DE60132264T2

DE60132264T2 - Glasierter keramischer Artikel, Metall-Keramik-Zusammenbau mit glasiertem keramischen Artikel sowie Vakuumschalter mit Metall-Keramik-Zusammenbau

Info

Publication number: DE60132264T2
Application number: DE60132264T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Nagoya-shi Makino; Atsushi Nagoya-shi Inagaki
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2021-02-10
Also published as: KR20010078782A; DE60132264D1; US6649856B2; EP1124237A2; EP1124237A3; JP4031895B2; EP1124237B1; US20010027960A1; JP2001220267A; KR100418835B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen glasierten keramischen Artikel, eine Metall- und Keramik-Baueinheit, die den glasierten keramischen Artikel aufweist, und einen Vakuumschalter, der die Metall- und Keramik-Baueinheit umfasst.
Vakuumschalter werden zur Kontrolle der Stromzufuhr breit eingesetzt, um dadurch eine angelegte Hochspannung kontrollierbar zu machen. Der Vakuumschalter umfasst ein Kontaktepaar, die innerhalb eines luftleer gemachten keramischen Körpers angebracht sind, um eine Funkenentstehung und einen Kurzschluss zu verhindern, was durch eine abgeschnittene Stromzufuhr begleitet sein kann, und dabei über eine gewährleistete Isolierung zu verfügen. Auf der äußeren Oberfläche des keramischen Körpers des Vakuumschalters wird generell eine Glasurschicht erzeugt, um die dielektrische Festigkeit und den Isolationswiderstand gegenüber einem Kurzschluss aufgrund von Oberflächenentladungen oder ähnlichem zu erhöhen. Die Glasurschicht ist auch zur Glättung der Oberfläche des keramischen Körpers wirksam und verhindert dabei seine Verschmutzung und erhöht seine chemische und mechanische Festigkeit.
Die Glasurschicht auf dem keramischen Hauptkörper wird durch Aufbringen einer Aufschlämmung der Glasur auf die Oberfläche des keramischen Hauptkörpers und Befeuern (welches Befeuerung als Glasurbrand bezeichnet wird) gebildet. Ein keramisches Material, das allgemein für solche Behälter, deren Isolierung wichtig ist, verwendet wird, ist Tonerde. Eine Glasur mit einem hohen Gehalt an Silikatglas und einem niedrigen Schmelzpunkt findet breite Verwendung, da die Glasurschicht auf einem gesinterten keramischen Hauptkörper durch Glasurbrand bei einer Temperatur von 1000 bis 1100°C gebildet wird.
Außerdem weist der keramische Körper des Vakuumschalters einen Metall- und Keramik-verbindenden Abschnitt auf, um daran ein Lichtbogenschild oder ähnliches anzubringen, welches innerhalb des Behälters zur Abschirmung der Kontakte eingebracht ist. Dieser Verbindungsabschnitt wird generell durch Löten gebildet. In diesem Zusammenhang wird, da die Löttemperatur niedriger als die Glasurbrand-Temperatur für die Glasur ist, der Glasurbrand zunächst vorgenommen, um die Glasurschicht auf dem Keramikbehälter anzubringen, und daraufhin ein metallisches Element an den glasierten Keramikbehälter gelötet. Da es ferner Anforderungen bezüglich der Bedingungen des Zusammenbaus bzw. der Fertigstellung für einen glasierten keramischen Artikel gibt, wenn dieser vom Keramikhersteller dem Schalterhersteller zugeliefert wird, es also z. B. erforderlich ist, die Herstellungsschritte bis zum Glasurbrand dem Keramikhersteller zuzuteilen und die Schritte des Lötens und die weiteren Schritte dem Schalterhersteller zuzuteilen, muss der Glasurbrandschritt vor dem Lötschritt durchgeführt werden.
Da allerdings beispielsweise aufgrund der Tatsache, dass die bisher verwendeten Glasuren eine Erweichungstemperatur aufweisen, die nahe der Löttemperatur liegt (z. B. 780°C im Falle des breit eingesetzten Ag-Cu-Lötmetalls), wird manchmal ein mangelhaftes Erscheinungsbild aufgrund von Oberflächenaufrauung erzielt, dessen Ursache auf das Löten zurückzuführen ist. Außerdem besteht dadurch die Neigung, dass Schmutz oder ähnliches, welcher einen metallischen Bestandteil als einer Hauptkomponente aufgrund von Kontaminationen in einem Brennofen (zum Beispiel Metall, Metalloxid oder ähnliches unter hohem Dampfdruck) enthält, an einer Glasurschicht haften bleibt, deren Oberfläche in dieser Weise aufgeraut ist, was zur Ursache für ein herabgesetztes Isolationsvermögen werden kann. Es wird angenommen, dass dieses Phänomen aus dem Grunde entsteht, dass der Oberflächenanteil der Glasurschicht etwas erweicht wird, wodurch in der Glasurschicht enthaltene Blasen aktiviert werden und im Oberflächenanteil auftauchen. Dieses Phänomen neigt besonders dann zum Auftreten, wenn der Lötschritt unter einer Hochvakuum-Bedingung von 1 × 10^–6 Torr oder weniger durchgeführt wird.
Demgemäß ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung eines glasierten keramischen Artikels, dessen Glasurschicht von einer höheren Erweich ungstemperatur im Vergleich zu einer herkömmlichen Glasurschicht ist und dessen Isolationsvermögen oder ähnliches aufgrund von Oberflächenaufrauung und Anhaften von Schmutz zum Zeitpunkt des Anlötens beispielsweise von metallischen Elementen schwer zerstörbar ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Metall- und Keramik-Baueinheit mit dem glasierten keramischen Artikel der vorangehend beschriebenen Beschaffenheit.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Vakuumschalters mit der Metall- und Keramik-Baueinheit der vorangehend beschriebenen Beschaffenheit.
