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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung einer festen und dichten Verbin dung von Bauelementen mittels Verbindungselementen, dadurch gekennzeichnet. dass mindestens ein aus einer Gedächt- nislegierung bestehendes und mit Nuten und/oder Absetzungen versehenes metallisches Verbindungselement vorgesehen ist.
und dass die Verbindung zum benachbarten Bauelement durch einen auf dem Gedächtniseffekt beruhenden Schrumpfungsprozess der entsprechend vorgeformten Nuten oder Absetzungen bewerkstelligt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet. das als Gedächtnislegierung eine Legierung auf der Basis von Cu/Zn Al mit Nickelzusatz oder eine Legierung auf der Basis von Ti/Ni/ Cu verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Gedächtnislegierung eine Legierung mit 2 C/c Ni, 6 % Al, 20,5 bis 22 5c Zn, Rest Cu verwendet wird.
4. Verbindung hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die zu verbindenden Bauelemente aus Metallen oder Legierungen bestehen.
5. Verbindung. hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der zu verbindenden Bauelemente aus einem Kunststoff oder aus einem Kernmikstoff besteht.
6. Verbindung nach Anspruch 4 oder 5. dadurchgekennzeich net. dass das aus einer Gedächtnislegierung bestehende Verbindungselement mit schwalbenschwanzförmigen umlaufenden Nuten versehen ist.
7. Verbindung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net. dass das aus einer Gedächtnislegierung bestehende Verbindungselement eine scheibenförmige Gestalt hat, aus einer vollen Platte oder einem dünnwandigen Blechkörper besteht und mindestens auf einer ihrer Stirnseiten mit einer umlaufenden Nut oder Absetzung versehen ist.
8. Verbindung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, dass das aus einer Gedächtnislegierung bestehende Verbindungselement ein Hohlkörper ist, welcher mindestens auf einer seiner Stirnseiten mit einer umlaufenden Nut, Absetzung, Hinterfräsung oder Hinterdrehung versehen ist.
9. Verbindung nach Anspruch 6. 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet. dass die radiale Breite der Nut des aus einer Gedächtnislegierung bestehenden Verbindungselements gegenüber dem zu verbindenden Bauelement ein Untermass von mindestens 2 % und höchstens 8% aufweist.
10. Verbindung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente und/oder die Bauelemente zentralsymmetrisch sind und quadratischen, sechseckigen. achteckigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
11. Verbindung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem aus einer Gedächtnislegierung bestehenden Verbindungselement zu verbindende Bauelement ein Keramikrohr ist.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer festen und dichten Verbindung von Bauelementen mittels Verbindungselementen.
In der physikalischen Technik und technischen Physik sind zahlreiche Methoden zum Verbinden von Bauteilen bekannt.
Handelt es sich um metallische Körper. so können diese in vielen Fällen in einfacher Weise mittels Löten. Schweissen oder Warmaufziehen und nachfolgendem Schrumpfen zu festen. dichten.
mehr oder weniger monolithischen Werkstücken verbunden werden. Sollen dagegen nichtmetallische Gegenstände wie Kera mik-. Kunststoff- oder Cermet-Körper mit metallischen Bauteilen oder unter sich verbunden werden, ergeben sich in der Regel Schwierigkeiten. Unter den besonders heiklen Verbindungsarten zwischen keramischen und metallischen Bauelementen sind vor allem Hartlötverfahren mittels geeigneter Legierungen bekannt (z. B. G. M. Slaughter. Ceramics and graphite .
Kapitel 24,S.237-242 in Brazing Manual, American Welding Society. New York 1963; D. A. Canonico. N. C. Cole and G. M.
Slaughter, Direct brazing ofceramics. gaphite and refractory metals , WeldingJournal, August1977). Die hierzu verwendeten Hartlote müssen die Oberflächen der zu verbindenden Gegenstände in ausreichendem Mass benetzen. um eine innige und dichte Verbindung zu gewährleisten.
Die angeführten konventionellen Verfahren zur Herstellung von Keramik/Metall-Verbindungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie verhältnismässig hohe Temperaturdifferenzen der an der gesamten Konstruktion beteiligen Materialien bedingen. Da die Wärmeausdehnungkoeffizienten von Metallen und Keramikstoffen sehr unterschiedlich sind, können, vor allem bei komplizierten Formen. beträchtliche Spannungen auftreten, die zu Rissen während der Fertigung oder im Betrieb führen können. Vielfach muss dabei zu teuren Konstruktionen wie schichtweisem Aufbau der Verbindung Zuflucht genommen werden, um die Spannungen in erträglichen Grenzen zu halten.
