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Verfahren zur Herstellung von Zwei- oder Mehrstoffkörpern Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zwei- oder Mehrstoffkörpern, die insbesondere
für elektrische Zwecke geeignet sind, ohne auf diese Anwendung beschränkt
zu sein.
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Solche zusammengesetzten Metallkörper sind schon in verschiedenster
Art vorgeschlagen worden, so z. B. als Legierungen verschiedener Metalle, insbesondere
von Schwer-und Leichtmetallen, mit dem Ziele, besondere Festigkeit bei verhältnismäßig
geringem Gewicht aufzuweisen oder leichte. Formbarkeit (Gieß,barkeit) oder große
elektrische Leitfähigkeit bei ausreichender mechanischer Festigkeit, aber geringem
Gewicht. Ebenso wurden solche zusammengesetzten Körper aus harten oder höher schmelzenden
und weichen oder niedriger schmelzenden Metallen hergestellt, um eine größere mechanische
und/oder thermische Festigkeit bei leichterer Verarbeitbarkeit und Formbarkeit zu
erreichen, wobei auch ihre elektrische Leitfähigkeit ausgenutzt und sogar verbessert
werden konnte. Die Zusammensetzung solcher Metallkörper wird .aber auch oft besonders
gegen den Angriff der Atmosphärilien, insbesondere Feuchtigkeit und Sauerstoff abgestellt.
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Elektrische Leitungen aus Kupfer oder Silber würden wegen ihrer guten
Leitfähigkeit und leichten Bearbeitbarkeit von besonderem Vorteil sein, wenn nicht
Kupfer für manche Zwecke zu schwer sowie nicht ausreichend fest und Silber außerdem
zu teuer wäre. Dieselben Stoffe würden auch zur Herstellung .elektrischer Kontakte
besonders geeignet sein, wenn sie nicht wegen ihrer großen Weichheit, besonders
bei Entwicklung größerer Kontaktflächen, zu leicht deformierbar und darum wenig
widerstandsfähig wären, besonders aber Anlaß zum Kleben gäben. In allen Fällen würden
solche Werkstoffe, besonders aber edler Art, den Vorteil bieten, auch in der freien
Luft weitgehende Beständigkeit aufzuweisen und, sollten sie oberflächlich oxydiert
oder durch elektrische Funken verbrannt sein, leicht mit Feile oder Schmirgelpapier
usw. wieder gereinigt werden zu können.
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Wegen der geschilderten Nachteile hat man nun versucht, harte Metalle,
wie z. B. Wolfram, Molybdän, mit weicheren Metallen, wie z. B. Kupfer, Silber usw.,
zu vereinigen. Man verfährt hierbei so, daß man aus den harten Metallen ein Pulver
herstellt, dieses preßt und vorsintert, also bei Temperaturen behandelt, .bei .denen
die Pulver an den aneinanderliegenden Kanten zu verschweißen beginnen, ohne daß
aber die Sinterung bis zur Bildung eines möglichst dichten Körpers getrieben würde.
Den so gebildeten zusammenhängenden schwammartigen Körper ließ man dann flüssige
weiche Metalle ,durch Einseigern aufnehmen. Je nach der Porosität des vorgesinterten
Körpers und den Eigenschaffen
des 'Materials im besonderen ir bezug
auf das einzuseibernde -Metall wirc dann dieses letztere mehr oder minder tief ir
den Körper eindringen und ein mehr oder minder dichter Körper entstehen.
