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Verfahren zur Herstellung von elektrisch und thermisch schlecht leitenden
bzw. elektrisch isolierenden oder Schall- und schwingungsdämmenden Ummantelungen
von Bolzen, Schraubenschäften, Buchsen oder ähnlich geformten Konstruktionsteilen
aus Metall In der Technik werden oft Bolzen, Schraubenbolzen, Buchsen, Rohre oder
ähnlich geformte Teile gebraucht, die elektrisch oder thermisch oder bezüglich der
Übertragung mechanischer Schwingungen möglichst schlecht leiten, also mehr oder
weniger gut isolieren müssen, andererseits aber auch Festigkeitseigenschaften aufweisen
sollen, die nicht wesentlich hinter denen eines Konstruktionsmetalls, etwa des Stahls,
zurückstehen. Dies gilt z. B. für die elektrisch isolierenden bolzen- oder buchsenförmigen
Konstruktionselemente von elektrischen Schaltapparaten, die im Betrieb schlagartige,
hämmernde oder peitschende Schaltbewegungen und hohe Massenbeschleunigungen auszuführen
haben. Im Verbrennungsmaschinenbau und im Apparatebau der Chemie wiederum wird nicht
selten verlangt, daß bei Rohren, Zylindern oder ähnlichen Teilen mit einer geringen
thermischen Leitfähigkeit eine hohe mechanische Zerreißfestigkeit verbunden sein
soll. In allen diesen oder ähnlichen Fällen ist es offensichtlich nicht angängig,
als Werkstoff für die Bolzen, Buchsen, Rohre usw. die üblichen Isolierstoffe auf
keramischer, mineralischer oder ähnlicher Grundlage zu verwenden, weil diese Stoffe
eine viel zu geringe Zug-, Biege-und Stoßfestigkeit besitzen; und ebensowenig
pflegen
hierfür die Isolierstoffe auf organischer Basis, d. h. Kunstharze, gummiartige Materialien
usw. geeignet zu sein, weil auch deren Festigkeit zu niedrig, ihreElastizität aber
zu hoch und außerdem meistens ihre Wärmebeständigkeit völlig unzureichend ist.
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Die Erfindung geht nun zunächst von der allgemeinen Erfahrung aus,
daß in den weitaus meisten Anwendungsfällen für die aufgezählten Konstruktionsteile
überhaupt nicht die Notwendigkeit vorzuliegen pflegt, daß ihr gesamtes Materialgefüge
den isolierenden bzw: schlecht leitenden Charakter besitzt. Vielmehr wird es sich
meistens so einrichten lassen, daß nur eine oder zwei, bei manchen konstruktiven
Anordnungen auch mehrere Zonen mit einer festen Gefügeschicht solchen Charakters
ummantelt zu sein brauchen, damit das Konstruktionsteil sowohl seinem mechanischen
Zwecke genügt als auch hinsichtlich seiner Isolierfähigkeit ausreicht. jedenfalls
betrifft die Erfindung solche mit einer oder mehreren derartigen Ummantelungen ausgestattete
Bolzen, Schraubenschäfte, Buchsen, Rohre usw., und zwar gibt sie ein Herstellungsverfahren
für solche Ummantelungen an.
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Dieses Herstellungsverfahren besteht nun im wesentlichen darin, daß
die Ummantelungen der metallischen Konstruktionsteile aus untereinander kraftschlüssigen
Metallagen aufgebaut und daß deren einzelne Oberflächen durch chemische, elektrolytische
oder kombinierte Verfahren in mehr oder weniger dünner Schicht in den nichtmetallischen
und somit in den schlecht leitenden bzw. zu Isolierwirkungen befähigten Zustand
übergeführt werden.
