CH646891A5 - Verfahren zum herstellen einer hartloetverbindung zwischen einem keramikteil und einem teil aus nichtrostendem stahl und eine nach diesem verfahren hergestellte hartloetverbindung. - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine nach diesem Verfahren hergestellte Hartlötverbindung.

Die Herstellung einer Verbindung zwischen einem keramischen Material und einem Metall ist im allgemeinen wegen des grossen Unterschiedes der Wärmeexpansionskoeffizienten dieser beiden Materialien schwierig. Es ist bekannt, diesen Schwierigkeiten durch die Verwendung spezieller Metall-Legierungen auf der Basis von Eisen, Nickel und Kobalt zu begegnen, deren Wärmeexpansionskoeffizient mit dem von keramischen Materialien relativ gut übereinstimmt. Diese Legierungen lassen jedoch hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit zu wünschen übrig. Bei besonderen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit hat man bisher diese Legierungen mit einer Schicht aus Kupfer oder Gold überzogen, was jedoch verhältnismässig kostspielig ist.

Aus der DE-AS 2 021 396 ist ferner eine Metall-Kera-mik-Verbindung bekannt, bei der das Metall mehr als 50% Nickel enthält und eine Magnesiumoxidkeramik verwendet wird. Bei dieser Materialkombination stimmen zwar die Wärmeexpansionskoeffizienten ziemlich gut überein und auch die Korrosionsbeständigkeit ist zufriedenstellend, die verwendete Metall-Legierung ist jedoch ziemlich teuer. Magnesiumoxidkeramik weist ausserdem eine verhältnismässig geringe mechanische Festigkeit auf, ist verhältnismässig empfindlich gegen schnelle Temperaturwechsel und reagiert relativ stark mit Metallen.

Ein wesentlich preiswerteres und hinsichtlich seiner Korrosionsbeständigkeit besonders gut für die Vakuumtechnik geeignetes Metall ist austenitischer rostfreier Stahl, wie z. B. aus einer Veröffentlichung von C. Geyari «Design considération in the use of stainless steel for vacuum and cryogenic equipment» in der Zeitschrift «Vacuum», Band 26-7, erschienen bei Gelegenheit der dritten israelischen Vakuumkonferenz in Haifa, September 1973, bekannt ist. Bei der Verwendung von austenitischem rostfreiem Stahl für eine durch Hartlöten hergestellte Verbindung zwischen Metall und Keramik stören jedoch die schlechte Hartlötfähigkeit des austenitischen Edelstahls und der grosse Unterschied der Wärmeexpansionskoeffizienten von austenitischem rostfreiem Stahl und Keramik. Wegen der vorteilhaften Eigenschaften des austenitischen rostfreien Stahls hat es jedoch nicht an Versuchen gefehlt, Möglichkeiten für die Verwendung dieses Materials für Metall-Keramik-Verbindungen zu finden.

So ist aus der DE-AS 1 045 305 ein Verfahren zum Herstellen einer Hartlötverbindung zwischen zwei Materialien mit stark voneinander abweichenden Wärmeexpansionskoeffizienten, wie es auch für die Materialkombination Eisen und Keramik zutrifft, bekannt. Zwischen dem Eisen und dem Keramikmaterial wird zum Ausgleich der Unterschiede in der Wärmedehnung eine Zwischenschicht aus einem Material vorgesehen, dessen Wärmeexpansionskoeffizient den Unterschied der Wärmeexpansionskoeffizienten des Metallteils und des Keramikteils an der Verbindungsstelle zumindest teilweise kompensiert. Bei geeigneter Wahl der Dicke der Zwischenschicht lassen sich dabei Verhältnisse erreichen, wie wenn am Keramikmaterial ein Material angebracht worden wäre, das im wesentlichen den gleichen Wärmeexpansionskoeffizienten wie die Keramik hat. Dieses bekannte Verfahren ist jedoch verhältnismässig kompliziert.

