall-Hydrid-Verfahren«), bei welchem
die Legierung eines aktiven Metalles (Zirkonium, Titan) verwendet wird, wodurch
das metallische Teil direkt mit dem keramischen in einem einzigen Vorgang verschweißt
werden kann.
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Die bei diesen beiden Verfahren zum Schweißen verwendeten Metalle
sind solche, die eine große Affinität zur chemischen Bindung mit Keramiken auf Grund
ihres Atomdurchmessers und ihrer chemischen Eigenschaften besitzen. Wie im Falle
von Glas müssen die Ausdehnungskoeffizienten der Keramik und des Metalls genau übereinstimmen.
Die Verwendung eines Übergangsstückes mit variierender Zusammensetzung gemäß der
vorliegenden Erfindung ermöglicht die bei der das Glas flüssig wird und das Metall
umfließt. Zur Verwirklichung der Verbindung Glas-Metall wird das Metall vorzugsweise
voroxydiert, weil eine dünne oxydische Zwischenschicht zwischen Metall und Glas
die Bildung einer guten Haftung begünstigt. Die Bindung dieser Oxydschicht hat mit
dem Glas ionischen Charakter, während sie beim Metall metallischen Charakter besitzt.
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Die Übereinstimmung der Ausdehnungskoeffizienten braucht nicht beachtet
zu werden, wenn das Metall sehr weich und sehr dünn ist, weil dann seine Elastizitätsgrenze
überschritten werden kann und somit eine leichte plastische Deformation erfolgt,
ohne daß das Glas eine gefährliche Spannung erleidet. Metallische Folien von 0,125
bis 0,4 mm Dicke sind vergleichsweise genügend dünn, um trotz ihrer verschiedenen
Ausdehnungskoeffizienten verwendet zu werden.
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Wenn die Dicke größer als die obengenannten Werte ist, ist es nicht
möglich, die Übereinstimmung der Ausdehnungskoeffizienten außer acht zu lassen.
Dieser Mangel wird überwunden durch die Verwendung eines Übergangsstückes mit variierender
Zusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung, das auf pulvermetallurgischem
Wege hergestellt ist.
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Die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten von zwei benachbarten Abschnitten
des Übergangsteiles im Übergangsstück ist so klein, daß die in diesen Abschnitten
auftretenden Spannungen bei den Temperaturänderungen im Verlaufe der Abkühlung nach
der Schweißung oder beim Gebrauch praktisch unterbunden sind. Die Gefahr eines Risses
oder eines Bruches, besonders im Teil aus Glas, ist vollkommen ausgeschaltet.
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Die Schweißung von Keramiken, wie z. B. Aluminiumoxyd, Steatit, Forsterit,
Porzellan mit Metallen, weist gleiche Merkmale auf.
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Die Verbindungen von Keramiken und Metallen, die gleiche Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen, sind z. B.: Schweißung eines keramischen Teiles mit einem Teil aus Metall,
selbst wenn ihre Ausdehnungskoeffizienten wie beispielsweise von Aluminiumoxyd und
austenitischem Stahl stark differieren.
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Ein für eine Verbindung von Glas mit austenitischem Stahl verwendetes
Übergangsstück kann auch für die Verschweißung von Aluminiumoxyd mit austenitischem
Stahl verwendet werden, weil Glas und Aluminiumoxyd sehr ähnliche Ausdehnungskoeffizienten
besitzen. Verbindungen von Cermets mit Metallen
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oder Legierungen
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Die Cermets bilden eine Gruppe feuerfester Materialien aus Carbiden,
Nitriden, Boriden, Siliciden, Aluminiumoxyden u. dgl. mit oder ohne Bindemetall.
Die Vorteile der Cermets beruhen auf ihrem großen Widerstand gegen die Oxydation
bei hohen Temperaturen, ihrer großen Härte und ihrem Widerstand gegen hohe Wärme.
Jedoch haben die Cermets im allgemeinen eine geringe Dehnbarkeit und einen geringen
Widerstand
gegen Wärmeschocks. Die wichtigsten Cermets sind die gebundenen Carbide (Hartmetalle).
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Die zur Herstellung von Werkzeugen verwendeten Carbide können nach
ihrem Anwendungszweck in zwei große Gruppen unterteilt werden.
