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Verstärktes Metallfilter und Verfahren zu dessen Herstellung
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Die Erfindung betrifft ein verstärktes Metallfilter und ein Verfahren
zu dessen Herstellung, bei dem das Porenverhältnis genau gesteuert wird.
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Ein Filtermaterial, das durch Komprimieren und nachfolgendes Sintern
eines gewebeartigen Systems von vielen feinen Metalldrähten oder durch Sintern eines
Metallpulvers erhalten wird, ist allgemein bekannt. Insbesondere wurde das Filtermaterial,
das man durch Komprimieren des gewebeartigen Systems von feinen Metalldrähten erhält,
in weitem Umfang angewandt, und zwar deswegen, weil es im Vergleich mit einem Filtermaterial,
das von einem Metallpulver erhalten wird, ein großes Porenverhältnis und große Festigkeit
hat.
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Unabhängig von einem erhöhten Bedarf an solchem Filtermaterial, hat
es sich herausgestellt, daß es wünschenswert ist, das vorerwähnte, gesinterte Filtermaterial
in mehreren Hinsichten zu verbessern, die nachfolgend erläutert sind.
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(1) Durch die Komprimierung sollte eine hohe Filterleistungsfähigkeit
und ein genügend großes Porenverhältnis aufrechterhalten werden. Im allgemeinen
ist die Filterleistungsfähigkeit umgekehrt proportional zum Porenverhältnis, und
zwar aufgrund des Herstellungsverfahrens. Ein Filtermaterial, das diese beiden Erfordernisse
erfüllt, konnte mittels konventioneller Verfahren nicht hergestellt werden.
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(2) Die Verschmelzungs- bzw. Vereinigungsfestigkeit im gesinterten
Teil muß in beträchtlichem Umfang aufrechterhalten werden. Ein Filter unterliegt
oft einer Abblätterung im gesinterten Teil, wodurch das Porenverhältnis und die
Filterleistungsfähigkeit herabgesetzt werden. Da dieses für viele Zwecke nicht wünschenswert
ist, ist eine hohe Festigkeit im gesinterten Teil erforderlich. Jedoch läßt sich
im Unterschied zu Filtern, die aus Metallpulver hergestellt sind, eine genügende
Verschmelzung zwischen den Drähten nicht unabhängig von der Ausrichtung und der
Kompression jedes der Drähte in dem Filter aus feinen Metalldrähten erzielen.
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(3) Die Leichtigkeit, mit der das Porenverhältnis des Produktes gesteuert
werden kann: Gemäß den konventionellen Verfahren wird das Porenverhältnis eines
Filters durch den Kompressionsgrad gesteuert. Aber das Porenverhältnis wird durch
den angewandten Kompressionsgrad nicht genügend verändert. Infolgedessen ist das
Porenverhältnis der kommerziellen Produkte, die insoweit erhältlich sind, nicht
genügend genau gesteuert. Die Steuerung des Porenverhältnisses ist notwendig, damit
die Leistungsfähigkeit einer verhältnismäßig genauen Filtereinrichtung berechnet
werden kann.
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(4) Die Erzielung von Produkten durch ein einfaches Verfahren: Die
konventionellen Verfahren zum Herstellen eines solchen Filters beinhalten eine wiederholte
Kompression nach dem Ausglühen bzw. Enthärten, und das ist das Verfahren,
das
dazu benutzt worden ist, das Porenverhältnis und die Filterleistungsfähigkeit des
Produktes zu steuern. Jedoch ist, wenn die Kompression und das Ausglühen nicht gleichzeitig
durchgeführt werden, wie das in diesem Fall geschieht, nicht nur der Wärmewirkungsgrad
niedrig, sondern die Diffusion von Metall in den geschmolzenen Teil wird durch unzulängliche
Wärmeübertragung und wiederholte Erhitzung und Kompression verhindert, wodurch gelegentlich
das Entstehen eines heterogenen Teils bewirkt wird, der sich von massiven Schmelzteilen
im System ergibt.
