HU210692B

HU210692B - Lead-oxide-free glass for electrical devices

Info

Publication number: HU210692B
Application number: HU911933A
Authority: HU
Inventors: Manfred Mair; Manfred Deisenhofer; Ewald Poesl; Werner Weiss
Original assignee: Patent Treuhand Ges Fuer Elektrische Gluehlampen Mbh
Priority date: 1990-06-11
Filing date: 1991-06-10
Publication date: 1995-06-28
Also published as: JP3058293B2; US5180695A; EP0461468A1; KR0175317B1; HU911933D0; ES2057665T3; EP0461468B1; DE59102412D1; DE4018682A1; ATE109438T1; JPH04238833A; KR920000636A; HUT61508A

Description

A találmány tárgya ólom-oxid-mentes üveg villamos készülékekhez.

Ilyen üvegeket alkalmaznak az elektro- és vákuumtechnikában, például a villamos lámpáknál.

Gyakori felhasználás a formatestek előállítása is, amelyeket üvegporból sajtolják és utólag szinterelik. Ezeket a formatesteket azután a villamos árambevezetők tömítésére használják, ahol nagy jelentősége van azok mechanikai, vákuumtechnikai és villamos stabilitásának.

Ehhez jelenleg puha és kemény üveget használnak, a feldolgozási követelményektől, a beolvasztandó fémtől, és az előírt villamos szigetelés nagyságától függően.

Nagy villamos ellenállású üvegek például a Pyrextípusú kemény üvegek, melyek hőtágulási együtthatója 4xl0~⁶/K értékű, és amelyek csak nagyon kevés ólomoxidot tartalmaznak. Egy másik lehetőséget kínálnak a 9-lOxlO^/K hőtágulási együtthatójú puha üvegek, amelyek általában 40 tömeg%-ig tartalmaznak ólomoxidot.

Az US-PS 4 089 694 olyan ólomoxidban szegény puha üveget ismertet villamos készülékekhez, amelynek összetétele: 65-75 tömeg% SiO₂, 9-13 tömeg Na₂O, 3-6 tömeg% K₂O, 1-4 tömeg A1₂O₃ 4-8 tömeg% CaO, 0-4 tömeg% BaO, 0-6 tömeg% PbO, 0-2 tömeg% Li₂O és 0-1 tömeg F. Ennél az üvegnél lényeges jellemző a Na₂O és K₂O közötti arány gondos megválasztása, ami az alkalmazott CaO mennyiségétől függ. Ennél az üvegnél a CaO részben a PbO helyettesítésére szolgál. A lehetőség szerinti teljes helyettesítés okait ez az irat részletesen kifejti. Az ólomoxid magas aránya elsősorban egészségügyi szempontból megfontolandó.

Ennél az ólomoxidban szegény üvegnél viszont hátrányos a legtöbb alkalmazási területen túl alacsony villamos ellenállás, amelynek értéke 250 °C-on jellemzően 10⁷ és 1O⁸’⁵ Qcm között van. Különösen formatestként való alkalmazás esetén mutatkozik meg az ilyen üveg azon hátrányos tulajdonsága, hogy az üvegpor sajtolásánál a sajtolóformát erősen koptatják, ezért azokat gyakran kell megmunkálni vagy felújítani. Ennek a problémának a megoldására - az ólomoxid tartalom növelése nélkül - még nem született megoldás.

A találmány feladata ezért olyan ólom-oxid-mentes üveg megadása, amely lehetőleg alacsony hőmérsékleten gyors fordulatszámú szerszámgépeken is jól megmunkálható. Az ólom-oxid-mentes üvegnek ezenkívül nagyon nagy ellenállással kell rendelkezni.

A találmány célját olyan üveggel biztosíthatjuk, amelynek összetétele:

40-60 tömeg% SiO₂2-5 tömeg% A1₂O₃5-10 tömeg% CaO 20-30 tömeg% BaO,

2-5 tömeg% V₂O₅, és 5-7 tömeg% K₂O.

A találmány szerinti üvegösszetétel a technika állása szerinti üvegekhez képest lényegesen kevesebb SiO₂-t (40-60 tömeg%) tartalmaz és teljesen nélkülözi a Na₂O-ot. Kis mennyiségű alumínium és kalcium oxidjai mellett nagy mennyiségben tartalmaz BaO-ot (20-30 tömeg%) és K₂O-ot (5-7 tömeg%), valamint szintén jelentős (2-5 tömeg%) a V₂O₅ tartalma.

