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Verfahren zur Herstellung metallkeramischer Formkörper Es gibt pulverige
Stoffe, die beim Erhitzen schon r# weit unterhalb ihres Schmelzpunktes zusammenbacken,
d. h. sintern, und dabei feste, starre Gebilde liefern. So können aus Metallpulvern
durch Pressen und Anwendun- hoher Temperaturen metallische I Forinkörper hergestellt
werden (Pulvermetalltir,-,ie). Die Sinterung in der Hitze ist besonders ausgeprägt
bei Silicathydraten, beispielsweise den Tollen. Diese besitzen überdies eine Eigenschaft,
die- anderen Stoffen, auch Metallpulvern, nicht zukommt. Sie werden durch Anfeuchten
mit Wasser oder bestimmten anderen Flüssigkeiten plastisch und lassen sich leicht
in bestimmte Gestalt bringen. Ihre Plastizität ist häufig so groß, daß sie eine
beträchtliche Menge unplastischer Stoffe zu binden vermögen. Die, Keramik macht
hiervon Gebrauch beim Aufbau üblicher keramischer '-,\fassen. Ein geringfügiger
Zusatz von hochplastischeni Toll #, z#I kann genügen, um aus verschiedenartigen
unplastischen, sogenannten mageren Stoffen, formbare Massen zu erhalten. Darauf
beruht beispielsweise die Herstellung voll Graphittiegeln sowie voll Formkörpern
aus Silicium, Siliciumlegieruagen und Siliciumcarbid.
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Das vorliegende Verfahren benutzt die Plastizität tonhaltiger Massen,
um metallische Formkörper nach I:eramischen Arbeitsmethoden aus einer formbaren
Masse anzufertigen. Die Masse kann also beispielsweise auf der Töpferscheibe, nach
dem Massegießverfahreii oder durch Pressen verarbeitet werden. Die trockenen Formkörper
werden gebrannt. Um dabei Oxydation des Metalls zu vermeiden, ist Ausschluß voll
Luftsauerstoff erforderlich.
Es istbereits vorgeschlagen worden,
keramische Gegenstände aus einem Gemisch von keramischen Rohstoffen und pulverisierten
Metallen herzustellen. Es ergaben sich aber unüberwindbar erscheinende Schwierigkeiten,
obwohl die Formkörper in sauerstofffreier Atmosphäre oder in Kohle eingebettet gebrannt
wurden, um Oxydation zu vermeiden. Die Ursache Ader bisherigen Mißerfolge liegt
im tonigen Bindemittel begründet. Die, wesentlichen Bestandteile der Tone sind Silicathydrate,
beisp.ieIsiveise der Kaolinit A12 0,3 .:2 S'02 -:2 H2 0'
Beim Brennen
derTone wirdWasser abgespalten, Beim Kaolin z. B. beginnt die Wasserabspaltung oberhalb
400'. Sie ist aber erst beendet bei etwa 70d'. Bei an-deren Silicathydrate enthaltenden
Mineralien können die entsprechenden Temperaturen anders liegen, Bei solchen Temperaturen
wirkt Wasserdampf auf die Metalle ein. Enthält die Masse beispielsweise metallisches
Eisen, so ergeben sich folzende Vorgänze:
Es handelt sich hier um Gleichgewichte. Die Reaktion kann in die eine oder andere
Richtung gelenkt werden. Durch Wegnahme von Wasserstoff läuft sie von links nach
rechts, durch Entnahme von Wasserdampf von rechts nach links. Bei anderen Metallen
liegen die Verhältnisse ähnlich wie beim Eisen.
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Die rohen Formkörper aus Metallmasse sind poröse Gebilde. Die Gasatmosphäre,
die den Formkörper beim Brennen umgibt, braucht nicht identisch zu sein mit dem
in den Poren enthaltenen Gas, weil Gasdiffusion durch die feinen Poren nur lano,-sam
stattfindet. Durch die fortschreitende Wasserabspaltung füllen sich die Poren immer
wieder mit Wasserdampf, der auf dieMetallteilchen oxydierend einwirkt. Das erklärt,
daß das. Brennen der Formkörper in, reduzierender Gasatmosphäre nicht ohne weiteres
zum Erfolg fährt, denn es entsteht Metalloxyd, das beim Fortschreiten des Brennvorganges
leichtschmelzbare Silicate bildet, welche die Poren vorzeitig abdichten und Erweichung
und Blähung bewirken.
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Um einwandfreie Formkörper zu erzielen, ist es notwendig, vorerst
so. weit zu erhitzen, daß das chemisch gebundene Wasser des Bindemittels entweicht,
der Körper aber porös bleibt. Alsdann wird in reduzierendem Gas so lange auf die
für die Reduktion des gebildeten Oxyds geeignete Temperatur erhitzt, bis es möglIchst
vollständig in Metall zurüc - kverwandelt ist. Erst dann kann die Temperatur
weitergesteigert werden, bis der gewünschte Sinterungsgrad. erreicht ist.
