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Keramischer Körper, insbesondere für elektrische Entladungseinrichtungen, und Verfahren zur Vereinigung von Körpern, von denen mindestens einer aus keramischem Werkstoff- besteht
Die vorliegende Erfindung betrifft keramische
Körper, die mit einem Metallüberzug versehen sind, sowie ein Verfahren zum Metallisieren der
Oberfläche keramischer Teile. Solche metalli- sierte Flächen sind zur Herstellung dichter Ver- bindungen zwischen Keramikteilen oder zwischen keramischen Körpern und Metallen von be- sonderer Bedeutung. Die Erfindung hat sich ins- besondere auf dem Gebiete der hermetisch ver- schlossenen Hüllen für Elektronenentladungs- einrichtungen, deren Wandteile aus keramischem
Werkstoff bestehen, bewährt.
Den Gegenstand der Erfindung bilden kera- mische, mit einer metallischen Oberfläche ver- sehene Körper, insbesondere für elektrische Ent- ladungseinrichtungen, die dadurch gekenn- zeichnet sind, dass die metallische Oberfläche ein dünner Überzug aus einem Metall mit einem höheren Schmelzpunkt als Mangan, vorzugs- weise aus Molybdän, Wolfram, Eisen oder Nickel ist, welcher Überzug mit dem keramischen Körper durch Mangan innig verbunden ist.
Das Ver- fahren gemäss der Erfindung zur Herstellung eines keramischen Körpers der angegebenen Art besteht im wesentlichen darin, dass zunächst ein Überzug aus einer Pulvermischung aus dem Metallpulver der Metalle mit einem höheren
Schmelzpunkt als Mangan und aus dem Pulver von metallischem Mangan, das vorzugsweise ungefähr 10 Gew.-% der Mischung ausmacht, auf die Oberfläche des Körpers aus keramischem Material aufgebracht und diese Mischung auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt wird, um sie mit dem keramischen Körper zu verbinden.
Zur Verbindung von Metallen, keramischem Werkstoff oder von Keramikteilen untereinander sind verschiedene Verfahren bekannt. Neben mechanischen Mitteln, wie Nieten oder Klammern, wurden schon früher Überzugsverfahren vorgeschlagen. Gemäss einem bekannten Verfahren zur Herstellung vakuumdichter Verbindungen zwischen einem metallischen Körper und keramischem Material wird das Metall des metallischen Körpers mit anderen Metallen, die, wie Silizium, Mangan, Zinn, Lithium, Phosphor, fähig sind, sich mit dem keramischen Material chemisch umzusetzen, legiert und die Legierung auf die keramische Oberfläche aufgeschmolzen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird auf dem keramischen Material ein sehr dünner metallischer Überzug unter Verwendung metallischer Pulver vorgesehen.
Die Erfindung gewährleistet eine verbesserte
Ausführung von grösserer Festigkeit und Zuver- lässigkeit. Das Verfahren nach der Erfindung ist besonders einfach und kann unter den üblichen
Fertigungsbedingungen durchgeführt werden.
In der Technik der Elektronenentladungsein- richtungen besitzen keramische Materialien, be- sonders für solche, die in Verbindung mit Hochfrequenzfeldem verwendet werden, beträchtliche Vorteile, welche darauf beruhen, dass keramische Werkstoffe im allgemeinen Eigenschaften aufweisen, die den jetzt in Verwendung stehenden Materialien, wie Glas, nicht zukommen. Bei vielen zur Zeit bekannten Röhrenkonstruktionen könnten daher solche Materialien mit Vorteil durch keramische Werkstoffe ersetzt werden, wenn verlässliche Verbindungen von ausreichender mechanischer Festigkeit und Dichtungseigenschaften in einer für die Massenproduktion und die üblichen Fertigungsverfahren brauchbaren Form verfügbar wären.
