Durch eine hochvakuumdichte Ringverschmelzung miteinander verbundene Metall und Keramikteile. Die Erfindung bezieht sieh auf eine hoch vakuumdichte Ringverschmelzung, durch welche Metall- und Keramikteile miteinander verbunden sind, wobei die durch einen glas artigen Schmelzfluss miteinander verbundenen Haftflächen der Teile nichtebene Rotations flächen sind, z. B. zylindrische oder leicht konische Flächen.
Hoehvakuumdiehte Metall-Keramik-Ring- verbindungen kommen beispielsweise bei der Herstellung von Elektrodeneinführungen und von Durchführungsisolatoren von elektrischen Entladungsgefässen mit I3ochvakuum oder mit Gas- oder Dampffüllung in Anwendung. Grosse Bedeutung haben die hochvakuum- dichten Ringverbindungen hauptsächlich für Stromrichter mit pumpenlosen Metall- oder Keramikgefässen.
Hier werden die Ringver bindungen dazu verwendet, um die beträcht liche Querschnittsabmessungen aufweisenden Stromzuführungsleiter der Elektroden hoch vakuumdicht durch die aus Metall oder Ke ramik bestehende Gefässwandung hindurchzu- führen. Die bisher verwendeten Ringverbin dungen, bei welchen ein glasartiger Schmelz fluss, das heisst ein Glas- oder Emailschmelz- fluss, zwischen Metall und Keramik vorhanden ist,
und die sich gegenüber Weiehlotverbin- dungen durch eine wesentlich grössere Tem peraturbeständigkeit auszeichnen, besitzen einen Durchmesser, der unterhalb 100 mm liegt. Beispielsweise hat man bisher bei pum- penlosen Grossgleichrichtergefässen (Eisen gleichrichtern) die Stromzuführungsleiter der Anoden unter Zwisehenscha.ltung eines Glas- oder Ernailsehmelzflusses durch die Ge fässwandung hindurchgeführt, während das Kathodenquecksilber in einem besonderen, am Boden des Metallgefässes angeordneten Topf aus Isoliermaterial angeordnet und die Strom-,
zuführung zum Kathodenquecksilber von oben bzw. von der Seite aus in derselben Weise wie bei den Anodeneinführungen durch die Ce- fä.sswandung eingeführt wurde. Die Ringver schmelzung gemäss der Erfindung weist einen Durchmesser grösser als 1.50 min auf. Vor zugsweise beträgt der Durchmesser der Ring verschmelzung 200 bis 500 mm.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der beiliegenden Zeichnung schematisch im Schnitt dargestellt. In der Figur ist mit 1 der ringförmige Keramikteil, der beispiels weise als Ringisolator einer Quecksilbergross gleichrichterkathode dienen kann, bezeichnet. Dieser Ringisolator ist mit einem obern Bund 2 und einem untern Bund 3 versehen.
An die Aussenfläche des obern Bundes 2 ist der ring förmige Metallteil 4 und an die Haftfläche des untern Bundes 3 der ringförmige Metall teil 5 unter Zwischenschaltung eines glas artigen Schmelzflusses 6, das heisst eines Glas- oder Emailsehmelzflusses, angesehmolzen. Für die Aufnahme des Glassehmelzflusses sind an den obern Enden der Bunde 2 und 3 ringför- urige Nuten vorgesehen,
in welche das zur Herstellung des glasartigen Schmelzflusses verwendete Produkt in Form eines Ringes oder in pulverisierter Form oder auch in flüs sigem Zustand vor der Herstellung der Ver schmelzung eingebracht wird. Unter dem Ein.- fluss der Schwerkraft und/oder der Kapillari tät läuft der Schmelzfluss in flüssigem Zu stand in die Trennfugen zwischen die Haft flächen der Teile 2 und 4 bzw. 3 und 5 ein.
Die beiden Verschmelzungen können gleich-, zeitig oder nacheinander in einem zweckmässig elektrisch geheizten Ofen mit leicht oxydie render Atmosphäre hergestellt werden. Die beiden ringförmigen Metallteile 4 Lind 5 sind mit je einem Fortsatz 7 und 8 versehen, des sen Durchmesser grösser bzw. kleiner als der jenige der Ringverschmelzung ist. Dient der Keramikring 1 als Ringisolator einer Queck- silbergrossgleichriehterkathode, dann wird in.
zweckmässiger Weise der Fortsatz 7 durch Löten oder Schweissen mit dem metallenen Gleichrichtergefäss und der Fortsatz 8 mit dem metallenen Kathodenboden verbunden. Gegebenenfalls schliesst sich an den Fortsatz 8 unmittelbar der Kathodenboden an. Eine derartige Kathodenausführung zeichnet sich durch eine sehr geringe Bauhöhe aus. In vielen Fällen ist die Höhe des Keramikteils kleiner als dessen Radius.
