DE2362870A1 - Loetverbindung - Google Patents

Description

Die Erfindtang betrifft eine Lötverbindung zwischen Gegenständen, die im wesentlichen aus mindestens einem der hochschmelzenden Metalle, hochschmelzenden Metallkarbide oder hochschmelzenden Metalloxide besteht, welche Verbindung Zirkon enthält. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine für eine Hochdruckgasentladungslampe bestimmte Elektrode, die mittels einer derartigen Lötverbindung an einer Stromzuleitung und auf einer Hochdruckgasentladungslampe mit einer derartigen Elektrode befestigt ist. Die Erfindung betrifft weiter ein V&rfahren zum Herstellen der erwähnten Lötverbindung«

Unteor hochschmelzenden Metallen seien nachstehend Metalle verstanden, deren Schmelztemperatur über 2400°C liegt. Mit hochschmelzenden Metallkarbiden und hochschmelzenden

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Metalloxiden sind Metallkarbide xvnd Metalloxide gemeint, deren Schmelztemperatur über 2000⁰C liegt und die bei der erwähnten Temperatur von 2000⁰G noch keine merkliche Zersetzung aufweisen. Beispiele derartiger Werkstoffe sind Wolfram, Tantal, Molybdän, Rhenium, Osmium, Iridium, Niob, Tantalkarbid, Wolframkarbid und Aluminiumoxid»

Bekanntlich kann eine Verbindung zwischen Wolframgegenständen durch Löten mit Zirkon erzielt werden. Dabei wird an die Lötstelle zwischen den Gegenständen eine Zirkonmenge gebracht, wonach die Lötstelle in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur von ungefähr 1700 bis 1750⁰G erhitzt wird, bei welcher Temperatur Schmelzerscheinungen auftreten. Diese Schmelzerscheinungen sind eine Folge der Bildung einer Zirkon-¥olfram-Legierung₉ deren Schmelztemperatur unter der Schmelztemperatur von Zirkon liegt (ungefähr·1850°0). Eine derartige Lötverbindung besitzt eine befriedigende mechanische Festigkeit, Sie weist jedceli den Nachteil auf, dass sie keine Temperaturen ausholt _B die in der NSIiβ der er-wälmten Temperatur von 1700 bis 1750⁰C lieg-θΏ,ο Felter stellt es sieh heraus, dass das Zirkonl©t bei Temperaturen_s die weit unter dieser Temperatur bleiben;, bei-ei'ös in bedeutendem Ausmass verdampft,

Jn vielen Fallen ±sfe es erwüsasclrfc,. über eine Lötverbindungzwisclaen Gegenstandes, aus hociischmslzendem Werkstoff zu verfügen, die sxtt ©in© Temperatur¹ von z_eB₀ 14OÖ bis 16OO°C gebracht werden IcS-EaJi₀ ©im© dass sie dabei masulässig gesehwäclrfc wird und ohrj.e dass dies au einer grossen Verdampfung des LGti-jerfcctoiTe/ rü]in.^T'ä_c EiLsis derar-tige Verbindung könnte.s.B»

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besonders zweckraässig zum Befestigen einer für eine Hochdruckgas entladungslampe bestimmte Elektrode an einer Stromzuführungsleitung angewandt werden.

Zum Befestigen' ein'er "Wolframelektrode an einer Wolframstromzuleitung ist es bekannt, ein niedrigschmelzendes Lot, z.B. Platin, zu verwenden, Der' Gebrauch von Platin hat jedoch den Nachteil, dass sich die Elektrode während des Lampenbetriebs leicht löst. Die Lötverbindung kann nämlich in der Lampe eine Temperatur von z.B. 14OO bis 1500⁰C erreichen, Weiter ist die Dampfspannung von Platin bei diesen Temperaturen unzulässig hoch. Atich ist es für die Verbindung von Elektrode und Stromzuleitung bekannt, ein hochschmelzendes Lot, z.B. Molybdän, zu verwenden, das eine günstige Dampfspannung besitzt. Die Schmelztemperatur von Molybdän ist jedoch sehr hoch (ungefähr 2600°C), so dass eine hohe Löttemperatur erforderlich ist. Bei einer derartigen hohen Löttemperatur tritt eine starke Rekristallisation der Stromzuleitung und/oder der Elektrode in der Umgebung der Lötstelle auf, was eine schwache Elektrodenkonstruktion ergibt.

