EP0209163B1

EP0209163B1 - Drehanode für Röntgenröhren

Info

Publication number: EP0209163B1
Application number: EP86200625A
Authority: EP
Inventors: Ralf Dr. Eck
Original assignee: Metallwerk Plansee GmbH
Current assignee: Metallwerk Plansee GmbH
Priority date: 1985-07-11
Filing date: 1986-04-15
Publication date: 1988-08-24
Also published as: EP0209163A1; DE3660606D1; US4780902A; ATA205385A; JPS6215739A; AT384323B

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehanode für Röntgenröhren mit einem Grundkörper aus einer Molybdän-Legierung.
Die einer Drehanode zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zugeführte elektrische Energie wird nur zu etwa 1% in Röntgenstrahlen umgesetzt. Die restlichen 99% werden in Wärme umgesetzt. Materialien für Drehanoden müssen daher zur Erzeugung der jeweils benötigten Röntgenstahlung geeignet sein und gleichzeitig eine hohe Warmfestigkeit aufweisen.
Wolfram weist sowohl einen sehr hohen Schmelzpunkt als auch eine hohe Ordnungszahl im periodischen System auf und hat sich daher als Material für die Röntgenstahlen erzeugende Brennfläche bzw. für den Grundkörper von Drehanoden sehr gut bewährt. Der Nachteil von Wolfram ist jedoch, dass es nur sehr schwer verformbar ist und ausserdem ein sehr hohes spezifisches Gewicht aufweist, so dass die Beschleunigung und Abbremsung derartiger Drehanoden nur verhältnismässig langsam erfolgen kann. Desgleichen sind die bei der Rotation auftretenden Fliehkräfte sehr gross, wodurch die höchstzulässige Drehzahl dieser Drehanoden vergleichsweise niedrig ist.
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist man in der Vergangenheit dazu übergegangen, nur mehr die Röntgenstrahlen abgebende Brennfleckbahn der Drehanode aus Wolfram oder einer Wolfram/ Rhenium-Legierung herzustellen und den Grundkörper der Drehanoden aus Molybdän oder Molybdän-Legierungen, die wesentlich leichter als Wolfram sind, herzustellen.
Aus der AT-PS 248 555 ist es beispielsweise bekannt, eine Legierung auf Molybdän-Basis mit Zusätzen von 0,5-50% von Wolfram, Tantal, Niob, Rhenium und/oder Osmium für den Grundkörper von Drehanoden zu verwenden. Bei hoher Beanspruchung dieser Drehanoden wirkt sich jedoch der Unterschied in den thermischen Ausdehnungen zwischen dem Grundkörper aus der Molybdän-Legierung und der Brennfleckbahn aus Wolfram oder Wolfram-Legierung nachteilig aus und kann die Ursache zur Entstehung von Rissen in der Brennfleckbahn sein, die sich bis in den Grundkörper hinein erstrecken können.
Die AT-PS 257751 beschreibt eine Drehanode für Röntgenröhren mit einem Grundkörper aus einer Molybdän-Legierung, die 0,05-1,5 Gew.% Titan und gegebenenfalls noch zusätzlich bis zu 0,5 Gew.% Zirkon oder 0,3 Gew.% Kohlenstoff enthält. Diese Molybdän-Legierung ist als TZM bekannt. Durch die Verwendung von TZM als Material für den Grundkörper konnte die Neigung zur Rissbildung wesentlich herabgesetzt werden.
