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Verfahren zur Herstellung einer Legierung aus Zirkonium und Eisen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine neue Legierung und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die Legierung besteht im wesentlichen aus Zirkonium und Eisen, wobei zweckmäßig
.4o bis 9o Prozent Zirkonium verwendet werden. Außerdem kommen zweckmäßig gewisse
Mengen von Titan zur Verwendung und in gewissen Fällen kleine Mengen von Aluminium.
Aus dieser Legierung wird vorzugsweise ein Glühfaden für elektrische Lampen hergestellt.
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Die Erfindung bezieht sieh weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung
dieser Legerungen, wenn: die Zirkonium- und Eisenverbindungen in Gegenwart von Titanverbindungen
reduziert werden, so daß kleine 'Mengen von metallischem Titan in der Legierung
hergestellt werden.
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Es sind bereits zahlreiche Versuche vorgenommen worden, um Legierungen
aus Zirkonium herzustellen, welches zu brauchbaren Gegenständen geformt werden kann.
Alle diese Versuche schlugen bisher fehl. Das Zirkoniuni ist ein harter, bröckliger
Stoff, der in verschiedenen albtropischen Formen vorkommt, von denen alle leicht
brüchig sind und nur wenig oder gar keine Dehn- und Streckbarkeit besitzen, Diese
Eigenschaften. weisen auch alle Legierungen oder Metallinischungen auf. die bisher
Zirkonittm in kleinen Mengen enthalten. Weiterhin war es äußerst schwierig, das
Zirkonium mit anderen Metallen durch direkte Hinzufügung des einen Metalls zu dem
anderen behufs Erzeugung von gleichförmigen und homogenen, dehnbaren sowie streckbaren
Stoffen herzustellen. Es konnten somit bisher keine Stoffe hergestellt werden, die
mit «Metallbearbeitungsmaschinen, wie beispielsweise durch Ziehen, Schmieden, Walzen
u. dgl., behandelt werden können. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften
dieser bisher direkt hergestellten Legierungen verhinderten eine derartige Bearbeitung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden regelrechte Legierungen aus
Zirkonium mit Eisen oder einem anderen Metall der Eisengruppe durch gleichzeitige
Reduktion der Metallbestandteile hergestellt, die in VTerbindungen enthalten sind.
Unter diesen Umständen vereinigen sich das Zirkonittm und die Metalle der Eisengruppe
leicht zu homogenen Legierungen von verschiedener Zusammensetzung, .die von den
relativen Mengen der zur Verwendung kommenden Stoffe und den Reduktionsarten abhängt.
Die hierdurch hergestellten Legierungen sind von bisher unbekannter Art. Sie zeigen
praktisch keine Neigung zu otydiesen und sind in hohem Grade .gegen die meisten
chemischen Einwirkungen widerstandsfähi-. Im Aussehen sind sie regelrecht metallisch,
und sie können zu massiven Körpern 'gefertigt «erden, die nach dem Schleifen irnd
Polieren
blanke metallische Flächen von stahlartigem Silberglanz
aufweisen. Es können Legierungen hergestellt werden, die zähe und schmiedbar sowie
dehnbar in größerem oder geringerem Maße sind. Die erwähnten L_,-gierungen können
zu den verschiedensten Gegenständen gestaltet werden.
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Ein wichtiges Anwendungsgebiet dieser Legierungen ist die Herstellung
von gezogenen Glühfäden oder anderen Leuchtkörpern für elektrische Lampen. Die Glühfäden
haben beim Gebrauch die Eigenschaft einer selektiven Strahlung, d. h. sie senden
mehr Licht aus, als dies der Temperatur entspricht. Die Glühfäden, die aus der Legierung
nach der Erfindung hergestellt «.erden, -können zur Anfertigung von Lampen dienen,
die pro Kerzeneinheit eine bedeutend geringere Wattanzahl als bisher erfordern.
