Verfahren zur Herstellung von Schmelzverbindungen zwischen keramischen
Körpern und Glas Man ist in letzter Zeit in steigendem Umfange dazu übergegangen,
bei der Herstellung von elektrischen Entladungsgefäßen, z. B. von überspannungsableitern,
Verstärkerröhren, Stromrichtern u. ä., keramische Stoffe zu verwenden. Dabei ergibt
sich die Notwendigkeit, die keramischen Teile untereinander bzw. mit anderen Bauelementen
aus Metall oder Glas vakuumdicht zu verbinden. Bei der Herstellung von Schmelzverbindungen
zwischen keramischen Körpern und Glas kommt es sehr häufig ztt Unzuträglichkeiten,
weil wegen des Unterschiedes in den Wärmeausdehnmigskoeffizienten beider Stoffe
in der fertigen Schmelzverbindung Spannungen und ali deren Folge Risse oder Sprünge
auftreten, die die Vakuumdichtigkeit und auch die mechanische Festigkeit der Verbindung
in Frage stellen.Process for the production of fusion joints between ceramic
Bodies and Glass Lately there has been an increasing trend towards
in the manufacture of electrical discharge vessels, e.g. B. of surge arresters,
Amplifier tubes, converters and the like to use ceramic materials. This results in
the necessity of the ceramic parts with each other or with other components
made of metal or glass to be connected in a vacuum-tight manner. In the manufacture of fusion joints
between ceramic bodies and glass there are very often inconveniences,
because of the difference in the thermal expansion coefficients of the two substances
Tensions in the finished fusion connection and, as a consequence, cracks or fissures
occur that the vacuum tightness and also the mechanical strength of the connection
to question.
Es sind bereits mehrere Vorschläge gemacht worden. um dem erwähnten
Übelstande abzuhelfen, und zwar soll gemäß einem der Vorschläge für die Schmelzverbindung
ein Glas gewählt «erden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient mit dem des keramischen
Körpers' übereinstimmt, während bei anderen bekannten Verfahren das Glas einen niedrigeren
Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber dem keramischen Körper aufweisen soll. Die
praktische Anwendung dieser Regeln führt aber nur bei ganz bestimmten, nicht sehr
häufig gegebenen Voraussetzungen zu dem gewünschten Erfolg.Several proposals have already been made. about the mentioned
To remedy deficiencies, namely according to one of the proposals for the fusion connection
Choose a glass whose coefficient of thermal expansion matches that of the ceramic
Body ', while in other known processes the glass has a lower one
Should have coefficients of thermal expansion compared to the ceramic body. the
practical application of these rules only leads to very specific ones, not very
frequently given prerequisites for the desired success.
Bei der Verwirklichung des ersteren Vorschlages, gemäß dem also eine
übereinstimmung zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glases und des keramischen
Körpers angestrebt wird, zeigt es sich, daß es wohl- Glassorten gibt, deren Wä rmeausdchnungskoeffizient
mit dem der keramischen Stoffe bei Raumtemperatur und in einem gewissen . Bereich
oberhalb derselben übereinstimmt,
daß diese Übereinstimmung jedoch
nicht in dem ganzen Bereich von der Raumtemperatur bis zum Transformationspunkt
des Glases gegeben ist. Diese Tatsache aber macht es unmöglich, spannungsfreie Glas-Keramik-Verbindungen
herzustellen, was an Hand der Fig. i noch näher erläutert sei Über der Temperatur
T ist als Abszisse die Ausdehnung D in willkürlichem Maßstab aufgetragen. Die Ausdehnungskurve
des keramischen Körpers ist mit I(, die des Glases mit G bezeichnet. In der nahen
Umgebung der Raumtemperatur 0 überdecken sich die Kurven G und I(, d. h. also, daß
in diesem Temperaturbereich die beiden zu verbindenden Partner praktisch das gleiche
Ausdehnungsverhalten zeigen. Bei höheren Temperaturen weichen jedoch die Kurven
voneinander ab und damit das Ausdehnungsverhalten des Glases und der Keramik. Wenn
man nun beide Stoffe zum Zwecke der Verbindung bis auf eine Temperatur erhitzt,
bei der das Glas genügend weich ist und die bei A liegen möge, so wird bei der nachfolgenden
Abkühlung des Ganzen der keramische Stoff sein Ausdehnungsverhalten dem Glase aufzwingen,
ohne daß es bis zur Abkühlung auf die bei Ob
angedeutete obere Entspannungstemperatur
zur Bildung von Spannungen im Glase käme. Solche Spannungen werden aber entstehen,
wenn man die beiden Stoffe nunmehr weiter bis zur Raumtemperatur abkühlt. Dabei
wird der Ausdehnungsverlauf des Glases durch die Kurve G' wiedergegeben, und der
Ordinatenwert D' ist ein Maß für die Größe der an der fertigen Schmelzverbindung
im Glase auftretenden Spannungen. Man kann nun freilich zu einer Verminderung der
im Glase auftretenden Spannungen dadurch kommen, daß man in dem Entspannungsbereich,
