DE1621264A1 - Refractory metal objects coated with platinum metals or alloys thereof - Google Patents
Refractory metal objects coated with platinum metals or alloys thereofInfo
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Description
Dipl.-Phys. W. KempDipl.-Phys. W. Kemp
IC ö i π - L 5 η d s π t π α Ι
S-ad.-waia'süricl 20-22IC ö i π - L 5 η ds π t π α Ι
S-ad.-waia'süricl 20-22
17. April 1967April 17, 1967
JOHNSON, MATTHEY ε CO. LIMITED 78, Hatton Garden, London. E«C1« Bigland JOHNSON, MATTHEY ε CO. LIMITED 78, Hatton Garden, London. E "C1" Bigland
Mit Platinmetallen oder Legierungen derselben belegte feuerfeste MetallgegenständeRefractory metal objects covered with platinum metals or alloys thereof
Die Erfindung betrifft das Plattieren von feuerfesten Metallen mit Metallen der Platingruppe oder mit auf mindestens einem Metall der Platingruppe aufgebauten Legierungen. Diese Legierungen werden in der folgenden Beschreibung als auf Platin aufgebaute Legierungen bezeichnet.The invention relates to the plating of refractory metals with metals of the platinum group or with at least one metal platinum group alloys. These alloys are referred to as platinum-based alloys in the following description designated.
Insbesondere, aber nicht ausschliesslich, betrifft die Erfindung das Plattieren von Gegenstanden mittels dieser Metalle oder Legierungen, welche in der glaserzeugenden Industrie beispielsweise als Rührarme, Schmelztiegel, Spinndüsen, Matrizen zum Herstellen von Rohren u.dgl. verwendet werden.In particular, but not exclusively, the invention relates to this Plating of objects by means of these metals or alloys, which are used in the glass manufacturing industry, for example, as stirring arms, Crucibles, spinnerets, dies for making pipes and the like. be used.
Unter den Metallen der Platingruppe hat sich insbesondere Platin, Rhodium, Palladium und Iridium als besonders geeignetes Plattierungsmetall herausgestellt· Unter den vorwiegend aus einem oder mehreren Metallen der Platingruppe bestehenden Legierungen wurden zufriedenstellende Ergebnisse mit folgenden Plattierungslegierungen erhalten:Among the metals of the platinum group, platinum, rhodium, palladium and iridium in particular have proven to be particularly suitable plating metals Highlighted · Among the alloys composed predominantly of one or more platinum group metals, satisfactory ones have become Results obtained with the following cladding alloys:
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16*126416 * 1264
Rhodium-Iridium, Platin-Iridium, Palladium-Iridium und Platin-Rhodium-Iridium. Rhodium-iridium, platinum-iridium, palladium-iridium and platinum-rhodium-iridium.
Im Einsatz müssen solche Gegenstände dem Einfluss von geschmolzenem . Glas bei Temperaturen von bis zu 11000C und mitunter bis zu 15000C standhalten können. Ausserdem sollen sie keine messbaren Verunreinigungen in das geschmolzene Glas eingeben, mit welchen sie in Berührung kommen.In use, such objects must be exposed to the influence of molten material. Glass at temperatures of up to 1100 0 C and sometimes up to 1500 0 C can withstand. In addition, they should not introduce any measurable impurities into the molten glass with which they come into contact.
