DE3012322C2

DE3012322C2 - Glasige Dichtungsmasse aus CaO, BaO, Al↓2↓O↓3↓ und gegebenenfalls MgO zur Verwendung beim Verbinden mit Aluminiumoxidkeramik

Info

Publication number: DE3012322C2
Application number: DE19803012322
Authority: DE
Inventors: Ranajit Kumar East Cleveland Ohio Datta; Charles Irvin Shaker Heights Ohio McVey
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-04-02
Filing date: 1980-03-29
Publication date: 1983-05-05
Also published as: JPS55154378A; BR8001624A; MX155547A; GB2047227B; FR2453120A1; FR2453120B1; GB2047227A; DE3012322A1; JPS596277B2

Description

CaO BaO MgO AI₂O₃

32-42 biszul9 biszu 1 Rest auf 100

IO

nach Patent 2848801, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung 10 bis 19 Gew.-% BaO und zusätzlich bis zu 3 Gew.-% B₂O₃ enthält

2. Dichtungsmasse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung 1 bis 3 Gew.-% B₂O₃ enthält.

3. Dichtungsmasse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung kein MgO enthält und aus 36 Gew.-% CaO, 16 Gew.-% BaO, 2 Gew.-% B₂O₃ und 46 Gew.-% Al₂O₃ besteht

4. Verwendung der Dichtungsmasse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, zum Verbinden zweier Körper, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Körper aus Aluminiumoxid-Keramik das Entladungsrohr einer elektrischen Lampe und der zweite Körper aus Keramik ein Endverschlußstopfen aus Aluminiumoxid-Keramik ist

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Die Erfindung betrifft eine glasige Dichtungsmasse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Mit der Dichtungsmasse nach dem Patent 28 48 801 wird beim Verbinden von Teilen aus Aluminiumoxidkeramik bei der Herstellung elektrischer Lampen insbesondere ein geringerer Schwundsatz erzielt Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, in weiterer Ausbildung der Dichtungsmasse nach dem Patent 28 48 801 für ihre Verwendung beim Verbinden mit Aluminiumoxidkeramik die Benetzungs- und Fließeigenschaften der Dichtungsmasse zu verbessern, was ihren Gebrauch mit größeren Toleranzen ermöglicht, so und so den Schwundsatz bei der Herstellung elektrischer Lampen weiter verringert

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zusammensetzung der Dichtungsmasse 10-19 Gew.-% BaO und zusätzlich bis zu 3 Gew.-% B₂O₃, vorzugsweise 1 -3Gew.'% B₂O₃, enthält

Die Anwesenheit des B₂O₃ gestattet einen gegenüber dem Patent 28 48 801 weiteren BaO-Bereich und generell eine größere Toleranz bei der Verwendung der Dichtungsmasse.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der im einzelnen zeigen

F i g. 1 eine Lampe im Teilschnitt mit einem Bogenrohr aus Aluminiumoxidkeramik, bei der die neue Dichtungsmasse zum dichten Verbinden mit einer Metallendkappe eingesetzt ist, und

F i g. 2 eine andere Lampe im Teilschnitt mit einem

mg, bei der die neue Dichtungsmasse zum dichten Verbinden eines Keramikstopfens und einer metallischen Zuleitung durch den Stopfen eingesetzt ist,

Die in F ig, !gezeigte elektrische Lampe 1 hat ein Bogenrohr 2 aus gesinterter, hochdichter polykristaliiner Aluminiifflnoxidkefamik, Ein zentraler Teil des Rchres ist weggelassen worden, um die Figur m kürzen, und die innere Konstruktion ist im Sehnittbild des unteren Teiles ersichtlich. Für eine 4OO-Watt-Lampe ist das Bogenrohr z. B, 110 mm lang und hat einen Durchmesser von 7,5 mm.

Die Enden des Rohres 2 sind durch haubenartige Niobverschlüsse oder -endkappen 3,3' verschlossen, die hermetisch mittels der neuen Dichtungsmasse mit dem Keramikrohr 2 verbunden sind. Die Dichtungsmasse Ist bei 4 angegeben und befindet sich in dem Raum zwischen dem erweiterten Schulterteil 5 der Endkappe 3 und der Seite und dem Ende des Keramikrohres 2. Ein Niobröhrchen 6 tritt durch die Endkappe 3 hindurch und wird während der Herstellung der Lampe als Evakuierungsröhrchen benutzt und danach verschlossen. Einf thermionische Elektrode 7 ist in jedem Ende des Bogenrohres 2 montiert und wird durch das Niobröhrchen 6 getragen. Die Füllung des Bogenrohres kann aus einem Natriumamalgam und einem Inertgas, wie Xenon oder einer Neon/Argon-Mischung bestehen, um das Zünden zu erleichtern. Das Bogenrohr wird nicht in Luft betrieben, sondern in einer evakuierten äußeren, nicht dargestellten Umhüllung montiert, wodurch die Oxidation der Metallendkappen verhindert wird.

