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Verfahren zum Erzeugen von Platten aus bei der Erwärmung bildsam sich
vereinigenden oder zusammenschmelzenden Stoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Erzeugen von mit einer Vielzahl von Löchern kleinsten Durchmessers versehenen
Platten aus bei der Erwärmung bildsam sich vereinigenden oder zusammenschmelzenden
Stoffen, wie Glas, Metall o. dgl., wie sie z. B. für Spinndüsen benutzbar sind.
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Es ist bekannt, kleine Löcher beispielsweise in Glas herzustellen,
indem man Platindrähte einzeln in Glas einschmilzt und nach Beendigung der weiteren
Arbeitsgänge, wie Schleifen und Polieren, wieder herausätzt. Man erhält so ein genaues
Loch. Das Verfahren ist aber umständlich, außerdem ist man auf Platin als allein
brauchbares Metall angewiesen.
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Man hat auch versucht, auf anderem Wege das Ziel zu erreichen, indem
man einen zylindrischen Körper mit Rillen am Umfang versah und diesen dann senkrecht
zu den Rillen in Scheiben schnitt. Auf diese Weise erhält man jedoch keine Lochplatte,
sondern nur eine Platte mit einer einzigen Reihe von im Kreis angeordneten Löchern,
wobei der Kreis dem Durchmesser des Zylinders entspricht.
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Nach der Erfindung werden die bisher bestehenden Mängel behoben, und
es wird möglich, Platten von beliebiger Stärke mit zahlreichen gleichmäßigen Löchern
kleinsten Durchmessers in großer Anzahl zu versehen und ohne daß man auf ein bestimmtes
Edelmetall dabei angewiesen ist. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dünne
Platten aus irgendeinem Werkstoff, der bei der -Erwärmung bildsam wird, unter Zwischenschaltung
einer Vielzahl gleichgerichteter Drähte auf- oder übereinanderzulegen, so daß ein
Block entsteht, der zweckmäßig im Querschnitt quadratisch ist, und diesen Block
dann unter Einschließen der zwischengelegten Drähte unter Druck bis zum kohäsiven
"Vereinigen der Platten zu erwärmen. Man erhält so einen homogenen Körper, der eine
Vielzahl paralleler Drähte in Reihen enthält. Wenn dieser Körper senkrecht zur Richtung
der Drähte in dünnere oder dickere Scheiben zerlegt wird und wenn man die in den
Scheiben verbleibenden Drahtenden dann auf irgendeine bekannte Weise, zweckmäßig
durch Auslösen oder Ausätzen, entfernt, dann erhält man Platten mit einer großen
Anzahl von gleichmäßigen Löchern kleinsten Durchmessers, wobei die Lochkanäle vollkommen
parallel liegen,- so daß man diese Platten in ausgezeichneter Weise als Spinndüsenböden
benutzen kann.
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Es ist an sich gleichgültig, ob Glas oder Metall verwendet wird, obwohl
natürlich die Arbeitsgänge im einzelnen dem zur Verwendung gelangenden Stoff anzupassen
sind. Werden beispielsweise Platten aus Metall zur Bildung des homogenen Blockes
benutzt, dann wählt man die Drähte, die zwischen die Platten
einzulegen
sind, aus einem bei Zimmertemperatur härteren Werkstoff als die Platten und kann
dann den aus den Platten gebildeten Block ohne Erwärmung unter Druck setzen, bis
sich die Drähte in die Oberflächen. der Platten ganz eingedrückt haben, woraü@''
dann die Drähte bis auf ein oder zwei in jeder Lage herausgenommen werden. Die restlichen
Drähte dienen zur Festlegung der Lage der Platte nach Herausnahme der Drähte, damit
die eingedrückten Rillen wieder genau aufeinanderzuliegen kommen. Hierauf wird der
mit den Lochkanälen versehene Block unter Druck bis zum kohäsiven Vereinigen der
Platten erwärmt und .danach in dünne Lochscheiben zerschnitten. Hat man Glas gewählt,
so erhitzt man die übereinandergeschichteten Glasplatten zweckmäßig in neutraler
oder reduzierender Atmosphäre (Wasserstoff-Edelgas-Vakuum), damit die Drähte nicht
oxydieren. Auf diese Weise kann man alsdann auch Drähte aus unedlem Metall gefahrlos
benutzen. Bei Borosilicatglas hat man noch den Vorteil, daß der Glasblock bis zum
Erweichen erhitzt werden kann, ohne daß sich Blasen im Glaskörper bilden. Dies erleichtert
die Verwendung solcher Lochplatten aus Glas als Düsenböden, weil man dann beim Einsetzen
in den Düsenkörper und bei der dabei erforderlichen Erhitzung des Einsatzrandes
keine Schwierigkeiten durch Blasenbildung bekommt.