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(5) Steuerung der freien Teilchen, die sich aus wiederholter Erhitzung
und Kompression ergeben.
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Die vorliegende Erfindung gibt eine Lösung der obengenannten Probleme
und betrifft das Herstellen von Filtermaterial, das durch gleichzeitige Kompression
und Sinterung einer Masse feiner Metalldrähte erhalten wird. Wesentliche Vorteile,
die mit der vorliegenden Erfindung erzielt werden, sind nämlich folgende.
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(1) Herstellung eines verstärkten Metallfilters, das ein großes Porenverhältnis
hat, und zwar unter Verwendung von feinen Metalldrähten.
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(2) Herstellung eines Filtermaterials mit einem großen Porenverhältnis
und hoher Filterungsleistungsfähigkeit.
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(3) Herstellung eines homogenen Filtermaterials guter Qualität.
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(4) Entwicklung eines Verfahrens, mit dem das Porenverhältnis des
Filtermaterials genau gesteuert werden kann.
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(5) Entwicklung eines einfachen Verfahrens zum Herstellen von Filtermaterialien.
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(6) Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Filtermaterialien
mit hoher Wärmeleistungsfähigkeit bzw.
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-ausnutzung und einer guten Qualität.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein verstärktes Metallfilter
zur Verfügung gestellt, bei dem das Porenverhältnis genau gesteuert ist. Ein solches
Metallfilter, dessen Poren durch eine Metall-Metall-Diffusion zwischen den Verschmelzungsebenen,
die eine genügend große Fläche innerhalb des Kontaktbereichs zwischen den Kanten
feiner Metalldrähte haben, aufgebaut sind, wird aus einem Gewebe bzw.
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Netz (einem Netzwerk) von feinen rostfreien Stahldrähten, deren Querschnitt
polygonal bzw. vieleckig ist, hergestellt.
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Die Verstärkung des Filters und die Steuerung des Porenverhältnisses
werden dadurch erzielt, daß man ein feines Metalldrahtnetzwerk gleichzeitig komprimiert
und erhitzt.
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Gleichzeitiges Komprimieren und Erhitzen ergibt eine wirksame Metall-Metall-Verschmelzung
längs der Kanten der im Querschnitt rechteckigen bzw. vieleckigen, feinen Metalldrähte
über einen weiten Bereich des Metalldrahtnetzwerks.
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Es legt weiterhin die Porenradien so fest, daß sie allein eine Funktion
des Druckes sind.
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Ein hervorragendes Merkmal des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens
ist der Prozeß der gleichzeitigen Kompression und Erhitzung, ohne daß diese Prozesse
abwechselnd wiederholt werden. Diese neue Technik schaltet ein überschüssiges Verschmelzen
der Poren, die in dem Metalldrahtnetzwerk ausgebildet sind, aus, und sie vermindert
die Ausbildung freier Teilchen, die aus einem Biegen oder einem Bruch der Drähte
herrühren. Weiterhin wird, obwohl die Verfahrensweise
einfach ist,
eine genügende Metall-Metall-Verschmelzung erzielt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den Fig. 1 bis
9 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele
näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine auseinandergezogene Darstellung feiner,
rostfreier Stahldrähte, wie sie Anwendung finden; Fig.2A die gewebe- bzw. netzartige
Masse von rostfreien Stahldrähten; Fig.2B ein Netzwerk von rostfreien Stahldrähten;
Fig. 3 das Filtermaterial, das man durch Erhitzen und Komprimieren der in Fig. 2
gezeigten Massen erhält; Fig. 4 einen teilweisen Querschnitt durch das Filtermaterial,
das man durch Erhitzen und Komprimieren der Masse erhält, welche durch Ansammlung
des in Fig. 2B gezeigten Netzwerks erzielt wird; Fig. 5 einen teilweisen Querschnitt
des Filtermaterials, welches man durch Erhitzen und Komprimieren der baumwollartigen
Masse des Netzwerks erhält; Fig.6A eine teilweise auseinandergezogene Ansicht des
kombinierten Systems von Gewebe und Netzwerk; Fig.6B eine teilweise auseinandergezogene
Ansicht der Oberfläche des Filtermaterials, das aus dem in Fig. 6A gezeigten Material
hergestellt ist; Fig.7A eine auseinandergezogene Ansicht des Gewebes; Fig.7B eine
teilweise auseinandergezogene Ansicht des Filterstoffs, den man durch Komprimieren
und Erhitzen des Materials gemäß Fig. 7A aufgrund des Verfahrens der Fig.3 bzw.