Die Glühfäden besitzen einen verhältnismäßig hohen Grad von Leuchtkraft bei verhältnismäßig
geringer Temperatur und sind somit sehr brauchbare Lichtquellen. Wenn auch andere
Metalle der Eisengruppe als Eisen selbst verwendet werden können, wie beispielsweise
Nickel, Kobalt oder Mangan oder Legierungen von diesen Stoffen, so sind doch diese
Stoffe im Rahmen der Erfindung nicht so brauchbar, wie das Eisen selbst. Für den
vorliegenden Zweck ist das Eisen das brauchbarste Metall der Eisengruppe. Die Mengenverhältnisse
von Zirkonium und Eisen in den Legierungen können verschieden sein. Für die meisten
Zwecke ist es wünschenswert, Mengenverhältnisse zu haben, die Legierungen liefern,
welche schmiedbar und dehnbar sind oder eine gute Zugfestigkeit haben.
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Für binäre Zirkoniuni-Eisen-Legierungen soll die Menge an Zirkonium
nicht unter 40 Prozent hinabsinken, da bei einem geringeren Prozentsatz dieses Metalls
die vorteilhaften Eigenschaften der Legierungen nicht genügend zur Erscheinung kommen.
Höhere Prozentsätze mit Zirkonium in diesen binären Legierungen sind aus verschiedenen
Gründen noch wünschenswerter, und Legierungen, die. 6o bis go Prozent Zirkonium
mit 4o bzw. io Prozent Eisen enthalten, liefern die besten Eigenschaften. Die ausgezeichneten
Wirkteigen dieser Zirkoniurnlegierungen können in bedeutendem Maße durch Hinzufügung
kleiner ,Mengen von Titan erhöht werden, und
| Zirkonium . . . 65,75 Prozent 8,43 Prozent 32,97 Prozent |
| Eisen . . . . . . 26,39 - 9097 - 49,2= - |
| Titan . . . . . . 0,z2 - 0113 - 0,422 - |
| Ahunium . . . , 7,71 - 0,47 - 17,40 - |
Die beschriebenen Legierungen sind im wesentlichen Eisen-Zirkonium-Legierungen,
und die anderen Metalle spielen eine unterzwar entweder durch Reduktion des Titans
mit anderen Bestandteilen oder durch eine besondere Hinzufügung des Titans zu einer
vorher hergestellten Legierung. Die brauchbare Menge von Titan ist nicht fest beschränkt,
jedoch werden sehr kleine Mengen die besten Wirkungen herbeiführen. So werden beispielsweise
nur o,io Prozent Titan in einigen Fällen verwendet, und es ist selten für die meisten
.7wecke notwendig, daß der Titangehalt 2 oder 3 Prozent übersteigt. Diese kleinen
Mengen von Titan bedingen eine erhöhte Festigkeit und Zähigkeit der Zirkoniumlegierungen
und erhöhen ihre elektrischen Eigenschaften. Die Ziehbarkeit und Hämmerbarkeit wird
ebenfalls gesteigert. Bei der Herstellung dieser Legierungen durch Reduktion der
zusammengesetzten Metalle hat (las Vorhandensein der Titanlegierungen in der Reduktionsmischung
die nützliche Wirkung, eine ungünstige Beibehaltung von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen
in den geschmolzenen Stoffen zu verhindern. Das Vorhandensein von Titan wirkt weiterhin
dahin, Stickstoff, Kohle und andere Metalloide von der hergestellten Legierung fernzuhalten.
Sauerstoff und andere lletalloide haben nämlich auf die Hämmerbarkeit, Ziehbarkeit
und das Gefüge ungünstige Wirkungen. Dreistoffige Legierungen, welche eine gewisse
Menge von Titan mit vorwiegenden 1lengen von Zirkonium und Eisen: enthalten; besitzen
entschiedene '\Torziige über die einfachen binären Legierungen. Die Hinzufügung
kleiner Mengen von anderen Metallen, wie beispielsweise Aluminium, Koltimbium, Niobiuni
usw., bewirkt vierstoffige und noch höhere Zusammensetzungen von Zirkonium-Eisen-Legierungen,
welche für manche Zwecke besondere Vorzüge aufweisen und in denen die relativen
Mengenverhältnisse von Zirkoniuin und Eisen oft mit Vorteil sich in größeren Grenzen
verändern können als in den binären Zirkonium-Eisen-Legierungen. Es ist zu erwähnen,
daß in allen diesen Legierungen der Zirkonium-Eisen-Gehalt gegenüber den anderen
Metallen vorherrscht. Typische Analvsen von vierstoffigen Legierungen enthalten
gemäß der Erfindung Zirkonium, Eisen, Titan und Altiminitim in folgenden -fengenverhältnissen:
geordnete Rolle. Praktisch können diese Legierungen als Eisen-Zirkonium-Legierungen
mit Eisen- oder dessen Äquivalenten, wie
beispielsweise eisenreichen
Legierungen, angesehen werden.