Es ist noch darauf hinzu weisen, dass die Fortsätze 7 und 8 sich auch an die obern Enden der ringförmigen Metall teile 4 und 5 anschliessen können oder dass die beiden Fortsätze auch in entgegengesetzte Richtungen weisen können.
Die Metallteile 4 und 5 können zusätzlich in dem Keramikteil verankert werden, was nicht dargestellt wurde. Ferner könnten diese Metallteile statt ausserhalb des Keramikteils innerhalb desselben angeordnet sein.
Die radiale Längenänderung des Metall teils einer Metall-Keramik-Ringverschmelzung infolge Temperaturschwankungen ist dem Radius des Metallteils proportional und ist also bei Metall-Keramik-Ringverschmelzungen mit grossem Durchmesser grösser als bei sol chen mit kleinem Durchmesser. Die grössere radiale Längenänderung des Metallteils be- dingt, dass beim Abkühlen der Verschmel zung schon bei einer verhältnismässig hohen Temperatur grosse Druck- bzw. Zugkräfte auf den Metallteil ausgeübt werden.
Da nun wei ter die Streckgrenze des Metallteils mit zu nehmender Temperatur abnimmt, wird bei Metall-Keramik-RingverschmelzLingen grossen Durchmessers der Metallteil beim Abkühlen von der Entspannungstemperatur des Glas- oder Emailschmelzflusses bis auf die niedrigste Raumtemperatur eher über seine elastische Streckgrenze hinaus beansprucht, als dieses bei Verschmelzungen kleinen Durchmessers der Fall ist.
Der Metallteil kann aus einem metallischen Körper mit einer hohen Streckgrenze, insbe sondere mit einer hohen Dauerstandfestigkeit bei höheren Temperaturen, bestehen. Hierzu, eignen sich besonders kohlenstoffarme Chrom- Stahllegierungen mit mehr als<B>15%</B> Chrom gehalt und geringen, etwa 1/2 bis<B>170</B> betra genden Zusätzen von Molybdän und/oder Niob, beispielsweise ein Chromstahl mit 18 Chrom, 0,93 % Molybdän, 0,67 % Niob,
0,067 % Kohlenstoff und mit einer Wärmedehnungs- zahl von 11,4. 10-6. Selbstverständlich kön nen aber auch andere Metalle bzw. Metall- legierungen, insbesondere Eisenlegierungen, mit hoher thermischer Streckgrenze, beispiels weise Chromstähle mit 25 oder 30 ,wo Chrom gehalt, in Anwendung kommen.
Bei der Wahl -des Metallteils ist ausser auf die hohe thermische Streckgrenze noch darauf zu achten, dass der magnetische Umwandlungs- punkt des in Anwendung kommenden Metal- les bzw. der in Anwendung kommenden Me tallegierung oberhalb der Entspannungstem peratur des Glas- oder Emailschmelzflusses liegt.
Als keramische Werkstoffe kommen die für Verschmelzungszwecke bekannten kerami schen Stoffe, beispielsweise die Magnesium silikat enthaltenden Steatite in Frage, deren Wärmedehnungszahlen in den Temperatur bereich zwischen der Entspannungstempera tur des Glas- oder Emailschmelzflusses und der Raumtemperatur linear bzw. nahezu linear verlaufen und keinen Umwandlungs- Punkt aufweisen. In Verbindung mit dem obenerwähnten Chromstahl mit 18J Chrom gehalt wird vorzugsweise als Keramik Calit mit einer Wärmedehnungszahl von 9. 10-6 gewählt.
Die Wärmedehnungszahlen des Me tallteils und des Keramikteils sollen sieh von einander um höchstens 33 % unterscheiden.
Als Verbindungsglas sieht man zweckmässig eine geringe Alterungserseheinung zeigendes Einsehmelzglas vor, dessen Ausdehnungs koeffizient kleiner als der des Metall- und des Keramikteils ist, und dessen Erweichungs- temperatur oberhalb 580 C liegt. Unter Er weichungstemperatur versteht man hier die im Werke Werkstoffkunde der Hochvakuum technik von Espe und Knoll, Berlin, Sprin ger 1936, auf S.<B>162</B> als Annealingpoint definierte Temperatur.
Bei bevorzugten Aus führungsbeispielen der Erfindung wählt man als Einschmelzglas insbesondere in Verbin dung mit den erwähnten Werkstoffen für den Metall- und den Keramikteil ein alterungs- beständiges Thermometerglas (Borosilikat- oder Alumoborosilikatglas), beispielsweise ein an sich als Einschmelzglas bekanntes Thermo- meterglas mit einer Wärmedehnungszahl von 6,7. 10-6 und einer unterhalb 0,05 C liegen den Depressionskonstanten.
