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Verfahren zur Herstellung von Verschmelzungen zwischen Glas und Metallen
Es sind Verfahren bekanntgeworden, mit deren Hilfe es gelingt, Gläser mit Metallen,
die einen nennenswert höheren Ausde4ungskoeffizienten besitzen, dauerhaft zu verschmelzen.
Nach diesem Verfahren wird der Glasteil innerhalb eines, ihn umgebenden Metallteils
niedergeschmolzen und die Einschmelzung anischließend aIlmähdich abgekühlt. Bei
genügend großer Differenz zwischen den Ausdehnungskoeffizienten des Metalls und
des Glases, wie sie beispielsweise zwischen, handelsüblichen Weichgläsern und handelsiüiblichem
Eisen vorhanden ist, entstehen beim Erkalten im Gla@steiQ erhebliche Druckspannungen,
weil sich das Metall stärker zusammenzieht als. das Glas. Die so entstehenden Druckspannungen,
denen der Glasteil widersteht, verhindern. das Entstehen von Zugspannungen im Glasteil.
Da der Glasteil dauernd unter hohem Druck steht, empfiehlt es, sich, Vorkehrungen
zu treffen, um Kerbbeanspruchungen zu vermeiden.. Es, isst deshalb schon vorgeschlagen
worden,, den Metallteil vor dem N iederschmelzen des Glasteils zu emaillieren. Durch
den leichtflüssigen Emailfluß wird eine einwandfreie Benetzung des Metallteils gewährleistet,
so daß unstetige Übergänge zwischen Glas und Metall vermieden werden.. Außerdem
wird an der Trenntfuge zwischen Glas und Metall eine Art Hohlkehle gebil@det, die
ebenfalls Kerbwirkungen vermindert.
Es hat sich* gezeigt; daß man
" auf die oben beschriebene, an -eich bekannte Weise den Glasteil: unter so. hohe
Druckspannung setzen kann., daß man in den Glasteil einen metallischen Leiter z.
B. in Rohrform mit einem Ebenfalls über dem Ausdehnungskoeffizienten des Glases
liegenden Ausdehnungskoeffizienten einschmelzen kann, obwohl sich beim Erkalten.
der innere Metallteil stärker zusammenzieht als dis Glas und somit die Gefahr der
Ablösung vom Glas entsteht. Sofern .der Glasteil von außen her durch den ihn umgehenden
Metallteil unter genringend starken. Druck gesetzt wird, läßt sich eine solche Ablösung
vermeidten. Es hat sich nun gezeigt, daß besonders: bei der Herstellung großflächiger
Verschmelzungen der beschriebenen Art, -bei welchen. sowohl das zur Herstellung
des äußeren als, auch des inneren Metallteils dienende Metall einen größeren Ausdehnungskoeffizienten
besitzt als das, Glas, nach den bisher üblichen Verfahren, bei welchen die Verschmelzung
nach dem Niederschmelzen des Glasteils langsam abgekühlt wird, gewisse Schwierigkeiten
:entstehen, die man nur durch die Benutzung hoher Wandstärken fier dein äußeren
Metallteil umgehen kann; denn nur auf diese Weise gelingt eis, besondzrs bei Verschmelzungen
großen Durchmessers, z. B,. io bis 2o cm., wie sie für Kathodentöpfe bei Quecksilberdampfgleichrichtern
notwendig .sind, so starke Druckspannungen zu erzeugen, daß die durch die Schrumpfungen
des Innenteils entstehenden Zugspannungen aufgehoben werden.. Die vorliegende Erfindung
betrifft nun ein Verfahren, mit: dessen Hilfe es unter Beachtung der an sich bekannten
und oben geschilderten V orsichtsmaßregeln gelingt, großlächide Verschmelzungen
zwischen Gläsern und Metallen mit höherem Ausdehungskoeffizienten bei mäßigen Wandstärken
herzustellen.. Es ist dabei in erster Linie an die Verschmelzung von handelsüblichem
Eisen mit handelsüblichen Weichgläsern gedacht. Es kommt jedoch auch die Verschmelzung
anderer Metalle, beispielsweise Kupfer, mit Gläsern geeigneten Ausdehnungskoeffizienten
in Betracht.