Ein anderes Verfahren zum Herstellen einer Hartlötverbindung zwischen Keramik und rostfreiem Stahl ist aus einer Broschüre der Firma Friedrichsfeld bekannt. Bei diesem Verfahren wird der rostfreie Stahl mit dem Keramikmaterial indirekt unter Zwischenschaltung eines thermisch angepass-ten Materials, wie NiFe42 verbunden. Auch dieses Verfahren ist ziemlich kompliziert und dementsprechend teuer.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das einfach und kostengünstig ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem Verfahren gemäss der Erfindung werden das aus rostfreiem Stahl bestehende Teil und das Keramikteil durch Hartlöten direkt verbunden. Das aus dem rostfreien Stahl bestehende Teil wird vor dem Hartlöten angelassen oder weichgeglüht und ist über die ganze Länge der Hartlötstelle mit einem an die verlötete Fläche direkt angrenzenden Teil versehen, das eine maximale Dicke von 0,8 und eine Höhe von etwa 4 bis etwa 12 mm hat.

Obgleich eine vollständige Erklärung der bei dem erfin-dungsgemässen Verfahren mitspielenden Effekte bisher nicht vorliegt, hat es sich nach eingehenden Untersuchungen gezeigt, dass die durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellten Metall-Keramik-Verbindungen in der Praxis voll zufriedenstellend sind. Die Hartlötverbindungen gemäss der Erfindung wurden z.B. bei einem Vakuumschalter verwendet und Ultrahochvakuum-Dichteprüfungen unterworfen, mit denen auch die geringsten Undichtigkeiten ermittelt werden können. Die Dichteprüfung wurde mit einem Helium-Leckdetektor durchgeführt, der eine Empfindlichkeit von 6,7 • 10~12 mbar 1 s_I hatte. Dabei konnten keinerlei Undichtigkeiten festgestellt werden.

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Es hat sich ferner bei Untersuchungen der mechanischen Festigkeit der erfindungsgemässen Verbindungen erwiesen, dass diese erheblichen Zugbelastungen standzuhalten vermögen. Die erfindungsgemässe Hartlötverbindung ist auch bei Beanspruchungen durch wiederholte grosse Temperaturänderungen stabil.

Es wurde gefunden, dass man optimale Ergebnisse bei Verwendung eines austenitischen rostfreien Stahles und bei Durchführung des Anlassens im Hochvakuum und einer extrem ölfreien Umgebung bei einer Temperatur von etwa 1050 "C erhält, wobei die Dauer der Wärmebehandlung von der Dicke des Materials abhängt.

Vermutlich verschwindet das an der Oberfläche von austenitischem rostfreiem Stahl normalerweise vorhandene Chromoxid bei der Wärmebehandlung durch Dissoziation, wodurch die Hartlötbarkeit des austenitischen rostfreien Stahls verbessert wird.

Als Folge der Beseitigung der Chromoxidschicht kann die Temperatur, bei der das Hartlöten durchgeführt wird, von etwa 1050 C auf etwa 800 C herabgesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Spannungen in der Verbindung, die durch die unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der beiden miteinander verbundenen Teile verursacht werden, erheblich geringer sind.

Die oben erwähnten Tatsachen lassen sich aus den Temperaturexpansionskurven der verwendeten Materialien direkt ableiten.

Wo diese Kurven voneinander divergieren, wird der Unterschied der Wärmedehnung offensichtlich um so kleiner, je geringer die Temperatur ist, so dass man versuchen soll,

beim Hartlöten mit möglichst niedrigen Temperaturen auszukommen.

Trotzdem die Temperatur beim Hartlöten bei dem Verfahren gemäss der Erfindung von etwa 1050°C auf etwa 800 "C herabgesetzt werden kann, ist der Unterschied der Wärmedehnung zwischen rostfreiem Stahl und Keramik noch immer relativ gross.

Die bei dem Verfahren gemäss der Erfindung vorgenommene Wärmebehandlung hat dementsprechend den Zweck, die Verfestigung des austenitischen rostfreien Stahles rückgängig zu machen, die durch die Kaltverformung des Materials erzeugt wurde. Das Material wird also durch das Anlassen duktiler, so dass die Spannungen in der Verbindung, die durch die Unterschiede in der Wärmedehnung verursacht werden, besser beherrschbar sind. Die Beherrschung der mechanischen Spannungen in der erfindungsgemässen Verbindung wird ausserdem durch die Begrenzung der Dicke des Materials in dem Stück des Teiles aus dem austenitischen rostfreien Stahl begrenzt, der sich in der Nachbarschaft der Schweissnaht befindet und sich über deren ganze Länge erstreckt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Diagramm der linearen Expansion oder Dehnung verschiedener Materialien in Abhängigkeit von der Temperatur;

Fig. 2 ein Fig. 1 entsprechendes Diagramm für einen anderen Temperatur-Bezugspunkt;

Fig. 3 einen Vakuumschalter mit einer nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Verbindung; und

Fig. 4 eine andere Ausführungsform eines Vakuumschalters mit einer gemäss einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens hergestellten Metall-Keramik-Verbin-dung.