Különösen előnyös, ha a BaO és a V₂O₅ tömegaránya együttesen 25 és 35 tömeg% között van. Jóllehet a vanádiumoxid is toxikus anyagként ismert, a gőznyomása viszont 1-2 nagyságrenddel az ólomoxidé alatt van, ezért a munkahelyi koncentráció is lényegesen kisebb, és legalább egy nagyságrenddel a megengedett határérték alatt van.

Különösen előnyös tulajdonságokkal rendelkezik egy olyan üveg, amelynél az alkáli földfémek oxidjai (Ba, Ca és esetleg 5 tömeg%-ig Mg) a tömegarány szempontjából a vanádiumoxid tartalom 8-12-szeresét teszik ki. A 5-7 tömeg% kalciumoxid tartalom hőtágulási együttható beállítását szolgálja. A CaO és MgO tömegaránya együttesen célszerűen 5 és 15 tömeg% között van. A találmány szerinti üveg ezenkívül tartalmazhat bóroxid adalékot is (5 tömeg%-ig) a viszkozitás finom beállításához.

A találmány szerinti üveg fizikai jellemzői rendkívül előnyösek, anélkül, hogy más hátrányos jellemzőkkel kellene számolni. Ez elsősorban olyan színtereit testeknél mutatkozik meg, amelyeket két árambevezető közötti összekötőelemként alkalmaznak. Ezeket üvegporból sajtolják. Különösen meglepő ebben az összefüggésben, hogy a találmány szerinti üveg javított csiszolás! keménységgel rendelkezik. A korábban ismert megoldás - az ólomoxid tartalom növelése - helyett a találmány ezzel ellentétes utat választ, mégpedig azt, hogy az ólomoxid tartalom tovább csökken. A találmány szerinti üveg ugyanis hasonlóan kis keménységet mutat csiszolásnál, mint az ismert ólomkristály üveg, amelyek ólomoxid tartalma 20 és 40 tömeg% között van. Az ismert alacsony ólomoxid tartalmú Pyrex üvegek csiszolási keménysége 2-3-szor akkora, ezért a sajtoló szerszámok mechanikai elhasználódása is lényegesen nagyobb.

Az alacsony csiszolási keménység eléréséhez lényeges az igen kis SiO₂ és B₂O₃-tartalom és a viszonylag magas K₂O-tartalom kombinációja. Meglepő módon úgy találtuk, hogy (a SiO₂-t helyettesítő) V₂O₅hozzáadása ugyancsak kedvezően befolyásolja a csiszolási keménységet, anélkül, hogy a villamos szigetelést hátrányosan változtatná.

Előnyös továbbá az olyan összetételű üveg is, amely

48-52 tömeg% SiO₂-ot

3^1 tömeg% Al₂O₃-ot

3-4 tömeg% MgO-ot

5- 6 tömeg CaO-ot

26-28 tömeg% BaO-ot

3,5-4,5 tömeg% V₂O₅-ot, és

6- 7 tömeg% K₂O-ot tartalmaz.

További előnyt jelent az üveg jó feldolgozhatósága egy szűk hőmérsékleti tartományban. A legalacsonyabb hőmérsékletet a sajtolásnál alkalmazott kötőanyag párolgási sebessége határozza meg: Ennek a szinterezési hőmérséklet elérése előtt teljesen el kell

HU 210 692 B távozni a sajtolt munkadarabból. A legmagasabb szinterezési hőmérsékletet a színtereit munkadarab további feldolgozási hőmérséklete és a szinterelő kemence általános kialakításától függ, amelynél a színtereit munkadarabok nem tapadhatnak a folyamatosan áthaladó szállító szalaghoz. A további feldolgozásnál alkalmazott hőmérsékletet főként a szintertestbe beolvasztott anyag függvényében választjuk meg.

A találmány szerinti ólom-oxid-mentes üveg további előnye a rendkívül magas villamos ellenállás (250 C mellett kb. ΙΟ¹² Ωαη), ami egyébként csak az alkáliszegény, ólom-oxid-tartalmú kemény üvegeknél érhető el.

A találmány szerinti üveg további kiemelkedő jellemzője a villamos ellenállás igen alacsony hőmérsékleti együtthatója, ami 50%-kal az ólomoxid tartalmú üvegeké alatt van. A magasabb hőmérsékleten (>600 °C) jelentkező hirtelen ellenálláscsökkenés miatt a szilárd állapotban még nagyon jó szigetelési ellenállással rendelkező „puha” ólomüvegek nem képesek arra, hogy megolvadt állapotban is megfelelő szigetelési ellenállást biztosítsanak. 24 tömeg%-nál magasabb ólomoxid tartalmú, ΙΟ⁶ Ω ellenállású ólomkristály üvegek ellenállásának csökkenése 3%/K, míg a találmány szerinti üveg ellenállásának csökkenése csupán 1,5— 2%/K a hőmérsékletnövekedés hatására. Az ellenállás csökkenését folyékony állapotú üvegnél és 1000 °C hőmérsékleten mértük. A viszkozitás 150 Ω mellett 10³ d Pás.