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Die erste Gruppe umfaßt Wolframcarbid-Kobalt-(WC-Co)-Zusammensetzungen,
die man zur Bearbeitung von Materialien verwendet, die kurze Späne bilden, wie Gußeisen,
Glas und Porzellan.
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Die zweite Gruppe umfaßt Vielfachcarbide, die man zur Bearbeitung
von Materialien verwendet, die lange Späne liefern, wie Stähle jeglicher Zusammensetzung.
Unter den Carbidzusammensetzungen seien folgende erwähnt: Wolframcarbid - Titancarbid
- Kobalt (WC - TiC - Co), Wolframcarbid - Tantalcarbid (Niobcarbid) - Kobalt [WC
- TaC(NbC) - Co] und Wolframcarbid - Titancarbid - Tantalcarbid -(Niobcarbid) -
Kobalt [WC - TiC - TaC - (NbC) -Co].
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Die Carbide von Chrom (Cr3C2), gebunden mit Nickel sowie Wolframcarbid
(WC), welches mit einer korrosionsbeständigen Legierung gebunden ist, z. B. Chrom-Nickel,
welche außergewöhnlich korrosionsbeständig ist, werden für die Herstellung von Gegenständen
verwendet, die unter harten Arbeits- und Korrosionsbedingungen eingesetzt werden.
Titancarbid ist das einzige Carbid, das, wenn es mit einem geeigneten Metall gebunden
ist, einen großen Oxydationswiderstand und mechanischen Widerstand bei hohen Temperaturen
sowie einen befriedigenden Widerstand gegen Wärmeschocks aufweist.
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Eine große Anzahl von gebundenen Carbidzusammensetzungen kann verwendet
werden, wie z. B.
| a) Wolframcarbid mit anderen Bindemetallen als |
| Kobalt, z. B. Nickel-Kupfer, Nickel-Chrom, |
| Nickel-Molybdän, Kobalt-Wolfram, Kobalt- |
| Molybdän-Kupfer, Eisen-Nickel-Chrom; |
| b) Carbide mit sehr hohen Schmelzpunkten wie bei- |
| spielsweise die Carbide von Hafnium, Tantal, |
| Zirkonium, Niob und Titan; |
| c) Hartmetalle ohne Wolframcarbid, wie z. B. Titan- |
| carbid-Vanadiumcarbid-Nickel. |
Verbindung von Cermets mit Metallen durch Hartlöten und/oder Schweißen
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Dieser Vorgang ist wegen der großen Differenz der Ausdehnungskoeffizienten
und wegen der Schwierigkeit, geeignete Lote zu finden, welche die Oberfläche der
Cermets vollkommen benetzen, kompliziert.
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Das Bedürfnis nach einem Lot mit hohem- Widerstand gegen hohe Temperaturen
(also mit hohem Schmelzpunkt) gestaltet das Ausdehnungsproblem noch viel schwieriger.
Wenn sich die Arbeitsgeschwindigkeit stark erhöht, ist es in bestimmten Fällen vorteilhaft,
keine gelöteten Werkzeuge zu verwenden, weil die Lötung ihren Widerstand gegen die
während der Verwendung erreichte Temperatur verlieren würde. Der Ausdehnungskoeffizient
der üblichen Carbide beträgt etwa die Hälfte desjenigen des Metalls (in der Regel
Stahl), mit dem sie verschweißt sind (5 bis 8 - 10-8/°C gegen 15 - 10-8(°C).
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Diese Differenz der Ausdehnungskoeffizienten kann leicht während der
Abkühlung von der Löttemperatur genügend hohe Spannungen hervorrufen, um einen Bruch
der Lötverbindung oder des Cermets zu bewirken, wenn nicht besondere Vorkehrungen
getroffen werden, um dies zu verhindern. Beispielsweise wird für die Lötung von
großen Plättchen mit kompliziertem Muster ein Blatt oder Gewebe aus Metall zum Ausgleich
verwendet (»Sandwich-Lötung«), welches zwischen das Plättchen und den Werkzeugträger
eingelegt ist. Die Lötung erfolgt viel leichter, wenn die Ausdehnungskoeffizienten
übereinstimmen.
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Wenn der Werkzeugträger aus einem Metall besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient
gleich jenem des Carbides ist, z. B. aus »Kovara oder aus einer Schwermetallegierung
mit Wolfram (90 °/o Wolfram, 7 °/o Nickel, 3 % Chrom), kann das Carbidplättchen
mittels üblicher Methoden aufgelötet werden, wobei nur wichtig ist, daß das Lot
das Carbid umfließt. Das erhaltene Werkzeug weist wenig Restspannungen und keine
Risse auf. Hart- und Weichlötungen werden für die Lötung von Plättchen aus gebundenem
Carbid verwendet.
