Herstellung gradierter Glas-Metall-Übergange mittels elektrophoretischer Abscheidung zur Reduzierung thermischer Spannungen

Abstract

Das Fügen von Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten führt bei hohen Temperaturen zu Spannungen durch Einschränkung der freien Dehnung an der Grenzschicht und dadurch zum Versagen des Bauteils. Dieses Problem tritt besonders deutlich auf, wenn Metalle und eher kurz dehnende Werkstoffe, wie Glas oder Keramiken, kombiniert werden. Im Lampenbau kommen zur Spannungsminimierung meist die Molybdänfolieneinschmelzung oder die Wolframstabeinschmelzung zum Einsatz. Bei ersterer wird eine dünne Folie als Elektrode eingeschmolzen, wodurch diese Verbindung hohen Temperaturen Stand halten kann. Aufgrund der geringen Dicken besitzen diese Elektroden eine beschränkte Stromtragähigkeit, so dass bei hohen Strömen Wolframstäbe verwendet werden müssen. Die Wolframelektroden werden in mehreren Schritten mit Übergangsgläsern gefügt, so dass eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erreicht wird. Die bisherigen Konzepte sind aufwendig und kostspielig. Die Herstellung von Werkstoffen mit diskontinuierlicher Zusammensetzung hingegen kann in einem Prozessschritt erfolgen, was zur Kostenersparnis beiträgt. Hierbei wird zwischen den zu fügenden Werkstoffen eine gradierte Zwischenschicht erzeugt, wodurch eine Spannungskonzentration in der Grenzfläche vermieden wird. Es kommt zu einer Verteilung der Belastung auf das Volumen der Zwischenschicht und zu einer Erhöhung der Bauteillebensdauer.

Assembling of materials with different thermal expansion coefficients results in tension by raising the temperatures due to a constricted expansion on the interface of the assembled materials. Eminently this problem occurs if materials with a wide difference in thermal expansion coefficient are joined, e.g. metals and glass or ceramics. In an ordinary joining method a molybdenum foil or a tungsten rod electrodes are used as an electrode to manufacture lamps. To achieve the fusion of glass with a molybdenum foil at high temperatures, a very thin foil is necessary. Due to the low thickness of the foils there is a threshold value for the current that can be conducted by the electrode. In this case a tungsten rod electrode has to be used. The tungsten electrodes are step by step joined with different glasses that have different thermal expansion coefficients. The well-known concepts that use glasses with different thermal expansion coefficients to assemble glasses or ceramics with metals are time consuming and costly. The manufacturing of materials with discontinues consistence can be accomplished in a single step process. Thereby an interface layer is generated, having a discontinuous consistency normal to parting plane and the concentration of tension can be avoided and a distribution of the load to the volume results in a higher durability.