also in dem Temperaturintervall von der unteren (Un) bis zur oberen (Ob)
Entspannungstemperatur, genügend lange tempert, so daß das Ausdehnungsverhalten
des Glases bei einer nachfolgenden. Abkühlung auf Raumtemperatur der Kurve G" und
die resultierende Spannung dem Ordinatenwert D" entsprechen. Aber obwohl- man eine
etwa 15 Stunden dauernde Temperung in Kauf nehmen muß, gelingt es demnach nicht,
eine von Spannungen völlig freie Schmelzverbindung herzuste11en.In the implementation of the first proposal, according to which an agreement between the thermal expansion coefficient of the glass and the ceramic body is sought, it turns out that there are probably types of glass whose thermal expansion coefficient with that of the ceramic materials at room temperature and to a certain extent. Coincides in the range above the same, but this coincidence is not given in the entire range from room temperature to the transformation point of the glass. However, this fact makes it impossible to produce tension-free glass-ceramic connections, which will be explained in more detail with reference to FIG. The expansion curve of the ceramic body is marked with I (, that of the glass with G. In the vicinity of room temperature 0, the curves G and I (overlap, i.e. that in this temperature range the two partners to be connected show practically the same expansion behavior At higher temperatures, however, the curves deviate from each other and with it the expansion behavior of the glass and the ceramic During the subsequent cooling of the whole, the ceramic material will force its expansion behavior on the glass without the formation of tensions in the glass until it cools down to the upper relaxation temperature indicated in Ob. Such tensions will, however, arise if the two substances are now further cools down to room temperature. The course of expansion of the glass is shown by curve G ' reproduced, and the ordinate value D 'is a measure of the magnitude of the stresses occurring in the finished fusion joint in the glass. The stresses occurring in the glass can of course be reduced by tempering in the relaxation area, i.e. in the temperature interval from the lower (Un) to the upper (Ob) relaxation temperature, for a sufficiently long time so that the expansion behavior of the glass at a subsequent. Cooling to room temperature corresponds to curve G ″ and the resulting voltage corresponds to the ordinate value D ″. But although you have to put up with tempering lasting about 15 hours, it is therefore not possible to produce a fusion bond that is completely free of stresses.
Die an den Schmelzverbindungen bei Raumtemperatur sich einstellende
Differenz der Ausdehnungen ist negativ, das bedeutet praktisch, daß je nach der
Anordnung der zu verbindenden Teile relativ zueinander Zug-oder Druckspannungen
in der Schmelzverbindung auftreten. NIan kann nun bei Glas-Keramik-Verbindungen
auch eine poshive Differenz in den Ausdehnungen erzielen, wenn man nach dem oben
an zweiter Stelle erwähnten Vorschlag verfährt, also ein Glas verwendet. dessen
Wärmeausdehnungskoeffizient gegenüber der Keramik kleiner ist. Wie die Verhältnisse
hierbei im einzelnen liegen, läßt sich an Hand eines der Fig. i analogen Dizgramins
übersehen. Im Gegensatz zur Darstellung in Fig. i würden bei einem solchen Diagramm
aber die G'-Kurven oberhalb der K-Kurve verlaufen und die Ordinate bei positiven
Werten schneiden, die ein 1Zaß für die bei Raumtemperatur sich einstellende Differenz
sind. Auch in diesem Falle treten naturgemäß Spannungen in der fertigen Schmelzverbindung
auf, und zwar je nach der Anordnung der einzelnen Teile zueinander Druck-oder Zugspannungen;
Spannungsfreiheit dagegen ist nicht erzielbar.That which occurs at the fused connections at room temperature
The difference in dimensions is negative, which means in practice that depending on the
Arrangement of the parts to be connected relative to one another tensile or compressive stresses
occur in the fusion joint. NIan can now work with glass-ceramic connections
also achieve a positive difference in the dimensions if one looks upwards
The second proposal mentioned proceeds, so a glass is used. whose
The coefficient of thermal expansion is smaller than that of the ceramic. Like the circumstances
lying here in detail can be found on the basis of one of the dizgramins analogous to FIG
overlook. In contrast to the illustration in FIG
but the G 'curves are above the K curve and the ordinate is positive
Intersect values that represent a 1 factor for the difference that occurs at room temperature
are. In this case, too, tensions naturally occur in the finished fusion connection
on, depending on the arrangement of the individual parts to each other compressive or tensile stresses;
In contrast, freedom from tension cannot be achieved.
