DE2217769A1

DE2217769A1 - Metallischer verbundkoerper und herstellungsverfahren hierzu

Info

Publication number: DE2217769A1
Application number: DE19722217769
Authority: DE
Inventors: Friedrich Schneider; Dieter Dipl Ing Stoeckel
Original assignee: RAU FA G
Current assignee: RAU FA G
Priority date: 1972-04-13
Filing date: 1972-04-13
Publication date: 1973-10-18
Also published as: FR2179925B1; GB1433526A; DE2217769B2; NL7305019A; CH593791A5; FR2179925A1; IT980154B

Description

Dr.-lng.Herbert Moser

Patentanwalt _A

KKwlsruhe.EttiingerstraBeZa

Anmelder: G-. Rau, Pforzheim

Metallischer Verbundkörper und Herstellungsverfahren hierzu

Die Erfindung betrifft einen metallischen Verbundkörper, vorzugsweise in Drahtform, wobei ein Kern mit einem gegenüber diesem elektrisch isolierten Mantel umgeben ist. Außerdem wird ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren für einen solchen Verbundkörper angegeben.

Metallische Verbundkörper können in der Meß- und Regeltechnik für die verschiedensten Aufgabenstellungen benutzt werden, wenn es gelingt, eine einwandfreie Isolierung zwischen Kern und Mantel herbeizuführen, die den Wärmeübergang zum Kern nicht wesentlich behindert. Für verschiedene Meßzwecke besteht die Forderung, einen extrem dünnen, metallischen Widerstandsdraht durch einen Mantel mechanisch zu

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stabilisieren, ohne daß der elektrische Widerstand beeinflußt wird. Außerdem soll ein guter metallischer Wärmeübergang aus dem umgebenden Medium zum Widerstandsdraht erreicht werden. Die bekannten Isolationsmaterialien aus Kunststoff können die gestellten Forderungen nicht erfüllen. Für die gewünschte, mechanische Stabilisierung ist ein relativ dicker Kunststoffmantel erforderlich, der eine schlechte Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Beständigkeit bei höheren Temperaturen aufweist. Will man die schlechte Temperaturbeständigkeit vermeiden, so lassen sich keramische Isolationsschichten anwenden, die jedoch neben einer besonders schlechten Wärmeleitfähigkeit die Gefahr mechanischer Beschädigung und damit die Unmöglichkeit der Formänderung des Drahtes ergeben. Da nach bekannten physikalischen Gesetzen die elektrische Leitfähigkeit der Wärmeleitfähigkeit unter gewissen Voraussetzungen direkt proportional ist, folgt daraus, daß ein guter Isolator zwangsläufig eine schlechte Leitfähigkeit aufweisen muß.

Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen metallischen Verbundkörper zu schaffen, bei dem der Kern gegenüber dem Mantel isoliert ist, wobei das metallische Mantelmaterial einen günstigen Wärmezugang zum Kern über eine relativ dünne Isolierschicht ermöglicht. Ein solcher Verbundkörper stabilisiert im Beispiel des dünnen Widerstandsdrahtes den drahtförmigen Kern einwandfrei. Er ermöglicht einen bisher nicht erreichten, guten Wärmeübergang und ist außerdem hinreichend formbar. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß die elektrische

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Isolationsschicht mindestens eine Reaktionskomponente des Kern- und/oder Mantelmaterials bzw. einer Zwischenschicht zwischen Kern- und Mantelmaterial enthält. Der Begriff "Reaktionskomponente" bedeutet, daß die Isolierschicht in dem metallischen Verbundkörper dadurch erzeugt wird, daß entweder oberflächennahe, im Bereich der Trennschicht liegende Kern- und/oder Mantelmaterialien in einer Gas-Metallreaktion eine Isolationsschicht erzeugen oder daß eine aus geeigneten chemischen Substanzen bzw. aus Metallen bzw. Metallegierungen bestehende Zwischenschicht vorgesehen ist, die ebenfalls, beispielsweise nach Erhitzen,' mit mindestens einem der beiden Metalle des Verbundkörpers oder mit dem durch das Mantelmaterial dringenden Gas im Bereich der Trennschicht reagiert oder aus diesem Bestandteile aufnimmt und somit eine Isolationsschicht erzeugt. Es erscheint ferner im Rahmen der Erfindung möglich, Kernmaterialien mit oder ohne chemische Zusatzstoffe im Bereich der Trennflächen anzuwenden, die von einem, wenigstens unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise bei hoher Temperatur, gasdurchlässigen, metallischen Mantel umgeben sind, wobei die hindurchtretenden Gase die Reaktion im Bereich der Trennschicht und damit die Herstellung der Isolierschicht bedingen. Es kann ferner zweckmäßig sein, eine Zwischen» schicht auf dem Kern- oder Mantelmaterial (z.B> vorteilhaft ein galvanischer oder aufgedampfter überzug des Kernmaterials) vorzusehen, welche in gleicher Weise reagiert.

