verfahren zur Herstellung metallkeramischer Formkörper. Es gibt pulverige Stoffe, die beim Erhit zen schon weit unterhalb ihres Schmelzpunk tes zusammenbacken, das heisst sintern und dabei feste, starre Gebilde liefern. So werden nach der Arbeitsweise der Pulver- oder Sin- termetallurgie durch Pressen von Metallpul vern und Anwendung hoher Temperaturen metallische Formkörper hergestellt.
Die Verfestigung oder Sinterung in der Hitze ist besonders ausgeprägt bei Silikat hydraten, wie sie beispielsweise in den Tonen enthalten sind. Diese besitzen überdies eine Eigenschaft, die andern Stoffen, auch Me tallpulvern, nicht zukommt. Sie werden durch Anfeuchten mit Wasser oder gewissen an dern Flüssigkeiten plastisch formbar und las sen sich leicht in bestimmte Gestalt bringen. Ihre Plastizität ist häufig so gross, dass sie eine beträchtliche Menge unelastischer Stoffe zu binden vermögen. Die Keramik macht hie von Gebrauch beim Aufbau üblicher kerami- 3cher Massen.
Ein geringfügiger Zusatz von hochplastischem Ton kann genügen, um aus verschiedenartigen unelastischen, sogenann- ten magern Stoffen formbare Massen zu er halten. Darauf beruht beispielsweise die Her stellung von Graphittiegeln sowie von Form körpern aus Silizium, Siliziumlegierungen und Siliziumkarbid. Ton wirkt hier als Binde mittel, das der rohen Masse Plastizität oder Formbarkeit verleiht.
Gegenstand der Erfindung ist ein Ver fahren zur Herstellung metallkeramischer Formkörper aus einem Gemisch von silikat- hydrat- und metallhaltigen Stoffen. Beim Anfeuchten solcher Gemische entstehen pla stische Massen, die nach keramischer Arbeits weise, wie Drehen, Ziehen, Pressen oder nach dem Massebiessverfahren geformt werden können. Auch das Trockenpressen in Matri zen kann angewandt werden.
Analog dem keramischen Brennprozess werden die rohen Formkörper durch Erhit zen auf hohe Temperaturen verfestigt, das heisst gesintert. Dieser Brennprozess erfordert aber bei Massen, die freie Metalle enthalten, besondere Sorgfalt, damit die Metalle im Fer tigprodukt in metallischer Form vorhanden sind.
Besteht beispielsweise der rohe Form körper aus einem Gemisch von Eisenpulver und Ton, so sind Massnahmen zu treffen, da mit das Eisen nicht oxydiert wird. Hiefür genügt es nicht, die Einwirkung von Luft sauerstoff fernzuhalten, indem man etwa die Formkörper in Kohle einbettet, mit einem reduzierenden Gas umgibt oder im Vakuum brennt. Es ist auch der oxydierende Einfluss von Wasserdampf zu berücksichtigen. Die Silikathydrate der Tone, z. B. der Kaolinit A1202 . 2 SiO2 . 2 H20, spalten beim Erhitzen Wasser ab. Beim Kaolin beginnt die Wasserabspaltung oberhalb 400 .
Sie ist aber erst beendet bei etwa 700 . Bei andern Silikathy drate enthaltenden Mineralien kön nen die entsprechenden Temperaturen anders liegen. Enthält nun die Masse metallisches Eisen, so ergeben sieh unter anderem fol gende Vorgänge: 3 Fe -I- 4 1120 Fe20, -I- 4 HZ oder Fe -f- E20 Fe0 -I-- HZ Diese Reaktionen sind umkehrbar.
Wird dauernd Wasserdampf zu- und Wasserstoff abgeführt, so laufen die Vorgänge so lange im Sinne von links nach rechts, bis alles Ei sen in Oxyd verwandelt ist. Wird umgekehrt Wasserstoff zugesetzt und Wasserdampf ent fernt, so laufen die Reaktionen von rechts nach links, bis das Eisenoxyd zu metalli schem Eisen reduziert ist. Bei andern Metal len liegen die Verhältnisse ähnlich wie beim Eisen.
Die rohen, trockenen Formkörper aus Me tallmasse sind poröse Gebilde. Die Gasatmo sphäre, die den Formkörper beim Brennen umgibt, braucht nicht identisch zu sein mit dem in den Poren enthaltenen Gas, weil Gas diffusion durch die feinen Poren nur lang sam stattfindet. Durch die fortschreitende Wasserabspaltung aus dem Bindemittel fül len sich die Poren immer wieder mit Wasser dampf, der auf die Metallteilchen oxydierend einwirkt. Das erklärt. dass das Brennen der Formkörper in reduzierender Gasatmosphäre nicht ohne weiteres zum Erfolg führt, denn es bildet sich Metalloxyd, aus dem beim Fort schreiten des Brennvorganges leicht schmelz bare Silikate entstehen können, die Erwei chung und Blähung bewirken.
Um aus einem Gemisch von Ton und Me tallpulver Erzeugnisse herzustellen, die fast alles Metall in metallischer Form enthalten, ist es erforderlich, zunächst so weit zu erhit zen, dass das Wasser des Tons entweicht, der Formkörper aber porös bleibt. Alsdann wird so lange in reduzierendem Gas erhitzt, bis das durch Wasserdampfeinwirkung entstan dene Oxyd möglichst vollständig in Metall zurückverwandelt ist. Erst wenn dies erreicht ist, kann die Temperatur weiter gesteigert werden, bis die gewünschte Verdichtung bezw. der gewünschte Sinterungsgrad er reicht ist.