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Es wurde nun festgestellt, daß diese aus harten und weichen -Metallen
gebildeten Metallkörper nicht das Optimum an Festigkeit oder Bearbeitbarkeit oder
elektrischer Leitfähigkeit besitzen. Es ist klar, daß in dein nur vorgesinterten
Ausgangskörper das amorphe Pulver nicht zu einem in sich festen Ganzen vereinigt
sein kann, sondern daß ein nur geringfügiges Zusannnemvachsen des Pulvers, gleichsam
ein loser Zusammenhalt vorliegt und darum geringe mechanische Festigkeit und schlechte
Bearbeitbarkeit, ebenso aber auch geringe elektrische Leitfähigkeit je Volumeneinheit
des Materials. Mangelnde Festigkeit und Zusammenhalt können aber nicht dadurch beseitigt
«erden, daß ein anderes und noch dazu weiches Metall in unbeherrschbarer Weise eingeseigert
wird. Das eingeseigerte Metall wird sich beim Abkühlen kaum in gleicher Weise zrisaminenziehen.
wie der durch Vorsinterung gebildete schwarmnartige Aufnahmekörper, so daß Spannungen
oder Zwischenräume unvermeidlich sind. Darum ist ausreichende Homogenität und gleichmäßige
Verteilung der Metalle ineinander so gut wie unerreichbar. Hiermit ist aber auch
geringere elektrische Leitfähigkeit ebenso wie beschränkte mechanische 1'erarbeitbarkeit
verbunden.
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Die Erfindung schlägt einen Weg vor, diese Nachteile zri vermeiden
und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Zwei- oder 1Mehrstoffkörpern aus
mindestens einem hochgesinterten oder geschmolzenen und darauf zerkleinerten Stoff
einer Wolfram, Molybdän, Tantal umfassenden höher schmelzenden Gruppe und mindestens
einem Stoff einer Kupfer. Silber, Gold, Aluminium, Platin, Blei, Zinn, Zink umfassenden
niedriger schmelzenden Gruppe. Die 'Metalle dieser beiden Gruppen legieren miteinander
nicht. Auch bei längerer Behandlung in der Wärine und unter Druck tritt höchstens
eine oberflächliche Legierung (Durchdringung) ein.
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Solchen nach dein Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Zwei-
oder Mehrstoff-el können aber auch ein oder mehrere Stoffe einer Eisen, Kobalt,
Nickel, Chrom, Vanadium, Zirkon, Titan enthaltenden niedriger schmelzenden Gruppe
einverleibt sein. Die Stoffe dieser dritten Gruppe haben aber offenbar die Sonderwirkung.
ein Benetzen eines Stoffes der ersten Gruppe durch einen geschmolzenen Stoff der
zweiten Gruppe entweder überhaupt erst herbeizuführen oder aber zri unterstützen,
wodurch ein sehr dichter Körper erhalten wird. Diese Stoffe legieren aber bekanntlich
sowohl mit denjenigen. der vorher genannten höher schmelzenden als auch der niedriger
schmelzenden Gruppe. Die so erhaltenen ternären oder Mehrstoffkörper haben gleichwohl
die vorteilhaften Eigenschaften ganz .besonders dann, wenn die Metalle dieser zuletzt
genannten dritten Gruppe in Mengen von etwa 3 bis etwa nur 20 °/s zugesetzt sind.
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Die Vereinigung dieser Stoffe zu einem Zwei- oder Mehrfachkörper erfolgt
nun erfindungsgemäß derart, daß ohne Änderung des Aggregatzustandes des höher, wohl
aber des niedriger schmelzenden Stoffes die pulverförmigen Stoffe der höher schmelzenden
Gruppe hochgesintert oder geschmolzen, darauf zerkleinert und mit den Stoffen der
niedriger schmelzenden Gruppe durch Vergießen oder Verschmelzen verfertigt werden.
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Im besonderen wird gemäß der Erfindung zur Herstellung einer grobkristallinischen
Struktur, bzw. um die Stoffe der ersten Gruppe duktil zu machen, so verfahren, daß
ein oder mehrere höher schmelzende und härtere Metalle, wie z. B. 1-lol5°bdän, Wolfrain,
Tantal, aus den 1\letallpulvern, Oxyden oder sonstigen Verbindungen durch Schmelzen
oder Hochsintern verfestigt, gegebenenfalls auch noch mechanisch durchgearbeitet
werden, wie z. B. durch Hämmern, Walzen, sodann aber vorteilhaft zri möglichst feinem
Pulver zerkleinert «-erden. Die Schmelze kann aber auch granuliert werden. .Das
so erhaltene, infolge Schmelzen oder Hochsinterung und gegebenenfalls mechanischer
Durcharbeitung auf größte Dichte und damit eben= sowohl mechanische Festigkeit als
auch elektrische Leitfähigkeit gebrachte, regelmäßig fein kristallinische Pulver
wird sodann mit einem oder mehreren weichen Metallen einer niedriger schmelzenden
Gruppe vergossen. Hierzu kommen insbesondere Silber, Gold, Aluminium, Kobalt, Chrom,
Kupfer, Eisen, Nickel, Platin, Zinn, Zink usw. einzeln oder in Mischung in Betracht.
