-
Verwendung einer Eisen, Nickel und Kupfer enthaltenden Legierung für
Gegenstände, bei denen weiches Glas mit einem Metallteil verschmolzen ist Die Erfindung
betrifft die Verwendung einer Eisen, Nickel und Kupfer enthaltenden Legierung für
Gegenstände, bei denen weiches Glas mit einem Metallteil verschmolzen ist.
-
Es ist bekannt, daß bei Nickel-Eisen-Legierungen die Ausdehnungszahl
durch Änderung des Verhältnisses zwischen dem Nickelgehalt und dem Eisengehalt unterhalb
der sogenannten Curie-Temperatur wesentlich geändert werden kann.
-
Im Bereich zwischen o und zoo° C beträgt die lineare Ausdehnungszahl
20 . ro 7 für eine Legierung mit 7o0/, Nickel, Rest Eisen. Mehrere dieser Legierungen
werden zur Herstellung von nachstehend als Anschmelzungen bezeichneten Gegenständen
verwendet, bei denen ein Metallteil mit Glas verschmolzen ist. Es ist dabei nicht
nur erforderlich, daß die Ausdehnungszahlen der Materialien einander angepaßt sind,
sondern auch, daß die Ausdehnungskurven, d. h. die Kurven, welche die Beziehung
zwischen der relativen linearen Ausdehnung und der Temperatur der Legierung, und
des Glases angeben, ein gewisses Verhältnis zeigen.
-
Es hat sich nun bisher mit den vorstehend erwähnten Legierungen als
nicht gut möglich erwiesen, eine Ausdehnungskurve herzustellen, die derjenigen weichen
Glases gut angepaßt war, und zwar besonders nicht im Erweichungsgebiet weichen Glases.
Unter einem weichen Glas soll im vorliegenden Fall eine Glasart verstanden werden,
deren lineare Ausdehnungszahl über 8o- 10 -7 hinausgeht. Diese Tatsache
machte
es notwendig, die Bedingungen, unter denen sich die Abkühlung der Anschmelzungen
nach ihrer Herstellung vollzog, besonders sorgfältig zu wählen.
-
Die Erfindung bezweckt unter anderem, diesen Nachteil zu beheben.
-
Gemäß der Erfindung werden 36 bis 54"/, Eisen und mindestens i °/o
Kupfer sowie eine Nickelmenge, die höchstens (56 + 1/s p) °/o beträgt, wobei P den
Kupfergehalt darstellt, miteinander legiert. Kupfer darf nicht in einer zweiten
Phase vorhanden sein, wodurch die obere Grenze in Abhängigkeit von dem Verhältnis
zwischen den Nickel- und Eisenmengen zwischen 5 und 7 % gelegt wird. Zweckmäßig
werden i bis 7 °/o Kupfer, Nickel zu einem Gehalt von 48 bis 56 °% Nickel -E- Kupfer
und für den übrigen Teil Eisen legiert.
-
Nickel-Eisen-Legierungen, in denen Kupfer als besondere Phase enthalten
ist, sind bekannt. Das Kupfer hat dann eine ganz andere Wirkung als die, welche
im vorliegenden Fall erstrebt wird. Das Kupfer soll z. B. die Legierung rostfrei
gestalten oder ihr eine hohe Permeabilität und eine niedrige Hysterese geben.
-
Bevor nun auf die Erfindung und ihre Ausführungsformen näher eingegangen
wird, wird zunächst die Art, wie sich infolge des Zusatzes des Kupfers eine Anpassung
der Ausdehnungskurven ergibt, an Hand einiger Diagramme näher erläutert. Darauf
wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gegeben werden.
-
Die Fig. i bis 4 stellen die Ausdehnungskurven verschiedener Legierungen
und die einer einzigen Art weichen Glases dar. Diese Figuren sollen nur die Schwierigkeiten
klar machen, auf die man bei der Herstellung von Anschmelzungen stoßen kann; deshalb
sind Zusammensetzungen und zahlenmäßige Werte fortgelassen.
