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Verfahren zur Verbindung von Eisen oder Eisenlegierungen mit
Gegenständen aus Kohlenstoff
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Eisen oder Eisenlegierungen mit Gegenständen aus Kohlenstoff.
Es ist bekannt, dass, wenn man einen Stahl mit Kohlenstoff, insbesondere Graphit, bei einer Temperatur über 12000 C in direkte Berührung bringt, dank der Bildung von Carbiden, zum grossen Teil von Eisenkarbid, eine Verbindung der beiden Körper auftritt. Das Eisenkarbid besitzt aber einen von jenem des Kohlenstoffes bzw. Graphits sehr verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten. Daraus ergeben sich in allen Fällen beim Abkühlen Risse in der Verbindungszone und Schuppen- oder Splitterbildung im Graphit in der Nachbarschaft dieser Verbindung.
Es ist auch weiters schon bekannt, eine Verbindung von Eisen oder Eisenlegierungen mit Gegenständen aus Kohlenstoff unter Vermittlung einer Schwermetallkarbidschicht herzustellen (s. z. B. brit.
Patentschrift Nr. 760,246). Nach diesem bekannten Verfahren wird zur Ausbildung der Zwischenschicht ein pulverförmiges Material verwendet. Die Folge davon ist, dass praktisch die gesamte Zwischenschicht aus Karbid besteht. Es treten somit auch hier die oben aufgezeigten Nachteile auf.
Es wurde nun ein Verfahren entwickelt, mittels dessen den vorstehend geschilderten Nachteilen abgeholfen werden kann.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Eisen oder Eisenlegierungen mit Gegenständen aus Kohlenstoff unter Vermittlung einer Schwermetallkarbidschicht, die durch Wärmebehandlung der mit dem Schwermetall bedeckten Oberfläche des Gegenstandes aus Kohlenstoff bei Karbidbildungstemperatur gebildet wird, worauf die Oberfläche des Gegenstandes aus Eisen oder einer Eisenlegierung mit dieser karbidischen Zwischenschicht verbunden wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Oberflä- ehe des Gegenstandes aus Kohlenstoff mit einer dichten metallischen Zwischenschicht aus dem karbidbildenden Schwermetall aus der die Metalle, Zirkon, Titan, Molybdän, Wolfram, Tantal, Vanadium und Chrom umfassenden Gruppe der Übergangsmetalle bzw.
deren Legierungen in Berührung gebracht, wenigstens die Berührungszone auf Karbidbildungstemperatur, die in der Grössenanordnung des Schmelzpunktes des die Zwischenschicht bildenden Metalles liegt, erhitzt wird, worauf die freie Oberfläche der gebildeten Zwischenschicht, die im wesentlichen karbidfrei geblieben ist, mit der Oberfläche des damit zu verbindenden Gegenstandes aus Eisen oder der Eisenlegierung in Berührung gebracht und beide auf eine Temperatur erhitzt werden, die mindestens gleich der Schmelztemperatur einer Legierung aus Eisen bzw. der Eisenlegierung und dem karbidbildenden Metall der Zwischenschicht ist.
Das Verfahren gemäss der Erfindung umfasst im einzelnen folgende Schritte :
Eine Oberfläche eines Kohlenstoffkörpers und eine Oberfläche einer metallischen Zwischenschicht werden eng aneinandergelegt und ihre Berührungszone auf eine Temperatur erhitzt, die wenigstens gleich
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der Kohlungstemperatur dieses metallischen Materiales und vorzugsweise nahe seiner Schmelztemperatur ist ; dann wird diese metallische Zwischenschicht mit Eisen oder einer Eisenlegierung zusammengebracht und die einander so gegenüberliegenden Oberflächen werden auf eine Temperatur gebracht, die mindestens gleich der Schmelztemperatur einer Legierung ist, die aus Eisen oder der Eisenlegierung und
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verbunden werden.
Die Temperatur der Hartlötung zwischen Kohlenstoffkörper und Metallzwischenschicht kann je nach dem Schmelzpunkt dieses Metalles verschieden sein und liegt vorzugsweise zwischen etwa 1700 und 2800 C.
Das Erhitzen wird vorzugsweise in einer nicht oxydierenden, nicht hydrierenden, nicht nitrierenden und/oder nicht karburierenden Atmosphäre durchgeführt und insbesondere unter Vakuum oder in Gegenwart eines inerten Gases, wie Argon oder Helium, oder einer Mischung dieser Gase. Gegebenenfalls werden die äusseren Oberflächen des Kohlenstoffkörpers und/oder der metallischen Zwischenschicht durch irgendein bekanntes Mittel gegen eine oxydierende, hydrierende, nitrierende und/oder karburierende Wirkung bei hoher Temperatur geschützt.
