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Verfahren zum Gießen von mit Metallkörpern nachgiebig verbundenen
Glaskörpern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen
aus Glas und Metall, insbesondere von Gegenständen aus gegossenem Glas, in dem die
Metallteile eingebettet sind, die chemisch mit dem Glas während des Gießens zu einem
mechanisch widerstandsfähigen und dichten Körper verbunden werden.
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Zweck der Erfindung ist es, eine feste, gasdichte Verbindung aus Glas
und Metall zu schaffen. Derartige Verbindungen bestehen aus einem Glaskörper, der
durch Gießen eines hocherhitzten Glasflusses in eine Form, in der ein oder mehrere
Metallteile eingesetzt sind, gebildet wird. Einseitig eingebettete Metallteile eignen
sich bei derartigen Verbindungen vorzüglich zur weiteren Verbindung mit anderen
Metallen durch Schweißen oder Löten oder nach anderen Methoden. Unter anderem eignet
sich die Verbindungsart bei elektrischen Anordnungen, insbesondere zur Stromeinführung
beispielsweise bei Transformatoren, Kondensatoren, Entladungsgefäßen, Zündkerzen
usw., also auch bei Apparaten, die entweder evakuiert sind oder unter hohem Gasdruck
stehen. Die erfindungsgemäß hergestellten Gegenstände sind in der Herstellung nur
mit
geringen Kosten verbunden und sind voneinander untrennbar sowie in Größe, Form und
Dicke des Materials an keine Grenzen gebunden.
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Werden derartige Gegenstände durch Gießen einer Glasmasse in eine
bestimmte Form; in der die einzuschmelzenden I-Setällteile eingesetzt sind, hergestellt,
so werden die Metallteile durch das leichtflüssige Glas benetzt. Das Glas haftet
an den Metallteilen durch molekulare Kohäsionskräfte, die ähnlich den Kohäsionskräften
sind, die die Glasmoleküle zu einem einheitlichen Körper zusammenhalten. Diese molekularen
Kohäsionskräfte ergeben eine Verbindung zwischen dem Glas und dem Metall; die als
chemische Verbindung zwischen den Einzelteilen bezeichnet sei, denn mit diesem Ausdruck
kann passend die anscheinend chemische Reaktion an den sich berührenden Glas- und
Metalloberflächen bezeichnet werden. Gewöhnlich wird der Gegenstand der Erfindung
zum überwiegenden Teil aus Glas bestehen, während die eingesetzten Teile im wesentlichen
aus leichten Metallkragen oder -kappen bestehen.
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Um erfindungsgemäß nachgiebige Glaskörper mit Metallkörpern zu verbinden,
werden in eine Glasgießform dünnwandige metallische Verbindungsstücke eingesetzt,
vor deren Oberflächenteile, soweit sie nicht mit dem Glas verbunden werden sollen,
zusätzliche, vorzugsweise aus Metall bestehende, entsprechend geformte Teile angebracht
werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sei an Hand der Fig. i bis i i, die
zum Teil in schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele zur Anwendung des Verfahrens
zeigen, näher erläutert.
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Die Gießform i nach Fig. i besteht aus geeignetem, gegen Hitze widerstandsfähigem
Material, vorzugsweise aus Graphit, und ist mit einer Höhlung 2 versehen, in die
das leichtflüssige Glas eingegossen wird. Die Gießform besteht aus zwei Teilen und
ist in der Schnittebene der Fig. i geteilt, so daß sie geöffnet werden kann, um
den Guß zu entfernen. Die Oberfläche des Hohlraumes der Gießform ist vorzugsweise
mit Bornitrid überzogen, um ein Benetzen der Gießoberfläche durch das leichtflüssige
Glas zu verhindern, da andernfalls das leichtflüssige Glas an die Gießform anklebt.
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Bevor das Glas eingegossen wird, werden Metallteile in geeigneter
Weise in der Gießform eingesetzt, die nach außen hin aus der Oberfläche des gegossenen
Glasteiles vorspringen sollen. Unter dem Hohlraum 2 ist ein weiterer Hohlraum 3
vorgesehen, dessen oberer Teil mit einem rohrförmigen Metallteil 4 ausgekleidet
ist, der mit einem Flansch 5 versehen ist, um den Metallstab io in die richtige
Lage zu bringen und die Gießform vor Abschabungen zu schlitzen. Die Gießform ist
weiterhin mit Öffnungen 6 und 6' zur Aufnahme von Führungsstäben versehen, durch
die die zwei Gießformhälften zusammengehalten werden.