-
Fig. 5 gibt einen Überblick über das ternäre System Eisen-Nickel-Kupfer.
-
Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Unterschied hinsichtlich der Ausdehnung
zwischen einem weichen Glas einerseits und zwei verschiedenen Legierungen andererseits
zeigt.
-
Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, entspricht die Form der Ausdehnungskurve
binärer Nickel-Eisen-Legierungen im Erweichungsgebiet weichen Glases nur der Form
dieser Kurve dieses Glases in demselben Gebiet. Unter dem Erweichungsgebiet soll
der Temperaturbereich verstanden werden, in dem das Glas beim Erwärmen anfängt,
zu erweichen, bzw. beim Abkühlen anfängt, ganz formfest zu werden, d. h. der Temperaturbereich,
innerhalb dessen während des Abkühlens nach der Herstellung einer Anschmelzung die
Spannungen eintreten. Je besser die Ausdehnungskurven in diesem Bereich einander
angepaßt sind, um so unwahrscheinlicher ist es, daß während des Kühlens erneut dauernde
Spannungen eintreten, vorausgesetzt, daß die Ausdehnungsunterschiede unterhalb dieser
Temperatur die gleichen sind, was sich leicht erreichen läßt.
-
In Fig. i sind zwei solche Ausdehnungskurven dargestellt, die die
Beziehung zwischen der relativen linearen Ausdehnung d ll und der Temparatur
T angeben. Für das Glas ist die Kurve gestrichelt und für die Legierung ausgezogen.
Es ist ersichtlich, daß die Ausdehnung des Glases zunächst langsam bis zu der Transformierungstemperatur
Tt zunimmt, um darauf schnell bis zu einem Punkt anzusteigen, in dem das Glas seine
Starrheit ganz verliert, was durch eine fallende Linie bezeichnet ist. Das vorstehend
erwähnte Erweichungsgebiet liegt nun in der Nähe der bei der Transforrnierungstemperatur
gebildeten Biegung.
-
Die Ausdehnung der Legierung nimmt gleichfalls zunächst langsam zu,
und zwar bis zum ferromagnetischen Curie-Punkt T, , um darauf auch schneller
anzusteigen.
-
Im allgemeinen wird bei Nickel-Eisen-Legierungen der Curie-Punkt T"
auf einer höheren Temperatur liegen als der Transformierungspunkt bei weichem Glas;
wenn die Kurven unterhalb des Transformierungspunktes nicht stark voneinander abweichen
(Fig. i). Es ist zu bemerken, daß die Biegung beider Kurven unterhalb dieser Temperatur
in manchen Fällen entgegengesetzt ist, was sich jedoch in der Praxis als nicht besonders
bedenklich erweist. Ausdehnungsunterschiede können hier durch nachgiebige Formveränderungen
aufgenommen werden.
-
Es ist nun gefunden worden, daß alle nicht ferro-, magnetischen Metalle,
wenn sie in einer Nickel-Eisen-Legierung gelöst werden, eine Erniedrigung des Curie-Punktes
bewirken. Es zeigt sich dabei jedoch im allgemeinen auch, daß die Ausdehnungszahl
so stark abnimmt, daß sich die Legierung nicht mehr zur Verschmelzung mit weichen
Gläsern verwenden läßt (Fig. 2).
-
Wird nun das Verhältnis zwischen Nickel und Eisen derart gewählt,
daß die Ausdehnungszahl größer wird, so liegt der Curie-Punkt wieder zu hoch, wie
in Fig. i.