Platinmetall und gewisse Rhodium-Platin-rLegierungen haben beispielsweise einen guten Widerstand gegen geschmolzenes Glas und ein ■ gutes Festigkeitsverhalten wenn in heissem Zustand. Obwohl es daher möglich wäre, die oben genannten Gegenstande unmittelbar aus Platin oder Rhodium-Platin-Legierungen herzustellen, wären die Kosten vollkommen unwirtschaftlich. Ein typischer iShrarm hat beispielsweise die Gestalt eines umgekehrten 1T', wobei die vertikale Welle eine Länge von ca 18O cm und einen Durchmesser von ca 38 mm hat, und der waagrechte Teil ca 125 cm lang und 38 mm im Durchmesser ist. Normalerweise werden diese und ähnliche Teile aus einem Kern aus einem Metall, z.B. Molybdän, hergestellt, welches bedeutend billiger ist als Platin, und ebenfalls ein gutes warmes Festigkeitsverhalten hat, jedoch bei der Temperatur des flüssiges Glases an der Luft schnell und vollkommen oxydiert; dieser Kern wird mit einer dünnen, durchgehenden Schicht aus Platin oder einer auf Platin aufgebauten Legierung plattiert. In der Praxis hat sich gezeigt, dass ein solcher Gegenstand nicht nur billiger ist als ein ganzlich aus Platin hergestellter, sondern auch im Temperaturbereich von 14000C fester ist, da Molybdän bei dieser Temperatur fester ist als Platin.Platinum metal and certain rhodium-platinum alloys, for example, have good resistance to molten glass and good strength behavior when in a hot state. Therefore, while it would be possible to manufacture the above items directly from platinum or rhodium-platinum alloys, the cost would be totally uneconomical. A typical iShrarm, for example, has the shape of an inverted 1 T ', the vertical shaft being approx. 180 cm long and approx. 38 mm in diameter, and the horizontal part approx. 125 cm long and 38 mm in diameter. Normally these and similar parts are made from a core made of a metal, for example molybdenum, which is significantly cheaper than platinum and also has good warm strength behavior, but quickly and completely oxidizes at the temperature of the liquid glass in air; this core is plated with a thin, continuous layer of platinum or an alloy based on platinum. In practice, it has been found that such an object is not only cheaper than a ganzlich made of platinum, but also solid in the temperature range of 1400 0 C, since molybdenum at this temperature-resistant than platinum.
1098Ί8/Π2Β/,1098Ί8 / Π2Β /,
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Die Ummantelung aus Platin oder Rhodium-Platin wird normalerweise so aufgebracht* dass entsprechend geformte Teile.aus Platin oder Platin-Rhodium-Legierung um den zu plattierenden Gegenstand herumgewieklet oder auf diesen aufgebracht werden und dann miteinander verschweisst werden, sodass sie einen gut passenden Belag oder Bezug auf dem Kern bilden. Normalerweise hat die Plattierung ein oder mehrere kleine Ehtgasungsrohifcen, die mit dem Grenzraum zwischen der Plattierung und dem Kern in Verbindung stehen, ist aber sonst gasdicht.The sheathing of platinum or rhodium-platinum is usually used so applied * that appropriately shaped parts. made of platinum or Platinum-rhodium alloy wiggled around the object to be plated or be applied to these and then welded together so that they have a well-fitting covering or Form relation to the core. Usually the plating has one or more small Ehtgasungsrohifcen with the border area are in communication between the cladding and the core, but is otherwise gas-tight.
Die Bid stufe des Plattierens umfasst die Verringerung des Drucks des Stromungsmittels (z.B. Gas oder Dampf) im Grenzraum zwischen der Plattierung und dem Kern durch das oder die EntgasungsrShrchen bis au einem geringen Druck, worauf das oder die Röhrchen durch Abquetschen abgedichtet werden. Der Druck in diesem Grenzraum wird derart herabgesetzt, um die Oxydation des Molybdahkerns beim Einsatz zu verhindern oder auf ein Mindestmass herabzusetzen und die Passung der Plattierung zu ve !bessern. Der Viert, auf weichen der Druck in diesem Zwischenraum herabgesetzt wird, hangt u.A. auch von der Geometrie des Kerns ab, und kann innerhalb einiger Mikron bei 2 Torr liegen.The bid stage of plating involves reducing the pressure of the flow medium (e.g. gas or steam) in the interface between the cladding and the core through the degassing tube or tubes up to a low pressure, whereupon the tube or tubes are sealed by squeezing off. The pressure in this border area is reduced in such a way as to prevent the oxidation of the molybdah core during Prevent use or reduce it to a minimum and improve the fit of the cladding. The fourth, on soft the pressure in this space is reduced, depends, among other things, also depend on the geometry of the core, and can be within some Microns are 2 Torr.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass derart palttierte Molybdangegenstande beim Gebrauch bald versagen. Diese Versager haben im Allgemeinen die Form eines Bruchs oder Bisses der Plattierung, sodass geschmolzenes Glas durch die Plattierung zum darunter liegenden Motydänkem gelangen kann. Ursprünglich nahm man an, dass diese Versager datauf zurückzuführen sind, dass Molybdän vom Kern in die Platinplattierung hinein diffundiert, u.zw. in der Kontaktzone zwischenIt has been found, however, that such palttiert molybdenum objects fail soon in use. These failures generally take the form of a fracture or bite in the plating, so Molten glass can get through the plating to the underlying motydank. Originally it was believed that this Failures are due to molybdenum being transferred from the core to the Platinum plating diffused into it, u.zw. in the contact zone between
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der Plattiierung und dem Kern. Aus diesem Grunde hat man versieht, diese Wirkung zumindest dadurch herabzusetzen, dass man eine Grenzschicht eines feuerfesten Materials» z.B. Aluminiuraoxyd, zwischen die Plattxerung und den Kern einbraqhte, um unmittelbaren Kontakt zu verhindern· Bessere Ergebnisse wurden bei den niedrigeren Arbeitstemperaturen von ungefähr 125O0C erzielt,. wenn das Aluminium— oacyd im FlamraenspritzvBrfahren auf den Kern aufgebracht wurde, aber die Verbesserung war nü&t besonders bemerkenswert, obwohl dieses Verfahren das Nutzleben des Ruhrarms verlängern konnte.the cladding and the core. For this reason, there is provides at least minimize this effect by allowing to prevent a boundary layer of a refractory material "for example Aluminiuraoxyd, einbraqhte between the Plattxerung and the core to direct contact · Better results were at the lower operating temperatures of about 125O 0 C. achieved. when the aluminum oxide was applied to the core by flame spraying, but the improvement was not particularly noteworthy, although this process could extend the useful life of the dysentery arm.