In Fig. 1 ist die spezifische lineare Dehnung oder Expansion verschiedener Materialien für einen Temperaturbereich bis 800 C aufgetragen. Aus diesem Diagramm ist ersichtlich, dass sich die Wärmeexpansionskoeffizienten von rostfreiem Stahl und Aluminiumoxidkeramik (A1203) stark unterscheiden. Rostfreier Stahl unterscheidet sich in dieser Hinsicht erheblich von den Metall-Legierungen NiFe42 und NiCoFe, die speziell für Metall-Keramik-Verbindungen entwickelt wurden. Aus Fig. 1 ist ferner ersichtlich, dass der Unterschied der Wärmeexpansion mit zunehmender Temperatur zunimmt. Die sich aus den Unterschieden in der Wärmeexpansion ergebenden Probleme lassen sich daher dadurch teilweise verringern, dass man die Temperatur, bei der die Hartlötverbindung hergestellt wird, so niedrig wie möglich hält.

Fig. 2 zeigt praktisch die gleichen Kurven wie Fig. 1, diese sind jedoch hier bezüglich einer Temperatur von 800 C als Ausgangstemperatur normiert. Nimmt man an, dass die unterschiedlichen Materialien bei dieser Temperatur miteinander verbunden worden sind und dementsprechend bei dieser Temperatur gleiche Abmessungen aufweisen, so lassen sich aus Fig. 2 die mechanischen Spannungen oder Beanspruchungen abschätzen, die beim Abkühlen infolge der dabei auftretenden Längenänderungen entstehen. Aufgrund der Längendifferenz bei Raumtemperatur und des Elastizitätsmoduls der betreffenden Materialien lässt sich die mechanische Spannung bei Raumtemperatur errechnen.

Das Diagramm in Fig. 2 zeigt ferner, dass im Falle von Längen- oder Abmessungsänderungen verursachte Spannungen durch ein inneres Fliessen des Metalls, also durch eine plastische Verformung, kompensiert werden können. Trägt man dafür Sorge, dass das Metallteil der Verbindung so duktil wie möglich bleibt, so lassen sich die Schwierigkeiten, die aus der unterschiedlichen Expansion resultieren, entsprechend verringern.

Fig. 3 zeigt einen Vakuumschalter mit Verschluss- oder Endkappen 5 und 6, die durch das Verfahren gemäss der Erfindung mit einem Keramikgehäuse 1 verbunden sind. Ausser dem Keramikgehäuse 1, beispielsweise aus einem mindestens 95% A1203 enthaltendem Material, und den Endkappen 5 und 6 enthält der Vakuumschalter wie üblich im wesentlichen ein stationäres und ein bewegliches Kontaktstück 2 bzw. 3, die am Ende von entsprechenden Leiterstäben angeordnet sind, einen Balgen 7 für die vakuumdichte Durchführung des das bewegliche Kontaktstück 3 tragenden Leiterstabes und eine Abschirmung 4, die das Keramikgehäuse schützt. Um eine gute Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten, bestehen die Endkappen 5 und 6 aus einem austenitischen rostfreien Stahl, z.B. einem Stahl, wie er gemäss den DIN-Normen durch die Nummern 1.4301 oder 1.4306 definiert ist.

Um die Endkappen 5 und 6 bei niedriger Temperatur hart anlöten zu können, wurden sie in einem extrem ölfreien Hochvakuum angelassen oder weichgeglüht, wobei die besten Ergebnisse erhalten wurden, wenn die Dauer dieser Wärmebehandlung etwa eine Stunde pro Millimeter Materialdicke war. Die Haut aus Chromoxid dissoziiert bei der Wärmebehandlung, so dass die Endkappen bei einer Temperatur in der Grössenordnung von 800 C hart angelötet werden können und ausserdem wird das Material in einem solchen Ausmass duktil, dass die Spannungen durch interne plastische Deformation der Endkappen zum grossen Teil kompensiert werden können. Für eine weitere Kompensation der mechanischen Spannungen in der erfindungsgemässen Verbindung werden Endkappen verwendet, bei denen der sich unmittelbar an die Stossfläche oder Lötebene anschliessende Teil, der sich über die ganze Länge der Hartlötnaht erstreckt, spezielle Abmessungen hat und zwar eine spezielle Dicke d und eine spezielle Höhe h (Fig. 3).