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Die Erhitzung des Plattenblocks kann unter Druck mit entsprechender
Verlängerung der Preßdauer bei einer Temperatur erfolgen, die unterhalb der Erweichungszone
des Stoffes liegt, aus dem der Block gefertigt werden soll, um so die Vereinigung
der Platten zu einem einheitlichen Körper zu erhalten. Man kann auch Metallplatten
ebenso wie Glasplatten mit zwischengelegten Drähten zu einem einheitlichen Körper
umbilden, wenn man Platten und Drähte aus geeigneten Stoffen wählt. Z. B. nimmt
man für die Platten chemisch beständige Stoffe, wie Tantal, Niob, Gold, Platin,
und legt Drähte aus unedlem Metall ein, wobei die Drähte nach dem Zerschneiden des
Blockes in Scheiben durch Ätzen entfernt werden können, weil das chemisch beständige
Metall beim Ätzen nicht angegriffen wird.
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Um das Vereinigen der Metallplatten zu erleichtern, kann man das Diffusionsvermögen
des betreffenden Metalls dadurch erhöhen, daß man die Platten aus Metallen oder
Metalllegierungen mit einer dünnen Nickelschicht überzieht. In diesem Fall kann
man eine geringe Diffusionstemperatur anwenden. Nimmt plan einen Block aus Nickelplatten,
so kann man diese in einer Atmosphäre aus Tantal-, Niob-, Wolfram-, Molybdänchlorid
oder entsprechendem Halogenid härten. Wählt man Tantal als Blockwerkstoff, dann
härtet man die Platten durch Überziehen mit einer pas-@enden Schicht aus einem Metall
oder Me-"tA,lloid, welches mit Tantal eine sogenannte Tatlegierung bildet. Weiter
kann man die _aus Metall hergestellten Lochplatten auch durch Einwirkung von Gasen,
z. B. Sauerstoff, härten, die so auszuwählen sind, daß sie mit dem Metall eine chemische
Verbindung eingehen, die eine größere Härte besitzt als das Metall.
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Da es zur Herstellung der parallelen Lochkanäle von Bedeutung ist,
wenn in einfachster Weise die Lage der Drähte zwischen den Lochplatten gesichert
ist, so wird zweckmäßig hierzu eine Vorrichtung benutzt, die aus einer Grundplatte
besteht, auf welcher zwei parallele Reihen von Kammzähnen angeordnet sind, hinter
welchen sich eine entsprechende Anzahl von Umkehrstiften befinden, über die der
Draht:hin und her gewickelt wird, wodurch parallele Drahtlagen gebildet werden,
die man lagenweise durch Querplättchen in der Höhe voneinander trennt. Auch diese
Querplatten sichert man in ihrer Lage durch Stifte in der Grundplatte.
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Im einzelnen wird das Verfahren z. B. in folgender Weise durchgeführt.
In einem trogartigen Behälter, der eine Isolierschicht aus dünnem Asbestpapier besitzt,
«-erden dünne Glasplatten und Drahtlagen, wie vorstehend angegeben, übereinandergeschichtet,
bis die richtige Dicke erreicht ist. Die Stärke der Glasplatten und die Zahl der
Drähte wie der Durchmesser der Drähte richtet sich nach der Anzahl von Lochungen,
die auf der Fläche vorgesehen werden sollen. Auf die oberste Glasplatte wird ein
Deckel in Gestalt eines den Trog ausfüllenden Eisens aufgelegt mit einer isolierenden
Asbestpapierlage zwischen dem äußeren Deckel und dem Glas. Alsdann wird der aus
den Glasplatten mit den dazwischenliegenden Drähten gebildete Block innerhalb des
Troges mit einer Gasflamme erwärmt, während gleichzeitig ein Druck auf den den Trog
abschließenden äußeren Deckel ausgeübt wird. Die Größe des Druckes hängt von der
verwendeten Glassorte und der Stärke der Platten ab. Er kann in manchen Fällen schon
durch das Eigengewicht des Glases ersetzt werden. Unter der Erwärmung geht das Glas
in einen plastischen Zustand über, so daß sich die Platten miteinander vereinigen.