Die Auswahl ebensowohl der harten als auch der weichen Metalle hat unter dem Gesichtspunkt
zu erfolgen, welche Eigenschaften der herzustellende Körper haben soll, ob also
seine Härte oder seine Weichheit und Formbarkeit überwiegen soll, ob auf geringeres
Gewicht, große Leitfähigkeit oder/und großen Widerstand gegen den Angriff der Atmosphärilien
Wert gelebt wird.
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Auf Legierungsbildung ist keinerlei Wert zu legen, es ist also- nicht
dafür zu sorgen, daß die weichen Metalle in die harten Metalle zumindest in Oberflächenschichten
eindringen und eine feste Lösung, insbesondere Legierung, ergeben, sondern die bloße
inechanische
Einlagerung des harten Metalls in das weiche bzw.
die Verbindung des harten Metalls durch das weiche nach Art eines Bindemittels reicht
für :die Zwecke der Erfindung aus.
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Hiernach hat auch die Wahl der Menge von hartem bzw. höher schmelzendem
und weichem bzw. niedriger schmelzendem Metall zu erfolgen. Es kann schon genügen,
daß die Menge des weichen Metalls (dessen spezifisches Gewicht je nach seiner Wahl
oder Zusammensetzung verschieden sein wird) nur 3 bis 6 % der Gesamtmenge des fertigen
Körpers ausmacht und somit nur als Bindemittel wirkt, wozu regelmäßig Mengen dieser
Größenordnung und hinauf bis etwa 15 % ausreichen. In anderen Fällen soll das weiche
Metall aber nicht nur als Bindemittel wirken, sondern in erster Linie den fertigen
Körper darstellen, der nur in seiner Oberflächenbeschaffenheit (Härte) durch den
Zusatz der harten Metalle verbessert werden soll; dann kann die Menge der weichen
Metalle gesteigert werden und gleich oder größer als die Menge -der harten Metalle
sein, deren Anwesenheit sogar --bis auf 20 % und noch weniger beschränkt werden
kann.
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Folgende Beispiele von nach der Erfindung hergestellten Zw cistoffkörpern
seien angeführt: i. Molyb-dän - Silber; Molybdän - Kupfer; Molybdän - Zinn; Molybdän
- Zink; 800;`o Tantal - 2o0/0 Blei; 50% Molybdän-50 0% Kupfer.
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2. Wolfram - Silber; Wolfram - Kupfer; Wolfram - Zinn; Wolfram - Zink;
;0 % Wolfram - 30 % Silber.
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Folgende Beispiele von nach der Erfindung hergestellten ternären Körpern
seien begeben: 3. Molybdän - Silber - Zirkon; Molybdän - Silber - Chrom; Molybdän
- Silber - Titan; Molybdän - Chrom - Kupfer; Molybdän -,Chrom - Zinn; Molybdän -
Chrom - Zink; Moly.bdän - Kupfer - Titan; 6o 0/ö Molybdän - 35 °% Silber - 5 % Kobalt.
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q.. Wolfram - Silber - Zirkon; Wolfram - Kupfer - Zirkon; Wolfram
- Silber - Titan; Wolfram - Kupfer - Titan; Wolfram - Zinn - Titan; Wolfrain - Zink
- Titan; Wolfram - Silber - Chrom; Wolfram - Kupfer - Chrom; Wolfram - Zinn - Chrom;
Wolfram -Zink - Chrom; Wolfram - Silber - Vanadium; Wolfram - Kupfer - Vanadium;
65 0/0 Wolfram - 30 0% Kupfer - 5 0/0 Nickel; 35 0% Wolfram - 35 0/0 Chrom -30 %
Kupfer; 6o % Tantal - 25 % Zink -15 % Eisen.
