DE647537C

DE647537C - Einschmelzung von aus Wolfram oder Molybdaen bestehenden Stromzufuehrungsdraehten inQuarzglasgefaesse

Info

Publication number: DE647537C
Application number: DEP72806D
Authority: DE
Inventors: Dr Walter Haenlein; Wilhelm Hagen; Dr Hermann Krefft; Dr Max Thomas
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1936-03-04
Filing date: 1936-03-04
Publication date: 1937-07-08
Also published as: FR816435A; ES145080A1; NL45540C

Description

Beim Einschmelzen von Stromzuführungen aus Wolfram oder Molybdän in Quarzgefäße tritt 'eine Reihe von Schwierigkeiten auf, die nicht nur auf der Unters cMedlichkeit in den Ausdehnungskoeffizienten von Wolfram bzw. Molybdän gegenüber Quarz, sondern auch auf verschiedenen anderen Ursachen beruhen, wie vor allem der hohen Erweichungstemperatur des Quarzes und der bei den erforderliehen hohen Einschmelztemperaturen auftretenden Oxydation des Einschmelzmetalls. Zur Überbrückung der Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten von Quarz einerseits und Metall anderseits ist es bereits bekannt, den Metalleinführungsdraht nicht unmittelbar in das Quarzgefäß einzuschmelzen, sondern sich einer Anzahl Zwischen- oder Übergangsgläser zu bedienen, deren Ausdehnungskoeffizienten zwischen denen von Quarz und Metall liegen, um durch einen solchen stufenweisen Übergang mechanische Spannungen an den Einschmelzstellen nach Möglichkeit zu verhindern. Man benutzte hierbei als Zwischen- oder Übergangsgläser bisher meist Borosilicatgläser, und zwar für die dem Quarz angepaßten Glasstufen ein hochkieselsäurehaltigesBorosüicatglas und für die dem Metall angepaßten Stufen ein Borosilicatglas mit weit geringerem Kieselsäuregehalt bei erhöhtem Alkaligq-, halt. Derartige bei Quarzeinschmelzungen verwendete borsäure- und alkalihaltige Gläser zeigen den Nachteil, daß wegen der leichten Verdampfbarkeit der Borsäure und der Alkalien beim Erschmelzen der Gläser und auch beim Einschmelzvorgang die prozentuale Glaszusammensetzung sich sehr, leicht ändert, wodurch Unterschiede hinsichtlich des Ausdehnungskoeffizienten, der Erweichungstemperatur und anderer physikalischer Eigenschaften bei ein und demselben Zwischenglas in Erscheinung treten, die häufig so weitgehend sind, daß eine sichere Herstellung der Einschmelzung in Frage gestellt ist. Schließlich haftet den bekannten Zwischengläsern noch der wesentliche Nachteil an, daß sie sich infolge nicht genügend hohen

*) Von dem Patentsucher sind als die Erfinder angegeben worden; Wilhelm Hagen in Berlin, Dr. Walter Hanlein in Berlin-Spandau,

Dr. Hermann Krefft in Berlin-Friedrichshagen und Dr. Max Thomas in Weißwasser, Oberlausitz.

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Erweichungspunktes mit dem schwer schmelz baren Quarz, da sie auch ein nicht genügend großes Zähigkeitsintervall aufweisen, vor der Flamme nicht gut verarbeiten lassen.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer neuen Einschmelzung von aus Wolfram oder Molybdän bestehenden Stromeinführungen in Quarzgefäße, und zwar ίο insbesondere für elektrische Entladungslampen, wie Quecksilberhochdrucklampen, mit Hilfe von Übergangskörpern, die die genannten Mangel nicht aufweisen und eine sichere gas- und vakuumdichte Einschmelzung gewährleisten. Die erfindungsgemäße Einschmelzung ist dadurch gekennzeichnet, daß die den Übergang von Wolfram bzw. Molybdän zu Quarz bildenden Übergangskörper bei glasiger oder keramischer Beschaffenheit unter Ausschluß von Borsäure und Alkalien aus 65 bis 960/0 SiO₂, 4 bis 200/0 Al₂O₃, ο bis 30 0/0 Erdalkalien, vorzugsweise CaO und BaO, bestehen.