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Ein derartiger metallischer Verbundkörper erfüllt die eingangs gestellten Forderungen und ist außerdem vor und sogar gegebenenfalls nach der Erzeugung der Isolierschicht spanlos verformbar.

Es kann zweckmäßig sein, daß das Mantelmaterial eine hohe Löslichkeit für solche Gase aufweist, die mit dem Kernmaterial an dessen Trennfläche eine Isolierschicht bilden. Dabei eignen sich beispielsweise Silber und Kupfer wegen ihrer hohen Sauerstofflöslichkeit besonders als Mantelwerkstoffe, wenn das Kernmaterial oder dessen Überzug zweckmäßig so gewählt ist, daß an seiner Oberfläche stabile, nichtleitende Oxide gebildet werden. Eine solche oxidische Schicht auf dem Kernwerkstoff kann dabei zweckmäßig durch Glühen des Manteldrahtes oder des in sonstiger Form gestalteten Verbundkörpers in einer oxydierenden Atmosphäre erfolgen.

Besonders zweckmäßig erscheint die Verwendung eines Kernmaterials aus einer Kupfer-Nickel-Legierung, vorzugsweise mit 44 Gewichtsprozent Nickelanteil, von der bekannt ist, daß sich auf ihr festhaftende Oxidschichten erzeugen lassen, die hervorragende elektrische Isolationseigenschaften aufweisen.

Eine weitere Verbesserung kann gegebenenfalls dadurch erreicht werden, daß einer Nickellegierung Zusätze zwischen 1 bis 12 Mol% Aluminium zugegeben werden. Bei einer Wärmebehandlung in reinem Sauerstoff oder anderer oxydierender

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Atmosphäre bildet sich auf der Oberfläche 'dieser Legierung eine zähe und dichte Al^O^-Schicht, die günstige· Isolationseigenschaften aufweist. Es sind ferner Legierungen von Nickel und Chrom als Kernwerkstoffe geeignet. Bei derartigen Legierungen läßt sich die Zunderhaftfestigkeit durch Zulegierung von geringen Mengen Calcium und/oder Cer, beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 1 Atomprozent, wesentlich steigern.

Bei einem zweckmäßigen Herstellungsverfahren für einen derartigen metallischen Verbundkörper bildet eine mehrfache, gemeinsame spanlose Verformung des Kern- und Mantelmaterials die Ausgangsgrundlage. Anschließend folgt eine Grlühung in oxydierender oder sonstiger Weise die Reaktion auslösender bzw. beschleunigender Atmosphäre, wobei an der Trennschicht oder in einer metallischen Zwischenschicht die gewünschte Isolationsschicht erzeugt wird. Nach dem Abkühlen ist der Verbundkörper beispielsweise in Drahtform verwendungsfähig.

Ausführungsbeispiel

In einem rohrförmigen Manteldraht von 3,2 mm Außendurchmesser und 1 mm Wandstärke aus Silber wird ein zylinderförmiger Kern, gleichfalls in Drahtform eingesetzt, dessen Durchmesser 1 mm beträgt. Als Kernwerkstoff wurde die Legierung CuNi 44, d. h. eine Kupferlegierung mit 44 Gewichtsprozent Nickelanteil gewählt.

