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Verfahren zur Verbindung von keramischen Körpern mit Metallkörpern.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbindung von keramischen Körpern mit
Metallen mittels einer metallischen Schicht.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, welches es ermöglicht, eine unlösbare Verbindung zwischen dem Metallkörper und dem keramischen Werkstoff durch eine neuartige Arbeitsweise und
Verwendung von besonderen geeigneten Bindemetallen zu schaffen, indem das Bindemetall sich nicht nur mit dem metallischen, sondern auch mit dem keramischen Gut unlösbar verbindet und gewisser- massen in die Struktur desselben eindringt.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, metallische Köper mit keramischen Stoffen dadurch zu verbinden, dass man feine Metallschichten auf den keramischen Körper aufbrennt, diese sodann auf elektrolytischem Wege oder durch Aufspritzen verstärkt und daraufhin erst den metallischen Körper auf diesem verstärkten Metallbelag beispielsweise mittels eines geeigneten Lötmittels befestigt.
Dieses Verfahren ist umständlich und kostspielig und hat den Nachteil, dass es auf diese Weise nicht möglich ist, schwer schmelzbare Lote mit einem Gebläse örtlich einwandfrei aufzubringen, da das Lot sich hiebei über den ganzen keramischen Körper verteilt und dort einen Niederschlag bildet. Ferner besteht die Gefahr, dass unter dem Einfluss der hohen durch das Gebläse erzeugten Temperatur der keramische Körper zerspringt.
Die Verwendung niedrig schmelzender Lötmittel, die an sich naheläge, ist aber gleichfalls nicht angängig, wenn eine besonders harte und wärmebeständige Verbindung zwischen Glas. keramischem Material und Metall gewünscht wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass nachdem der keramische Körper mit dem mit ihm zu verbindenden Metallkörper in der richtigen Lage zusammengesetzt worden ist, an der oder den Verbindungsstellen ein zwischen 900 und 11000 C schmelzendes Bindemittel angebracht wird und nunmehr die zu verbindenden Teile gemeinsam mit dem Bindemittel bis nahe an den Schmelzpunkt des letzteren erhitzt werden, worauf anschliessend das Bindemetall allein, beispielsweise durch Hochfrequenzströme oder in anderer geeigneter Weise, noch bis zu seinem Schmelzpunkt weiter erhitzt wird und beim Schmelzen einen flüssigen Ring zwischen dem keramischen Körper und dem Metall bildet, durch welchen die kleinsten Hohlräume zwischen den zu verbindenden Teilen ausgefüllt werden.
Das Bindemetall haftet nicht nur fest am Metall, sondern es dringt anderseits in die Struktur des keramischen Körpers ein, so dass sich zwischen beiden eine allmählich von dem einen in das andere Material übergehende Zwischenschicht ergibt. Die so hergestellte Verbindung ist derart fest, dass bei gewaltsamer Zerstörung eines in dieser Weise hergestellten Körpers der Bruch nie an der Bindestelle selbst erfolgt, sondern das Bindemetall ein Stück des keramischen Materials mit aus diesem herausreisst.
Besonders wichtig für die Durchführung des neuen Verfahrens ist die Anwendung eines geeigneten Bindemetalls.
Gut geeignet als Bindemittel ist eine Legierung, welche aus Silber, Kupfer und Eisen besteht.
Als besonders geeignet hat sich hiefür auch ein Mischungsverhältnis von etwa 65% Silber, 25% Kupfer und 10% Eisen erwiesen. Soll, wie dies beispielsweise bei elektrischen Entladungsröhren der Fall ist, mit dem keramischen Körper auch ein Glaskörper verbunden werden, so wird die Legierung des Bindemetalls so gewählt, dass ihr Schmelzpunkt oberhalb des Erweichungspunktes des mit dem keramischen
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Werkstoff zu verbindenden Glases, also beispielsweise des Glaskolbens einer Entladungsröhre, aber unterhalb der Sinterungstemperatur des keramischen Gutes liegt.
Ein anderes Bindemetall, welches ebenfalls dem erfindungsgemässen Zwecke in vorzüglicher Weise zu dienen geeignet ist, und in gewissen Fällen der beschriebenen Zusammensetzung von Silber, Kupfer und Eisen überlegen ist besteht aus einer Legierung lediglieh von Silber und Kupfer, der zweckmässig noch ein kleiner Prozentsatz an Beryllium zugesetzt wird. Eine solche Legierung besitzt einen hohen Schmelzpunkt, was in vielen Fällen beispielsweise bei Verwendung der Legierung zur Verbindung von isolierten Zündkerzen mit ihren Mittelelektroden, ferner zur Anbringung keramischer Körper an bestimmten Teilen von Dieselmotoren und andern hocherhitzen Körpern von grosser Bedeutung ist.
Die Cu-Ag-Legierung hat ferner den Vorteil ungewöhnlich grosser Leiehtflüssigkeit bei einer Temperatur von etwa 9800 und bindet in diesem Zustande aussergewöhnlich gut mit keramischen Stoffen, da sie in die feinsten Poren eindringt und diese ausfüllt. Das Mischungsverhältnis der beiden Bestandteile kann hiebei innerhalb weiter Grenzen beliebig gewählt werden : als zweckmässig hat sich unter anderem eine Mischung von 75 bis 80 Teilen Ag mit 25-20 Teilen Cu erwiesen.