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Gemäß der Erfindung wird nach dem Niederschmelzen des Glasteils die
Temperatur des Innenteils bis auf eine unter dem Erstar rungsbereich des Glases
liegende Temperatur herabgesetzt, so daß die Ablciihlung von innen nach außen zu
fortschreitet. Die dabei entstehende Wirkung ist etwa folgende: Durch die Abkühlung
des Innenteils verringert sich zunächst der Durchmesser dieses Teils. Da das Glas
noch weich ist, folgt es dieser Bewegung. Infolge der allmählich nach außen fortschreitenden
Abkühlung kommen, von innen nach außen fortschreitend, allmählich weitere Schichten
des Glases in den Erstarrungsbereich und erhärten. Die inneren Schichten werden
dabei gewissermaßen durch Aufschrumpfen der äußeren Schichten unter Druckspannung
geisetzt, während in dem äußeren Schichten Zugspannungen entstehen. Durch geeignete
Wahl der Abkühlungsgeschwindigkeit läßt sich aber -erreichen, d=a.ß die entstehenden
Zug-Spannungen ein zulässiges Maß nicht überschreiten. Wenn die Abl@@ihlung dann
bis an den die Verschmelzung außen umgebenden Metallteil fortgeschritten ist, dann
schrumpft dieser Teil auf die äußerste Glasschicht auf und setzt die darunterliegenden
Teile unter D:ruckspann.ungen, d. h. die etwa vorhandenen Zugspannungen werden aufgehoben.
Auf diese Weise gelingt es, innerhalb des. Glasteils eine ziemlich gleichmäßige
Spannungsverteilung herbeizuführen, die biss zu dem Innenleiter fortschreitet und
dort das Auftreten von Zugspannungen trotz des größeren Ausdehnungskoeffizienten
dieses Leiters verhindert.
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Die Herabsetzung der Temperatur des Innenleiters läßt sich besonders
bei Verschmelzungen leicht durchführen, bei welchen der Innenteil rohrförmig ist.
Solche Verschmelzungen werden, beispielsweise bei Kathodentöpfen für Quecksilberdampfgleichrichter
benutzt. Eine derartige Verschmelzung ist in den Figuren dargestellt. Darin ist
mit i ein ringförmiger Meta.lheil, z. B. aus Eisen, bezeichnet. 2 ist ein rohrförmiger
Innenleiten, :der ebenfalls aus Eisen bestehen möge'. 3 ist ein zwischen beiden
Teilen, liegender Ring aus einem handelsüblichen Weichglas. Beide Teile ragen an
beiden Seiten über den Glaspfropfen 3 hervor, was wagen ungleichmäßiger Bean;spruchungen
des Glasteils zweckmäßig ist. .I und- 5 sind Emailschichten, die zweckmäßig vor
dem Niederschmelzen des Glasteils auf den Metallteil aufgebracht sind. Während der
Herstellung der Verschmelzung wird das Abfließen des Glasteils durch einen z. B.
aus Graphit bestehenden Ring 6 verhindert. Nachdem das Glas eingebracht und in an
sich bekannter Weise niedergeschmolzen ist und für einen guten Temperaturausgleich
gesorgt worden ist, wird nun gemäß der Erfindung der Innenteil 2 auf eine unter
dem Erstarrungsibereich liegende Temperatur, z. B. 250 bis: 330° gebracht.
Zu diesem Zweck kann, ein Kühlluftstrom durch den Innenteil 2 geleitet werden. -
Die Abkühlung des inneren Metallteils wird zweckmäßig so rasch vorgenommen,
daß er in einem Zeitraum zwischen einigen Sekunden und etwa i Minute auf eine Temperatur
von 25o bis 35o° kommt. Von diesem Zeitpunkte an kann die Temperatur des Innenteils
zunächst konstant gehalten werden. Empfehlenswert ist es jedoch, im Anschluß an
die rasche Temperatursenkung eine allmähliche 'weitere Temperaturverminderung vorzunehmen.