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Man kann übrigens auch die einzelnen Lagen nacheinander zusammenschweißen,
also zunächst zwei Lagen miteinander vereinigen, dann die dritte Lage mit .den ersten
beiden, und so fort. Nachdem der Glasblock im Troge vorsichtig etwas abgekühlt worden
ist, wird er herausgenommen, in einen Kühlofen gebracht, spannungsfrei gemacht und
dann in
Scheiben geschnitten. Es erfolgt in bekannter Weise die
Herausätzung der Drähte unter Anwendung einer Säure.
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Verwendet man Metall, gellt man zweckmäßig folgendermaßen vor. Die
Metallplatten werden unter hohem Druck zusammengepreßt, so daß sich die Drähte in
die Oberflächen der Metallplatten eindrücken, und zwar zweckmäßig nicht nur in einer
Richtung (senkrecht), sondern auch im rechten Winkel dazu (waagerecht). Während
dieser Pressung findet jedoch zum Unterschied von dem Verfahren bei der Verwendung
von Glasplatten keine Erwärmung statt. Nach dem Pressen werden die Platten geordnet
auseinandergenommen und die Drähte bis auf ein oder zwei Drähte jeder Schicht, die
zur Lagensicherung der Metallplatten dienen, herausgenommen. Danach werden die Metallplatten
wieder in der gleichen Ordnung unter Lagensicherung durch die in jeder Schicht liegengebliebenen
Drähte übereinandergelegt. Nunmehr wird der Metallplattenblock erneut einem hohen
Druck ausgesetzt und gleichzeitig in einer Wasserstoff- oder Edelgasatinosphäre
oder einem Vakuum hocherhitzt. Der Wärmegrad muß ein solcher sein, daß die Diffusion,
die nun einsetzt, mit nennenswerter Geschwindigkeit vor sich geht, unter gewöhnlichen
Verhältnissen also in einer halben Stunde etwa beendet ist. Dadurch vereinigen sich
die Metallplatten zu einem vollständig homogenen Metallblock, der aus dem Ofen,
in welchem die Erhitzung stattgefunden hat, nunmehr herausgenommen werden kann.
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Damit der Block in der gleichen Weise wie der Glasblock zu Platten
zerschnitten werden kann, ohne daß sich die feinen Löcher zusetzen, werden diese
zweckmäßig vor dem Zerlegen mit einem niedrig schmelzenden Salz o. dgl. gefüllt.
Alsdann erfolgt das Zersägen des Blockes mit einer Diamantsäge, so daß Scheiben
von 0,3 n im bis 3 mm Stärke oder je nach Bedarf auch in anderen Maßen entstehen.
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Das Verfahren der Rillenbildung in den 1Ietallplatten kann abgeändert
werden, dadurch, daß man die Kanäle vor dem Verschweißen durch entsprechende Fassonwalzen
herstellt.
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Die Herabsetzung der Diffusionstemperatur ist z. B. bei Tantal erwünscht,
weil man sonst zu hoch erhitzen inüßte. Es genügt die Aufbringung einer dünnen Nickelschicht,
z. B. auf elektrolytischem Wege in einer Stärke von o,ooi mm, um die Diffusion so
weit herabzusetzen, daß man wie bei anderen Metallen vorgehen kann. Auch andere
überzttgsschichten kann man wählen (Eisen, Niob), soweit sich diese Metalle leicht
mit Tantal vereinigen. Die eingelegten Drähte sind dann natürlich entsprechend zu
wählen, z. B. Wolfram- oder Molybdändraht, die gleichfalls eine hohe Diffusionstemperatur
besitzen.
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Läßt man die Drähte während des Verschweißens der Metallplatten zwischen
den Platten liegen, dann muß man bei der Stoffauswahl sehr vorsichtig arbeiten,
damit bei dem späteren Herausätzen der Drähte das Plattenmaterial nicht angegriffen
wird, insbesondere wenn man nicht Tantal oder Niob wählt, sondern Nickel oder Eisen,
oder Legierungen, wie V 2A, vakuumgeschmolzene Legierungen o. dgl.
