DE2330169B2 - Loetverbindung und ihre verwendung sowie verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lötverbindung zwischen Gegenständen, die im wesentlichen aus mindestens einem der hochschmelzenden Metalle, hochschmelzenden Metallkarbide und hochschmelzenden Metailoxvden bestehen, welche Verbindung Titan

enthält.

Unter hochschmelzenden Metallen werden im folgenden Metalle verstanden, die einen Schmelzpunkt über 2400° C haben. Mit hochschmelzenden Metallkarbiden und hochschmelzenden Metalloxyden werden Metallkarbide und Metalloxyde gemeint, die einen Schmelzpunkt über 2000° C haben und bei der genannten Temperatur von 2000° C noch keine spürbare Zersetzung aufweisen. Beispiele derartiger Ma-

terialien sind Wolfram, Tantal, Molybdän, Rhenium, Osmium, Iridium, Niobium, Tantalkarbide, Wolframkarbide und Aluminiumoxyde.

Es ist bekannt, daß eine Verbindung zwischen Wolframgegenständen durch Schweißen erhalten werden kann. Dabei wird zwischen den Gegenständen eine Zone geschmolzenen Wolframs angebracht, die nach Abkühlung die Verbindung zwischen den Gegenständen bildet. Eine derartige Schweißverbindung ist jedoch sehr spröde und schwach, hauptsächlich weil

*° infolge der beim Schweißen erforderlichen sehr hohen Temperaturen eine Rekristallisierung des Wolframs in und in der Nähe der Schweißung auftritt.

Die US-PS 2993112 beschreibt ein Verfahren zum Verschweißen von Wolframgegenständen, wobei an

^a5 der Schweißstelle eine Menge Titan angebracht wird, wonach die Schweißstelle in einer inerten Atmosphäre auf eine derartige Temperatur erhitzt wird, daß das Wolfram in der Nähe der Schweißstelle schmilz, und mit dem geschmolzenen Titan vermischt wird. Obschon die auf diese Weise erhaltene Schweißverbindung selbst nicht spröde ist, stellt sich heraus, daß infolge der zum Schmelzen des Wolframs erforderlichen hohen Temperatur eine wesentliche Rekristallisierung und ein Kristallkornwachstum des Wolframs in der Nähe der Schweißstelle auftritt, wodurch die Gegenstände nur eine geringe mechanische Festigkeit aufweisen.

Aus der US-PS 3 365779 ist ein Verfahren zum Verlöten von Gegenständen aus Wolfram mit Gegenständen aus gesintertem Aluminiumoxyd bekannt. Dabei *ir i an der Lötstelle zwischen den Gegenständen eine Menge Titan angebracht, wonach die Lötstelle bis maximal etwa 1800" C in einer inerten Atmosphäre erhitzt wird. Eine derartige Lötverbindung weist eine befriedigende mechanische Festigkeit auf. Sie weist jedoch den Nachteil auf, daß sie gegen Temperaturen, die sich dem Schmelzpunkt von Titan (etwa 1800° C) annähern, nicht beständig ist. Weiter stellt es sich heraus, daß das Titanlot bei Temperaturen weit unterhalb des Schmelzpunktes von Titan bereits in wesentlichem Maße verdampft.

In vielen Fällen ist es erwünscht, eine Lötverbindung zwischen Gegenständen aus hochschmelzendem Material zu haben, die auf eine Temperatur von beispielsweise 1400 bis 1600° C gebracht werden kann, ohne daß diese Verbindung dabei unzulässig schwach wird und ohne daß dies zu einer großen Verdampfung des Lötmaterials führt. Eine derartige Verbindung konnte beispielsweise mit großem Vorteil zum Befestigen einer Elektrode fur eine Hochdruckgasentladungslampe an einem Stromzuführungsleiter verwendet werden.