Um die obigen Aufgaben zu erfüllen, wird gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ein glasierter keramischer Artikel mit einem aus Keramik hergestellten Hauptkörper und einer auf einer äußeren Oberfläche des Hauptkörpers gebildeten Glasurschicht bereitgestellt, wobei die Glasurschicht aus einer Glasur hergestellt ist, umfassend 60 bis 74 Gew.-% Si, wenn in Form von SiO₂ berechnet, und 16 bis 30 Gew.-% Al, wenn in Form von Al₂O₃ berechnet, wobei der glasierte keramische Artikel ein röhrenförmiges Element eines Vakuumschalters bildet.
Der oben beschriebene glasierte keramische Artikel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung der Glasurschicht so eingestellt ist, dass sie 60 bis 74 Gew.-% eines SiO₂-Bestandteils enthält, welcher ein Hauptbestandteil einer glasigen Substanz ist, und 16 bis 30 Gew.-%, d. h. eine große Menge, eines Al₂O₃-Bestandteils (Tonerde-Bestandteil) enthält, welcher einen hohen Schmelzpunkt aufweist. Als Folge dessen kann die Erweichungstemperatur der Glasierschicht erhöht werden, was es wiederum möglich macht, eine Verschlechterung des Erscheinungsbildes der Glasurschicht aufgrund einer Oberflächenaufrauung zum Zeitpunkt des Anlötens eines metallischen Elements an den keramischen Hauptkörper, insbesondere beim Löten unter Hochvakuum, zu verhindern und dadurch eine Verschlechterung des Isolationsvermögens aufgrund des Anhaftens von Schmutz an der Glasurschicht zu verhindern. Weiterhin wird selbst in dem Falle, dass der glasierte keramische Artikel zur Verwendung kommt, ohne dass ein metallisches Element daran gelötet wird, ein Aufrauen der Oberfläche der Glasurschicht, wenn er in einer Hochtemperatur-Atmosphäre verwendet wird, wirksam vermieden.
Wird der Gehalt in Gewichtsprozenten an Al, wenn in Form von oder durch Konversion zu Al₂O₃ berechnet (im Folgenden bezeichnet als WAl₂O₃ (Gew.-%)), kleiner als 16 Gew.-%, so ist der Schmelzpunkt der Glasurschicht herabgesetzt, wodurch die Wirkung der vorliegenden Erfindung ungenügend wird. Liegt dagegen WAl₂O₃ über 30 Gew.-%, so wird die Glasurbrand-Temperatur zu hoch, was die Herstellungskosten unweigerlich erhöht. Wird dagegen der Gehalt in Gewichtsprozenten an Si, wenn in Form von SiO₂ berechnet, kleiner als 60 Gew.-%, so kann möglicherweise ein Fall eintreten, bei dem die Glasurschicht keine ausreichend hohe Festigkeit und Isolationsvermögen erreichen kann. Liegt dagegen WSiO₂ über 74 Gew.-%, so wird das Fließvermögen der Glasurschicht ungenügend und kann es möglicherweise schwierig sein, den Schmelzpunkt der Glasurschicht ausreichend zu erhöhen. Außerdem ist es inzwischen bevorzugter, dass WAl₂O₃ im Bereich von 17 bis 23 Gew.-% beträgt, und es ist bevorzugter, dass WSiO₂ im Bereich von 67 bis 72 Gew.-% beträgt.
Die Glasurschicht des glasierten keramischen Artikels dieser Erfindung kann andere sekundäre Bestandteile als Al und Si enthalten, solange die oben beschriebene Wirkung nicht verschlechtert wird. Um insbesondere den Schmelzpunkt (oder die Erweichungstemperatur) der Glasur einzustellen und die Glätte oder Flachheit der Glasurschicht zu erhöhen, was erreicht wird, indem der Glasurschicht zum Zeitpunkt des Glasurbrandes eine geeignete Fließfähigkeit verliehen wird, kann die Glasurschicht geeignete Mengen an Alkalimetall-Bestandteilen (insbesondere Li, Na, K) oder Erdalkalimetall-Bestandteilen (insbesondere Ca) enthalten. In jedem Falle ist es wünschenswert, die Zusammensetzung der Glasurschicht so einzustellen, dass der Schmelzpunkt der Glasur innerhalb des Bereichs von 1100 bis 1400°C liegt, wodurch die Oberflächenaufrauung der Glasurschicht und das Anhaften von Schmutz an derselben, was ansonsten zum Zeitpunkt des Lötens entsteht, wirksam verhindert werden und ein übermäßiger Anstieg der Glasurbrand-Temperatur vermieden wird.
