DE2305047B2 - Verfahren zur Herstellung von glasisoliertem Gußmikrodraht mit hohem elektrischem Widerstand - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von glasisoliertem Gußmi- r> krodraht, bei dem in einem Glasrohr befindliches Metall geschmolzen und die Metallschmelze bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls gehalten wird, während das Glasrohr in einer induktiv beheizten Schmelzzone zu einer Glaskapillare ausgezo- ">o gen und dabei diese Glaskapillare mit flüssigem Metall gefüllt wird. Ein solches Verfahren ist aus der US-Patentschrift 32 14 805 bekannt.

Bei diesem bekannten Verfahren wird der Schmelzzone kontinuierlich das Glasrohr sowie innerhalb '» desselben das Metall in Form eines Stabes zugeführt, wobei es in der Schmelzzone zum Schmelzen des Metalls und zum Erweichen des Glases kommt.

Bei diesem bekannten Verfahren besteht deswegen kaum eine Möglichkeit, die Parameter des laufenden wi Verfahrens zu beeinflussen, als das Glasrohr und der Metallstab der Schmelzzone mit einer bestimmten Geschwindigkeit zugeführt werden und sich hieraus zwangsläufig auch das Verhältnis der Dicke des fertigen Gußmikrodrahtes zu seiner Glasumhüllung ergibt. b> Außerdem besteht keine Möglichkeit, die Zusammensetzung der Schmelze in einem bestimmten gewünschten Sinne zu verändern, z. B. durch Entfernen der flüchtigen Komponenten, da die Schmelzzone allseits geschlossen ist und der oberhalb der Schmelzzone im Glasrohr befindliche Metallstab eine solche Entfernung unmöglich macht.

Dieser letztere Umstand ist deswegen von besonderem Nachteil, als der von oben her in die Schmelzzone gelangende Metallstab die Oxide vor sich her treibt, was eine einwandfreie Ausbildung des Gußmikrodrahtes stört. Wegen dieses Umstandes kann der Prozeß auch nicht bei größeren Geschwindigkeiten verlaufen, ist also nicht sehr produktiv, und die Querabmessungen des Drahtes können nicht unter etwa 20 bis 25 μηι verringert werden, so daß der erhaltene Gußmikrodraht nicht mit sehr hohem auf die Länge bezogenen Widerstand hergestellt werden kann.

Weiterhin sind bei dem bekannten Verfahren die in einer freien Schmelze möglichen durch magnetohydrodynamische Kräfte verursachten Bewegungen weitgehend verhindert, so daß es nicht zu einer Absonderung und Abdrängung von nur schwach leitenden Oxiden an die Peripherie der Schmelze kommen kann.

Schließlich kann die Zusammensetzung und die Konfiguration der Schmelze vor dem Beginn des Ausziehens zur Herstellung des Gußmikrodrahtes nicht geändert werden.

Die vorstehend genannten Nachteile haben vor allem zur Folge, daß sehr hohe längenbezogene Widerstände des hergestellten Gußmikrodrahtes nicht erreichbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem Gußmikrodraht mit sehr hohem und gleichmäßigem längenbezogenem Widerstand herstellbar ist.

Ausgehend von dem Verfahren der eingangs beschriebenen Art wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in das Glasrohr eine über der kritischen Masse, d. h. der Masse, bei der die Ausstoßungskräfte des Induktionsfeldes dem Gewicht gleich werden, liegende Menge des Metalls eingefüllt und seine Schmelze bis zur Stabilisierung seiner chemischen Zusammensetzung und der Bildung einer Übergangsschicht aus Silikaten und Metalloxiden auf erhöhter Temperatur im Glasrohr gehalten wird, sodann das Glasrohr in die induktiv beheizte Schrnelzzone mit solcher Geschwindigkeit geführt wird, daß die nicht mit dem Glasrohr in Berührung stehende obere Fläche der Metallschmelze frei von Glas- und Oxidhaut bleibt, daß mit dem Füllen der Glaskapillare dann begonnen wird, wenn das Entgasen der flüchtigen Komponenten der Metallschmelze aufgehört hat und wenn soviel der Metallschmelze entfernt worden ist, daß unter den nunmehr herrschenden Bedingungen ungefähr die kritische Masse vorliegt.

