DE2054040C3 - Verfahren zur Herstellung einer Drehanode für eine Röntgenröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß >'> dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Ein solches Verfahren ist aus der AT-PS 2 18 640 bekannt.

Infolge der Neuentwicklung im Gebiet z. B. der Röntgentomographie sind die jetzt den Drehanoden für solche Zwecke gestellten Anforderungen wesentlich " gestiegen.

Die Drehanode wird dabei wiederholt kurzzeitig belastet, wobei Strahlungsimpulse sehr hoher Intensität und genau definierter, reproduzierbarer Richtung verlangt werden. wi

Infolge dieser ganz anderen Art der Anodenbelastung können örtlich in der ringförmigen Elektronenauftreffbahn im Anodenteil der Drehanode äußerst hohe Temperaturen auftreten. Infolgedessen treten die bekannten, beeinträchtigenden Einflüsse der in den ·>"> Poren des porösen Materials eingeschlossenen Gasgemische auf die Lebensdauer einer Röntgenröhre eher auf, während die höheren Temperaturgradienten insbesondere im Grenzgebiet zwischen der Anode und dem Trägeneil höhere Anforderungen an die Wärmeübertragung und die Dauerhaftigkeit der Verbindung zwischen den Schichten stellen. Die zuletzt genannte Anforderung läßt sich schwer erfüllen, da im Betrieb Rekristallisierung auftritt, wodurch das Material mechanisch schwächer wird und x. B, weniger hohe Drehgeschwindigkeiten der Anode zulässig sind.

Beim Verfahren nach dem DE-Gbm 16 22 218 wird ein aus Wolframblech gestanzter Ring mVr einem Trägerteil aus Molybdän dadurch verbunden, daß die beiden übereinander gelegten Teile in einer Atmosphäre eines inerten Gases, wie Wasserstoff, geglüht werden, wobei gegebenenfalls Druck ausgeübt wird. Dieses Verfahren hat die Nachteile, daß die erforderlichen Öfen kostspielig sind und der Vorgang lange Zeit beansprucht. Dabei schwächt die mögliche Rekristallisierung den Trägerteil mechanisch, wenn bei diesem Vorgang eine hohe Glühtemperatur aufrechterhalten wird, bei der im Grenzgebiet zwischen den Teilen Material hin- und herdiffundiert.

Die Nachteile vorerwähnter Art bei Verbindung der Teile durch ein Glühverfahren gelten ebenfalls bei Verfahren, bei denen die Verbindung durch einen Sintervorgang erzielt wird.

Aus der AT-PS 2 18 640 ist ein anderes Verfahren bekannt, bei dem ein Preßstück mit einer oberen Schicht aus pulvrigem Wolfram und einer Unterlage aus Molybdänpulver gemeinsam vorgesintert und durch Formschmieden miteinander verbunden werden.

Der Erfinder hat dabei den Nachteil festgestellt, daß die Verfestigung des nach dem Sintern rekristallisierten und somit mechanisch schwachen Trägerteiles durch das Formschmieden in hohem Maße durch die Anwesenheit des durch die Sinterung anhaftenden Anodenteils behindert wird, der eine poröse Struktur aufweist und beim Formschmieden zwar in günstigem Sinne verdichtet aber gleichzeitig härter wird, so daß dadurch die Möglichkeit eines Bruchs im Laufe des Schmiedevorgangs zunimmt.

Die Erfindung hat die Aufgabe, ein einfaches, wenig kostspieliges, keine lange Zeit beanspruchendes Verfahren zu schaffen, bei dem die vorerwähnten Nachteile vermieden werden können und eine aus einem Anodenteil und einem Trägerteil bestehende Drehanode erhalten wird, die alle vorerwähnten Anforderungen erfüllt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung schafft insbesondere ein Verfahren, das eine Drehanodenscheibe liefern kann, die eine Materialdichte von mindestens 98% aufweist, auch wenn das Ausgangsmaterial des Anodenteils die Dichte von 98% nicht aufweist.

Durch die in Anspruch 4 angegebene Weiterbildung der Erfindung wird die Oxydation der Oberflächen der beiden Scheiben, die sich nachteilig auf deren Haftung auswirkt, verringert.

Das Verfahren nach der Erfindung hat den weiteren Vorteil einer großen Auswahl von Ausgangsmaterialien für den Träger- und Anodenteil, wodurch man den der Drehanode zu stellenden Anforderungen näher kommen kann.

