DE1771919A1 - Process for producing an electrically conductive object - Google Patents
Process for producing an electrically conductive objectInfo
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Description
PATENT ANWALT PATENT LAWYER
REicHENBACHSTR. si ι / / ι ν? ι αREicHENBACHSTR. si ι / / ι ν? ι α
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Folio 12629 R/JFolio 12629 R / J
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch leitenden Gegenstandes, der im wesentlichen aus einem Diborid und einem Nitrid von Titan und bzw. oder Zirkonium und 0 bis IO Oew.-£ Molybdändisilicld besteht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daö man eine aus Teilchen mit «inen Durchmesser unter 150μ und vorzugsweise unter 75μ bestehende Masse aus im wesentlichen stttohlometrisotienThe invention is a method for producing an electrically conductive article, which is essentially consists of a diboride and a nitride of titanium and / or zirconium and 0 to 10% molybdenum disilicate. The method is characterized by the fact that one is selected Particles with a diameter below 150μ and preferably The mass of less than 75μ consists essentially of stttohlometry isotia Mengen Bornitrid und Titan und bzw. oder Zirkonium und 0 bis 10 Gew.-£, vorzugsweise 1 bis 4 Oew.-Ji Molybdändiailiüid in einer Inerten Atmosphäre bei einer Temperatur von 2000 bis 2700*; und unter einen; Druck von 350 bis 1050 kg/cm verpre3t, bis die Umsetzung beendet ist.Amounts of boron nitride and titanium and / or zirconium and 0 to 10 wt. £, preferably 1 to 4 ow.-Ji Molybdändiailiüid in an inert atmosphere at a temperature of 2000 to 2700 *; and under one; Pressure of 350 to 1050 kg / cm pressed until the reaction has ended.
In dieser Weise hergestellte Gegenstände besitzen eine gute elektrische Leitfähigkeit, eine verhältnismäßig geringeObjects produced in this way have a good electrical conductivity, a relatively low one
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Dichte und hohe mechanische Festigkeit und Härte und sind chemisch inert und bis zu Temperaturen von etwa 975*C und insbesondere in geBchmozenem Aluminium wärmefest. Sie haben besonderen Wert in der Form von Stromableitungsstangen in Elektrolysezellen für die Herstellung von Aluminium, können aber auch beispielsweise in und um Sohaohtöfen und anderen Hochtemperaturanlagen, wie Düsenmaschinen und Raketenverbrennungskammern, als Düsenauskleidungen, für die Herstellung von Laboratoriumsgeräten, Behältern für Metallschmelzen und in der Metallgießerei, beispielweise in Vorrichtungen zur Herstellung von Qie31ingen aus Aluminium, Magnesium und Kupferlegierungen,verwendet werden. Ihre hohe Härte macht eie zudem geeignet fUr eine Verwendung in Maschinenteilen und Vorrichtungen für die Durchführung chemischer und metallurgische,. Verfahren, für Panzergeschosse, hohen Temperaturen ausgesetzten Lagern, Dichtungen und Extrudermatrizen sowie abriebfester Gegenstände jeder Art/ und Ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit wegen können sie als Kontakte in der Elektround RadioIndustrie verwendet werden. Sie können entweder direkt in der Form der nach dem Verfahren der Erfindung erhaltenen Rohlinge oder nach anschließender Oberflächenbearbeitung verwendet werden; oder die Rohlinge können zu Granallen zerstoßen und diese dann zur Herstellung von Schutzschichten auf hohen Temperaturen ausgesetzton Gegeständen, wie beispielsweise Düsenmaschinen, Raketenverbrennungskammern oder technischen Ofen oder zum Verbinden anderer Materialien, wie Gegenständen aus Glas odtx» Keramik verwendet werden.Density and high mechanical strength and hardness and are chemically inert and up to temperatures of about 975 * C and especially heat-resistant in melted aluminum. They have special value in the form of power dissipation rods in Electrolysis cells for the production of aluminum can but also, for example, in and around Sohaohtöfen and others High temperature equipment, such as jet engines and rocket combustion chambers, as jet liners, for manufacture of laboratory equipment, containers for molten metal and in the metal foundry, for example in devices for Manufacture of Qie31ingen from aluminum, magnesium and copper alloys. Their high hardness makes them also suitable for use in machine parts and Devices for performing chemical and metallurgical ,. Process for armored projectiles, bearings exposed to high temperatures, seals and extruder dies as well as abrasion-resistant objects of all kinds / and your good electrical ones Because of their conductivity, they can be used as contacts in the electrical and radio industries. You can either can be used directly in the form of the blanks obtained by the method of the invention or after subsequent surface treatment; or the blanks can too Crushed granals and then exposed them to high temperatures to produce protective layers on objects, such as jet machines, rocket combustion chambers or technical furnaces or for joining other materials, how objects made of glass odtx »ceramics are used.
