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Elektrischer Widerstandskörper Vorliegende Erfindung bezieht sich
auf einen elektrischen Widerstandskörper aus einer verformbaren Kupferlegierung.
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Zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes von Kupfer hat man dem,;elben
gewöhnlich Nickel oder Mangan als Legierungszusätze zugesetzt; typische Widerstandslegierungen
bestehen aus Kupfer, welches mit 40 bis 5o0/, Nickel oder 2o0/, Nickel oder 1,5
1)is 40/'" Nickel zusammen mit 12 bis 140/, Mangan legiert ist. Solclie Legierungen
erfordern indessen verli-ältnismäßig große Anteile an teuren Legierungskomponenten
zur Erzielung des gewünschten Widerstandes, wodurch der Gestehungspreis der Legierungen
erhöht wird. Die Anforderungen, welche an Legierungen für elektrische Widerstandskörper
gestellt werden, sind ein verhältnismäßig hoher spezifischer Widerstand wid eiii
niedriger Widerstandstemperaturkoeffizient, und außerdem sollen die Legierungen
innerhalb des Betriebstemperaturbereiches keiner Phasenänderung unterliegen.
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Bekanntlich bewirkt die Beifügung eines verhältnismäßig geringen Anteils
Silicium, z. B. bis zu 50/" eine beträchtliche Erhöhung des elektrischen
Widerstandes von Kupfer, und es hat sich nun herausgestellt, daß unter passenden
Abänderungen eine Reihe von Kupfer-Silicitim-Legierungen für elektrische Widerstandszwecke
allgemein verwendet werden kann. Indessen sind nicht alle diese Legierungen bei
bohen Betriebstemperaturen im Bereiche von 350' C und darüber geeignet, da
sie einen zu geringen Widerstand gegen Verzunderung besitzen, und es hat sich herausgestellt,
daß durch die Beifügung von Aluminium die Widerstandsfähigkeit gegen Verzunderung
beträchtlich erhöht wird und Legierungen mit einer dauernden,
isolierenden
Oxydhaut erzielt werden können, welche nicht springt. Im Gegensatz zu den üblicben
Legierungen findet bei der Legierung gemäß Erfindung nach erfolgter Bildung der
isolierenden Oxydhaut keine weitere progressive Oxydation mehr statt, so daß auch
keine weitere Phasenänderung an der Oberfläche des Widerstandskörpers eintritt.
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Man hat bereits gewisse Legierungen der Gattung Kupfer-Silicium-Aluminium
vorgeschlagen, welche sich indessen nicht als elektrisches Widerstandsmaterial eignen.
So hat man z. B. ein Verfahren einer Wärmebehandlung von Legierungen vorgeschlagen,
mit einem Siliciumgehalt von 3,7 bis 6,70/, und einem Aluminiumgehalt bis
zu 30/" welches darin C, bestand, die Legierungen einer Lösungsglühung zu
unterziehen und hierauf abzuschrecken zwecks Erzeugung einer übersättigten festen
Lösung, um duktile und korrosionsfeste Legierungen zu erhalten. Bei einem derartigen
Material würde indessen die Härtung durch Ausfällung beginnen, sobald es einer Betriebstemperatur
im Bereich VOll 40o bis 450' C ausgesetzt würde, und eine der hauptsächlichsten
Eigenschaf,en von Legierungen für elektrische Widerstandszwecke besteht natürlich
darin, daß sie innerhalb ihres Betriebstemperaturbereiches nicht zu PhasenänderunIgen
führen. Man hat ebenfalls Legierungen mit einem Siliciumgehalt von oj bis 3,50/"
0,£ bis 0,75"1 #o Altiminium oder oj bis 0,750/, Silicium sowie
i bis io"/, Aluminium -vorgeschlagen; dieselben sind indessen für die Zwecke der
vorliegenden Erfindung nicht geeignet, und zwar in ersterem Falle, weil der Aluminiumgehalt
unzureichend ist, um den nöti 'gen Schutz für die Legierung zu gewährleisten, wenn
diese längere Zeit hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt ist, und im zweiten Falle,
weil der Siliciumgehalt ungenügend ist, um den Legierungen den erforderlichen elek[rischen
Widerstand zu verleihen. Man hat auch Kupfer-Silicium-Aluminium-Legierungen mit
Eisen vorgeschlagen, aber eine Beimengung von Eisen in größerer Menge als ungefähr
0,50/, hat einen schädlichen Einfluß auf die Konstanz der elektrischen Charakteristiken
der Legierung bei Erwärmung, auf ihre Koriosionsfestigkeit und auf ihre Verarbeitbarkeit,
z. B. züi Drähten. Es sind ebenfalls schon Kupfer-Zinn-Silicium-Aluminium-Legierungen
vorgeschlagen worden mit ungefähr gi bis 990/, Kupfer, 0,25 bis 3,o0/,
Zinn,0,5 bis4"/,Aluminium und 0,25 bis 2,0'/, SiliCiUM, jedoch nicht zur
Anwendung für elektrische Widerstandskörper.