Die üblicherweise verwendeten Hartlote verlangen Temperaturen von 10000C und mehr und die Prozesse müssen meist in aufwendigen Apparaturen unter Schutzgas oder Vakuum durchgeführt werden. Im Falle von Verbindungen mittels Schrumpfsitzen müssen die metallischen Bauelemente auf eine Temperatur von mehreren Hundert0 C aufgeheizt werden, um in Anbetracht des kleinen Wärmedehnungskoeffizienten die notwendige Dehnungfür das Zusammenfügen zu erweichen. Dabei werden dieser Methode einerseits durch die Warmfestigkeit des metallischen, andererseits durch die Temperaturwechselfestigkeit des keramischen Werkstoffes Grenzen gesetzt. Dies führt entweder zu Verbindungen ungenügender Festigkeit und Dichtheit oder zu Rissen im keramischen Teil.
Es besteht daher in der Fachwelt ein berechtigtes Bedürfnis nach einer festen, dichten und einfach herstellbaren Verbindung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer festen, insbesondere gas- und vakuumdichten Verbindung von Bauteilen, insbesondere aus keramischen Stoffen unter sich oder zusammen mit metallischen Körpern anzuge ben, welches sich unter Vermeidung von grossen Temperaturdifferenzen und hohen absoluten Temperaturen in einfacher Weise ohne grossen apparativen Aufwand durchführen lässt. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, geeignete konstruktive Lösungsmöglichkeiten einer derartigen Verbindung von Bauelementen, welche stark unterschiedliche physikalische Eigenschaften haben können, vorzuschlagen.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 4 angegebenen Merkmale gelöst.
Der massgebende Leitgedanke der Erfindung besteht darin, einen aus einer Gedächtnislegierung bestehenden metallischen Körper als Verbindungselement zwischen den zu verbindenden Bauteilen oder als eines der Bauteile selbst zu verwenden, dessen Formgedächtniseffekt zur Erzeugung der notwendigen Kontraktions- bzw. Dilatationsspannungen herangezogen wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein scheibenförmiges Verbindungselement und ein hohles Bauelement vor dem Zusammenbau:
Fig. 2 einen Schnitt durch ein scheibenförmiges Verbindungselement und ein hohles Bauelement nach dem Zusammenbau
Fig. 13 einen Schnitt durch ein einseitig abgesetztes scheibenförmiges Verbindungselement;
Fw t elnen schnitt durch ein heideeitig ahgesetztes scheiben förmiges Verbindungselement:
Fig. 5 einen Schnitt durch ein als abgesetzter Hohlkörper mit Hinterdrehung und Nut ausgebildetes Verbindungselement:
Fig. 6 einen Schnitt durch ein als abgesetztes Rohr ausgebildetes Verbindungselement:
Fig. 7 ein Diagramm des Korngrössenverlaufes über dem Nickelgehalt für eine Cu/Zn/AI/Ni-Legierung.
In den Fig. 1 und 2 ist je ein aus einer Gedächtnislegierung bestehendes scheibenförmiges Verbindungselement und je ein hohles Bauelement vor und nach dem Zusammenbau dargestellt.
Die beiden Figuren erläutern gleichzeitig das Prinzip der Verbindung sowie den Verfahrensablauf zu ihrer Herstellung. 1 stellt eine als Verbindungselement dienende. aus einer Gedächtnislegierung bestehende abgesetzte Scheibe dar, welche auf einer ihrer Stirnseiten mit einer schwalbenschwanzförmigen Nut 2 und einer Eindrehung 3 versehen ist. 4 ist ein Hohlkörper. der beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff. einem Kunststoff oder aber aus einem metallischen Stoff bestehen kann. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um Keramikmaterial.
dessen Wandstärke gegenüber der Öffnung der schwalben schwanzförmigen Nut Übermass (z. B. 2¯3 /c ) besitzt. Dadurch wird nach dem Zusammenbau und der entsprechenden Wärmebehandlung eine vakuumdichte Verbindung gewährleistet. 5 stellt die Scheibe aus Gedächtnislegierung nach dem Zusammen- bau dar.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde wie folgt verfahren:
In einem induktiv beheizten Graphittiegel wurde unter Argonatmosphäre eine dem ,B-Sondermessing-Typ angehörende Gedächtnislegierung folgender Zusammensetzung erschmolzen: Zink 20,5% Aluminium: 6% Nickel: 2% Kupfer: Rest
Der auf diese Weise hergestellte Walzbarren wurde durch Warmwalzen bei 8500 C zu einer Platte von ca. 5 mm Dicke verarbeitet. Anschliessend wurde die Platte während 10 min bei 950"C geglüht. um die 3-Struktur zu erhalten und daraufhin sofor in Wasser abgeschreckt.