Bei einem solchen Vorgehen wird es möglich, vor dem Beginn der Mikrodrahtherstellung die Zusammensetzung der Schmelze in gewünschter Weise durch Entgasung der flüchtigen Komponenten einzustellen und zu stabilisieren. Dabei bildet sich zwischen der Metallschmelze und der Wand des Glasrohres eine Übergangsschicht aus schwerschmelzenden Oxiden, deren Dicke beeinflußt werden kann durch die Geschwindigkeit des Vorschubs des Glasrohres und die Abzugsgeschwindigkeit der Glaskapillare. Bei dem bekannten Verfahren bildet sich wegen der erwähnten Behinderung freier Bewegungen eine solche Übergangsschicht nicht. Durch die Erfindung wird es möglich, einen um 5- bis lOfach höheren längenbezogenen Widerstand des hergestellten Gußmikrodrahts zu

erreichen.

Es ist zweckmäßig, wenn zu Beginn der Mikrodrahtherstellung soviel Metall eingefüllt wird, daß seine Menge um 20-40% über der anfangs geltenden kritischen Masse liegt. Die Haltezeil der Schmelze wird dann zweckmäßigerweise auf mindestens 35 min eingestellt und die Temperatur dabei um 8—10% über der in 'C ausgedrückten Schmelztemperatur gehalten.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von konkreten Beispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:

Fi g. I ein Diagramm der statistischen Verteilung des Widerstands von nach bekannten Verfahren hergestellten Gußmikrodrähten;

F i g. 2 ein Diagramm der statistischen Verteilung des Widerslands von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gußmikrodrähten;

Fig. 3 das Schema einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Das Herstellen des Gußmikrodrahtes geschieht gemäß F ig. 3 in der Weise, daß ein Hochfrequenzinduktor 1 das in einem Glasrohr 2 befindliche Metall, z. B. eine Widerstandslegierung erhitzt und schmilzt bzw. die Metallschmelze 3 auf Temperatur hält. Dabei erweicht sich das untere Ende des Glasrohres und man beginnt mit dem Ziehen einer Glaskapillare. Dabei wird noch kein Metall mit in die Glaskapillare hineingezogen, weil die Ausstoßungskräfte des Feldes des Hochfrequenzinduktors dem entgegenwirken.

Das Metall schmilzt vielmehr zu einem Tropfen, der im elektromagnetischen Feld des Induktors in der Schwebe gehalten ist. Der Tropfen überzieht sich mit erweichtem Glas und bilde», zusammen mit diesem eine Zwiebelforni aus Glas, Metall und einer Übergangsschicht 5 zwischen diesen, die aus Produkten ihres Zusammenwirkens besteht. Dieses System wird Mikrobad genannt.

Die Wände dieses Mikrobades bewegen sich und ziehen sich dabei während der Herstellung des Mikrodrahtes zur Kapillare zusammen. Jedoch lullt sich die Kapillare nicht selbsttätig, etwa durch schwerkraftbedingtes Hineinfließen des Metalls, weil die Kräfte des Induktionsfeldes, die das Metall aus der Kapillare auszustoßen suchen, die Kräfte überwiegen, die das Metall in die Kapillare mitziehen wollen.

Wenn jedoch die Temperaturverhältnisse im unteren Teil des Mikrobades in der Weise geändert werden, daß hier eine Kristallisation des Metalls beginnt, beispielsweise durch Einschalten eines kühlenden Flüssigkeitsoder Luftstrahls 8 oder durch eine sonstige Abkühlung, so wird die erhöhte Zähigkeit des Metalls im Sinne einer Erhöhung der die Mitnahme des Metalls begünstigenden Kräfte wirken und es beginnt das Fließen des Metalls in die Glaskapillare und somit das Gießen des Mikrodrahtes.

