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Verfahren zum vakuumfesten Löten von Metallkörpern und keramischen Körpern
Bekannterweise kann man zwischen metallischen und keramischen Stoffen eine vakuumfeste Verbin- dung durch Löten zustandebringen, falls die W armedehnungszahl von beiden Stoffen gleich ist.
Auch ist es bekannterweise möglich, eine vakuumfeste Verbindung zwischen einem keramischen und einem metallischen Stoff von ein wenig verschiedenen Wärmedehnungszahlen herzustellen, falls die Warmedehnungszahl des Metalles der positiven Richtung entspricht, d. h. wenn diese Zahl des Metalles grö- sser ist als diejenige des keramischen Stoffes. In diesem Fall entsteht, ausgehend von der Ersterregungstemperatur des Lötmetalles, eine anwachsende Druckspannung zwischen dem metallischen und dem keramischen Stoff. Da aber die keramischen Stoffe - besonders solche der Aluminiumoxydgruppe - eine hohe Druckfestigkeit aufweisen, kommt der Widerstand gegen die Druckkräfte dauernd zur Geltung, wobei die vakuumfeste Verbindung verwirklicht werden kann.
In diesem Zusammenhang ist es aber nachteilig, dass die hiezu notwendigen Bedingungen an die Wahl bestimmter geometrischer Formen gebunden sind, nämlich an solche, bei denen der keramische Stoff vom metallischen gänzlich umfasst ist, und der metallsche Stoff überall einen Druck auf den keramischen Stoff ausübt.
Es ist nicht bekannt, dass man auch Metalle jeder Art in eine vakuumfeste Verbindung mit dem keramischen Stoff zusammenfügen kann, auch wenn der Unterschied der Wärmedehnungszahlen grösser ist ; das ist der Fall z. B. von einem Rohrstück aus Kupfer in Verbindung mit einem keramischen Stoff der Aluminiumoxydgruppe.
Der Gegenstand der Erfindung ist die vakuumfeste Lötverbindung für den Fall, wenn zwischen den Wärmeausdehnungszahlen der Metalle und jener der keramischen Stoffe der Oxydgruppe-gleichartiger Natur oder auch kombinierter Zusammensetzung - ein bedeutender Unterschied besteht. Unser Vorschlag betrifft die Verwendung elastischer Membranverschlüsse, welche auch zum Binden ebener Flächen geeignet sind, so dass mit Hilfe dieses Membranverschlusses metallische und keramische Stoffe von verschiedenen Wärmeausdehnungszahlen vakuumfest zusammengelötet werden können.
Nach dem Verfahren werden ganz dünne Metallmembranen von der Stärke von 0, 05 mm bis 0, 2 mm verwendet. Ihre Anwendung ist-gemäss den Figuren - in verschiedener geometrischer Formbildung möglich. Der keramische Bestandteil wird in gewohnter Weise vormetallisiert ; auch kann es durch ein aktives Lötverfahren in Schutzgas, oder in feinem Vakuum verlötet werden.
In Fig. l ist ein Bindungsbeispiel vergrössert gezeigt, in welcher derjenige Teil der Membrane, welcher an das keramische Stück c gelötet ist, mit a bezeichnet ist. Die keramischen Teile werden, nach der hier illustrierten Weise, den Bindungsflächen entsprechend vorbereitet, d. h. es wird an den Bindungsflächen eine der Lötung entsprechende Metallschicht derart angebracht, dass die Lötebene und auch die Seitenfläche des gewöhnlich ringförmigen keramischen Körpers metallisiert wird.
Man kann die Bindungsfläche zwischen dem keramischen Körper und der Membranfolie auf zwei Teile aufteilen : Dies sind nach Fig. l die Bindungsfläche d und die seitliche Stützfläche b. Die während des Lötens auftretende Spannung ändert sich kontinuierlich, angefangen von der Erstarrungstemperatur des Hartlotes bis zu einer von der Umgebung hervorgerufenen Abkühlung. Die dünne Membranfolie ist zum
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Zwecke geschaffen, um eine plastische Deformation an der Bindungsstelle und daher einen wirksamen
Ausgleich des Unterschiedes in den Wärmeausdehnungszahlen zu sichern.