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Besonders die Beispiele ternärer Zusaminensetzung zeigen, daß eine
zunächst binäre Zusammensetzung durch einen Zusatz in eine ternäre umgewandelt werden
kann, wobei sogar eine Lösung mit einem oder mit beiden Bestandteilen der .binären
Zusammensetzung stattfinden kann, insbesondere auch eine Legierungsbildung, falls
nur die entstehenden Mischkristalle oder Legierungen - der Bedingung nicht widersprechen,
daß mindestens zwei der Bestandteile untereinander keine oder nur eine oberflächliche
Legierung (feste Lösung) eingehen. Wird beispielsweise Molybdän und Silber zu einem
Zweistoffkörper (binäre Zusammensetzung) verarbeitet, so gehen diese Stoffe keine
feste Lösung oder Legierung miteinander ein, auch dann nicht, wenn ein dritter Körper,
wie Aluminium, zugesetzt und hierdurch ein Dreistoffkörper (ternäre Zusammensetzung)
erhalten wird und das Aluminium sowohl das Molybdän als auch das Silber in Lösung
nimmt bzw. mit ihm Legierungen eingeht.
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Das Verfahren ist aber nicht auf die Herstellung solcher binären oder
ternären Zusammensetzungen beschränkt, sondern gilt sinngemäß auch für weitere Mehrstoffzusammensetzungen.
Darüber hinaus beschränkt sich das Verfahren nach der Erfindung auch nicht auf die
Herstellung von Stoffen mit den beispielsweise angegebenen Zusammensetzungen.
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Die Gehalte an den verschiedenen Stoffen werden, wie erwähnt, zweckentsprechend
gewählt. Natürlich ist aber die Körnung des härteren bzw. schwerer schmelzenden
Stoffes maßgebend für die Wahl der Menge des weicheren bzw. leichter schmelzenden
Stoffes. Regelmäßig wird mit feinerer Körnung des härteren Metalles auch eine Verringerung
der Menge des zugesetzten weicheren Metalles verbunden sein.
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Das Verfahren wird so ausgeführt, daß man entweder die dichten Hartmetallpulver
mit dem flüssigen weichen Metall umgießt oder auch Teile des weichen Metalls in
fester Form, insbesondere als Pulver, -dem Pulver aus hartem Metall beimengt. Man
kann dann das Ganze mit dem schmelzflüssig gemachten Rest von weichem Metall über
das fest verbleibende Metall gießen. Vorteilhaft wird hierbei das Ganze auf solcher
Temperatur erhalten, daß auch die beigemengten Weichmetallpulver erschmelzen und
dem zugegossenen Weichmetall einverleibt werden.
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Schließlich kann man derart verfahren, daß man ebenso harte wie auch
weiche Metalle zerkleinert, mischt und hierauf das Ganze so weit erhitzt, daß zumindest
das weiche Metall schmilzt und ,beim Erkalten das harte Metall einschließt, das
seinerseits wiederum gleichmäßig im erkalteten weichen Metall verteilt ist.
Derart
kann man zunächst ganze Blöcke oder Barren beliebiger Form und Größe herstellen,
die durchaus homogen sind und die dann durch Behandlung in der Wärme, wie z. B.
Umgießen, oder durch mechanische Bearbeitung in der Wärme oder Kälte, wie z. B.
Hämmern, Walzen, Ziehen, Schneiden, zu dem gewünschten Gegenstand verarbeitet werden.
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Es ist aber auch möglich, nach dem Verfahren den gewünschten Gegenstand
unmittelbar herzustellen, wenn das Metallpulvergemisch in eine entsprechende Form
eingesetzt und in ihr zumindest der Weichinetallteil zum Schmelzen gebracht wird
oder so weit erweicht wird, daß er beim Erkalten den Hartmetallteil in sich aufnimmt
und einen Körper großer Homogenität und gleichmäßiger Dichte ergibt.