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Das Verfahren zur Herstellung von Aluminium durch Elektrolyse hat sich, nachdem es im Prinzip vor 70 Jahren von Hall entwickelt wurd«, bemerkenswert wenig geändert. Auch heute noch verwendet man als Elektrolysezelle eine mit Kohle ausgekleidete Wanne in einem Stahlbehälter. In den Boden der Wanne sind Stahlstangen eingebettet, die den Strom von der Kohlenstoffkathode durch den Stahlbehälter zu dem negativen Hauptleiter außerhalb der Zelle ableiten. Diese Stangen stehen also nur in indirektem Kontakt mit dem Aluminiuirsumpf in der Zelle. Die Energieausnützung beträgt nur etwa 40#. Der Spannungsverlusfc an der Kathodenseite ergibt sich hauptsächlich aus dem Widerstand a) der Stahlstangen, b) der Grenzfläche Eisen/Kohlsnctoff, c) der als Minuspol wirkenden Kohleauskleidung und d) der Grenzfläche Kohlenstoff/Alurciniumsohmelze wobei der stärkste Verlust wahrscheinlich an der Grenzfläche Kohlenstoff/Alusniniumschmelze zufolge der Bildung von carbiden und anderen Verbindungen an dieser Grenzfläche erfolgt.The process of producing aluminum by electrolysis has after it in principle 70 years ago by Hall was developed «, has changed remarkably little. Today as well a coal-lined tank in a steel container is still used as the electrolysis cell. In the bottom of the Steel rods are embedded in the tub that carry electricity from the carbon cathode through the steel container to the negative Derive main conductors outside the cell. These rods are therefore only in indirect contact with the aluminum sump in the cell. The energy utilization is only about 40 #. The voltage loss on the cathode side mainly arises from the resistance of a) the steel rods, b) the iron / carbon dioxide interface, c) the carbon lining acting as a negative pole and d) the carbon / aluminum melt interface with the greatest loss probably at the carbon / aluminum melt interface due to the formation of carbides and other compounds at this interface.
Die neuen Stromableitungestangen der Erfindung kennen nun direkt in die Aluminlumschmelze eingebettet werden und verbinder· dann die Stromquelle direkt mit der Alurniniumschmelze, wo» durch der Spannungsverlust wesentlich herabgesetzt werden kann. Verschiedene Stangen aus anderen hitzefeeten Materialien haben eich als für diesen Zweck ungeeignet erwiesen. Titan- und Zirkon! um -carbid und -diborid und ihre Gemische können nur zuThe new power dissipation rods of the invention now know be embedded directly into the aluminum melt and connect then the power source directly to the aluminum melt, where » which can significantly reduce the voltage loss. Various rods made of other heat-resistant materials have proven to be unsuitable for this purpose. Titanium and zircon! to carbide and diboride and their mixtures can only be
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Stangen he13 verpreest werden, wenn die Zusammsetzung der Pressmasse genauestens kontrolliert wird. Schon sehr geringe Mengen an Verunreinigungen verändern das Verhalten dee Presskörpers beim Sintern sehr wesentlich« und die Lebensdauer in einer Aluminiumschmelze i3t gering.Rods he13 are pressed when the composition of the Press mass is precisely controlled. Very little Amounts of impurities change the behavior of the pressed body during sintering very significantly and its service life an aluminum melt i3t low.