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In Spinndüsen sind die Böden manchmal chemischen Einflüssen ausgesetzt,
die es erforderlich machen, daß die Lochkanäle chemisch beständig gemacht werden,
weil die chemische Beständigkeit bei manchem Werkstoff nicht in ausreichendem Maße
vorhanden ist. Setzt man z. B. Nickelscheiben einer Atmosphäre von verdampftem Tantal-,
Niob-, Wolfram- oder Molvbdänchlorid oder einem sonstigen Halogenid aus, dann erhält
man eine derartig hohe Temperatur, daß eine Reaktion des Chlors mit Nickel oder
einem anderen etwa verwendeten Metall eintritt, während das Metall des Halogenids
sich auf dem Nickel abscheidet und infolge der hohen Temperatur in das Nickel hinein
diffundiert. Auf diese Weise entsteht innerhalb der Kapillaren und rings um die
Öffnungen eine gleichmäßig dünne und chemisch beständige Schicht.
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Solche Düsen kann man dann noch härten, ohne daß sich die Oberflächenfärbung
des Metalls ändert. Wählt man hierzu Wasserstoff, dann bildet sich bei Tantal und
Niob z. B. eine Tantalhydridschicht oder eine Niobhydridschicht, die außerordentlich
hart und chemisch sehr beständig ist. Diese Härtung kann man in zahlreichen Abwandlungen
vornehmen, mit Bor, mit Sauerstoff oder durch Überziehen mit einer passenden Metallschicht.
Sehr hart wird z. B. eine mit einer Wolframschicht überzogene Tantalvolldüse.
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In der Zeichnung ist das Verfahren schematisch an mehreren Ausführungsbeispielen
erläutert, und zwar zeigt Fig. i bis 3 schematisch die Entstehung homogener Glasblöcke,
Fig. d. bis 7 die Entstehung homogener Metallblöcke, Fig. 8 und 9 eine Abwandlung
des Verfahrens nach Fig. ,I bis 7 unter Verwendung von Fassonwalzen, Fig. io und
i i einen Grundriß und einen Aufriß schematisch von einer Vorrichtung, mit deren
Hilfe man in einfachster Weise die Drähte parallel und gleichmäßig zwischen die
einzelnen Platten einlegen kann.
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In einem Trog (Fig. i bis 3) liegen Glasplatten
2
und zwischen den Glasplatten parallel und im gleichen Abstand Drähte 3. In Pfeilrichtung
4 (Fig. 2) wird ein Druck ausgeübt, durch welchen unter gleichzeitiger Erhitzung
der zusammengedrückten Platten ein homogener Block nach Fig. 3 entsteht.
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Bei Verwendung von Metallplatten 5 (Fig. 4 bis 7) werden diese zunächst
in der gleichen Weise wie die Glasplatten 2 übereinandergelegt mit den Drähten 3
dazwischen. Alsdann wird ohne Erhitzung ein senkrechter Druck in Richtung 6 und
ein waagerechter Druck in Richtung 7 ausgeübt, worauf die Erhitzung erst erfolgt,
nachdem die Drähte bis auf ein oder zwei in jeder Lage 3' und 3" entfernt und die
Platten danach wieder übereinandergelegt und durch die Drähte 3' und 3" fixiert
worden sind. Unter Pressung in Richtung 8 (Fig. 7) erfolgt dann die Erhitzung, die
durch den Diffusionsvorgang zum homogenen Block führt.
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Bei Anwendung von Fassonwalzen 9 werden mit den Nutenringen io (Fig.
8) Rillen in die Platten 5 eingedrückt, so daß dann diese die .gleiche Form erhalten
wie die Platten 5 nach Eindrücken der Drähte (siehe Fig. 5, 6 und 9).
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Eine einfache Vorrichtung, um den genauen Abstand der Drähte und ihre
Parallelität zu sichern, erhält man, indem man (Fig. io und i i) auf .einer Grundplatte
i i Distanzstifte 12 und 12' nach Art von Kämmen anbringt und einen Draht 13, der
durch die Stifte in der Waagerechten parallel geführt werden kann, um Wickelzapfen
14 und i4' in Windungen durch die beiden Kämme i2 und 12' hin und her führt, nachdem
man eine Platte 15 (Glas oder Metall) auf die Grundplatte i i gelegt hat. In der
Senkrechten wird der Abstand der Drähte durch Distanzlaschen 16 und 16' bestimmt,
die wie die Platten 15 übereinandergelegt werden und etwa durch Stifte 17 und 17'
geführt sein können.