Die neuen Zwischen- oder Übergangskör per zeichnen sich durch hohe Erweichungstemperaturen aus und besitzen u.a. den weiteren Vorteil, daß man bei ihrer Verwendung mit verhältnismäßig sehr wenig Zwischenstufen auskommt, wodurch die Einschmelzzeit wesentlich verkürzt und die Einschmelzarbeit erleichtert wird. Unter Umständen genügt, wie weiter unten näher beschrieben, sogar ein einziger Zwischenkörper. Die bei den neuen Zwischenkörpern vorhandenen Vorteile beruhen im wesentlichen darauf, daß durch den Fortfall von leicht verdampfbaren Bestandteilen, wie Borsäure und Alkalien, eine besonders hohe Gleichmäßigkeit in der Zusammensetzung erreicht wird. Die erwähnten hohen Erweichungstemperaturen weisen selbst diejenigen Körper nach der vorliegenden Erfindung noch auf, die bei niedrigem, also etwa zwischen 65 bis 70O/0 liegendem SiO₂-GehaIt einen mehr dem *5 Metall angepaßten Ausdehnungskoeffizienten haben. Die bei ^glasiger Beschaffenheit des Zwischenkörpers vorhandene geringe Entglasungsneigung infolge geringer Kristallisationsgeschwindigkeit ist deswegen besonders bemerkenswert, weil sie den Einschmelzvorgang weiterhin wesentlich erleichtert.

Die nachstehende tabellarische Übersicht zeigt als Beispiel erfindungsgemäße Zusammensetzungen nebst den dazugehörigen Ausdehnungskoeffizienten, gemessen an glasig durchgeschmolzenen Körpern bei 50⁰ C, sowie die dazugehörigen Erweichungspunkte. Die für den Erweichungspunkt angegebenen Temperaturen entsprechen den Temperaturen, bei denen ein auf zwei Schneiden gelagertes, ι ο cm langes und etwa 3 mm starkes Stäbchen I des betreffenden Glases sich durchzubiegen beginnt.

	SiO₂	Al₂O,	CaO	BaO	Ausdehnungs koeffizient (ΛΚ)	Erwei chungs
					«■ 10 "'	punkt
	"/„	"A>	I)'	¹V"	50° C	⁰C
I.	94,5	5,5	—	—	6,5	II75
2.	93	5	I	I	7-0	II30
3·	90,5	7.5	I	I	7,5	I060
4-	89,5	7	1.75	1,75	II	IO4O
5-	85	IO	2,5	2,5	16,5	99O
6.	82,5	IO	3.75	3.75	20	IOIO
7·	80	IO	5	5	25	970
8.	75	IO	IO	5	33	845
9·	65	13	7	15	38	865
10.	65	8	IO	17	46,5	780

Für die zu wählende Zusammensetzung und die Anzahl der Zwischenkörper sind die Stärke der Einschmelzdrähte, der Durchmesser und die Wandstärke des Quarzgefäßes und ferner die Gestaltung der Einschmelzung maßgebend.

In den Abb. 1 bis 4 sind verschiedene Einschmelzformen mit verschiedener Anzahl von glasigen Zwischenkörpern nach der Erfindung dargestellt.

Abb. ι zeigt eine Einschmelzung einer Quecksilberhochdruckentladungslampe unter Benutzung von fünf Übergangsgläsern. Es handelt sich hier um die Einschmelzung für besonders dicke Wolframdrähte von etwa 2 bis 3 mm Durchmesser und einer Strombelastung von über 10 Amp. An dem nach unten kapillarförmig zusammengezogenen Quarzgefäß a sind nacheinander zunächst vier Ringteüe b aus Übergangsgläsern angeschmolzen, die den Nummern 4 (AK =11), 5 (AK = 16,5), 6 (AK = 20) und 8 (AK= 33) der vorstehenden Tabelle entsprechen. Schließlich ist an dieses letzte Übergangsglas Nr. 8 das kappenförmige Abschlußstück c, das aus Glas »05 ■ Nr. 9 der Tabelle AK = 38 hergestellt ist und in welches der Wolframdraht d unmittelbar eingeschmolzen ist, angeschmolzen. Mit e ist eine Elektrode bezeichnet, während / einen an die kapillare Öffnung des Quarzgefäßes angeschmolzenen Quarzrohrstutzen darstellt, der ein Kondensieren von Quecksilberdämpfen an der Einschmelzstelle des Kapillarröhrchens verhindern soll.