Da also beim Erhitzen von Formkörpern aus Metallpulver und Ton zunächst Oxyd entsteht, das dann reduziert werden muss, kann man die rohe Masse ebensogut aus einem Gemisch von Metalloxyd und Ton bilden. Die zu reduzierende Oxydmenge ist dann aller dings in der Regel grösser, aber die Verwen dung solcher Ausgangsmaterialien ist den noch vorteilhaft. Die oxydischen Rohstoffe sind leichter in zerkleinerter Form zu erhal ten als die Metalle selber. Überdies braucht man nicht von reinem Oxyd auszugehen, son dern kann in vielen Fällen die natürlichen Erze verwenden.
Bei der Reduktion muss das reduzierende Gas durch die Poren des Körpers hinein und das oxydierte Gas heraus diffundieren. Dieser Vorgang verläuft nicht momentan, sondern erfordert einige Geit. Wird ein Wasserstoff strom angewendet, so lässt sich das Ende der Reduktion daran erkennen, dass sich in dem aus dem Ofen austretenden Gas kein Wasser mehr kondensiert. Erst nachdem die Entwäs serung der Silikathydrate beendet und das dabei gebildete oder in der Masse schon vor her enthaltene Metalloxyd möglichst voll ständig reduziert ist, kann die Temperatur weiter gesteigert werden, um die Verfesti gung oder Sinterung zu verstärken.
Folgendes Beispiel mag zur Erläuterung dienen: 20 Teile pulverisierter, feuerfester Ton, 80 Teile pulverisierter Hämatit (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 allmäh lich auf etwa 700 erhitzt, bis das Hydrat wasser des Tons entwichen ist. Daraufhin wird der poröse Formkörper so lange im Wasserstoffstrom auf etwa 800 erhitzt, bis das Oxyd so vollständig als möglich zu Me tall reduziert ist. Erst dann wird die Tem peratur in dem mit Wasserstoff angefüllten Brennraum so weit gesteigert, bis der ge wünschte Sinterungsgrad erreicht ist.
Als metallhaltige Rohstoffe eignen sich solche Schwermetalle, deren Oxyde durch Wasserstoff reduziert werden können, wie Eisen, Nickel, Kupfer, Wolfram, Molybdän und dergleichen, sowie deren Legierungen. An ihrer Stelle können die entsprechenden Oxyde oder Erze verwendet werden. Als zu sätzliche Massebestandteile können Silizium, Chrom, Mangan und dergleichen verwendet werden, das heisst metallische Stoffe, die sich nur schwer durch Wasserstoffreduktion ihrer Oxyde gewinnen lassen und die deshalb in metallischer Form oder als Legierungen zu gesetzt werden. Solche Stoffe sind gegen oxydierende Einflüsse wenig empfindlich.
Durch gleichzeitige Verwendung mehrerer Metalle bezw. deren Oxyde kann Legierungs bildung bewirkt werden.
Als silikathydrathaltige Stoffe, die der rohen Masse Formbarkeit und den rohen Form körpern eine gewisse Festigkeit verleihen, eignen sich Ton, Kaolin, Talk (Speckstein), Bentonit, Halloysit, Allophan und derglei chen. Dem Gemisch aus silikathydrathaltigen und metallhaltigen Stoffen können weitere Stoffe, wie sie bei der Herstellung bekannter keramischer Materialien gebräuchlich sind, zugesetzt werden.
Um das Dichtsintern zu erleichtern oder um allfällige Reste von Oxyd von den Metallteilchen abzulösen, kön nen der Masse Flussmittel, wie Feldspat, Bor säure oder Borate zugesetzt werden. Auch inerte Stoffe, wie Quarz, Schamotte oder Siliziumkarbid können beigefügt werden.
Als reduzierende Gase eignen sich ausser Wasserstoff auch Kohlenwasserstoffe oder Kohlenoxyd. Das letztere kann beispielsweise so angewendet werden, dass der abgeschlos sene Brennraum ausser den Formkörpern Kohlenstücke enthält. Das bei der Reduktion von Metalloxyd gebildete CO" wird dann an der. Kohle wieder zu CO reduziert.
Das Verfahren ermöglicht nicht nur die Herstellung metallkeramischer Formkörper von verschiedener Gestalt und Grösse, son dern gestattet auch, diese Erzeugnisse mit verschiedenartigen, dem Verwendungszweck angepassten Materialeigenschaften auszustat ten. Es geschieht dies durch Auswahl und Bemessung der Rohstoffe im rohen Gemisch bezw. der rohen Masse und Einhaltung be stimmter Brenn- bezw. Sinterbedingungen. Man erhält so eine ganze Reihe von Mate rialien.
Am einen Ende dieser Reihe stehen keramische Erzeugnisse üblicher Art mit ge ringem Gehalt an Metall, am andern Metall körper mit ganz geringem, feinverteiltem Silikatgehalt. Zwischen diesen Grenzen ist jede gewünschte Abstufung möglich. Der Metallcharakter lässt sich dosieren. Dies gilt sowohl hinsichtlich der chemischen als auch der mechanischen, magnetischen und elektri schen Eigenschaften. Überdies können die metallkeramischen Erzeugnisse porös oder dichtgesintert hergestellt werden. Die erste ren sind nützlich als metallische Filter, die letzteren als elektrische Widerstände bezw. Heizkörper.