DE754804C

DE754804C - Melting iron-nickel alloys in glass

Info

Publication number: DE754804C
Application number: DEL103180D
Authority: DE
Inventors: Albert W Hull; Louis Navias
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1940-03-28
Filing date: 1941-02-04
Publication date: 1953-02-23
Also published as: FR871685A; NL58640C; CH221437A

Description

Einschmelzen von Eisen-Nickel-Legierungen in Glas Glas-Metall-Verbindungen wurden früher zwischen Metallen, beispielsweise Platin; und geeigneten Gläsern derart hergestellt, daß die Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Teile so ausgewählt wurden, daß die Beanspruchungen, die durch Wärmeausdehnung oder -zusammenziehung der Bestandteile hervorgerufen würden, nicht die Festigkeit- des Glases überschritten. Es wurde im wesentlichen darauf geachtet, dä,ß das Glas und das Metall möglichst dadurch in Übereinstimmung gebracht wurden, daß der Durchschnittsausdehnungskoeffizient des Metalls nahezu mit dem des Glases bei Temperaturen unter dem Erweichungspunkt des Glases übereinstimmte: Es wurde unlängst festgestellt, daß die Wärmeausdehnüngskurve der Gläser nicht linear für alle Temperaturen verläuft, sondern im Gegenteil Transformationszonen besitzt, die wesentlich unter dem Erweichungspunkt liegen, bei denen die Ausdehnungkoeffizienten stark zunehmen. Um eine im wesentlichen spannungsfreie Glaslfetall-Verbindung bei allen Temperaturen unter dem Schmelzpunkt des Glases zu erhalten, ist es daher erforderlich, als Metall eine Legierung zu verwenden, deren Ausdehnungskurve im wesentlichen mit der des Glases oberhalb und unterhalb der Transformationszone übereinstimmt. Eine genaue Übereinstimmung auf dem ganzen Gebiet ist unwahrscheinlich, aber nicht unmöglich. Jedoch können hinreichend feste Verbindungen so lange erzielt werden, wie der größte Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungskurven des Glases und des Metalls bei jeder Temperatur derart ist, daß die Spannungen, die während des Abkühlens im Glase auftreten, nicht die Festigkeit des Glases überschreiten.Melting iron-nickel alloys in glass-glass-metal compounds used to be between metals such as platinum; and suitable glasses such made that the expansion coefficient of the individual parts selected that the stresses caused by thermal expansion or contraction of the constituents would not exceed the strength of the glass. Essentially, care was taken to ensure that the glass and the metal were used as much as possible have been matched by the fact that the average coefficient of expansion of the metal almost with that of the glass at temperatures below the softening point of the glass agreed: It was recently found that the thermal expansion curve of the glasses does not run linearly for all temperatures, but on the contrary transformation zones which are significantly below the softening point at which the expansion coefficients increase sharply. To ensure an essentially tension-free glass-to-metal connection To maintain all temperatures below the melting point of the glass, it is therefore necessary to use an alloy as the metal, the expansion curve of which is essentially with that of the glass above and below the transformation zone. An exact match across the field is unlikely, but not not possible. However, sufficiently strong connections can be achieved as long as like the biggest difference between the thermal expansion curves of the glass and the Metal at any temperature is such that the stresses generated during cooling occur in the glass, do not exceed the strength of the glass.

Bestimmte Legierungen aus Eisen, Kobalt und Nickel sind zur Herstellung derartiger Verbindungen-bereits bekannt, da diese Legierungen Ausdehnungskurven haben, die ähnlich denen der Gläser sind, die solche Transformationszonen aufweisen. Diese Legierungen sind aber wegen ihres Gehalts an Kobalt verhältnismäßig teuer. Die bekannten Nickel-Eisen-Legierungen sind billiger. Doch weisen deren Ausdehnungskurven Knickpunkte auf, die bei einer bedeutend geringeren Temperatur liegen als die Transformationspunkte der meisten üblichen Gläser. Zwar läßt sich zu den meisten der üblichen Gläser eine Eisen-Nickel-Legierung finden, die in ihrer Ausdehnungskurve unterhalb des Knickpunktes weitgehend mit der Ausdehnungskurve des Glases übereinstimmt, doch fallen der Knickpunkt und der Transformationspunkt nicht zusammen. Diese Glassorten eignen sich daher insbesondere nicht zur Herstellung von derartigen Glas-Metall-Verbindungen, bei der die Metallteile in bestimmter Lage in einer Gußform angeordnet werden und das .geschmolzene Glas in die Form um die Metallteile gegossen wird, da es bei der Herstellung derartiger Glasverbindungen erforderlich ist, mit einer relativ großen Glasmasse zu arbeiten, die leicht die Metallteile umfließt und daher bei der Arbeitstemperatur von iooo bis i-oo° C möglichst leichtflüssig wie Wasser sein soll.Certain alloys of iron, cobalt and nickel are used for manufacture Such compounds - already known because these alloys have expansion curves which are similar to those of the glasses that have such transformation zones. However, because of their cobalt content, these alloys are relatively expensive. The known nickel-iron alloys are cheaper. But show their expansion curves Break points that are at a significantly lower temperature than the transformation points most common glasses. It is true that one can be added to most of the usual glasses Find iron-nickel alloy, which in its expansion curve is below the break point largely coincides with the expansion curve of the glass, but the break point falls and the transformation point not together. These types of glass are therefore suitable especially not for the production of such glass-metal connections which the metal parts are arranged in a specific position in a mold and that .melted glass is poured into the mold around the metal parts as it is being manufactured such glass connections is required, with a relatively large glass mass to work that easily flows around the metal parts and therefore at the working temperature from iooo to i-oo ° C as lightly as water should be.