Die Legierung der oben genannten Zusammensetzung weist eine Temperatur Ms der martensitischen Umwandlung von +500 C auf. Aus der Platte wurde eine Scheibe 1 gemäss Fig. 1 herausgedreht, welche folgende Dimensionen aufwies: Aussendurchmesser: 53 mm Dicke am Umfang: 4.3 mm Dicke in der Mitte: 2,3 mm Tiefe der Eindrehung: 2 mm Durchmesser der Eindrehung: 34,4 mm Tiefe der Nut: 2 mm Radiale Breite der Nut: innen: 5.4mm aussen: 5.2 mm Radiale Breite des äusseren Randes: 2 mm
Die schwalbenschwanzförmige Nut 2 wies demzufolge sowohl auf ihrer äusseren wie inneren radialen Begrenzung je eine Konizität von 0.1 mm auf 2 mm axiale Länge auf.
Als zu verbindender Hohlkörper 4 aus Keramikmaterial wurde ein dicht gesinterter Aluminiumoxydring. welcher keinerlei spezielle Oberflächenbehandlung erlitten hatte. bereitgestellt. Derzylindrische Ring wies auf der zu verbindenden Stirnseite sowohl an seinem äusseren wie an seinem inneren Umfang unter 450 verlaufende gebrochene Kanten von 1 mm axialer Fasenbreite auf und hatte folgende Abmessungen: #ii,'##'ndurchmcsscr: 1 < ),7 49.2 mm Innendurchmesser: 38,4 mm Radiale Wandstärke: 5.4 mm Axiale Breite: 12 mm
Die radiale Wandstärke des Ringes entsprach demnach genau der radialen Breite der Nut im Nutengrund.
Die Scheibe 1 und der Ring 4 wurden trocken und ohne Verwendung eines Schmier- mittels bei Raumtemperatur (20 C) axial zusammengepresst (siehe Fig. 2). Daraufhin wurde das auf diese Weise hergestellte Werkstück auf 1000 C. d. h. über die Umwandlungstemperatur Ms (+ 50 C) hinaus erwärmt, wodurch dank Gedächtniseffekt eine feste Verbindung der Bauelemente gewährleistet wird.
Auch bei nachfolgender Abkühlung auf Raumtemperatur erwies sich die Verbindung als mechanisch fest und gasdicht.
Es soll noch darauf hingewiesen werden, dass bei Verwendung einer Gedächtnislegierung auf der Basis eines Sondermessings (Cu/Zn/Al) das Übermass derradialen Wandstärke des Hohlkörpers 4 gegenüber der radialen Breite der Nut der Scheibe 1 1 an ihrer engsten Stelle (bei Schwalbenschwanzform = Nutöff- nung) ca. 3 bis 4% betragen soll. Dieses Mass entspricht der maximalen für diesen Legierungstyp zulässigen Dehnung für die Gewährleistung des Gedächtniseffekts. Es versteht sich von selbst, dass bei anderer geometrischen Gestaltung der Nut dieses Mass gegebenenfalls auch kleiner gewählt werden kann.
Im Falle der nach Fig. 1 vorliegenden Nutform wird die radiale Breite des äusseren und des inneren Randes der Scheibe 1 in vorteilhafter Weise derart abgestimmt, dass die Radialpressung auf jeden der Ringe etwa gleich hoch ausfällt. Max. Übermass für Ti/Ni/Cu = 8%.
Die Erfindung ist nicht auf die im vorliegenden Beispiel beschriebene Legierung noch auf die angegebenen geometrischen Formen beschränkt. Das Verfahren lasst sich prinzipiell auf alle Gedächtnislegierungen und auch auf andere Profile als solche mit kreisförmigen Querschnitten anwenden. Insbesondere lassen sich auf vorgenannte Weise auch Voll- oder Hohlkörper mit quadratischem, sechseckigem, achteckigem, elliptischem und beliebig anderem Querschnitt mit einer metallischen Platte verbinden. Dabei braucht das zu verbindende Bauelement nicht aus keramischem Material zu bestehen. Es kann auch aus Metallen, Sintermetallen, Cermets, Kunststoffen usw. aufgebaut sein.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein einseitig abgesetztes scheibenförmiges Verbindungselement aus einer Gedächtnislegierung. Die Scheibe 6 weist auf einer ihrer Stirnseiten eine Hinterdrehung 7 auf. deren Innendurchmesser gerade dem Aussendurchmesser des zu verbindenden Hohlkörpers 8 (gestrichelt angedeutet) entspricht. Je nach Werkstoff (Metall, Kunststoff, Keramikmaterial) kann der Hohlkörper 8 gegenüber der Hinterdrehung 7 ein mehr oder weniger grosses Übermass aufweisen.
Zusammenbau und Fertigung bzw. Dichtung der Verbindung erfolgen analog dem unter Fig. 1 und 2 beschriebenen Beispiel.