Die Schmelztemperatur der Glasurschicht ist hierin als eine Liquidustemperatur definiert. Die Liquidustemperatur der auf dem keramischen Hauptkörper gebildeten Glasurschicht wird durch eine Wärmeanalyse einer Probe der Glasurschicht bestimmt. Namentlich wird die Probe durch Abtrennen einer Glasurschicht von einem keramischen Hauptkörper erhalten und einer Wärmeanalyse, wie etwa einer DSC (Differenzial-Scanning-Kalorimetrie) und DTA (Differenzielle Thermoanalyse), unterzogen. Die Liquidustemperatur wird aus der Temperatur der Probe am Ende eines endothermen Peaks bestimmt, welcher der letzte Peak ist, der zum Zeitpunkt eines Temperaturanstiegs in der Analyse auftritt. Sollte es ferner schwierig sein, ausreichend Proben herzustellen, so werden die Gehalte an Al, Si und an anderen kationischen Bestandteilen (Elemente von extrem geringen Mengen, d. h. Elemente in Mengen von weniger als 0,5 Gew.-%, werden ausgeschlossen) mittels EPMA (Elektronenstrahl-Mikroanalyse), XPS (Röntgenstrahl-Photoelektronen-Spektroskopie) oder chemischer Analyse analysiert, um die Zusammensetzungen zu erhalten, die konvertierte Oxide sind (die Zusammensetzungen werden allerdings zu Oxiden mit stöchiometrischen Zusammensetzungen unter Berücksichtigung dessen konvertiert, dass die Wertigkeit von Sauerstoff –2 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 1A-Gruppe des Periodensystems der Elemente +1 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 2A-Gruppe +3 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 3A-Gruppe +3 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 4A-Gruppe +4 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 5A-Gruppe +5 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 6A-Gruppe +6 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 7A-Gruppe +4 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 8-Gruppe +3 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 1B-Gruppe +1 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 2B-Gruppe +2 ist, die Wertigkeit der Kationen in der 3B-Gruppe +3 ist und die Wertigkeit der Kationen in der 4B-Gruppe +4 ist). Daraufhin werden Proben von Glas durch Vermischen und Schmelzen der Rohstoffe der Oxide der kationischen Bestandteile und anschließendes schnelles Abkühlen so hergestellt, dass sie nahezu die gleichen Zusammensetzungen wie die anhand der obigen Analyse erhaltenen aufweisen. Aus den Schmelzpunkten der Glasproben werden die Schmelzpunkte der auf den keramischen Artikeln gebildeten Glasurschichten abgeschätzt.
In dem Falle, bei dem ein metallisches Element an einen glasierten keramischen Hauptkörper mittels einer Lötschicht gebunden wird, ist es erwünscht, dass der Schmelzpunkt der Glasur um 100°C oder mehr höher ist als der Schmelzpunkt der Lötschicht.
Zum Beispiel kann in dem Falle, bei dem ein aus Eisenmetall (z. B. Fe-Ni) hergestelltes metallisches Element an einen aus Tonerde-Keramik hergestellten Hauptkörper gelötet wird, ein Aktivlot, das einen Aktivmetall-Bestandteil, wie etwa Ti und Zr, enthält, verwendet werden. In diesem Fall kann als der Grundzusammensetzung des Lötmetalls, dem ein Aktivmetall-Bestandteil zugesetzt werden soll, eine Ag-Cu-Legierung (Ag-Cu-Lötmetall) verwendet werden. Die Ag-Cu-Legierung bildet keinen intermetallischen Bestandteil mit einem Aktivmetall-Bestandteil wie Ti und weist einen Schmelzpunkt auf, der nicht so hoch ist und eine gute Bindungsfähigkeit mit Eisenmetallen aufweist und somit durchaus erwünscht zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist.
Im einem Falle, bei dem ein metallisches Element, hergestellt aus Ni enthaltendem Eisenmetall, an einen aus Tonerde-Keramik hergestellten keramischen Hauptkörper über eine Lötschicht gebunden wird, kann das primäre Löten zum Metallisieren einer angrenzenden Oberfläche des keramischen Hauptkörpers unter Verwendung eines primären Lötmetalls durchgeführt werden, das eine Art, zwei Arten oder mehrere Arten von Aktivmetall-Bestandteilen enthält, ausgewählt aus Ti, Zr und Hf, und kann das anschließende sekundäre Löten zum sekundären Anlöten des metallischen Elements an die metallisierte angrenzende Oberfläche des keramischen Hauptkörpers unter Verwendung eines sekundären Lötmetalls durchgeführt werden, welches von geringerem Schmelzpunkt und geringerem Gehalt an Aktivmetall ist als das primäre Lötmetall. In diesem Fall kann als solch einem sekundären Lötmetall das oben beschriebene Ag-Cu-Lötmetall verwendet werden. Als solch einer Ag-Cu-Legierung kann zum Beispiel ein Silberlot verwendet werden, wie etwa BAg-8, wie beschrieben in JIS (Japanischer Industriestandard) Z3261.
Die Glasur, aus der die Glasurschicht besteht, sollte wünschenswerterweise 80 oder mehr Gew.-% an WSiO₂ + WAl₂O₃ im Hinblick auf die Erhöhung der Erweichungstemperatur der Glasurschicht umfassen. Um jedoch den Schmelzpunkt der Glasur an einem übermäßig hohen Anstieg zu hindern und den Erweichungspunkt der Gla sur auf einen geeigneten Wert einzustellen, ist es erwünscht, 3, bis 20 Gew.-% an Alkalimetallelementen hinzuzufügen, welches der in Form des Oxids errechnete Gehalt ist. Die Alkalimetallelemente sind zur Einstellung des Erweichungspunkts der Glasur auf eine Temperatur im Niederbereich wirksam. Beträgt jedoch der Gehalt weniger als 3 Gew.-%, so kann das Alkalimetall keine herausragende Wirkung erzielen. Beträgt der Gehalt 20% oder mehr nach Gewicht, so wird die Erweichungstemperatur übermäßig herabgesetzt und neigt das Isolationsvermögen der Glasurschicht zur Verschlechterung. Inzwischen ist es bevorzugt, Alkalimetallelemente nach Menge in einem Bereich von 5 bis 18 Gew.-% hinzuzufügen, wenn der Gehalt in Gewichtsprozenten in Form der Oxide berechnet wird.
