DE4224442C2 - Elektrisches Widerstandsheizelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Elektrisches Widerstandsheizelement und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandsheizelement sowie ein
Verfahren zu seiner Herstellung.
Wegen der Unterschiede der Materialeigenschaften ist es generell mit Schwierigkei
ten verbunden, eine dauerhaft haltbare, elektrisch leitende Verbindung zwischen
einem metallischen und einem keramischen Material zu schaffen. Diese Probleme
können auf Unterschieden in der Struktur der Materialien beruhen, was bedeutet,
daß die Haftung zwischen den Materialien sich verschlechtert. Dies kann aber auch
auf Oberflächenschichten, z. B. aus Oxyd, beruhen, die an vielen Materialien leicht
gebildet werden. Auch der Unterschied in z. B. dem Längenausdehnungs-Koeffizient
kann erhebliche Probleme bereiten, wenn die verbundenen Materialien sich in einer
Umgebung mit wechselnden Temperaturen befinden.
Andere Probleme betreffen z. B. die elektrische Leitfähigkeit, die sowohl von den
Eigenschaften der Materialien als auch von Oxyd- und anderen Oberflächenschichten
beeinflußt werden kann.
Sämtliche oben erwähnten Probleme treten auf, wenn ein metallisches Material mit
einem keramischen Material, das ein Teil eines elektrischen Widerstandsheizele
ments bildet, verbunden werden und das metallische Material den Anschluß für die
Zuleitung des elektrischen Stroms darstellen soll. In einem solchen Fall kann die
Temperatur an der Verbindungsstelle der Materialien um mehrere hundert Grad va
riieren.
Um Probleme der Haftung zwischen keramischen und metallischen Materialien zu
vermeiden, ist es bei einer Verbindung eines metallischen Verdichterrades auf einer
keramischen Welle bekannt (DE-37 11 489 A1), eine Hülse einzufügen, die mit bei
den zu verbindenden Teilen auf unterschiedliche Weise verbunden wird, mit der Na
be des Verdichterrades zum Beispiel durch einen Axialpreßsitz und mit der Welle
zum Beispiel durch Reibschluß oder durch Stoffschluß, im letzteren Falle beispiels
weise durch einen Kleber oder ein Lot. Diese bekannte Methode läßt keine zufrie
denstellenden Ergebnisse für Anwendungen erwarten, bei denen die Stromdichte in
der Verbindung der Teile hoch und die Anzahl der Temperaturzyklen im Betrieb
groß ist. Als Temperaturzyklen sind hierbei Temperaturschwankungen von mehr als
100°C Unterschied zwischen der höchsten und der niedrigsten Temperatur zu ver
stehen. In gewissen Fällen kann bei Widerstandsheizelementen der Unterschied der
Elementtemperatur etwa 1500°C betragen, was maximal 600°C in der Verbindungs
stelle entspricht. Das trifft zum Beispiel zu bei Wärmequellen für Haushaltserdplat
ten o. dgl., für welche die Forderung nach einer totalen Betriebszeit von 2500 Stun
den in einem Zeitraum von 10 Jahren besteht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Widerstandsheizelement zu schaf
fen, das bei solchen Anforderungen einen sicheren Betrieb ermöglicht. Die Erfindung
löst diese Aufgabe durch ein Widerstandsheizelement mit den Merkmalen des
Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Widerstandsheizelementes
erfindungsgemäßer Ausbildung sieht vor, daß die zwischen dem metallischen und
dem keramischen Material angeordnete Lötschicht durch Einschmelzen eines Lots
zwischen das metallische und das keramische Material in reduzierender Atmosphä
re eingebracht wird. Eine nur nicht oxidierende Schutzatmosphäre hat sich als unzu
reichend gezeigt.
Eine geeignete reduzierende Gasmischung ist z. B. Wasserstoff-Stickstoff, beinhal
tend mindestens 5 Volumen-% Wasserstoff, vorzugsweise etwa 10 Volumen-%
Wasserstoff. Stickstoff kann völlig oder teilweise durch Inertgas, beispielsweise Ar
gon, ersetzt werden.