Die Temperatur der Verbindungszone zwischen metallischer Zwischenschicht und dem Eisen oder der Eisenlegierung wird in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur einer Metallegierunggewählt, die aus den dort vorhandenen Elementen besteht, und ist wenigstens gleich 10000 C und vorzugsweise niedriger als 18000 C.
Gemäss der Erfindung verwendet man als metallische Zwischenschicht ein Metall wie Zirkon, Titan, Wolfram, Molybdän, Niob, Tantal, Vanadium, Chrom und deren Legierungen.
Es wurde festgestellt, dass die Hartlötung zwischen den Gegenständen aus Kohlenstoff und metallischer Zwischenschicht auf verschiedene Weise bewirkt werden kann. Eine davon besteht darin, dass man auf die zu verlötende Kohlenstoffkörperoberfläche ein Plättchen metallischen Materials auflegt und dass die so erhaltene Berührungsfläche auf eine im vorstehenden definierte Temperatur gebracht wird. Das metallische Material kann auch in flüssiger Phase auf die harzulötende Kohlenstoffkörperoberfläche aufgebracht werden. Das metallische Material kann auf die Oberfläche des Kohlenstoffkörpers überhaupt durch jedes andere Mittel aufgetragen werden, wie z. B. durch einen Niederschlag eines Dampfes dieses metallischen Materials, durch thermische Zersetzung einer chemischen Verbindung, die wenigstens ein metallisches Material enthält, durch elektrolytischen Niederschlag usw.
Es ist ersichtlich, dass das Inbe- rührungbringen des Kohlenstoffkörpers mit dem metallischen Material und die Hartlötung gemäss der Erfindung nacheinander oder ohne Unterbrechung hintereinander durchgeführt werden, je nachdem, ob dieses Material anfangs in fester, flüssiger oder gar Dampfform eingesetzt wird.
Zwischen die Oberfläche des metallischen Materials und jene des Eisens oder der Eisenlegierung legt man eine Einlage einer Legierung ein, die aus denselben Bestandteilen wie die Berührungszone besteht oder ausserdem noch andere Bestandteile enthält, jedoch bei einer analogen Temperatur schmilzt ; dies ist auf verschiedene Weise durchführbar, wie vorstehend für die metallische Zwischenschicht beschieben wurde. Das heisst, dass die Einlage aus der Legierung als metallisches Material Eisen oder eine Eisenlegierung in fester Form oder in flüssiger oder gar dampfförmiger Phase aufgebracht werden kann.
Man kann die Verbindung des metallischen Materials mit dem Eisen oder der Eisenlegierung auch ohne eine Zwischenlage durch Annäherung des metallischen Materials und des Eisens oder der Eisenlegierung bis zur Berührung der zu vereinigenden Oberflächen bewirken.
Das Hartlöten der metallischen Zwischenschicht an den Kohlenstoffkörper und das Verbinden derselben mit dem Eisen oder der Eisenlegierung können gleichzeitig im Zuge eines einzigen Arbeitganges oder nacheinander im Verlauf von zwei getrennten Arbeitsgängen ausgeführt werden.
Die im Zug der verschiedenen Arbeitsgänge verwendete Erhitzung kann durch jedes passende, an sich bekannte Mittel bewirkt werden, wie z. B. Hochfrequenz-Induktion, Wärmestrahlung u. a. von der Sonne oder einem elektrischen Lichtbogen unter Zwischenschaltung eines optischen Systems, Erhitzung mit elektrischem Lichtbogen, der zwischen zwei Elektroden überspringt, von denen die eine aus einem metallischen Material, wie Wolfram oder Molybdän, besteht und die andere von dem zu behandelnden Material gebildet wird, Erhitzen durch ein Bündel von Elektronen im Vakuum, die auf die Oberfläche des zu erhitzenden Materials gerichtet sind. Das Erhitzen kann überhaupt durch jedes Mittel erzielt werden, das eine ausreichende Energiemenge zum Erreichen der vorstehend angegebenen Arbeitstemperaturen konzentrieren kann.