Wird dann der glasierte keramische Artikel dieser Erfindung für einen Vakuumschalter und Isolator verwendet, die einen hohes Isolationsvermögen aufweisen müssen, so ist es bevorzugt, den keramischen Hauptkörper aus Tonerde-Keramik herzustellen (z. B. Tonerde-Keramik, deren Al-Gehalt 85% oder mehr nach Gewicht beträgt, wenn in Form des Al₂O₃ berechnet). Außerdem kann durch Bilden einer Glasurschicht mit einem erhöhten Tonerdegehalt, wie oben beschrieben, auf einem Hauptkörper aus Tonerde-Keramik die Haftqualität der Glasurschicht erhöht werden und Differenz im Koeffizienten der linearen Ausdehnung zwischen dem Hauptkörper und der Glasurschicht verringert werden, wodurch die Bildung eines Sprungs oder von Sprüngen oder Brandrissen zum Zeitpunkt des Abkühlens nach dem Glasurbrand schwerlich entstehen kann.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung in lediglich beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, worin:
1 eine schematische Querschnittsansicht eines Vakuumschalters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Ansicht ähnlich der 1 ist, die aber eine Variante des Vakuumschalters der 1 zeigt; und
3 eine Querschnittsansicht eines Isolators zeigt, die nicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Unter Bezugnahme zunächst auf 1 ist ein Vakuumschalter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung generell mit 1 bezeichnet. Der Vakuumschalter 1 enthält einen Behälter oder ein röhrenförmiges Element 10, welches einen glasierten keramischen Artikel gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Das röhrenförmige Element 10 weist auf der Oberfläche seines äußeren Umfangs eine Glasurschicht 71 auf. Auf der nach innen gewandten Seite des röhrenförmigen Elements 10 ist ein metallisches, röhrenartiges Lichtbogenschild 61 angebracht. Das Lichtbogenschild 61, welches als ein metallisches Element dient, ist auf der Innenseite des röhrenförmigen Elements 10 mittels einer Lötschicht 62 angebracht. Spezifisch ist das Lichtbogenschild 61 an einen Hauptkörper 10a des röhrenförmigen Elements 10 gebunden, um eine Metall- und Keramik-Baueinheit der vorliegenden Erfindung zu erhalten.
Bei dieser Ausführungsform weist das röhrenförmige Element 10 an der Oberfläche seines inneren Umfangs einen radial einwärts gerichteten Vorsprung 12 auf. An die Oberfläche des inneren Umfangs des Vorsprungs 12 ist mittels einer Lötschicht 62 die Oberfläche des äußeren Umfangs des Lichtbogenschilds 61 gebunden. Der Hauptkörper 10a des röhrenförmigen Elements 10 besteht aus Tonerde-Keramik (z. B. 92 Gew.-% Tonerde). Dagegen ist die Glasurschicht 71 aus einer Glaskeramik hergestellt, bestehend aus 60 bis 74 Gew.-% Si (wenn in Form von oder durch Umwandlung zu SiO₂ berechnet) und 16 bis 30 Gew.-% an Al (wenn in Form von oder durch Umwandlung zu Al₂O₃ berechnet). Weiter ist die Lötschicht 62 aus einem Lötmaterial hergestellt, bestehend aus einem Ag-Cu-Lötmetall als einem Hauptbestandteil (Hauptbestandteil wird hierin zur Angabe eines Bestandteils verwendet, dessen Gesamtgehalt in Prozent 50% oder mehr nach Gewicht beträgt und dessen Konzept das Element, die Verbindung und die Phase umfasst). Zwischen der Lötschicht 62 und dem Hauptkörper 10a ist eine Reaktionsschicht gebildet, bestehend aus einem Aktivmetall-Bestandteil (z. B. Ti) und Keramik.
Das oben beschriebene röhrenförmige Element 10 ist mit einem Paar von Abdeckelementen 2 und 3 zum Verschließen und Abschirmen seiner axialen Enden und dadurch Definieren eines abgeschirmten Schaltraums 11 versehen. Eine stationäre Elektrode 4 ist vorhanden, die sich durch das Abdeckelement 2 erstreckt und einen stationären Schaft 41 aufweist, an dem es an dem Abdeckelement 2 fest fixiert ist. Der stationäre Schaft 41 weist einen stationären Endabschnitt 41a auf, der außerhalb des abgeschirmten Schaltraums 11 liegt. Die stationäre Elektrode 4 weist ferner einen stationären Schaltkontakt-Abschnitt 42 an einem Endabschnitt auf, der innerhalb des abgeschirmten Schaltraums 11 liegt. Außerdem ist eine bewegliche Elektrode 5 vorhanden, die sich durch das Abdeckelement 3 erstreckt und die einen beweglichen Schaft 51 aufweist, der axial beweglich von dem Abdeckelement 3 gestützt wird. Hierdurch ist die bewegliche Elektrode 3 axial zu dem röhrenförmigen Element 10 beweglich. Der bewegliche Schaft 51 weist einen beweglichen terminalen Abschnitt 51a an einem Endabschnitt auf, der außerhalb des abgeschirmten Schaltraums 11 liegt. Die bewegliche Elektrode 5 weist außerdem einen beweglichen Schaltkontakt-Abschnitt 52 an einem Endabschnitt auf, der innerhalb des abgeschirmten Schaltraums 11 liegt. Der bewegliche Kontakt-Abschnitt 52 ist in einer Weise beweglich, dass er in den und aus dem Kontakt mit dem stationären Schaltkontakt 42 gebracht werden kann. Das Lichtbogenschild 61 ist so angebracht, dass es, innerhalb des röhrenförmigen Elements 10, den stationären Schaltkontakt-Abschnitt 42 und den beweglichen Schaltkontakt-Abschnitt 52 umgibt.
Spezifisch liegen die Abdeckelemente 2 und 3 in der Form einer kreisförmigen Abdeckplatte vor und bestehen zum Beispiel aus einer Fe-Ni-Co-Legierung (z. B. einer Legierung, die unter der Handelsbezeichnung Kovar vertrieben wird und aus 29 Gew.-% Ni, 17 bis 18 Gew.-% Co und die restlichen Gewichtsprozente Fe besteht). Die Abdeckelemente 2 und 3 weisen an ihren zentralen Abschnitten die Löcher 21 und 32 auf, in denen jeweils die stationäre Elektrode 4 und die Führung 31 fixiert gehalten sind. Die Führung 31 besteht aus einer Keramikbuchse und ist daraufhin angepasst, den beweglichen Schaft 51 der beweglichen Elektrode 5 in einer Weise zu unterstützen, die dem beweglichen Schaft 51 ein glattes Gleiten daran ermöglicht.