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Der so gebildete metallische Verbundkörper wird zunächst mehrfach spanlos verformt bis ein Außendurchmesser des Verbunddrahtes von 1 mm erreicht ist. Der Innendurchmesser des Kernmaterials beträgt danach 0,33 mm. Anschließend wird der Verbunddraht in Luft (oder Sauerstoff) für die Dauer von 3 Stunden bei einer Temperatur von etwa 800° geglüht. Dabei bildet sich an der Trennschicht zwischen Kern- und Mantelmaterial eine oxidische Isolationsschicht. Nach dem Abkühlen ist der in Drahtform hergestellte metallische Verbundkörper weiterverwendbar .

Bei Anwendung der Merkmale der Erfindung wird ein wesentlicher technischer Fortschritt hinsichtlich der Wärmeübertragung, Temperaturbeständigkeit und Verformbarkeit isolierter Verbundelemente, insbesondere Drähte, erreicht. Neben der beschriebenen oxidischen Reaktion könnten auch andere chemische oder sonstige Reaktionen, beispielsweise Stickstoffreaktionen bzw₀ Kohlenstoffreaktionen zur Bildung einer Isolationsschicht verwendet werden.

In der Zeichnung ist ein Querschnitt durch einen metallischen Verbundkörper in Drahtform gezeigt. Man erkennt einen Kern 1, der von einem Mantel 2 umgeben ist. An der Trennschicht 3 zwischen Kern- und Mantelmaterial liegt eine durch chemische oder sonstige Reaktion mit mindestens einem der metallischen Werkstoffe des Verbundkörpers erzeugte Isolationsschicht 3.

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Claims

Ansprüche

1. JMetallischer Verbundkörper, vorzugsweise in Drahtform, wobei ein Kern mit einem gegenüber diesem elektrisch isolierten Mantel umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolationsschicht mindestens eine Reaktionskomponente des Kern- und/oder Mantelmaterials bzw. einer Zwischenschicht zwischen Kern- und Mantelmaterial enthält.

2. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelmaterial eine hohe Löslichkeit für solche Gase aufweist, die mit dem Kernmaterial bzw. der Zwischenschicht an der Trennfläche eine Isolierschicht bilden.

3. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 1,. d- a durch gekennzeichnet, daß das Mantelmaterial wenigstens bei hoher Temperatur für solche Gase durchlässig ist, die mit dem Kernmaterial bzw. mit der Zwischenschicht an dessen Oberfläche eine Isolierschicht bilden.

4. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 1 oder 2_S dadurch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial bzw. die Zwischenschicht aus solchen Werkstoffen besteht, die an ihrer Oberfläche stabile, nichtleitende Oxide bilden.

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5. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 3, d a durch gekennzeichnet, daß das Mantelmaterial eine hohe Löslichkeit für Sauerstoff aufweist.

6. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 5, d a durch gekennzeichnet, daß das Mantelmaterial wenigstens teilweise aus Silber besteht.

7. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 5, d a durch gekennzeichnet, daß das Mantelmaterial wenigstens teilweise aus Kupfer besteht.

8. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 4, d a durch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial aus einer Kupfer-Nickel-Legierung besteht.

9. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 4, d a durch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial aus einer Nickel-Chrom-Legierung besteht.

10. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 4, d a durch gekennzeichnet, daß das Kernmaterial aus einer Nickellegierung besteht, welche 1 bis 12 Mol# Aluminium enthält.

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11. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzlicher Legierungsbestandteil 0,01 bis 1 Aton$ Calcium vorgesehen ist.

12. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzlicher Legierungsbestandteil 0,01 bis 1 Atomgew. 1° Cer vorgesehen ist.

13. Metallischer Verbundkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Legierungsbestandteile Calcium und Cer in einem Anteil von insgesamt 0,01 bis 1 Atom^ vorgesehen sind.

14. Metallischer Verbundkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn ζ eich net, daß das Mantelmaterial eine hohe Löslichkeit für Stickstoff aufweist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß ein metallischer Manteldraht mehrfach nacheinanderfolgend spanlos verformt wird, und daß eine G-lühbehandlung in oxydierender Atmosphäre angeschlossen wird, welche im Bereich der Trennschicht eine Isolationsschicht erzeugt.

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