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.Auf dem Boden der Form ist eine Kappe 7 aus dünnem Metall aufgelegt,
die mit einem aufgebogenen Rand8 versehen ist, der in den Hohlraum der Gießform
vorspringt. Auf der Kappe 7 ist ein zusätzlicher Ring 9 aus dünnem Metall angebracht,
dessen gebogener Rand nach unten gerichtet ist und an dem Rand B der Kappe 7 fest
anliegt. Dieser zusätzliche Ring dient dazu, das flüssige Glas von den Teilen der
Kappe 7 fernzuhalten, die mit dem Metall io verbunden sind, um ein Springen des
Glases bei der Abkühlung zu verhindern.
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Rings um den Stab io ist ein Metallzylinder 12 vorgesehen, der auf
dem zusätzlichen Ring 9 ruht. Dieser Metallzylinder verhindert, daß das Glas mit
dem Stab i o in Berührung kommt, da andernfalls das Glas an ihm haften würde und
bei der Abkühlung infolge der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten des Glases
und des Metallstabes in dem Glas Sprünge und somit Undichtigkeiten hervorgerufen
würden. Ungefähr in der Mitte der Gießform und konzentrisch zu dem Stab io ist ein
Metallkragen 13 eingesetzt, der entsprechend der Fig. 2 Krümmungen aufweist. Der
innere Rand dieses Kragens springt in die Form vor, der mittlere Teil liegt eng
an der Oberfläche der Form an, und der äußere Rand liegt innerhalb der Form selbst,
vorzugsweise in einem rechten Winkel zu der Hauptachse der Gießform. Gegen die Oberfläche
des mittleren Teiles dies Kragens ist ein zusätzlicher Ring 14 gelegt, der verhindert,
daß das leichtflüssige Glas an der mittleren Zone des Kragens 13 haftet. Diese mittlere
Zone, die entsprechend Fig. 2 vorzugsweise in einer Oberflächenebene mit .dem Glaskörper
liegt, läßt eine nachgiebige Verbindung zu. Die Metallteile 7, 9, 12, 13 und 14
werden vorteilhaft aus einem Metall oder einer Legierung hergestellt, das annähernd
den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das verwendete Glas.
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Nachdem die Metallteile in der Form angeordnet sind, wird leichtflüssiges
Glas in die Form gegossen. Dieses Glas soll weit über der Temperatur erhitzt sein,
bei der das Glas plastisch wird. Eine Temperatur in der Größenordnung von etwa iooo
bis i2oo° C hat sich als vorteilhaft erwiesen. Dieses hocherhitzte Glas benetzt
die Metallteile und haftet an ihnen, insbesondere an den nach innen vorstehenden
Teilen der Metallstücke 7 und 13, die, wenn sie nur relativ kleine Maße aufweisen,
durch die Hitze des Glases stark miterhitzt werden, wodurch die Adhäsion gefördert
wird. Auch an dem Zylinder 12 und an den zusätzlichen Metallteilen 9 und 14 soll
das Glas haften, doch bat diese Haftung wenig Bedeutung. Sind die Metallteile nach
diesem Verfahren chemisch mit dem Glas verbunden, sie brauchen nicht unbedingt eingebettet
zu sein, so isst das fertige Erzeugnis untrennbar miteinander verbunden. Das Glas
und das Metall sollen miteinander ungefähr den gleichen Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen, zumindest in dem Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und der Schmelztemperatur
des Glases.
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Bei Verwendung einer Legierung aus 581/o Eisen und 42 % Nickel hat
sich zur Verschmelzung als besonders vorteilhaft ein Glas erwiesen, das aus 34 Gewichtsprozent
Si 02, 28 % B2 03, 7 % A12 03', 29 % Pb 0 und 2 % Na2 0 besteht. Bei
Verwendung
einer Legierung, die annähernd aus 74 bis 42'/o Eisen
und 26 bis 280/a Chrom unter Vernachlässigung kleinerer anderer Bestandteile besteht,
hat sich eine Glaszusammensetzung aus 540/0 S'021 29% Pb O, 5% Na2 O, 81/o K,0 und
41/o Ba 0 als vorteilhaft erwiesen.
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Nachdem der Glasguß erhärtet ist, kann der fertige Gegenstand leicht
von der Borni.tridoberfläche der Gießform entfernt werden. Ist der obere Teil des
Gegenstandes gesäubert und gefeilt so weist ein nach Fig. i hergestellter Körper
das Aussehen nach Fig. 2 auf, bei dem auf der rechten Seite ein Teil des Glases
im Schnitt dargestellt ist. Der außen vorstehende Flansch i i des Kragens wird durch
Schweißen. oder Löten oder nach einer anderen Methode mit dem Gehäuse eines elektrischen
Apparates, beispielsweise eines Kondensators oder Transformators, verbunden. An
das Gewinde wird die elektrische Stromzuführung angeschraubt.