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Der innere Kraftschluß zwischen den Lagen der Ummantelung und der
Kraftschluß zwischen dieser und dem Bolzen, der Buchse, dem Rohr usw. läßt sich,
da j a die Bolzen, Buchsen, Rohre usw. kaum jemals anders als mit kreisförmigen
Querschnitten vorliegen werden, sehr leicht und bequem erreichen, und zwar durch
Verwendung hülsenförmig ausgebildeter Metallagen und durch Aufschrumpfen der erwärmten,
jeweils äußeren Metallage auf die kälter gehaltene innere. Dieses Aufschrumpfen
von Hülsen auf Bolzen usw. und das nachfolgende Darüberschrumpfen immer weiterer
Hülsen stellen eine jedem Fachmann geläufige Operation dar, und zwar auch bezüglich
der Art und Höhe der notwendigen Erwärmung der Hülsen und ebenso bezüglich der Maß'haltigkeit
(der Passungstoleranzen), welche diese aufweisen müssen.
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Die Oberflächenschichten hohen Leitungswiderstandes können, sofern
als Material für die. Bolzen, Buchsen usw. und für die Hülsen, aus denen die Ummantelungen
aufgebaut werden, Aluminium, Magnesium oder eine Legierung des einen oder anderen
gewählt wird, entweder elektrolytisch, z. B. mittels des bekannten sog. Eloxalverfahrens
oder mittels des sog. Elomagverfahrens, oder aber durch chemische Oxydation, z.
B. mittels des bekannten sog. modifizierten Bauer-Vogel-Verfahrens, hergestellt
werden. Es können aber auch Kombi- !, nationen der vorgenannten oder überhaupt von
chemischen mit elektrolytischen Methoden zur Durchführung des Herstellungsverfahrens
dienen. Sofern Eisen, Stahl, Nickel, Mangan, Zink usw. oder eine Legierung eines
dieser Metalle als Werkstoff für die Bolzen usw. und die Hülsen dient, können die
schlecht leitenden Oberflächenschichten auch durch Phosphatierungsmethoden hervorgerufen
werden. Hierfür kommt u. a. das bekannte sog. Parkerverfahren oder das sog. Bonder-
oder das sog. Atramentverfah.ren oder aber Kombinationen dieser untereinander oder
mit ähnlichen in Frage. Gerade die Verwendung von Metallen der Eisengruppe oder
von Zink oder entsprechender Legierungen in Verbindung mit einer der Methoden des
Phosphatierens bietet für das neuartige Herstellungsverfahren große Vorteile, und
zwar allein schon deswegen, weil die phosphatierten Oberflächenschichten die mechanischen
Beanspruchungen beim Aufziehen der Hülsen sehr gut zu vertragen und das Aufeinanderziehen
derselben wesentlich zu erleichtern pflegen. Deswegen kann hierbei das neuartige
Verfahren erfindungsgemäß "auch insofern etwas abgewandelt sein, als an Stelle des
Heißaufschrumpfens ein kaltes Aufpressen, gegebenenfalls unter Benutzung eines Schmiermittels
(Leinöl usw.), zum Aufeinanderbringen der Lagen benutzt wird. Ist nun das Metall
des Bolzens usw. und der Hülsen aber ein solches, welches Kupfer zumindest als hauptsächlichen
Legierungsbestandteil enthält, so kann die Erzeugung der chemischen Oberflächenverbindung
entweder direkt durch Oxydation des Metalls selbst, z. B. durch Glühen oder Tempern
in sauerstoffhaltiger Atmosphäre oder in sauerstoffabgebenden Packungen, oder aber
durch Oxydation eines besonderen metallischen Überzuges bewirkt werden.
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Es gehört in den Bereich dieser Erfindung, wenn als Oberflächenschichten
an Stelle von Sauerstoff-oder Phosphorverbindungen andere chemische Verbindungen
des betreffenden Metalls, insbesondere Halogenverbindungen hergestellt werden.