Das erfindungsgemäss erhaltene Erzeugnis besteht aus einem Kohlenstoffkörper, metallischer Zwi-
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schenschicht und Eisen oder einer Eisenlegierung. Dieser Kohlenstoffkörper kann unter anderem Koks, amorpher Kohlenstoff und vorzugsweise Graphit sein : die metallische Zwischenschicht ist eine solche, wie vorstehend beschrieben wurde ; die gemäss der Erfindung eingesetzte Eisenlegierung kann irgendein Kohlenstoffstahl, jeder nicht oxydierbare Stahl sein, wie beispielsweise, ohne dass diese Aufzählung erschöpfend wäre, Chrom-, Nickel-, Molybdän- usw. -stähle, ferner andere Ferrolegierungen, wie Ferro-Vanadium, Ferro-Wolfram usw.
Es wurde weiters gefunden, dass das Verfahren zum Verbinden von Eisen oder einer seiner Legierun- gen mit Gegenständen aus Kohlenstoff gemäss der Erfindung es gestattet, Stücke der verschiedensten Form miteinander zu verbinden, wie z. B., ohne dass diese Aufzählung begrenzend wäre, Zylinder, Platten, Rippen usw.
Die erfindungsgemäss erhaltenen Erzeugnisse haben ein sehr weites Anwendungsgebiet. Als Beispiele können folgende Anwendungen genannt werden, ohne dass dies jedoch als begrenzend angesehen werden dürfte, ganz besonders im Bereich der Verwendungen bei hoher Temperatur, wo die Materialverwendung guten Widerstand gegen Hitze und gegen thermische Stösse erfordert : im Bereich der elektrischen Industrie, z. B. bei der Schmelzflusselektrolyse, im Bereich der Kernenergie, in der Flugzeugindustrie und für den Weltraumflug.
Die folgenden Beispiele, die in keiner Weise beschränkend sind, werden zu dem Zweck angeführt, verschiedene Gegenstände der Erfindung zu erläutern : Beispiel l : In ein lotrechtes Quarzrohr von 50 mm Durchmesser führt man einen Graphitzylinder von 20 mm Durchmesser ein und legt auf ein Ende des letzteren ein Plättchen von 1 mm Dicke aus Zirkon. Dann stellt man im Apparat ein Vakuum mit einem Druck von weniger als 10 4 mm Hg her.
Hierauf schreitet man zum sehr lokalisierten Erhitzen der Berührungsfläche Graphit-Zirkon mittels einer Spirale, die von einem Induktionsstrom von 300 000 Hertz durchflossen ist, so dass in 10 sec 19000 C erreicht werden. Man hält diese Temperatur durch 20 sec aufrecht.
Diese Dauer ist ausreichend, um die Karburierung zu erzielen, aber kurz genug, um zu vermeiden, dass sich das Zirkon, das ein starker Getter ist, übermässig verunreinigt. Dann lässt man vollkommen abkühlen.
Dann bringt man auf die freie Oberfläche des Zirkons einen Zylinder aus nicht oxydierbarem Stahl mit 18go Nickel und 80/0 Chrom von 20 mm Durchmesser, der mit dem Graphit zu vereinigen ist. Eine Führungsvorrichtung gestattet es, die genaue Ausrichtung der beiden Zylinder während der folgenden Arbeitsgänge einzuhalten.
Man erhöht die Temperatur der Berührungsfläche Zirkon-Stahl auf 14000 C. Es bildet sich die Legierung aus nicht oxydierbarem Stahl und Zirkon und sie schmilzt in wenigen Sekunden. Man stellt die Heizung ab. Die so gebildete Lötstelle hat eine grössere Widerstandsfähigkeit als der Graphit. Sie kann ohne Schaden wiederholten Temperaturkreisläufen von grosser Amplitude ausgesetzt werden.
Beispiel 2: Es handelt sich um das Hartlöten Rand-an-Rand einer Graphitplatte mit einer Platte aus nicht oxydierbarem Stahl mit einer Dicke von 1 cm unter Vermittlung von Molybdän.
Man bringt an den Rändern der Platte aus nicht oxydierbarem Stahl und jener aus Graphit je eine Abschrägung von 5 bis 6 mm bzw. Tiefe an.
Die folgenden Arbeitsgänge werden mit Hilfe eines Lichtbogenschweissgerätes mit einer Molybdänelektrode von 8 mm Durchmesser unter Argonatmosphäre ausgeführt.
Unter Anwendung einer sehr grossen Stromstärke bringt man auf die abgeschrägte Fläche des Graphits, die vorher auf Rotglut gebracht wurde, eine Schicht flüssigen Molybdäns auf. Der mit dem Graphit in Berührung kommende Teil des Molybdäns karburiert sich in einigen Sekunden.
Man vermindert die Stromstärke des Lichtbogens auf den 3.-4. Teil ihres Anfangswertes.
