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Verfahren zum Überziehen nichtmetallischer Werkstoffe Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zum überziehen keramischer und ähnlicher nichtmetallischer
Stoffe mit einem fest haftenden metallischen Überzug und insbesondere die Herstellung
dichter Verbindungen von Keramikteilen oder von Keramik-und Metallteilen, z. B.
bei vakuumdicht abgeschlossenen Elektronenentladungsgefäßen. Derartige Verbindungen
sind, wie der Fachmann weiß, auf den verschiedensten Gebieten der Elektrotechnik
und Medhanik von größter Wichtigkeit. In der Elektrotechnik z. B. sind zahlreiche
Fälle bekannt, in denen es erforderlich ist, metallische Teile an keramischen Isolatoren
zu befestigen. Bisher wurden derartige Befestigungen durch Niete, Klammern oder
ähnliche Vorrichtungen, die eine relative Bewegung von Isolator und z. B. Armatur
verhindern, bewirkt. Es ist auch bekannt, ZufÜhrungsleitungen durch keramische Wände
von VakuumentladungsgefäBen mit verschiedenen Gläsern oder Glasflüssen ode£ keramischen
Stoffen vakuumdicht hindurchzuführen, insbesondere Zuleitungen, die aus keramischem
Werkstoff bestehen, der durch Einführung verschiedener Oxyde, z. B. Titanoxyd, in
die Oberfläche leitend gemacht wurde. Nach einem anderen Verfahren wird die Keramik
zunächst mit einer Grundglasur und dann mit einer ;metallischen Glasur versehen,
auf die. Metallteile weich aufgelötet werden können.' Auch können keramische Teile
mit Metallteilen durch Hartlot verbunden werden, wenn die Keramik vorher mit einem
hochschmelzenden ;Grundmetall, z. B. gepulvertem Eisen, überzogen wurde. Diese
bekannten
Keramik-bletall-Verbindutigeti haben aber alle Mängel, von denen die Schwäche vom
mechanischen und thermischen Gesichtspunkt hervorgehoben sei. Sie halten auch nur
schlecht die bei der Entgasung zur Anwendung kommenden hohen Temperaturen aus, das
Weichlot neigt zum Verdampfen, der Metallüberzug und das Lot oxydieren leicht, und
die Kosten der Verstellung solcher Verbindungen sind hoch. Wenn es gelingt, eine
teste und innige Verbindung zwischen ÄIetall und , Keramik herzustellen unter Vermeidung
der hislier aufgetretenen NLä ngel, so künitte das Anwendungsgebiet keramischer
IZZilii-en wesentlich ausgedehnt werden.
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beträchtliche Vorteile könnten erzielt werden, wenn sich für Elektronenentladutigsgefäße,
insbesondere bei Verwendung in Hochfrequenzfeldern, "Geile aus Keramik verwenden
ließen, die gegenüber anderen Baustoffen wesentliche stottliche Vorzüge aufweisen.
In vielen Fällen könnten Glasteile durch Keramikteile ersetzt werden, wenn es gelänge,
Keramik-Metall-Verbindungen herzustellen, die hinsichtlich mechanischer Festigkeit
find Vakuumdichte den Anforderungen entsprechen. Von den Vorteilen seien genannt
die Tatsache, daß gewisse Keramiken nur einen Bruchteil der Verluste von Glas 'haben
(gewisse Nlagnesiuinsilicatkerainiken haben nur 25 °/o der dielektrischen \'erltlste
der besten Gläser) infolge der Erweichungscharakteristik bei holten Temperaturen,
bei Verwendung von Keramik höhere l-Ierstellungsun<l Betriebstemperaturen angew-eridet
werden können, wegen des holten spezifischen \\'i<Ierstandes der Keramik die
Betriebstemperaturen heraufgesetzt werden können ohne Gefahr einer Elektrolyse in
der Keramik-Metall-Verbindung. nicht wie bei den Glas-Metall-Verbindungen in oxydierender
Atmosphäre gearbeitet werden muß, die Abwesenheit von Oxyden, die sich immer bei
den Glasverbindungen bilden, und sich die Restgasprol>lerne im Vakuumgefäß vereinfachen.
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(leinä,ß der Erfindung werden für die beschriebenen Anwendungszwecke
geeignete vakuumdichte Verbindungen hergestellt, die die. angestrebten Vorteile
aufweisen. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist einfach auszuführen und liefert
vakuutn-: dichte Verbindungen hoher Festigkeit und Starrheit, die sich für Entladungsgefäße,
insbesondere Elektronenentladungsgefäße, eignen. Bei Verwen-(hing hochtemperaturbeständiger
Keramiken mit niederen dielektrischen Verlusten können Gefäße für Hochfrequenzelektronenentladungsröhren
hergestellt werden. Schließlich lassen sich mit dem `'erfahren gemäß der 1?rfindutig
Keramikteile mit einem fest haftenden Titanüberzug versehen.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand der F ig. i bis 4 erläutert.