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Demzufolge ist die Erfindung also dadurch gekennzeichnet, daß auf
dem metallischen Bolzen, der Buchse oder dem Rohr usw. mittels eines der bekannten
"chemischen oder/und elektrolytischen Verfahren eine oder mehrere schlecht leitende
bzw. isolierende Oberflächenschicht(en) erzeugt wird (werden), über welche entweder
durch Heißaufschrumpfen oder durch Kaltaufpressen eine oder mehrere metallische
Hülsen gezogen werden, worauf diese oder ein Teil derselben oder aber das Ganze
wiederum chemisch oder/und elektrolytisch auf eine schlecht leitende bzw. isolierende
Oberfläche hin behandelt wird, erforderlichenfalls mit nachfolgendem Aufziehen einer
weiteren oder mehrerer weiterer Metallhülsen über die bereits aufgezogene(n), gegebenenfalls
auch noch mit erneuter chemischer oder/und elektrolytischer Nachbehandlung und gegebenenfalls
noch mehrere Male so fort; d. h. daß dieses chemische, elektrolytische oder sonstige
Behandeln und dieses Aufziehen von Hülsen, ungerechnet etwaige Zwischenoperationen:,
in
abwechselnder Folge so viele Male stattfinden, als es die Abmessungen und Isolationswerte
für das Fertigstück erfordern.
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Ein Querschnitt durch einen fertigen Bolzen usw. in einer Zone seiner
verfahrensgemäß hergestellten Ummantelung, also ein Querschnitt gleichzeitig auch
dieser Ummantelung, wird also zentral um den Kernquerschnitt abwechselnd schmale
Ringe, nämlich die chemischen Metallverbindungsschichten, und breitere Ringe, nämlich
die metallischen hülsenförmigen Lagen, erkennen lassen, und es wird sich so ein
Bild ergeben, daß an die Jahresringe eines Querschnitts durch einen Baumstamm erinnert.
Das Ganze stellt, wenn das Aufschrumpfen oder Aufziehen fachmännisch vorgenommen
wurde, eine sehr feste Einheit dar, d. h. eine solche, die hinsichtlich ihrer Festigkeitseigenschaften
denen des verwendeten Konstruktionsmetalls sehr nahe kommt. Die dünnen Metallverbindungsschichten
aber befinden sich dabei offensichtlich in gut geschützter Lage, und bei allen möglichen
mechanischen Beanspruchungen des Ganzen trifft auf sie nur eine Art Kompressionsbeanspruchung.
Bezüglich der zulässigen Höhe ihrer elektrischen Beanspruchung durch eine Potentialdifferenz
zwischen dem Kern und der Peripherie des Ganzen müssen freilich die bekannten Regeln
der Elektrotechnik beachtet werden; insbesondere für Wechselstrom ist darauf zu
achten, daß durch die Schichtenfolge die Verhältnisse eines Kondensators vorliegen.
Überhaupt wird sich für die Praxis empfehlen, die elektrische Spannungsbeanspruchung
in der radialen Richtung für eine Ummantelung nicht wesentlich höher zuzulassen,
als sie von der einzelnen dünnen Metallverbindungsschicht ausgehalten wird. Sehr
oft wird man die elektrische Spannungsbeanspruchung über zwei benachbart gelegene
Ummantelungen hinweg aufnehmen und dadurch die doppelte Sicherheit erreichen können.
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Damit bei elektrischer Beanspruchung an den Stirnflächen derUmmantelungen
dersog.-elektrische Kriechweg vergrößert wird, kann erfindungsgemäß jede folgende
Hülse etwas kürzer gehalten werden, als die Länge der vorangehenden beträgt, auf
die sie aufgezogen wird. Das Verfahren kann dann also weiterhin dadurch gekennzeichnet
sein, daß jede metallische Hülse bezüglich ihrer Abmessungen so gestaltet ist, daß
sie im aufgezogenen Zustand nicht ganz bis zu den begrenzenden Kanten der unter
ihr liegenden schlecht leitenden bzw. isolierenden Oberflächenschicht reicht. Auch
wirkt es sich in elektrischer Beziehung und gleichzeitig für das Aufziehen oder
Aufschrumpfen recht günstig aus, wenn erfindungsgemäß die lichte Weite der Hülsen
in der Nähe ihrer Stirnseiten und in Richtung auf diese hin sich allmählich etwas
vergrößernd, d. h. leicht konisch ausgebildet ist.