In einem dieser Figur entsprechenden Ausführungsbeispiel wurde die Verbindung wie folgt hergestellt:
Nach dem oben beschriebenen Verfahren wurde eine Gedächtnislegierung folgender Analyse erschmolzen, warmgewalzt, geglüht und abgeschreckt: Zink: 22 Aluminium: 6% Nickel: 2 Kupfer: Rest
Die Legierung dieser Zusammensetzung hat einen martensitischen Verwandlungspunkt Ms von -50"C. Aus der üblicherweise hergestellten Walzplatte wurde eine Scheibe 6 gemäss Fig.
3 mit folgenden Abmessungen herausgedreht: Aussendurchmesser: 29.1 mm Dicke am Umfang: 4.2 mm Dicke in der Mitte: 2.2 mm Tiefe der Hinterdrehung: 2 mm Durchmesser der Hinterdrehung: innen: 26.1 mm aussen: 25.1 mm Radiale Breite des äusseren Randes: 2 mm
Die Konizität der Hinterdrehung 7 betrug demnach (1,5 mm auf 2 mm axiale Länge. Der zu verbindende Hohlkörper 8 stellte im vorliegenden Fall ein dem ersten Beispiel ähnlicherzylindrischer Ring (4 in Fig. 1) aus Porzellan dar. Der Porzellanring wies keine spezielle Oberflächenbehandlung auf. Seine äussere. dem Verbindungselement zugekehrte Kante war indessen auf 1 mm axiale Länge unter 450 gebrochen worden.
Die Abmessungen waren folgende: Aussendurchmesser: 25.4 mm Innendurchmesser: 16,2 min Radiale Wandstärke: 4.6 mm Axiale Breite: 20 mm
Die Scheibe 6 und der Ring 8 wurden unter Verwendung von Äthanol als Kühlmittel bei einer Temperatur von -700C axial zusammengepresst und anschliessend auf Raumtemperatur (20" C) erwärmt. Durch diese Erwärmung über Ms (-50" C) hinaus wurde eine feste. dichte Verbindung der Bauteile erzielt.
Zwecks Messung der Dichtheit wurde das Porzellanrohr an eine Vakuumpumpe angeschlossen. während das Äussere des Werk- stücks in eine Heliumatmosphäre gebracht wurde. Unter einem Vakuum von 10-4 Torr konnten im besagten System keine messbaren Heliumverluste festgestellt werden. was bedeutet, dass die Heliumleckmenge pro Zeiteinheit unterhalb der Messgrenze ( 10-9 mbar 1/s) lag. Damit war die Vakuumdichtheit der Metall/Keramik-Verbindung erwiesen.
Auch für diese Ausführungsform gelten die bereits anlässlich der Beschreibung des ersten Beispiels gemachten Feststellungen bezüglich stofflicher Zusammensetzung und Formgestaltung des Verbindungselementes.
In Fig. 4 ist ein Schnitt durch ein beidseitig abgesetztes sch eibenförmiges Verbindungselement aus einer Gedächtnislegierung dargestellt. Die Scheibe 9 weist aufihren beiden Stirnseiten je eine Hinterdrehung 7 auf. deren Innendurchmesser dem jeweiligen Aussendurchmesser des zu verbindenden Hohlkörpers 8 entspricht. Die Hinterdrehung 7 kann, je nach dem zu verbindenden Hohlkörperwerkstoff und je nach Dimension zylindrisch oder nach innen leicht konisch erweitert (siehe Fig. 3) ausgeführt werden. Der zu verbindende Hohlkörper 8 kann zylindrisch glatt (rechte Seite der Figur) oder abgesetzt (linke Seite der Figur) ausgeführt sein.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch ein als Hohlkörper ausgebilde- tes Verbindungselement aus einer Gedächtnislegierung. Der Hohlkörper 10 ist abgesetzt und weist beispielsweise auf einer Stirnseite die Hinterdrehungen 7. auf der anderen Stirnseit eine Nut 12 auf. Es ist ferner mit einer zentralen Öffnung 11 versehen.
welche z. B. die Unterbringung eines weiteren zentralen Bauteils gestattet oder die Bewegung eines strömenden Mediums (z. B.
Gas oder Flüssigkeit) ermöglicht.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch ein als abgesetztes Rohr ausgebildetes Verbindungselement. Der aus einer Gedächtnislegierung bestehende Hohlkörper 10 weist in seinem mittleren Teil eine zentrale Öffnung 11 als Bohrung auf. Derartige Formstücke lassen sich in vorteilhafter Weise als Verbinder von länglichen Gegenständen wie Rohre. Stangen usw. verwenden. Um eine hinreichende Stabilität zu gewährleisten. sind die Hinterdrehun- gen 7 verhältnismässig grossflächig ausgeführt. Es versteht sich von selbst. dass das Rohr- oder Stangenmaterial ausscr von rundem prinzipiell auch von quadratischem.sechs- oder achtekkigem. ovalem oder beliebig anderem Querschnitt sein kann.