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Wenn die Arbeitstemperatur erhöht ist, verwendet man Lote auf der
Basis von Kupfer (Kupfer-Nickel). Die Cermets, welche einen hohen Prozentsatz an
Titancarbid aufweisen, werden vollkommen von Palladium-Nickel-Legierungen (z. B.
600/" Palladium, 400f, Nickel) benetzt. Es sei bemerkt, daß die Hartlote
nicht immer die gegen Korrosion erforderliche Widerstandskraft aufweisen. So ist
z. B. Kupferlot nicht widerstandsfähig gegen flüssiges Natrium. Aus diesem Grunde
wenden sich die Verbraucher der mechanischen Befestigung der Plättchen zu. Aber
auch diese Technik hat ihre eigenen Probleme und Begrenzungen.
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Die Ausschaltung gelöteter Verbindungen kann mit Erfolg durchgeführt
werden, wenn ein Verbindungsteil mit variierender Zusammensetzung gemäß vorliegender
Erfindung verwendet wird. Bei Verwendung der obengenannten vier Grundlegierungen
1 bis IV, kann an Stelle einer Lötung die Schweißung von Teilen aus gebundenen Carbiden
mit Teilen aus ferritischem Stahl, Superlegierungen und austenitischen Stählen ohne
Schwierigkeiten durchgeführt werden.
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Das geeignetste System ist jenes von Wolframcarbid mit variierendem
Kobaltgehalt (von 0 bis 100 °/e) für die sehr niedrigen Ausdehnungskoeffizienten
von 4,5 - 10-8/°C von Wolfram oder Wolframcarbid mit 4,58/e Kobalt, wobei letzteres
sehr hart und spröde ist und aus diesem Grund sehr schwierig mit Stahl zu verschweißen
ist. Im System Wolframcarbid-Kobalt ist bei Erhöhung des Kobaltgehaltes die Härte
weniger ausgeprägt und mit großem Widerstand und hoher Zähigkeit verbunden, was
einen bedeutenden Vorteil darstellt. Das folgende Beispiel zeigt die Schweißung
eines Teiles aus Wolframcarbid mit 4,5 e/o Kobalt mit einem Teil aus Kohlenstoffstahl.
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F i g. 1 zeigt ein Diagramm des Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturintervall
von 20 bis 700°C, wie er vom Wert des Wolframcarbides mit 4,5°/8 Kobalt (a = 5 -
10-8/°C) bis zum Wert 15 - 10-8/°C des Kohlenstoffstahles ansteigt.
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F i g. 2 zeigt die Verbindung des Teiles aus Wolframcarbid mit 4,5
8/e Kobalt (a-b), welches verbunden ist mit dem Teil aus Kohlenstoffstahl (f-g)
mittels des Übergangsstückes (b f) mit variierender Zusammensetzung zwischen
(c-e). Die beiden Teile und das Übergangsstück sind auf pulvermetallurgischem Wege
hergestellt, was es gestattet, diese Verbindung wie einen Einzelblock ohne jedes
Verbindungsverfahren herzustellen.
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F i g. 3 zeigt die Möglichkeit, sei es aus ökonomischen oder technischen
Gründen, die Verbindung
der beiden Teile und der beiden Teile des
Übergangsstückes getrennt durch Schweißen herzustellen.
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Gemäß vorliegender Erfindung können Verbindungen b und
d durch Hartlöten und die Verbindungen f durch Gasschweißen hergestellt werden.
Infolge des an den Verbindungsstellen b, d und f übereinstimmenden
Ausdehnungskoeffizienten können die drei Verbindungen ohne Schwierigkeiten durchgeführt
werden.