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Das Verfahren kann erfindungsgemäß auch so durchgeführt werden, daß
einzelne oder alle der metallischen Hülsen für sich allein, d. h. schon vor dem
aufgezogenen Zustand, nach einem der bekannten chemischen oder/und elektrolytischen
Verfahren ganz oder teilweise mit einer schlecht leitenden oder isolierenden Oberflächenschicht
ausgestattet werden. Gegebenenfalls kann dann die Zahl der sonst notwendigen chemischen
oder/und elektrolytischen Behandlungen des Ganzen vermindert werden. Im allgemeinen
wird aber eine Notwendigkeit zu einer solchen Verminderung nicht bestehen.
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Es gehört -in den Bereich der vorliegenden Erfindung, wenn die Hülsen
untereinander oder gegenüber dem Kern des fertigen Ganzen aus verschiedenen Konstruktionsmetallen
bestehen und wenn demzufolge auch verschiedenartige chemische Verbindungsschichten
vorliegen. Insbesondere kann z. B. die zuletzt aufgezogene, also äußere Hülle aus
einem besonders widerstandsfähigen, verschleißfesten metallischen Werkstoff bestehen,
abgesehen davon, daß ihre Wandstärke größer als die der unter ihr liegenden Hülsen
(Metallagen) ausgeführt sein kann. Schließlich können einige oder alle Hülsen in
axialer oder in nahezu axialer Richtung einen durchgehenden oder mehrere nicht über
die ganze Länge verlaufende Schlitze aufweisen. Im allgemeinen wird jedoch dann
nicht das Optimum an Festigkeit und gleichmäßiger Spannungsverteilung erreicht werden
können, so daß eine solche Herstellungsmethode, bei der durch die Schlitze das Aufziehen
erleichtert sein kann, nur in besonderen Fällen Anwendung zu finden braucht.
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Der Übersichtlichkeit halber sind die Zwischenoperationen, die sich
an die jeweilige chemische oder/und elektrolytische Behandlung in auch sonst bekannter
Weise anschließen, nicht erwähnt worden, also die Operationen des Spulens, Waschens,
Trocknens usw. Es ist selbstverständlich, daß Feuchtigkeit, Reste des chemischen
oder elektrolytischen Bades usw. sorgfältig beseitigt werden müssen, bevor die Operation
des Aufziehens von Hülsen vorgenommen wird. Demgegenüber ist schon früher kurz erwähnt
worden, daß die chemisch oder elektrolytisch oder kombiniert hergestellten Oberflächenschichten,
zumal sie ziemlich saugfähig sind, mit Ölen imprägniert werden können. Erfindungsgemäß
kann darüberhinaus sehr vorteilhaft eine Durchtränkung beispielsweise auch gerade
im sonst fertigen Zustand mit flüssigen organischen Isoliermitteln, z. B. mit Tra.nsformatorenöl
oder dünnflüssig gemachten Kunstharzlösungen, vorgenommen werden. Diese Operation
kann in einem Gefäß oder Raum erfolgen, und zwar gegebenenfalls zur Verringerung
der Viskosität des Imprägniermittels bei erhöhter Temperatur, welcher wechselnd
unter Vakuum und überdruck gebracht wird. Die Methode, Vakuum und Überdruck anzuwenden,
ist bereits für die Imprägnierung von Holz usw. üblich. Die Stirnflächen der Ummantelungen
können am sonst fertiggestellten. Gegenstand noch dadurch besonders geschützt werden,
daß sie mit erhärtendem Lack, Kunstharz usw. gestrichen, gespritzt, verspachtelt
oder sonstwie überzogen werden.
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In den Bereich dieser Erfindung gehören auch solche Verfahren, bei
denen die Ummantelung des
Bolzens, der Buchse, des Rohrs usw. nur
mittels einer einzigen Hülse (Metallage) durchgeführt wird; sofern nur zwischen
dem Bolzen usw. und der Hülse zumindest eine chemisch oder/und elektrolytisch hergestellte
Schlechtleiter- bzw. Isolierschicht angeordnet wird.