Nachteilig bei dieser Art von Drehanoden ist es jedoch, dass es mit der Zeit zu einem Verzug der Brennbahn kommen kann. Dieser Verzug tritt umso häufiger und schwerwiegender auf, je höher die Betriebstemperatur der Drehanode liegt und je grösser der Durchmesser der Drehanode ist. Durch diesen Verzug, der so gering sein kann, dass er mit dem blossen Auge nicht erkennbar ist, kommt es zu einer verringerten Ausbeute der Röntgenstrahlung, da ein Teil der Röntgenstrahlung an der Peripherie des Röntgenstrahlfensters abgeschnitten wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehanode für Röntgenröhren zu schaffen, bei der der Grundkörper aus einer Molybdän-Legierung besteht und gleichzeitig bekannte Probleme für diese Legierung, wie Rissbildung oder ein Verziehen der Drehanode, vermieden werden.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Molybdän-Legierung aus 0,1-15 Gew.% Hafnium, 0,1-15 Gew.% Zirkonium, 0,01-1,0 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän, besteht.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht die Molybdän-Legierung aus 0,1-2,0 Gew.% Hafnium, 0,1-2,0 Gew.% Zirkon, 0,01-0,5 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän. Diese Legierung kann auch für die Drehanodenwelle verwendet werden.
Die Legierung, entsprechend der Erfindung, weist gegenüber einer TZM-Legierung verbesserte mechanische Eigenschaften auf, die vor allem auch bei den Betriebstemperaturen von Drehanoden im Bereich zwischen etwa 1000°C und 1500°C wesentliche Festigkeits-Verbesserungen der Drehanode bewirken.
Um die verbesserte mechanische Festigkeit der Legierung, entsprechend der Erfindung, gegenüber TZM gerade bei den beim Betrieb von Drehanoden auftretenden Temperaturen zu zeigen, wurden im Beispiel 1 entsprechende Zugfestigkeitstests an Probestäben aus diesen Legierungen ausgeführt.
Die Zusammensetzungen der Legierungen wurden im Beispiel 1 variiert und bewegten sich im Fall der Legierung für den Grundkörper der erfindungsgemässen Drehanode im Bereich von 0,4-0,7 Gew.% Zr, 0,15-1,2 Gew.% Hf, 0,05-0,15 Gew.% C und im Fall der TZM-Legierung im Bereich von 0,5 Gew.% Ti, 0,08 Gew.% Zr, 0,01-0,04Gew.% C. Die Probestäbe wurden durch Pressen und Sintern der Ausgangspulver und anschliessendes Heissschmieden zur vollständigen Verdichtung hergestellt. Messlängen-Durchmesser der Probestäbe 2,5 mm, Durchmesser der Einspannköpfe 5 mm, Messlänge 10 mm, Messlängen-Rauhigkeit R., = 1,6pm. Die Messungen wurden in einem Warmzerreissofen mit Kaltwandkessel unter H₂ als Schutzgas, TP kleiner als -35°C, durchgeführt.
Die Rekristallisations-Temperatur der Legierung, entsprechend der Erfindung, liegt um 150 bis 250°C höher als bei einer TZM-Legierung. So ist nach einer einstündigen Glühung bei 1350°C TZM bereits teilrekristallisiert, die Legierung, entsprechend der Erfindung, dagegen erst bei Temperatur über 1500°C.
Durch die Verwendung der Legierung, entsprechend der Erfindung für den Grundkörper von Drehanoden, kann daher die Betriebstemperatur der Drehanoden wesentlich erhöht werden, ohne dass es durch frühzeitige Rekristallisierung zu einem Steilabfall der mechanischen Festigkeit kommt.
Aufgrund der erhöhten Rekristallisations-Temperatur ergibt sich eine wesentlich erhöhte Wechselfestigkeit im Betriebstemperaturbereich der Drehanoden. Selbst im Falle einer Rekristallisierung ist die Wechselfestigkeit der Legierung, entsprechend der Erfindung, gegenüber TZM verbessert, da das Gefüge der Legierung, entsprechend der Erfindung, nach der Rekristallisation wesentlich feinkörniger anfällt als bei TZM. Aufgrund dieser Eigenschaften wird die Lebensdauer der erfindungsgemässen Drehanoden wesentlich erhöht.
Der bedeutendste Vorteil, der sich durch die Verwendung der Legierung, entsprechend der Erfindung für den Grundkörper, für Drehanoden ergibt, ist die in diesem Ausmass überraschende, praktisch vollständige Vermeidung von Verzugserscheinungen der Drehanoden, sowohl während der Fertigung als auch während des Betriebes. Die aussagefähigste Grösse für den Verzug der Drehanoden ist die Kriechstabilität des Basiswerkstoffes.