Die bei dem Verfahren der Erfindung ablaufende Umsetzung zwischen Bornitrid und Titan kann durch die folgende Gleichung wiedergegeben werden;The implementation involved in the process of the invention between boron nitride and titanium can be represented by the following equation;
5 Ti + 2 BN » TiBg + 2 TiM5 Ti + 2 BN »TiBg + 2 TiM
Xn dem entstehenden Gemisch beträgt das Gewicht«verhältnis Titandlborid zu Titannitrid etwa 36:64. Durch Zugabe variierender Mengen an elementarem Bor und einer entsprechenden stöchiometrischen Menge an Titan kann das Verhältnie Titandlborid zu Titannitrid variiert werden» so daß die Massen etwa 32 bis etwa 90 Oew.-% Tltandlbcrld und etwa 10 bis etwa 68 . Gew.-^ Titannitrid enthalten. Dies kann durch die folgende Reaktionsgleichung veranschaulicht werden:In the resulting mixture the weight ratio of titanium boride to titanium nitride is about 36:64. By adding varying amounts of elemental boron and a corresponding stoichiometric amount of titanium, the ratio of titanium boride to titanium nitride can be varied so that the masses are about 32 to about 90 ow. -% Tltandlbcrld and about 10 to about 68. Contain wt .- ^ titanium nitride. This can be illustrated by the following reaction equation:
4T1 + 2BN + 2E — » 2 TiB + 2 TlN4T1 + 2BN + 2E - »2 TiB + 2 TlN
Die Mengen an den Reaktionsteilnehmern müssen sorgfältig so gewählt werden« daß eine vollständige Unsetzung erfolgen kann. Nicht umgesetztes Bornitrid« das ein elektrischerThe amounts of the reactants must be used carefully be chosen in such a way that a complete conversion takes place can. Unreacted boron nitride «the one electric
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Isolator ist, verschlechtert, wenn es in erhefclichen Mengenr anwesend 1st, die elektrische Leitfähigkeit des Fertigproduktes. Die bevorzugten Reaktionsgemische enthalten etwa 64 bis 74 Gew.-^ Titan, etwa 10 bis 26 Gew.-# Bornitrid und 6 bis 17 Gew. -% Bor, so daü die entsprechenden Produkte etwa 54 bis 70 Gew.-# Titandlborid und etwa 50 bis 66 Gew.-# Titannitrid enthalten.Insulator, if it is present in significant quantities, deteriorates the electrical conductivity of the finished product. The preferred reaction mixtures contain about 64 to 74 wt .-% titanium, about 10 to 26 wt .-% boron nitride and 6 to 17 wt .- % boron, so that the corresponding products about 54 to 70 wt .-% titanium boride and about 50 contain up to 66 wt .- # titanium nitride.
Wenn an Stelle von Titan metallisches Zirkonium oder ein Gemisch von Titan und Zirkonium verwendet wird,, so erfolgtv sofern das Gewlchtsverhältnie von Diborid zu Nitrid entsprechend geändert wird, die gleiche Umsetzung.When it is used in place of titanium, metallic zirconium, or a mixture of titanium and zirconium ,, so effected v unless the Gewlchtsverhältnie of diboride to nitride is changed accordingly, the same reaction.
Die Ausgangsgemisohe können, wie erwähnt, außer Titan und bzw. oder Zirkonium und Bornitrid noch eine geringe Menge von etwa 1 bis 1Q£ und vorzugsweise etwa 1 bis 4£ an Molybdändisilioid enthalten. Diese Verbindung wirkt .als Gleitmittel und macht den fertigen Gegenstand noch oxydationsfester.The starting mixtures can, as mentioned, except titanium and or or zirconium and boron nitride as well as a small amount of about 1 to 10 pounds and preferably about 1 to 4 pounds of molybdenum disilioid contain. This compound acts as a lubricant and makes the finished object even more resistant to oxidation.
Die Reaktionateilnehmer müssen in fein verteilter Form eingesetzt werden, d.h. die Teilchengröße soll weniger als etwa 150μ und vorzugsweise weniger als etwa 75μ betragen.The reaction participants must be used in finely divided form, i.e. the particle size should be less than about 150µ and preferably less than about 75µ.