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Das Verfahren zur Herstellung der Legiertuigen gemäß der Erfindung
besteht im wesentlichen in der Reduktion von Verbindungeii, die Zirkoniuni und 1?isen
in solcher Weise enthalten, daß die beiden Metalle einander in statte nascendi dargeboten
werden. I's ist am besten, daß diese Reduktion im t-eisein einer eisenhaltigen T
itanlegierung erfolgt, da, wie oben erwähnt, (las Vorhandensein kleiner -Mengen
von Titan in der hergestellten Legierung besonders wertvoll ist, und (las Vorhandensein
des Titans während der Reduktion ist aus den weiter unten anege g r
- benen Gründen wünschenswert.
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Ein geeignetes Verfahren, h:i welchem zweckmäßig Aluminium in der
Legierung vorhanden ist, besteht darin, gemischte Oxvde von Eisen und Zirkoniuni
niit fein verteiltem Aluminium zu mischen. Bei der Herstellung einer Legierung von
Eisen und Zirkonium, die ungefähr 44,7 Prozent Zirkonium enthält, veranschaulicht
die folgende Gleichung die stattfindende Reaktion durch Altnilrnittni: 3ZrO._,+3Fe=Q,+5Al;
=3 Zr Fe, -i- 5 A1=0, Das Reduktionsverfahren kann auch durch geeignete 1?rhitzung
der gemischten Oxyde in einem Graphitschmelztiegel, wie beispielsweise durch eine
Sauerstoffazetvlenflamme, oder auf elektrischem Wege erfolgen. Auch kann eine --Mischung
von eisenhaltigem Titaneisenoxv(1 und mineralischen Zirkon oller anderen Zirkonium
enthaltenden -Materialien, wie Zirkonium mit geeigneten 'Mengen von eisenhaltigen
Titaninineralien, beispielsweise Rutil, Ihnenit, erhitzt werden. Auch können Flußinittel
oder Zuschläge und Schlacken bildende Körper, wie beispielsweise Kieselerde, Natron
usw., verwendet werden. Das Mineral Ilmenit ist ein für das vorliegende Verfahren
zweckmäßig zur Anwendung kommender Titanstoff.
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Die auf die beschriebene @,#Teise hergestellte Legierung kann auf
beliebige Art bearbeitet werden. Zur Herstellung von Glühfäden können die Legierungen
in Form von Stangen, welche durch Gießen oder auf andere Weise gestaltet werden,
auf die erforderliche Temperatur erhitzt, alsdann gewalzt, ausgezogen oder durch
Stanzen auf die erforderliche Größe gebracht werden. Die Legierung wird zweckmäßig
durch einen elektrischen Strom während des Ziehvorganges erhitzt. 11it (len Legierungen
gemäß der Erfindung brauchen keine besonderen Vorsichtsmaßregein -etroffen-zu werden.
tun eine Oxv dation während der =\rlieit zti vermeiden. Wo eine solche jedoch wünschenswert
oder notwendig wird. kann die Arbeit im luftleeren Rauiii oder in indifferenter
Atmosphäre erfolgen.
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Außer der Brauchbarkeit für Glühfäden von Glühlampen können die Legierungen
auch zur Herstellung von Bogenstucken verwendet werden. Wie bereits erwähnt, strahlen
die beschriebenen Stoffe mehr Licht aus, als (lies ihrer Temperatur entspricht.
Da die Legierungen gegen Säuren und Verrosten widerstandsfähig sind, können sie
zur Herstellung von verschieden gestalteten Körpern, wie beispielsweise Funkenleiter
o. dgl., verwendet werden. Ein anderes Anwendungsgebiet für die Legierungen nach
der Erfindung ist die Herstellung von Transforinatorelementen.
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Halogenverbindungen, wie beispielsweise Fluor- oder Chlorverbindungen,
der verschiedensten Metalle können zur Herstellung der Legierungen durch Reduktion
verwendet werden, ihre Verwendung bietet jedoch gegenüber den - Sauerstoffverbindungen
der Metalle, -,vie oben erwähnt, keinen Vorteil.