Unter den Eigenschaften keramischer Werkstoffe, welche für diese Technik Vorteile bieten, soll erwähnt werden, dass gewisse keramische Werkstoffe nur einen kleinen Bruchteil des dielektrischen Verlustes im Vergleich zu Glas aufweisen (bei bestimmten Magnesiumsilikatmassen weniger als 25% des dielektrischen Verlustes der besten Glassorten), dass die hohe Erweichungstemperatur von keramischen Werkstoffen die Anwendung wesentlich höherer Temperaturen, sowohl bei den Herstellungsgängen als auch bei der bestimmungsgemässen Verwendung der Röhren gestattet ; dass bestimmte keramische Werkstoffe gegen rasches Erhitzen und Abkühlen widerstandsfähiger sind, ohne zu springen ;
dass das Fehlen von Restspannungen in keramischen Massen nach der Herstellung eine Glühbehandlung und ein Schwinden zufolge von Restspannungen ver-
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meiden lässt ; dass die hohen spezifischen Widerstandskonstanten von keramischen Werkstoffen bei geringerer Gefahr einer Elektrolyse in den Dichtungsverbindungen die Anwendung erhöhter Betriebstemperaturen gestatten ; dass die Dichtungen auch in einer anderen als einer oxydierenden Atmosphäre, welche die derzeitige Technik der Verbindung von Glas und Metall erfordert, hergestellt werden können ; dass die Abwesenheit von Oxyden, welche sich bei Dichtungen mit Glas immer bilden, die Schwierigkeiten auf ein Minimum herabsetzt, die mit dem Problem des Restgases in der gedichteten Hülle zusammenhängen ;
dass keramische Massen auf einfache Weise gemahlen und maschinellen Arbeitsgängen, welche zu genau dimensionierten Teilen führen, unterworfen werden können.
Die Erfindung zielt im allgemeinen darauf ab, keramische Metallüberzüge auf keramischen Werkstoffen vorzusehen, welche die Herstellung dichter Verbindungen zwischen dem keramischen Material und einem anderen Teil aus keramischem Werkstoff oder Metallen erleichtert, sowie ein Verfahren, welches für die oben angegebenen Zwecke in geeigneter Weise anwendbar ist und die erwähnten Vorteile zeigt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Aufbringung eines Metallüberzuges auf keramischen Werkstoffen zu schaffen, welches einfach in der Ausführung ist und dazu benutzt werden kann, hermetisch schliessende Verbindungen grosser Festigkeit und Starrheit herzustellen und das besonders für den hermetischen Verschluss von Hüllen, wie Hüllen für Elektronenentladungseinrichtungen, geeignet ist, in welchen die in der Technik bisher verwendeten Teile aus Glas oder ähnlichem Material durch keramische Teile von niedrigem dielektrischem Verlust und hoher Temperaturbeständigkeit ersetzt sind.
Die Erfindung selbst, ihre weiteren Zwecke und Vorteile werden im Zusammenhang mit den Zeichnungen in der nachstehenden Beschreibung
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Bezug auf eine hermetisch gedichtet Hülle einer Elektronenentladungseinrichtung, während Fig. 4 einen keramischen Teil mit einer gemäss der Erfindung metallisierten Oberfläche veranschaulicht.
Das Grundprinzip der Erfindung beruht auf der Feststellung, dass bestimmte keramische Flächen mit einem festhaftenden Metallüberzug versehen werden können, wenn Metallpulver oder äquivalente Mischungen, die einen geeigneten Anteil Mangan enthalten, auf die Oberfläche des keramischen Werkstoffes aufgebracht werden und das Ganze bei einer Temperatur über dem Schmelzpunkt des Mangans, vorzugsweise in einer reduzierenden Atmosphäre, wie Wasserstoff, oder im Vakuum erhitzt wird. Diese vorteilhafte Wirkung kommt offenbar dadurch zustande, dass Mangan, besonders bei hohen Temperaturen, eine starke Affinität zu zahlreichen Substanzen, wie z. B. zu den die keramische Masse bildenden Elementen, besitzt.
Keramische Teile mit derart metallisierten Oberflächen lassen sich mit Teilen aus gleichartigen keramischen Massen oder mit Metallteilen mit Hilfe von Lötmitteln, die auf die metallisierten Teile aufgebracht werden, festhaftend verbinden. Die auf diesen Grundlagen beruhende Technik zur Verbindung von keramischem Werkstoff mit keramischem Werkstoff oder mit Metall ist in vielen Beziehungen, wie relative Einfachheit, niedrige Kosten und Leichtigkeit der Regelung der bei der Herstellung erforderlichen Apparaturen vorteilhaft. Ausserdem hat das Verfahren den Vorteil, dass es den in der bisherigen Technik gebräuchlichen Fertigungsapparaturen und Arbeitsmethoden leicht angepasst werden kann.