In den Mg. i, 2 und 3 sind vakuumdicht abgeschlossene Elektronenentladungsgefäße
und in Fig.4 ein Keramikteil finit einer metallisierten Oberfläche dargestellt.
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Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß das durch thermische
Zersetzung von Titanhydrid ("1i ££;, 1'i H2" Tiz H3) erhaltene Titan außerordentlich
fest auf nichtmetallischen Stoffen, z.. B. Graphit, Porzellan, Keramik, Diamant;
haftet, werden Titanhyrid und der zu überziehende Stoff unter solchen Bedingungen
erhitzt, daß sich das Titan nicht mit anderen Stoffen, z. 13. Sauerstoff, umsetzen
kann; d. h. wenn sie iin Vakuum oder in einer reduzierenden Atmosphäre von z. 13.
reinstem, trockenem Wasserstoff erhitzt werden, so bildet das Titan einen fest haftenden
Überzug. Auch auf einigen Metalloberflächen lassen sich auf diese Weise fest haftende
Überzüge herstellen. Ohne daß die Erfindung durch irgendeine Theorie eingeschränkt
werden soll, ntag erklärend erwähnt werden, daß das Titan anscheinend zum i)vIetall
reduziert wird, das auf dem nichtmetallischen Stoff eine fest haftende Oberflächenschicht
bildet und sich mit dem Metall legiert. Reines Titan hat bei hohen Temperaturen
eine große Affinität zu zahlreichen Stoffen, z. B, zu den die Keramik bildenden
Stoffen und der metallischen Oberfläche.
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In den Fig. i und 2 ist ein Querschnitt durch ein Elektronenentladungsgefäß
dargestellt, das scheibenförmige, parallele, metallische Abschlußwände i und 2 und
eine metallische Trennwand 3 hat; die mit zylindrischen Seitenwänden 4 und 5 aus
Keramik vakuumdicht verbunden sind. In Fig. i ist die Vorrichtung vor endgültiger
Fertigstellung und in Fig.- 2 in fettigem Zustand dargestellt. Die Konstruktioil
entspricht bekannten Konstruktionen, bei denen Glaswände an Stelle der Kerainikw.ände
4 und 5 verwendet werden. Obwohl die Vorteile, die durch das Verfahren gemäß der
Erfindung erzielt werden, bei Verwendung von Keramik besonders augenfällig sind,
ist doch die I?rlilidung nicht darauf beschränkt.
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Zur Herstellung einer innigen vakuumdichten Verbindung an der Verbindungsnaht,
an der die Wände 4 und 5 mit den 2XIetallteilen i, 2 und 3 zusammenstoßen, werden
die Endoberflächen der Wände 4 und 5 bei der Herstellung mit einem dünnen Überzug
von Titanhydrid, zweckmäßig in Pulverform, gemeinsam mit einem geeigneten Bindemittel,
z. B. einem N itrocelluloselack, versehen. Ein solcher Überzug, wie er durch die
Ziffer 6 in Fig. i an allen Endoberflächen der Wände 4 und 5 bezeichnet ist, wird
aufgestrichen oder aufgesprüht. Zwischen oder neben der Naht der Wände 4 und 5 und
den I@ietallteilen i; 2 und 3 kann ein Ring 7 eines geeigneten Lotes, z. B. aus
Silber, Gold, Kupfer oder einem anderen Metall., eingelegt werden.
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Das Lot kann in irgendeiner Weise angebracht werden, so daß es beim
Erhitzen zwischen die Oberflächen fließt; so kann es z. B. in den Winkel, den die
Wände an der Naht bilden. gepreßt werden, auch kann das Lot in gepulverter Form
mit dein Titanhydrid vermischt werden. 1)ie einzelnen Teile werden in der für die
Herstellung der vakuumdichten Verbindung durch Erhitzung gezeichneten Lage zusammengebaut.
Die Vorrichtung wird dann im Vakuum oder in einer geeigneten reduzierenden Atmosphäre,
z.13. Wasserstoff, zur Zersetzung des Titanhydrids und zum Schmelzen des
Lotes
erhitzt. Gewöhnlich liegt die erforderliche Temperatur, je -nach der Natur des verwendeten
Lotes, bei 8oo bis i2oo°. ()ie Erhitzung kann -durch 1-lochfreduenzinduktionsströme
in der Vorrichtung selbst oder durch andere bekannte :Methoden unterstützt werden.
Wenn die Keramik mit "Citaiiliydri(i überzogen wurde, benetzt das Lot die Keramik
gut und haftet fest daran. Gleichzeitig legiert es sich mit den metallischen Teilen
i, 2 und 3.
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f)ie keramischen Teile 4 und 5 können aus Nlagiiesiumsilicat, Titandioxyd,
Zirkonporzellan (zircon porcellaines), Quarz, geschmolzenem Aluniiniunioxy<1
oder den Titanaten, von Barium, Strontium, Calcium od. dgl. bestehen. Als Metall
für die Wände i, 2 und 3 kann z. B. Eisen mit 16 bis 3001() Chrom verwendet werden,
das mit einer Kupferschicht voll 25 .bis 5o ii überzogen ist. Zweckmäßig werden
die Baustoffe so ausgewählt, daß sie den gleichen thermischen Ausdelinungskoieffiz
ienten 'haben.
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1 >ie Wäilde 1, 2 und 3 können in bekannter Weise als äußerlich zugängliche
Elektroden für die .\node 8, die Kathode y und das Gitter lo dienen. 1)ie Kathode
wird finit einem Thermoionenerhitzer i i zur I4erstellting von Ther-inoionenemissionen
versehen.
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111 Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform gemäß der Frlindung
dargestellt, die aus einer vakuumdichten Ifülle besteht mit scheibenförmigen keramischen
Wänden 12 und 13 und zylindrischen kerainischen Wänden 14 und 15. Die metallische
Anode 16 reicht durch die f1% and 12 in das Entladungsgefäß, während die Kathode
17 in entsprechender Weise in der Wand i3 befestigt ist. 1?in scheibenförmiges Gitter
18, das dein in Fig. i dargestellteci ähnelt, ist zwischen den Wänden 14 und 15
befestigt. Die Wände 14 und 15 werden finit den Wänden 12 und 13 dadurch verbunden,
daß die aiieinanderstoßenden Oberflächen mit Titanliydrid überzogen und die gesamte
Vorrichtung in ein \'akuuni in der mit Bezug auf Fig. i dargestellten Weise erhitzt
wird. Zur Sicherstellung einer guten vakuumdichten Verbindung wird z\veckni,;ißig
ein Lot verwendet, das aber auch unter gewissen Umständen fortbleiben kann. Die
metallischen Teile, Kathode 17, Gitter 18 und Anode 16, werden an den entsprechenden
Stellen, wie es mit Bezug auf Fig. i bereits beschrieben ist, befestigt.
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In Fig.4 ist ein keramischer Teil mit einer metallisierten Oberfläche
dargestellt. I?r besteht aus riiiein keramischen Kern i9, auf dem Schichten 20 mid
21 \-o»i Titan haften, die durch Überziehen der Keramik mit Titanhydrid und anschließendes
Erhitzen im \'akuuin oder reinem Wasserstoff erzeugt wurden. Ein solcher Teil kann
als Kondensator verwendet werden, wobei die Überzüge 20 und 21 als Elektroden dienen.
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Die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Konstruktionen
sind frei von Gas oder Oxyden und die Bolzen und andere Röhrenbestandteile behalten
ihre Stellung, wenn sie an keramische Isolatoren gemäß dein Verfahren nach der Erfindung
angelötet sind, bei allen Temperaturen infolge der hohen Temperaturbeständigkeit
der Keramik hei. Wegen dieser hohen Temperaturfestigkeit besteht auch nicht die
Gefahr; daß die Wände unter crem äußeren Druck, selbst bei sehr honen Temperaturen,
eingedrückt werden.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich auch zur Vereinigung anderer
nichtmetallischer Teile mit metallischen Teilen verwenden, z. B. zur Herstellung
einer festen Verbindung zwischen Diamanten und Metallen oder metallischen Körpern,
z. B. aus gesinterten Karbiden u. dgl. Zahlreiche Werkzeuge, wie Kernbohrer u. dgl.,
haben einen schneidenden Teil, der aus Diamanten besteht, die in Metall oder in
ein gesintertes Karbid eingebettet sind. Diamanten sind sehr teuer, und ihr Verlust
durch Loslösen aus dem metallischen. Untergrund ist nicht nur wegen des , Materialverlustes,
sondern auch wegen der hohen Reparaturkosten möglichst zu vermeiden. (111e Mittel,
die geeignet sind, eine festere und dauerhaftere Verbindung zwischen dem Diamanten
und dem Metallkörper herbeizuführen, sind daher erwdinscht. Durch das Verfahren
gemäß der Erfindung ist es möglich, Diamanten mit einem Überzug aus Titankupfer
zu versehen und fest mit irgendeinem Metall oder einem Metallstück zu verbinden.