P2-Eisen

P2-Eisen oder P2-Blech ist ein Verbundwerkstoff aus Eisen- und Aluminiumblechen, die durch Plattieren mechanisch miteinander verbunden werden und mittels nachfolgender Behandlung durch höhere Temperaturen eine chemische Verbindung eingehen.
PN-Eisen bzw. PN-Blech ist auf einer Seite mit Nickel statt Aluminium plattiert.

P2-Eisen ist bei Elektronenröhren kleiner Leistung das Standardmaterial für Anoden- und Abschirmbleche sowie Kühlflügel an Gittern.

Anodenzylinder einer gebrauchten EL84 aus beiderseitig plattiertem Eisenblech.

Geschichte

In den Jahren vor dem Zweiten Weltkrieg wurden bereits Gebrauchsartikel wie Zigarettendosen und Lebensmittelbehälter aus aluminiumplattiertem Eisen (Handelsnamen Ferran bzw. Triwalith) hergestellt. Aluminium korrodiert weniger als Eisen, ist aber in der Herstellung vergleichsweise aufwendig, weswegen eine Einsparung von Al ohne Einbußen der Stabilität und Korrosionsfestigkeit der Gebrauchsgegenstände wünschenswert erschien.

Bei Erhitzung dieses Verbundmaterials wird die Al-plattierte Seite rau und färbt sich dunkel, während sie eine Verbindung mit dem Eisengrundmaterial eingeht. Weitergehende Versuche haben gezeigt, dass dieses Material hervorragend für vakuumtechnische Belange, speziell bei höheren Temperaturen wie sie in Elektronenröhren bei Gebrauch herrschen, brauchbar ist.

Mit dem Ausbruch des 2. Weltkrieges wurde Nickel, was bisher als Material (unter anderem) für Anoden in Elektronenröhren Verwendung fand, knapp; es konnte nur durch Importe beschafft werden. Die für Röhren höherer Leistung übliche Karbonisierung zur Erhöhung der Wämeabstrahlung hatte vakuumtechnische Nachteile. Das P2-Eisen wurde daher im Laufe der kommenden Jahre zum meist verwendeten Werkstoff für Anodenbleche für Kleinleistungsröhren auf dem europäischen Kontinent. Nach dem Krieg fand es auch in den USA Verbreitung.

Herstellung und Einsatz

P2-Eisen ist für Anodenbleche ein hervorragender Werkstoff, da

• die Aluminiumschicht das konstante Ausgasen von Sauerstoff des reinen Fe-Bleches in Vakuum und bei hohen Temperaturen unterbindet (Vakuumverschlechterung über die Lebensdauer),
• die auf Aluminium an der Luft gebildete Aluminiumhydroxidschicht die Verdampfung von Aluminium bei Betriebstemperaturen behindert und damit negative Auswirkungen auf die Kathodenchemie der Elektronenröhre unterbindet,
• die raue, vergleichsweise dunkle Oberfläche Schwärzungsgrade von bis zu 80 % des Totalstrahlungsvermögens des schwarzen Körpers besitzt und daher durch die Anodenverlustleistung eingetragene Wärmeenergie effektiver abstrahlen kann.

Dazu kommt noch, dass die Rohstoffe nach wie vor günstiger beschaffbar sind als das vor dem Kriege ausschließlich verwendete Nickel.^[1] Ein weiterer Vorteil ist, dass der schädliche Gasgehalt einer P2-Blechanode nur Bruchteile einer (wegen besserer Wärmeabstrahlung) geschwärzten Nickelanode gleicher Größe beträgt.

Als Nachteile gegenüber Nickel ist die höhere Oberflächenempfindlichkeit gegenüber chemischen Einwirkungen zu nennen (Handschuhe und hohe Arbeitsplatzreinheit bei der Montage!) sowie ein erhöhter Lagerungsaufwand, da besonders die Schnittkanten das im Kern befindliche Eisen direkt dem Sauerstoff der Luft aussetzen und die meist vorhandene Luftfeuchtigkeit das Rosten begünstigt.

Die Gesamtdicke der Bleche beträgt üblicherweise 0,15 mm, die Aluminiumschicht (vor der Reaktion) im Mittel ca. 10 µm. Dickere Schichten bergen das Risiko, dass bei der Reaktion reines Al übrig bleibt und die resultierenden Kristalle einschließt, was die Abstrahlungseigenschaften der Schicht verschlechtert.

Ab ca. 430 °C bildet sich aus den sehr reinen Komponenten Aluminium und Eisen eine mikrokristalline, hochporöse Struktur aus winzigen FeAl₃-Teilchen. Die Reaktion ist stark exotherm. Um optimale Oberflächen zu erhalten, soll die Schwärzung unter Schutzgas oder Vakuum ablaufen und das Al eine reine Oberfläche aufweisen.^[2] Das resultierende, geschwärzte Eisen ist leicht brüchiger als im blanken Zustand. Bei einer optimalen Reaktion bildet sich keine Legierung an der Grenzfläche, die die Wärmeleitungseigenschaften verschlechtern würde.

Durch (unter anderem) einen gewissen Sauerstoffgehalt und keinerlei Siliziumverunreinigungen des Fe sowie geringe Beimengungen von Silizium bei völliger Zinkfreiheit des Al lässt sich die initiale Reaktionstemperatur auf 680 °C heraufsetzen, damit sich die Schwärzung noch nicht beim Spannungsarmglühen der mechanisch fertig gearbeiteten Teile bildet. Eine Erhitzung über 900 °C soll vermieden werden, da die Kristalle sonst zusammensintern, sich dadurch die Rauigkeit der Oberfläche vermindert und damit die Abstrahlungseigenschaften verschlechtern.

Nach Telefunken werden die fertig geformten Anoden in Trichlorethen gereinigt und ohne weitere thermische Ausgasung in noch blankem Zustand in den Röhrensystemen montiert. Die Schwärzung erfolgt erst im Rahmen eines späteren Herstellungsschritts auf der Vakuumpumpe bei der gleichzeitigen thermischen Ausgasung des gesamten Röhrensystems durch Erhitzung im Hochfrequenzfeld auf die notwendige Umwandlungstemperatur von ca. 680 °C. Als erwünschter Nebeneffekt wirkt die raue Oberfläche im Moment ihrer Bildung als Getter.

PN-Eisen

Bei Röhren mit besonders geringem Abstand zwischen Anode und Kathode (z. B. Röhrendioden) werden nur einseitig Al-plattierte Eisenbleche verwendet: Aus der Schicht ausdampfendes Aluminium würde sich mit der Oxidkathode verbinden und unerwünschterweise die Austrittsarbeit erhöhen. Die Anodeninnenseite wird hierbei mit Nickel plattiert, eine Schwärzung findet nicht statt. Dieses Material wird als PN-Eisen, bzw. PN-Blech bezeichnet.

Literatur

• Werner Espe: Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik. 1: Metalle und metallisch leitende Werkstoffe, VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1957.

Fußnoten

1. ↑ Stand 1957, siehe Literaturangabe. Diese Information ist möglicherweise veraltet.
2. ↑ Die Schwärzungsreaktion findet aber auch an der Luft statt.