lieramisches Erzeugnis und Verfahren zur Herstellung desselben. Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein keramisches Erzeugnis, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung desselben. Dieses Erzeugnis verhält sich in seinen Eigenschaf ten teils wie metallische, teils wie bekannte keramische Körper, und seine Herstellung ist den in der Keramik gebräuchlichen Ver fahren ähnlich.
Als Ausgangsmaterial werden Metalle, Legierungen oder Metallgemische in pulve riger oder körniger Form vermengt mit kera mischen Rohmaterialien. Aus den Mischun gen werden Formkörper hergestellt durch trockenes Pressen; enthalten sie indessen genügend plastisches Material, so lassen sie sich durch Anfeuchten mit Wasser oder 01 wie keramische Massen in die gewünschte Gestalt bringen durch Formen, Pressen oder durch Giessen in Breiform.
Die Plastizität der Massen kann, wenn nötig, erhöht werden durch Klebmittel, wie Glukose, Stärke, T'ra.- gant etc. Die Erhärtung der geformten und getrockneten Körper geschieht durch einen Brennprozess, wobei gesinterte, harte Produkt-, entstehen, Für das Verfahren eignen sich diejenigen Metalle, Legierungen und Metallgemische, deren Schmelzpunkt hoch, das heisst nahe an<B>1000</B> oder darüber, liegt, wie Silicium, Eisen, Nickel, Kupfer, Chrom, Mangan, Wolfram usw., Legierungen, wie Ferro- silicium, Ferrochrom,
Ferromangan, Ferro- wolfram, Chromsilicium, Ferroaluminium etc. und Mischungen derartiger Metalle und Le gierungen.
Als keramische Rohmaterialien eignen sich natürliche Silikate, wie Ton, Kaolin, Feldspat, Steatit, Quarz oder Kunst produkte, wie Fritten, Gläser, geschmolzener Quarz, Zement, ferner Oxyde, wie Magnesia, Zirkonoxyd, Tonerde, sowie Zusätze von Borsäure, Boraten, Alkalisilikaten, Erd- alkalikarbonaten etc., insbesondere jedoch Mischungen solcher Materialien nach Art der in der Keramik verwendeten Massen.
Die so hergestellten Erzeugnisse erweisen sich als wertvoll in ihrem mechanischen, thermischen und chemischen Verhalten. Durch geeignete Auswahl und Kombination der verschiedenen Rohstoffe können die Eigenschaften innerhalb weiter Grenzen variiert und die Produkte dem jeweiligen Verwendungszwecke angepasst werden.
Im Gegensatz zu keramischen Erzeug nissen besitzen die Metalle eine weit höhere Wärmeleitfähigkeit und zum Teil auch grössere Zähigkeit. Durch Zufügen von Me tallen zu keramischen Massen erhält man Produkte mit höherer Wärmeleitfähigkeit und zum Teil auch höherer Zähigkeit, als sie den gewöhnlichen keramischen Erzeug nissen eigen ist. Sie werden mit Vorteil da verwendet, wo erwärmt oder gekühlt wird, also für Kochgefässe, Kühler und dergleichen. Diese metallkeramischen Erzeugnisse zeigen neben der höheren Wärmeleitfähigkeit auch eine bedeutend höhere Beständigkeit gegen über raschem Temperaturwechsel im Ver gleich zu gewöhnlichen keramischen Mate rialien, wie Porzellan oder ,Steinzeug, die bei raschem Erwärmen zerspringen.
Einige an sich hochfeuerfeste Produkte, wie solche aus Magnesia. oder Zirkonoxyd, sind gegen raschen Temperaturwechsel ausser ordentlich empfindlich. Dieser Übelstand wird stark verringert, wenn solchen Massen hochschmelzende Metalle, wie Wolfram, Tantal oder dergleichen, beigefügt werden.