Um die Verbindung Molybdän-nicht oxydier barer Stahl herzustellen, wird die Platte aus dem nicht oxydierbaren Stahl der mit Molybdän bedeckten Graphitplatte genähert. Dann gibt man ein Stäbchen
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stellt.
Beispiel 3 : Eine Oberfläche von Graphit von grosser Dicke und ein Stück aus Ferro-Vanadium sind unter Zwischenschaltung von Titan zu verbinden. Die Arbeit wird unter Vakuum in einem Lichtbogenofen, der mit einer Wolfram-Elektrode versehen ist, ausgeführt.
Ein 2 mm dickes Plättchen aus Titan wird waagrecht auf die Graphitoberfläche gelegt. Die Länge und die Breite des Plättchens sind so gewählt, dass nach dem Schmelzen des Plättchens die Schmelze Abmessungen aufweist, die jene des Stückes aus Ferro-Vanadium um 10 mm überschreiten.
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Man führt die Gesamtheit Graphit-Titan in den Ofen ein, wo man einen Druck in der Grössenordnung einiger Mikron herstellt.
Man zündet den Lichtbogen und regelt seine Stärke ausreichend stark ein, so dass eine schnelle Schmelzung des kleinen Titanplättchens bei 18000 C auf der Oberfläche des Graphits eintritt. Dann wird die Heizung abgestellt.
Hierauf legt man auf die freie Oberfläche des Titans das Stück aus Ferro-Vanadium, das man mit einer Last von ungefähr 1 kg/cm2 beschwert.
Man lässt den Lichtbogen überspringen, wobei man ihn durch Bewegen der Wolframelektrode auf der Berührungsfläche Ferro-Vanadium-Titan verschiebt, und erzeugt so eine Raupe einer Legierung FerroVanadium-Titan, die im Bereich von 14500 C schmilzt.
Beispiel 4 : Es sind Rippen aus nicht oxydierbarem Stahl mit einem Graphitzylinder längs seiner äusseren Erzeugenden mittels Zirkon als Metallzwischenschicht zu verbinden.
Der Arbeitsvorgang ist analog jenem im Beispiel 3.
Man legt ein Plättchen aus Zirkon auf die Oberfläche des Graphits. Man gibt das Ganze in einen Vakuumofen, der durch Elektronenbombardement geheizt wird und mit Einrichtungen versehen ist, mittels welchen die zu lötenden Zonen langsam unter dem Elektronenbündel verschoben werden können.
Der Arbeitsdruck ist in der Grössenordnung von 10- mm Hg. Die Hartlötung wird bei gegen 1900 bis 20000 C ausgeführt.
Die Berührungsfläche Zirkon - nicht oxydierender Stahl wird auf ungefähr 14000 C gebracht, was die Legierung Zirkon-nichtoxydierender Stahl schmelzen lässt. Auf diese Weise kann die Verbindung des Graphitzylinders mit den Rippen aus nicht oxydierbarem Stahl hergestellt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1, Verfahren zur Verbindung von Eisen oder Eisenlegierungen mit Gegenständen aus Kohlenstoff unter Vermittlung einer Schwermetallkarbidschicht, die durch Wärmebehandlung der mit dem Schwermetall bedeckten Oberfläche des Gegenstandes aus Kohlenstoff bei Karbidbildungstemperatur gebildet wird, worauf die Oberfläche des Gegenstandes aus Eisen oder einer Eisenlegierung mit dieser karbidischen Zwischenschicht verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Gegenstandes aus Kohlenstoff mit einer dichten metallischen Zwischenschicht aus dem karbidbildenden Schwermetall aus der die Metalle, Zirkon, Titan, Molybdän, Wolfram, Tantal, Vanadium und Chrom umfassenden Gruppe der Übergangsmetalle bzw.
deren Legierungen in Berührung gebracht, wenigstens die Berührungszone auf Karbidbildungstemperatur, die in der Grössenanordnung des Schmelzpunktes des die Zwischenschicht bildenden Metalls liegt, erhitzt wird, worauf die freie Oberfläche der gebildeten Zwischenschicht, die im wesentlichen karbidfrei geblieben ist, mit der Oberfläche des damit zu verbindenden Gegenstandes aus Eisen oder der Eisenlegierung in Berührung gebracht und beide auf eine Temperatur erhitzt werden, die mindestens gleich der Schmelztemperatur einer Legierung aus Eisen bzw. der Eisenlegierung und dem karbidbildenden Metall der Zwischenschicht ist.
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