DE1957415B2

DE1957415B2 - Keramik metallbindung und verfahren zur herstellung einer solchen bindung

Info

Publication number: DE1957415B2
Application number: DE19691957415
Authority: DE
Inventors: Paul J. Cupertino Calif. Jorgensen (V.StA.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-11-14
Filing date: 1969-11-14
Publication date: 1971-12-09
Also published as: BE741290A; FR2023293A1; DE1957415A1; US3598435A

Description

Die Erfindung betrifft Keramik-Metallbindungen bzw. Keramik-Metalldichtungen und insbesondere Dichtungen, die zwischen einem wärmebeständigen Metall und einem Aluminiumoxydkörper mittels einer Dichtung geschaffen werden, die einen hohen Anteil 5 an Aluminiumoxyd enthält und normalerweise in den sogenannten »Lucalox«-Lampen verwendet wird. In diesen Lampen können Alkalimeialldämpfe Teile der Lampe angreifen und außer Betrieb setzen.

Es ist bekannt, daß bei den bisherigen Verfahren zum Verbinden von keramischen Teilen mit anderen keramischen Teilen oder wärmebeständigen Metallteilen im allgemeinen ein Metallfilm auf der Oberfläche des keramischen Oxyds angebracht vvu-.de. Unter den bekannten Verfahren ist das Moly'odän-Manganverfaü/en zu erwähnen, bei dem auf der Oberfläche des keramischen Teiles eine Mischung »us Manganpulver und Molybdänpulver gebrannt wird. Bei dem Hydridverfahren wird ein Titanhydrid oder ein Zirkonhydrid auf die Oberfläche des keramischen Körpers gebracht und mittels Erhitzung in einer nicht oxydierenden Atmosphäre zersetzt, um eine metallische Schicht zu bilden, die anschließend mit einem schmiedbaren Lötmittel verbunden werden kann. Dieses Verfahren ist in der USA.-Patentschrift 2 928 755 beschrieben.

Ein weiteres Verfahren wird als das Aktivlegierungsverfahren bezeichnet. Lei diesem Verfahren werden die Teile miteinander > erbunden bzw. vorsiegelt, indem ein geschmolzenes Lot gebildet wird, wobei ein reaktionsfähiges Metall, wie beispielsweise Titan oder Zirkon zwischen den Teilen vorhanden ist, die miteinander verbunden werden sollen. Diese Verfahren können zwar zu bestimmten Arbeitszwecken verwendet werden, jedoch sind die Temperaturen, bei denen diese Dichtungen bzw. Bindungen verwendet werden können und bei denen Dichtungen unversehrt bleiben, im allgemeinen begrenzt auf einen Bereich von etwa 400 bis 600 C.

Das in der deutschen Auslegeschrift 1 004 989 beschriebene Verfahren betrifft die Herstellung von vakiiumdichten Hüllen aus Metall- und Keramiktdlen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß Metallbau teile und Bauteile aus feuerfestem Material so /usammengesetzt werden, daü sie die Hülle bilden, wobei Metallbcilagen zwischen benachbarten Teilen eingelegt werden, dann die Hülle evakuiert und die Bauteile sowie die Beilagen erhitzt werden, bis die Beilagen und Teile der Bauteile, die in Berührung mit den Beilagen stehen, schmelzen, die Hülle abdichten und die Bauteile miteinander verbinden. Dieses Verfahren dient zur Herstellung von elektrischen Ent· ladungseinrichtungen; dabei werden die Metallteile mit den Keramikteilen verbunden und dadurch Vorrichtungen geschaffen, die auf eine genügend hohe Temperatur erhitzt werden können, um die Kathode ohne Erzeugung eines schädlichen Dampfdruckes von Röhrenteilen zu aktivieren. Dadurch wird eine Verunreinigung des Innenraumes der elektrischen Entladungseinrichtung und auch die Notwendigkeit für eine getrennte Erhitzung des Heizdrahtes vermieden. Die nach diesem Verfahren hergestellten Verbindungen können jedoch nur geringeren Temperaturen standhalten. Diese Verbindung eignet sich auch nicht für Zwecke, bei denen auf jeden Fall reaktionsfähige Alkalimetalldärapfe entstehen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine

verbesserte Keramik-Metallbindung bzw. -dichtung zu schaffen.

Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, daß eine verbesserte Dichtung oder Bindung zwischen einem hitzebeständigen Metallkörper und einem durchscheinenden keramischen Körper aus Aluminiumoxyd hergestellt werden kann, wenn die Metalloberfläche, die mit dem Aluminiumoxydkörper verbunden werden soll, aus Zirkon besteht, und zwar entweder als ein darauf befindlicher metallischer Überzug, der als ein legierender Bestandteil mittels Metallierung hineindiffundiert ist, oder als ein Hauptbestandteil des Metallkörpers. Die Bindung wird durch ein an AU-O.j-reiches Glas bzw. eine Dichtungsmasse zwischen dem auf der Oberfläche vorhandenen Zirkon und der danebenliegenden Aluminiumoxyd-Keramikoberfläche bewirkt. Zumindest ein Teil des Zirkons wird während der Bildung der Dichtung durch das geschmolzene Glas oxydiert.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metalldichtung bzw. -bildung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Oberfläche eines keramischen Körpers mit einer Oberfläche eines hitzebt-ständigen Metallkörpers in angrenzender Verbindung gebracht wird, wobei die Metalloberfläche metallisches Zirkonium enthält, und der Metallkörper mit dem Keramikkörper mittels einer Dichtungsmasse verbunden bzw. versiegelt wird, wobei aus Zirkonium der Metalloberfläche während des Verbundverfahrens oxydiert wird.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung im einzelnen erläutert.

Die Zeichnung zeigt einen vergrößerten Schnitt durch einen Teil einer Lampe, in der die Keramik-Metalldichtung nach dt Erfindung verwende! wird.

Die Lichtbogenröhre 10 einer solchen Lampe besteht aus einem durchscheinenden polykristallinen Aluminiumoxid enthaltenden keramischen Material, das zumindest aus 99.5 °/i. Aluminiumoxyd besteht und das 100'^; u der theoretischen Dichte besitzt. Die Endkappe 11 ist aus Niob oder aus einer Zirkoniumlegierung des Niobs hergestellt. Jie Elektrodenanordnung 12 erstieckt sich durch die Endkappe 11 in den Innenruum der Lichtbogenröhre 10. Die Endkappe Il ist am Ende der Lichtbogenröhre 10 mittels einer Gasdichtung 13 abgedichtet, die mit einer Oberfläche 14 der Endkappe verbunden ist und /u den Oberflächen der Lichtbogenröhre, die daran angrenzen. Wenn sich die Lampe in Betrieb befindet, sind der Innenteil der Lichtbogenröhre, die Endkappe und die Glasdichtung Alkalimctaildämpfcn ausgesetzt, wie beispielsweise Natriumdämpfen bei Temperaturen der Größe von 800 C. Bei der Herstellung der Dichtung wird eine Suspension des fein vermahlenen Dichtungsglases auf dem Ende der Lichtbogen röhre angebracht und die Endkappe damit in Verbindung gebracht, während die Anordnung bis zum Schmelzpunkt des Dichtungsglases erhitzt wird. Dadurch schmilzt das Glas und füllt den Raum zwischen den angrenzenden und zueinanderpassenden Teilen der Endkappe und der Lichtbogeniöhre. Nach Abkühlung bildet sich dann die Dichtung.

Bei einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird das Zirkondioxyd an der Zwi schenflächenzone zwischen der Niobendkappe und dem Dichtungsglas angebracht, indem die Oberfläche des Niobkötpers zirkonidiert wird. Bei diesem Ver-

fahren wird ein gleichmäßig fester, anhaftender Überzug aus Zirkonium auf der Nioboberfiäche mittels elektrochemischer Abscheidung in einem Salzschmelzbad gebildet. Dieser Überzug befindet sich über einer Zikoniumschicht, die in das Metallsubstrat ä hineindirlundiert ist. Unter bestimmten Umständen ist es wünschenswert, eine zirkonidierte Obertläche zu schaffen, die eine an Zirkonium reiche Nioblegierung besitzt. Dazu läßt man Zirkonium in die Nioboberfläche hineindiffundieren, ohne daß eine wesentliehe dariiberliegcide Zirkoniumschicht oder nur eine sehr kleine Zirkoniumschicht geschaffen wird.