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Manchmal ist es aber auch erwünscht, daß nur bestimmte Teile eines
Gegenstandes aus nach dein Verfahren der Erfindung hergestellten Zwei- oder Mehrstoffkörpern
bestehen, wenn es sich z. B. um einen Kontaktstift handelt, bei dem nur die äußere
Kontaktfläche ebensowohl hart als auch leicht bearbeitbar und gegen Oxydation widerstandsfähig
sein soll, während der übrige Teil des Kontaktstiftes in einer Fassung gehalten
und hierdurch geschützt sein mag und jedenfalls nicht gleiche Widerstandsfähigkeit
wie die Kontaktfläche aufzuweisen braucht. In solchem Fall ist bei dem neuen Verfahren
vorgesehen, beispielsweise in einer nach oben offenen Form, deren tiefster Teil
der Kontaktfläche entspricht, das harte Metallpulver in ausreichender Schicht aufzubringen,
worauf man darüber das Weichmetall gießt oder erschmilzt, natürlich mit solcher
Vorsicht, daß nicht - etwa Luftblasen eingeschlossen werden, also vorteilhaft mit
verlorenem Kopf und derart, daß eine langsame Abkühlung, die von unten nach oben
fortschreitet, durchgeführt wird. Dann erhält man einen Kontakt, der gerade an der
Kontaktfläche die harten Metalle enthält und die gewünschten Gesamteigenschaften
aufweist.
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Ähnliches kann auch dadurch erreicht werden, daß man die harten Metalle
nach ihrem Gewicht auswählt und dafür sorgt, daß das Metallbad, in welchem die weichen
Metalle flüssig und die harten z. B. fest sind, gewisse Zeit heißflüssig absteht,
wobei sich die schweren harten 'Metallpulver langsam nach unten bewegen können und
zumindest eine Anreicherung des Bades an harten Metallen bzw. Metallpulvern iin
unteren Teil entsteht, worauf man das Bad erstarren läßt.
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Hiernach ist man imstande, ebensowohl geformte als auch formlose Körper
gewünschter Eigenschaft herzustellen, die wegen ihrer Änderungsmöglichkeit des Gehalts
an harten Metallen beliebige Festigkeit und wegen ihrer Änderungsmöglichkeit des
Gehalts an «-eichen Metallen gute Leitfähigkeit besitzen und schwer oxydierbar sein
können und mit solchen Eigenschaften weit wirtschaftlicher und somit billiger hergestellt
werden können, als dies bisher aus Silber, Goldsilber, Platin usw. möglich war,
die außerdem zu weich sind, rasch ausgeschlagen oder jedenfalls in ihrer Form verändert
werden und darum häufigen Ersatz erfordern. Ebenso ist auch Kupferdraht trotz seiner
guten Leitfähigkeit für elektrischen Strom und Wärme wegen seiner geringen Härte
nicht immer geeignet, besonders nicht für Kontakte mit großer Oberfläche. Wolfram
weist große Härte sowie mechanische und elektrische Widerstandsfähigkeit auf, besitzt
aber andererseits geringere Leitfähigkeit für elektrischen Strom und Wärme und ergibt
dementsprechend hohen Spannungsabfall, hohe Kontakttemperaturen und damit Anlaß
zu schädlichen Wärmestauungen. Darüber hinaus neigen solche Kontakte zum Oxydieren,
so daß sie in erster Linie nur für größere Stromstärken oder aber hohe Spannungen
in Betracht kommen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Abstimmung aller
vorteilhaften Eigenschaften der verschiedenen Metalle gegeneinander und ermöglicht
somit die Schaffung eines Metallkörpers, der z. B. überwiegend hohe Leitfähigkeit
bei ausreichender Härte oder aber überwiegende Härte bei genügender Leitfähigkeit
sowie die jeweils gewünschte mechanische, elektrische und chemische Beständigkeit
aufweist.