Das Verfahren der Erfindung wird vorzugsweise In der Weise durchgeführt, da9 nan die fein-dispereen Reektioneteilnehmer miteinander vennisaht, des Oemisch verpreMt, den VorformlingThe method of the invention is preferably carried out in the manner carried out because of the finely dispersed participants in the reaction vennisaht together, the Oemisch pressed, the preform
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trocknet und dann in einer geeigneten Fora heIB verpressc. Während des Heißverpressens erfolgt eine exotherme Umsetzung, die von einer beträchtlichen Schrumpfung der Nasse in der Form begleitet ist. Nach Beendigung der Umsetzung, die an dem Aufhören einer Bewegung des Druckstempels oder dergleichen erkennbar ist, wird der Gegenstand unter Druck gekühlt und dann aus der Form genommen. Die Dichte des so erhaltenen Gegenstandes betrügt gewöhnlich wenigsten 4,0 g/ce?. dries and then hot pressed in a suitable fora. During the hot pressing, an exothermic reaction takes place, which is accompanied by a considerable shrinkage of the liquid in the mold. After completion of the reaction, which can be recognized by the cessation of movement of the pressure ram or the like, the object is cooled under pressure and then removed from the mold. The density of the article thus obtained is usually at least 4.0 g / ce?.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand ν cm Beispielen näher veranschaulicht werden. Prozentangaben beziehen sich auf das Oewicht.In the following, the invention is intended to be based on ν cm examples are illustrated in more detail. Percentages relate to on the weight.
Ein Gemisch aus 7*»3£ Titan mit einer Teilchengröße unter 75l und 25,7Ji Bornitrid mit einer TellohengrBBe unter 75v wurde unter einem Druck von 14O6 kg/cm zu Stlben von .0,79cm Durchmesser und 0,79c« Lunge verprasst. 6 solch« Vorformling« wurden Ende an Ende anelnandergelegt, 2 Stunden In Vakuum bet 110Ϊ getrocknet und dann In einer Graphitmatrix« in einer ArgonatmosphMre bei eine« Druok von 703 kg/cm heiß verpresst. Nach 8,2 Minuten hatte sich eine Temperatur von 2400% «Ingestellt, und es war eine beträchtliche Sohruospfung erfolgt. Die Temperatur iwurde dann bei 2400% gehalten« bis keine weitere Verkürzung m«hr bemerkt wurde. Der Druck wurd« noch weitere 5 Minuten aufrechterhalten. Dann wurde der Oegenatand ausA mixture of 7 * »3 pounds of titanium with a particle size below 75l and 25.7Ji boron nitride with a Tellohen size below 75v became 0.79 cm rods under a pressure of 1406 kg / cm Diameter and 0.79c «lung squeezed. 6 such "preform" were laid end to end, 2 hours in vacuum bet 110Ϊ dried and then in a graphite matrix «in one Argon atmosphere hot-pressed at a pressure of 703 kg / cm. After 8.2 minutes a temperature of 2400% had been established, and there had been considerable soaking. The temperature was then held at 2400% until no more Shortening was noticed more often. The pressure grew even further Maintain for 5 minutes. Then the Oegenatand was out
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der Matrize genommen. Er hatte eine Länge von 2,4 cm und eine Dichte (apparent density) von 4,46 g/cm.taken from the die. It had a length of 2.4 cm and an apparent density of 4.46 g / cm.
Die Röntgenanalyse dee Stabes ergab einen Gehalt von Titandiborid und 64# Titannitrid.The X-ray analysis of the rod showed a content of Titanium diboride and 64 # titanium nitride.
Der so hergestellte Stab wurde in einer Kohlenmonoxydatmosphäre in eine Alumlniumschmelze von 8759C getaucht. Noch nach 120 Stunden wurde keine Veränderung des Stabes bemerkt.The rod thus produced was immersed in a Kohlenmonoxydatmosphäre in a Alumlniumschmelze of 875 9 C. No change in the rod was noticed even after 120 hours.
Ein in gleicher Weise hergestellter Stab aus Titandiborid von 1,25 cm Länge wurde unter einer ArgonatniOsphHre in eino Aluminiumschmelze von 875^C getaucht. Er zerbrach innerhalb 48 Stunden.A titanium diboride rod 1.25 cm long, produced in the same way, was placed under an argon tube in one Immersed aluminum melt at 875 ^ C. He broke within 48 hours.