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Das Teil aus Kohlenstoffstahl kann in diesem Fall auf üblichem metallurgischem
Wege hergestellt werden. Das Diagramm in F i g. 4 zeigt die prozentualen
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Zusammensetzungen des aus gebundenem Wolframcarbid mit 89,7% Wolfram,
5,8% Kohlenstoff, 4,50/0 Kobalt bestehenden Teiles, des aus zwei Teilstücken bestehenden
Übergangsstückes, wobei die Zusammensetzung des einen Teilstückes dem Legierungssystem
Nr.l entspricht und von 89,7% Wolfram, 5,8% Kohlenstoff, 4,5% Kobalt (a = 5 - 10-1/°C)
bis 49,8% Wolfram, 3,2% Kohlenstoff, 47% Kobalt (x = 9,3 - 10-g/° C) variiert und
die Zusammensetzung des anderen Teilstückes einem an sich bekannten Legierungssystem
entspricht und von 54% Eisen, 29 % Nickel, 17 % Kobalt, 0 % Chrom (a = 9,3 -10-6,1'C)
bis 650/0 Eisen, 170/0 Nickel, 11% Chrom, 70,/o Kobalt (a = 15. 10-1/°C) variiert,
sowie des Kohlenstoffstahles, wobei die Linie von 100% der Zusammensetzung 99% Eisen,
0,25% Kohlenstoff, 0,3% Silicium, 0,4% Mangan entspricht.
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Die Schweißung von gebundenem Titancarbid mit großem Widerstand gegen
hohe Temperaturen mit einer Superlegierung ist eine sehr schwierige Maßnahme wegen
der großen Differenzen der Ausdehnungskoeffizienten dieser beiden Materialien. Diese
Schwierigkeit wird jedoch leicht durch die vorliegende Erfindung überwunden. Verbindungen
von Schwermetallegierungen mit Metallen und Legierungen Die Schwermetallegierungen
auf Wölframbasis, die auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt werden, weisen
folgende interessante Eigenschaften auf: hohe Dichte, gute mechanische Eigenschaften
sowie hohe Absorption von Röntgenstrahlen. Auf Grund ihrer hohen Dichte werden sie
als Auswuchtmassen verwendet, mit welchen eine maximale Trägheit bei minimalem Volumen
erhalten werden kann. Beispiele hierfür sind Rotoren für Gyroskope, Trägheitsmassen
für Raketen.
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Eine häufig verwendete Schwermetallegierung hat die Zusammensetzung
92% Wolfram, 5% Nickel, 3% Kupfer, die ebenfalls für das Legierungssystem Nr. 111
verwendet wird.
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Andere Zusammensetzungen werden ebenfalls verwendet, z. B. Wolfram-Nickel-Eisen;
Wolfram-Nickel-Chrom; Wolfram-Nickel-Kupfer-Molybdän. Auf Grund ihres sehr niederen
Ausdehnungskoeffizienten von 7,2 - 10-6/°C und einer sehr geringen Dehnbarkeit ist
die Verschweißung von Schwermetalllegierungen mit austenitischem Stahl, der einen
hohen Ausdehnungskoeffizienten von 19 - 10-6/°C bis 22,3 -10-6/'C besitzt, mit den
bisher bekannten Methoden praktisch unmöglich.
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Diese Schwierigkeit wird überwunden durch die Verwendung eines aus
drei Teilstücken bestehenden Übergangsstückes gemäß der vorliegenden Erfindung,
wobei die Zusammensetzung des einen Teilstückes dem Legierungssystem Nr.
111, die des zweiten Teilstückes einem an sich bekannten Legierungssystem
und die des dritten Teilstückes dem Legierungssystem Nr. IV entspricht. Damit wird
die Verbindung eines Teiles mit dem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten von 7,2 -
10-1/'C mit einem Teil mit dem hohen Ausdehnungskoeffizienten von 22,2 - 10-6/'C
geschaffen.
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Dies wird durch die folgenden Diagramme erläutert: F i g. 5 zeigt
den Ausdehnungskoeffizient im Temperaturintervall von 20 bis 700°C, wie er von jenem
der Schwermetallegierung (7,2 -10-6/'C) bis zu jenem von austenitischem Stahl (22,2
- 10-1/°C) variiert.
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F i g. 6 zeigt die wie ein Stück aus einem Einzelblock, und zwar auf
pulvermetallurgischem Wege gebildete Verbindung.
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F i g. 7 zeigt die in ihre einzelnen Teilstücke unterteilte Verbindung,
die dank der an den Verbindungsstellen b, d, e und g übereinstimmenden Ausdehnungskoeffizienten
leicht geschweißt werden können.
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Das Teil aus austenitischem Stahl (g-h) wird auf üblichem metallurgischem
Wege hergestellt.
