EP0204909B1

EP0204909B1 - Elektrodenmaterial für eine Funkenstrecke

Info

Publication number: EP0204909B1
Application number: EP86104346A
Authority: EP
Inventors: Sylvia Härdtle; Rainer Dr. Schmidberger
Original assignee: Dornier GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1985-05-29
Filing date: 1986-05-09
Publication date: 1989-11-08
Also published as: DE3519163C2; JPS61276549A; DE3519163A1; EP0204909A1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer gesinterten, mehrphasigen Wolframlegierung als Elektrodenmaterial für eine Funkenstrecke zur Erzeugung von Stoßwellen zu medizinischen Zwecken und ein Verfahren zur Herstellung dieses Materials.
Aus der DE-PS-2 351 247 ist eine Einrichtung zum Zerkleinern von im Körper eines Lebewesens befindlichen Konkrementen mit einer Fokussierkammer bekannt, wobei die Fokussierkammer ein Teil eines Rotationsellipsoids ist und in deren einem Brennpunkt Stoßwellen durch Funkenentladung erzeugbar sind. Das Konkrement befindet sich im zweiten Brennpunkt. Die Fokussierkammer ist dabei mit einer Flüssigkeit gefüllt. Mittels einer Funkenstrecke wird durch elektrische Unterwasserfunkenentladung die in einem Kondensator gespeicherte elektrische Energie in mechanische Stoßwellenenergie umgewandelt. Wird die elektrische Unterwasserfunkenentladung in dem Brennpunkt der rotationselliptischen Fokussierkammer gezündet, so lassen sich nahezu punktförmig im zweiten Brennpunkt Stoßwellen hoher Amplitude [1 Kbar mit geringen Impulslängen (1 µsec)] erzeugen. Die im Körper von Lebewesen befindlichen Konkremente können mit diesen Stoßwellen in abgangsfähige Bruchstücke zertrümmert werden.
Bekannt ist aus der DE-A-2 635 635 eine Funkenstrecke mit zwei aus einer Halterung herausragenden Elektroden, wobei eine Elektrode verlängert und über eine Schleife zurückgeführt ist, so daß sich die Elektroden axial gegenüberliegen. Als Material für die Elektrodenspitzen sind u.a. Tantal und Wolfram vorgeschlagen. Die Elektroden unterliegen hohen thermischen und mechanischen Belastungen. Tantal besitzt zwar eine hohe thermische Abbrandfestigkeit, ist jedoch in seiner mechanischen Festigkeit nicht ausreichend für eine hohe Standzeit, d.h. für die Erzeugung einer hohen Zahl von Unterwasserfunkenentladungen. Wolfram hat in diesem speziellen Anwendungsfall aufgrund seiner hohen Sprödigkeit ebenfalls keine hohen Standzeiten. Es wird durch die mechanische Belastung sehr schnell zerstört.
Andere in der Technik gebräuchliche Elektrodenwerkstoffe sind Verbundwerkstoffe, beispielsweise Wolfram-Kupferlegierungen, die die refraktären Eigenschaften von Wolfram mit der guten elektrischen Leitfähigkeit des Kupfers verbinden. Auch diese Werkstoffe sind für die genannten Anwendungen zu spröde und erleiden einen starken mechanischen Abtrag. Diese Werkstoffe besitzen einen Kupferanteil ≥ 20 %. Da die Elektroden thermisch hoch belastet werden, bildet sich eine schmelzflüssige Phase von Cu (Schmelzpunkt 1083°C), die von der Oberfläche über eine Tiefe von ca. 100 µm oder mehr in das Innere der Elektrodenspitze reicht. Die Erosion derartiger Schmelzbereiche ist um so stärker, je höher der Binderphasenanteil und je höher die Schmelztemperatur der Binderphase ist.
Aus der DE-A-3 226 648 ( = EP-A-0 098 944) sind Wuchtgeschosse aus einem vorlegierten Wolframpulver bekannt, die im gesinterten Zustand sehr kleine polygone Wolframkörner « 5 µm) enthalten, zwischen denen in dünner Schicht ein Matrixmetall verteilt ist. Beschrieben sind Sinterteile, die neben Wolfram als Binderphase eine Legierung aus Nickel, Kobalt und Eisen enthalten, wobei deren Gefüge porenfrei ist und aus polygonen Wolframkörnern mit einem mittleren Durchmesser < 5 gm besteht, die nahezu raumerfüllend angeordnet sind und zwischen denen sich in dünner Schicht die Binderlegierung befindet. Der Wolframgehalt beträgt zwischen 80 und 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise 90 Gewichtsprozent. Als Legierungselemente sind außer Wolfram eines oder mehrere der Metalle aus der Gruppe Ni, Cu, Ag, Fe, Co, Mo oder Re vorgeschlagen. Die Literaturstelle nennt keine elektrischen oder thermischen Eigenschaften wie elektrische oder thermische Leitfähigkeit, Abbrandfestigkeit, Zündverhalten, Zunderverhalten, Korrosions- oder Oxidationsbeständigkeit, die eine Übertragung des Materials von der Wehrtechnik auf Elektroden oder Funkenstrecken nahelegen würden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektrodenmaterial anzugeben, dessen Abbrandfestigkeit gegenüber den bisher verwendeten Stahlelektroden aufgrund hoher thermischer und mechanischer Stabilität wesentlich vergrößert ist, dessen Abbrand gleichmäßig über die Oberfläche verteilt erfolgt, (das keine Materialausbrüche aufweist) und dessen elektrische Leitfähigkeit ausreichend hoch ist ( ≥ 10⁴Q -¹ cm -¹ bei Raumtemperatur).