Ferner ist es bei der Massenherstellung von Glas-lletall-Verltindungen nicht nur wünschenswert, daß billige und leicht zu bearbeitende -Materialien verwendet werden, sondern es ist auch erforderlich, daß das Glas, wenn es für elektrische Anordnungen geeignet sein soll, nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist und daß es widerstandsfä hi- -egen Einflüsse aus der 'Natur ist, d. h. cs ,oll Nvetterbeständig, chemisch widerstandsfähig und gegen starke Temperaturänderungen unempfindlich sein. Zudem muli das flüssige Glas das Metall bei hohen Temperaturen benetzen und bei der Abkühlung fest an dem -Metall haften.It is also used in the mass production of glass-to-metal joints not only desirable to use cheap and easily machinable materials but it is also required that the glass if it is for electrical Arrangements should be suitable, has only a low electrical conductivity and that it is resistant to influences from nature, d. H. cs, oll Nvetterresistant, chemically resistant and insensitive to strong temperature changes. In addition, the liquid glass wet the metal at high temperatures and at adhere firmly to the metal after cooling.

Erfitidungsc,etn<iß werden zum Einschinelzen von Eisen-Nickel-Legierungen mit annähernd 42 0/0 \Tickelgehalt, deren Verwendung für Glas-Metall-Verschmelzungen bereits bekannt ist, Gläser aus etwa 340/0 Siliciumoxyd, 28% Boroxyd, 7% Aluminiumoxyd, 29% Bleioxyd und 2% Natrumoxyd verwendet.Erfitidungsc, etn <iß are used for smelting iron-nickel alloys with approximately 42 0/0 \ Tickel content, their use for glass-metal fusion is already known, glasses made of about 340/0 silicon oxide, 28% boron oxide, 7% aluminum oxide, 29% lead oxide and 2% sodium oxide used.

Gläser mit der gleichen chemischen Zusammensetzung sind an und für sich vorzugsweise in der optischen Industrie bekannt, doch nicht zum Einschmelzen von Metall verwendet worden.Glasses with the same chemical composition are on and for known primarily in the optical industry, but not for melting down used by metal.

Um zu vermeiden, daß die gewöhnlich auftretenden Änderungen in der Zusammensetzung hei der fabrikatorischen Herstellung die Güte der endgültigen Verbindung verschlechtern, ist es: vorteilhaft, die Zusammensetzung der Legierung und des Glases in den vorgenannten Grenzen zu halten. Die Legierung soll daher in der Praxis im wesentlichen aus 42% Nickel und 58% Eisen bestehen, jedenfalls soll sie--nicht mehr als i % Verunreinigungen, z. B. Kobalt, Mangan, Silicium und Kohlenstoff enthalten, die gewöhn-Mich in: diesen Metallen vorhanden sind.In order to avoid the usual changes in the Composition means the quality of the final connection in manufacturing worsen, it is: beneficial to the composition of the alloy and the glass to keep within the aforementioned limits. The alloy should therefore in practice in consist essentially of 42% nickel and 58% iron, in any case it should - no longer as i% impurities, e.g. B. contain cobalt, manganese, silicon and carbon, who get used to: these metals are present.