Der stationäre Schaft 41 ist an dem Loch 21 an einem Endabschnitt fest befestigt und weist an dem anderen Endabschnitt den stationären Schaltkontakt-Abschnitt 42 in der Form einer kreisförmigen Scheibe auf. Der bewegliche Schaft 51 weist an einem Endabschnitt davon den beweglichen Schaltkontakt-Abschnitt 52 in der Form einer kreisförmigen Scheibe auf. Dabei wird die bewegliche Elektrode 5 hin zu dem stationären Schaltkontakt 42 und weg von ihm mittels eines metallischen Federbalgs 53 bewegt, der auf dem beweglichen Schaft 51 installiert ist. Der metallische Federbalg 53 ist durch eine Federbalg-Abdeckung 54 umgeben und dadurch vor dem direkten Kontakt mit dem metallischen Dampf geschützt, der durch die Kontaktabschnitte 42 und 52 produziert wird (Kontakte 43 und 55).
Die Kontakte 43 und 55 sind aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt (z. B. einer Wolfram-Legierung) hergestellt und stellen einen Schaltabschnitt 6 dar, an dem der stationäre Schaltkontakt-Abschnitt 42 und der bewegliche Schaltkontakt-Abschnitt 52 in und aus dem Kontakt miteinander gebracht werden. Außerdem hindert das Lichtbogenschild 61 den oben genannten metallischen Dampf am Haften an der Innenwand des röhrenförmigen Elements 10 und so an der Verschlechterung seines Isolationsvermögens.
Der oben beschriebene Vakuumschalter 1 wird zum Beispiel in der folgenden Weise hergestellt. Zunächst wird ein Keramikpulver zur Herstellung des röhrenförmigen Elements 10 durch Nassmischen des Tonerde-Keramikpulvers, dem ein Sinter-Additiv, organisches Bindemittel und Lösemittel zugesetzt sind, und daraufhin durch Granulieren des Gemischs mittels Versprühen oder ähnlichem hergestellt. Das derart hergestellte Keramikpulver wird zu einer Röhrenform mittels einer Gummipresse geformt. Das derart geformte röhrenförmige Element wird einem Außenoberflächenschliff zum Schleifen der Oberfläche seines äußeren Umfangs und einem Innenoberflächenschliff zum Bilden des Vorsprungs 12 unterzogen. Daraufhin wird das geformte Element bei einer zuvor festgelegten Temperatur (z. B. etwa 1600°C) gesintert, um dadurch den gesinterten Tonerde-Hauptkörper 10a herzustellen.
Dagegen wird die Glasuraufschlämmung in der folgenden Weise zubereitet.
Zunächst werden Pulver für die Si- und Al-Bestandteile und ein kationischer Hilfsbestandteil (z. B. ein Alkalimetallelement wie K) in einem Verhältnis von 60 bis 74 Gew.-% Si, wenn in Form von SiO₂ berechnet, 16 bis 30 Gew.-% Al, wenn in Form von Al₂O₃ berechnet, und 20 Gew.-% oder weniger des Alkalimetallelements M, wenn in Form von MO berechnet, gemischt. Die vermischten Pulver werden dann Wasser oder einem mit einer geeigneten Menge an Lösungsmittel vermischtem Wasser zugegeben und zerstoßen und gemischt durch Trommelmischen, um die Glasuraufschlämmung zu erhalten. In der Zwischenzeit können als den Rohmaterialien für die Pulverbestandteile die Oxide der einfachen Substanzen, wie SiO₂, Al₂O₃ und CaO, Metallsalz (z. B K₂CO₃), welches zu dem Oxid durch Sintern invertiert ist, oder Mineralien (z. B. Kalkstein und Silika) verwendet werden. Außerdem können zusammengesetzte Oxide, die vielfache Arten von Kationen oder Doppelsalzen enthalten, oder natürliche oder synthetische Mineralien, die solche zusammengesetzten Oxide oder Doppelsalze als Hauptbestandteile enthalten (z. B. Feldspat (Na, K), Al₂Si₃O₈ – CaAl₂Si₂O₈), Kaolin (Al₂Si₂O₃(OH)₄[Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O]) verwendet werden. Außerdem kann die Glasurschlämmung durch Erhitzen des Gemischs der Rohmaterialien der Pulverbestandteile bei 1300 bis 1700°C und Schmelzen, dann Kippen des geschmolzenen Gemischs in Wasser, um es schnell abzukühlen und zu verglasen, daraufhin Zerstoßen des verglasten Gemischs, um Glasurfritte zu bilden, und Mischen der Glasurfritte mit einer entsprechenden Menge an organischem Bindemittel (dem Kaolin und Mineraltonerde, wie etwa Gairome-Ton, entsprechend den Erfordernissen zugesetzt sein kann) und außerdem mit Wasser, erhalten werden.
Die oben beschriebene Glasuraufschlämmung wird versprüht und auf die Oberfläche des äußeren Umfangs des Hauptkörpers 10a zum Erhalt einer Schicht der Glasuraufschlämmung, bei welcher es sich um eine Akkumulationsschicht von Glasurpulver handelt, aufgebracht und dann die aufgetragene Glasurschicht getrocknet. Daraufhin wird die Aufschlämmungsschicht einem Glasurbrand unterzogen, um die Glasurschicht 71 zu erhalten.