9 erhalten hat; Fig. 8 eine weitere, auseinandergezogene Ansicht der Fig.7B; und
Fig. 9 eine schematische Darstellung des Ofens zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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Die Gewebe- bzw. Gespinst- bzw. Strangmasse (Fig.2A), die nachstehend
abgekürzt als vernetzte Masse" bezeichnet wird, und die angehäuften bzw. übereinandergelegten
Schichten des Netz- bzw. Maschenwerks, Geflechts, Netzes, Gewebes oder dergl. (Fig.
4), das nachstehend abgekürzt als "Netzwerk" bezeichnet wird, sind aus den im Querschnitt
polygonalen, feinen, rostfreien Stahldrähten 1 hergestellt, wie sie z.B. in Fig.
1 gezeigt sind. Das verstärkte Metallfilter, das ein großes Porenverhältnis hat,
wird durch eine Metall-zu-Metall-Verschmelzung zwischen den Kanten 3 der feinen
Metalldrähte, die sich tatsächlich in Kontakt miteinander befinden, erhalten. Grundsätzlichkeiten,
um das zu erzielen, sind in der Zeichnung dargestellt, insbesondere die Drähte 1.
Das Material 2, das von feinen, rostfreien Stahldrähten 1 gebildet ist, wird unter
nichtoxydierender (inerter) Atmosphäre oder unter einem Hochvakuum in dem System
4 erhitzt. Während das Material 2 erhitzt wird, wird die ganze Masse gleichmäßig
komprimiert. Dieses Verfahren garantiert die Bildung eines großen Bereichs von Metall-zu-Metall-Verschmelzungen
zwischen den Kanten 3 der feinen Drähte, die sich jeweils tatsächlich in Kontakt
miteinander befinden, wie durch die Kontaktpunkte P angedeutet ist. Das ganze Material
wird beim Kühlen verfestigt, so daß man eine angemessene Metalldiffusion zwischen
den Metalldrähten in den Ebenen an den aktuellen Kontaktstellen erhält.
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Weiterhin kann dieses grundsätzliche Behandlungsverfahren in erz Weise
angewandt werden, daß man die Netzmasse 2a und das Netzwerk 2b kombiniert, gefolgt
von einer gleichmäßigen Kompression, während der Hitze unter inerter Atmosphäre
angewandt wird. In ähnlicher bzw. gleichartiger Weise werden die Kanten 3 der feinen
Drähte 1, die sich an den aktuellen Kontaktstellen P befinden, miteinander verschmolzen,
so daß sich ein großer Verschmelzungsbereich wie auch eine gleichförmige Kontraktion
des Netzwerks 2b ergibt. Das System, in welchem eine Metall-zu-Metall-Verschmelzung
an den aktuellen Kontaktstellen P der feinen Drähte stattfindet, wird dann gekühlt,
so
daß das verstärkte Metallfiltermaterial geliefert wird, dessen Poren gleichmäßig
über seine Oberfläche verteilt sind.