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Der elektrische Widerstandskörper ans einer verformbaren Kupferlegierung,
welche innerhalb des Betriebstemperaturbereiches keinerlei Phasenänderungen unterliegt,
enthält nun gemäß der Erfindung außer Kupfer als Hauptbestandteil 1 bis 501/,
Silicillm und i bis 70/, Aluminium.
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Es kann auch ein geringer Anteil 'Mangan bis zu ,il)/, darin enthalten
sein, welcher indessen zweckmäig ein bestimmtes Maximum für einen gewissen Siliciumgehalt
nicht übersteigt. Dieses Maximum ist für niedrige Siliciumgehalte höher und umgekehrt,
so daß z. B. in einer Legierung mit 10/, Silicium 3% Mangan zugefügt werden können,
während bei einem Siliciumgehalt von 51)/, das zulässige Maximum mir i0/, Mangan
ist. Zwecks Erzielung der Desoxydation und Reiniö-ung d,2r Schmelze können
bis züi o, i 0j, Phosphor, o,50/, Zink oder Kadmium und o,2(Ii/, Magnesium hinzugefügt
werden. Es können auch 0,20,#, Nickel beigefügt werden, indessen soll in der fertigen
Legierung die Summe von Zink-, Kadruium, Magnesium und Nickel den Betrag von (),5""
'licht Überstei ' gen. Eisen ist am besten keines vorharideii, andernfalls
aber höchstens als Veruureinigung vou nicht mehr als 0,250/,. Der Siliciumgel ialt
beträgt %-orztigswei,#,e, 2,5 bis 4,50/,.
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Es hat sich ferner herausgestellt, daß die Eigenschaften der erfindungsgemäß,-ii
Legierung insbesondere hinsichtlich der Stabilität bei Betriebsternperaturen der
Größenordnung von 4oo bis 450'# C
verbessert werden können, iii(lein nian
durch den Einschluß verschiedener Zusätze iii den Le.gierungen das Kornwachstum
während der Herstellung und im Betrieb hemmt.
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Solche Mittel sind Chrorn, Titan, Tellur, Selen, Zirkon, Silber oder
Cer oder eine #'erbin(Iiing, wie z. 13.
Aluminiumoxyd, -i#lagnesiiii-nox,#'cl
oder Ceroxyd. Die obenerwähnten Metalle oder Verbindungen werden zweckmäßigerweise
in folgeuden Merigeri beigefügt: o,o5 bis i,ol)/, Chrorn, Titau, TcHur oder Seleil,
o,o,i bis o,i0/, Zirkon, o,ooi bis ("illi#, 'Silber, o,o,3 bis 0,50/, Cer, o,o,9
bis i,o('/, Ahiminiumoxyd, Magnesiumoxyd oder Ceroxvd.
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Die Legierungen ki#rinen iii bekamiter Weise erzeugt werden, und wenn
eiii Mittel zi"i- Hernmung des Kornwachstums verwendet wird, kann dasselbe in Form
einer Vorlegierung mit Kipfer im Falle von Metallen, wie Chrom oder Titan, beigefügt
wer(Icn, während dasselbe im Falle der eiwähriten Verbindungen der Schmelze in Pulverform
beigesetzt werden kann.
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Die Widerstandskörper ki3nnen in bekannter Weise durch Walzen, Ziehen,
Pressen od,-r andere Forrnungsvorgänge zur Bildung von Draht, Band, Stangen oder
Streifen hergestellt werden, indesseri ist es wichtig, während der Bearbeitung die
Bildung von oberflächlichen Kupfer- oder Ktil)ferox#'(Itili-neti züi verhüten, da
solche Filme den elektrischen Widerstand und den Temperaturkoeffizienten der Legierungen
beeinflussen und überdies den Ziehvorgang erschweren, da sie eine rasche Zerstörung
der Ziebmatrizen bewirken. Ans diesem Grunde müssen alle Reinigungs- und Beizvorgänge
mit äußerster Sorgfalt durchgeführt werden, wobei zweckmäßigerweise wl-*ißrige Lösungen
von Bichromat und Schwefelsäure oder aber wäßrige Lö-
sungen von Natriumbitluorid
imd Scliw(#felKiiire verwendet werden.