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Beim Brennen eines aus Ton und Metall gebiJ-deten Formkörpers bildet
sich also Metallexyd auch dann, wenn, die Erhitzung im Vakuum oder in einem reduzierenden
Gas vorgenommen wird. Dieses Oxyd muß dann wieder reduziert werden, bevor der Brand
zu Ende geführt wird und solange der Formkörper noch poiös ist. Man kann somit auch
vorn Me#talloxyd oder Erz ausgehen, statt die Masse aus pulverisiertem Metall zu
bilden. Diese Arbeitsweise ist wirtschaftlicher. Die oxydischen Rohstoffe sind leichter
in. zerkleinerter Form zu gewinnen als die Metalle selber. Das Verfahren bleibt
im übrigen dasselbe, mit dem Unterschied allerdings, daß ein Schutz gegen Oxydation
überflüssig wird-, bis das Hydratwa,sser entfernt ist.
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Bei der nachfolgenden Reduktion muß das reduzierende Gas durch die
Poren des Körpers hinein-und das oxydierte Gas hinausdiffundieren. Die Reduktion
erfordert deshalb erhebliche Zeit. Wird hierfür ein Wasserstoffstrom angewendet,
so. läßt sich das. Ende der Reaktion -daran erkennen, daß sich im aus dem Ofen austretenden
Gas kein Wasser mehr kondensiert. Erst wenn däs in der Masse vorhandene oder bei
der Entwässerung des Bindemittels gebildete Metalloxyd möglichst vollständig reduziert
ist, soll die Temperatur bis zur gewünschten Brennhöhe gesteigert werden,.
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Folgendes Beispiel mag zur Erläuterung dienen: 2,o Teile pulverisierter
feuerfester Ton, 8o Teile pulverisierter Magnetit (Eisenoxyd) werden vermischt.
Durch Zugabe von Wasser entsteht eine plastische Masse, aus der ein Körper von gewünschter
Form gebildet wird. Dieser wird getrocknet und alsdann allmählich auf etwa
700'
erhitzt, bis das Hydratwasser des Tons entwichen ist. Daraufhin wird
der poröse Formkörper so lancle im Wasserstoffstrom auf etwa 8oo' erhitzt, bis das
Oxyd so vollständig als möglich zu Metall reduziert ist. Erst dann wird die Temperatur
in dem mit Wasserstoff anggefüllten Brennraum so weit gesteigert, bis der gewünschte
Sinterungsgrad erreicht ist.
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Bei der Herstellung me-tallischer Formkörper mit verschiedenen Eigenschaften
bietet das Verfahren weiten Spielraum. Variationsmöglichkeiten sind gegeben durch
die Auswahl und das Mischungsverhältnis der Rohstoffe sowie durch die weitere Behandlung
der rohen Formkörper.
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Als metallische Rohstoffe eignen sich solche hochschmelzende Schwermetalle,
deren Oxyde durch Wasserstoff reduziert werden können, wie Eis-en, Nickel, Kupfer,
Wolfram, Molybdän u. dgl., sowie deren Legierungen. An ihrer Stelle können
die entsprechenden Oxyde oder Erze verwendet wer-den. Durch gleichzeitige Verwendung
mehrerer Metalle bzw. deren Oxyde kann Legierungsbildung bewirkt werden. Als, zusätzliche
metallische Massebestandteile können Chrom, Mangan oder Silicium oder deren Legierungen
verwendet werden, d. h. j Stoffe, die gegen oxydierende Einflüsse wenig ernpfindlich
sind.
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Als Bindemittel, das der rohen Masse Formbarkeit verleiht, eignen
sich Silicathydrate, wie Ton, Kaolin, Talk (Speckstein), Bentonit, Hallovsit, Allophan
u. dgl.
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Dem Ge-mii,-sch aus Metall bzw. Metalloxyd und tonigem Bindemittel
können weitere Stoffe, wie sie bei der Herstellung bekannter küramischer Materialien
gebräuchlich sind, zugesetzt werden. Um das Dichtbrennen zu erleichtern oder um
allfällige
Reste von Oxvd von den Metallteilchen abzulösen, können
der #jasse Flußmittel, wie Feldspat, Borsäure oder Borate, zugesetzt werden. Auch
inerte Stoffe, wie Quarz, Schamotte oder Siliciumearbid, können beigJ-fügt werden.
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Als reduzierende Gase eignen sich außer Wasserstoff auch Kohlenwasserstoffe
oder Kohlenoxyd. Das letztere kann beispielsweise so angewendet werden, daß der
abgeschlossene Brennraum außer den Formkörpern Kohlenstücke enthält. Das bei der
Reduktion von Metalloxyd gebildete CO. wird dann an Ader Kohle wieder
zu CO reduziert.
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Neben der Zusammensetzung und der Korngröße der Rohmaterialien beeinflußt
die Höhe der Garbrenntemperatur -den Ausfall der Erzeugnisse als poröse oder dichtgesinterte
Materialien.
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Die nach dem Verfahren hergestellten Formkörper besitzen nach Maßgabe
des Mischungsverhältnisses der Ausgangsstoffe mehr den Charakter von Metallen oder
Legierungen oder mehr den Charakter üblicher keramilscher Materialien. Man kann
dementsprechend die Erzeugnisse als silicathaltige metallische oder metallhaltige
keramische Materialien ansehen. Die metallischen Eigenschaften lassen sich durch
die Wahl und Bemessung der Rohstoffe. dosieren. Es gilt dies sowohl hinsichtlich
der mechanischen als auch der elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Es ist
dies von besonderem Nutzen bei der Herstellung von elektrischen Widerständen bzw.
Heizkörpern.