Dann wird eine Lotpaste (z. B. aktiviertes Au-Cu-Lötmetall, das einen Aktivmetall-Bestandteil aus Ti enthält) zur Bildung der Lötschicht 62 auf die Innenoberfläche des Vorsprungs 12 des Hauptkörpers 10a aufgetragen. Auf die Lotpaste wird das Lichtbogenschild 61 platziert und unter Verwendung einer geeigneten Einspannvorrichtung stationär festgehalten. Das Lichtbogenschild 61 wird an die innere Oberfläche des Vorsprungs 12 des Hauptkörpers 10a gelötet, wobei es in einer Hochvakuum-Atmosphäre von 1 × 10^–7 Torr gehalten und bei einer Temperatur von 800 bis 900°C erhitzt wird. In diesem Fall ist, da die Glasurschicht 71 aus einer Glasur mit der oben beschriebenen Zusammensetzung hergestellt ist, die Erweichungstemperatur der Glasurschicht 71 so hoch, dass schwerlich eine Verschlechterung des Erscheinungsbildes aufgrund von Oberflächenaufrauung der Glasurschicht 71 und eine Verschlechterung des Isolationsvermögens aufgrund des Anhaftens von Schmutz bewirkt wird.
Daraufhin wird durch Installieren verschiedener Teile, die in 1 gezeigt sind, an dem Hauptkörper 10a der Vakuumschalter 1 fertiggestellt.
2 zeigt einen Vakuumschalter 1' gemäß einer Modifikation der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Anbringung des Lichtbogenschilds 61 an dem Hauptkörper 10a des röhrenförmigen Elements 10 modifiziert. Spezifisch ist der Hauptkörper des röhrenförmigen Elements 10' an einem axial dazwischen liegenden Ort davon in einen ersten röhrenförmigen Abschnitt 10'b und einen zweiten röhrenförmigen Abschnitt 10'c unterteilt. Die ersten und zweiten röhrenförmigen Abschnitte 10'b und 10'c sind miteinander durch ein Verbindungselement 13 verbunden. Das Verbindungselement 13 weist einen röhrenförmigen Abschnitt 13b und einen Flanschabschnitt 13a auf, der sich radial auswärts von einem axialen Ende des röhrenförmigen Abschnitts 13b bewegt. Der Flanschabschnitt 13a ist zwischen die ersten und zweiten röhrenförmigen Abschnitte 10'b und 10'c eingelagert und an den Oberflächen seiner gegenüber liegenden Seiten an die entsprechenden axialen Enden der ersten und zweiten röhrenförmigen Abschnitte 10'b und 10'c mittels der Lötschichten 14 und 14 verbunden. Die Lötschicht 14 ist im Wesentlichen aus demselben Material wie die Lötschicht 62 in 1 hergestellt. Dagegen ist an die Oberfläche des inneren Umfangs des röhrenförmigen Abschnitts 13b des Verbindungselements 13 die Oberfläche des äußeren Umfangs des Lichtbogenschilds 61 durch eine Lötschicht 63 gebunden. Die Lötschicht 63 kann aus einer Lötmetalllegierung hergestellt sein, deren Hauptbestandteil Ag-Cu ist, braucht jedoch keinen Aktivmetall-Bestandteil wie Ti zu enthalten.
In der oben beschriebenen Struktur werden der erste röhrenförmige Abschnitt 10'b und der zweite röhrenförmige Abschnitt 10'c zunächst mit den Glasurschichten 71'b bzw. 71'c versehen. Daraufhin wird das Verbindungselement 13 mit Lötmetallfilmen auf den Oberflächen der gegenüber liegenden Seiten der Flanschabschnitte 13a zwischen die axialen Enden des ersten röhrenförmigen Abschnitts 10'b und des zweiten röhrenförmigen Abschnitts 10'c eingebracht und an dieselben unter derselben Bedingung wie der der Ausführungsform der 1 gelötet. Durch Bilden der Glasurschichten 71'b und 71'c aus einer Glasur mit derselben Zusammensetzung wie der der Glasurschicht 71 aus 1, kann diese Ausführungsform im Wesentlichen dieselbe Wirkung wie die Ausführungsform der 1 erzielen.
3 zeigt einen Isolator, der keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bezug nehmend auf 3 ist ein Isolator als ein Isolator mit gabelförmiger Aufhängung als Träger einer Übertragungsleitung generell mit 100 angegeben. Der Isolator 100 enthält ein Hartgase-Porzellanelement 102, eine Abdeckung 104, die aus formbarem Gusseisen oder Kohlenstoffstahl hergestellt ist, einen Bolzen 101, der mit der Abdeckung 104 zum Einklemmen des Porzellanelements 102 kooperiert, und die Zementschichten 103 und 103 zum Sondieren der Abdeckung 104 und des Bolzen 101 an das Porzellanelement 102. Das Hartpaste-Porzellanelement 102 stellt einen glasierten keramischen Artikel in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar und weist einen Hauptkörper 102b auf, der aus Tonerde-Keramik hergestellt ist, und eine Glasurschicht 102a, die die Oberfläche des Hauptkörpers 102b bedeckt. Die Glasurschicht 102a besteht aus einer Glasur mit der oben beschriebenen Zusammensetzung. Der verbindende Oberflächenabschnitt des Hauptkörpers 102b, an den die Zementschicht 103 gebunden ist, muss nicht notwendigerweise mit der Glasurschicht 102a versehen werden. Bei dem Isolator 100 mit der oben beschriebenen Struktur weist die Abdeckung 104 einen oberen Endabschnitt 105 auf, an dem er mit einem Träger (nicht gezeigt) mittels eines Schließbolzens 106 zur Aufhängung an demselben verbunden ist.
Die Glasurschicht 102a weist dieselbe Zusammensetzung wie die Glasurschicht 71 der 1 auf.
