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Gegenstand aus Siliziumkarbid. Die Erfindung bezieht sich auf Gegenstände
aus Siliziumkarbid,und,zwar insbesondere auf solche,die als elektrische Widerstände
Verwendung finden, und auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Gegenstände.
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Es hat sich herausgestellt, daß Siliziumkarbidwiderstände insbesondere
dann, wenn sie durch Kristallisation des Siliziumkarrbids hergestellt sind, in hohem
Maße brauchbar sind. Die Anwendung derartiger Widerstände ist jedoch dadurch eingeschränkt,
daß man diese Gegenstände bisher nur in sehr einfachen Formen, z. B. als gerade
Stangen, herstellen konnte. Ein weiteres Hindernis für die Verbreitung derartiger
Gegenstände bestand darin, daß man nicht in der Lage war, die sogenannten »I<'altenden«
dieser Widerstä@@de irh ge.ri_igen °@:.os_e@z herzustellen. Unter »Kaltenden« versteht
man die Stangenenden, die von dem Halter der Widerstände erfaßt werden und durch
die hindurch die elektrische Energie der Stange zugeführt wird. Die Stangenenden
werden deswegen »Kaltenden« genannt, weil sie einen geringeren spezifischen Widerstand
haben müssen als die eigentliche Stange, damit sie nicht so heiß werden wie der
Widerstand selbst. Eine niedrige Temperatur der Kaltenden hat sich als sehr wünschenswert
herausgestellt, weil im anderen Falle der Kontakt zwischen der Stange und dem Halter
durch die hohe Temperatur beeinträchtigt und sogar zerstört würde.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung beisteht nun darin, Siliziumkarbidwiderstände
so auszubilden, daß man nicht wie bisher lediglich auf die einfachen
Formen
angewiesen ist, sondern auch verwickeltere Formen herstellen kann, und daß auch
die Kaltenden auf wirtschaftlicher Grundlage, d. h. mit geringeren Kosten als bisher,
hergestellt werden können.
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Nach der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß der Gegenstand,
also z. B. der elektrische Widerstand, aus einem Siliziumkarbidkörper und einem
damit innig verbundenen mit Silizium behandelten Siliziumkarbidkörper besteht, wobei
die beiden Körper durch eine Silizium -enthaltende Schweißnaht zusammengehalten
wird.
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Zweckmäßig wird die Schweißnaht zwischen den beiden Siliziumkarbidkörpern
dadurch hergestellt, daß die Stoßstellen mit einer kohlenstoffhaltigen Schicht belegt
werden und darauf die Temperatur dieser Stellen in Anwesenheit von Silizium so lange
erhöht wird, bis das Silizium in die Stoßflächen eindringt.
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Siliziumkarbidgegenstände, die auf diese Weise hergestellt werden,
haben zahlreiche Eigenschaften, die sie insbesondere für elektrische Widerstände
geeignet machen. Besonders günstig wirkt sich das neue Verfahren bei der Bildung
der sogenannten Kaltenden von elektrischen Widerständen aus. Der wichtigste Vorteil
besteht in dem außerordentlich geringen spezifischen Widerstand (im Vergleich zu
den Gegenständen aus kristallisiertem Siliziumkärbid). Infolge dieses geringen spezifischen
Widerstandes werden beim: Betrieb erheblich weniger Watt-Einheiten erzeugt; so daß
auch die Temperatur der Kaltenden erheblich niedriger ist. Die neuen Gegenstände
haben auch einen .erheblich geringeren elektrischen Kontaktwiderstand, so da.B die
Neigung zur Funkenbildung an den Kontaktstellen geringer ist. InfQlgedessen unterbleibt
auch die Bildung von heißen Stellen. Wenn sich trotzdem Funken oder Lichtbögen infolge
eines falschen mechanischen Kontaktes bilden, dann wird sich ein solcher Lichtbogen
weniger lange halten als bei den früheren Kaltendenwiderständen: Es ist auch möglich,
mit dem neuen Verfahren Wärmeverluste zu verhindern, die durch Überhitzung der Klemmenteile
des Widerstandes auftreten können. Dadurch können kostspielige Wasserkühlvorrichtungen
entbehrt werden, die früher notwendig waren.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung als
Beispiele dargestellt.
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Fig. i veranschaulicht schematisch einen sechseckigen Widerstand,
der aus einzelnen geraden stangenförmigen Widerständen zusammengesetzt ist; Fig.2
veranschaulicht einen anders geformten Siliziumkarbidwiderstand; Fig.3 zeigt einen
mit Kaltenden versehenen stangenförmigen Siliziumkarbidwiderstand; Fig.4 zeigt einen
mit Kaltenden versehenen spiralförmigen Siliziumkarbidwiderstand.
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Der Widerstand nach Fig. i besteht aus sechs Stangen i, die zu einem
Sechseck zusammengesetzt und durch Schweißnähte 3. innig miteinander verbunden sind,
sowie Klemmen 2, die mit dem sechseckigen Körper ebenfalls durch Schweißnähte 3
verbunden sind. Die Siliziumkarbidstangen können dabei durch Kristallisation von
Silizium-] karbid in geballter Form oder von Siliziumkarbid in geballter und damit
gemischter loser Form durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes gebildet werden.
Die Klemmen :2 können dadurch hergestellt werden, daß Stangen aus kristallisierteni
-Siliziumkarbid oder aus poröser Kohle, wie Holzkohle, die durch einen verkohlbaren
Stoff,. z. B. Kasein, gebunden ist, einer Siliziumbehandlung 'unterworfen werden,
und zwar bei einer Temperatur, bei der das geschmolzene Silizium rasch in die betreffenden
Körper eindringt. Diese Temperatur liegt bei ungefähr i8oo° C. Derartige Stangen
bestehen dann aus einem mit Silizium behandelten -Siliziumkarbid. Durch die Siliziumbehandlung
wird in der porösen Kohle Siliziumkarbid gebildet.