Auf diese Weise gelingt es nämlich, die Zugspannungen- in den eben erstarrten. Zonen
kleiner zu halten, weil der innerhalb dieser Zonen liegende Körper wegen der sinkenden
Temperatur etwas kleinere Abmessungem. annimmt.
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Man kann die I#',ühlwirkung in der Nähe der Einschmelzung auch dadurch
verstärken, daß man einen Düsenkranz 7 in die Nähe der Einschmelzstelle bringt und
die Einschnmelzstelle unmittelbar anbläst. Um die Kühlwirkung der Luft zu erhöhen,
kann man ihr eine Flüssigkeit, z. B: Wasser, in Tröpfchenform (@T.ebeil j beimengen.
Wesentlich ist dabei, daß die Allci@hlung gleichmäßig
durchgeführt
wird. Ztt diesem Zweck kann man die Düse oder die Einschmelzung in. Rotation versetzen.
Ebenfalls kann man den Innenteil auch mit einem unter der Einschmelztemperatur schmelzenden
Metall, z. B. einer Legierung, genügend kleinen Dampfdruckes ausfüllen, so daß sie
beim .Niederschmelzen des Glasteils nicht verdampft. In das flüssige Metall kann
man eine beispielsweise mit Wasser gekühlte Kühlschlange einführen. Es empfiehlt
sich, eine Legierung zu verwenden, deren Schmelzpunkt unter ioo° liegt (z. B. Roosesches
oder Woodsches Metall), damit man nach dem Erkalten der Einschmelzung dieses Metall
ohne nennenswerte Erhitzung der Einschmelzung wieder verflüssigen und entfernen
kann.
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Mit, der Einleitung der Abkühlung des inneren Metallteils kann die
allmähliche Abkühlung der gesamten Einschmelzung beginnen, d. h. man kann die Wärmezufuhr
unterbinden. Es kann seich jedoch, um dem Erstarrungsvorgang einen vorgegebenen
Verlauf zu geben, auch als notwendig erweisen, die Wärmezufuhr zu den äußeren Teilen
der Verschmelzung zunächst aufrechtzuerhalten oder gar zu verstärken und erst dann
zu unterbrechen, wenn der Abkühlungsvorgang von innen -bis zu einem bestimmten Maße
fortgeschritten ist,.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich auch bei der Einschmelzung
von stabförmigen Leitern- durchführen. Eine solche Verschmelzung ist in Fig. 2 dargestellt.
Die mit Fig. i übereinstimmenden Teile tragen die gleichen Bezugszeichen. Der Innenleiter
besteht hier aus einem Metallstab 7, z. B. aus Eisen. Die Abkühlung des Innenleiters
kann hier in der Weise vorgenommen werden, daß man. diesen Leiter bis möglichst
nahe an die Einschmelzst:ellen heran kräftig kühlt. Man kann ihn aber auch mit einer
Bohrung versehen und in diese Bohrung ein Metall hohen Wärmeleitve.rmögens, z. B.
Kupfer, einführen, dessen Enden gekühlt werden. Man kann aber auch eine auf die
gewünschte Temperatur gehaltene Metallegierung durch eine Bohrung des Metallteils
hindurchschicken.
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Es wurde weiter oben auseinandergesetzt, daß bei der Durchführung
des Verfahrens nach der Erfindung von innen heraus Druckspannungen entstehen und
die im äußersten Teil entstehenden Zugspannungen durch das Aufschrumpfen. des äußeren
Metallteiles: aufgehoben werden. Daher braucht der äußere Metallteil nicht die gesamten
Kräfte aufzubringen, und es ist deshalb möglich, die gesamte Verschmelzung unter
Druckspannungen zu setzen, ohne daß der äußere Metallteil eine unbequem große Wandstärke
ztt erhalten braucht.