Bei dieser Wahl der Werkstoffe steht der Glasfluss ähnlich einem druckvorgespannten Sicherheitsglas all seitig unter einer Art hydrostatischen Druck, wodurch seine Widerstandsfähigkeit gegen thermische und mechanische Beanspruchungen erhöht wird. Dabei ist aber darüber hinaus durch die besondere Wahl des Werkstoffes für den Metallteil dafür Sorge zu tragen, dass der Metallteil bei der Herstellung der Ver schmelzung und auch bei den im Betrieb auf tretenden Temperaturschwankungen nicht über seine Streckgrenze hinaus beansprucht wird.
In dem dargestellten Ausführungsbei spiel, das als Durchführungsisolator für eine Elektrodenzuführung in Anwendung kommen kann, beträgt- der lichte Durchmesser des Keramikringes 0 = 223 mm und besitzen die Metallringe 4 und 5 eine Wandstärke d = 1,5 mm. Selbstverständlich können die Metallteile eine Wandstärke bei gleichem Durchmesser kleiner oder wesentlich grösser als 1,5 mm aufweisen oder einen Durchmesser bei gleicher Wandstärke, der erheblich von dem angegebenen Wert abweicht. Weiter ist es nicht unbedingt erforderlich, dass der Ke ramikteil zylindrische, insbesondere hohlzylin drische Form aufweist.
Es kommt lediglich darauf an, dass der Keramikteil an der Stelle, an der er mit dem Metallteil verschmolzen werden soll, mit zylindrischen oder leicht konischen Mantelflächen versehen ist. Das selbe gilt auch hinsichtlich des Metallteils, der bei der beschriebenen Metall-Keramik-Ring- verschmelzung vorzugsweise aussen angeord net ist.
Die beschriebene Ringverschmelzung hat hauptsächlich Bedeutung bei Elektrodenein- führungen von Senderöhren grosser Leistung, von Röntgenröhren und insbesondere auch, wie bereits erwähnt, bei Elektrodeneinführun- gen und Durchführungsisolatoren in Metall gefässe von Quecksilbergrossgleichrichtern.
Metal and ceramic parts connected to one another by a high vacuum-tight ring fusion. The invention relates to a highly vacuum-tight ring fusion through which metal and ceramic parts are connected to one another, wherein the adhesive surfaces of the parts connected to one another by a glass-like melt flow are non-planar rotational surfaces, e.g. B. cylindrical or slightly conical surfaces.
High vacuum-welded metal-ceramic ring connections are used, for example, in the manufacture of electrode entries and bushing insulators for electrical discharge vessels with high vacuum or with gas or steam filling. The highly vacuum-tight ring connections are of great importance mainly for power converters with pumpless metal or ceramic vessels.
Here the ring connections are used to guide the current supply conductors of the electrodes, which have considerable cross-sectional dimensions, through the metal or ceramic vessel wall in a highly vacuum-tight manner. The ring connections used up to now, in which a vitreous melt flow, i.e. a glass or enamel melt flow, is present between metal and ceramic,
and which are characterized by a significantly greater temperature resistance compared to soldered joints, have a diameter that is below 100 mm. For example, in the case of large pump-less rectifier vessels (iron rectifiers), the current supply conductors of the anodes have been routed through the wall of the vessel with the interposition of a glass or earthenware flow, while the cathode mercury is placed in a special pot made of insulating material at the bottom of the metal vessel Electricity-,
Feed to the cathode mercury from above or from the side in the same way as was introduced through the ce- fä.sswandung for the anode entries. The ring fusion according to the invention has a diameter greater than 1.50 min. The diameter of the fusion ring is preferably 200 to 500 mm.
An embodiment of the invention is shown schematically in section in the accompanying drawing. In the figure, 1 of the ring-shaped ceramic part, which can serve as a ring insulator of a mercury-sized rectifier cathode, for example. This ring insulator is provided with an upper collar 2 and a lower collar 3.
On the outer surface of the upper collar 2 of the ring-shaped metal part 4 and the adhesive surface of the lower collar 3 of the annular metal part 5 with the interposition of a glass-like melt flow 6, that is, a glass or enamel flow, melted. Two and three ring-shaped grooves are provided at the upper ends of the collars to accommodate the flow of glass clay.
into which the product used to produce the vitreous melt flow is introduced in the form of a ring or in powdered form or in a liquid state before the production of the melt. Under the influence of gravity and / or capillary action, the melt flow in a liquid state into the separating joints between the adhesive surfaces of parts 2 and 4 or 3 and 5.
