CS275994B6 - Method for ceramic bodies joining - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu spojování keramických těles, z nichž alespoň jedno je tvořeno produktem oxidační reakce základního kovu, zejména hliníku, cínu, titanu, zirkonia, hafnia nebo křemíku, a plynného okysličovadla, který uzavírá případně výplň a obsahuje nezreagovaný základní kov a/nebo propojené póry.

Keramické těleso z produktu oxidační reakce roztaveného základního kovu, např. hliníku, s okysličovadlem v plynné fázi, např. vzduchem, roste tím, že roztavený kov prostupuje svým produktem oxidační reakce a je neustále oxidován na jeho povrchu. Toto první keramické těleso obsahuje polykrystalický produkt oxidační reakce, např. oxid hlinitý, a propojený zbytkový kov, např. h-liník, a případně může být kompozitní, tedy vzniklé infiltrací produktu oxidační reakce do výplně. V takovém keramickém tělese je polykrystalický keramický materiál propojen ve třech rozměrech a propojený kov, rozložený alespoň v části keramického tělesa, je alespoň částečně přístupný nebo zpřístupněný nejméně z jedné plochy, kterou lze způsobem podle vynálezu spojit s plochou druhého keramického tělesa.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že tělesa, přivrácená k sobě plochami určenými ke spojení, se zahřívají v přítomnosti plynného okysličovadla nad teplotu tavení nezreagovaného základního kovu přítomného v produktu oxidační reakce, ale pod teplotu tavení produktu oxidační reakce a spojovaných těles, a roztavený základní kov, putující k povrchu keramického tělesa, se ve styku s plynným okysličovadlem oxiduje na produkt oxidační reakce, který se nechá vyrůst ve spojovací vrstvu.

Obě keramická tělesa se mohou přiložit spojovacími plochami do vzájemného doteku nebo se spojovací plochy keramických těles k sobě nastaví pod ostrým úhlem 5° až 10°, čímž vznikne silnější spojovací vrstva. Aby se zajistilo dostatečné množství základního kovu k vytvoření spojovací vrstvy a k vyplnění pórů, které se vyprázdní oxidační reakcí, může se podle vynálezu před zahřátím na reakční teplotu přiložit ke keramickému tělesu z produktu oxidační reakce na jinou než spojovací plochu zásobní těleso přídavného základního kovu. Účelně se na všechny plochy keramického tělesa, tvořeného produktem oxidační reakce, s výjimkou plochy určené ke spojení s druhým tělesem, a na zásobní těleso přídavného základního kovu nanese bariéra; tím se zabrání tvorbě produktu oxidační reakce na jiných plochách tělesa, než které se mají spojit. Bariérou může být síran vápenatý, křemičitan vápenatý, portlandský cement, normální fosforečnan vápenatý a jejich směsi.

Spojovaná keramická tělesa mohou být stejného nebo odlišného složení a mohou být obě z produktu oxidační reakce.

V textu je použito určitých výrazů, které mají následující význam:

- Keramika není omezena na keramické těleso v klasickém smyslu, tedy na těleso sestávající výlučně z nekovových a anorganických látek, nýbrž se týká tělesa, které je převážně keramické buď co do složení nebo co do hlavních vlastností, třebaže toto těleso obsahuje větší nebo menší množství jedné nebo několika kovových složek a propojené nebo izolované póry, jejichžobjem může být 1 % až 40 %, může však být i vyšší.

- Produkt oxidační reakce obecně znamená jeden nebo několik kovů v zoxidovaném stavu, kde kov odevzdal elektrony nebo sdílí elektrony s jiným prvkem, sloučeninou nebo jejich kombinací. Podle této definice znamená tedy produkt oxidační reakce produkt reakce jednoho nebo několika kovů s plynným okysličovadlem, která budou popsána v dalším.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s výkresy, kde obr. 1 značí schematický pohled, v částečném řezu, na první a druhé keramické těleso a bariéru a obr. 2 schematický pohled, rovněž v částečném řezu, na první a druhé keramické těleso, zásobu základního kovu a bariéru podle dalšího provedení vynálezu.