Eine Anzahl von Legierungen und Ver bindungen von Metallen untereinander, -wie @;rolfram-Silicium und Chrom-Silicium, von der ungefähren Zusammensetzung Cr-.Si, zeichnen sich aus durch eine sehr grosse Härte und bilden ein wertvolles Material für Schleifscheiben. Sie werden auf eine geeignete Korngrösse zerkleinert, mit kera mischem Material gemischt und die daraus geformten Scheiben durch Erhitzen auf hohe Temperatur erhärtet.
Aus Metallen oder Legierungen mit guten magnetischen Eigenschaften werden in der Weise Magnete hergestellt, da.ss man sie in Pulverform mischt mit keramischem Mate rial, formt und brennt. Ist in der Mischung eine genügende Menge nichtleitendes Material vorhanden, so --ind die so hergestellten Mag nete elektrisch nichtleitend und frei von Wirbelströmen. Es gibt ferner eine grosse Anzahl Me talle und Legierungen mit wertvollen Eigen schaften, die aus dem feuerflüssigen Zu stand grob kristallinisch erstarren und aus denen man durch Giessen keine brauchbaren Gussstücke erhalten kann.
Es ist dies bei spielsweise der Fall für Ferrosilicium mit hohem Siliciumgehalt, Ferrochrom mit hohem Chromgehalt und eine ganze Anzahl an derer Legierungen. Diese lassen sich nutz bringend verwerten, wenn sie gemäss dem vorliegenden Verfahren in pulveriger Form zu geformten Körpern verarbeitet werden.
Der Brennprozess gestaltet sich am ein fachsten und kann in jedem keramischen Brennofen vorgenommen werden, wenn als Metall Silicium oder eine Siliciumlegierung mit hohem Siliciumgehalt verwendet wird. Diese sind gegen Oxydation in hohem Masse widerstandsfähig, so dass die daraus her gestellten Massen nach dem Brennen keiner lei störende Oxydationserscheinungen auf weisen.
Dichte, flüssigkeitsundurchlässige Körper erhält man beispielsweise aus folgen der Masse: 30 Gewichtsteile feingemahlenes Silicium (oder Ferrosilicium mit 90 bis 95 lo Si), 70 Gewichtsteile Ton bei einer Brenn temperatur von 1250 bis<B>1350'.</B>
Neben seiner Beständigkeit gegen Oxy dation, die für den Brennprozess sehr vor teilhaft ist, besitzt Silicium und die damit hergestellten Massen eine sehr hohe Säure beständigkeit. ,Siliciumhaltige keramische Massen eignen sich deshalb vorzüglich für Geräte für die chemische Industrie, das heisst für Apparate, in denen saure Flüssig keiten aufbewahrt, erwärmt oder gekühlt werden. An Stelle des im Beispiel genann ten hochprozentigen Ferrosiliciums können auch andere Sorten mit niedrigem Silicium gehalt verwendet werden. Diese sind jedoch gegen einzelne Säuren etwas weniger wider standsfähig, anderseits aber beständiger ge gen Alkalien.
Der Brennprozess erfordert besondere Be dingungen, wenn Metalle verwendet werden, die sich bei hoher Temperatur oxydieren. Dies ist beispielsweise der Fall für Kupfer, Eisen, Nickel, Chrom, Wolfram etc. und ent sprechende Legierungen und Metallgemische. Da die in der Keramik gebräuchlichen Öfen während des Brennprozesses neben Feuer gasen immer grössere oder kleinere Mengen Luft enthalten, welche die Metalle oxydie ren, nimmt man die Erhitzung im Vakuum oder in Öfen, in denen eine reduzierende oder sonstwie sauerstoffreie Atmosphäre aufrecht erhalten werden kann.