The two fusions can be produced simultaneously, simultaneously or one after the other in a suitably electrically heated furnace with a slightly oxidizing atmosphere. The two ring-shaped metal parts 4 and 5 are each provided with an extension 7 and 8, the diameter of which is larger or smaller than that of the ring fusion. If the ceramic ring 1 serves as a ring insulator for a mercury cross-band cathode, then in.
Expediently, the extension 7 is connected to the metal rectifier vessel by soldering or welding and the extension 8 is connected to the metal cathode base. If necessary, the cathode base directly adjoins the extension 8. Such a cathode design is characterized by a very low overall height. In many cases the height of the ceramic part is smaller than its radius.
It should also be pointed out that the extensions 7 and 8 can also connect to the upper ends of the annular metal parts 4 and 5 or that the two extensions can also point in opposite directions.
The metal parts 4 and 5 can also be anchored in the ceramic part, which has not been shown. Furthermore, these metal parts could be arranged inside the ceramic part instead of outside the same.
The radial change in length of the metal part of a metal-ceramic ring fusion due to temperature fluctuations is proportional to the radius of the metal part and is therefore greater in metal-ceramic ring fusions with a large diameter than in sol chen with a small diameter. The greater radial change in length of the metal part means that when the fusion cools down, even at a relatively high temperature, great compressive or tensile forces are exerted on the metal part.
Since the yield point of the metal part continues to decrease with increasing temperature, with metal-ceramic ring fuses with a large diameter the metal part is more stressed than its elastic yield point when it cools from the relaxation temperature of the glass or enamel melt flow to the lowest room temperature is the case with small diameter fusions.
The metal part can consist of a metallic body with a high yield point, in particular special with a high fatigue strength at higher temperatures. For this purpose, low-carbon chromium steel alloys with more than 15% chromium content and low additions of about 1/2 to 170 molybdenum and / or niobium, for example, are particularly suitable a chromium steel with 18 chromium, 0.93% molybdenum, 0.67% niobium,
0.067% carbon and with a coefficient of thermal expansion of 11.4. 10-6. Of course, other metals or metal alloys, in particular iron alloys, with a high thermal yield point, for example chromium steels with 25 or 30, where chromium content, can also be used.
When choosing the metal part, in addition to the high thermal yield point, it is important to ensure that the magnetic transition point of the metal or metal alloy used is above the relaxation temperature of the glass or enamel melt flow.
As ceramic materials, the ceramic substances known for fusion purposes, for example the steatite containing magnesium silicate, whose thermal expansion coefficients in the temperature range between the relaxation temperature of the glass or enamel melt flow and the room temperature are linear or almost linear and have no transition point exhibit. In connection with the above-mentioned chromium steel with 18J chromium content, calite with a coefficient of thermal expansion of 9.10-6 is preferred as the ceramic.
The coefficients of thermal expansion of the metal part and the ceramic part should differ from each other by a maximum of 33%.
As a connecting glass, it is expedient to use a single-layered glass with a slight aging effect, the expansion coefficient of which is smaller than that of the metal and ceramic parts and the softening temperature of which is above 580 ° C. The softening temperature is understood here as the temperature defined as the annealing point in the material science of high vacuum technology by Espe and Knoll, Berlin, Springer 1936, on p. 162.
In preferred exemplary embodiments of the invention, a non-aging thermometer glass (borosilicate or aluminoborosilicate glass), for example a thermometer glass known per se as a melting glass with a thermal expansion coefficient, is selected as the sealing glass, especially in connection with the materials mentioned for the metal and ceramic part of 6.7. 10-6 and one below 0.05 C are the depression constants.
With this choice of materials, the glass flow is under a kind of hydrostatic pressure on all sides, similar to pressure-toughened safety glass, which increases its resistance to thermal and mechanical loads. In this case, however, the special choice of material for the metal part must also ensure that the metal part is not stressed beyond its yield point during the production of the fusion and also during the temperature fluctuations that occur during operation.
In the illustrated Ausführungsbei, game, which can be used as a bushing insulator for an electrode feed, the clear diameter of the ceramic ring is 0 = 223 mm and the metal rings 4 and 5 have a wall thickness d = 1.5 mm. Of course, the metal parts can have a wall thickness with the same diameter smaller or significantly greater than 1.5 mm or a diameter with the same wall thickness which deviates considerably from the specified value. Furthermore, it is not absolutely necessary that the ceramic part has a cylindrical, in particular hollow cylinder, form.
It is only important that the ceramic part is provided with cylindrical or slightly conical outer surfaces at the point where it is to be fused with the metal part. The same also applies to the metal part, which is preferably arranged on the outside in the case of the metal-ceramic ring fusion described.
The ring fusion described is mainly of importance in the case of electrode insertions of high-power transmission tubes, of X-ray tubes and in particular also, as already mentioned, of electrode insertions and bushing insulators in metal vessels of large-scale mercury rectifiers.