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Verfahren zur Herstellung von elektrischen Widerstandskörpern.
Es sind bereits mehrfach elektrische Widerstände beschrieben worden, welche durch Formen und Brennen von durch Zusätze elektrisch leitend gemachten keramischen Massen hergestellt wurden. Als leitende Zusätze sind dabei Kohlenstoff oder Metalle vorgeschlagen worden, die jedoch bei den hohen Temperaturen, die für das Brennen der keramischen Massen erforderlich sind, oxydiert werden. Man hat mit geringem Erfolg versucht, diese Oxydation dadurch zu vermeiden, dass die rohen Körper in einer Einbettung von Kohle oder in einer neutralen Gasatmosphäre gebrannt wurden ; auch ist beantragt worden, die Leitermasse in eine schützende Umhüllung von nichtleitender keramischer Masse einzubetten, die den Luftzutritt beim Brennen und im Gebrauch verhindert.
Bei dieser Ausführungsform handelt es sich um eine räumlich abgegrenzte Anordnung zweier verschiedener Materialien, so dass keine Vermischung des Leitermaterials mit der übrigen Masse stattfindet. Die hiezu in bekannter Weise verwendete Masse kann keineswegs als keramisches Material angesehen werden. Wenn überhaupt geringfügige Zusätze von keramischen Rohmaterialien erwähnt werden, so wirken diese lediglich als Bindemittel oder dienen, als Nichtleiter, dazu, den spezifischen Widerstand zu erhöhen. Solche Massen sind nur in Verbindung mit einer umhüllenden keramischen Schutzmasse anwendbar, die so zusammengesetzt ist, dass sie dicht, d. h. undurchlässig, ist und gegen Oxydation schützt.
Gemäss vorliegender Erfindung werden elektrische Widerstände aus einer Masse geformt, die in jeder Hinsicht als keramische Masse anzusprechen ist. Sowohl das Formen als das Brennen geschieht in der bei der Herstellung keramischer Erzeugnisse allgemein üblichen Weise, und der Schutz gegen Oxydation oder die schützende Umhüllung kann wegfallen. Das Verfahren beruht auf der Anwendung von Silizium bzw. einer hochprozentigen Siliziumlegierung, die gebräuchlichen keramischen Massen in feinpulvriger oder körniger Form beigemischt wird. Dabei sind die verwendeten keramischen Rohmaterialien nicht als Bindemittel anzusehen, sondern das Silizium bildet einen Bestandteil der keramischen Masse im Sinne der in der Keramik gebräuchlichen Magerungsmittel. Es besteht deshalb die uneingeschränkte Möglichkeit, elektrisch leitende Körper. d. h. Widerstände bzw.
Heizkörper, in jeder Form und Grösse, z. B. als Stäbe, Rohre, Platten oder Gefässe, genau in derselben Weise herzustellen, in welcher solche Artikel aus gebräuchlichen keramischen Massen, z. B. Steinzeug, angefertigt werden.
Die Herstellung von elektrischen Widerständen aus einem Gemisch von Silizium und keramischer Rohmasse bietet indessen grosse Schwierigkeiten. Wird z. B. ein Ton oder eine Steinzeugmasse mit Siliziumpulver vermischt, so kann auf der Bruchfläche der geformten Körper nach dem Brennen keine Oxydation des Siliziums wahrgenommen werden, dennoch sind solche Körper elektrisch vollständig nichtleitend. Auch wenn im Gemisch eine grosse Menge Silizium enthalten ist, kann am fertigen Produkt keine merkliche Leitfähigkeit festgestellt werden. Es wird vermutet, dass sich die einzelnen Siliziumteilchen mit einer äusserst feinen, von blossem Auge unsichtbaren Oxydhaut überziehen, welche den Stromdurchgang verhindert. Leitende Körper können gelegentlich dadurch erhalten werden, dass das Silizium in körniger Form angewendet wird.
Dabei ist es jedoch nicht möglich, einen zuverlässigen, bestimmten Widerstandswert zu erzielen ; diese Körper zeigen auch den weiteren Übelstand, dass der Widerstandswert mit steigender Temperatur rasch abnimmt. Es ist deshalb ein wichtiges Merkmal der Erfindung, dass dem
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und keramischer Rollmasse erhält man Körper, die den Strom leiten, u. zw. gleichgültig, ob Silizium in pulverisierter oder körniger Form verwendet wird. Die Leitfähigkeit hängt auch nicht mehr von Zufällen ab, sondern eine bestimmte Zusammensetzung ergibt unter gleichbleibenden Umständen stets einen bestimmten spezifischen Widerstand. Als Flussmittel eignen sich besonders Borsäureverbindungen, z. B. Borax.