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer Legierung gelöst, wie sie in Anspruch 1 angegeben ist.
Ein Herstellungsverfahren zur Herstellung von Elektrodenmaterial mit einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1 ist Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs 2.
Die erfindungsgemäße Verwendung bereits legierter Wolframschwermetallpulver erlaubt die Herstellung von sehr feinkörnigen gesinterten Wolfram-Schwermetallelektroden, da der Sinterprozeß ohne flüssige Phase erfolgen kann. Diese Elektroden weisen daher eine außerordentlich hohe Streckgrenze und Zugfestigkeit auf. Bei der erfindungsgemäßen Verwendung als Elektrodenmaterial bietet der genannte Werkstoff den Vorteil einer Kombination der hohen thermischen Belastbarkeit des Wolframs mit der hohen mechanischen Festigkeit, die durch den feinkörnigen Verbundwerkstoff mit einer zähen Nickelbasislegierung gegeben ist. Die Feinkörnigkeit des Materials ist dabei in zweifacher Weise von Bedeutung. Einerseits führt die Feinkörnigkeit des gesinterten Materials zu einer Erhöhung der Streckgrenze gegenüber konventionell flüssigphasengesintertem Material (Hall-Petch-Beziehung). Zum anderen sorgt die Feinkörnigkeit des Materials dafür, daß an der Funkeneinschlagstelle die durch den Funken ausgelöste thermische und mechanische Belastung immer über eine Vielzahl von Gefügebestandteilen (Körnern) verteilt wird. Im Gegensatz zu grobkörnigem, flüssigphasengesintertem Material, bei dem die Größe der Funkeneinschlagstelle vergleichbar ist zur Gefügekorngröße, wirkt feinkörniges Material auch gegenüber der sehr mikroskopischen Belastung eines Funkeneinschlags als Verbundwerkstoff mit den kombinierten Eigenschaften hoher thermischer Belastbarkeit des Wolframs und hoher Festigkeit und Duktilität der Binderlegierung. Aufgrund der Feinkörnigkeit des Materials erfolgt der Abbrand der Elektroden sehr gleichmäßig. Dies bewirkt eine geringe Wanderung des Funken-Fußpunkts auf den Elektroden, so daß bei fokussierender Stoßwellenanwendung geringe Druckschwankungen bei aufeinanderfolgenden Funkenentladungen im zweiten Fokus auftreten. Grobkörnige Wolfram-Schwermetall-Elektroden, wie sie durch Flüssigphasensinterung erhalten werden, zeigen grob-ausbruchartigen Abbrand, der sehr starke Druckschwankungen bei der Fokussierung der Stoßwelle zur Folge hat.
Auch bei konventionell flüssigphasengesintertem, grobkörnigem Material ist eine hohe Festigkeit durch mechanische Umformung zu erzielen. Im erfindungsgemäßen Anwendungsfall wird jedoch das Material auch thermisch sehr hoch belastet. In einer oberflächennahen Zone werden dabei Temperaturen von 1450°C überschritten. Dies führt bei konventionell flüssigphasengesintertem Material, das durch mechanische Kaltverformung verfestigt wurde, zu einer Entfestigung durch Rekristallisation.
Der Abbrand derartiger Elektroden ist deutlich größer als von Elektroden mit feinkörnigem Gefüge. Im Rekristallisationsbereich der Elektroden sind Rißbildungen und Ausplatzungen zu erkennen, die sowohl zu verstärktem Abbrand als auch zu den o.g. irregulär ausgebildeten Funken führen, die nicht von der geometrischen Elektrodenspitze ausgehen und daher zu Druckschwankungen führen. Hohe Festigkeit auch in dem thermisch belasteten Bereich der Elektrodenspitzen kann daher nur über sehr feinkörniges Material erhalten werden. Physikalische Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Materials unterscheiden sich nicht von grobkörnigem Material derselben Legierungszusammensetzung. Bei einem Wolframgehalt von 90 Gewichtsprozent der Legierung sind diese physikalischen Eigenschaften ungefähr so wie bei reinem Wolfram. Die Korrosionsbeständigkeit der erfindungsgemäßen Elektroden in wässrigen Medien und feuchter Luft ist deutlich besser als die der Stahlelektroden.