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In Fällen, wo die Verhältniszahlen der Legierun,-Iskomponenten derart
sind, daß die Gefahr einer inneren Phasenänderung bei der Betriebsternperatur des
Widerstandsmaterials besteht, was z. B. eintreten kann, wenn der Siliciumgehalt
ini höheren Bereich von 4 bis 50/, liegt, können die Legierungen durchAusglühen
bei ungefähr goo' C 8 bis 24 Stunden stabilisiert werden.
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Der spezifische Widerstand der erfindungsgemäß zusammengesetzten LegierunIgeii
beträggt zwischen 15 und 30 Nilik-roolini,i'(,m2 , C r 11.
De#-
Widerstandsternperaturkoeffizient liegt in der Größenordnung von 5o x io-5
innerhalb des Bereiches von 2o bis o5' C.
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Die erfindtin ztisamineii"csutztcn Werkstoffe besitzen eine sehr gute
thermische Stabilität bis zu Temperatiiucii von 35o
C. So bildet sich von
selbst bei niedrigen Temperaturen leicht eine stark anhaftende Oxydhatit, w(#Iche
eine weitere Oxydation bei fortgesetzter Erw;irrnung, wirksam verhütet. Die Ergebnisse
von Verzunderun.,sversucheii beim Erhitzen auf hohe Temperaturen in einer oxydierenden
Atmosphäre sind in Tabelle i dargestellt, aus welcher ersichtlich ist, (laß die
Datierhaftigkeit einer Oxydhaut bei Ahiminiumgehalt ist als jene bei Bildung einer
Oxydhaut olnie Aluminium.
| Tabelle i |
| Legie- Gelkalt G##WO.Inen(-s (#Lwiclit in
g X 10 - CM2 |
| rUng in 0/. 4()0" C 500. C |
| Nr. si A 2 Std. 8 Std.
# 2 Std. 8 Std. |
| 10 16 1 22 |
| 3 3 2 4 5 |
| 4 5 4 |
Die beim E'rw;irnwn a(if Temperaturen von 40o bis 7oo (, gul)ii(lett-Oxv(Iliaiit
ist aLich elektrisch isolierend, so daß aufgewickeite Widerstände hergestellt werden
können, in welcl)en sich die einander benachbarten %\'iii(Iiingeii berüliren, ohne
die Isolierung zu stören.
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Ferner muß der Widerstand der Legierungen bei den Ternperattiren,
welche im normalen Betrieb entsteben, und zweckmäßigerweise noch über dieselben
hinatis dauernd stabil sein. Hierfür würde als Versuch die l'rüfung von British
Standards Specification
,q cltircli"(,fiilii-t, bei welchem der Draht B.
S, S. i während 24 Stunde" atif -loo'
C eiwärmt und nachher wälirend
28Tagen auf
350 C ehalten wurde, wobei die Widerstandsänderung nicht größer
als
-E i0/, sein sollte. Die Ergul)nisse zeigt die nachfolgende Tabelle.
| Tabelle 2 |
| Legierung Gehalt in /0 B. S. S. i 15
Versuch (i Tag bei |
| N r. 4oo# C und 28 Tage
bei 350'C) |
| Si Al a/o Widerstandsänderung |
| 1 3 + 5,0 |
| 2 4 + 2,0 |
| 3 3 2 + 0,5 |
| 4 2 3 + 0,5 |
| 5 1 4 + 0,4 |
Schließlich ist die Konstitution der Legierungen stabil über dem genannten Temperaturbereich,
d. h. innerhalb dieses Bereiches gehen sie keine Phasenveränderung ein.
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Die vorteilhafte Wirkung der Zugabe eines Mittels zur Hemmung des
Kornwachstums bei hohen Temperaturen ist in Tabelle
3 angegeben, aus welcher
die Beschränkung des Kornwachstums infolge der Zugabe von Chrom bei der Herstellung
und unter dem Einfluß hoher Betriebstemperaturen klar hervorgeht.
| Tabelle 3 |
| Korngröße in Millimeter |
| Legierung Gehalt in 0/0 nach 5o% Kalt- |
| Nr. bearbeitung und Ausglühen |
| Si AI Cr bei 750',"1 Std. |
| 3 3 2 0,085 |
| 6 3 2 0,3 0,025 |
Die Legierungen besitzen gute Korrosionsbeständigkeit gegen Meerwasser und werden
auch durch Grundwasser nicht angegriffen.
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Die nach vorliegender Erfindung erzeugten Werkstoffe eignen sich insbesondere
zur Verwendung als Widerstände zur Spannungsregulierung in elektrischen Apparaten,
Schaltapparaten usw.