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Die Fig. 1 veranschaulicht eine auseinandergezogene Darstellung der
feinen, rostfreien Stahldrähte, deren Querschnitt polygonal ist und die für die
Herstellung des verstärkten Metallfilters angewandt werden. Diese rostfreien Stahldrähte
sind so fein, daß sie als Fasern bezeichnet werden könnten. Beispielsweise sind
Stahldrähte mit 4 bis 3O/u Durchmesser am meisten geeignet. Ihr Querschnitt ist
polygonal, wie z. B. ein Sechseck, Fünfeck oder ein unregelmäßiges konvexes Vieleck.
Infolgedessen sind Kanten 3 längs dieser Drähte vorhanden. Es sei darauf hingewiesen,
daß ein solcher polygonaler Querschnitt auch nach einwärts verlaufende Kanten haben
kann, wie bei dem rechten Draht der Fig. 1 ersichtlich ist.
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Viele feine, rostfreie Stahldrähte dieser Form (Polygonalform) werden
gesammelt, so daß sich eine Masse ergibt, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Fig. 2A
zeigt ein unregelmäßiges, netzartiges System 2a dieser feienen Drähte (eine unregelmäßig
bzw. statistisch vernetzte Masse), während Fig. 2B ein feines, regelmäßiges Netzwerksystems
2b (z.B.ein gewebtes Netz) zeigt, das aus diesen feinen Drähten hergestellt ist.
Bei der Erläuterung der vorliegenden Erfindung werden infolgedessen unter dem System
2 die beiden Systeme 2a und 2b verstanden. Jedoch ist eine einzige Schicht des Systems
2b nicht in dieser Klassifikation enthalten.
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Diese Systeme 2 werden in den speziellen Ofen 5 eingefügt, der in
Fig. 9 gezeigt ist, und sie werden dann einer thermischen Kompression ausgesetzt.
Der Ofen 5 wird mit einem Inertgas, wie z.B. Argon, vor dem Erhitzen gefüllt, und
das System 4, in welchem das System 2 angeordnet wird, wird wenigstens
entgast
oder mit Inertgas gereinigt. In dieser Figur ist mit 7 eine Erhitzungseinrichtung
bezeichnet, mittels welcher die Ofentemperatur in dem Ofen 5 auf 9000C gehalten
wird.
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Das System 2 wird in das Ofenbett 5a eingefügt bzw. auf dieses Ofenbett
gelegt und dann mit einem flachen Gewicht 5b komprimiert.
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Als Ofenbett 5a werden Porzellan, Keramik oder Metalle, die einen
höheren Schmelzpunkt als rostfreier Stahl haben, verwendet. Das gleiche Material
wird für das Gewicht 5b benutzt. Ein charakteristisches Merkmal der vorliegenden
Erfindung kann darin gesehen werden, daß Hitze und Kompression gleichzeitig (synchron)
im gleichen Ofen angewandt werden. Zu diesem Zweck ist sowohl die Zeitdauer als
auch das Niveau bzw.
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die Stärke der Kompression praktisch wichtig, und sie werden ihrerseits
gemäß den physikalischen Eigenschaften des Systems 2, das Objekt des Verfahrens
ist, bestimmt.
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Als ein Beispiel eines der Erfindung zugrundeliegenden Experiments
sei angegeben, daß z.B. 20 kg/m2 als Druck des Gewichts 5b angemessen sind, wenn
die vernetzte Masse aus feinen, rostfreien Stahldrähten hergestellt ist, deren scheinbares
Volumen etwa 5 ru~20 mm x 1000 mm x 1000 mm (Porenverhältnis 99,') ist.
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Bei der Anwendung dieses Druckes wird das Volumen der vernetzten
Masse auf etwa 30% ihres Anfangsvolumens in der Richtung ihrer Dicke herabgesetzt,
und das Porenverhältnis wird auch auf 70% herabgesetzt. Eine weitere Kompression
mit 30 kg/m2, die auf das gleiche Material ausgeübt wird, führte zu einer Herabsetzung
seines Volumens und des Porenverhältnisses auf etwa 75% bzw. 61%. Diese experimentellen
Ergebnisse zeigen, daß das Porenverhältnis durch den auf das System 2 angewandten
Druck wesentlich verändert wird. Die vorliegende Erfindung zeigt daher, daß das
Porenverhältnis
in hohem Manie leicht gesteuert werden kann, und
zwar allein als Funktion des Drucks, der auf das System 2 angewandt wird.