Zum Befestigen einer Wolframelektrode an einem Wolframstromzuführungsleiter ist es bekannt, ein niedrigschmelzendes Lot, beispielsweise Platin, zu verwenden. Die Verwendung von Platin weist jedoch den Nachteil auf, daß die Elektrode im Betrieb der Lampe sich leicht löst. Die Lötverbindung kann näm-

lieh in der Lampe eine Temperatur von beispielsweise 1400 bis 1500" C erreichen. Weiter ist der Dampfdruck von Platin bei diesen Temperaturen unzulässig hoch. Auch ist es bekannt, fur die Verbindung der Elektrode mit dem Stromzuführungsleiter ein hochschmelzendes Lot zu verwenden, beispielsweise Molybdän, das einen gunstigen Dampfdruck aufweist. Der Schmelzpunkt von Molybdän ist jedoch sehr hoch (etwa 2600° C), so daß infolge dei erforderlichen hohen Löttemperatur eine starke Rekristallisierung des Stromzufuhrungsleiters und. oder der Elektrode auftritt um die Lötstelle herum, wodurch eine rchwache Elektrodenkonstruktion erhalten wird.

Die Ei-findung bezweckt nun, eine Lötverbindung zwischen hochschmelzenden Materialien zu schaffen, welche die obenstehend beschriebenen Nachteile der bekannten Lötverbindungen nicht aufweist und die ohne Bedenken auf sehr hohe Temperaturen gebracht werden kann.

Eine derartige Lotverbindung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die äußere Oberflächenschicht der Lötverbindung aus Titannitrid besteht.

Eine solche Lotverbindung weist eine sehr große mechanische Festigkeit auf, welche auch bei hohen Temperaturen beibehalten wird. Es hat sich herausgestellt, daß sich diese Lötverbindung sogar bei Temperaturen, die um Hunderte von Grad höher sind als der Schmelzpunkt von Titan (etwa 1800° C), nicht löst. Dabei kann die Titannitridschicht relativ dünn sein. Die Titannitridschicht :n einer Lötverbindung nach der Erfindung bietet weiter den Vorteil, daß sie einen ausgezeichneten Schutz vor dem Freiwerden von Titandampf bietet. Der Dampfdruck von Titannitrid selbst (Schmelzpunkt etwa 2950° C) ist sehr niedrig. Ein wesentlicher Vorteil einer erf indungsgemaßen Lötverbindung ist, daß sie bei verhältnismäßig niedriger Temperatur erhalten werden kann, so daß die mechanischen Eigenschaften der zu verlötenden Gegenstände nahezu nicht beeinträchtigt werden.

Die Dicke der Titannitridschicht in einer erfindungsgemäßen Lötverbindung kann man zwischen weiten Grenzen wählen. Bevorzugt werden jedoch Titannitridschichten, deren Dicke mindestens 1 μχη beträgt. Dann ist nämlich eine ausreichende Stärke bei höheren Temperaturen und eine gute Abschirmung des Titanmetalls in der Lötverbindung gewährleistet. Es ist möglich, daß die Lötverbindung völlig aus Titannitrid besteht.

Eine besonders vorteilhafte Verwendung der Lötverbindung nach der Erfindung liegt in der Befestigung einer aus mindestens einem der Metalle Wolfram und Tantal bestehenden Elektrode einer Hochdruckgasentladungslampe, insbesondere einer Xenon-Kurzbogenlampe, mit einem Stromzuiuhrungsleiter, der aus mindestens einem der Metalle Wolfram, Molybdän und Tantal besteht. Das Wolfram und/oder Tantal des Elektrodenmaterials läßt sich mit beispielsweise Thoriumoxyd, Rhenium oder Tantalkarbid vermischen bzw. legieren.