Die metallographischen Untersuchungen bestätigen den Gußcharakter der Metallader des Mikrodrahtes.

Ein weiteres notwendiges Merkmal des Verfahrensablaufs ist, daß das Ziehen des Mikrodrahtes, also der Metallader mit Glasisolation, nicht sofort nach dem Schmelzen des Mikrobades beginnt, sondern dieses eine bestimmte Zeit gehalten wird. Diese Etappe des Verfahrensablaufs besteht darin, daß das Mikrobad eine bestimmte Zeit bei einer Temperatur gehalten wird, die die Schmelztemperatur des Metalls um 8 bis 10% übersteigt, wobei alle Bedingungen konstant gehalten werden, darunter auch das elektromagnetische Feld des Hochfrequenzinduktors. Die genannten 8 bis 10% beziehen sich dabei auf die in Grad Celsius ausgedrückte Schmelztemperatur des Metalls.

Dieses Halten des Mikrobades soll dauern, bis sich die chemische Zusammensetzung desselben stabilisiert hat, was sich dadurch anzeigt, daß keine flüchtigen Bestandteile mehr verdampfen. Dabei wird die Glaskapillare schon mit einer solchen Geschwindigkeit gezogen, daß sich im oberen Teil des Metalltropfens des Mikrobades ein Gebiet bildet, das frei vor Glasfilm und Oxiden ist. Bei diesem Ziehen der Glaskapillare geschehen Veränderungen der Zusammensetzung des Mikrobades und die Zufuhr des Glasrohres in die Schmelzzone gewährleistet das dynamische Gleichgewicht der äußeren Bedingungen und die Aufrechterhaltung des Mikrobades.

Die Zufuhr des Glasrohres in die Schmelzzone ist mit der Abzugsgeschwindigkeit der Glaskapillare derart abgestimmt, daß die Wandstärke der letzteren weitgehend konstant ist.

Die Metalleinwaage des Mikrobades beim vorliegenden Verfahren liegt über der kritischen Masse. Unter der kritischen Masse der Einwaage versteht man beim vorliegenden tiegellosen Schmelzen von Metall im Schwebezustand mittels eines Hochfrequenzinduktors die Masse, deren Gewicht der Ausstoßungskraft des elektromagnetischen Feldes des Induktors gleich ist. Bei der kritischen Masse halten die Ausstoßungskräftc des Induktorfeldes also dem Gewicht des Metalls das Gleichgewicht, während eine Vergrößerung der Masse die AusstoÜb.igskräfte stärker zunehmen läßt als das Gewicht.

Beim Guß von Mikrodraht wird die Einwaage mit einer Masse, die die kritische Masse übersteigt, im Induktor durch die Wirkung von Kräften nichtelektrischer Herkunft, insbesondere der Viskositiitskräfte der Glashülle des Mikrobades, gehalten.

Bei einer Masse der Einwaage, die die kritische Masse bedeutend übertrifft, bilden sich an der Oberfläche der Metallschmelze an den Stellen, wo die induzierten Wirbelströme gleich Null sind, Falten. Durch diese Falten wird das Metall ausgedrückt, und es dringt in die Glashülle ein, die ein Ausfließen der Metalllropfen durch die Falten verhindert. Das führt zu einer Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Schmelze und dem Glas. An der Grenzfläche zwischen diesen kommt es zu einem gegenseitigen Eindringen der Glasbestandteile in die Schmelze und umgekehrt, was sowohl als Ergebnis chemischer Reaktionen wie auch auf rein mechanischem Wege geschieht.

Das Eindringen auf mechanischem Wege ist insbesondere durch die wirbeiförmige Bewegung des Metalls innerhalb des Mikrobades bedingt, die ein Abreißen der Glas-Metall-Schichten aus dem Gebiet der Falten und deren intensives Vermischen in den lieferliegenden Bereichen der Schmelze hervorruft. Die durchgeführten Untersuchungen ergaben, daß die optimalen Verhältnisse für dieses Vermischen ohne Gefahr der Zerstörung der Glashülle gegeben sind, wenn die Masse der Einwaage die kritische Masse um 20—40% übersteigt.