Als Beispiel der Anwendungsmöglichkeiten des oben angeführten Prinzips zeigen Fig. 1 und 2 den Schnitt durch eine Elektronenentladungseinrichtung, welche aus den scheibenförmigen, parallelen metallischen Wänden 1 und 2 und einer zentralen, querliegenden Metallwand 3 besteht, welche, zusammen mit den zylindrischen Seitenwänden 4 und 5 aus einer geeigneten keramischen Masse, eine hermetisch geschlossene Hülle bildet. Fig. 1 zeigt die Anordnung vor der endgültigen Fertigstellung, während Fig. 2 die fertige Einrichtung darstellt. Die Konstruktion ist im wesentlichen den bisher in der Technik verwendeten Konstruktionen, bei denen an Stelle der keramischen Zylinderwände 4 und 5 solche aus Glas verwendet werden, gleichartig.
Um einen hermetischen Verschluss an den Verbindungsstellen, an welchen die Wände 4 und 5 mit den Metallteilen 1, 2 und 3 zusammenstossen, zu bilden, werden die Endflächen der Wände 4 und 5 zuerst mit einem dünnen vorläufigen Überzug aus pulverisiertem Eisen, Molybdän, Wolfram oder Nickel, dem eine geeignete Menge (vorzugsweise etwa 10 Gew.-%) pulverisierten Mangans beigemischt ist, versehen. Die Stoffe, mit welchen das Mangan vermischt wird, werden so gewählt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des nach einer Hitzebehandlung erhaltenen Metall- überzuges den Ausdehnungskoeffizienten der jeweils für die Wände der Entladungsvorrichtung verwendeten keramischen Masse und Metalls angeglichen ist.
Die mit diesem Oberflächen- überzug versehenen keramischen Wände 4 und 5 werden dann bei einer geeigneten Temperatur und vorzugsweise in einer reduzierenden Atmosphäre erhitzt, bis ein festhaftender metallischer Überzug 6 auf den Endflächen der Wände 4 und 5 erhalten worden ist. Der Zusammenbau kann beispielsweise ungefähr eine halbe Stunde lang bei etwa l3500 C in einer Wasserstoffatmosphäre oder im Vakuum erhitzt werden, wenn die Mischung aus 90 Gew.-% pulverisiertem Molybdän und 10% (Gewicht) Mangan besteht.
Es ist klar, dass die zu verwendende Manganmenge innerhalb weiter Grenzen variieren kann, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Jedoch ergeben sich bessere Resultate, wenn diese Menge so niedrig als möglich gehalten wird.
So wurde z. B. ein Prozentgehalt der oben an-
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geführten Grössenordnung als zweckmässig befunden.
Beim Zusammenbau der Entladungseinrichtung in ihrer endgültigen Form kann, nachdem der Metallüberzug mit den Wandenden fest verbunden wurde, zwischen oder auf die Verbindungstellen der Wände 4 und 5 und der Metallwände 1, 2 und 3 ein geeignetes Lötmittel, z. B. in Form des Ringes 7, eingebracht werden, welcher aus Silber, Gold, Kupfer oder einem anderen Metall bestehen kann. Das Lötmittel kann in irgend einer Weise so aufgebracht werden, dass es beim Erhitzen zwischen die Flächen fliessen kann. So kann es auch in dem durch die Verbindungsstellen gebildeten Winkel gegen die Wand gepresst werden. Die entsprechenden Teile werden im wesentlichen in der in Fig. 1 gezeigten Stellung zusammengesetzt, um die Verbindung der Teile zu vervollständigen und anschliessend in einer geeigneten, z.
B. einer reduzierenden Wasserstoffatmosphäre oder im Vakuum auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, das Lötmittel zu schmelzen. Es ist angezeigt, den letzteren Vorgang in einem Wasserstoffofen des herkömmlichen, bei den derzeit üblichen Herstellungsverfahren verwendeten Typs durchzuführen, obgleich dieser Vorgang auch in einem ähnlichen Vakuumapparat durchgeführt werden kann. In der Praxis lässt sich jedes beliebige, geeignete Erhitzungsverfahren anwenden, wie z. B. Erhitzen durch Hochfrequenzinduktion elektrischer Ströme in den Metallteilen der Vorrichtung.
Wenn die keramischen Wände 4 und 5 mit der Mangan-Metallmischung metallisiert und in der oben beschriebenen Art der Hitzebehandlung unterworfen werden, benetzt das Lötmittel diese Wände und haftet fest an diesen und zu gleicher Zeit leicht an den Metallwänden 1, 2 und 3.