Bevorzugt wird eine Verwendung einer Lötverbindung nach der Erfindung bei einer Elektrode, die aus einem zylinderförmigen Körper mit einem kegel- oder kugelförmig ausgebildeten Angriffspunkt für die Entladung besteht, wobei die vom Angriffspunkt abgewandte Endfläche der Elektrode ein Loch aufweist, in dem der Stromzuführungsleiter mit Hilfe von Titanlot befestigt ist. dessen äußere Oberflächenschicht in Titannitrid umgewandelt ist. Eine derartige Elektrodenkonstruktion »"eist eine große mechanische Festigkeit auf. Zum Verlöten des Stromzufuhrungsleiters mit der Elektrode kamt nämlich eine Temperatur ausreichen, die nicht viel höher ist als der Schmelzpunkt von Titan. Rekristallisierung und dadurch eine Versprodung der Elektrode und des Stromzufuhru'.igsleiters wird dabei praktisch völlig vermieden. Die Lötverbindung, insbesondere die Lötverbindung zwischen einem Stromzuführungsleiter und einer Elektrode, wird vorzugsweise unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt, dns dadurch gekennzeichnet ist, daß in der Nähe der Lotstelle zwischen den im wesentlichen aus hochschmelzendem Metall, hochschmelzendem Metallkarbid und oder hochschmelzendem Metalloxyd bestehenden Gegenständen eine Menge Titan angebracht wird, daß die Lötstelle in einer Edelgasatmosphäre auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt von Titan erhitzt wird und daß die Lötstelle danach in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt und schließlich abgekühlt wird.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine Lötverbindung mit Titan hergestellt. Da-

*5 bei wird die Lötstelle mit Titan versehen und dann auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt von Titan erhitzt. Diese Erhitzung soll in einer Edelgasatmosphäre erfolgen, um Verunreinigung der Lötstelle und eine frühzeitige Bildung von Titannitrid an der Lötstelle zu vermeiden. Das Verlöten mit Titan kann man beispielsweise dadurch durchfuhren, daß die Lötstelle mit einer Hochfrequenzspule in der Edelgasatmosphäre erhitzt wird, bis das Titan zerfließt. Dabei ist nur eine kurze Zeit eine Temperatur erforderlich, die nicht viel höher ist als der Schmelzpunkt von Titan. Nach dem Herstellen der Titanverbindung, die nach Abkühlung ein graublaues Äußeres hat, muß die Lötstelle in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt werden. Es ist vorteilhaft, die Erhitzung in Edelgas ohne Unterbrechung und folglich ohne zwischenzeitliches Abkühlen in die Erhitzung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre übergehen zu lassen. Bei der zweiten Erhitzungsstufe wird das Titan oberflächlich nitriert. Die Dicke der dann gebildeten Titannitridhaut ist von der Temperatur und von der Stickstoffkonzentration beim Nitrieren und weiter von der Dauer der Nitrierung abhängig. Nach Abkühlung, was beispielsweise an der Luft, in Stickstoff, in einer inerten öder in einer reduzierenden Atmosphäre erfolgen kann, ist die Lötverbindung, die ein gold-gelbes oder bronzefarbenes Äußeres hat, fertig.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise Argon als Edelgas verwendet, weil dieses Gas billig und sehr rein erhältlich ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Erhitzung in einer s'ickstoffhaltigen Atmosphäre vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 1600 und 1900° C während mindestens 1 Sekunde. Dann ist nämlich die Bildung einer geeigneten Titannitridschicht gewährleistet. Wenn das Nitrieren bei Temperaturen unterhalb 1600° C erfolgt, ist die zur Bildung einer Nitridhaut mit einer gewünschten Dicke fur praktische Anwendungen erforderliche Zeit zu groß; Temperaturen über 1900° C sind weniger erwünscht.

weil dann die mechanischen Eigenschaften der zu verlötenden Gegenstände, beispielsweise durch Rekristallisierung, beeinträchtigt werden können.

Als stickstoffhaltige Atmosphäre wählt man bei ei-

nem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise Stickstoff oder ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff, weil dann die besten Titannitridschichten erhalten werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden an Hand einiger Versuche näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lötverbindung,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Elektrode, die für eine Xenon-Kurzbogenlampe geeignet ist.