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Das liegt daran, weil bei der vorliegenden Erfindung gleichzeitig
eine Erhitzung und eine Kompression auf das System 2 angewandt werden, und zwar
anstatt des konventionellen Verfahrens, bei dem eine Erhitzung und Kompression abwechselnd
und wiederholt angewandt werden; ein weiterer Grund besteht darin, daß der Querschnitt
des Ausgangsmaterials, das bei der vorliegenden Erfindung benutzt wird, eine polygonale
Form hat, so daß sich eine Flexibilität der Kanten 3 bei der Kompression zeigt.
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Die Zeitdauer der thermischen Kompression ist ausreichend, wenn eine
Metall-zu-Metall-Verschmelzung in angemessener Weise zwischen den Drähten, die sich
akutell in Kontakt befinden, stattfindet.
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Nach einem anderen experimentellen Beispiel aufgrund des Proben-Verarbeitungs-
bzw. -Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung werden angehäufte Schichten des
Netzwerks 2b, das von rostfreiem Stahldraht 1 (8#u Durchmesser) gebildet ist, welcher
den gleichen Querschnitt wie der vorher erläuterte Stahldraht hat, verwendet. In
diesem Falle ist das Kompressionsverhältnis meistens 10%, jedoch wird das Porenverhältnis
von 80% auf 68% vermindert. Auch aus diesem Beispiel läßt sich erkennen, daß das
Porenverhältnis eine Funktion des Druckes ist.
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Das System 2 aus angehäuften Schichten des Netzwerks 2b weist den
Vorteil auf, daß die Steuerung des Porenverhältnisses in einem hohen Maße erzielt
werden kann, da die Maschenweite des Netzwerks 2b vor der Kompression festgelegt
werden kann.
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Das System 2 wird mittels der thermischen Kompression im Ofen 5 in
das Filtermaterial, wie es in den Fig. 3 bis 5 gezeigt ist, umgewandelt.
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Das in Fig. 3 gezeigte Filtermaterial wird durch thermische Kompression
der vernetzten Masse (2a in Fig. 2A) von rostfreien Stahldrähten erhalten. Das in
Fig. 4 dargestellte Filtermaterial wird durch thermische Kompression von angehäuften
bzw. übereinandergelegten Schichten des Netzwerks 2b, das in Fig. 2B veranschaulicht
ist, erzielt. Schließlich zeigt die Fig. 5 ein Filtermaterial, das man durch Kompression
eines aus den Komponenten 2a und 2b kombinierten Systems 2 erhält.
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Die Fig.7 A zeigt in auseinandergezogener Darstellung den Stoff bzw.
die vernetzte Masse von 2a. Gemäß dieser Figur ist z.B. eine große Pore 6 in den
feinen Drähten 1 vor der thermischen Kompression ausgebildet. Eine große Fläche
P befindet sich in Kontakt mit der Kante 3 des Drahts 1, und die Fläche, die von
den umgebenden Ebenen des Drahts 1 eingenommen wird, ist klein.
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Bei der thermischen Kompression eines solchen Systems mittels des
oben erläuterten Verfahrens wird der feine Draht 1, der sich in aktuellem Kontakt
mit der Kante 3 befindet, gequetscht, so daß sich eine Metall-zu-Metall-Verschmelzung
an der Kontaktstelle P ergibt, wie aus Fig. 7B ersichtlich ist. Obwohl eine Kontraktion
der Pore 6 mittels dieses Verschmelzungsprozesses unvermeidbar ist, wird ein kompliziertes
Labyrinth durch die Kante 3, die unverschmolzen innerhalb der Pore 6 geblieben ist,
ausgebildet, wodurch eine ausreichende Filterungsleistungsfähigkeit des Produktes
sichergestellt wird.