Selbstverständlich ist es auch möglich, unter geeigneten Bedingungen sowohl das Aufbringen des Metallüberzuges als auch das Verlöten
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besondere, Mangan enthaltende Metallmischung und das Lötmittel bei oder um die gleiche Arbeitstemperatur gehandhabt werden können, ist es möglich, zu bewirken, dass beide gleichzeitig und einheitlich über die aneinanderstossenden Flächen fliessen.
Die Erfindung hat sich besonders bei keramischen Materialien bewährt, welche Zirkonoder Magnesiumsilikate enthalten ; jedoch sind je nach der Art der Reaktion auch andere Materialien gut brauchbar, sofern sie gegen die angegebenen Erhitzungstemperaturen widerstandsfähig sind. Derartige Materialien können andere Silikate, Titandioxyd, Berylliumoxyd, Tonerde usw. enthalten. Als Beispiel einer geeigneten Metallzusammensetzung für die Wände 1, 2 und 3 seien Molybdän oder Eisen mit einem Gehalt von 16 bis 30% Chrom mit Kupfer überzogen oder eine Legierung aus 54% Eisen, 28% Nickel, 18% Kobalt oder bestimmte Nickel-Eisenlegierungen, abhängig von den Ausdehnungskoeffizienten der gewählten Keramikmasse, erwähnt.
Die Materialien aller Teile der Vorrichtung sind so zu wählen, dass sie im wesentlichen den gleichen mittleren Ausdehnungskoeffizienten haben.
Die Wände 1, 2 und 3 können als äusserlich zugängliche Elektroden für eine Anode 8, eine Kathode 9 und ein Gitter 10 dienen, wobei die Kathode mit einem geeigneten thermionischen Erhitzer 11 zur Erzeugung einer thermionischen Emission ausgestattet ist.
Fig. 3 zeigt eine wahlweise Ausführungsform der Erfindung, bei welcher eine hermetisch verschlossene Hülle aus scheibenförmig gestalteten keramischen Abschlusswänden 12 und 13 und keramischen, zylindrischen Seitenwänden 14 und 15 vorgesehen ist. Die Metallanode 16 führt durch die Wand 12 in die Kammer der Einrichtung, während die Kathode 17 in gleicher Weise durch die Wand 13 hindurchgeführt ist.
Ein scheibenförmiges Gitter 18, gleich dem in Fig. l, wird zwischen den Wänden 14 und 15 gehalten. Die Wände 14 und 15 werden mit den Wänden 12 und 13 dadurch verbunden, dass sie zuerst auf die gleiche Art, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, mit einem metallischen Überzug versehen und die metallisierten Oberflächen anschliessend verlötet werden. Die metallschen Teile, nämlich die Kathode 17, das Gitter 18 und die Anode 16 werden mit den Keramiktei1en an den entsprechenden Berührungsstellen nach den bei Besprechung der Fig. 1 bereits beschriebenen Verfahren verbunden.
Fig. 4 zeigt einen Keramikteil mit einer auf diesem gebildeten Metalloberfläche. Dieser Teil besteht aus einem zentralen Keramikkern 19, auf welchen Schichten 20 und 21 aus Molybdän, Wolfram, Eisen oder Nickel nach dem oben beschriebenen Manganverfahren zum Überziehen von keramischem Werkstoff gebildet wurden. Ein derartiges Element kann z. B. als Kapazität verwendet werden, wobei die Überzüge 20 und 21 als gegenüberliegende Elektroden dienen.
Infolge der ausserordentlich hoch liegenden Erweichungstemperaturen keramischer Massen behalten nach dem vorliegenden Verfahren hergestellte Teile ihre Stellung und Genauigkeit auch bei sehr hohen Temperaturen bei, so dass die Einrichtung ohne Gefahr, dass die Wände unter der Wirkung des äusseren Luftdruckes zusammenfallen, sehr hoch erhitzt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Keramischer, mit einer metallischen Oberfläche versehener Körper, insbesondere für elektrische Entladungseinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Oberfläche ein dünner Überzug aus einem Metall mit einem höheren Schmelzpunkt als Mangan, vorzugsweise aus Molybdän, Wolfram, Eisen oder Nickel ist, welcher mit dem keramischen Körper durch Mangan innig verbunden ist.
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