Zur Demonstration der hervorragenden Kriechfestigkeit der Legierung für den Grundkörper der erfindungsgemässen Drehanode wurden im Beispiel 2 Kriechbruchzeiten und minimale Kriechgeschwindigkeiten im Vergleich zu TZM ermittelt.
Die Kriechfestigkeits-Messungen im Beispiel 2 wurden an gleichartigen Probestäben wie bei den Zugfestigkeits-Messungen im Beispiel 1 im gleichen Ofen unter denselben Bedingungen durchgeführt. Die Probestäbe wurden während der Fertigung teilweise einer Wärmebehandlung unterzogen.
Die vorzugsweise Herstellung der erfindungsgemässen Drehanoden kann auf bekannte Weise durch Verbundpressen, -sintern und -schmieden der Ausgangsmeterialien für den Grundkörper und für die Brennbahn oder auch durch Verbindungsschmieden des Grundkörpers und des Brennbahnbelages, die getrennt gepresst, gesintert und geschmiedet wurden, erfolgen.
Bei diesem Herstellungsverfahren kommt besonders bei Drehanoden mit einem Brennbahnbelag aus Wolfram oder einer Wolfram/Rhenium-Legierung als Vorteil der erfindungsgemässen Legierung zum Tragen, dass ihr erhöhter Formänderungs-Widerstand dem des für die Brennbahn verwendeten Wolfram bzw. Wolfram/Rhenium-Materials sehr nahekommt, wodurch das bei bekannten Drehanoden ungünstige, unterschiedliche Fliessverhalten der Werkstoffe für Brennbahn und Grundkörper angeglichen wird. Infolge der angenäherten Warmfestigkeits- und Warmstabilitätswerte kann auch die Fertigung der Drehanoden verbessert, d.h. die notwendige Wärmebehandlung bei höherer Temperatur durchgeführt werden, da praktisch kein Kompromiss mehr zwischen zwei unterschiedlich warmfesten Werkstoffen erforderlich ist. Durch geeignete Wahl der Temperaturen und der Zeiten der Wärmebehandlung unter Berücksichtigung der Umformgrade und der Umformgeschwindigkeiten bei der Herstellung der Drehanode ist eine wesentliche Verbesserung der Warmfestigkeits-, Stabilitäts- und Ermüdungseigenschaften gegenüber bekannten Ausführungen, insbesondere gegenüber Drehanoden aus bekannten Molybdän-Legierungen, zu erreichen. Damit sind neben der hervorragenden Verzugsfestigkeit der erfindungsgemässen Drehanoden weitere wesentliche Eigenschafts-Verbesserungen erreichbar.
Das bedeutet zum einen eine Qualitäts- und Funktionsverbesserung von Röntgen-Drehanoden in bekannten Einrichtungen, erlaubt zugleich aber auch die kommerzielle Anwendung der erfindungsgemässen Drehanoden für neue Techniken wie die Computer-Tomografie, für die Drehanoden mit vergleichsweise sehr grossen Abmessungen benötigt werden.

Claims

1. Drehanode für Röntgenröhren, mit einem Grundkörper aus einer Molybdän-Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Molybdän-Legierung aus 0,1-15 Gew.% Hafnium, 0,1-15 Gew.% Zirkon, 0,01-1,0 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän besteht.

2. Drehanode für Röntgenröhren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Molybdän-Legierung aus 0,1-2,0 Gew.% Hafnium, 0,1-2,0 Gew.% Zirkon, 0,01-0,5 Gew.% Kohlenstoff, Rest Molybdän besteht.

3. Vorrichtung mit einer Drehanode nach Anspruch 1 oder 2 und einer Drehanodenwelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Molybdän-Legierung für den Grundkörper auch für die Drehanodenwelle verwendet wird.