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Fig. 3 zeigt isolierte Stromeinführungen 16 und i6', die mit einem
Metallgefäß 17 über äußere Schraubenmuttern oder Scheiben 18 verbunden sind.
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Fig. 4 zeigt den Aufbau der isolierten Stromeinführungen 16 und 16'
nach Fig. 3, die in der Achse hohlzylindrisch ausgebildet sind. Durch diesen Hohlzylinder
wird der Stromleiter geführt. Außen sind die Isolierteile mit vorstehenden Rollen
oder Ausbauchungen 21 versehen. Der Isolierkörper nach Fig.4 wird bei der Herstellung
vorteilhaft umgekehrt in eine Gießform eingesetzt. Der mit einem Gewinde versehene
Stab 22 ist an dem oberen Ende des Isolierkörpers angebracht, von dem aus die Stromzuleitung
durch den Isolierkörper geführt wird.
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Fig. 5 zeigt eine Zündkerze, die durch ein Gewinde in das entsprechende
Gehäuse eingeschraubt wird. Die zusätzlichen Ringe sind fortgelassen, und die Glasmenge
ist derart in bezug auf die Länge der seitlichen Metallteile 13' gewählt, daß eine
nachgiebige Verbindung zwischen dem Teil i3', der an das Glas angeschmolzen ist,
und dem Teil i i', der mit dem Metallstück 23 verbunden ist, erhalten wird. Der
äußerste Rand i i' ist durch Löten oder Schweißen an dem mit einem Gewinde versehenen
Metallteil 23 befestigt. Der Teil 13' und das mittlere Rohr 2ö bestehen aus einer
Chrom-Eisen-Legierung. Das Rohr 2o', das vollkommen durch den Glaskörper hindurchgeht,
ist mit einem Eisenrohr 25 verbunden, durch das eine biegsame Kupferleitung 26 hindurchgeführt
ist, die mit dem Metallteil 25 durch eine feste Kupplung 27 verbunden ist. Die Länge
der Rohre 2o' bis 25 muß genügend groß gewählt werden, um den Glasteil vor Sprüngen
während der Versc'hweißung des Leiters zu schützen. Es können selbstverständlich
auch andere Metalle und dementsprechend Gläser an Stelle von Chrom-Eisen gewählt
werden. Das Röhrensystem 2o' bis 25 kann ebenfalls aus einem Stück vollkommen aus
Chrom-Eisen hergestellt werden. Der Leiter 26 ist mit einem Anschlußstück 28 verbunden.
Selbstverständlich kann bei der Anordnung nach Fig.5 der Metallteil 2ö entsprechend
der Kappe 7 nach den Fig. i und 2 ausgebildet werden. Der Isolierkörper nach Fig.
7 entspricht im wesentlichen dem nach Fig. 2, jedoch ist der Eisenstab 31 nicht
durch den Isolator hindurchgeführt. Ein Graphitkernstück 32 mit einem Metallstab
33 ist an seiner Außenwandung mit Bornitrid bedeckt und liegt in der Hauptachse
in der Gießform, die nicht dargestellt ist. Der Kern kann nach dem Guß leicht entfernt
werden, und eine biegsame oder feste Stromzuführung kann an Stelle des Graphitstückes
eingeführt und mit dem Gewindestück 31 verbunden werden. Das Gewindestück
31 kann hohl zur Aufnahme des Leiters ausgebildet sein, der dann mit ihm
durch Schrauben, Löten oder auf andere Weise verbunden wird.
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Fig.6 zeigt eine einfache Herstellung einer Stromeinführung, die aus
einem Glasguß 35 besteht, in dem der Leiter 36 eingeschmolzen ist und an dessen
Seiten der Kragen 37 eingebettet liegt. Die Leitung 36 und der Kragen 37 bestehen
vorzugsweise aus Eisen. In diesem Fall besteht das Glas vorteilhaft aus 45'/o S'021
i40/0 K201 6% Na2 O, 50/9 Ca F2 und 30'/o Pb O. Ein derartiges Glas hat annähernd
den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie Eisen. Bei der Anordnung nach Fig. 6 ist
es nicht erforderlich, daß der Kragen 37 gebogen ist, da das Metall 38, an dem der
Kragen 37 befestigt ist, ebenfalls aus Eisen besteht und somit den gleichen Ausdehnungskoeffizienten
aufweist wie der Kragen 37.