Versuch 1:

Ein Wolframstab mit einem Durchmesser von 1,7 mm wird mit einem Ende gegen das Ende eines Wolframstabs mit einem Durchmesser von 2,5 mm gelegt, wobei an der Lötstelle zwischen den einander zugewandten Enden der Stäbe eine dünne Titanfolie angebracht ist. Mit Hilfe eines Hochfrequenzofens wird die Lötstelle unter Durchströmung von Argon (2 1 Min) aufgewärmt, bis das Titan verfließt. Dabei wird eine Temperatur von etwa 1850° C erreicht. Der Gasstrom durch den Ofen wird nun durch einen Stickstoffstrom (3 I/Min) ersetzt, wobei die Temperatur auf 1850° C konstant gehalten wird. Nach 8 Sekunden wird der Ofen ausgeschaltet, wodurch die Lötstelle abgekühlt wird. Beim Abkühlen führt man einen Strom (4,5 l/Min) unbrennbaren Mischgases (ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff) in den Ofen. Die auf diese Weise erhaltene Lötverbindung ist in Fig. 1 im Schnitt dargestellt. Diese Figur ist eine Skizze nach einem Lichtbild (hundertfache Vergrößerung) eines Schliffs der Lötverbindung. In Fig. 1 ist 1 der Wolframstab mit einem Durchmesser von 1,7 mm und 2 der Wolframstab mit einem Durchmesser von 2,5 mm. Durch 3 ist das Titanlot angegeben. Die gebildete Titannitridhaut 4 ist deutlich sichtbar und hat eine Dicke, die zwischen etwa 33 und 62 μπι schwankt. Deutlich geht hervor, daß die Haut 4 eine gut geschlossene Schicht bildet, die das Titanlot völlig bedeckt.

Auf entsprechende Weise, wie obenstehend beschrieben, wurde eine Vielzahl von Versuchen durchgeführt, wobei es sich herausgestellt hat, daß man die Dicke der Nitridhaut innerhalb weiter Grenzen regeln kann, und zwar durch geeignete Wahl der Umstände beim Nitrieren (Temperatur, Zeit, Stickstoffkonzentration).

Versuch 2:

Zwei Wolframstäbe (Durchmesser 1,6 mm) werden an ihren Enden miteinander verlötet. Dazu werden die Stäbe mit einer Menge Titan an der Lötstelle versehen und danach in einem Argonstrom auf eine Temperatur von etwa 1850° C erhitzt. Darauf werder die Stäbe während 6 Sekunden in einem Stickstoff strom bei dieser Temperatur gehalten und danach ab gekühlt. Messungen der Zugstärke (2 Versuche) erga ben die Werte 100 und 124 kg.

Zum Vergleich wurde die Zugstärke der Verbindung zwischen zwei gleichartigen Wolframstäben ge messen, die auf dieselbe Art und Weise, wie obenstehend beschrieben, mit Titan verlötet worden waren wobei aber die Erhitzung in Stickstoff nicht angewendet worden war. Die Zugstärke betrug (2 Versuche' in diesem Fall 112 und 114 kg. Ein Wolframstab mil einem Durchmesser von 1,6 mm, der auf etWE

¹S 1850° C erhitzt wurde (entsprechend der obenerwähnten Erhitzung beim Verlöten) ergab eine Zugstärke von 148 kg.