Die in den Fig. 1 bis 6 gezeigten Verbindungselemente können prinzipiell aus irgend einer Gedächtnislegierung beste hen. Vorteilhafterweise werden sie aus Legierungen auf der Basis von Ti/Ni oder von Ti/Ni/Cu. gegebenenfalls mit weiteren Zusätzen oder aus solchen auf der Basis von Cu/Zn/Al (ss- Sondermessinge) gefertigt. Besonders bewährt haben sich ss- Sondermessinge mit Nickelzusatz.
Die Wirkung des Nickelzusatzes ist aus Fig. 7 ersichtlich. Für eine Legierung mit 22 °/c Zink. 6 C,/c Aluminium, Rest Kupfer + Nickel ist für Nickelgehalt von 0 bis 4 C/c der Einfluss auf die Korngrösse d (mm) graphisch aufgetragen. Dabei wurden alle Legierungen während 5 min einer Lösungsglühung bei 9500 C und einem darauffolgenden Abschrecken in Wasser ausgesetzt. Die Lösungsglühung bei hohen Temperaturen ist für alle Sondermessinge des Cu/Zn/Al-Typs notwendig. um deren Struktur in die für den Gedächtniseffekt unumgängliche primäre ss-Phase überzuführen. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, zeigen nun herkömmliche, nickelfreie Sondermessinge dieses Typs beim Glühen starke Tendenz zu Kornvergröberung.
Dies äussert sich in einer Herabsetzung der mechanischen Eigenschaften. so dass derartige Verbindungselemente nach dem Abschrecken und zufolge der durch den Gedächtniseffekt auftretenden Spannungen oft Risse aufweisen. Die meist interkristallin auftretenden Risse können durch entsprechendes Zulegieren von Nickel. was eine beträchtliche Kornverfeinerung bewirkt. wirksam unterdrückt oder zumindest in tragbaren Grenzen gehalten werden.
Mit den angegebenen Legierungen auf Cu/Zn/Al/Ni-Basis lassen sich gas- und vakuumdichte Verbindungen erzielen. Dies gilt sowohl für die Kombinationen Metall/Metall, Metall/Kunststoff wie vor allem für Metall/Keramik und Kunststoff/Keramik.
Es soll noch darauf aufmerksam gemacht werden, dass die aus einer Gedächtnislegierung bestehenden Verbindungselemente statt aus dem Vollen herausgearbeitet. auch aus verhältnismässig dünnem Blech gefertigt werden können. Dies gilt insbesondere für die Körper nach Fig. 1 bis 4. wobei beispielsweise die Nuten und abgesetzten Partien nach bekannten herkömmlichen Methoden der Blechverformung wie Stanzen, Drücken usw. hergestellt werden können. Durch geeignete Formgebung des Bleches an der Klemmstelle vor dem Zusammenbau kann der Gedächtnisef- fekt sowohl in Richtung Kontraktion wie Dilatation ausgenutzt werden. Derartige Verbindungen zwischen einem elastischen Blech aus einer Gedächtnislegierung und einem Hohlkörper aus keramischem Material erweisen sich ebenfalls als gas- und vakuumdicht.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren wurde eine Verbindungsart für feste Körper geschaffen, welche erlaubt. insbesondere in ihren physikalischen Eigenschaften stark voneinander abweichende Bauelemente wie metallische und keramische Körper in einfacher Weise zu einem festen Ganzen zusammenzufügen. Die auf diese Art hergestellten Verbindungen zeichnen sich durch Gas- und Vakuumdichtheit aus. Das Verfahren lässt sich in besonders vorteilhafter Weise bei der Herstellung physikalischer und elektrotechnischer Geräte (z. B. Elektronenröhren, Gasent ladungsgefässe usw.) anwenden.
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PATENT CLAIMS
1. A method for producing a solid and tight connec tion of components by means of connecting elements, characterized. that at least one metallic connecting element consisting of a memory alloy and provided with grooves and / or deposits is provided.
and that the connection to the adjacent component is achieved by a shrinking process of the correspondingly pre-shaped grooves or deposits based on the memory effect.
2. The method according to claim 1, characterized. an alloy based on Cu / Zn Al with nickel addition or an alloy based on Ti / Ni / Cu is used as memory alloy.
3. The method according to claim 1, characterized in that an alloy with 2 C / c Ni, 6% Al, 20.5 to 22 5c Zn, the rest Cu is used as the memory alloy.
4. Connection produced by the method according to claim 1, characterized in that the components to be connected consist of metals or alloys.