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Das Diagramm in F i g. 8 zeigt die Zusammensetzung des aus der Schwermetallegierung
mit 92 0/0 Wolfram, 5 % Nickel, 3 % Kupfer (x = 7,2 - 10-1/°C) bestehenden Teiles,
des aus drei Teilstücken bestehenden Übergangsstückes, wobei die Zusammensetzung
des einen Teilstückes dem Legierungssystem Nr. lII entspricht und von 92 % Wolfram,
5 % Nickel, 3 0/0 Kupfer (a = 7,2 - 10-6/'C) bis 68 % Wolfram, 30 0/0 Nickel, 2%
Kupfer (x = 9,2 - 10-1/°C) variiert, die Zusammensetzung des zweiten Teilstückes
einem an sich bekannten Legierungssystem entspricht und von 54 % Eisen, 29 % Nickel,
17 % Kobalt (a = 9,3 -10-1/'C) bis 740/, Eisen, 180/, Chrom, 80/,
Nickel (a = 19 - 10-6/°C) variiert und die Zusammensetzung des dritten Teilstückes
dem Legierungssystem Nr. IV entspricht und von 740/, Eisen, 180/0 Chrom, 8'/o Nickel
(ca = 19 - 10-1/°C) bis 79,5% Eisen, 3,5% Chrom, 12 % Nickel, 5 % Mangan (x = 22,2
-10-1/ ° C) variiert, sowie des aus austenitischem Stahl mit 79,50/0 Eisen, 3,5%
Chrom, 12% Nickel, 5% Mangan (a = 22,2 - 10-6/°C) bestehenden Teiles.
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Verbindung spröder Materialien
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Die Verbindung spröder Materialien wie Keramik und Cermets, welche
unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist ein sehr schwieriges Problem.
Dieses Problem kann gemäß vorliegender Erfindung gelöst werden, wie es in den Beispielen
gezeigt ist, welche die Verbindung eines spröden Cermets aus Wolframcarbid, das
nur mit 4,5% Kobalt gebunden ist, mit Aluminiumoxyd, einer sehr spröden Keramik,
veranschaulichen.
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F i g. 9 ist ein Diagramm des Ausdehnungskoeffizienten im Temperaturintervall
von 20 bis 700°C, wie er von jenem des mit 4,5% Kobalt gebundenen Wolframcarbides
(a = 5 - 10-6/°C) bis zu jenem des Aluminiumoxyds (x = 9,3 - 10-6/°C) variiert.
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F i g. 10 zeigt die Verbindung eines Teiles aus einem Cermet mit Hilfe
eines Verbindungsteiles aus einem einzigen Stück (a-e), das auf pulvermetallurgischem
Wege hergestellt ist, mit einem Teil aus Aluminiumoxyd (e-f).
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Das Diagramm in F i g. 11 zeigt die Zusammensetzung des Teiles aus
Cermet mit 89,7% Wolfram, 5,8 % Kohlenstoff, 4,5 % Kobalt (x = 5 -10-6/° C), des
Übergangsstückes aus dem Legierungssystem Nr. I, das von 89,7% Wolfram, 5,8% Kohlenstoff,
4,50/0 Kobalt bis 49,8% Wolfram, 3,2% Kohlenstoff, 470/0
Kobalt
(x = 9,3 - 10-e;' C) variiert und des aus Keramik bestehenden Teiles, wobei die
Linie 1008!e für Aluminiumoxyd (hoher Prozentsatz A1.0") gilt.
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Die Schweißung zweier verschiedener Metalle oder Legierungen A und
B, die den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann aus metallurgischen
Gründen schwer zu verwirklichen sein, z. B. wegen verringerter Mischbarkeit auf
Grund einer großen Differenz der Atomdurchmesser oder wegen Bildung einer spröden,
intermetallischen Verbindung. In diesem Falle kann ein drittes Material C zwischen
A und B eingeschoben werden, das einen übereinstimmenden Ausdehnungskoeffizienten
besitzt und so gewählt wird. daß seine Schweißbarkeit mit A und B eine befriedigende
Verbindung ergibt. Die vorliegende Erfindung ist für diese Verfahrensweise sehr
geeignet.
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Die erfindungsgemäß hergestellten Vereinigungen können verschiedene
geometrische Formen wie Stäbe. Rohre, Bleche usw. besitzen.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine praktische Lösung des schwierigen
Problems, Verbindungen von spröden Materialien mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten
herzustellen.