Gleichzeitig aber erscheint an der als seitliche Stützfläche b bezeichneten Lötmetallstelle eine Spannung entgegengesetzter Richtung. die in jedem Fall eine Druckspannung darstellt, wobei die zwei Spannungen entgegengesetzter Richtung sich teilweise kompensieren, indem bei Erwärmung von der Umgebungstemperatur ausgehend eine Abnahme zum Wert Null bei der Erstarrungstemperatur des Lötmetalles erfolgt. Es ist zweckmässig ein Metall als
Membranfolie zu wählen, dessen Wärmeausdehnungszahl bei zunehmender Temperatur sich der Wärme- dehnungszahl des keramischen Stoffes nähert. Auch ist es zweckmässig, zum Verlöten einer metallisch- keramischen Verbindung ein Kupfer-Silber Eutektikum zu wählen, dessen Schmelzpunkt ungefähr bei 7800C liegt.
Doch beschränkt sich die Erfindung nicht auf das oben angeführte Beispiel, da das Lötverfahren mit zwei komponenten Flächen in jedem Fall eine entsprechende Kompensation bietet und weil der kerami- sche Bestandteil infolge der hohen Festigkeit den auftretenden Kräften gegenüber standhält. Aus den oben ausgeführten Erörterungen ist es klar, dass die Spannung an der Lötstelle im Zustand nach erfolgter Abküh- kung auf Zimmertemperatur am grössten ist, doch wird sie wie bereits nachgewiesen, durch plastische
Deformationen der dünnen Membranfolie aufgenommen.
Nun aber weisen die dargestellten Bindungen von ebener Fläche und mit einer seitlichen Stützfläche in jedem Fall eine mit wachsender Temperatur sin- kende Spannung auf, so dass sie sowohl während einer üblichen Wärmebehandlung, wie auch während der betriebsmässigen Erwärmung der Vakuumröhren ohne Beschädigung des Vakuumverschlusses entsprechen.
In Fig. 2 ist ein Membranverschluss zu sehen, mit Hilfe dessen eine elastische vakuumfeste Bindung zwischen dem keramischen Bestandteil c und dem metallischen Elektrodensystem e geschaffen werden kann. Wie aus der Figur ersichtlich, dient der Membranverschluss a lediglich als Bindungsglied zwischen dem keramischen und dem metallischen Stoff, während als elektrischer Leiter im Vakuum ein entspre- chend ausgebildeter metallischer Bestandteil f vorgesehen ist.
In Fig. 3 und 4 sind verschiedene Ausführungsformen der vakuumfesten Membranverschlüsse zu sehen, die geeignet sind, einen vakuumfesten Verschluss auch bei grösseren Durchmessern zu ermöglichen. In der
Konstruktion nach Fig. 3 und 4 ist die Membrane zugleich als Stromleiter und auch als Zuführung der Va- kuumarmatur ausgebildet, in der Konstruktion nach Fig. 4 ist der Vakuumverschluss vom Elektrodensystem unabhängig.
Weitere verschiedenartige Ausführungsformen der Membranverschlüsse sind in Fig. 5 und 6 zu sehen.
Die angeführten Beispiele beziehen sich auf Vakuumkörper ringförmiger oder zylindrischer Gestalt, doch kann man die Membranfolien durch entsprechende Gestaltung zur Bindung ebener Flächen jeglicher vom Kreisquerschnitt abweichender Art mit Erfolg verwenden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum vakuumdichten Verlöten von Metallkörpern und keramischen Körpern mit verschiedenen Wärmedehnungszahlen und von beliebiger Gestalt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zu verlötenden Metallkörper (e) und dem keramischen Körper (c) eine elastische Metallmembrane (a) vorgesehen, zwischen dem Metallkörper und der elastischen Membrane, sowie zwischen der vormetallisierten oder zum aktiven Löten vorbereiteten Keramik und der Membrane ein festes Lötmaterial angebracht, und die auf diese Weise zusammengestellte Einheit in einer Schutzatmosphäre bis zum Schmelzpunkt des Lötmaterials erhitzt und nachher bis zur Abkühlung in der Schutzatmosphäre gehalten wird.