Außerdem steigt mit der Zunahme der Masse der Einwaage beim Guß des Mikrodrahtes die Temperatur der Einwaage, weil dann das Mikrobad tiefer in den Induktor, d.h. in den Bereich der höchsten elektromagnetischen Feldstärke gelangt. Die Temperatursteigerung trägt dazu bei, daß ein Teil der Oxyde des Metalls schmilzt, sich in der Metallschmelze auflöst und durch die Zirkulation im ganzen Volumen des Mikrobades verteilt wird. Ein anderer Teil der Oxyde mit höherer

Schmelztemperatur geht in Zwei- und Mehrkomponentensilikate über, die sich im Mikrobad auflösen. Besonders hochschmelzende Oxyde steigen in Form von unlösbaren Einschlüssen an die Oberfläche des Mikrobades auf. ι

Die Änderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften des Mikrobades führt zur Steigerung des Koeffizienten der Oberflächenspannung der Schmelze und verbessert die Adhäsion zwischen Glas und Metall. Das vergrößert seinerseits die kritische Masse des κ Metalls, die der Oberflächenspannung des Metalls gemäß folgender Beziehung proportional ist:

Hl = A

Ir

Dabeiist

kritische Masse;

Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes in das Metall;

— = Kapillarkonstante;

Koeffizient der Oberflächenspannung;
Dichte;

dimensionsloser Koeffizient, der von der gegenseitigen Topologie des Induktors und des Mikrobades abhängig ist.

Die optimale Gußführung wird bei einer Masse der Metallschmelze erreicht, die der kritischen Masse gleich ist oder dieser naheliegt. Deshalb bedingt der oben beschriebene Prozeß eine Verschiebung der optimalen Gußführung bei der Herstellung des Mikrodrahtes in Richtung zur Verwendung von größeren Metallmengen und folglich von höheren Temperaturen.

Bei dem anschließenden Ziehen einer Glaskapillare ohne Mitnahme des Metalls der Schmelze kommt es zu einer Stabilisierung der chemischen Zusammensetzung. Die Temperung, d. h. das Ziehen der Kapillare ohne Ader dauert mindestens 35 Minuten im optimalen Betriebszustand. Im Laufe dieser Zeitspanne tritt ein stabiler Gleichgewichtszustand ein, der lange genug anhält, und beim anschließenden Ziehen der Kapillare mit einer Ader weisen die Zusammensetzungen des Mikrobades und der Ader keine Unterschiede auf. Der spezifische Widerstand des Adermetalls, z. B. von Manganin, vergrößert sich bei der Temperung um das 1,5- bis 2fache und bleibt auf diesem Niveau im Laufe des ganzen Gußprozesses. Die Konstanz des Temperaturkoeffizienten des Widerstandes des Mikrodrahtes ist sehr gut und wesentlich besser als bei den bekannten Verfahren. Dabei wird die Temperung des Mikrobades unter optimalen Bedingungen bei einer Temperatur der Schmelze durchgeführt, die um 8 bis 10% die in Grad Celsius ausgedrückte Schmelztemperatur des Ausgangsmetalls übersteigt.

Im Laufe der Temperung wird die durchschnittliche Geschwindigkeit der Zuführung des Glasrohres in die Schmelzzone so eingestellt, daß sich an der Oberfläche der Schmelze ein von Glas und Oxyden freier Bereich 4 bildet. Die Untersuchungen ergaben, daß diese Geschwindigkeit die bei bekannten Verfahren übliche Geschwindigkeit der Zuführung des Glasrohrs beim Guß von Mikrodraht mindestens um das 2fachc übertrifft, d. h. mindestens 4,0 mm/min beträgt.