Es kann eine Drehanode mit einem mechanisch besonders festen Trägerteil aus käuflich erhältlichen Materialien erhalten werden, die bereits die erwünschte hohe mechanische Festigkeit, die durch das Verfahren

nach der Erfindung nicht beeinträchtigt wird, aufweisen.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g, I die beiden Teile der Drehanode in einer perspektivischen Ansicht. Die Teile sind aufeinander in einer Schutzhülle untergebracht; deutlichkeitshalber sind Teile der Wände der Hülle weggelassen;

Fi g. 2 den nach dem Schlag erhaltenen Verbundkörper in einer perspektivischen Ansicht, wobei ein Sektor weggelassen ist; η·

F i g. 3 den Verbundkörper nach dem Abdrehen eines Randteiles;

Fig.4 den Verbundkörper, von dem ein Randteil über einen kleinen Winkel abgebogen und mit einem Achsloch versehen ist, so daß die endgültige Form der ι Drehanode erreicht ist

Ausführungsform I

Das Ausgangsmaterial des Anodenteiles ist ein Stab aus gesintertem Wolfram rechteckigen Querschnittes m von etwa 34 χ 23 mm, dessen Porosität einer Materialdichte von 60% bis 80% entspricht. Von diesem Stab werden Scheiben gesägt, die durch wiederhole'S Walzen zu einer massiven Platte mit einer Dichte von mehr als 90% mit einer Dicke von 5 bis 7 mm geplättet werden. -Aus dieser Platte wird darauf eine runde Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 49 mm geschnitten, die auf mindestens einer Seite möglichst flach durch Abdrehen und/oder Schleifen abgearbeitet wird, wodurch gleichzeitig eine reine, oxydhautfreie Oberfläche i erhalten wird.

Für den Trägerteil wird in diesem Beispiel von normalem, käuflich erhältlichem Material und von einer unter dem Namen »TZM« bekannten Molybdängußlegierung ausgegangen, die 0,55 bis 0,40, vorzugsweise r 0,50% Titan, 0,12 bis 0,06, vorzugsweise 0,08% Zirkon, und 0,03 bis 0,02, vorzugsweise 0,015% Kohlenstoff enthält, eine ausreichende Dichte von mindestens 98% aufweist und durch vom Hersteller bereits ausgeführte Temperatur- und Verformungsbehandlungen gut bear- w beitbar ist. Durch die Titan- und Zirkonzusätze im Molybdän, ist der Schmelzpunkt erniedrigt, wodurch dieses Material gießbar und die Rekristallisierungstemperatur auf 1800°C erhöht ist. Dadurch wird die bei der Herstellung der Drehanode erzielte Versteifung auch -n unter sehr hoher Betriebsbelastung aufrechterhalten, sofern die Temperatur des Trägerteiles unterhalb 1800° C bleibt.

Aus einem Stab dieses Materials wird eine Scheibe einer Dicke von z. B. 25 mm und mit einem Durchmesser ~>o von 49 mm gebildet, dm auf mindestens einer Seite durch übliche Schneidbearbeitungen glatt abgearbeitet ist.

Die Anoden- und Trägerscheiben werden darauf mit den glatten Seiten passend aufeinander gelegt, worauf ■ sie in einem Ofen auf eine Temperatur von etwa 165O⁰C erhitzt werden. Damit die aneinander liegenden glatten Oberflächen nicht oxydieren und sich zum Erzielen einer guten Haftung beim weiteren Schlagprozeß weniger gut eignen, wird die Temperaturerhöhung auf «> 1650°C im Ofen in einer nicht oxydierenden z. B. aus Stickstoffgas bestehenden oder einer reduzierenden /.. B. aus Wasserstoffgas bestehenden Atmosphäre durchgeführt. Der Schutz vor Oxydation wird noch dadurch verbessert, daß die Scheiben in einer hi schachtelartigen Hülle untergebracht werden, wie dies in Fig. I dargestellt ist. Diese Figur zeigt die Trägerscheibe 1 auf deiV_: Boden 2 einer zylindrischen Schachtel 3 mit einer Wanddicke von etwa 0,4 mm. Diese Schachtel besteht aus einem beim Ausführen des Verfahrens nicht schmelzenden, in bezug auf das Träger- und Anodenmaterial inerten Material ζ, Β. Molybdän, das durch Tiefziehen in die dargestellte Form gebracht ist. Deutlichkeitshalber sind Teile der Zylinderwand der Schachtel 3 und einer darin passenden, die Scheiben 1 und 6 eng umfassenden, zweiten Schachtel 4 mit einem Durchmesser von etwa 50 mm weggelassen. F i g. 1 zeigt weiterhin die dünne Anodenscheibe 6. Die beiden Scheiben 1 und 6 berühren einander in der Fläche 7 mit ihren reinen, glatt abgearbeiteten Oberflächen. Die engen Spalten zwischen den Scheiben und der Innenwand der Schachtel 4 und zwischen der Innenwand der Schachtel 3 und der Außenwand der Schachtel 4 bilden, wie dies durch die gestrichelte Linie 8 angedeutet ist, einen sehr engen Verbindungskanal, der möglichst lang ist, da die dickere Trägerscheibe 1 am Boden der Schachtel 4 zwischen der Umgebung und der Grenzfläche 7 der Teile 1 und 6 liegt Die Zufuhr von Sauerstoff aus der Umgebung wird dadurch gehemmt. Sobald die Teile in eine nicht oxydierende Umgebung geführt sind, ist der noch in der Hülle vorhandene Sauerstoff bald erschöpft dank dem geringen Volumen dieses Kanals, um so mehr da auch die auftretende Oxydation des Hüllenmaterials und auch der übrigen Oberflächen der Teile, wo die Oxydation nicht beeinträchtigend wirkt, Sauerstoff aufnimmt. Ein nicht in Fig. 1 dargestellter, straff gespannter Bindedraht, z. B. aus Molybdän, rings um die Außenfläche der Schachtel 3, der das Auseinanderfallen der gefüllten Schachtel 3 und der Schachtel 4 beim Versetzen verhütet, kann noch eine weitere Verbesserung des Verschlusses gegen die Umgebungsatmosphäre bis zu 100% ergeben.