Bei der Herstellung von Lötverbindungen, auch zwischen Metallen und Keramiken,
ist es allerdings bekannt (DE-39 05 690 A1), die zu benetzenden und die benetzen
den Teile im Vakuum, in reduzierender oder in inerter Atmosphäre aufzuheizen und
anschließend erst den Benetzungsvorgang vorzunehmen, um Desoxydationen
und/oder Oberflächenkonditionierungen räumlich und zeitlich getrennt und damit
voneinander unabhängig durchführen zu können.
Das Metall, das für die Lötverbindung verwendet wird, muß eine hohe elektrische
Leitfähigkeit und gute Duktilität haben, um bei Temperaturänderungen plastisch de
formiert werden zu können, so daß Rißbildungen, vor allem im keramischen Materi
al. vermieden werden. Das Metall soll bei einer Spannung plastisch deformiert wer
den, die niedriger ist als die Spannung, bei welcher Bruch im keramischen Material
entsteht. Gewisse unlegierte Metalle haben gezeigt, daß sie die richtige Kombination
der Eigenschaften besitzen und für den Zweck verwendbar sind. Bevorzugtes
Material ist Silber. Auch Gold ist verwendbar, kommt aber aus Kostengründen nur in
sehr speziellen Anwendungen in Frage. In gewissen Fällen kann auch Kupfer ver
wendet werden.
Das metallische Material des Widerstandsheizelementes ist erfindungsgemäß als
Hülse ausgeführt, die über das äußere Ende des bevorzugt als Draht ausgebildeten
keramischen Materials aufgezogen wird. Für die Hülse wird am besten eine Legie
rung mit kleiner Wärmeausdehnung verwendet, so daß diese in derselben Größen
ordnung wie die des keramischen Materials liegt. Bei einem keramischen Material,
das hauptsächlich aus Molybdändisilicid besteht, ist der Längenausdehnungs-
Koeffizient 7-8.10-6/°C. Beispiele solcher Legierungen sind Vacon 70, das etwa 28 Gewichts-%
Nickel und 23 Gewichts-% Kobalt enthält, und Kovar, das etwa 29 Ge
wichts-% Nickel und 18 Gewichts-% Kobalt enthält. Der Rest besteht hauptsächlich
aus Eisen. Wenn vermutet wird, daß die Temperatur der Lötstelle im Betrieb 450°C
übersteigt, sollte die Hülse außen mit einer Oberflächenschicht, z. B. aus Nickel, be
legt werden, die Umgebungstemperaturen bis 600°C ermöglicht.
Bei der Zusammenfügung wird die Hülse mit der Öffnung nach oben gewendet, und
der keramische Draht wird in die Hülse eingesteckt, wobei die Dimensionen so an
gepaßt sein sollten, daß bei einem Drahtdurchmesser von 1-6 mm ein 0,025-0,1 mm
breiter Spalt zwischen den Materialien entsteht. Das Lotmaterial wird in Form
eines Drahtes zugeführt und eingeschmolzen, am besten durch induktive Erhitzung.
Vor dem Löten sollte das keramische Material sorgfältig gereinigt werden, z. B. durch
Sandstrahlen und Waschen.
Claims (6)
1. Elektrisches Widerstandsheizelement, bei dem ein Anschluß für die Zuleitung
von elektrischem Strom in Form eines hülsenförmigen metallischen Materials, wel
ches ein keramisches Material des Widerstandsheizelementes umgibt, über eine
zwischen den Materialien befindliche Lotschicht miteinander verbunden sind, wobei
das keramische und das metallische Material etwa den gleichen Längenausdeh
nungs-Koeffizienten haben und die Lötschicht bei mechanischer Spannung, die ge
ringer als die Bruchspannung des keramischen Materials ist, plastisch deformierbar
ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Widerstandsheizelementes nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen dem metallischen und dem
keramischen Material angeordnete Lötschicht durch Einschmelzen eines Lots zwi
schen das metallische und das keramische Material in reduzierender Atmosphäre
eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschmelzen
des Lots in einer Gasatmosphäre, bestehend aus mindestens 5 Volumen-% Was
serstoff, im übrigen hauptsächlich aus Stickstoff oder Inertgas, ausgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein
unlegiertes Metall mit einem Schmelzpunkt über 900°C verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das als Lot ver
wendete Metall Silber ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das verwendete keramische Material hauptsächlich aus Molybdändisilicid besteht.
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