Eine solche erhöhte Geschwindigkeit der Zuführung des Glasrohrs 2 führt dazu, daß infolge der viskosen Reibung der Schicht aus Glas und Oxyden der Tropfen aus dem oberen Teil nach unten in die Kapillare mitgerissen wird. Durch den zentralen Teil dei Oberfläche des Tropfens, der sich von der Haut aus Oxyden befreit hat, findet ein intensiver Gasaustauscli statt. Dabei verdampfen von hier aus im Laufe dei Temperung die leichtflüchtigen Komponenten der Schmelze. Aus Manganin z. B. verdampft Mangan.

Der Gußprozeß des Mikrodrahts beginnt nach der Beendigung der Temperung des Mikrobades, wenn das intensive Verdampfen der leichtflüchtigen Komponenten aus der Schmelze aufgehört hat. Es wird dann soviel von der Metallschmelze entfernt, daß unter den jetzi herrschenden Bedingungen ungefähr die kritische Masse vorliegt. Dieses Entfernen eines Teils dei Schmelze geschieht dadurch, daß der untere Teil des geschmolzenen Metalls, der mit einer Glasschichi überzogen ist, mit der Glaskapillare ausgetragen wird.

Die kritische Masse der Schmelze vergrößert sich nach der Temperung. Deshalb ist die Temperatur dei Metallschmelze beim Guß des Mikrodrahtes nach derr erfindungsgemäßen Verfahren höher, als bei den bekannten Verfahren, wobei sich gleichzeitig die Gußeigenschaften verbessern. Die Erhöhung der Temperatur des Glases des Mikrobads führt zu einer Verminderung seiner Viskosität, was zu einer Verminderung des Innendurchmessers der Kapillare und folglich der Mikrodrahtader führt. Der Durchmesser der Ader vermindert sich auch infolge der Änderung der Oberflächenspannung der Schmelze und der Größe der Adhäsion zwischen Glas und Metall.

Auf diese Weise kommt die Vergrößerung des längenbezogenen Widerstandes des nach dem vorliegenden Verfahren hergestellten Mikrodrahtes einerseits durch die Verminderung des Innendurchmessers der Glaskapillare und damit auch der Metallader und andererseits durch die Erhöhung des spezifischer Widerstandes der Metallegierung aufgrund der physikalisch-chemischen Prozesse bei der Temperung zustande.

Das vorliegende Verfahren ermöglicht eine großtechnische Herstellung von Mikrodrähten mit hohem Widerstand je Längeneinheit, beispielsweise für Manganin bis zu 640 Kiloohm/m und für Nickellegierungen bis zu 1300 Kiloohm/m. Optimale ProzeQparameter erge bcn sich aus der nachstehenden Tabelle:

l.UI. Parameter
Nr.

Maßeinheit Legierung auf Nickelbasis

Manganin

Liingenbczogencr Widerstand k'2/m

Durchmesser dos Glasrohres mm

Dicke der Rohrwand mm

Öffnungswinkel des Induktors Grad C

160-320 320-630 630-1250 160-320 320-630

8-9 9-11 11-11,5 10,1-11 11-11,6

0,8-1 1,1-1,1 1,1-1,2 LO-Ll 1,2

90 80 85-90 90

Kortsct/unu

Parameter

MaUcinhoil Legierung auf Nickelbasis

Manganin

4	Temperungszeit	min	35-40	35-45	45-50	40-42	40-42
5	Geschwindigkeit der Zuführung des Rohres beim Guß	mm/min	1,2	1,2-1,3	1,4	1-1,2	1,0
6	Strom im Anodenkreis des Generators	A	0,7-0,8	0,8-0,')	0,9	0,9	0,9
7	Beginn des Prozesses	g	1,5-2,0	1,8-2,2	2,5	1,7	1,7-2,0
8	A ufwitkelgesch windigkeit	m/min	250	250	250	200	200
9	Höhe des Induktors	mm	12	12	12	9	9
10	Stromfrequenz	kHz	-	880	-	440	-
Il	Vakuum im Glasrohr	mm WS	10-12	8-10	6-10	_