Es hat sich nun herausgestellt, dass, obwohl das Versagen der Platinplattierung auf die Diffusion des Moi^d'ans in das Platin der Plattxerung zurückzuführen ist, das Molybdän an die Platinplattierung in der Dampfphase als ein oder mehrere Oxyde des Molybdäns übergeht, wobei angenommen wird, dass das Trioxyd den Hauptbestandteil bildet. Bei der Arbeitstemperatur des Rührarms verdampfen die Molybdahoxyde, die sich durch die Wechselwirkung des Kernmaterials mit dem Sauerstoff— rest im Zwischenraum bilden und werden beim Kontakt mit der Innenfläche der Platinplattierung wieder zum Metall reduziert, das sich mit dem Platin legiert· Der derart freigegebene Sauerstoff steht dann zur Verfugung, um weitere Teile des Molybdffokerns zu oxydieren, sodass diese Wirkung kontinuierlich ist und nach einigen hundert Arbeitsstunden die inneren Zonen der Plattierung beginnen zu versagen, was schliesslich zum Zusammenbruch führt.It has now been found that, although the failure of the platinum plating on the diffusion of the moi ^ d'an into the platinum of the platinum is due, the molybdenum passes to the platinum plating in the vapor phase as one or more oxides of molybdenum, wherein it is assumed that the trioxide is the main component. At the working temperature of the agitator arm, the molybdic oxides evaporate, due to the interaction of the core material with the oxygen- rest in the space and become on contact with the inner surface the platinum plating is reduced back to the metal, which can be combined with the Alloyed platinum · The oxygen released in this way is then available available to oxidize further parts of the molybdenum core so that this effect is continuous and after a few hundred hours of work the inner zones of the cladding begin to fail what eventually leads to collapse.
Die Erfinderin hat nun gefunden, dass das Nutzleben eines mit Platin oder einer auf Platin aufgebauteb Legierung plattierten Kerns ganz bedeutend verbessert werden kann, indem der Kern aus einem MetallThe inventor has now found that the useful life of one with platinum or a platinum-based alloy plated core can be significantly improved by making the core of a metal
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gefertigt "wird, dessen Oxyde sich weniger leicht bei Betriebstemperaturen von ca 1100 bis 140O0C verflüchtigen als die des Molybdäns. Zwei Kernwerkstiffe, welche diese Bedingungen erfüllen, sind das Niob und das Tantal. Der Kern lasst sich auch aus Chrom oder Chromlegierungen herstellen. Da die Niob- oder Tantaloxyde bei diesen Betriebstemperaturen (1100 - 1400 oder 15000C) nicht sehr fluchtig sind, wird das Platin oder die auf Platin aufgebaute Legierung durch das Kemmetall nicht angegriffen und das Betriebsleben einer solchen Anordnung ist bedeutend läViger. Man hat beispieslweise gefunden, dass ein Gegenstand aus Molybdän, welcher lose mit einer 0,5 mm dicken Platinplattierung versehen wurde, wobei der Grenzraum zwischen den beiden Metallen nicht vollkommen evakuiert worden war und daher noch Sauerstoffrückstände enthielt, bei Betriebstemperaturen von 14000C an der Luft 400 Stunden lang geschützt war. Eine ähnliche Plattierung auf einem Nionkern ergab einen Schutz unter denselben Bedingungen für eine Periode von 1000 bis 2000 Stunden· Dies kennzeichnet die durch die nichtflUchtigen Nioboxyde erreichbaren Vorteile."whose oxides volatilize less easily at operating temperatures of about 1100 to 140O 0 C than that of molybdenum. Two core materials that meet these conditions are niobium and tantalum. The core can also be made from chromium or chromium alloys. Since the niobium or tantalum oxides are not very volatile at these operating temperatures (1100-1400 or 1500 0 C), the platinum or the platinum-based alloy is not attacked by the core metal and the operating life of such an arrangement is significantly less found that an object made of molybdenum, which was loosely provided with a 0.5 mm thick platinum plating, the boundary space between the two metals had not been completely evacuated and therefore still contained oxygen residues, at operating temperatures of 1400 ° C. in air for 400 hours A similar plating on a nion core gave protection under dense lben conditions for a period of 1000 to 2000 hours · This characterizes the advantages achievable by the non-volatile niobium oxides.