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die Härte erhöht wird.
Der besonders vorteilhafte Zusatz von Beryllium in verhältnismässig geringen Mengen erhöht die Schmelztemperatur auf etwa 1050-1100 C und macht die Legierung vergütbar, derart, dass sie bei
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Verbindung mit keramischen Körpern ohnehin zur Vermeidung eines Springens des keramischen Körpers eine langsame Abkühlung erwünscht, aber je nach Form und Werkstoff des keramischen Körpers durchaus nicht immer erforderlich ist, so tritt diese Erscheinung in diesem Falle ganz von selbst auf. Als für diese Zwecke geeignet hat sich unter anderem eine Legierung aus 80 Teilen Cu, 15 Teilen Ag und 5 Teilen Beryllium erwiesen.
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Kadmiumzusatz bestehen, aber ausserdem auch eine Kupfer-und Eisenlegierung oder eines dieser Metalle enthalten können.
Derart zusammengesetzte Legierungen besitzen den Vorzug eines verhältnismässig niedrigen Schmelzpunktes. der jedoch nicht in den Bereich der niedrig schmelzenden Metall-
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keramischen Werkstoff auswirkt. Sie erstarren ferner porenfrei, was sehr wichtig für den Fall ist, dass die zwischen dem Metall und keramischen Werkstoff herzustellenden Verbindungen vakuumdicht sein sollen, wie dies beispielsweise bei chemischen Geräten der Fall sein muss, oder druckdicht, wie dies bei Zündkerzen notwendig ist.
Auch dann, wenn man nach den erfindungsgemässen Verfahren grössere Metallstücke aus der Bindelegierung auf den keramischen Körper aufschmilzt, ist die porenfreie Erstarrung von besonderer Bedeutung insofern, als man dann unmittelbar an dem erstarrten Legierungstück an beliebigen Stellen mechanische Formänderungen durch Bearbeitung vornehmen, beispielsweise Bohrungen oder Gewindelöcher anbringen kann.
Die Bindelegierungen besitzen ausserdem eine relativ geringe Oxydationsneigung. Der Kadmiumzusatz beeinflusst die Eigenschaft der Legierungen
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erwiesen, deren Kadmiumgehalt 2-25% beträgt. In der Mehrzahl aller Fälle wird man mit Legierungen auskommen, deren Kadmiumgehalt zwischen 2 und 12'5% liegt : geht man darüber hinaus, so tritt je
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erniedrigung ein. Die porenfreie Erstarrung wird gefördert, wenn als Aufschmelzmetall im Vakuum erschmolzene Legierungen verwendet werden.
Ganz allgemein ist es möglich, durch Wahl eines entsprechenden prozentualen Verhältnisses
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Zweck besonders anzupassen.
Im einzelnen wird das Verfahren zweckmässig in der Weise durchgeführt, dass der keramische Körper und der bzw. die mit ihm zu verbindenden Metallteile zunächst in der richtigen Lage zueinander so zusammengebaut werden, dass sieh zwischen ihnen an der zu verbindenden Stelle ein Zwischenraum ergibt. Dieser kann durch geeignete Formgebung (Ausdrehung, Kegelflächen, Schlitze in dem keramischen Teil, Bunde, Schlitze, Nuten und ähnliches) in den Metallteilen oder in dem keramischen Werkstoff beschafft werden. Zugleich bzw. anschliessend wird das Bindemetall, u. zw. vorzugsweise in Form kleiner Ringe oder Rohrstücke, über den Metallkörper an oder über die Verbindungsstelle gebracht.
Dieser ganze zusammengebaute Körper wird sodann in einem elektrischen Ofen oder einer andern geeigneten Heizvorrichtung auf eine nahe dem Schmelzpunkt des Bindemittels liegende Temperatur vorgewärmt. Dadurch wird einem Springen des keramischen Materials beim Aufbringen des geschmolzenen Bindemittels vorgebeugt. Sodann werden die Metallteile rasch und stossweise, z. B. durch elektrische Ströme, bis auf die Schmelztemperatur des Bindemetalls erhitzt.
Dies kann in besonders einfacher und wirksamer Weise mit Hilfe von Hochfrequenzspulen geschehen, die, in geeigneter Form mit den metallischen Teilen gar nicht in Verbindung stehend, über diese geschoben werden und in ihnen,
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wird die Temperatur der Metallteile sehr schnell auf den bei Rotglut liegenden Schmelzpunkt des-
Bindemetalls, vorzugsweise auf etwa 900-1100 gebracht, welches nun schmilzt und einen flüssigen
Ring zwischen dem keramischen Körper und dem Metall bildet, wobei das flüssige Metall die kleinsten
Hohlräume zwischen Keramik und Metall, sich dicht in die Struktur der ersteren legend und fest am
Metall haftend, ausfüllt, ohne sich weit vom Metall über den keramischen Werkstoff zu entfernen oder auszubreiten.