První keramické těleso se vyrábí tak, že základní kovový prekursor, například hliník, se zahřívá v přítomnosti okysličovadla v plynné fázi, například vzduchu, na teplotu nad jeho teplotou tavení, avšak pod teplotou tavení produktu oxidační reakce, čímž se vytvoří těleso z roztaveného základního kovu. Roztavený základní kov se uvede do reakce s plynným

CS 275 .994 86 okysličovadlem, čímž vzniká produkt oxidační reakce, jenž se udržuje alespoň částečně ve styku s tělesem z roztaveného základního kovu a s plynným okysličovadlem a mezi nimi. V uve- . děném teplotním rozmezí prostupuje roztavený základní kov dříve vzniklým produktem oxidační reakce směrem k okysličovadlu v plynné fázi. Jakmile roztavený základní kov přijde do styku s plynným okysličovadlem na rozhraní mezi tímto okysličovadlem a dříve vzniklým produktem oxidační reakce, je oxidován plynným okysličovadlem, takže vytváří postupně silnější vrstvu nebo těleso produktu oxidační reakce. Postup se udržuje tak dlouho, až^- vznikne keramické těleso, jež obsahuje propojené kovové složky včetně nezoxidovaného základního kovu. Tento kov je alespoň částečně otevřený nebo přístupný nebo může být zpřístupněn zlomením, obrobením a podobným postupem. Takto vyrobené keramické těleso je v dalším nazýváno první keramické těleso. Celý postup lze podporovat použitím legovací dotovací příměsi, jako je tomu v případě hliníku jako základního kovu, oxidovaného ve vzduchu. Uvedený postup lze zlepšit tím, že se místo dotovací příměsi, která leguje základní kov, použije vnější dotovací příměsi, nanesené na povrch kovového prekursoru. Rovněž lze k výrobě prvního keramického tělesa použít způsobu, při kterém se produkt oxidační reakce nechá vyrůstat ze základního kovu do propustné hmoty výplně, takže výplň je infiltrována keramickou matricí. První keramické těleso tedy může obsahovat kompozit, vzniklý infiltrací produktu oxidační reakce do výplně. Při výrobě keramických kompozitních těles, která mají předem stanovený tvar nebo geometrii, prostupuje vznikající produkt oxidační reakce do propustného předlisku ve směru k definované mezní ploše. Ve spojení s plynným okysličovadlem lze použít pevného nebo kapalného okysličovadla, přičemž předlisek musí být propustný pro plynné okysličovadlo a pro infiltrující produkt oxidační reakce. Výsledný keramický kompozit pak má tvar předlisku.

Způsobem podle vynálezu se první keramické těleso spojuje s jiným keramickým tělesem, které je buď stejného nebo odlišného druhu a je v dalším nazýváno druhé keramické těleso, vytvářením spojovací vrstvy. Tato spojovací vrstva je odvozena z prvního keramického tělesa a je důsledkem toho, že v prvním keramickém tělese zůstává nezreagovaný základní kov nebo jiné kovové složky. Za předpokladu, že každá dvojice protilehlých ploch obsahuje alespoň jednu z ploch na prvním keramickém tělese, vyrobeném oxidací roztaveného základního kovu a rostoucím při prostupování základního roztaveného kovu a jeho oxidaci na povrchu, lze způsobem podle vynálezu spojovat dvě nebo několik keramických těles v jediné operaci. Propojený kov prvního keramického tělesa tvoří zdroj kovu, který je nezbytný pro tvorbu keramické spojovací vrstvy. První keramické těleso obsahuje zbytkový kov, který je přístupný z povrchu a je důsledkem pronikání roztaveného základního kovu během růstu keramiky. V případě spojování dvou keramických těles stejného druhu, z nichž každé obsahuje propojený základní kov, mohou obě keramická tělesa přispívat k růstu spojovací vrstvy na svém společném rozhraní .

Keramická tělesa se k sobě položí tak, aby dvojice ploch, které se mají spojit spolu, ležely proti sobě, a to aby se buď přímo dotýkaly nebo aby byla mezi nimi nepatrná mezera. Tak například lze k sobě položit jedinou dvojici, sestávající z prvního keramického tělesa a druhého keramického tělesa, nebo se může první keramické těleso položit mezi dvě druhá keramická tělesa. Rovněž lze spojovat několik ploch, například desek, ovšem za předpokladu, že alespoň každá druhá plocha nebo vrstva je tvořena tělesem z produktu oxidační reakce, který obsahuje propojený kov.

Obr. 1 a 2 ukazují typická uspořádání, používaná při spojování způsobem podle vynálezu, kde první keramické těleso 2 (obr. 1) nebo těleso 2' (obr. 2) je umístěno tak, že jeho plocha je obrácena k odpovídající ploše druhého keramického tělesa £ (obr. 1) nebo tělesa £’ (obr. 2). Spojovací vrstva roste mezi protilehlými plochami a tím spojí obě keramická těle^sa ί’ A Podle obr. 1 a tělesa 2', £' podle obr. 2.