Nach dem Erhitzen auf eine Temperatur von 1650⁰C in einem nicht dargestellten Ofen, werden die aufeinander gelegten Teile möglichst schnell einer Schnellverformungsschlagvorrichtung zugeführt

Mittels einer solchen Vorrichtung, die unter verschiedenen Namen käuflich erhältlich ist, kann ein Werkstück durch einen Schlag hoher Energie sehr schnell verformt werden. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wurde eine Vorrichtung des Typs »USI High Energy Rate Machine« verwendet.

Im Prinzip besteht die Maschine aus einem Hammer und einem Amboß (je etwa 350 kg), die mit großer Geschwindigkeit durch Antrieb mittels der Expansion eines stark komprimierten Gases in Richtung aufeinander zu bewegt werden.

Auf ein auf dem Amboß angebrachtes Werkstück, in diesem Falle auf die aufeinander gelegten Scheiben 1 und 6 der vorerwähnten Abmessungen und des erwähnten Materials, kann dabei in einem einzigen Schlag in einer Verformungszeit von etwa I msec eine Verformungsenergie von etwa 7000 m · kg übertragen werden, welcher Wert etwa 80% der Maximalkapazität der Maschine entspricht. Hierbei muß das Gas auf etwa 125 kg/cm² komprimiert werden.

Fig.2 zeigt de.ι bei diesem Beispiel der Erfindung erhaltenen Verbundkörper nach dem Schnellverformungsschlagprozeß mittels der vorerwähnten Presse, wobei die Scheiben 1 iinr' 6 in der Schachtel nach F i g. 1 untergebracht sind. Di* Gesamthöhe der aufeinander liegenden Scheiben ist durch den Schlag auf etwa ein Fünftel verringert, d. it. auf etwa 6 mm.

Der Durchmesser des Verbundkörpers 9 ist auf etwa 105 mm vergrößert, während die Ränder eine bestimm-

te Abnindung aufweisen. Die Molybdänhülle ist dabei geplattet und bildet auf der Ober- und Unterseite Abdeckschichten 10 und 11 geringer Dicke, die bei einer späteren Nachbearbeitung durch Abdrehen oder Abschleifen entfernt werden können.

Um die zur Verfugung stehende Verformungsenergie von etwa 7000 m · kg möglichst auszunutzen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Amboß und den Hammer auf den einander zugewandten Oberflächen mit einer Graphitschicht zu überziehen. Die Reibung zwischen diesen Flächen und dem Werkstück, dessen Durchmesser sich während des Schlags stark vergrößert, wird auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Es ergibt sich eine sehr feste Haftung zwischen dem Anodenteil und dem Trägerteil durch die Oberflächenvergrößerung der in F i g. I mit 7 bezeichneten Berührungsflächen in die in Fig. 2 mit 12 bezeichnete Haftoberfläche, die etwa fünfmal größer ist und durch den außerordentlich hohen Druck bei einer Temperatur, die infolge der kurzen Verformungszeit und also der geringen Wärmeabfuhr zu den Maschinenteilen nach Beendigung des Schlags nur etwa 300⁰C niedriger ist als die Temperatur von etwa 1650⁰C. mit der die Teile den Ofen verlassen. Die gute Haftung wird wahrscheinlich dadurch erhalten, daß der Durchmesser beider Scheiben zunimmt, wodurch in der Berührungsfläche die vorhandene Struktur und etwaige hinderliche Oxydschichten zerbrochen werden, wodurch gleichsam frisches Material, das noch nicht mit der Umgebung in Berührung gewesen ist. aus beiden Schichten unter sehr hohem Druck eine innige Verbindung herstellt. Da die Verformung sich mutmaßlich unter der Rekristallisicrungstemperatiir von 1800⁰C des Trägerteiles vollzogen hat, so daß von einer Kallverformung die Rede sein kann, liefert die durch den Schlag hervorgerufene starke Verformung außerdem eine hohe Versteifung des Trägerteiles.