Um das Eintreten der Schmelze zu erleichtern, wird zweckmässig entweder die Bohrung des keramischen Körpers, in welche der Metallstab eingeführt ist, an der Verbindungsstelle etwas konisch nach oben erweitert oder es wird in dem keramischen Körper eine besondere Rille od. dgl. hiefür vor- gesehen.
Die Schmelzerhitzung kann auch auf einem andern als auf elektrischem Wege bewirkt werden.
Durch Zugabe einer geringen Menge eines Flussmittels, beispielsweise Borsäure, kann die
Gleichmässigkeit der Ausbreitung des Bindemetalls gefördert und der ganze Vorgang noch etwas beschleunigt werden. Nach der Abkühlung sind der keramische und der metallische Körper vakuumdicht miteinander verbunden.
Es ist bei diesem Verfahren ohne weiteres möglich, auch mehrere metallische Körper gleichzeitig mit einem keramischen Körper zu verbinden, also beispielsweise mehrere Haltestäbe einer Elektronenröhre mit einem keramischen Sockel. Man kann auf diese Weise in einem einzigen Arbeitsvorgang ein ganzes noch so kompliziertes System von Elektrodenzuleitungen einschmelzen, da eine rein lokale Erhitzung der einzelnen Verbindungsstellen möglich ist.
Die Metallschmelzflüsse können in jedem beliebigen Volumen eingeschmolzen werden und sind unmittelbar lötfähig. Es können daher auch ohne Schwierigkeiten noch weitere metallische Körper, beispielsweise ein Kupferstab od. dgl., an sie angelötet werden. Das Verfahren eignet sich gleich gut zur Verbindung von Metallstäben,-stiften,-rohren,-bolzen aller Abmessungen mit keramischen Körpern oder umgekehrt und ist für verschiedene Fabrikationszweige (Kondensatorenwellen, Zündkerzen, Schalter, Anschlussstecker, Anschlussbuchse usw. ) infolge seiner Eignung zur Massenherstellung und vor allen Dingen deshalb vorteilhaft, weil es den keramischen Körper nach der Erkaltung fast spannungsfrei lässt und dieser später ohne Gefahr der Rissbildung wieder erhitzt werden kann.
Dies ist in Fällen von Bedeutung, in welchen, wie z. B. in einem keramischen Vakuumgefäss, ein Rohr vakuumdicht befestigt werden soll, durch welches das Gefäss unter Erwärmung entlüftet wird.
Nachstehend wird die neue Art der Verbindung zwischen metallischen und keramischen Körpern an dem Beispiel der Durchführung eines Metallstabes durch eine keramische Platte, u. zw. im besonderen der Verbindung eines Haltestabes mit dem Sockel einer Elektronenröhre an Hand der Abbildungen im einzelnen erläutert, von denen Fig. 1 in schematischer Form einen keramischen Sockel mit Haltestab vor der Verbindung, Fig. 2 den gleichen zusammengesetzten Körper nach der Verbindung und Fig. 3 als weiteres Anwendungsbeispiel die Verbindung einer Steckerbuchse mit einem keramischen Isolerkörper darstellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 ist mit 1 der keramische Sockel bezeichnet, durch dessen Bohrung 2 der metallische Haltestab 3 geführt ist. Die Bohrung ist oben bei 4 konisch nach aussen erweitert. Über den Haltestab 3 ist ein ringförmiger Körper aus Bindemetall 5 geschoben und über Haltestab und Bindemetall eine Hochfrequenzspule 6 ; wird die Spule an Spannung gelegt, so werden der Haltestab und das Bindemetall in kürzester Zeit bis zum Schmelzpunkt des letzteren erwärmt, worauf dieses in die Bohrung 2 und die konische Erweiterung 4 zwischen Haltestab und keramischem Werkstoff einfliesst und diese nach dem Erkalten in der oben beschriebenen Weise fest verbindet.
Bei dem Beispiele nach Fig. 3 ist mit y der keramische Körper bezeichnet, der zur Aufnahme einer metallischen Steckerbüchse 8 mit Bohrung 9 für den Steckerstift bestimmt ist. Die Verbindung erfolgt durch Einschmelzen des Bindemetalls 10, das die ganze Ringfuge zwischen den Körpern 7 und 8 ausfüllt.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend im einzelnen und in den Abbildungen veranschaulichte Ausführungsform beschränkt, sondern kann in verschiedener Weise abgeändert werden, ohne von ihrem Grundgedanken abzuweichen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verbindung von keramischen Körpern mit Metallkörpern, bei welchem der keramische Körper mit dem mit ihm zu verbindenden Metallkörper in der richtigen Lage derart zusammengesetzt wird, dass zwischen den Teilen ein freier Raum verbleibt, dann an der Verbindungsstelle ein erst bei höheren Temperaturen schmelzendes Bindemetall angebracht und nun beide Teile mit dem Bindemetall gemeinsam bis nahe an den Schmelzpunkt des Bindemetalls erhitzt werden, worauf anschliessend das Bindemetall allein bis zur Verflüssigung weiter erhitzt wird und nunmehr den Raum zwischen den miteinander zu verbindenden Teilen ausfüllt.