Die Erfindung bezweckt, eine Lötverbindung zwischen hochschmelzenden Werkstoffen zu schaffen, die die vorerwähnten Nachteile der bekannten Lötverbindungen nicht aufweist und die ohne weiteres auf sehr hohe Temperaturen gebracht werden kann.

Eine erfindungsgemässe Lötverbindung zwischen Gegenständen, die im wesentlichen aus mindestens einem der hochschmelzenden Metalle, hochschmelzenden Metallkarbidö oder

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hochschmelzenden. Metalloxide besteht ₉ welche Verbindung Zirkon enthalt, ist dadurch gekennzeichnet, dass zu mindest die Sussere Oberflächenschicht der LSt-verbindung aus Zirkonnitrid besteht.

Eine solche erfindungsgemässe Lötverbindung hat eine sehr grosse mechanische Festigkeit. Diese Festigkeit bleibt auch bei hohen Temperaturen erhalten. Es hat sich herausgestellt, dass sich diese Lötverbindung sogar bei Temperaturen die veit über die Schmelztemperatur des Zirkons (ungefähr 185O°C) hinausgeht, nicht löst. Dabei kann die Zirkonnitridschicht verhältnismässig dünn sein. Die erwähnte Zirkonnitridschicht weist weiter den Vorteil auf, dass sie einen ausgezeichneten Schutz gegen das Freiwerden von Zirkondampf bietet. Der Dampfdruck von Zirkonnitrid selbst (Schmelztemperatur ungefähr 2980°C) ist sehr niedrig. Ein wichtiger Vorteil der erfindungsgeinässen Lötverbindung ist, dass sie bei verhältnismässig niedriger Temperatur hergestellt werden kann, so dass die mechanischen Eigenschaften der zu lötenden Gegenstände nahezu nicht nachteilig beeinflusst werden.

Die Dicke der Zirkonnitridschicht in einer erfindungsgemässen Lötverbindung kann man zwischen sehr weiten Grenzen wählen. Bevorzugt werden jedoch Zirkonnitridschichten, deren Dicke mindestens 1 Mikron beträgt. Dadurch ist nämlich eine genügende Festigkeit bei höheren Temperaturen und eine gute Abschirmung des Zirkonmetalls in der Lötverbindung gesichert. Es ist möglich, dass die Lötverbindung völlig aus Zirkonnitrid besteht«

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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsfomn der Erfindung wird durch eine erfindtingsgemässe Elektrode gebildet, die für eine Hochdruckgasentladungslampe bestimmt ist, welche Elektrode im wesentlichen aus mindestens einem der Metalle Wolfram und Tantal besteht und mittels einer Lötverbindung nach der Erfindung an einer Stromzuleitung befestigt ist, die im wesentlichen aus mindestens einem der Metalle Wolfram, Molybdän und Tantal besteht. Das Wolfram und/oder das Tantal des Elektrodenwerkstoffes kann z.B. mit Thoriumoxid, Rhenium oder Tantalkarbid gemischt oder legiert sein. Eine derartige erfindungsegmässe Elektrode kann ohne die Nachteile des Lösens oder der Bildung eines unerwünschten Metalldampfes in either Lampe auf hohe Temperatur gebracht werden.