F i g. 2 zeigt eine andere Lampe, die aber einen mit der neuen Dichtungsmasse abgedichteten Keramikstopfen als Endverschluß aufweist Von dieser Lampe ist nur ein Endstück gezeigt und die Konstruktion der Lampe ist in der US-PS 40 65 691 dargestellt und beschrieben. Das Ende des Bogenrohres 2 aus Aluminiumoxidkeramik ist mittels eines mit Schulter versehenen Stopfens 11 aus Aluminiumoxidkeramik verschlossen, und durch diesen Stopfen 11 erstreckt sich e<ne zentrale Öffnung, durch die ein dünnwandiges Niobröhrchen 12 eingeführt ist, das als Evakuierungsrohr und Zuleitung dient Dieses Röhrchen 12 erstreckt sich nur für ein kurzes Stück durch den Stopfen 11 in das Rohr 2 hinein und ist darin mittels der bei 13 angedeuteten neuen Dichtungsmasse hermetisch abgedichtet Der Stopfen 11 seinerseits weist einen Halsteil auf, der sich in das Bogenrohr 2 erstreckt, dessen Ende gegen den Schulterteil des Stopfens 11 stößt Zwischen den beiden Teilen ist mittels der bei 14 angedeuteten neuen Dichtungsmasse eine hermetische Abdichtung geschaffen. Bei dieser Lampenkonstruktion ist die Elektrode 7 durch Anpressen des Auslaßrohres 12 bei 15 gehalten, wodurch der Elektrodenschaft 16 über eine beträchtliche Länge festgeklemmt ist

In der vorliegenden Erfindung ist erkannt worden, daß die Benetzungs- und Fließeigenschaften der Dichtungsmasse nach dem Patent 28 48 801, abgekürzt »G47« genannt, verbessert und die Gebrauchsanleitung weniger kritisch gemacht werden kann, indem man zu dieser Dichtungsmasse eine geringe Menge Boroxid B₂O₃ von nicht mehr als 3 Gew.-% hinzugibt.

Beim Abdichten von Bogenrohren aus Aluminiumoxidkeramik schreibt die Gebrauchsanleitung der Dichtungsmasse die Dichtungstemperatur, die Durchwärmzeit und die Dichtungsgeometrie vor. Diese Anweisung ist für einen gegebenen Ofen optimal abgefaßt und sie muß streng eingehalten werden. So

Kwin die Gepfauchsan'äwng ζ. Β, Yorssftreiben, daß die Ofentemperatur auf 155O⁰C erhöht, diese Temperatur 2 Minuten gehalten wird, was üblicherweise als Durchwärnweit bezeichnet wirdt und daß man dann den Ofen abkühlen l&ßtr Zur leichteren Herstellung ist es natürlich erwünscht, hinsichtlich der Gebrauchsanleitung eine möglichst große Toleranz; zu haberir

In der vorliegenden Erfindung wurde nun festgestellt, daß diese Toleranz bei der Anwendung der neuen Dichtungsmasse erweitert werden kann, die eine geringe Menge B₂O₃ bis zu 3 Gew.-% enthält, geeigneterweise von .1 bis 3 Gew.-% B2O3 und vorzugsweise etwa 2 Gew~-% B2O3.