Dies ist bei spielsweise möglich in einem abgeschlosse nen, durch Graphitstäbe oder andere Wider stände elektrisch beheizten Ofen, aus dem die Luft durch ein anderes Gas, wie Stick stoff, Kohlensäure, Kohlenoxyd, Wasser stoff oder einen Kohlenwasserstoff verdrängt werden kann. Um beispielsweise einen eisen haltigen Körper herzustellen, mischt man 70 Gewichtsteile Eisenpulver, 20 Gewichts teile Ton, 5 Gewichtsteile Kaolin und 5 Ge- zaichtsteile Feldspat, feuchtet mit Wasser an, formt, trocknet rasch und brennt in Wasser stoffatmosphäre bei<B>1050</B> bis<B>1150'.</B>
Ob eine metallhaltige Masse im gewöhn lichen Ofen gebrannt werden kann, oder ob eine sauerstoffreie Atmosphäre erforderlich ist, lä.sst sich leicht durch einen Versuch entscheiden. Es hängt dies nicht nur von der Oxydierbarkeit des betreffenden Metalles ab, sondern auch von den nichtmetallischen Bestandteilen.
Werden zum Beispiel in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre Körper ge brannt, welche geformt sind aus einem Ge misch von 45 %igem Ferrosilicium und einer 1, eramischen Masse, welche erst bei hoher Temperatur sintert, so wird das Ferrosilicium zu Eisenoxyd und Kieselsäure oxydiert. Es sind hingegen unter denselben Bedingungen kaum Spuren einer Oxydation bemerkbar, wenn die Körper geformt werden aus einem Gemisch von 45 %igem Ferrosilicium und einer keramischen Masse, welche bei verhält nismässig tiefer Temperatur sintert.
Es er klärt sich dies daraus, dass die leicht sin- ternde keramische Masse beim Brennen kom pakt wird unterhalb der Temperatur, bei welcher sich das Metall oder die Legierung oxydiert. Die metallischen Partikel sind dann bei weiterem Ansteigen der Temperatur gegen eindringenden Sauerstoff geschützt. Ein Mit tel, um die Oxydation zu verhüten, besteht deshalb darin, dass man als keramischen An teil des metallhaltigen Gemisches eine kera mische Masse verwendet, welche bei verhält nismässig tiefer Temperatur sintert.
Vielfach sind die Körper während des Brandes ge nügend geschützt, wenn man sie mit einer Schicht eines Materials (zum Beispiel Gla sur) überzieht, welches dicht sintert unter halb der Temperatur, bei der sich der me tallische Teil oxydiert. auch können die Formkörper während des Brennprozesses in mit Kohle gefüllten oder luftdicht schliessen den Behältern eingeschlossen werden.
Die Höhe der Brenntemperatur richtet sich nach der Beschaffenheit des Materials und darnach, ob poröse oder dichte Erzeug nisse hergestellt werden sollen; sie liegt je doch stets unterhalb des Schmelzpunktes der verwendeten Metalle.
Für das Mischungsverhältnis zwischen keramischem Rohmaterial und Metall be stehen keine Grenzen. Es ist deshalb mög lich, Produkte herzustellen, bei denen die metallischen Bestandteile überwiegen und beispielsweise 90 % der gesamten Masse aus machen. Das Verfahren kann dabei betrach tet werden als eine Methode zur Herstellung von metallischen Gegenständen. Auch in die sem Falle geschieht. die Herstellung nach der in der Keramik üblichen Arbeitsweise, das heisst durch Formen von mehr oder weniger plastischen Massen und nachfolgendes Bren nen der so hergestellten Gegenstände. Die so gewonnenen Produkte sind ungeachtet ihres metallischen Charakters keramische Er zeugnisse.
Bei der Herstellung von Erzeug rissen aus Massen mit sehr hohem Prozent satz an metallischen Bestandteilen empfiehlt sich eine Beimischung von leichtschmelzen den Verbindungen oder Flussmitteln, ins besondere von Stoffen ,welche Borsäure oder Borate enthalten.
