DE4224442C2 - Elektrisches Widerstandsheizelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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.