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Die Kontraktion der Pore 6 ergibt sich hauptsächlich aus der Verschmelzung
zwischen dem Draht 1 und der vorerwähnten Kante 3.
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Die Verschmelzung bzw. Vereinigung bei P, wo die Drähte in Kontakt
miteinander sind, und die Ergebnisse der
Metall-zu-Metall-Diffusion
an dieser Stelle sind ausführlich in Fig. 8 veranschaulicht, wonach die Drähte 1a,
Ib und 1c bei P in Kontakt sind, wo die Kanten 3a, 3b und 3c gequetscht sind, so
daß sie eine große Verschmelzungs- bzw. Vereinigungsfläche bilden.
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Eine solche große Verschmelzungs- bzw. Vereinigungsfläche und die
Metall-Metall-Diffusion bei P, wo die Kante 3 und ein anderer Draht 1 in Kontakt
miteinander sind, findet auch in dem System von angehäuften bzw. übereinander angeordneten
Schichten statt, wie es in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist. Insbesondere sind die Chancen
der Verschmelzung im Filtermaterial, das man durch thermische Kompression der angehäuften
bzw. übereinander angeordneten Systeme des Netzwerks 2b erhält, geringer als bei
dem Filter, das von der vernetzten Masse 2a hergestellt ist, aber die Verschmelzung
auf der Kante 3 im Draht 1 und eine große Fläche von Metall-Metall-Diffusion erbringen
einen ausreichenden Grad von Sinterung.
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Die Fig. 5 zeigt ein Filtermaterial, das durch thermische Kompression
von übereinander angeordneten Schichten von Netzmaterial 2a und Netzwerk 2b erhalten
worden ist, und die Fig. 6A und 6B zeigen dieses Material vor bzw. nach der thermischen
Kompression. Wie nämlich die Fig. 6A zeigt, bilden feine Drähte 1 einfach ein Netzwerk,
z.B. ein Gewebe, das auf der Oberseite einer vernetzten Masse 2a angeordnet ist,
und die Maschen des Netzes 2b sind relativ groß, wogegen gemäß Fig. 6B, die den
Zustand nach der thermischen Kompression zeigt, eine Verschmelzung der Drähte bis
zu einem gewissen Grad stattgefunden hat, die zur Kontraktion der Maschen der Pore
6' beiträgt. Wie erwartet, bildet der Bereich, in welchem die vernetzte Masse 2a
und das Netzwerk 2b längs der Kanten 3 in Kontakt miteinander sind, Verschmelzungen,
wie vorher bereits erläutert worden ist. Ein großer Bereich von Metall-Metall-Diffusion
findet dann an dieser Stelle statt, so daß sich ein Filter von guter Qualität ergibt.
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Kurz zusammengefaßt betrifft die Erfindung ein verstärktes Metallfilter,
das eine hohe Filterwirksamkeit, ein großes Porenverhältnis und eine weite Netzfläche
der verschmolzenen Teile von feinen, rostfreien Stahldrähten besitzt, und dieses
Metallfilter kann dadurch hergestellt werden, daß man die Kanten dieser Drähte zusammendrückt
bzw.
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-quetscht, die um die Drähte in dem System herum ausgebildet sind,
das seinerseits aus zahlreichen, im Querschnitt vieleckigen, feinen, rostfreien
Stahldrähten zusammengesetzt ist. Das Verfahren zum Herstellen dieser Filter, in
welchem nur der verschmolzene bzw. vereinigte Teil, der sich aus dem Quetschen bzw.
Zusammendrücken der Drahtkanten ergibt, eine große Netzfläche besitzt und in dem
das Metall in den verschmolzenen bzw. vereinigten Teil diffundiert wird, besteht
im wesentlichen aus gleichzeitigem Erhitzen und Zusammendrücken des Systems.
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L e e r s e i t e