Die metallhaltigen Gegenstände, die nach dem vorliegenden Verfahren hergestellt wer den., sind je nach ihrer Zusammensetzung und Behandlung mehr oder weniger dunkel ge färbt oder besitzen metallisches Aussehen. Enthalten sie einen genügenden Prozentsatz an weichem Metall, so lassen sie sich wie Gussstücke bearbeiten; andernfalls sind sie für Metallwerkzeuge kaum angreifbar. Sie können emailliert oder wie keramische Er zeugnisse glasiert werden.
lieramic product and process for making same. The present invention relates to a ceramic product and to a method for manufacturing the same. This product behaves in its properties partly like metallic, partly like known ceramic bodies, and its production is similar to the methods commonly used in ceramics.
As a starting material, metals, alloys or metal mixtures in powder or granular form are mixed with ceramic raw materials. Moldings are produced from the mixtures by dry pressing; If, however, they contain enough plastic material, they can be brought into the desired shape by moistening with water or oil like ceramic masses by molding, pressing or pouring into a paste.
The plasticity of the masses can, if necessary, be increased by adhesives such as glucose, starch, T'ra.- gant etc. The hardening of the shaped and dried bodies is done by a firing process, whereby sintered, hard products are created, for that Processes are those metals, alloys and metal mixtures whose melting point is high, i.e. close to <B> 1000 </B> or above, such as silicon, iron, nickel, copper, chromium, manganese, tungsten, etc., alloys, like ferrosilicon, ferrochrome,
Ferromanganese, ferro-tungsten, chromium silicon, ferroaluminum, etc. and mixtures of such metals and alloys.
Natural silicates such as clay, kaolin, feldspar, steatite, quartz or art products such as frits, glasses, fused quartz, cement, and also oxides such as magnesia, zirconium oxide, alumina, and additions of boric acid, borates, alkali silicates are suitable as ceramic raw materials , Alkaline earth carbonates, etc., but in particular mixtures of such materials according to the type of compounds used in ceramics.
The products made in this way prove to be valuable in their mechanical, thermal and chemical behavior. By suitable selection and combination of the various raw materials, the properties can be varied within wide limits and the products can be adapted to the respective intended use.
In contrast to ceramic products, metals have a much higher thermal conductivity and in some cases also greater toughness. By adding metals to ceramic masses, products are obtained with higher thermal conductivity and, in some cases, higher toughness than is inherent in conventional ceramic products. They are used with advantage wherever heating or cooling takes place, i.e. for cooking vessels, coolers and the like. These metal-ceramic products show, in addition to the higher thermal conductivity, a significantly higher resistance to rapid temperature changes in comparison to common ceramic mate rials such as porcelain or stoneware, which shatter when heated quickly.
Some intrinsically highly refractory products such as magnesia. or zirconium oxide, are extremely sensitive to rapid temperature changes. This drawback is greatly reduced if refractory metals, such as tungsten, tantalum or the like, are added to such masses.
A number of alloys and compounds of metals with one another, such as tungsten-silicon and chromium-silicon, with the approximate composition Cr-.Si, are characterized by a very high level of hardness and are a valuable material for grinding wheels. They are crushed to a suitable grain size, mixed with ceramic material and the discs formed from them are hardened by heating to a high temperature.
Magnets are made from metals or alloys with good magnetic properties in such a way that they are mixed in powder form with ceramic material, shaped and burned. If there is a sufficient amount of non-conductive material in the mixture, the magnets produced in this way are electrically non-conductive and free from eddy currents. There are also a large number of metals and alloys with valuable properties that solidify in a coarse crystalline state from the molten state and from which no usable castings can be obtained by casting.
This is the case, for example, with high silicon ferro-silicon, high chromium ferrochrome and a number of other alloys thereof. These can be put to good use if they are processed into shaped bodies in powder form according to the present method.
The firing process is simplest and can be carried out in any ceramic kiln if the metal used is silicon or a silicon alloy with a high silicon content. These are highly resistant to oxidation, so that the masses made from them do not show any disruptive oxidation phenomena after firing.