Nach dem vorliegenden Verfahren kann eine beträchtliche Produktivität erreicht werden. Pro Arbeitsschicht von 8 Stunden kann bei Manganinmikrodraht die Ausbeute 1920 Megaohm (Drahtlänge von 12 000 m mit 160 Kiloohm/m) oder bei Sonderlegierungen bis zu 4200 Megaohm betragen. Die Kosten sinken dabei bei der Herstellung des Mikrodrahtes aus Manganin um das 2fache und bei der Herstellung des Mikrodrahtes aus Sonderlegierungen fast um das 5fache.

F i g. 1 und F i g. 2 zeigen zum Vergleich die Verteilung des längenbezogenen Widerstandes von Manganinmikrodraht bei dessen Herstellung nach bekannten Verfahren (F ig. l)und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren (F i g. 2).

Es bedeutet -^ das Verhältnis der mit dem an der

Abszisse angegebenen längenbezogenen Widerstandswert r in kSl/m erhaltenen Menge Mikrodraht zu der gesamten Menge des hergestellten Mikrodrahtes. Aus der Fig. 1 ist zu ersehen, daß bei der Herstellung des Mikrodrahtes nach dem bekannten Verfahren der größte Teil des Mikrodrahtes mit einem Widerstand je Längeneinheit von 20 Kiloohm/m zu erwarten ist, unc bei der Herstellung des Mikrodrahtes nach derr vorliegenden Verfahren (F i g. 2) mit einem Widerstanc je Längeneinheit von 300 Kiloohm/m.

Es läßt sich Mikrodraht mit folgenden Parametern herstellen:

1. Widerstand je Längeneinheit

2. Gesamtwiderstand eines Mikrodrahtstückes auf der Spule

3. Ausbeute an Mikrodraht mit einem Widerstand je Längeneinheit von über 100 Kiloohm/m

a) bei Manganin

b) bei Sonderlegierungen

4. Zerreißlast

5. Zerreißfestigkeitsgrenze

6. Durchmesser der Ader

7. Dicke der Isolation

160-1000 Kiloohm/m 600-680 Megaohm

80% 90%

12-24g

über 300 kp/mm² 0,5- 3 μπι 8-12μηι

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von glasisoliertem Gußmikrodraht, bei dem in einem Glasrohr befindliches Metall geschmolzen und die Metallschmelze bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls gehalten wird, während das Glasrohr in einer induktiv beheizten Schmelzzone zu einer Glaskapillare ausgezogen und dabei diese Glaskapillare mit flüssigem Metall gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in das Glasrohr eine über der kritischen Masse, d. h. der Masse, bei der die Ausstoßungskräfte des Induktionsfeldes dem Gewicht gleich werden, liegende Menge des Metalls eingefüllt und seine Schmelze bis zur Stabilisierung seiner chemischen Zusammensetzung und der Bildung einer Übergangsschicht aus Silikaten und Metalloxiden auf erhöhter Temperatur im Glasrohr gehalten wird, sodann das Glasrohr in die induktiv beheizte Schmelzzone mil solcher Geschwindigkeit geführt wird, daß die nicht mit dem Glasrohr in Berührung stehende obere Fläche der Metallschmelze frei von Glas- und Oxidhaut bleibt, daß mit dem Füllen der Glaskapillare dann begonnen wird, wenn das Entgasen der flüchtigen Komponenten der Metallschmelze aufgehört hat und wenn soviel der Metallschmelze entfernt worden ist, daß unter den nunmehr herrschenden Bedingungen ungefähr die kritische Masse vorliegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß soviel Metall eingefüllt wird, daß seine Menge um 20 bis 40% über der anfangs geltenden kritischen Masse liegt.

3. Verfahren nach den Atisprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltezeit der Schmelze auf mindestens 35 min eingestellt und die Temperatur dabei um 8 bis 10% über der in "C ausgedrückten Schmelztemperatur gehalten wird.