Bevorzugt wird eine derartige erfindungsgemässe Elektrode, die aus einem im wesentlichen zylindrischen Körper mit einem Angriffspunkt für die Entladung, dex⁴ kegel- oder kugelförmig ausgeführt ist; besteht, wobei die vom Angriffspunkt abgewandte Stirnfläche der Elektrode ein Loch aufweist,, in dem die Stromzuleitung mittels Zirkonlot befestigt ist, und wobei die äussere Oberflächenschicht des Lotes in Zirkonnitrid umgewandelt ist. Ein derartiger Elektrodenaufbau weist den Vorteil einer grossen mechanischen Festigkeit auf. Beim Verlöten der Stromzuleitung mit der Elektrode kann man nämlich Temperaturen anwenden, die unter der Schmelztemperatur des Zirkons liegen. Rekristallisation land infolgedessen Versprödung von Elektrode und Stromzuleitung wird dabei

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praktisch völlig -vermiedene

Eine erfindungsgeniässe Elektrode wird vorzugsweise in einer Kurzbogensenonentlaöuiigslarape angewandt. In einer derartigen Lampe wird der Elektrodenaufbau nämlich sehr.hoch thermisch und mechanisch belastet« Die Elektrode kann in der Lampe Anode oder» Kathode, oder, im Falle einer wechselstrom— betriebenen Lampe_s abwechselnd Anode und Kathode sein·

Die Lötverbindung,, -insbesondere die LSi"/erbindung einer Stromzuleitung mit einer Elektrode· _s wird vorzugsweise nach einem Verfahren lier-.f-sstolltg das gemiss der Erfindung dadurch gekennzeichnet ±st_c dass is der Mäiia der Lötstelle zwischen den im wesentlichem aiis jaooliseiimelsendera Metall, hochschmelsendem MetaIUcarfcid nsM/adSL* hochschmelzendem Metall· oxid bestehenden Gegenstandes ©in® Sirkoniaenge angebracht wird, dass di® Lötstelle ia einsr Edelgasa-fcmöspliäre auf eins Teriiper-a.tits='. gebi^asSit ΐΐ±τύ₀ bai, der Beiaetsiaag Lötstelle s.nf'iii^±t'G ο ■ V3XÜ dass die Lot stelle darauf* in einer· stickstoffhaltigem AtM©spIiS!r-© ©riiitst tand selilissslich, kühlt wird.

Naeis. s&sLsta ssr-fiJacIiiaagsge-Ep-Si.se©:^. Tes

eine L8tverbiadiüag E=It Zisrkszs. geiaaeiit_o Dab©£ i-rlx-ά dis L3t~ stelle'mit 2±r-!s©Hi v<zTSQh.®n usxd d&isxi snasnisidest auf eis® der artige Teiapera^ui? SZ⁸MItS^₈ " Toe± des? BolKaelssr-selieiaitEage Benetzrm.g des= LStstsllo ausf"t3T"st©a_o Diese LlSttemperattsr iia allgemein©®, Haiiss-s (fl©ieli der¹ SeIiEieiateiEperatiis" des Zirlcoas sein« Ε©£»Εΐ LC"'ο©a ""σ-κ 'i'⁷Glfe'a,si @d©s³ wolfs^sisahaltiLgen Gegenstand«sa wird jcciooi; Äsi-©h o,;":,g E£Id-ias,g sisiuss? Tiali

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eine Benetzung der Lötstelle bei niedrigeren Temperaturen auftreten. Das Löten mit Zirkon soll in einer Edelgasatmosphäre erfolgen_f um Verunreinigung der Lötstelle .und eine vorzeitige Zirkonnitridbildung in der Lötstelle zu vermeiden. Das LSten mit Zirkon kann man z.B. durch Erhitzung der Lötstelle mit einer Hochfrequenzspule in der Edelgasatmosphäre durchführen, bis das Zirkon fliesst. Die verhältnismässig niedrige Löttemperatur braucht nur für eine kurze Zeit erhalten zu werden« Nach dem Herstellen der Zirkonverbindung, die nach dem Erkalten ein graues Aussehen hat, soll die Lötstelle in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt werden. Es ist vorteilhaft, die Erhitzung in Edelgas ohne Unterbrechungen, und somit ohne zwischenzeitliches Erkalten, in die Erhitzung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre übergehen zu lassen. Bei der zweiten Erhitzungsstufe wird das Zirkon oberflächlich nitriert. Die Dicke der dann gebildeten Zirkonnitridhaut ist von der Temperatur und von der Stickstoffkonzentration während des Nitrierens und weiter von der Dauer des Nitrierens abhängig. Nach dem Erkalten, was z.B. an der Luft, in Stickstoff, in einer inerten oder in einer reduzierenden Atmosphäre erfolgen kann, ist die Lötverbindung, die ein braun-bronzefarbenes Aussehen hat, fertig.