Die Benetzungsfähigkeit der Dichtungsmasse, dh, ihre Fähigkeit, bei einer gegebenen Temperatur die Keramik oder das Metall zu benetzen, mit dan sie sich in Kontakt befindet und eine hermetische Abdichtung dazu herzustellen, ist auch von sehr großer Bedeutung. Das Benetzen nimmt mit der Durchwärmtemperatur zu, doch führt die Temperaturerhöhung zur Vergrößerung der Geschwindigkeit der Auflösung von AI2O3 aus der Keramik in der Dichtungsmasse, was andere Probleme erzeugt Die Zugabe eines geringen Anteile B2O3 innerhalb der angegebenen Grenzen verbessert die Benetzungsfähigkeit der Masse, ohne daß eine Erhöhung der Durchwärmtemperatur erforderlich ist

Um die Kristallisation der Dichtungsmasse der vorliegenden Erfindung zu charakterisieren, wurden zwei Zusammensetzungen mit den folgenden Gewichtsanteilen zubereitet:

1. CaO 36%, BaO 16%, B₂O₃ 2% und AI₂O₃46% und

2. CaO 38%, BaO 11 % und Al₂O₃ 51 %.

Eine qualitative Auswertung des Wachsens der 12 CaO · 7 AI₂O₃-Phase während des Abdichtens wurde vorgenommen, weil dies die thermische Ausdehnung der fertigen Dichtung merklich beeinflußt Durch Schmelzen der beiden Zusammensetzungen bei 1500⁰C wurden Glasproben erhalten, von denen jeweils ein kleiner Anteil 16 Stunden lang bei 850⁰C wärmebehandelt und danach untersucht wurde. Bei der Röntgenstrahldiffraktionsanalyse wurde keine Kristallisation der 12CaO-ZAl₂O₃-PhBSe beobachtet. Die kubische 12 CaO · 7 Al₂O₃-Phase, die innerhalb einer glasartigen Matrix auskristallisiert und darin eingebettet ist, kann man anhand ihrer quadratischen Außcnlinie erkennen, wenn man die Matrix unter einem beidäugigen Mikroskop betrachtet Bei den beiden vorgenannten Zusammensetzungen war diese Phase nicht nachzuweisen.

Um die Rolle von zusätzlichem A)₂O₃. auf die Kristallisation der Dichtungsmasse zu untersuchen, wurde in der obigen Zusammensetzung 2 5 Gew,-% zusätzliches AIaO₃ gelöst und die Periode 16 Stunden bei 850⁰C wlrmebehandejt, Auch hierbei konnte mittels der Röntgenstrabldiffraktionsanalyse oder unter einem beidäugigen Mikroskop das Wachsen der 12 CaO . 7 AbOrPnase nicht beobachtet werden. Das Experiment wurde durch Wärmebehandlung der Probe

für 16 Stunden bei 1200⁰C fortgesetzt, ergab aber das gleiche Ergebnis.

Weiter wurde die Wirkung geringer Zusätze von B₂O₃, die 3 Gew.-% nicht überstiegen, auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Dichtungsmasse G47 untersucht Bei einem Zusatz von 1 Gew.-% B₂O₃ ergab sich für den Temperaturbereich von 25 bis 600°C der mittlere Ausdehnungskoeffizient von 87 χ 10-'/⁰C und für 2 Gew.-% B₂O₃-Zusatz ergab sich ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient für den genannten Temperaturbereich von 88xlO-⁷/°C. Vergleicht man dies mit dem mittleren Ausdehnungskoeffizienten von 86 χ 10-⁷/°C für polykristalline Aluminiumoxidkeramik, dann zeigt sich, daß die Veränderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgrund des zugesetzten B2O3 vernachlässigbar ist.

Aus dem Vorstehenden wurde der Schluß gezogen, daß die Verringerung des unteren Bariumoxidgehaltes auf 10 Gew.-% das Kristallisationsverhalten des Dichtungsglases G47 nicht merklich ändert und daß die Zugabe von bis zu 3 Gew.-% B2O3 die erwünschte Zunahme bei der Benetzungsfähigkeit ergibt, ohne daß unerwünschte Nebeneffekte auftreten.

Eine bevorzugte Zusammensetzung sowie der nach der vorliegenden Erfindung zulässige Bereich in Gew.-% ergibt sich aus der folgenden Zusammenstellung:

Bevorzugte
Zusammensetzung

Zulässiger
Eereich

45 CaO	36%	32 bis 42%
BaO	16%	iO bis 19%
B₂O₃	2%	O bis 3%
MgO	-	O bis 1%
Al₂O₃	46%	Rest auf 100%

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentansprüche;

I, Glasige pjchwngsmesse w Verwendung beim Verbinden eines Körpers aus AJumwnjmoxWkeraT mijk mit etpem zweiten Körper aus Keramik oder einem hochschmelzenden iMetall, wobei diese Dichtungsmasse, an der Verbindungsstelle erstarrt, die folgende Zusammensetzung in Gew.-% aufweist;