Außer der erforderlichen Festigkeit und der guten Haftung kann das Verfahren auch eine gegebenenfalls notwendige Dichte von 98% im Anoden- und gegebenenfalls auch im Trägerteil ergeben, und zwar in diesem Beispiel dadurch, daß von Anoden- und Trägermaterial ausgegangen wird, das vor dem Schlag

auf mindestens 98% erhöht wird. Dieses Beispiel sowie die nachfolgenden Beispiele machen die überraschende Wirkung der Erfindung sehr auffällig, d. h. eine große Auswahl des Ausgangsmaterials; jedes Material kann mit Rücksicht auf die späteren, erforderlichen Eigenschaften der Drehanode optimal gewählt werden und die Drehanoden lassen sich einfach und wirtschaftlich serienweise herstellen. Die Ausgangsmaterialien einschließlich des V-.'olframs mit einer Dichte von 98% sind käuflich erhältlich. Da die Haftung gleichsam durch einen Kalt Verformungsprozeß hergestellt ist. was weiter unten noch näher erläutert wird, sind keine kostspieligen Öfen notwendig, die bei einem Sinter- oder Glühprozeß zur Herstellung der Haftung erforderlich sind. Dadurch wird eine gute Anpassung der Verformbarkeit der Materialien des Anoden- und Trägerteiles während des Schlagprozesses ermöglicht.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß das Material, insbesondere die Elektronenbündel-Auftreffstelle, des Anodenteiles keine Textur aufweist Dies ist günstig für die Strahlungseigenschaften des Anodenteiles unter besonderen Betriebsverhältnissen, in denen die Richtung des erhaltenen Röntgenstrahlenbündels wichtig ist, z. B. bei Röntgentomographie, wie vorstehend erwähnt.

Anschließend an den Schlagprozeß werden die im Material erzeugten, mechanischen Spannungen durch einen Glühprozeß behoben, der z. B. anderthalb Stunden lang in einer nicht oxydierenden Atmosphäre von Stickstoff und/oder Wasserstoff bei einer Temperatur durchgeführt wird, die hinreichend niedrig ist, um die gegebenenfalls erzielte Verfestigung aufrechtzuerhalten; dazu wird die Temperatur unterhalb der Rekristallisierungstemperatur des Trägerteiles gewählt. Diese Temperatur muß jedoch einen Wert überschreiten, bei dem die Fließgrenze des Materials verschwindet; diese sogenannte kritische Temperatur liegt bei Molybdän je nach vorhergehender Verformung bei einigen Hundert Grad Celsius. Wenn der Glühprozeß bei etwa 1000"C durchgeführt wird, kann diese Stufe des Verfahrens auf etwa anderthalb Stunden verkürzt werden.

F i g. 3 zeigt das Gefüge nach dem Abdrehen eines geeigneten Teiles 13 der Scheibe 9 nach F i g. 2 mit einem Durchmesser 3 von etwa 80 mm, wobei auch zurückgebliebene Teile einer I lulle nach F i g. 1 entfernt werden.

Die endgültige Form der Drehanode ist häufig schüsselartig. F.ine Scheibe 15 dieser Form nach F i g. 4 kann durch Kaltumsetzung eines Randteiles 16 bei etwa 1000°C erhalten werden.

In der Scheibe 15 wird darauf zur Befestigung der Drehanode an einer Drehwelle ein Loch 17 gebohrt.

Wenn während des Schlagprozesses die Teile I und 6 ungleichmäßig im Durchmesser vergrößert werden. ζ B. dadurch, daß bei der Bearbeitungstemperatur die Wolframanodcnschicht sich zu wenig oder doch kaum in bezug auf die Molybdänlegicrungsschicht verforint, so daß insbesondere in Richtung auf den Rand des Verbundkörpers die Dicke der Wolframschicht zu gering ist, oder die Haftung weniger gut ausfällt, kann eine Verbesserung durch Anpassung des Dickcnvcrhältnisses zwischen den Anoden- und Trägerscheiben erzielt werden. F.s hat sich erwiesen, daß dieses Verhältnis in einem Bereich zwischen I : 3 und 1 :6 bei der vorerwähnten Matcrialwahl nicht kritisch ist.