Diese Legierung hat einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 5,2 # io--6 bei Temperaturen zwischen 25 und 300°C und wird vorteilhaft durch Sintern. hergestellt. Es werden dann 42 Gewichtsprozent feingepulvertes Nickel mit 58 Gewichtsprozent feingepulvertem Eisen vermischt, diese Pulvermischung; durch Pressen gefestigt und auf Sintertemperaturen unter dem Schmelzpunkt der Legierungen (1.40o bis 1440'C) 8 oder mehr Stunden lang erhitzt. Die Zusammensetzung des Glases ist ebenfalls . kritisch, obgleich kleine Änderungen an dem Gehalt an Boroxvd, Bleioxyd und Natriumoxyd zulässig sind, was wohl auf eine Verdampfung dieser Stoffe während der Herstellung zurückzuführen ist. Eine zu starke Verdampfung dieser Bestandteile ergibt jedoch ein härteres Glas und ändert die Transformationszone auf eine etwas höher liegende Temperatur. Es ist zu empfehlen. die Zusammensetzungsverhältnisse innerhalb von 1/=% der angegebenen Prozentsätze für die Bestandteile zu wählen, außer bei \ atriumoxyd, das stets 2% betragen soll. Jedoch können geringe Zusätze von Farboxyden, z. B. Kupferoxyd, Nickeloxyd oder Jlan",anoxvd. beigefügt werden, denn derartige Oxvde erhöhen die Haftfestigkeit des Glases an einer Eisen-Nickel-Legierung.This alloy has an expansion coefficient of about 5.2 # io - 6 at temperatures between 25 and 300 ° C and is advantageous by sintering. manufactured. There are then 42 percent by weight of finely powdered nickel with 58 percent by weight finely powdered iron mixed, this powder mixture; strengthened by pressing and at sintering temperatures below the melting point of the alloys (1.40o to 1440'C) Heated for 8 or more hours. The composition of the glass is also. critical, though small changes in the boron oxide, lead oxide, and sodium oxide content are permissible, which is probably due to an evaporation of these substances during manufacture is due. However, excessive evaporation of these components results a harder glass and changes the transformation zone to a slightly higher one Temperature. It is recommended. the composition ratios within 1 / =% of the specified percentages to be selected for the components, except for \ atrium oxide, that should always be 2%. However, small additions of color oxides, e.g. B. Copper oxide, nickel oxide or Jlan ", anoxvd. Are added, because such oxides increase the adhesion of the glass to an iron-nickel alloy.

Folgende Beobachtungen zeigen die Berechtigung der Forderung, die Glaszusaminensetzung in den angegebenen Grenzen zu halten. Wird beispielsweise Kalitttnoxyd an Stelle von \ atriiiiiioxvd in dem Glas verwenl t, um einenhöherenelektrischenWiderstand zu le erhalten. so wird die lineare Ausdehnung zu klciit. Bei der Erhöhung des Prozentsatzes an Kaliumoxyd auf 3 °/ö erhält das Glas zwar die zur Legierung passende Ausdehnungskürve und den geeigneten Schmelzpunkt, hat aber nur ;geringe Wetterfestigkeit. Bei einem Versuch; die Wetterbeständigkeit durch Erhöhen des Siliciumoxyds bis auf 420/0 und Verminderung des Boroxyds auf zo% zti verbessern, wird z«-ar ein Glas mit hohem Schmelzpunkt, mit geeigneter Ausdehnung und zufriedenstellender Wetterbeständigkeit erhalten, doch hat ein solches Glas eine derartige große Zähflüssigkeit bei den gewöhnlichen Arbeitstemperaturen, daß die Herstellung von Glas-1iletall-Verhindungen 1>e1 dem üblichen Gußverfahren praktisch große Schwierigkeiten bereitet.The following observations show that the claim is justified Keep glass composition within the specified limits. For example, potassium oxide used instead of \ atriiiiiioxvd in the glass in order to achieve a higher electrical resistance to get le. so the linear expansion becomes too small. When increasing the percentage at Potassium oxide to 3 ° / ö gives the glass the expansion curve suitable for the alloy and the appropriate melting point, but has only poor weather resistance. At a Attempt; the weather resistance by increasing the silica up to 420/0 and Reduction of the boron oxide to zo% zti, z «-ar becomes a glass with high Melting point, with suitable expansion and satisfactory weather resistance received, but such a glass has such a high viscosity in the Usual working temperatures that the production of glass-1iletal-connections 1> e1 practically causes great difficulties with the usual casting process.