Az ólomoxidmentes üveget 1400-1450 °C-on olvasztással kádakban állítjuk elő. Az üvegolvadék önthető és fritelhető. Célszerű a bázikus kádak alkalmazása, amelyeket az erősen bázikus olvadék nem támadja meg annyira mint a savas kádakat. A viszkozitás beállítására bórsavat alkalmazhatunk. A SiO₂ helyettesítése során sem az üveg ellenállását sem pedig a hőtágulását nem változtatja meg.

A továbbiakban a találmányt részletesen ismertetjük egy kiviteli példa alapján.

Különösen előnyösnek mutatkozott egy olyan találmány szerinti üveg, amely hét különböző komponenst tartalmaz.

SiO₂ 50,2 tömeg%

A1₂O₃ 3,4 tömeg%

MgO 3,6 tömeg%

CaO 5,3 tömeg%

BaO 26,7 tömeg%

V₂O₅ 4,0 tömeg%

K₂O 6,8 tömeg%

Ez az üveg a következő tulajdonságokkal rendelkezik:

tágulási együttható 9xl0~⁶/K(±0,2xl0“⁶) transzformációs hőmérséklet 620 °C (±10 °C) lágyulási hőmérséklet 820 °C (±10 °C) feldolgozási hőmérséklet 1075 °C (±15 °C) sűrűség 3,0 kg/dm³³ (±0,1 g/dm³) ellenállási hőmérsékletek (±10 °C)

10¹² Ωαη-nél 250 °C

10⁸ Ωαη-nél 480 °C

ΙΟ⁴ Ωαη-nél 900 °C

10³ Ωαη-nél 1036 °C

Az alkalmazást egy fékvilágításra használt izzólámpánál ismertetjük (1. ábra). A wolfram 1 világítótestet két 3 árambevezető tartja a 2 burában, amelyek vas-nikkel ötvözetből vannak. A 4 összekötő elem, amely a két 3 árambevezetőt mechanikusan és villamosán jól elválasztja egymástól, egy színtereit üveggolyó (vagy üveggyűrű). Ennek összetétele megegyezik a fenti üvegével. Ennek az üvegösszetételnek az a különös előnye, hogy a hőtágulási együtthatója ideálisan alkalmazkodik az árambevezetőkhöz, miáltal olyan légmentesen záró összekötőelemek is kialakíthatók belőle, amelyekbe villamosán vezető alkatrészeket olvasztanak be. Ez a jellemző természetesen az alkalmazott fémeknek vagy ötvözeteknek megfelelő, találmány szerinti más összetétel esetén is biztosítható.

További alkalmazási területek lehetnek főként a miniatűr izzólámpák, valamint a hálózati feszültségről üzemeltetett világítógázzal töltött lámpák.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Ólom-oxid-mentes üveg villamos készülékekhez, azzal jellemezve, hogy

40-60 tömeg% SiO₂-ot,
2-5 tömeg% Al₂O₃-ot,

5-10 tömeg% CaO-ot,

20-30 tömeg% BaO-ot,

2- 5 tömeg% V₂O₅-ot,

5-7 tömeg% K2O-ot - adott esetben MgO-t is - tartalmaz.

2. Az 1. igénypont szerinti üveg, azzal jellemezve, hogy a BaO és a V₂O₅ tömegaránya együttesen 25 és 35 tömeg% között van.
3. Az 1. igénypont szerinti üveg, azzal jellemezve, hogy további adalékként legfeljebb 5 tömeg% MgO-ot is tartalmaz.
4. A 3. igénypont szerinti üveg, azzal jellemezve, hogy a CaO és MgO tömegaránya együttesen 5 és 15 tömeg% között van.
5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti üveg, azzal jellemezve, hogy a CaO, BaO és adott esetben MgO, valamint a V₂O₅ adalékok tömegaránya 8 és 12 között van.
6. Az 1. igénypont szerinti üveg, azzal jellemezve, hogy a SiO₂ adalékot részben legfeljebb 5 tömeg%-ig B₂O₃ helyettesíti.
7. A 3. igénypont szerinti üveg, azzal jellemezve, hogy

48-52 tömeg% SiO₂-ot,

3- 4 tömeg% Al₂O₃-ot,

3-4 tömeg% MgO-ot,

5- 6 tömeg% CaO-ot,

26-28 tömeg% BaO-ot,

3,5-4,5 tömeg% V₂O₅-ot, és

6- 7 tömeg% K₂O-ot tartalmaz.