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Beim Verfahren nach der Erfindung schreitet die Abkühlung von innen
nach außen fort. Wenn die dem äußeren Mantel benachbarten Glaszonen in den Er:starrungs.bereich
gelangen, dann entsteht eine verhältnismäßig große Temperaturdifferenz zwischen
dem Glas und dem äußeren Metallteil. Die Bildung einer solchen Temperaturdifferenz
wird noch dazu gefördert, daß von den der Einsehmelzstelle benachbarten Teilen des
Metallmantels Wärme nach der Einschmelzstelle strömt und auch von außen (Ofenwänden)
noch Wärme zugeführt wird. Der Umstand, daß die Temperatur des äußeren Metallmantels
nicht genügend rasch derTemperatur dies Glasteils folgt, kann dazu führen, daß die
ohnehin in den äußeren Glaszonen vorhandenen Zugspannungen so weit anwachsen" daß
sich Risse bilden. Diese Schwierigkeit läßt sich gemäß der weiteren Erfindung dadurch
vermeiden" daß man in dem Zeitpunkt, in dem die äußeren Glasteile erstarren, für
eine solche: Abkühlung des äußeren Metallmantels sorgt, daß er von diesem Zeitpunkt
an der Abkühlung der äußeren Glaszonen folgt. Man kann dabei die Temperatur des
Metallmantels auch etwas unter die des, Glasteils senken, denn dabei treten nur
Druckspannungen im Glasteil auf, die unschädlich sind.
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In der Praxis, wird man so vorgehen, daß man zunächst an einem Probestück
mit Hilfe; von Thermoelementen unter gegebenen Abkühlungsbedingungen den zeitlichen
Verlauf der Temperatur bestimmt und ermittelt, in welchem Augenblick der Erstarrungsbereich
in den äußeren Glaszonen erreicht wird. Man sorgt dann dafür, daß von diesem Zeitpunkt
an der äußere Metallmantel sich genügend stark abkühlt. Dass kann unter Umständen
schon dadurch geschehen; daß man die Verschmelzung aus dem Ofen entfernt. Man kann
aber auch durch Anblasen des Metallmantels von. außen mit Hilfe geeigneter Düsen.
für eine genügend rasche Abkühlung sorgen. Die hierzu notwendigen Luftmengen lassen
sich leicht durch Versuche ermitteln. Die auf dies:eWeiseeinmal gefundenen Bedingungen
können dann bei gleichartigen Verschmelzungen durch Erfüllung eines vorgeschriebenen
Arbeitsprogrammes innegehalten werden.
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Das Zustandekommen eiiner einwandfreien Verschmelzung ist beim Erfindungsgegenstand
vom Aufschrumpfen des äußeren Metallteils abhängig. Man wird deshalb im wesentlichen
mit, zylindrischen Metallteilen arbeiten. Es ist aber auch möglich, komische Metallteile
nicht zu großen Öffnungswinkels anzuwenden. Dagegen kann es nützlich sein., dem
äußeren Metallteil eine Krümmung zu geben, deren konkave Seite dem Glasteil zugewandt
isst. Eine entsprechende; Krümmung kann auch der Innenteil erhalten. Günstige Ergebnisse
lassen sich erzielen, wenn der Unterschied in den Ausdehnungskoeffizienten etwa
30 bis 40 °/o beträgt,, wie dies zwischen Eisen (Atrsdehnungskoe@ffizient
125 bis 145 - 107) und handelsüblichen Weichgläsern (Ausidehnungskoeffizient
84 bis ioo) der Fall ist. Natürlich kann man auch andere N@Terkstoffe verwenden,
z. B. Hartgläser und Metalle, deren Ausd.ehnungs#k oeffizienten ebenfall 30 bis
4o % über den der Metallegierungen liegen. Das Zustandekommen einer einwandfreien
Verschmelzung ist beim Erfindungsgegenstand zwar nicht von der Emailleerung der
Metallteile abhängig, dennoch empfiehlt es sich, aus den eingangs erwähnten Gründen
eine Emailzwischenschicht anzuwenden; denn dann läßt sich der Ei:nschmelzvorgang
viel leichter beherrschen, und es besteht weniger die
Gefahr; daß
an einigen Stellen das Glas nicht einwandfrei am Metall haftet und, von diesen Stellen
ausgehend, mechanische Zersitörungen als Folge von Kerbwirkungen auftreten.