Um die Wirkung der vorliegenden Erfindung zu bestätigen, wurde das folgende Experiment durchgeführt. Der in 1 gezeigte Hauptkörper 10a, der im Außendurchmesser 70 mm, im Innendurchmesser 60 mm und in der Länge 100 mm misst und dessen Vorsprung 5 mm in der Höhe und 10 mm in der Breite beträgt, wurde aus Tonerde-Keramik in der oben beschriebenen Weise hergestellt. Allerdings betrug die Zusammensetzung der Tonerde-Keramik 92 Gew.-% Al₂O₃, 5 Gew.-% SiO₂, 2 Gew.-% CaO und 0,1 Gew.-% MgO. Die Glasuraufschlämmung wurde dagegen in der folgenden Weise zubereitet. Zunächst wurden verschiedene Rohmaterialien durch Mischen von Feldspatpulver, Kaolinpulver, Kieselsteinpulver und Kalksteinpulver in verschiedenen Proportionen hergestellt. Den vermischten Pulvern wurden dann geeignete Mengen an Bindemittel und Wasser zugegeben und dies durch Trommelmischen zerstoßen und vermischt, um Glasuraufschlämmungen zu erhalten.
Die Glasuraufschlämmung wurde auf die Oberfläche des Hauptkörpers mittels einer Sprühdüse aufgesprüht und dann zum Erhalt einer Schicht aus Glasuraufschlämmung getrocknet. Nach dem Trocknen waren die Schichten der Glasuraufschlämmung etwa 800 μm dick. Die Schichten der Glasuraufschlämmung wurden einem Glasurbrand bei verschiedenen Temperaturen unterzogen, um Proben der röhrenförmigen Elemente mit verschiedene Glasurschichten zu erhalten. Außerdem wurden Glasurproben hergestellt, die keiner Zerstoßung unterzogen wurden, jedoch verfestigt und zu Klumpen geformt wurden. In der Zwischenzeit wurde mittels der Röntgendiffraktionsmethode festgestellt, dass die Glasurproben verglast waren (nichtkristallin). Unter Verwendung der oben beschriebenen Proben der röhrenförmigen Elemente und Glasurproben wurden die folgenden Experimente durchgeführt.

(1) Analyse der chemischen Zusammensetzung: Die chemische Zusammensetzung wurde mittels Fluoreszenzröntgenanalyse bestimmt. Die Analysewerte der Proben (berechnet in Form des Oxids) sind in Tabelle 1 gezeigt. In der Zwischenzeit wurden die Zusammensetzungen der Glasurschichten, die mittels Glasurbrand hergestellt wurden, durch EPMA (Elektronenstrahl-Mikroanalyse) gemessen, und aus dieser Messung konnte bestätigt werden, dass die Analysewerte der mittels Glasurbrand erzeugten Glasurschichten nahezu mit denen übereinstimmten, die aus der Messung der Proben in der Form von Klumpen resultierten.
(2) Schmelztemperatur: Eine differenzielle Thermoanalyse wurde unter Erhitzen der Pulverproben jeweils in einer Menge von 50 mg durchgeführt, wobei die Messung bei Raumtemperatur begann und die Temperatur am Ende des zweiten endothermen Peaks gemessen und als der Schmelztemperatur angenommen wurde (Liquidustemperatur).

Daraufhin wurde der Vorgang des Anlötens des Lichtbogenschildes, bestehend aus einer Fe-Ni-Legierung, die 42 Gew.-% Ni und die restlichen Prozent Fe enthielt, unter Verwendung eines Aktivlots der Zusammensetzung 68 Gew.-% Ag, 27 Gew.-% Cu und 5 Gew.-% Ti, in einem Vakuum von 1,0 × 10^–7 Torr bei einer Temperatur von 850°C und für 0,5 Stunden vorgenommen. Nach dem Lötvorgang wurde das Aussehen jeder Lötschicht durch Inaugenscheinnahme geprüft. Dabei erfolgte eine Beurteilung der folgenden Aspekte.

(1) Schmutz und Farbveränderung: Ein offensichtlich schmutziges oder verunreinigtes Beispiel wurde als schlecht (X) beurteilt und ein Sauberes als gut (O).
(2) Glasurschmelzbedingung: Ein Beispiel, bei dem die Schmelze der Glasur ungenügend war, wurde als schlecht (X) beurteilt, und ein Beispiel, bei dem kein großer Defekt in der Schmelze festgestellt wurde, wurde als gut (O) beurteilt.

In der Zwischenzeit wurde eine Probe eines Metall-Keramik-Verbindungsabschnitts einschließlich einer Lötschicht von einem glasierten keramischen Artikel abgeschnitten, und der Schmelzpunkt (Liquidustemperatur) wurde gemessen. Hieraus wurde festgestellt, dass die Liquidustemperatur etwa 780°C betrug (die Liquidustemperatur wurde als der Temperatur am Ende des letzten endothermen Peaks angenommen). Das Ergebnis ist in Tabelle 1 gezeigt.
Aus Tabelle 1 wird erkennbar sein, dass unter Verwendung der Glasur dieser Erfindung die Glasurschicht, die einem Glasurbrand bei einer Temperatur von etwa 1400°C unterzogen wird, eine gebrannte Oberfläche von gutem Erscheinungsbild beibe halten kann, und es außerdem möglich wird, eine Glasurschicht herzustellen, die schwerlich eine Farbveränderung zum Zeitpunkt des Lötens vollzieht.
Obschon die Erfindung oben unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Modifikationen und Variationen der oben beschriebenen Ausführungsformen werden den Fachleuten des Gebiets im Lichte der obigen Lehren erkennbar werden. Der Rahmen der Erfindung ist durch Bezugnahme auf die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Glasierter keramischer Artikel (10; 10') mit einem Hauptkörper (10a; 10'b, 10'c), hergestellt aus Keramik, und einer Glasurschicht (71; 71'b, 71'c) die auf der äußeren Oberfläche des Hauptkörpers geformt ist, wobei die Glasurschicht (71; 71'b, 71'c) aus einer Glasur hergestellt ist, umfassend 60 bis 74 Gewichts-% Si, wenn in Form von SiO₂ berechnet, und 16 bis 30 Gewichts-% Al, wenn in Form von Al₂O₃ berechnet, wobei der glasierte keramische Artikel ein röhrenförmiges Element (10; 10') eines Vakuumschalters (1; 1') bildet.