5. Connection. produced by the method according to claim 1, characterized in that at least one of the components to be connected consists of a plastic or a core plastic.
6. Connection according to claim 4 or 5. characterized in net. that the connecting element made of a memory alloy is provided with dovetail-shaped circumferential grooves.
7. Connection according to claim 4 or 5, characterized in net. that the connecting element made of a memory alloy has a disk-like shape, consists of a solid plate or a thin-walled sheet metal body and is provided with a circumferential groove or shoulder on at least one of its end faces.
8. Connection according to claim 4 or 5, characterized in that the connecting element made of a memory alloy is a hollow body which is provided at least on one of its end faces with a circumferential groove, offset, back milling or back turning.
9. A compound according to claim 6. 7 or 8, characterized. that the radial width of the groove of the connecting element made of a memory alloy has an undersize of at least 2% and at most 8% compared to the component to be connected.
10. Connection according to claim 7 or 8, characterized in that the connecting elements and / or the components are centrally symmetrical and square, hexagonal. have octagonal or circular cross-section.
11. The connection according to claim 9, characterized in that the component to be connected to the connection element consisting of a memory alloy is a ceramic tube.
The invention relates to a method for producing a firm and tight connection of components by means of connecting elements.
Numerous methods for connecting components are known in physical engineering and technical physics.
Are they metallic bodies? in many cases, they can be easily soldered. Welding or warming up and subsequent shrinking to firm. poetry.
more or less monolithic workpieces are connected. On the other hand, non-metallic objects such as ceramics should be mic. Difficulties generally arise when plastic or cermet bodies are connected to metallic components or to one another. Among the particularly delicate types of connection between ceramic and metallic components, brazing processes using suitable alloys are known in particular (e.g. G. M. Slaughter. Ceramics and graphite.
Chapter 24, pp.237-242 in Brazing Manual, American Welding Society. New York 1963; D. A. Canonico. N.C. Cole and G.M.
Slaughter, Direct brazing of ceramics. gaphite and refractory metals, WeldingJournal, August 1977). The brazing alloys used for this must adequately wet the surfaces of the objects to be connected. to ensure an intimate and tight connection.
The above-mentioned conventional methods for producing ceramic / metal connections are characterized in particular by the fact that they cause relatively high temperature differences in the materials involved in the entire construction. Since the coefficients of thermal expansion of metals and ceramics are very different, especially with complicated shapes. Considerable stresses occur which can lead to cracks during manufacture or in operation. In many cases, expensive constructions such as the layered construction of the connection have to be resorted to in order to keep the tensions within tolerable limits.
The commonly used brazing alloys require temperatures of 10000C and more and the processes usually have to be carried out in complex equipment under protective gas or vacuum. In the case of connections by means of shrink fit, the metallic components have to be heated to a temperature of several hundred ° C. in order to soften the necessary expansion for the assembly in view of the small coefficient of thermal expansion. This method is limited on the one hand by the heat resistance of the metallic material and on the other hand by the thermal shock resistance of the ceramic material. This leads either to connections of insufficient strength and tightness or to cracks in the ceramic part.
There is therefore a legitimate need in the professional world for a firm, tight and easy to manufacture connection.
The invention has for its object to provide a method for producing a solid, in particular gas and vacuum-tight connection of components, in particular of ceramic materials among themselves or together with metallic bodies, which can be done in a simple manner while avoiding large temperature differences and high absolute temperatures Way can be carried out without great equipment. It is also an object of the invention to propose suitable constructive solutions for such a connection of components which can have very different physical properties.
According to the invention, this object is achieved by the features specified in the characterizing part of claims 1 and 4.
The main guiding principle of the invention is to use a metallic body made of a memory alloy as a connecting element between the components to be connected or as one of the components itself, the shape memory effect of which is used to generate the necessary contraction or dilation tensions.
Further details of the invention result from the exemplary embodiments explained in more detail by the figures. It shows:
1 shows a section through a disk-shaped connecting element and a hollow component before assembly:
Fig. 2 shows a section through a disc-shaped connecting element and a hollow component after assembly
13 shows a section through a disc-shaped connecting element which is offset on one side;
Fw t an cut through a disk-shaped connecting element on the heath side:
5 shows a section through a connecting element designed as a stepped hollow body with backward rotation and groove:
6 shows a section through a connecting element designed as a stepped tube:
7 shows a diagram of the grain size curve over the nickel content for a Cu / Zn / Al / Ni alloy.
1 and 2 each show a disk-shaped connecting element made of a memory alloy and a hollow component before and after assembly.