Die erläuterten ' Schwierigkeiten werden nun nach der vorliegenden
Erfindung dadurch beseitigt, daß bei einem Verfahren zur Herstellung von Schmelzverbindungen
zwischen keramischen Körpern und Glas ein Glas verwendet wird, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient
gleich bzw. größer ist als der des keramischen Körpers, und daß außerdem der keramische
Körper während der Abkühlung der verschmolzenen Teile auf einer höheren Temperatur
als das Glas gehalten wird. Die zwischen dem keramischen Körper und dem Glas aufrechtzuerhaltende
Temperaturdiffesehz wird weiter nach der Erfindung ständig verändert, um spätestens
bei Raumtemperatur gegen O hin abzufallen. Man kann zur Veränderung der Temperaturdifferenz
sich beispielsweise einer der bekannten Programmsteuerungen bedien(-ix.The discussed 'difficulties are now after the present
Invention eliminates that in a method for the production of fusion joints
A glass is used between ceramic bodies and glass, its coefficient of thermal expansion
is equal to or greater than that of the ceramic body, and that also the ceramic
Body during the cooling of the fused parts at a higher temperature
than the glass is held. That to be maintained between the ceramic body and the glass
Temperaturdiffesehz is continuously changed according to the invention, at the latest
to fall towards O at room temperature. One can change the temperature difference
use one of the well-known program controls (-ix.
In Fig. 2 ist das Ausdehnungsverhalten eines Glases und eines keramischen
Körpers graphisch dargestellt, und zwar stimmt das Ausdehnungsverhalten beider Stoffe
in diesem Beispiel bis zu Temperaturen von etwa 3oo° überein. Dadurch läßt sich
insofern ein großer Vorteil erzielen, als auch bei auftretendem Temperaturwechsel
während des Betriebes bei derartigen verbundenen Teilen keine vorübergehenden Spannungen
auftreten können. Die Verbindung der beiden Körper wird nun nach der Erfindung in
der Weise vorgenommen, daß man das Glas sowohl als auch die Keramik zunächst so
weit erhitzt, bis das Glas mindestens an der Verbindungsstelle genügend weich geworden
ist (im Diagramm etwa bis zum Punkt A), worauf der keramische Körper allein bis
auf die Temperatur B weiter erhitzt wird. Die Temperaturdifferenz Td muß dann bei
der nachfolgenden Abkühlung ständig verrinl;ert werden und verschwindet bei 3oo-
C.', im Diagramm also beim Punkt C, bei dein die Glaskurve G in die Keramikkurve
l( einmündet.In Fig. 2 is the expansion behavior of a glass and a ceramic
Body shown graphically, and the expansion behavior of both substances is correct
in this example up to temperatures of about 300 °. This can be
achieve a great advantage in this respect, as well as when temperature changes occur
no transient stresses during operation with such connected parts
may occur. The connection of the two bodies is now according to the invention in
made in such a way that the glass as well as the ceramics are first made in this way
heated until the glass has become sufficiently soft at least at the connection point
is (in the diagram approximately up to point A), whereupon the ceramic body alone up to
is further heated to temperature B. The temperature difference Td must then be
the subsequent cooling down and disappears at 300-
C. ', in the diagram at point C, at your the glass curve G into the ceramic curve
l (joins.