-
Die Aufgabe, die von der - Erfindung nun gelöst wird, ist die, eine
Legierung auf Nickel-Eisen-Basis zu finden, deren Curie-Punkt so weit erniedrigt
worden ist (ohne daß die lineare Ausdehnung erheblich kleiner geworden ist), daß
die Ausdehnungskurve in dem Erweichungsgebiet derjenigen weichen Glases gut angepaßt
ist. Ein Beispiel einer guten Anpassung ist in Fig. 3 gegeben. Die Kurven schneiden
sich jetzt nahe dem Transformierungspunkt dreimal, und zwar in den Punkten I, II
und III. Im Erweichungsgebiet bestehen hier nur kleine Verschiedenheiten, daß sogar
bei ziemlich schneller Abkühlung keine ins Gewicht fallenden dauernden Spannungen
zu entstehen brauchen.
-
Es ist für die Herstellung einer guten Anschmelzung keine Bedingung,
daß von beiden Kurven drei Schnittpunkte gebildet werden.
-
Fig. 4 gibt ein anderes Beispiel zweier einander gut angepaßter Kurven.
-
Eine allgemeine Regel läßt sich hier nicht geben, weil auch die Form
der Anschmelzung Einfluß auf die von den Kurven zu erfüllenden Bedingungen ausübt.
Im allgemeinen wird auf die weitestgehende Vermeidung von Zugspannungen im Glas
hoher Wert gelegt. Zu diesem Zweck sind geringfügige Verschiedenheiten hinsichtlich
der Form und der Lage der Kurven manchmal erwünscht.
Die Erfindung
beruht nun auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, solche Kurven, wie sie in den
Fig. 3 und 4 dargestellt sind, zu verwirklichen, da auch gefunden wurde, daß nicht
alle Metalle, die ein Absinken des Curie-Punktes herbeiführen, auch eine starke
Erniedrigung der Ausdehnungszahl bewirken.
-
Es ist gefunden worden, daß die Metalle Kupfer und Zink eine Ausnahme
bilden; diese führen beide eine Erniedrigung des Curie-Punktes -herbei. Kupfer übt
dabei aber besonders geringen Einfluß auf die Ausdehnungszahl aus (unter der Voraussetzung
eines konstanten Eisengehaltes). Zink bewirkt sogar eine Zunahme dieses Koeffizienten.
Zur Anwendung in Legierungen, die der Herstellung von Anschmelzungen dienen sollen,
ist Zink jedoch unbrauchbar, da es sich bei der Erhitzung zu stark verflüchtigt.
-
Die Erfindung ist deshalb auf die Verwendung von Legierungen beschränkt,
die nicht nur Eisen und Nickel, sondern auch Kupfer in Lösung enthalten.
-
Die Grenzen, an welche die Komponenten der Legierungen, auf welche
sich die Erfindung bezieht, gebunden sind, werden nachstehend erläutert.
-
In Fig. 5 ist ein Überblick über Legierungen gegeben, die Eisen, Nickel
und Kupfer enthalten. Die Punkte des Diagramms, die eine Zusammensetzung von ioo
0/0 Eisen, Nickel oder Kupfer bezeichnen, sind aufeinanderfolgend mit Fe, Ni und
Cu bezeichnet. Es wird beispielsweise durch den Punkt P eine Zusammensetzung mit
30 % Fe, 15 0/0 Ni und 55 0/0 Cu bezeichnet.
-
Einige Gebiete, in denen sehr bekannte Legierungen liegen, sind hier
umrandet. Das Gebiet i betrifft die Legierungen für Dauermagnete; das Gebiet 2 betrifft
dasjenige der Werkstoffe mit großer Permeabilität, und das Gebiet 3 betrifft die
Isoperme, die in Pupinspulen verwendet werden. Ferner sind noch einige Legierungen
angegeben, die ausschließlich aus Nickel und Eisen bestehen. An der Stelle 4 liegen
die bekannten Legierungen mit besonders niedriger Ausdehnungszahl mit annähernd
64 % Eisen und 36 0/0 Nickel. An der Stelle 5 liegen Legierungen, die 4o bis 6o
0/0 Nickel und für den übrigen Teil Eisen enthalten, die sogenannten Texturmaterialien
für Pupinspulen. Solche Legierungen mit 5o bis 52 0/0 Fe, Rest Nickel sind die in
der Einleitung der Beschreibung erwähnten, die häufig für Anschmelzungen an weiche
Gläser verwendet werden.