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Besonders bemerkenswert ist noch, daß die nach dem neuen Verfahren
hergestellten Körper auch dann, wenn harte Metalle überwiegend einverleibt sind,
leicht formbar und mechanisch zu bearbeiten sind und daß die Oberflächenschicht
nötigenfalls durch ohne weiteres verfügbare Werkzeuge abgenommen werden kann.
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Nach -dem Verfahren können Kontakte hergestellt werden, die insbesondere
große mechanische Festigkeit aufweisen sollen, also für Apparate, die dauernd betriebsbereit
sein sollen, aber nur selten in Betrieb kommen, wie z. B. Feuermelderelais, ebenso
aber auch Kontakte mit großer Leitfähigkeit, wo eine überaus häufige Kontaktgebung
stattfinden soll unter Verhinderung von Wärmestauungen, während etwa in Bildung
begriffene Oxydationsschichten durch das häufige Öffnen und Schließen gleichsam
mechanisch entfernt werden sollen, wie z. B. .bei Schnellreglern.
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Bei Apparaten, die hohe Ströme führen,
aber einen
gedrungenen Aufbau mit kleinen Kontaktoberflächen und trotzdem höherer Leitfähigkeit
erfordern, wird das Verfahren so geleitet, daß das harte Metall überwiegt.
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Ein nach dem Verfahren der Erfindung hergestellter Zwei- oder Mehrstoffkörper
bringt den weiteren Vorteil mit sich, @daß er mit anderen Baustoffexi wegen seines
Gehalts an weicheren Bindemetallen ohne Zwischenlot verbunden werden kann. Er kann
leicht unmittelbar auf eine Eisenunterlage aufgelötet oder durch Punktschweißung
aufgeschweißt werden. Neigung zu Schiefern oder Blättern, wie dies beispielsweise
bei Wolframkontakten beobachtet wurde, die aus relativ kleinen, durch Sintern hergestellten
Ingots herausgearbeitet werden müssen, liegt nicht vor.
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Die Herstellungsmöglichkeiten gemäß der Erfindung und die Vorteile
sind hiermit aber keineswegs erschöpft. Der nach dem Verfahren hergestellte Metallkörper
kann insbesondere gehämmert, gewalzt, gezogen Oder/und gedreht werden. Das wird
insbesondere durch die größere Homogenität und höhere Duktilität des entstehenden
Körpers ermöglicht und ist dadurch bedingt, daß auch der härtere bzw. höher schmelzende
Anteil in Bearbeitungsform, duktilem Zustand, nämlich geschmolzen oder gesintert
und gegebenenfalls mechanisch durchgearbeitet vor dem darauffolgenden Pulverisieren
zugesetzt wird. Bisher wurde aber im Gegensatz hierzu das hochschmelzende Metall,
wie z. B. Wolfram, als originäres Metallpulver dem leichter schmelzenden Metall
beigemengt. Solches ursprüngliches Metallpulver besitzt aber keinerlei Bearbeitbarkeit;
darum wird sie ihm durch Zusammenschmelzen oder Sintern vor dem Pulverisieren künstlich
erteilt.
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Die feinkristallinische Struktur stellt sich regelmäßig von selbst
ein, indem das durch Schmelzen oder Hochsintern erhaltene härtere Metall entweder
bereits solche Struktur aufweist oder nachträglich durch mechanische Bearbeitung
erhält. Nötigenfalls kann aber .eine besonders gewünschte feinkristallinische Struktur
durch thermische Behandlungen erhalten werden, wie dies in der Metallbearbeitung
bekannt ist, z. B. durch schnelles Abkühlen (Abschrecken) bei der Herstellung selbst
oder durch anschließendes Erwärmen des bereits fertigen Körpers und darauffolgendes
schnelles Abkühlen.
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Die gemäß der Erfindung- hergestellten Körper sind auf keinen Anwendungszweck
beschränkt. So können auch Metallkörper hergestellt werden, die für Lager, Dichtungen
oder Stopfbuchsen besonders in Heißdampfturbinen geeignet sind.