Obwohl gewisse Kemmetalle, mit welchen die Anmelderin Versuche durchführte, z.B. Titan, Zirkon und Vanadin, innerhalb des genannten Temperaturbereichs keine flüchtigen Oxyde bilden, bilden sie in einem bestimmten Zusammenstellungsbereich mit dem Platin oder der auf Platin aufgebauten Legierung Phasen mit niedrigen Schmelzpunkten, und diese niedrigschmelzenden Phasen führen echliesslich zum Versagen der Umhüllung. Zusammenbrechen des Umhüllungsmetalls infolge der Bilding niedrigschmelzender Phasen lässt sich ganz bedeutend herabsetzen und das Betriebsleben des Gegenstands infolgedessen bedeutend verbessern, indem eine Grenzschicht zwischen dem Kern und der Umhüllung vorgesehen wird, um den mechanischen Kontakt zwischen diesen beidenAlthough certain core metals with which the applicant experiments performed, e.g. titanium, zirconium and vanadium, within the stated Temperature range do not form volatile oxides, they form in one certain composition range with the platinum or the alloy based on platinum phases with low melting points, and these low-melting phases ultimately lead to failure the wrapping. The collapse of the cladding metal as a result of the formation of low-melting phases can be reduced quite significantly and consequently significant the business life of the object by providing an interface between the core and the cladding to allow mechanical contact between the two
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zu verhindern.to prevent.
Die Erfindung umfasst daher die Verwendung einer Grenzschicht, beispielsweise zwischen einem Molybdahkern oder einem Kern aus Niob, Tantal, Chrom oder Zirkon, der mit Platin plattiert ist· Diese Grenzschicht kann umfassenjThe invention therefore includes the use of a boundary layer, for example between a molybdenum core or a core Niobium, tantalum, chromium or zirconium plated with platinum
a) feuerfeste Oxyde ( nicht Oxyde der feuerfesten Metalle);a) refractory oxides (not oxides of refractory metals);
b) feuerfeste Karbide (mit Einschluss der Karbide der seltenen Erdmetalle);b) refractory carbides (including the rare carbides Earth metals);
c) feuerfeste Nitride {z.B. Bornitrid und Siliziumnitrid);c) refractory nitrides {e.g. Boron nitride and silicon nitride);
d) feuerfeste Sulfide;d) refractory sulphides;
e) andere feuerfeste Zusammenstellungen oder Verbindungen, die bei den vorkommenden Betriebstemperaturen mit den beiden Stoffen, mit denen sie in.Kontakt gelangen, kompatibel sind.e) other refractory assemblies or connections that are compatible with the two at the operating temperatures that occur Substances with which they come into contact are compatible.
Wie bereits erwähnt, hat eine Anordnung, die einen Molybd&ikern benützt, ein kürzeres Nutzleben als wünschenswert erscheint und Versuche, dieses Nutzleben dadurch zu verlängern, dass der Druck im Grenzraum zwischen dem Kern und der Plattierung verringert wird, sind bisher erfolglos verlaufen. Nichtsdestoweniger zeigen die Versuche der Anmelderin an, dass eine weitere Verringerung des Drucks im Zwischenraum zwischen dem Kern und der Plattierung das Abwandern der Mblybdanoxyde zum Plattierungsmetall verhindern kann.As mentioned earlier, an arrangement that has a molybdenum core used, a shorter useful life appears to be desirable and Try to extend this useful life by taking the pressure off is decreased in the interface between the core and the cladding have so far been unsuccessful. Nonetheless, they show Attempts by the applicant suggest that a further reduction in the pressure in the space between the core and the cladding Can prevent migration of the mblybdane oxides to the plating metal.