Beispiel

Legiertes Wolfram-Schwermetallpulver der Zusammensetzung 90 Gew% Wolfram, 6 Gew% Nickel, 2 Gew% Kobalt, 2 Gew% Eisen wird unter allseitigem Druck zu Zylindern von 8 mm ₀ und 60 mm Länge verpreßt. Der Preßdruck beträgt 300 Nmm². Die Preßlinge werden zunächst in Wasserstoffatmosphäre bei 900°C 10 h lang vorgesintert und anschließend im Vakuum bei einem Druck von 10-⁵ mbar 5 h bei 1360°C fertig gesintert. Die dann vorliegenden Rohlinge besitzen einen Durchmesser von ca. 5 mm bei einer Länge von 45 mm. Die Rohlinge werden durch spanende Formgebung in die gewünschte Elektrodenform gebracht. Der Abbrand derartiger Elektroden bei der Unterwasserfunkenentladung ist um einen Faktor 2,5 geringer als der gebräuchlicher Stahlelektroden. Figur 1 zeigt den metallographischen Schliff einer erfindungsgemäßen Elektrode nach der Benutzung im Bereich der Elektrodenspitze. Der Vergrößerungsmaßstab ist 50:1. Der Abbrand ist gleichmäßig über die Oberfläche im Bereich der Spitze verteilt. Figur 2 zeigt in 1000- facher Vergrößerung das Gefüge im Spitzenbereich. Die äußere Schicht zeigt über eine Tiefe von ca. 25 ₁₁m ein Gefüge mit abgerundeten Wolframkörnern. Die Abrundung erfolgte durch Schmelzen der Binderlegierung unter dem Einfluß der Funkenentladung. Deutlich ist auch eine Abplattung der Wolframkörner am äußeren Rand unter dem Einfluß der Druckstöße zu erkennen. Im Kern der Elektrode liegt das typische Festphasen-Sintergefüge mit polygonalen Wolfram-Körnern vor. Figur 3 zeigt das Gefüge im Übergangsbereich zwischen dem Funkeneinschlagsbereich und weniger belastetem Bereich der Elektrode, in dem kein Aufschmelzen der Binderlegierung erfolgte.

Claims

1. Verwendung einer gesinterten, mehrphasigen Wolframlegierung mit einem Wolframanteil zwischen 80 und 95%,

- deren erste Phase Wolframkörner mit einem mittleren Durchmesser < 5 µm sind,

- dessen zweite Phase ein Metall oder eine Legierung ist, die eines oder mehrere der Metalle Ni, Cu, Ag, Fe, Co, Mo oder Re als Hauptbestandteil enthält und

- wobei die Wolframkörner der ersten Phase von der zweiten Phase umhüllt und zusammengehalten werden,

als Elektrodenmaterial für eine Funkenstrecke zur Erzeugung von Stoßwellen zu medizinischen Zwecken.

2. Verfahren zur Herstellung von Elektrodenmaterial mit einer Zusammensetzung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Preßlinge aus einem vorlegierten Pulver mit 90% Wolfram, 6% Nickel, 2% Kobalt und 2% Eisen bei 900°C 10 Stunden vorgesintert und im Vakuum bei 1360°C 5 Stunden fertiggesintert werden.