Glasierter keramischer Artikel (10; 10') nach Anspruch 1, wobei die Glasur einen Schmelzpunkt im Bereich von 1100 bis 1400°C aufweist.
Glasierter keramischer Artikel (10; 10') nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Glasur 80 Gewichts-% oder mehr von WSiO₂ + WAl₂O₃ und 3 bis 20 Gewichts-% an Alkalimetallelementen umfasst, wenn in Form der Oxide berechnet, wobei WSiO₂ der Gehalt in Gewichtsprozenten an Si ist, wenn in Form von SiO₂ berechnet, und WAl₂O₃ der Gehalt in Gewichtsprozenten an Al ist, wenn in Form von Al₂O₃ berechnet.
Glasierter keramischer Artikel (10; 10') nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin der Hauptkörper (10a; 10'b, 10'c) aus Tonerde-Keramik hergestellt ist.
Glasierter keramischer Artikel (10; 10') nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, worin die Glasurschicht (71; 71'b, 71'c) aus einer Glasur hergestellt ist, umfassend 67 bis 72 Gewichts-% Si, wenn in Form von SiO₂ berechnet, und 17 bis 23 Gewichts- % Al, wenn in Form von Al₂O₃ berechnet.
Metall- und Keramik-Baueinheit, umfassend: einen glasierten keramischen Artikel nach einem der Ansprüche 1 bis 5; ein metallisches Element (61), das mit dem Hauptkörper des glasierten keramischen Artikels verbunden ist, wobei die Metall- und Keramik-Baueinheit ein röhrenförmiges Element (10; 10') eines Vakuumschalters (1; 1') bildet.
Metall- und Keramik-Baueinheit nach Anspruch 6, wobei der glasierte keramische Artikel (10; 10') ein röhrenförmiges Element (10; 10'b, 10'c) des Vakuumschalters (1; 1') bildet; das röhrenförmige Element auf einer Oberfläche seines äußeren Umfangs die Glasurschicht (71; 71'b, 71'c) aufweist; der Vakuumschalter (1; 1') ein röhrenartiges Lichtbogenschild (61) aufweist, das aus Metall hergestellt ist und im Inneren des röhrenförmiges Element (10; 10'b, 10'c) angebracht ist; und das Lichtbogenschild (61) an das röhrenförmige Element (10; 10'b, 10'c) gelötet ist und das metallische Element bildet.
Metall- und Keramik-Baueinheit nach Anspruch 7, worin das röhrenförmige Element (10a) auf einer Oberfläche seines inneren Umfangs einen radial einwärts gerichteten Vorsprung (12) aufweist, wobei das Lichtbogenschild (61) mit einer Oberfläche seines äußeren Umfangs an eine Oberfläche des inneren Umfangs des Vorsprungs (12) gelötet ist.
Metall- und Keramik-Baueinheit und Anspruch 7 oder 8, worin das röhrenförmige Element (10') axial geteilt ist in ein Paar von ersten und zweiten röhrenförmigen Abschnitten (10'b, 10'c) und mit einem Verbindungselement (13) versehen ist, wobei das Verbindungselement (13) aus Metall hergestellt ist und einen röhrenförmigen Körperabschnitt (13b) und einen Flanschabschnitt (13a) aufweist, der radial auswärts aus einem axialen Ende des Körperabschnitts ragt, wobei der Flanschabschnitt (13a) dazwischen eingebracht ist und an axiale Enden der ersten und zweiten röhrenförmigen Abschnitte (10'b, 10'c) gelötet ist, und wobei die Oberfläche des äußeren Umfangs des Lichtbogenschilds (61) an eine Oberfläche des inneren Umfangs des röhrenförmigen Körperabschnitts (13b) des Verbindungselements (13) gelötet ist.
Metall- und Keramik-Baueinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei das metallische Element (61) an den Hauptkörper (10a; 10'b, 10'c) des glasierten keramischen Artikels (10; 10') mittels einer Lötschicht (62; 14, 63) gelötet ist, wobei ein Schmelzpunkt der Glasur um 100°C oder mehr höher ist als der Schmelzpunkt der Lötschicht.
Metall- und Keramik-Baueinheit nach Anspruch 10, wobei die Lötschicht (62; 14, 63) aus einem Ag-Cu-Lötmetall hergestellt ist.
Vakuumschalter (1; 1'), umfassend: eine Metall- und Keramik-Baueinheit nach Anspruch 7 oder einem der Ansprüche 8 bis 11, wenn abhängig von Anspruch 7; ein Paar von Abdeckelementen (2, 3) zum Verschließen der axialen Enden des röhrenförmigen Elements (10; 10'), um einen abgeschirmten Raum (11) zu definieren; eine stationäre Elektrode (4), die sich durch eines (2) der Abdeckelemente erstreckt und einen stationären terminalen Abschnitt (41a) außerhalb des abgeschirmten Raums (11) und einen stationären Schaltkontakt-Abschnitt (42) aufweist, der innerhalb des abgeschirmten Raums angebracht ist; und eine bewegliche Elektrode (5), die sich durch das andere (3) der Abdeck elemente erstreckt und axial des röhrenförmigen Elements (10; 10') beweglich ist, wobei die bewegliche Elektrode (5) einen beweglichen terminalen Abschnitt (51a) aufweist, der außerhalb des abgeschirmten Raums (11) angebracht ist, und einen beweglichen Schaltkontakt-Abschnitt (52) aufweist, der innerhalb des abgeschirmten Raums (11) angebracht ist und der zu dem stationären Kontakt-Abschnitt (42) hin und von ihm weg beweglich ist; wobei das Lichtbogenschild (61) so angebracht ist, dass der stationäre Schaltkontakt-Abschnitt (42) und der bewegliche Schaltkontakt-Abschnitt (52) umgeben sind.