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Die Fig.8 bis ii zeigen weitere Möglichkeiten zur Herstellung von
Glas- und Metallverbindungen entsprechend der Erfindung. Fig. 8 zeigt einen Glaskörper,
in dem ein Leiter 39 eingeschmolzen ist und der einen gebogenen Kragen 4o aufweist,
der den Glaskörper kreisförmig umgibt. Die Gießform besteht aus den Teilen 41 und
42, die den Hohlraum 43 bilden, und aus einem Rezipienten 44. Das flüssige Glas
wird in den Rezipienten 44 eingefüllt und unter Druck durch den Kolben 46 über die
öffnungen 47 in die Gießform eingepreßt. Die Gießform ist so ausgebildet, daß ein
relativ langer Teil des gebogenen Kragens 4o außerhalb des Glasflusses liegt. Der
vorspringende Teil 4o bewirkt, wenn der äußere Teil 4ö beispielsweise an einem Metallgefäß
befestigt wird, eine nachgiebige Verbindung, die weitgehend ein Ausdehnen oder Zusammenziehen
des Metalls ohne Sprünge im Glas zuläßt.
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Fig.9 zeigt ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von isolierten
Stromeinführungen, bei dem die Gießform aus den Teilen 48 und 49 besteht. In der
Gießform ist ein Leiter 5o eingesetzt. Ein dünner Metallkragen 5i, der mehrfach
gebogen ist, ragt zum großen Teil über den Glasfluß hinaus.
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In vielen Fällen ist es wünschenswert, eine derartige Stromeinführung
in zwei Stufen herzustellen. Nach Fig.io wird in der ersten Stufe ein Glasfluß 53
um den Leiter 54 gegossen. Ist der Glasfluß fest geworden, so wird dieser Körper
in dem Hohlraum der Gießform eingesetzt, die aus den beiden Teilen 55 und 56 besteht.
Darauf wird zwischen den zwei Glasteilen ein Metallring 59 mit mehreren Biegungen
eingesetzt und ein Hohlzylinder aus Glas 58 um den Leiter 54 gelegt. Ein
zusätzlicher
Ring 6o ist vor dem mittleren Teil des Kragens 59 eingesetzt. Die Gießform wird
darauf in einen Ofen gesetzt und bis zu einer Temperatur erhitzt, bei der das Glas
leicht flüssig wird und somit in innige Berührung mit den eingesetzten Metallteilen
tritt. Bei diesem Verfahren, bei dem das Glas nicht rings um die vorstehenden Teile
des Ringes 59 zu fließen braucht, ist es nicht erforderlich, daß das Glas so hoch
erhitzt wird, wie beim Gießen entsprechend der Anordnung nach Fig. i. Temperaturen
von 8öo bis goo° C haben sich gewöhnlich als hinreichend erwiesen, um die zwei Glaskörper
miteinander zu vereinigen, die Gießform auszufüllen und eine innige Verbindung mit
den Metallteilen herzustellen.
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Der Isolator nach 'Fig. i i wird nach demselben Verfahren, wie es
bei den Fig. i und 2 erläutert ist, hergestellt. Jedoch besteht die Form bei dieser
Anordnung zum Teil aus der endgültigen Metallwandung selbst. Der Glaskörper 63 ist
bei dieser Anordnung nämlich von der Metallwand 64 zum Teil umgeben. Eine hohle
Graphitförm 65 ist auf den Metallteil 64 aufgesetzt. Der innere Rand des Metallkragens
66, der mehrfach gebogen ist, ragt in die Gießform hinein. Der Kragen 66 ist an
dem :Metallteil 64 angeschweißt. Die zusätzlichen Ringe 67 und 68 verhindern ein
Benetzen des Metallteiles 64 bzw. eines Teiles des Kragens 66, so daß eine nachgiebige
Verbindung hergestellt werden kann. Auf dem Boden der Form ist eine Metallkappe
70 vorgesehen, in der ein zusätzlicher Ring 71 liegt. Der Stab 72 und der
ihn umgebende Zylinder 73 entsprechen den Anordnungen nach den Fig. i und 2.
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Isolierte elektrische Stromeinführungen, die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt wurden, haben sich bei der Prüfung mit Druckgas über ein großes
Temperaturgebiet von - 5o bis -f- i4o° C als gasdicht erwiesen. Sie eignen sich
nicht nur bei Apparaten mit Druckgas, sondern auch bei elektrischen Geräten, die
chlorierte Kohlenwasserstoffe enthalten, die schwieriger abzudichten sind als Mineralöle.