The two figures explain at the same time the principle of the connection and the process sequence for its production. 1 represents one serving as a connecting element. a disc made of a memory alloy, which is provided on one of its end faces with a dovetail-shaped groove 2 and a recess 3. 4 is a hollow body. for example made of a ceramic material. can consist of a plastic or a metallic material. In the present example, it is ceramic material.
the wall thickness of which is excessive compared to the opening of the dovetail-shaped groove (eg 2¯3 / c). This ensures a vacuum-tight connection after assembly and the corresponding heat treatment. 5 shows the disk made of memory alloy after assembly.
In the present exemplary embodiment, the procedure was as follows:
In an inductively heated graphite crucible, a memory alloy belonging to the B special brass type and having the following composition was melted under an argon atmosphere: zinc 20.5% aluminum: 6% nickel: 2% copper: rest
The rolled bar produced in this way was processed by hot rolling at 8500 C to a plate of about 5 mm thickness. The plate was then annealed for 10 minutes at 950 ° C. in order to obtain the 3-structure and then immediately quenched in water.
The alloy of the above composition has a temperature Ms of martensitic transformation of +500 ° C. A disk 1 according to FIG. 1 was screwed out, which had the following dimensions: outer diameter: 53 mm thickness on the circumference: 4.3 mm thickness in the middle: 2.3 mm depth of the recess: 2 mm diameter of the recess: 34.4 mm depth of the groove: 2 mm radial width of the groove: inside: 5.4mm outside: 5.2 mm radial width of the outer edge: 2 mm
The dovetail-shaped groove 2 accordingly had a conicity of 0.1 mm to 2 mm axial length on both its outer and inner radial delimitation.
A densely sintered aluminum oxide ring was used as the hollow body 4 to be connected, made of ceramic material. who had not had any special surface treatment. provided. The cylindrical ring had broken edges of 1 mm axial bevel width running under 450 on both its outer and inner circumference on the front side to be connected and had the following dimensions: #ii, '##' ndurchmcsscr: 1 <), 7 49.2 mm inner diameter : 38.4 mm Radial wall thickness: 5.4 mm Axial width: 12 mm
The radial wall thickness of the ring therefore corresponded exactly to the radial width of the groove in the groove base.
The disc 1 and the ring 4 were dry and axially pressed together without using a lubricant at room temperature (20 ° C.) (see FIG. 2). The workpiece produced in this way was then raised to 1000 C. d. H. heated above the transition temperature Ms (+ 50 C), which ensures a firm connection of the components thanks to the memory effect.
Even after subsequent cooling to room temperature, the connection proved to be mechanically strong and gas-tight.
It should also be pointed out that when using a memory alloy based on a special brass (Cu / Zn / Al), the excess of the radial wall thickness of the hollow body 4 compared to the radial width of the groove of the disc 1 1 at its narrowest point (with dovetail shape = groove opening - approx. 3 to 4%. This measure corresponds to the maximum elongation permitted for this type of alloy to ensure the memory effect. It goes without saying that, with a different geometrical design of the groove, this dimension can optionally also be selected to be smaller.
In the case of the groove shape shown in FIG. 1, the radial width of the outer and the inner edge of the disk 1 is advantageously coordinated in such a way that the radial pressure on each of the rings is approximately the same. Max. Oversize for Ti / Ni / Cu = 8%.
The invention is not limited to the alloy described in the present example nor to the geometric shapes indicated. The method can in principle be applied to all memory alloys and also to profiles other than those with circular cross sections. In particular, solid or hollow bodies with a square, hexagonal, octagonal, elliptical and any other cross section can also be connected to a metallic plate in the aforementioned manner. The component to be connected need not be made of ceramic material. It can also be made up of metals, sintered metals, cermets, plastics, etc.
3 shows a section through a disk-shaped connecting element made of a memory alloy, which is offset on one side. The disc 6 has a backward rotation 7 on one of its end faces. the inside diameter of which corresponds exactly to the outside diameter of the hollow body 8 to be connected (indicated by dashed lines). Depending on the material (metal, plastic, ceramic material), the hollow body 8 can have a greater or lesser dimension than the backward rotation 7.
Assembly and manufacture or sealing of the connection are carried out analogously to the example described in FIGS. 1 and 2.
In an exemplary embodiment corresponding to this figure, the connection was established as follows:
A memory alloy of the following analysis was melted, hot-rolled, annealed and quenched using the method described above: Zinc: 22 Aluminum: 6% Nickel: 2 Copper: Rest
The alloy of this composition has a martensitic transformation point Ms of -50 ° C. A disk 6 according to FIG.
3 with the following dimensions: Outside diameter: 29.1 mm Thickness at the circumference: 4.2 mm Thickness in the middle: 2.2 mm Depth of the back turning: 2 mm Diameter of the back turning: inside: 26.1 mm outside: 25.1 mm Radial width of the outer rim: 2 mm
The conicity of the backward rotation 7 was therefore (1.5 mm over 2 mm axial length. In the present case, the hollow body 8 to be connected represented a porcelain cylindrical ring (4 in FIG. 1) similar to the first example. The porcelain ring had no special surface treatment However, its outer edge facing the connecting element had been broken to less than 450 mm over an axial length of 1 mm.