-
Es wurde schon bemerkt, daß die Legierungen, auf welche sich die Erfindung
bezieht, kein Kupfer als besondere Phase enthalten dürfen. Die Lösbarkeitsgrenzen
des Kupfers, Nickels und Eisens bei Zimmertemperatur sind deshalb durch die Linien
6 und 7 bezeichnet; der Vollständigkeit halber ist die Lösbarkeitsgrenze beim Schmelzpunkt
durch die Linie 8 angegeben. Links von der Linie 6 liegen Legierungen mit niedrigem
Kupfergehalt, denen die Legierung angehört, auf welche die Erfindung sich bezieht.
Rechts von der Linie 7 liegen Legierungen, die nahezu ganz aus Nickel und Kupfer
bestehen, wie sogenanntes Neusilber.
-
Das Gebiet, in dem die Legierungen liegen, auf welche sich die Erfindung
bezieht, ist mit 9 bezeichnet. Es wird auf der linken Seite von einer Linie begrenzt,
die einen Gehalt von wenigstens 10% Kupfer angibt. Um den Curie-Punkt so weit zu
erniedrigen, daß der verfolgte Zweck erreicht wird, ist mindestens dieser Prozentsatz
an Kupfer erforderlich. Diese Grenze geht weit über die in Nickeleisen zu erwartenden
Kupferverunreinigungen hinaus. Das Gebiet 9 ist, wie bereits bemerkt wurde, an der
rechten Seite durch die Linie 6 begrenzt.
-
Die untere Grenze ist durch eine Linie bestimmt, die einen Gehalt
von 54 % Eisen angibt, Rest Nickel -E- Kupfer. Legierungen unterhalb dieser Linie
weisen eine zu niedrige Ausdehnungszahl auf, um bei den vorstehend definierten weichen
Gläsern Verwendung finden zu können.
-
Die obere Grenze ist durch eine Linie festgelegt, die Legierungen
mit einem Curie-Punkt von annähernd 55o° C angibt. Diese Linie ist empirisch angenähert
erreicht worden durch einen Nickelgehalt, der höchstens (56 -f- 1/3 p) 0/0 beträgt,
wobei P den Kupfergehalt darstellt. Bei weichen Gläsern wird man keine Legierungen
mit höheren Curie-Punkten zu verwenden brauchen, wenn die durch die Erfindung zu
erzielende Wirkung erreicht werden soll.
-
An Hand eines Ausführungsbeispiels wird jetzt gezeigt werden, welchen
Einfluß das Kupfer in Lösung auf die Lage des Curie-Punktes und die Ausdehnungszahl
sowie auf die Spannungsverteilung bei einer Anschmelzung an weiches Glas ausübt.
-
Als Glas ist hierbei beispielsweise sogenanntes Röntgenglas mit einer
linearen Ausdehnungszahl A. = 96. zo 7 zwischen 2o und 300° C gewählt. Die Transformierungstemperatur
liegt hier bei 515° C. Die Zusammensetzung in Gewichtsprozent ist folgende
| Si 02 ........................... 70,5010 |
| Na, 0 .......................... 18,o 0/0 |
| Ca o ........................... 9,00/0 |
| Zn0 ............................ 0,5% |
| A1203........................... 2,o0/0 |
Die Ausdehnungen zweier Legierungen mit unterschiedlichem Kupfergehalt werden mit
der Ausdehnung dieses Glases verglichen.