Dense, liquid-impermeable bodies are obtained, for example, from the following mass: 30 parts by weight of finely ground silicon (or ferrosilicon with 90 to 95 lo Si), 70 parts by weight of clay at a firing temperature of 1250 to 1350 '. </B>
In addition to its resistance to oxidation, which is very advantageous for the firing process, silicon and the compounds produced with it have a very high acid resistance. Silicon-containing ceramic masses are therefore ideally suited for devices for the chemical industry, that is, for devices in which acidic liquids are stored, heated or cooled. Instead of the high-percentage ferrous silicon mentioned in the example, other types with a low silicon content can also be used. However, these are somewhat less resistant to individual acids, but on the other hand more resistant to alkalis.
The firing process requires special conditions if metals are used that oxidize at high temperatures. This is the case, for example, for copper, iron, nickel, chromium, tungsten etc. and corresponding alloys and metal mixtures. Since the ovens commonly used in ceramics contain larger or smaller amounts of air in addition to fire gases during the firing process, which oxidize the metals, heating is carried out in a vacuum or in ovens in which a reducing or otherwise oxygen-free atmosphere can be maintained.
This is possible, for example, in a closed oven, electrically heated by graphite rods or other resistances, from which the air can be displaced by another gas such as nitrogen, carbonic acid, carbon oxide, hydrogen or a hydrocarbon. To produce a body containing iron, for example, one mixes 70 parts by weight of iron powder, 20 parts by weight of clay, 5 parts by weight of kaolin and 5 parts by weight of feldspar, moistened with water, shaped, dries quickly and burns in a hydrogen atmosphere at <B> 1050 </ B> to <B> 1150 '. </B>
Whether a metal-containing mass can be fired in an ordinary furnace or whether an oxygen-free atmosphere is required can easily be decided by experiment. This depends not only on the oxidisability of the metal in question, but also on the non-metallic components.
If, for example, bodies are burned in an oxygen-containing atmosphere, which are formed from a mixture of 45% ferrosilicon and a ceramic material which sinters only at high temperatures, the ferrosilicon is oxidized to iron oxide and silica. On the other hand, under the same conditions, hardly any traces of oxidation are noticeable when the bodies are formed from a mixture of 45% ferrosilicon and a ceramic mass which sinters at relatively low temperatures.
This is explained by the fact that the easily sintering ceramic mass becomes compact during firing below the temperature at which the metal or alloy is oxidized. The metallic particles are then protected against the ingress of oxygen if the temperature rises further. One means of preventing oxidation is to use a ceramic material as the ceramic part of the metal-containing mixture, which sinters at a relatively low temperature.
In many cases, the bodies are adequately protected during the fire if they are covered with a layer of a material (for example glass) that sinters tightly below the temperature at which the metallic part oxidizes. During the firing process, the shaped bodies can also be enclosed in containers filled with coal or closed airtight.
The level of the firing temperature depends on the nature of the material and on whether porous or dense products are to be manufactured; but it is always below the melting point of the metals used.
There are no limits to the mixing ratio between ceramic raw material and metal. It is therefore possible, please include to manufacture products in which the metallic components predominate and make up, for example, 90% of the total mass. The process can be viewed as a method for manufacturing metallic objects. This also happens in this case. the production according to the procedure customary in ceramics, that is, by molding more or less plastic masses and subsequent firing of the objects thus produced. The products obtained in this way are ceramic products regardless of their metallic character.
When manufacturing products from masses with a very high percentage of metallic components, it is advisable to add low-melting compounds or fluxes, especially substances that contain boric acid or borates.
The metal-containing objects which are produced by the present process who the., Depending on their composition and treatment, are more or less darkly colored or have a metallic appearance. If they contain a sufficient percentage of soft metal, they can be machined like cast pieces; otherwise they are hardly vulnerable to metal tools. They can be enamelled or glazed like ceramic products.