Für den Fall, daß bei gleicher Dicke und »15 für etwa gleiche Strombelastung an Stelle von Wolfram Molybdän als Metall für den Einschmelzdraht benutzt wird, empfiehlt es sich, das kappenf örmige Abschlußstück c, in das der Molybdändraht eingeschmolzen ist, »20 aus dem Glas Nr. 10 mit einem AK 46,5 herzustellen und daran die Übergangsgläser 9,

8, 6, 5 und 4 anzuschließen, so daß das "letztgenannte Glas Nr. 4 die Verbindung mit dem Quarz herstellt.

In Abb. 2 ist eine Wolframdrahteinschmelzung für eine Quecksilberhochdrucklampe mit einem Wolframdräht von etwa i mm Dicke für eine Strombelastung bis etwa 10 Amp. dargestellt, bei der drei· Übergangsgläser verwendet werden, und zwar sind an das Quarzgefäß uz zunächst 'die beiden sich verjüngenden Rohrteile b', die den Gläsern 4 (AK= 11) und s (AK= 16,5) der Tabelle entsprechen, angeschmolzen. Der Randteil g des aus dem Glas Nr. 5 bestehenden zweiten Rohrteiles b' ist dann mit dem aus dem Glas Nr. 6 (AK = 20) bestehendien 'Einschmelzstückh, in das der Wolfrariidraihtifi? eingeschmolzen ist, verschmolzen.

In Abb. 3 ist eine Einschmelzung dargestellt, und zwar unter Verwendung von zwei Zwischengläsem für einen Wölframdraht von etwa 0,8 mm Dicke und einer Strombelastung bis etwa 6 Amp. Der Randteil / des Quarzgefäßes λ ist unter Zwischenfügung eines aus dem Glas Nr. 4 (AK = 11) hergestellten Ringes k mit dem Wolframeinschmelzglas h aus Glas Nr. 5 (AK= 16,5) verschmolzen.'

In Abb. 4 ist eine Einschmelzung mit einem Wolframeinführungsdraht von 0,6 mm Dicke für eine Strombelastung bis 3 Amp. gezeigt, bei dem nur ein einziges Einsdhmelz- bzw. Zwü/·' schenglas h, und zwar'das der Nr. 4 (AK =11) benutzt ist. Das Zwischen- bzw. EinschmeLzglas h und der sich nach unten verjüngende Rand/ des Quarzgefäßes sind hierbei unmittelbar miteinander verschmolzen. Obwohl hierbei ein beträchtlicher Unterschied in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen Übergangsbzw. Einschmelzglas und dem Wolframmetall- draht vorhanden ist, hält diese Verbindung, wie sich bei praktischer Verwendung gezeigt hat, auch stärkeren Beanspruchungen gegenüber ausgezeichnet stand, was darauf zurückzuführen sein dürfte, daß gerade diejenigen der neuen Gläser, die möglichst nahe dem Eutektikum von SiO₂ bis Al₂O₃, das bei 94,5 SiO₂ liegt, in besonders hohem Maße Spannungen ohne Gefahr aushalten.

Bei im Betriebe äußerst heiß werdenden Lampen großer Wandstärke ist es zweckmäßig, an das Quarzgefäß nicht unmittelbar ein Übergangsglas mit leinem Ausdehnungskoeffizienten von etwa 11 · ΐο~⁷ oder mehr anzuschmelzen. In diesem Falle ist es vielmehr ratsam, noch ein oder mehrere Zwischeiigläser anzuwenden, deren Ausdehnungskoeffizienten zwischen demjenigen des Quarzglases und dem des Glases mit dem Ausdehnungskoeffizienten II' io~⁷ liegen. So können z. B. zwischen dem Quarzgefäß und dem Glas Nr. 4 (AK =11) noch die Gläser Nr. 1 '(AK = 6,5) und Nr. 3 (AK = 7,5) zwischengeschaltet werden.*

Die erfindungsgemäßen Gläser, und zwar besonders diejenigen mit sehr hohem Kiesel-Säuregehalt, benötigen zum Erschmelzen sehr beträchtliche Schmelztemperaturen, die um etwa 2000⁰ C liegen. Die in der Glasindustrie gebräuchlichen keramischen Schmelztiegel können naturgemäß diesen Temperaturen nicht standhalten. Aber selbst Tiegel aus hochfeuerfesten Baustoffen, wie beispielsweise Zirkon, sind für den vorliegenden Zweck nicht brauchbar, da sie von den zu schmelzenden Gemengebestandteilen angegriffen und vollständig zerstört werden, so daß die" Schmelze ausläuft.