Ausführungsform Il

~..f :~. JI- J L J-- C-Ul

j: M

gleich dem des Beispiels I mit dem nachfolgenden

4) Unterschied. Der Anodenteil ist gleich dem des Beispiels I. Für den Trägerteil wird von Molybdän mit einem Prozentsat/ an Kaliumsilicat von (10 bis 50) · 10-⁴ ausgegangen, das durch Sinterung eines Gemisches aus pulverigem Molybdän und Kaliumsilicat

vi erhalten ist.

Das so erhaltene Material ist jedoch porös, hat eine Dichte von 50 bis 60% und hat infolgedessen eine größere Verformbarkeit als das >>TZM«-Material des Trägers nach Beispiel I. Daher muß zur Anpassung der Verformbarkeit an die der massiven Wolframanodenscheibe der Trägerteil eine geringere Dicke haben, damit nicht alle Verformungsenergie in den Trägerteil gelangt. Dies könnte jedoch eine zu dünne und somit möglicherweise schwache Trägerschicht der endgülti-

M) gen Anode mit sich bringen.

Obgleich also im Prinzip von porösem, gesintertem Trägermaterial ausgegangen werden kann, wird in diesem Beispiel eine durch Schmieden oder Plätten, z. B. durch die vorerwähnte »U-S.l. High-Energy Rate Machine« vorverdichtete Platte aus gesintertem Molybdän mit Kaliumsilicat als Zumischung als massives Ausgangsmaterial für den Träger mit einer Dicke entsprechend dem vorerwähnten Wert bevorzuet. Da

die Rekrjstallisierung eine bestimmte Zeit beansprucht und das Verfahren nach der Erfindung sehr kurz z. B. etwa 10-³sec dauert, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, bei dvnen die Haftung durch Sintern oder Glühen hergestellt wird, und die eine Zeit von mehreren Stunden beanspruchen, ist eine kurze Periode, während der das Trägermaterial möglicherweise die Rekristalli-, sierur^stemperatur überschreitet, bei dem Verfahren nach de/ Erfindung wenig beeinträchtigend für die beim

Schlagprozeß erzielte Festigkeitsverbesserung des Trägerteiles. Es isr nämlich möglich, daß bei der großen Energiezufuhr während der kurzzeitigen Verformung die Temperatur stark ansteigt, aber die Dauer ist zu kurz, um eine merkliche Rekristallisierung herbeizuführen, weshalb vorstehend bereits festgestellt wurde, daß die Verbindung als durch Kaltverformung hergestellt gedacht werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer geschichteten Drehanode für eine Röntgenröhre mit einer Auftreffschicht für die Elektronen, die hauptsächlich ^r> aus Wolfram und einem Trägerkörper, der hauptsächlich aus Molybdän besteht, wobei eine Scheibe, die hauptsächlich aus Wolfram und eine Scheibe, die hauptsächlich aus Molybdän besteht, bei höherer Temperatur unter Druck miteinander verbunden ι« werden und der erhaltene Verbundkörper in die gewünschte Form gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Scheiben (1, 6) aufeinandergelegt und durch einen einzigen Schlag so hoher Energie miteinander verbunden werden, i~> daß in einer Verformungszeit i.i der Größenordnung von einer Millisekunde unter plastischem Fließen der Materialien ihre Durchmesser vergrößert und ihre Dicke verringert werden, wonach der so gebildete Verbundkörper (9) zum Erzieien der jo endgültige* Drehanodenform einer Formbearbeitung unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderliegenden Scheiben vor dem Schlag in einer nicht oxydierenden Atmosphäre ;<". erhitzt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper nach dem Schlag und vor der Formbearbeitung bei einer Temperatur unterhalb der «> Rekristallisationstemperatur der Scheibenmaterialien spannungsfrei geglüht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinandergelegten Scheiben (1,6) in einer dünnwandigen r> Hülle (3,4) aus einem beim Sch.ag nicht schmelzenden in bezug auf die Scheibenmaterialien inerten Material angeordnet und darin erhitzt und dem Schlag ausgesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden ■»«> Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hauptsächlich aus Molybdän bestehende Scheibe (I) wenigstens einen Zusatz erhält, der die Rekristallisierungsgeschwindigkeit des Molybdäns verringert bzw. dessen Rekristallisierungstemperatur erhöht. ■»'·