Versuch 3:

Die in Fig. 2 dargestellte Elektrode hat einen zylinderförmigen Elektrodenkörper 10 aus thoriumlegiertem Wolfram (Wolfram mit 1,5 Gewichtsprozent ThO₂) mit einem Durchmesser von 8 mm. Die Elektrode hat eine kegelförmige Spitze 12, die als An-

²S griffspunkt für die Entladung dient. Das Ende 13 des Elektrodenkörpers hat ein axial liegendes Loch 14 mil einem Durchmesser von 3,5 mm. Im Loch 14 ist ein aus Wolfram bestehender Stromzuführungsleiter 15 mit einem Durchmesser von 2,5 mm festgelötet. Die Lötverbindung ist dadurch erhalten worden, daß ir das Loch 14 etwa 25 mg Titan gebracht wird und die Elektrode, die Spitze nach unten, samt Stromzuführungsleiter 15 in einem Hochfrequenzofen in einem Argonstrom erhitzt wurde, bis das Titan geschmolzer war. Danach ist bei einer Temperatur von etwa 1850° C 10 Sekunden lang Stickstoff durch den Ofer geführt. Dabei entsteht auf dem Titanlot 16 eine Titannitridhaut 17 mit einer durchschnittlichen Dicke in der Größenordnung von 50 μιτι.

Um die Temperaturbeständigkeit der auf diese Weise erhaltenen Elektrodenkonstruktion, die sich für eine Xenon-Kurzbogenlampe eignet, zu untersuchen, ist die Konstruktion in einem Ofen vertikal arr Stromzuführungsleiter, den Elektrodenkörper nach

unten gerichtet, aufgehängt und danach unter Argor bis etwa 2500 bis 2600° C erhitzt worden. Dabe stellte es sich heraus, daß der Elektrodenkörper sich nicht vom Stromzuführungsleiter löste.

Auf völlig entsprechende Weise, wie bei den oben-

5" stehenden Versuchen angegeben, die sich auf Lötverbindungen aus im wesentlichen aus Wolfram bestehenden Körpern bezog, lassen sich Lötverbindunger von Gegenständen aus den anderen genannten hochschmelzenden Materialien herstellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Lotverbindung zwischen Gegenstanden, die im wesentlichen aus mindestens einem der hochschmelzenden Metalle, hochschmelzenden Metallkarbide und hochschmelzenden Metalloxyden bestehen, welche Verbindung Titan enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die äußere Oberflächenschicht der Lötverbindung aus Titannitrid besteht.

2. Lötverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Titannitndschicht eine Dicke von mindestens 1 μπι hat.

3. Verwendung einer Lötverbindung nach Ansprucn 1 oder 2 zum Befestigen einer aus mindestens einem der Metalle Wolfram und Tantal bestehenden Elektrode einer Hochdruckgasentladungslampe, insbesondere einer Xenon-Kurzbogenlampe, mit einem Stromzuführungsleiter, der aus mindestens einem der Metalle Wolfram, Molybdän und Tantal besteht.

4. Verwendung einer Lötverbindung nach Anspruch 3 bei einer Elektrode, die aus einem zyhnderförmigen Körper mit einem kegel- oder kugelförmig ausgebildeten Angriffspunkt für die Entladung besteht, wobei die vom Angriffspunkt •bgewandte Endfläche der Elektrode ein Loch aufweist, in dem der Stromzuführungsleiter mit Hilfe von Titanlot befestigt ist, dessen äußere Oberflächenschicht in Titannitrid umgewandelt ist.

5. Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 2 oder zum Verlöten eines Stromzuführungsleiters mit einer Elektrode ■ach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Lötstelle zwischen den im wesentlichen aus hochschmelzendem Metall, hochschmelzendem Metallkarbid und oder hoch-•chmelzendem Metalloxyd bestehenden Gegenständen eine Menge Titen angebracht wird, daß die Lötstelle in einer Edelgasatmosphäre auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt von Titan erhitzt wird und daß die Lötstelle danach in einer «tickstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt und schließlich abgekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Edelgas Argon verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung in einer stickitoffhaltigen Atmosphäre bei einer Temperatur !wischen 1600 und 1900° C während mindestens 1 Sekunde erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die stickstoffhaltige Atmosphäre aus Stickstoff oder einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff besteht.