Gemessen von der Stossfläche oder Hartlötebene erstreckt sich dieses Stück der Endkappen über eine Höhe h,

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die in einem bestimmten Verhältnis zur Materialdicke d steht. Dieses Verhältnis kann im Bereich vom 5- bis 15-fa-chen der Materialdicke d liegen, vorteilhafterweise ist die Höhe h etwa das 10-fache der Materialdicke d. Eine weitere Kompensation der Spannungen kann gewünschtenfalls dadurch erreicht werden, dass man die an das Keramikgehäuse 1 angrenzenden Teile der Endkappen 5 und 6 etwas schief oder schräg zur Stoss- oder Lötebene verlaufen lässt.

Wenn man die Höhe d kleiner macht als oben angegeben, nimmt die Gefahr erheblich zu, dass die Endkappen 5 und 6 durch die Spannungen vom Keramikgehäuse 1 abgeschert werden.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Endkappen 5 und 6 als Ganzes die bezüglich der Materialdicke d gestellte Bedingung erfüllen. Der Teil der Endkappen, der parallel zur Berührungs- oder Stossebene verläuft, muss in diesem Falle einen Mindestabstand der Grösse h von der Stoss- oder Lötebene haben.

Durch das oben beschriebene Verfahren lassen sich sehr gute Verbindungen zwischen rostfreiem Stahl und Keramik auf einfache Weise herstellen. Das Verfahren gemäss der Erfindung ist mit besonderem Vorteil für die Herstellung von Vakuumschaltern verwendbar, es lässt sich jedoch auch für andere Anwendungen mit Vorteil einsetzen, z. B. für die Herstellung von Vakuumentladungseinrichtungen und irgend welchen anderen vakuumdichten Strukturen, die eine Me-tall-Vakuum-Verbindung enthalten. Die Erfindung ist auch nicht auf die Verwendung von Aluminiumöxidkeramik und der anderen hier im speziellen erwähnten Werkstoffe beschränkt.

Bei den Verbindungen gemäss der Erfindung handelt es sich um Stumpfstösse, d.h. die verbundenen Bauteile grenzen flächig aneinander an, ohne dass das Ende des Metallteils in das Keramikteil eingebettet ist, wie es bei Einschmel-zungen eines sich schneidenförmig verjüngenden Endes eines Metallteiles in ein Glasteil der Fall ist.

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2 Blatt Zeichnungen

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1. Verfahren zum Herstellen einer stumpfen, vakuumdichten Hartlötverbindung zwischen einem metallisierten Keramikteil und einem Teil aus nichtrostendem Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil aus dem nichtrostenden Stahl über die ganze Länge der Hartlötstelle mit einem direkt an die Verbindungsfläche angrenzenden Teil versehen wird, der eine maximale Dicke von 0,8 mm und eine Höhe von etwa 4 bis 12 mm hat, angelassen oder weichgeglüht und durch Hartlöten direkt mit dem Keramikteil verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der nichtrostende Stahl austenitischer nichtrostender Stahl ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlassen bei einer Temperatur von 1050 C im Hochvakuum und extrem ölfreier Umgebung durchgeführt wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlassdauer etwa eine Stunde pro 1 mm Dicke des Teiles aus dem nichtrostenden Stahl beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartverlötung bei einer Temperatur von etwa 800 C ausgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Dicke und der Höhe des an die Verbindungsfläche angrenzenden Teiles etwa 1:10 beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikteil aus einem Material besteht, das mindestens 95% A1203 enthält.

7. Hartlötverbindung, hergestellt nach einem der Patentansprüche. 1 bis 6.

8. Verwendung der Hartlötverbindung nach Anspruch 7 zum Verbinden von zwei Teilen eines Vakuumschalters oder einer Vakuumentladungseinrichtung.