Ein Gemisch aus 70,0Ji Titan mit einer Teilchengröße unter 75tu 18,l£ Bornitrid mit einer Teilchengröße unter 44«,, 7,9$ Bor mit einer Teilchengröße unter 44u und 4£ Molybdändisilicid mit einer Teilchengröße unter 75μ wurde unter einem Druck von 1050 kg/cm zu Stäben von 0,79 cn» Länge und 0,79 cm Durchmesser vorpresst. Sechs solcher Stäbe wurden wie in Beispiel 1 aneinander gelegt, getrocknet und heiß verpresst.A mixture of 70.0Ji titanium with a particle size below 75tu 18.1 £ boron nitride with a particle size below 44 "" 7.9 $ Boron with a particle size below 44µ and 4 pounds molybdenum disilicide with a particle size of less than 75μ, it was pre-pressed under a pressure of 1050 kg / cm to give rods 0.79 cm in length and 0.79 cm in diameter. Six such rods were made as in Example 1 placed together, dried and hot-pressed.
Die erhaltenen Stäbe hatten eine Länge von 2,46 em und eine Diohti von 4,26 g/cm. Ihre Zusammensetzung betrug: 5l£ Titan-The rods obtained had a length of 2.46 cm and one Diohti of 4.26 g / cm. Their composition was: 5l £ titanium
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diborid, k$% Titannitrid und 4£ Molybdändieilicid.diboride, k $% titanium nitride and £ 4 molybdenum diilicide.
Ein solcher Stab wurde, zu einem Zylinder von 0,76 cm Durchmesser und 1,58 crn Längs abgeschliffen und gemäß ASTM-Test E9-6I auf Druckfestigkeit geprüft. Die Druckfestigkeit betrug 15450 kg/cm2, d.h. das Verhältnis Festigkeit zu Gewicht ist gleich oder größer demjenigen vieler Carbidkörper.Such a rod was ground to a cylinder 0.76 cm in diameter and 1.58 cm in length and tested for compressive strength in accordance with ASTM test E9-6I. The compressive strength was 15450 kg / cm 2 , ie the strength-to-weight ratio is equal to or greater than that of many carbide bodies.
Die Härte eines wie oben beschrieben hergestellten Stabes betrug 91 Rockwell A, ASTM-Test B294-54T. Die Zugfestigkeit betrug I850 kh/cm2, bestimmt nach ASTM-Test C496-64T.The hardness of a rod made as described above was 91 Rockwell A, ASTM test B294-54T. The tensile strength was 1850 kh / cm 2 , determined according to ASTM test C496-64T.
Ein Gemisch aus 57,5# Titan mit einer Teilchengröße unter 150μ, 18,5 £ Zirkonium mit einer Teilchengröße unter 100}., 4,5# Bor mit einer Teilchengröße unter 44p und 19*9$ Bornitrid mit einer Teilchengröße unter 44μ wurde unter einem Druck von 1055 kg/cm** zu Stäben von 0,79 cm Länge und 0,79 «» Durchmesser verpres3t. Sechs solohe Stäbe wurden wie in Beispiel 1 aneinander gelegt, getrocknet und heiß verpresst. In 10,2 Minuten stieg die Temperatur auf 250CC, und nach Aufheren der Schrumpfung wurde der Gegenstand 5 Minuten unter Druck gekühlt und dann aus der Matrize genommen.A mixture of 57.5 # titanium with a particle size below 150μ, 18.5 lb zirconium with a particle size below 100}., 4.5 # boron with a particle size below 44p and 19 * 9 $ boron nitride with a particle size below 44μ was under a pressure from 1055 kg / cm ** to rods 0.79 cm long and 0.79 "" in diameter pressed. Six single rods were placed next to one another as in Example 1, dried and hot-pressed. In 10.2 Minutes the temperature rose to 250CC, and afterwards After the shrinkage, the article was pressure-cooled for 5 minutes and then removed from the die.
Der erhaltene Stab hatte eine Länge von 2,54 on und eine Dichte von'4,42 g/cm. Die Röntgenanalyee bestätigte, daß er InThe rod obtained had a length of 2.54 tons and a density of 4.42 g / cm. The X-ray analysis confirmed that he was In
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wesentlichen aus Titandibqrld, Zirkoniumdiborid, Titannitrid und Zirkoniumnitrid bestand.mainly made of titanium diboride, zirconium diboride, titanium nitride and zirconium nitride.
Er wurde unter einer Kohlenmonoxydatmosphäre in eine Aluminium« schmelze von 875Έ getaucht. Nach 120 Stunden wurde keine Veränderung bemerkt.He was immersed in an aluminum under a carbon monoxide atmosphere « immersed melt of 875Έ. After 120 hours there was none Noticed change.
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