Es hat sich nun gezeigt, daß aus Molybdänoder Wolframmetall hergestellte^chmelztiegel, wenn sie in leinem geeigneten Ofen untergebracht sind, für die vorliegenden Zwecke brauchbar sind, wenn das zu erschmelzende Glasgemenge sehr homogen durchmischt und vor dem Schmelzen durch Erhitzen auf eine Temperatur von 1600 bis 1800⁰ C ausreichend entgast wird, damit durch etwa noch vorhandene Sauerstoffreste kein Angriff des Molybdäns und damit eine Verfärbung des Glases durch Molybdänoxyd stattfindet. Geht man überdies von eisienfreien Rohstoffen aus, go so erzielt man bei Benutzung eines solchen Schmelztiegels Gläser von sehr hoher Ultraviolettdurchlässigkeit.

Die je nach der Ausgestaltung der Einschmelzung mehr röhrenförmig, kappenförmig oder plattenförmig gestalteten Zwischenkörper können auch auf keramischem Wege, also unter Fortfall von Schmelztiegeln, erzeugt werden. In diesem Falle werden zunächst aus dem gut durchgemischten Gemenge, zweckmäßig unter Verwendung von in der Keramilc üblichen Rohstoffen, wie Quarzsand, Kaolin und Kalkfeldspat, Preßkörper hergestellt, und zwar mittels geeigneter Preßform solche Preßlinge, die die Grundform des später zur Verwendung gelangenden Zwischenkörpers haben. An Stelle von Preßkörpern kann man auch aus einer Aufschlämmung der genannten Rohstoffe Formkörper durch Gießen und nachfolgendes Trocknen herstellen. Diese Preß- oder Formkörper werden dann in geeigneten Öfen so hoch erhitzt, bis sie zu einem festen oder sogar vakuumdichten keramischen Körper zusammensintern und zweckmäßig oberflächlich oder auch ganz verglasen. Die so hergestellten Zwischenkörper können, wie sich gezeigt hat, genau ebensogut wie aus dem Schmelzfluß hergestellte Zwischenkörper einerseits mit Wolfram oder Molybdän und anderseits mit dem Quarzgefäß oder anderen Zwischengläsern verschmolzen werden. Bei Verwendung nur eines Zwischen-

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körpers, wie in Abb. 4 dargestellt, wird zweckmäßigerweise der aus Molybdän oder Wolfram bestehende Einschmelzdraht vorab zusammen mit dem Preßling vorgesintert und dann unter reduzierenden Bedingungen hochgesintert, worauf sodann der aus dem Preßling entstandene Zwischenkörper an das Quarzgefäß angeschmolzen wird. Bei der beim Anschmelzen des Zwischenkörpers erreichten Temperatur wird dieser an der Verbindungsstelle glasig, wodurch die Verbindung eine besonders innige wird.

Durch diese Herstellung von erfindungsgemäß beschaffenen borsäure- und alkalifreien Zwischenkörpern auf dem Sinterwege wird eine wesentliche Betriebsvereinfachung und VerbilUgung bei der Herstellung des ganzen Quarzgefäßes erzielt; außerdem führt diese Herstellungsart der Zwischenkörper auch leichter zu einer genauen Formgebung.

Claims

Patentansprüche:

ι . Einschmelzung von aus Wolfram oder Molybdän bestehenden Stromzuführungen in Quarzgefäße, insbesondere für elektrische Entladungslampen, wie Quecksilberhochdrucklampen, gekennzeichnet durch die Verwendung von borsäure- und alkalifreien glasigen oder keramischen Zwischenkörpern, die aus 65 bis 960/0 SiO₂, 4 bis 20O/0 Al₂O₃ und ο bis 30O/0 Erdalkalien, vorzugsweise CaO und BaO, bestehen.
2. Verfahren zur Herstellung der borsäure- und alkalifreien glasigen Zwischenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erschmelzen der Gläser in einem Molybdän- oder Wolframtiegel erfolgt, und zwar vorzugsweise, nachdem die weitgehend durchgemischten Gemengebestandteile bei etwa 1600 bis 1800⁰C ausreichend entgast sind.
3. Verfahren zur Herstellung der borsäure- und alkalifreien keramischen Zwischenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Gemengebestandteilen Preßlinge oder Gießkörper, die der Gestalt des später zur Verwendung gelangenden Zwischenkörpers entsprechen, hergestellt und darauf ohne Verwendung eines Tiegels so hoch erhitzt werden, daß ein fester und auch vakuumdichter keramischer Sinterkörper entsteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen