DK156270B

DK156270B - Fremgangsmaade til fremstilling af en vakuumtaet slagloddet stoedsamling mellem en metalliseret keramisk del og en udgloedet metaldel af en jernlegering

Info

Publication number: DK156270B
Application number: DK092480AA
Authority: DK
Inventors: Joseph Hubertus Franc Lipperts
Original assignee: Hazemeijer Bv
Priority date: 1979-03-05
Filing date: 1980-03-04
Publication date: 1989-07-24
Also published as: NO800612L; US4436241A; NL7901740A; DE3008460A1; ATA121180A; NL178680B; IT8067337A0; GB2045667A; JPS586716B2; FR2450794B1; DK156270C; AT379097B; NO152535B; DE3008460C2; SE445549B; CA1148797A; BE882089A; CH646891A5; IT1129205B; DK92480A

Description

DK 156270B

Den foreliggende opfindelse angâr en fremgangsmâde til fremstilling af en vakuumtæt slagloddet st0dsamling mellem en metalliseret keramisk del og en udgl0det metaldel af en jernlegering.

5 Sædvanligvis frembyder en samling mellem et keramisk materiale og et métal problemer pâ grund af den store forskel i varmeudvidelseskoefficienten mellem de to materialer.

Det er kendt at iausdegâ disse problemer ved at anvende specielle métallegeringen pâ basis af jern, nikkel og cobalt, 10 hvis varmeudvidelseskoefficient stemmer relativt godt overens med varmeudvidelseskoefficienten af keramiske materialer, f.eks. af 94 vægt-% AI2O3, idet resten udg0res af MgO, Si02,

CaO og alkalier, se f.eks. Silikattechnik 15 (1964), nr. 8, side 248-251. Disse legeringer lader imidlertid noget tilbage 15 at 0nske med hensyn til korrosionsbestandighed. Ved særlige krav til korrosionsbestandigheden har man hidtil overtrukket disse legeringer med et lag af kobber eller guld, hvilket dog er forholdsvis kostbart.

Fra DE fremlæggelsesskrift nr. 2.021.396 kendes en 20 metal-keramik-samling, i hvilken metallet indeholder mere end 50% nikkel, og det keramiske materiale indeholder et magnesiumoxid. Selvom en sâdan samling har ret godt afstemte varmeudvidelseskoefficienter og desuden en god korrosionsbe-standighed, har metallegeringen imidlertid den ulempe, at 25 den har en ret h0j pris. Endvidere har magnesiumoxidet en lav mekanisk styrke, en lav varmechok-bestandighed og en h0j reaktionsdygtighed over for metaller.

Et betydelig billigere métal, der især med hensyn til korrosionsbestandighed er særdeles velegnet til vakuum-30 -anvendelser, er austenitisk rustfrit stâl, som det blandt andet fremgâr af en artikel i "Vacuum", bind 26-7, side 287, af C. Geyari: "Design considération in the use of stain-less steel for vacuum and cryogénie equipment", der blev afleveret i forbindelse med det tredie israelske vakuum-35 m0de i Haifa i september 1973. Anvendelsen af austenitisk rustfrit stâl til slagloddede metal-keramik-samlinger vanske-

DK 156270B

2 liggores imidlertid af den dârlige slagloddelighed af aus-tenitisk rustfrit stâl og den store forskel i varmeudvidel-seskoefficient mellem det austenitiske rustfri stâl og det keramiske materiale. Pâ grund af fordelene ved austenitisk 5 rustfrit stâl har man ikke desto mindre forsogt at finde mulighed for at anvende dette materiale.

I DE fremlæggelsesskrift nr. 1.045.305 beskrives sâledes eh metode til tilvejebringelse af en slagloddet samling mellem to materialer med meget forskellige varmeud-10 videlseskoefficienter, som det f.eks. er tilfældet for kom-binationen af jern og et keramisk materiale. Mellem jernet og det keramiske materiale anbringes der til udligning af forskellen i varraeudvidelse et mellemlag af et materiale, der har en sâdan varmeudvidelseskoefficient, at udvidelsen 15 af metaldelen ved den fælles grænseflade med keramikdelen kompenseres i det mindste delvis. I kombination med et pas-sende valg af tykkelsen af mellemlaget opnâs der en virkning, som om der ved den fælles grænseflade er fastgjort et materiale, der i ait væsentligt har samme varmeudvidelseskoeffi-20 oient som det keramiske materiale. Imidlertid er denne kendte metode ret besværlig.

En anden metode til tilvejebringelse af en slagloddet forbindelse mellem et keramisk materiale og rustfrit stâl er vist i en brochure fra firmaet Friedrichsfeld. Ifolge 25 denne bindes stâlet indirekte til det keramiske materiale via et termisk tilpasset materiale, f.eks. NiFe42. Denne metode har ogsâ den ulempe, at den er ret besværlig og som folge heraf relativt kostbart.

Den er den foreliggende opfindelses formâl at til-30 vejebringe en fremgangsmâde af den i indledningen nævnte art, der er enkel og okonomisk. Ifolge opfindelsen opfyldes dette formâl ved en fremgangsmâde af den i indledningen nævnte art, der er ejendommelig ved det i krav l's kendeteg-nende del anforte.

35 Ved fremgangsmâden ifolge opfindelsen samles den rustfri stâldel og keramikdelen direkte ved slaglodning.

3

DK 156270 B

Delen af rustfrit stâl udglodes fdr slaglodningen og er over hele længden af slaglodningsstedet forsynet med en del, der st0der direkte op til slaglodningsplanet og har en maksimal tykkelse pâ 0,8 mm og en hojde pâ 4 til 12 mm.

5 Selvom der i ojeblikket ikke kan gives nogen endelig forklaring pâ de fænomener, der spiller en rolle ved foran-staltningerne ifolge opfindelsen, er det efter omfattende undersdgelser blevet klart, at samlingerne, der tilvejebrin-ges ved fremgangsmâden ifolge opfindelsen, er særdeles til-10 fredsstillende i praksis. Samlingen ifolge opfindelsen er sàledes blevet anvendt i en vakuumkontakt, hvorefter samlingen er blevet underkastet tæthedsprover i ultrah0jt vakuum til pâvisning af selv de mindste lækager. Ved disse tætheds-prever er der anvendt en helium-lækagedetektor med en f0lsom-15 hed pâ 6,7 x 10"12 mbar/sek. Der har imidlertid ikke kunnet pàvises lækager ved de foretagne prover.

Endvidere viste samlingen sig at modstâ trækpr0ver til unders0gelse af den mekaniske styrke godt. Desuden viste det sig, at samlingen er stabil under gentagne store tempe-20 raturændringer.

Det har ogsâ vist sig, at der opnâs optimale resul-tater, nâr der anvendes et austenitisk rustfrit stâl, og udglodningen gennemfores i hojvakuum og ekstremt oliefri omgivelser ved en temperatur pâ 1050°C i et tidsrum, der 25 afhænger af materialets tykkelse.

Det formodes, at chromoxidet, der findes pâ overfladen af det austenitiske rustfri stâl, pâ grund af varmebéhandlin-gen forsvinder ved dissociation, hvorved det austenitiske rustfri stàls slagloddelighed forbedres.

30 Som f0lge af, at chromoxidlaget forsvinder, kan slag- lodningstemperaturen pâ ca. 1050°C nedsættes til ca. 800°C.

Dette medforer den fordel, at spændingerne i samlingen, der skyldes de forskellige varmeudvidelseskoefficienter hos de to dele, formindskes betydeligt.

35 De ovennævnte forhold kan direkte udledes af de pâgæl- dende materialers temperatur-udvidelseskurver.

DK 156270B

4

Hvor disse kurver har en generelt divergerende karak-ter, vil en forskel i udvidelse blive mindre, nâr temperatu-ren er lavere, og der tilstræbes derfor en slaglodningstem-peratur, der er sâ lav som muligt.

5 Til trods for, at det er muligt at sænke slaglod- ningstemperaturen fra ca. 1050°C til ca. 800°C ved anvendelse af fremgangsmâden ifolge opfindelsen, viser det sig, at forskellen i udvidelse mellem det rustfri stâl og det kera-miske materiale selv i dette tilfælde er relativt stor.

10 Varmebehandlingen ifelge opfindelsen tjener derfor ogsâ til eliminering af den styrkeforogelse af det austeni-tiske rustfri stâl, der bevirkes af kolddeformeringen af det. Felgelig bliver metallet mere duktilt, sâledes at spæn-dingerne i samlingen, der forârsages af forskellen i ud-15 videlse, kan imedegâs bedre. Bestandigheden mod spændinger i samlingen fremstillet ifolge opfindelsen forbedres imidler-tid yderligere ved at begrænse materialetykkelsen i den del af det austenitiske rustfri stâl, der ligger i nærheden af slaglodningss0mmen over hele dennes længde.

20 Opfindelsen forklares nærmere i det f0lgende under henvisning til figurerne pâ tegningen.

Fig. 1 viser den lineære udvidelse som funktion af temperaturen for forskellige materialer.

Fig. 2 viser ændringen i længde som funktion af tem-25 peraturen for forskellige materialer ved et andet temperatur--referencepunkt.

Fig. 3 viser en vakuumkontakt, hvori der er anvendt en samling fremstillet ved fremgangsmâden if0lge opfindelsen.

Fig. 4 viser en anden udf0relsesform for en vakuumkon-30 takt, hvori der er anvendt en udferelsesform for en samling fremstillet ved fremgangsmâden ifolge opfindelsen.

I fig. 1 er der i diagramform vist den lineære udvidelse som funktion af temperaturen for forskellige materialer op til en temperatur pâ 800° C.

35 Det fremgâr af dette diagram, at det rustfri stâl har en varmeudvidelseskoefficient, der adskiller sig betyde-

DK 156270B

5 ligt fra varmeudvidelseskoefficienten af det keramiske mate-rirale af A1203. Dette star i modsætning til f.eks. métal-legeringerne NiFe42 og NiCoFe, der er specielt udviklet til slaglodningssamlinger med keramiske materialer. Det fremgâr 5 ogsâ af fig. 1, at forskellen i udvidelse for de fleste materialers vedkommende vokser med stigende temperatur. Problemet med forskelllen i udvidelse kan derfor kompenseres delvis ved at holde slaglodningstemperaturen sa lav som muligt.

10 I fig. 2 er der vist et diagram, der i det væsentlige er det samme som i fig. 1, men hvor udgangstemperaturen er 800e. Hvis man yderligere antager, at de forskellige materialer er blevet sammenfejet ved denne temperatur og derfor har de samme dimensioner, vil en afk0ling betyde, at der 15 fremkommer spændinger som folge af ændringen i længde. üd fra forskellen i længde ved stuetemperatur og det pâgældende materiales elasticitetsmodulus kan spændingen ved stuetemperatur beregnes.

Diagrammet i fig. 2 viser ligeledes, at man, nàr der 20 er taie om duktile metaller, sâsom rustfrit stâl, kan opnâ en delvis kompensering af spændingen, der forârsages af forskellen i længdeændring, ved indre flydning af metallet.

Ved at s0rge for, at metaldelen i en samling forbliver sâ duktil som muligt, kan man reducere problemet med forskellen 25 i udvidelse.

I fig. 3 er der vist en vakuumkontakt, i hvilken dækhætterne 5 og 6 hver især er sammenf0jet med det keramiske hus 1 ved fremgangsmâden ifolge opfindelsen. Ud over det keramiske hus 1 og dækhætterne 5 og 6 indeholder vakuumkon-30 takten sædvanligvis ogsâ i hovedsagen en fast og en bevægelig kontakt hhv. 2 og 3 med de tilh0rende kontaktstænger, en bælg 7, der er nedvendig for vakuumtæt passage af den bevæge-lige kontaktstang, og en skærm 4 til beskyttelse af det keramiske hus 1. Til forbedring af korrosionsbestandigheden 35 er dækhætterne 5 og 6 fremstillet af austenitisk rustfrit stâl, f.eks. et stâl, der if0lge DIN-normerne betegnes 1.4301 6

DK 156 2 70 B

eller 1.4306.

For at muliggore slaglodning ved lav temperatur er dækhætterne blevet udglodet i hojvakuum og ekstremt oliefri omgivelser, hvorved det har vist sig, at de bedste resultater 5 opnâs, nâr der vælges en varighed af udglodningsbehandlingen pâ ca. 1 time pr. mm materialetykkelse. Belægningen af chrom-oxid dissocierer, sâledes at dækhætterne bliver slagloddelige ved en temperatur pâ ca. 800°C, medens materialet bliver duktilt i en sâdan grad, at spændinger delvis kan kompenseres 10 ved indre plastisk deformation af dækhætterne.

Til yderligere forbedring af kompenseringen af spændinger i sammenf0jningen fremstillet ifolge opfindelsen har den del af dækhætterne, der ligger direkte ved slaglodnings-planen i hele længden af slaglodningss0mmen særlige dimen-15 sioner. Tykkelsen af delen er i fig. 3 vist ved d og h0jden ved h.

Malt fra slaglodningsplanen strækker denne del sig over en hojde, h, der star i et fast forhold til materiale-tykkelsen d. Dette forhold kan være fra 5 til 15 gange mate-20 rialetykkelsen d, men er fortrinsvis indtil 10 gange mate-rialetykkelsen d. En yderligere kompensation af spændingerne kan om 0nsket opnâs ved, at lade de dele af dækhætterne 5 og 6, der stoder op til det keramiske hus 1, indtage en noget skrâ stilling i forhold til slaglodningsplanen.

25 Hvis hojden h var mindre end ovenfor angivet, ville der være en betydelig foroget risiko for losning af dækhætterne 5 og 6 fra det keramiske hus 1 pâ grund af spændinger.

I fig. 4 er der vist en udf0relsesform, i hvilken dækhætterne som helhed opfylder kravet til materialetykkelsen 30 d. Den del af dækhætterne, der forl0ber parallelt med kon-taktplanen, skal da hâve en afstand til slaglodningsplanen pâ mindst h.

Ved fremgangsmâden ifolge opfindelsen kan der til-vejebringes særdeles gode sammenf0j ninger af rustfrit stâl 35 og keramisk materiale pâ simpel màde. Fremgangsmâden ifolge opfindelsen frembyder særdeles gode anvendelsesmuligheder

DK 156270 B

7 ved fremstilling af vakuumkontakter, men kan ogsâ med fordel anvendes til andre anvendelser, f.eks. i vakuumudladningsan-ordninger og andre vakuumtætte strukturer, der indeholder en metal-vakuum-forbindelse. Endvidere skal det bemærkes, 5 at der i stedet for A1203 ogsâ kan anvendes andre keramiske materialer.

Claims

1. Fremgangsmâde til fremstilling af en vakuumtæt slagloddet stodsamling mellem en metalliseret keramisk del og en udglodet metaldel af en jernlegering, kendeteg- 5 net ved, at der anvendes en metaldel bestâende af auste-nitisk rustfrit stâl, hvoraf en over hele længden af slaglod-ningsstedet direkte op til samlingsfladen stodende del har en maksimal tykkelse pâ 0,8 mm og en hojde pâ 4 til 12 mm, og at denne del forbindes direkte med den metalliserede 10 keramiske del ved slaglodning.

2. Fremgangsmâde if0lge krav 1, kendetegnet ved, at der anvendes en metaldel, der er udgl0det ved en temperatur pâ 1050°C i h0jvakuum og ekstremt oliefri ora-givelser.

3. Fremgangsmâde ifolge krav log 2, kendeteg net ved, at der anvendes en metaldel, hvor udgl0dningsti-den er ca. 1 time pr. mm tykkelse af delen.

4. Fremgangsmâde if0lge kravene 1, 2 eller 3, kendetegnet ved, at slaglodningen gennemf0res ved en 20 temperatur pâ ca. 800°C.

5. Fremgangsmâde ifolge ethvert af kravene 1-4, kendetegnet ved, at der anvendes en keramisk del, som indeholder mindst 95% AI2O3.