Das angegebene Glas dagegen ist sehr wetterbeständig und verhältnismäßig leicht flüssig, fast wie Wasser, wenn es geschmolzen ist. Seine geringe Zähflüssigkeit hat sich gerade beim Gießen von Glas-Metall-Verbindungen als vorteilhaft erwiesen, da es bei diesem Verfahren in der Lage sein muß, in sehr kleine Spalten innerhalb der Form und rings um die Metallteile zu fließen. Die- große Änderung der Neigung der Ausdehnungskurve, die die Transformationszone kennzeichnet, stimmt mit einer ähnlichen Änderung in der Neigung der Legierungsausdehnungskurve überein, die in der Nähe von 400'C auftritt. .The specified glass, on the other hand, is very weatherproof and proportionate slightly runny, almost like water when it has melted. Its low viscosity has proven to be particularly advantageous when casting glass-metal connections, because in this process it must be able to split into very small gaps within the shape and flow around the metal parts. The big change in slope of the expansion curve that characterizes the transformation zone agrees with one similar change in the slope of the alloy expansion curve shown in occurs near 400'C. .

Fig. i zeigt die Ausdehnungskurve einer Glaszusammensetzung und Metallegierung entsprechendderErfindung. DieAusdehnungskoeffizienten sowohl der Legierung als auch des Glases sind-verhältnismäßigklein, wodurch die Massenherstellung von vakuumdichten Verbindungen erleichtert wird, da der bei sämtlichen Temperaturen vorhandene geringe Ausdehnungskoeffizient die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Sprüngen und anderen Schäden während der Abkühlung verringert. Das Glas weist einen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 5,2 - io-s/cm zwischen 25 und 300°C auf. Die erfindungsgemäßen. Verbindungen werden gewöhnlich um 3° C pro Minute abgekühlt. _ Die Fig.2 und 3 zeigen als Beispiel für den Erfindungsgegenstand Stromeinführun-g Fig.2 zeigt eine Stromeinführung in einem Kondensator in Ansicht und Fig. 3 im Schnitt. Die Stromeinführung i besteht aus einem gegossenen Isolator aus Glas, mit dem die \letallkappe 3 und der Metallring 4. vakuumdicht verschmolzen sind. Sowohl die Kappe als auch der Ring bestehen aus einer ickel-Eisen-Legierung mit 42 % hTickel. Der Ring .4 ist mit einem Flansch 5 versehen, mit dem die Stromeinführung auf dem Deckel 6 verlötet, verschweißt oder auf andere Weise befestigt ist.Fig. I shows the expansion curve of a glass composition and metal alloy according to the invention. The coefficients of expansion of both the alloy and the glass are relatively small, which facilitates the mass production of vacuum-tight joints, since the low coefficient of expansion at all temperatures reduces the likelihood of cracks and other damage occurring during cooling. The glass has a coefficient of expansion of about 5.2 - 10 s / cm between 25 and 300 ° C. The invention. Joints are typically cooled by 3 ° C per minute. _ The Figures 2 and 3 show an example of the inventive subject matter current introduction 2 shows a current introduction in a capacitor in view and FIG. 3 in section. The current inlet i consists of a cast insulator made of glass, with which the \ letallkappe 3 and the metal ring 4 are fused in a vacuum-tight manner. Both the cap and the ring are made of an ickel-iron alloy with 42% htickel. The ring .4 is provided with a flange 5 with which the current inlet is soldered, welded or otherwise attached to the cover 6.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 ist in der Mitte des Glasgusses ein hohlzylindrischer Metallteil 7 vorgesehen, durch den ein elektrischer Leiter geführt werden kann, der mit dem mit einem Gewinde versehenen Stab 8, beispielsweise durch Löten, verbunden ist. Die Metallzwischenstücke g bzw. io verhindern ein Haften des Glases an dem Stab 8 bzw. an dem senkrechten Teil des Ringes 4 während des Gießvorgangs. Diese Zwischenstücke und io werden vorteilhaft ebenfalls aus der beschriebenen Eisen-Nickel-Legierung hergestellt.In the arrangement according to FIG. 3, there is a in the middle of the glass casting Hollow cylindrical metal part 7 is provided through which an electrical conductor is passed can be that of the threaded rod 8, for example by Soldering, is connected. The metal spacers g and io prevent the Glass on the rod 8 or on the vertical part of the ring 4 during the casting process. These intermediate pieces and io are also advantageously made from the iron-nickel alloy described manufactured.

Claims

PATENT CLAIM: Use of! Glasses made of about 340 / a silicon oxide, 28% boron oxide,% aluminum oxide, 299% lead oxide and 2% sodium oxide for melting iron-nickel-iron alloys with approximately 42% nickel content. The following publications were taken into account in the granting procedure for the purpose of submitting an inquiry. -% before: German patent specification No. 113 588; British Patent Publication No. 497,644; »Glass and Apparatus«, 1934, pp.49, 50; Thiere, Hermann, "Glass," z. Vol., Jena 1939, S: 989; "General: Electric Review", 1939, issue i2, pp. 525 to 528.