Es gibt eine Reilie von Möglichkeiten, die
Temperaturdifferenz
zwischen den zu verbindenden Teilen herzustellen. So kann man beispielsweise die
Verbindung in einem elektrischen Ofen vornehmen und die Keramik durch eine besondere
Heizwicklung auf die gewünschte höhere Temperatur bringen. 'In der Fig.3 ist eine
Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens schematisch dargestellt, bei der durch ein
flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel dafür gesorgt werden kann, daß der Verbindungskörper
Glas eine geringere Temperatur gegenüber dem keramischen Körper aufweist. Die Vorrichtung
besteht aus einem Hohlgefäß I, dessen Deckel 3 eine ringförmige Vertiefung zur Aufnahme
des Glaskörpers 2 aufweist. Es empfiehlt sich, das Hohlgefäß I mit seinem Deckel
3 -leicht lösbar, beispielsweise durch Verschrauben, zu verbinden, da man in diesem
Falle den Deckel 3 in einfacher Weise gegen einen neuen auswechseln kann, der eine
Vertiefung mit einem anderen gewünschten Profil besitzt. Der keramische Zylinder
4. wird oberhalb des Glaskörpers 2 angeordnet und das Ganze in einen Ofen, der elektrisch
geheizt sein kann, eingebracht. Die Kühlmittelzufuhr erfolgt in Richtung des dargestellten
Pfeiles durch das Rohr 5. Es bestreicht die an das Glas _ angrenzenden Hohlgefäßwandungen
und tritt durch die Rohre 6 und 7 aus dem Hohlgefäß und auch aus- dem Ofen wieder
heraus. Bei einer Benutzung dieser Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens ist also
der Ofen, in dem die Verbindung des Glases mit dem keramischen Körper vorgenommen
werden soll, auf die Temperatur B gemäß Fig. 2 zu erhitzen, und durch Kühlung des
Glaskörpers 2 wird für die Aufrechterhaltung der gewünschten Temperaturdifferenz
gesorgt. Um zu verhindern, daß der bei den hohen Temperaturen erweichte Glaskörper
2 an deh mit ihm in Berührung stehenden Wandungen des Deckels 3 haftenbleibt, empfiehlt
es sich, diese Deckelwandungen mit einem Aufstrich zu versehen, -der bei Erhitzung
ein vorzugsweise aus Kohlendioxyd bestehendes Gaspolster bildet. Als Material für
diesen Aufstrich eignen sich beispielsweise feinst verteilte Kohlehydrate, z. B.
Stärke, aber auch feinstes Kohle- oder Graphitpulver; das in Wasser oder Alkohol
aufgeschwemmt und auf die Wandungen aufgestrichen «erden kann.There are a reilie of ways that
Temperature difference
between the parts to be connected. For example, you can use the
Make the connection in an electric furnace and the ceramic through a special
Bring the heating coil to the desired higher temperature. 'In Fig.3 is a
Apparatus for performing the method shown schematically in which by a
liquid or gaseous coolant can be ensured that the connecting body
Glass has a lower temperature than the ceramic body. The device
consists of a hollow vessel I, the lid 3 of which has an annular recess for receiving it
of the glass body 2. It is advisable to use the hollow vessel I with its lid
3 -easily detachable, for example by screwing, to connect, since one in this
The case can easily replace the cover 3 with a new one, the one
Has a recess with a different desired profile. The ceramic cylinder
4. is placed above the glass body 2 and the whole thing in an oven, which is electrically
can be heated, introduced. The coolant is supplied in the direction of that shown
Arrow through the tube 5. It brushes the walls of the hollow vessel adjacent to the glass
and passes through the tubes 6 and 7 out of the hollow vessel and also out of the furnace
out. When using this device to carry out the method is so
the furnace in which the connection of the glass with the ceramic body is made
is to be heated to temperature B according to FIG. 2, and by cooling the
Glass body 2 is used to maintain the desired temperature difference
taken care of. To prevent the glass body from softening at the high temperatures
2 adheres to the walls of the cover 3 that are in contact with it, recommends
it is advisable to provide these cover walls with a spread, -der when heated
a gas cushion preferably consisting of carbon dioxide forms. As a material for
this spread is suitable, for example, finely divided carbohydrates, e.g. B.
Starch, but also the finest carbon or graphite powder; that in water or alcohol
floated up and painted on the walls.