Es empfiehlt sich jedoch, wasserunlösliche Fritten anzuwenden, die in bekannter Weise durch Zusammenschmelzen von Borsäure oder Boraten mit andern Stoffen gebildet werden.
Als Beispiel möge folgende Zusammensetzung dienen : 30 Teile Silizium oder Ferrosilizium mit 90-95% Si, 55 Teile Ton, 15 Teile leichtschmelzbare Boratfritte.
Die Materialien werden in Pulverform miteinander gemischt. Durch Anfeuchten mit Wasser erhält man eine plastische Masse, die sich bequem in jede gewünschte Gestalt bringen lässt.
Die so geformten Körper werden getrocknet und bei 1250-13500 C gebrannt.
Durch Veränderung des Gehaltes der Mischung an Silizium oder Siliziumlegierung kann der spezifische Widerstand des Materials innerhalb weiter Grenzen gewählt werden. Wichtig ist auch die Tatsache, dass durch geeignete Bemessung des Zusatzes an leichtschmelzbarer Substanz die Temperaturcharakteristik des Widerstandes beeinflusst werden kann. Die bisher bekannten Widerstandsmaterialien, welche aus einem Gemisch von Leitern und Nichtleitern zusammengesetzt sind, besitzen ausnahmslos eine stark negative Temperaturcharakteristik. Es ist dabei häufig, dass der Widerstand solcher Körper bei Rotglut nur noch ein Viertel oder ein Zehntel beträgt vom Wert bei gewöhnlicher Temperatur. Solche Widerstände sind für die meisten Zwecke nicht geeignet.
Es ist deshalb ein grosser Vorteil der Widerstände gemäss der Erfindung, dass sie nach Belieben mit positiver oder mit schwach negativer Temperaturcharakteristik oder mit nahezu konstantem Widerstand hergestellt werden können. Durch wachsende Zusätze von Flussmitteln wird die Temperaturcharakteristik des Widerstandes in positivem Sinne verschoben.
Zur Erhöhung der Leitfähigkeit der Masse kann dem Gemisch ein Zusatz von'Metallen oder Legierungen beigefügt werden, insbesondere Ghromlegierungen, z. B. Ferrochrom. Die erhöhte Leitfähigkeit ist besonders erwünscht an den Kontaktstellen der Widerstände, die mit der Stromzuführung in Verbindung sind. Daneben wirkt die Chromlegierung auch erhöhend auf die Temperaturwechselbeständigkeit des Widerstandmaterials.
Ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer guten Verbindung mit der Stromzuführung besteht darin, dass man an den Kontaktstellen bzw. Enden der Widerstandskörper, die gegebenenfalls aus einer besserleitenden Masse gebildet werden, vorspringende Metallstift, vorzugsweise aus einer hitzebeständigen Legierung, einbettet, die sich beim Brennen mit der Widerstandsmasse verbinden.
Die Herstellungsart der Widerstände ermöglicht, dieselben wie keramische Erzeugnisse, z. B. in Form von Röhren, Muffeln, Gefässen, Schmelztiegeln u. dgl., herzustellen, bei denen die Wandung zugleich den Leiter bzw. Widerstand bildet.
Um solche Behälter gegenüber ihrem Inhalt und gegen Berührung von aussen elektrisch zu isolieren, können sie in bekannter Weise mit Glasuren versehen werden, u. zw. können dieselben vor dem Brennen aufgetragen oder auf dem schon gesinterten Körper eingebrannt werden.
Es wird somit nach der Erfindung für die Zwecke der Elektrotechnik und der elektrischen Heizung ein Material geschaffen, das durch seine einfache Herstellungsart und die Variationsmöglichkeiten hinsichtlich des spezifischen Widerstandes und der Temperaturcharakteristik unzähligen Anwendungszwecken angepasst werden kann.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von elektrischen Widerstandskörpern durch Formen und Brennen von durch Zusätze leitend gemachten keramischen Materialien, dadurch gekennzeichnet. dass ein Gemisch aus keramischen Rohmassen, Silizium (oder hochprozentigem Ferrosilizium) und nichtmetallischen leichtschmelzbaren Stoffen, insbesondere solchen, welche Borsäure in gebundener Form enthalten, verwendet wird, wobei durch Bemessung der Menge der letzteren die gewünschte Temperaturcharakteristik des Widerstandes bestimmt wird.