Es hat sich auch herausgestellt« dass das Aufbringen eines Fangstoffs oder "Getters" auf die Oberfläche des Molybdäns in der Form eines feuerfesten Auftrags das Evakuieren unterstützt und das Nutzleben einer Molybdän - Platin (oder auf Platin aufgebauten Legierung) — Plattierung verbessert.It has also been found «that the application of a trapping material or "getter" on the surface of the molybdenum in the form of a refractory job supports evacuation and useful life a molybdenum - platinum (or an alloy based on platinum) - Plating improved.
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Der Molybdänkern kann im Iftammenspritzverfahren mit einem Zirkonmetallauftrag versehen sein, was zu einem Belag fflhrt, welcher aus einer Mischung von metallischem Zirkon, Zirkonoxyd und Zirkonnitrid führt. Da Zirkon mit Platin oder einer auf Platin aufgebauten Legierung eine Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt bildet, muss unmittelbarer Kontakt zwischen dem metallischen Zirkon und dem Plattierungsmetall im wesentlichen verhindert werden und zu diesem Zweck wird Zirkonerde iaa Flammenspritzverfahren auf das ursprunglich aufgebrachte Zirkon augespritzt. Die Menge des zuerst aufgespritzten Zirkons wird so gewählt, dass die Menge des verfugbaren Zirkons nur wenig grosser ist, als die, die zum Aufnehmen des im Zwischenraum vorhandenen Sauerstoffs notwendig ist. Vorzugsweise ist das Zirkonoxyd porös, um die schnelle Bewegung von Gasen zu gestatten·The molybdenum core can be injected with a zirconium metal application which leads to a coating consisting of a mixture of metallic zirconium, zirconium oxide and zirconium nitride leads. Because zircon with platinum or one built on platinum Forming an alloy with a low melting point, there must be direct contact between the metallic zirconium and the alloy Plating metal can be essentially prevented and for this purpose zirconia is iaa flame spraying process on the originally applied zircon injected. The amount of first sprayed zircon is chosen so that the amount of available zircon is only a little larger than the one to pick up of the oxygen present in the space is necessary. Preferably the zirconium oxide is porous to allow the rapid movement of gases
Bei Versuchen zum Zweck des ;Feststellens der WLrkung des Zirkons als "Getter" in mit Platin plattiertem Molybdän wurde ein Molybdankern mit metallischen Zirkon bespritzt, um eine 0,0?6 mm diche Schicht zu erhalten. Diese Schicht wurde dann mit Zirkonerde bedeckt, und die zweite Deckschicht hatte eine Dicke von 0,254 nwu Dieser derart beschichtete Kern wurde in einer 0,508 mm dicken Platinummantelung abgedichtet, ohne den Zwischenraum zu evakuieren. Das Nutzleben des Kerns betrug 2000 Stunden bei einer Arbeitstemperatur von 14OO°C. In experiments for the purpose of; determining the effect of the zircon a molybdenum core was used as a "getter" in molybdenum plated with platinum Splashed with metallic zircon to a 0.0 - 6 mm thick Layer to get. This layer was then covered with zirconia and the second cover layer was 0.254 nwu thick This core coated in this way was 0.508 mm thick Platinum jacket sealed without evacuating the gap. The useful life of the core was 2000 hours at a working temperature of 14OO ° C.
Erwunschtenfalls kann das Zirkon auch dem Molybdankerh einverleibt werden, sodass eine Legierung von beispielsweise 0,5 bis 1,0 Gewichts-Prozent Zirkon-Mölybdan zustande kommt.If desired, the zirconium can also be incorporated into the molybdenum core so that an alloy of, for example, 0.5 to 1.0 percent by weight Zircon-Mölybdan comes about.
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Es ist auch möglich einen zusammengestellten Kern aus Molybdän zu verwenden, welcher eineb ersten Belag aus Titan. Zirkon oder Vanadin und eine aussere Grenzschicht aus einem Oxyd einer seltenen Erde hat.It is also possible to have an assembled core made of molybdenum to use, which is a first coating made of titanium. Zircon or Vanadium and an outer boundary layer of a rare earth oxide.
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