-
Die gestrichelte Kurve A in Fig. 6 bezieht sich auf eine Legierung,
die aus 46,7 % Fe, 51,3 0/0 Ni und 2 0/0 Cu besteht, die Ausdehnungszahl beträgt:
A, 2o bis 300° C = 104 # lo-7 und die Curie-Temperatur T, = 485° C. Die ausgezogene
Kurve B bezieht sich auf eine Legierung, die aus 46,5 0/0 Fe, 47,5 % Ni und 6 0/0
Cu besteht; die Legierung hat eine Ausdehnungszahl A, 2o bis 300° C = io2. lo-7
und eine T, = 45o° C. Die Ausdehnungszahlen beider Legierungen sind somit praktisch
gleich, nur die Curie-Temperaturen sind verschieden.
-
In Fig. 6 ist nun die Differenz der Ausdehnungskoeffizienten
als Ordinate als Funktion der Temperatur in Grad Celsius aufgetragen.
-
Mit Al. und Al, sollen hier die Verlängerungen des Glases
bzw. des Metalls bezeichnet werden. Der Deutlichkeit halber sind die Ordinaten in
weit übertriebenem Maßstabe dargestellt.
In Abweichung von den Fig.
= bis 4 zeigt die Fig. 6 somit nur die Verschiedenheiten in der Ausdehnung und nicht
die absoluten Werte, weil die Verschiedenheiten bestimmen, welche Spannungen auftreten
werden.
-
Die Figur zeigt, daß die Verschiedenheiten in derAusdehnung bei Anwendung
der Legierung A größer sind als bei Anwendung der Legierung B. In beiden Fällen
schneiden 'sich die Ausdehnungskurven offenbar in oder nahe dem Transformierungspunkt,
der bei 515'C lag. Die Kurve B weist jedoch kurz unter dieser Temperatur zwei Biegepunkte
auf. Dabei liegt kurz unter dem Transformierungspunkt ein Bereich von 50° C, in
dem nur besonders kleine relative Längenveränderungen zwischen Glas und Legierung
auftreten. In diesem Gebiet brauchen somit keine besonderen Vorkehrungen beim Kühlen
nach der Herstellung der Anschmelzung getroffen zu werden. Beim Absinken der Temperatur
unter q.50° C nehmen die Abweichungen zunächst bis etwa 23o° C zu, um darauf wieder
abzunehmen. Diese Verschiedenheiten sind jedoch ungefährlich, weil das Glas in diesem
Gebiet nur zeitweiligen; nachgiebigen Formveränderungen unterworfen ist.
-
Es ist zu bemerken, daß die Tatsache, daß die Kurve A keine Biegepunkte
im Erweichungsgebiet aufweist, selbstverständlich nicht gegen die Brauchbarkeit
dieser Legierung in einer Verschmelzung mit einem anderen weichen Glas spricht,
das eine höhere Transformierungstemperatur aufweist. Ein solches Glas ist als Platinglas
bekannt und hat eine Z', = 530° C und eine Ausdehnungszahl A, = 89 bis
93- io-'.
-
Legierungen, die sich als recht gut brauchbar erwiesen haben, enthalten
i bis 7 % Kupfer, Nickel zu einem Gehalt von 48 bis 56 % Nickel + Kupfer und für
den Rest Eisen. Solche Legierungen sind bei manchen üblichen weichen Gläsern verwendbar,
wie z. B. bei Glas nachfolgender Zusammensetzung
| Si 02 ........................... 58,5% |
| A120............................ 00,5% |
| Na20 .......................... 6,5% |
| K20 ............................ 4,5)/o |
| Pb O ............................ 30,007o |
Der Gehalt an Pb O kann bei diesen Gläsern zwischen annähernd 2o und 35)/, schwanken,
der Alkaligehalt soll dabei zwischen io und 15 % bleiben.
-
Das Gebiet, in dem die zuletzt erwähnten Legierungen liegen, ist in
Fig. 5 mit einer gestrichelten Linie umgeben und mit der Ziffer io bezeichnet.