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Der in Fig. i dargestellte Gegenstand entsteht durch Verschweißen
der einzelnen. Teile zu einem einstöckigen Körper unter Zuhilfenahme von Silizium.
Die Enden, die, miteinander verbunden werden sollen, werden mit einer Paste bestrichen,
die aus Kohlenstoff, einem verkohlbaren Bindemittel, wie Kasein, und Wasser besteht.
Daraufhin werden die Teile auf einer Kohlenplatte zusammengebracht; die mit Hilfe
des elektrischen Stromes auf eine hohe Temperatur gebracht werden kann. An die Verbindungsstellen
werden kleine Mengen körnigen Siliziums. gebracht, worauf dann der Strom durch die
Kohlenplatte hindurchgeleitet und die Temperatur rasch gesteigert wird. Das körnige
Silizium wird gleichfalls rasch auf eine hohe Temperatur gebracht, bis es -in die
poröse Kohle eindringt, um dort erhebliche Mengen von Siliziumkarbidkristallen zu
bilden. Das Silizium reagiert gleichfalls auf das zwischen den Stoßstellen befindliche
Bindemittel, wodurch die Schweißnaht gebildet wird; so daß alle Teile zu einem einstöckigen
Gegenstand zusammengeschweißt werden.
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Als Bindemittel hat sich folgende Zusammensetzung besonders bewährt:
Zoo g Mehl, 5oo g Kohle, Zoo g Holzkohle.
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Diese Bestandteile werden trocken innig miteinander gemischt, worauf
Kaseinleim zugegeben wird, um die nötige Konsistenz zu erhalten. Diese Konsistenz
kann sehr verschieden sein; jedoch ist folgendes beobachtet worden. Für lange, poröse
Gegenstände soll das Bindemittel die Konsistenz eines ziemlich schweren Mörtels
haben; die miteinander zu verbindenden Flächen sollen kräftig mit Kaseinleim befeuchtet
werden. Der überschüssige Leim ist wegzuwischen, bevor das Bindemittel aufgebracht
wird. Kleine Gegenstände brauchen dünnere Bindemittel, etwa in der Konsistenz von
Streichfarben.
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Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform besteht aus einem spiralförmigen
Körper 2; der mittleren stangenförmigen Klemme 3 und einer äußeren Hülse 4. Die
äußere Hülse 4 ist aus einer , Mischung poröser Kohle und Kaseinleim hergestellt.
Diese
Teile werden dann an den Stellen 5 mit Hilfe einer Schweißmischung verbunden und
einer Temperatur von mindestens 18oo° C ausgesetzt, und zwar wieder in Gegenwart
von körnigem Silizium. Die einzelnen Teile werden dabei wieder von dem Silizium
durchdrungen und in einen mit Silizium behandelten Siliziumkarbidkörper umgeformt.
Gleichzeitig werden dabei die einzelnen - Teile so zusammengeschweißt, daß sie einen
einstückigen Gegenstand bilden. Falls erforderlich, könnten die einzelnen Teile
auch vorher mit Silizium behandelt und erst später zusammengeschweißt werden. Die
Hülse 4 und der Stangenkörper 3 sind durch ein isolierendes feuerfestes Bindemittel
6 zusammengehalten.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 handelt es sich um einen üblichen
stangenförmigen Widerstand, der im Sinn dieser Erfindung mit Kaltenden ausgerüstet
ist. Der Hauptkörper i des Widerstandes besteht aus kristallisiertem Siliziumkarbid,
das durch Hindurchleiten des elektrischen Stromes durch eine Stange gebildet ist,
die aus losem und zusammengeballtem Siliziumkarbid besteht. An jedes Ende dieser
mit Silizium behandelten Siliziumkarbidstange werden Endstücke 2 angesetzt, die
aus der oben bei Fig. 2 erwähnten verkohlbaren Mischung bestehen. Diese Endstücke
werden mit Hilfe eines Schweißmittels mit dem Stangenkörper i verbunden. Als Schweißmittel
kann das oben für die Schweißnaht 3 gewählte Mittel Verwendung finden. Die Endstücke
2 und die Nähte 3 werden dann einer Temperatur von ungefähr i8oo° C in Anwesenheit
von körnigem Silizium unterworfen. Dabei dringt das Silizium in die Endstücke ein
und verbindet sie mit dem Stangenkörper i.
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Die Ausführungsform nach Fig.4 besteht aus einem schraubenförmigen
Heizelement mit einem Hauptkörper 2 und den beiden geraden Teilen 4, die durch Schweißnähte
3 mit dem Hauptkörper 2 innig verbunden sind. Die Teile 2 und 4 bestehen aus mit
Silizium behandeltem Siliziumkarbid, das aus poröser Kohle entstanden ist. Diese
poröse Kohle ist dabei in Gegenwart von Silizium auf eine Temperatur von über 18oo°
C gebracht worden. Der schraubenförmige Teil 2 ist durch Ziehen hergestellt worden.
Die Verbindung des Teiles 2 mit den Teilen 4 kann vor oder nach der Siliziumbehandlung
mit Hilfe eines Schweißmittels erfolgen, das in Gegenwart von Silizium auf eine
Temperatur von über 18oo° C gebracht wird. Bei dieser Temperatur dringt das Silizium
in die Stoßflächen ein, so daß ein einstückiger Körper entsteht, der den Heizwiderstand
bildet.