The dimensions were as follows: outer diameter: 25.4 mm inner diameter: 16.2 min radial wall thickness: 4.6 mm axial width: 20 mm
The disc 6 and the ring 8 were pressed together axially using ethanol as a coolant at a temperature of -700C and then warmed to room temperature (20 "C). This heating beyond Ms (-50" C) became a firm one. tight connection of the components achieved.
In order to measure the tightness, the porcelain tube was connected to a vacuum pump. while the exterior of the workpiece was placed in a helium atmosphere. Under a vacuum of 10-4 Torr, no measurable helium losses could be found in the said system. which means that the helium leak rate per unit of time was below the measurement limit (10-9 mbar 1 / s). This proved the vacuum tightness of the metal / ceramic connection.
For this embodiment, too, the statements made with regard to the material composition and shape of the connecting element already made on the occasion of the description of the first example apply.
4 shows a section through a disk-shaped connecting element made of a memory alloy, which is offset on both sides. The disk 9 has a backward rotation 7 on each of its two end faces. whose inside diameter corresponds to the respective outside diameter of the hollow body 8 to be connected. The backward rotation 7 can, depending on the hollow body material to be connected and depending on the dimension, be cylindrical or slightly conical inwards (see FIG. 3). The hollow body 8 to be connected can be cylindrical smooth (right side of the figure) or offset (left side of the figure).
5 shows a section through a connecting element made as a hollow body made of a memory alloy. The hollow body 10 is offset and has, for example on one end face, the rear turns 7. On the other end face a groove 12. It is also provided with a central opening 11.
which z. B. allows the accommodation of a further central component or the movement of a flowing medium (e.g.
Gas or liquid).
Fig. 6 shows a section through a connecting element designed as a stepped tube. The hollow body 10 consisting of a memory alloy has a central opening 11 as a bore in its central part. Such fittings can advantageously be used as a connector for elongated objects such as pipes. Use poles, etc. To ensure sufficient stability. the back turns 7 are carried out over a relatively large area. It goes without saying that the tube or rod material is also round, in principle also square, hexagonal or octagonal. can be oval or any other cross section.
The connecting elements shown in FIGS. 1 to 6 can, in principle, consist of any memory alloy. They are advantageously made from alloys based on Ti / Ni or Ti / Ni / Cu. if necessary with other additives or based on Cu / Zn / Al (SS special brass). SS special brasses with added nickel have proven particularly useful.
The effect of the addition of nickel can be seen in FIG. 7. For an alloy with 22 ° / c zinc. 6 C, / c aluminum, rest copper + nickel, the influence on the grain size d (mm) is plotted for nickel contents from 0 to 4 C / c. All alloys were subjected to solution annealing at 9500 C for 5 minutes and then quenched in water. Solution annealing at high temperatures is necessary for all special brasses of the Cu / Zn / Al type. to transfer their structure into the primary ss phase, which is essential for the memory effect. As can be seen from the diagram, conventional, nickel-free special brasses of this type now show a strong tendency to grain coarsening.
This manifests itself in a reduction in the mechanical properties. so that such connecting elements often show cracks after quenching and as a result of the tensions arising from the memory effect. The cracks, which usually occur intercrystalline, can be made by alloying nickel accordingly. which causes considerable grain refinement. effectively suppressed or at least kept within acceptable limits.
With the specified alloys based on Cu / Zn / Al / Ni gas and vacuum tight connections can be achieved. This applies to the combinations metal / metal, metal / plastic as well as especially for metal / ceramic and plastic / ceramic.
It should also be pointed out that the connecting elements consisting of a memory alloy are worked out instead of the solid. can also be made from relatively thin sheet metal. This applies in particular to the body according to FIGS. 1 to 4. The grooves and offset portions, for example, can be produced by known conventional methods of sheet metal forming such as stamping, pressing, etc. By appropriately shaping the sheet at the clamping point before assembly, the memory effect can be exploited both in the direction of contraction and dilation. Such connections between an elastic sheet made of a memory alloy and a hollow body made of ceramic material also prove to be gas and vacuum tight.
The method according to the invention has created a type of connection for solid bodies which allows. in particular in terms of their physical properties, components which differ greatly from one another, such as metallic and ceramic bodies, can be combined to form a solid whole in a simple manner. The connections produced in this way are characterized by gas and vacuum tightness. The method can be used in a particularly advantageous manner in the production of physical and electrotechnical devices (for example electron tubes, gas discharge vessels, etc.).