Bei einem erfindungsgemässen Verfahren wird vorzugsweise Argon als Edelgas angewandt, weil dieses Gas billig und äusserst rein erhältlich ist.

Bei einem erfindungsgemässen Verfahren findet die Erhitzung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre vorzugsweise

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auf eine Temperatur zwischen 1600 und 1900⁰C während mindestens 1 Sekunde statt. Dann ist nämlich die Bildung einer geeigneten Zirkonnitridschicht gewährleistet. Wenn das Nitrieren bei Temperaturen unterhalb 1600⁰C erfolgt, ist die erforderliche Zeit zur Bildung einer Nitridhaut mit einer gewünschten Dicke fUr praktische Anwendungen zu gross; Temperaturen über 1900⁰C sind weniger erwünscht, weil dann die mechanischen Eigenschaften der zu lötenden Gegenstände, z.B. durch Rekristallisation, nachteilig beeinflusst werden können.

Als stickstoffhaltige Atmosphäre wählt man bei einem erfindungsgemässen Verfahren vorzugsweise Stickstoff oder ein Gemisch aus Stickstoff und Edelgas, weil damit die besten Zirkonnitridschichten erzielt werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Versuche und einer Zeichnung näher beschrieben.

In der Zeichnung ist schematisch der Schnitt durch eine erfindungsgemässe Elektrode gezeigt, die sich für eine Kurzbogenxenonentladungslampe eignet. 1. Versuch

Zwei Wolframstäbe (Durchmesser 1,6 mm) werden mit . ihren Enden aneinander gelötet. Dazu werden die Stäbe mit einer Zirkonmenge an der Lötstelle versehen und darauf in einem Argonstrom auf eine Temperatur von 1700 bis 1750⁰C erhitzt. Anschliessend werden die Stäbe während etwa 15 Sekunden bei dieser Temperatur in einen Stickstoffstrom gehalten und danach abgekühlt. Messungen der Zugfestigkeit (2 Versuche) ergaben die Werte 100 und ikk kg.

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Zum Vergleich, wurde die Zugfestigkeit der Verbindung zwischen zwei gleichartigen Wolframstaben gemessen, die auf die gleiche Weise wie oben beschrieben mit Zirkon gelötet waren, wobei aber die Erhitzung in Stickstoff nicht angewandt worden war. Es stellte sich heraus, dass in diesem Falle die Zugfestigkeit in der gleichen Grössenordnung lag, 2. Versuch

Die in der Figur wiedergegebene Elektrode hat einen zylindrischen Elektrodenkörper 1 aus thoriertem Wolfram (Wolfram mit 1,5 Gew.$ ThO₂) mit einem Durchmesser von 8 mm. Die Elektrode weist eine kegelförmige Spitze 2 auf, die als Angriffspunkt für die Entladung dient. Das Ende 3 des Elektrodenkörpers hat ein axial angeordnetes Loch h mit einem Durchmesser von 3»5 nun. Im Loch 4 ist eine Wolframstromzuleitung 5 mit einem Durchmesser von 2,5 mm festgelötet. Die Lötverbindung ist dadurch erzielt, dass ins Loch h ungefähr 25 mg Zirkon gebracht und die Elektrode mit der Spitze nach, unten und mit der in das Loch h hineingeführten Stromzuleitung 5 in einem Hochfrequenzofen in einem Argonstrom erhitzt wird,,bis Benetzung mit dem Zirkon auftritt. Danach, wird bei einer Temperatur von ungefähr 175O°C während •20 Sekunden Stickstoff durch den Ofen geführt. Dabei entsteht auf dem Zirkonlot 6 eine Zirkonnitridhaut 7 ^mit-einer mittleren Dicke in der Grössenordnung von 50 Mikron«