Alternativ kann eine Niob-Zirkoniumlegierung verwendet wenden, die eine geringe, jedoch wirksame Menge an Zirkonium enthält, und der Rest im wesentlichen aus Niob besteht.

Unter bestimmten Umständen kann die Endkappe im wesentlichen aus reinem Zirkoniummeiall hergestellt werden. Es ist bekannt, d^u bei einer Temperatur von etwa 862 C ein Phaseawechsel im Zirkonium stattfindet und zugleich eine Veränderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Wenn die Temperatur der Endkappen während des Betriebs der Lampe dieser Temperatur entspricht oder diese überschreitet, dann ist reines Zirkonium nicht zufriedenstellend. Es ist jedoch bekannt, daß der Zusatz relativ geringer Mengen bestimmter Elemente, wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff. Aluminium, Hafnium oder Zinn in wirksamer Weise diese übergangstemperauir erhöhen. Solche Legicrungen werden als »stabilisiertes Zirkonium« bezeichnet, und die Endkappen können aus einem solchen Material hergestellt werden, vorausgesetzt, daß sich die stabilisierenden Zusätze chemisch und physikalisch mit der Dichtungsmasse und dem Natriumdampf vertragen.

Lampen, die unter Verwendung der Metall-Keramikbindung bzw. -dichtung nach der Erfindung hergestellt wurden, zeigten eine bedeutend verbesserte Lebensdauer im Bereich von etwa 14 000 Stunden.

Die Dichtungsmassen nach der Erfindung können ebenfalls zur Herstellung \on vorteilhafte.! Glas-Metalldichtungen verwendet werden. Das in den Ansprüchen angeführte metallische Zirkonium bezieht sich auf Zirkonium, das in einem reinen bzw. in einem im wesentlichen reinen Zustand vorhanden ist. wie es beispielsweise in die Oberfläche eines anderen hitzebeständigen Metalls, wie beispielsweise Niob, hineindiffundicrt oder wie es beispielsweise als ein legierender Bestandteil vorhanden ist im Unter- ;o schied zum chemisch kombinierten Zirkonium, wie beispielsweise Zirkonoxyd.

Claims

Patentansprüche:

1 Verfahren zur Herstellung einer Keramik-Metalldiehtung bzw. -bindung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche eines polykristallinen Aluminiumoxydkörpers, der aus mindestens 99,5°, ο Aluminiumoxyd besteht, mit einer Oberfläche eines hitzebeständigen Metallkörpers in angrenzender Verbindung gebracht wird wobei die Metalloberfläche metallisches Zirkonium enthält, und der Metallkörper mit dem Keramikkörper mittels einer Dichtungsmasse verbunden bzw. versiegelt wird, das hauptsächlich aus Aiuminiumoxyd besteht, wobei das Ziikonium der Metalloberfläche während des Yerbundverfahrens oxydiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ιλγ hitzebeständige Metallkörper hauptsächlich aus Niob besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkonium an der Metalloberfläche in der Form einer zirkonidierten Schicht vorhanden ist, die aus metallischem Zirkonium besteht, das durch das Metallidieru:u:■-verfahren in das Niob hiiieindiffundiert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hitzebeständige Metallkörper im wesentlichen aus reinem Zirkonium besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkoniumkörper eine geringe, jedoch wirksame Menge eines Stabilisierunsselementes enthält.
6. Keramik-Metalldichtung bzw. -verbindung, szekennzeichnet durch einen piimär aus Niob. Zirkonium oder einer Niob-Zirkoniumlegienmg bestehenden Körper und einem damit mittels eines Dichtungsglases, das primär aus Aluminium besteht, "verbundenen Keramikkörper, wobei die Metall-Dichtungsglaszwischenfläche aus metallischem Zirkonium und einer abdichtenden Glas-Zirkoniumdioxydmischung besteht.
7. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, "daß der Metallkörper eine geringe. jedoch wirksame Menge eines Stabilisierungselcmentes enthält.
S. Dichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper aus einem polykristallinen Aluminiumoxyd besteht und mindestens 99.5" η Aluminiumoxyd enthält.
9. Verwendung der Kcramik-Metalldichtung nach der Verwendung in einer Lampe.

Hierzu 1 Blatt Ze-chnungen