Um die Temperaturfestigkeit des-so erzielten Elektrodenauf baus, der sich für eine Kurzbogenxenonentladungslampe eignet, zu untersuchen, ist das Ganze in einem Ofen an der

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Stromzuleitung mit dem Elektrodenkörper nach unten vertikal aufgehängt und anschliessend unter Argon erhitzt. Es stellte sich heraus, dass sich der Elektrodenkörper erst bei einer Temperatur von ungefähr 2100°C von der Stromzuleitung löste. Auf völlig analoge Weise, wie in den obigen Versuchen angegeben, die sich auf Lötverbindungen von im wesentlichen aus Wolfram bestehenden Gegenständen beziehen, können Lötverbindungen von Gegenständen aus den anderen erwähnten hochschmelzenden "i/erkstoffen hergestellt werden.

Claims (10)

PHN4 6682. 30.10.73. PATENTANSPRUECHE ί

1. Lötverbindung zwischen Gegenständen, die im we sent liehen aus mindestens einem der hochschmelzenden Metalle, hochschmelzenden Metallkarbide oder hochschmelzenden Metalloxide besteht, welche Verbindung Zirkon enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die äussere Oberflächenschicht der Lötverbindung aus Zirkonnitrid besteht.

2, LotVerbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zirkonnitridschicht eine Dicke von mindestens

1 Mikron hat.

3· Elektrode für eine Hochdruckgasentladungslampe, welche Elektrode im wesentlichen aus mindestens einem der Metalle Wolfram und Tantal besteht und mittels einer Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 2 an einer im wesentlichen aus mindestens einem der Metalle Wolfram, Molybdän und Tantal bestehenden Stromzuleitung befestigt ist.

4, Elektrode nach Anspruch 3 mit einem im wesentlichen zylindrischen Körper mit einem Angriffspunkt für die Entladung, der kegel- oder kugelförmig ausgebildet ist, und
wobei die vom Angriffspunkt abgewandte Stirnfläche der Elektrode ein Loch aufweist, in dem die Stromzuleitung mittels Zirkonlot befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die
äussere Oberflächenschicht des Lotes in Zirkonnitrid umgewandelt ist.

5. · Elektrode nach Anspruch 3 oder k für-eine Kurzbogenxenongasentladungslampe.

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6. Hochdruckgasentladungslampe mit einer Elektrode nach Anspruch 3» ^- oder 5·

7. Verfahren zum Herstellen einer Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 2, oder zum Verlöten einer Stromzuleitung mit einer Elektrode nach Anspruch 3» ^- oder 5» dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe der Lötstelle zwischen den im wesentlichen aus hochschmelzendem Metall, hochschmelzendem Metallkarbid und/oder hochschmelzendem Metalloxid bestehenden Gegenständen eine Zirkonmenge angebracht wird, dass die Lötstelle in einer Edelgasatmosphäre zu mindest auf eine Temperatur gebracht wird, bei der Benetzung der Lötstelle auftritt, und dass darauf die Lötstelle in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt und schliesslich abgekühlt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass als Edelgas Argon angewandt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre auf eine Temperatur von 1600 bis 1900⁰C während mindestens 1 Sekunde erfolgt«

10. Verfahren nach Anspruch 7» 8 oder 9* dadurch gekennzeichnet, dass die stickstoffhaltige Atmosphäre aus Stickstoff oder einem Gemisch von Stickstoff und Edelgas besteht.

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