Protilehlé plochy se mohou v podstatě.dotýkat za předpokladu, že okysličovadlo v plynné fázi, nezbytné k oxidaci roztaveného kovu, může přijít do styku s povrchem prvního keramického tělesa. Protože však produkt oxidační reakce, tvořící spojovací vrstvu, je scho3

CS 275 994 B6 pen růst pronikáním roztaveného kovu tímto produktem a oxidací roztaveného kovu na rozhraní vzniklého produktu oxidační reakce a okysličovadla, stejně jako tomu bylo v případě výroby prvního keramického tělesa, mohou mít protilehlé spojovací plochy mezi sebou mezeru. Předpokladem pro to je, aby bylo k dispozici dostatečné množství roztaveného kovu a aby se reakce udržovala po tak dlouhou dobu, aby růst mohl pokračovat do tloušíky nezbytné ke spojení protilehlých ploch obou keramických těles produktem oxidační reakce. Jsou-li spojované plochy umístěny vedle sebe s mezerou, je výhodné, aby spolu svíraly nepatrný ostrý úhel, například 5 až 10°. Tím se sníží na minimum nebezpečí vzniku dutinek ve výsledné spojovací vrstvě. K tomu by mohlo dojít v důsledku nepravidelného růstu, který by mohl ztí žit přístup oxidačního činidla k roztavenému základnímu kovu, když rostoucí keramická spojovací vrstva přijde do styku se sousední keramickou plochou.

Za účelem spojení se obě keramická tělesa uložená vedle sebe a znázorněná na obr. 1 a 2 zahřívají v oxidační atmosféře na teplotu, která leží nad teplotou tavení zbytkového kovu v prvním keramickém tělese 2i avšak pod teplotou tavení produktu oxidační reakce. Ve styku s okysličovadlem dochází k oxi,daci roztaveného základního kovu, který je přístupný ze spojovací plochy, tedy z plochy prvního keramického tělesa £ nebo , která je obrácena k odpovídající ploše druhého keramického tělesa £ nebo 4/. Tím začne růst produktu oxidační reakce, který vytvoří spojovací vrstvu dostatečné tloušíky. Pevný spoj se vytvoří i pomocí poměrně 'tenkých spojovacích vrstev, takže není nezbytné a v řadě případů je i nežádou cí dovolit nadměrný růst spojovací vrstvy.

Podle vynálezu lze použít kteréhokoliv ze vhodných základních kovů, například hliníku, titanu, cínu, zirkonia, hafnia a křemíku, třebaže vynález bude popsán v dalším v souvislosti s hliníkem, oxidovaným ve vzduchu, což je nejvýhodnější případ. Produktem oxidační reckce může být oxid, nitrid nebo karbid, což závisí na volbě okysličovadla. Když se má první keramické těleso spojit s jiným prvním keramickým tělesem, mohou být obě tělesa stej něho nebo odlišného složení, a když jsou kovy v obou keramických tělesech odvozeny ze stej něho základního kovu, může se přesto propojený kov lišit co do čistoty, kvality nebo složení slitiny.

Mezi keramické produkty jiného typu, které jsou použitelné jako druhé keramické těleso, jež se může spojit s prvním keramickým tělesem, patří zhutněné keramické prášky, například oxid, borid, karbid nebo nitrid kovu, které byly slisovány, slinovány nebo jinak zpracovány různými způsoby.

Keramická tělesa určená ke spojení a postavená vedle sebe se zahřívají nad teplotu tavení zbytkového kovu, avšak pod teplotu tavení produktu oxidační reakce, který má vznikat, a příslušná teplota v tomto teplotním rozmezí se udržuje po dostatečně dlouhou dobu, aby vyrostla spojovací vrstva požadovaná tloušíky. Použitelné a výhodné teplotní rozsahy se mění v závislosti na kovu, použité dotovací příměsi nebo příměsí, době a okysličovadle. V případě hliníku jako roztaveného základního kovu a vzduchu jako okysličovadla může být reakčni teplota v rozmezí asi od Θ50 °C do '1450 °C a s výhodou v rozmezí asi 900 °C až 1350 °C. V této soustavě a zejména v případě, kdy je hliník legován jako dotovací příměsí hořčíkem a jedním nebo několika prvky ze skupiny IV-B, což je křemík, germanium, cín a olo vo, stačí doba zahřívání na zvolenou teplotu trvající jenom několik málo hodin. Například stačí zahřívání po dobu pěti hodin na teplotu asi 1100 °C k tomu, aby se vytvořila mezi dvěma keramickými tělesy pevná vrstva tloušíky 0,02 mm nebo větší.

Oxidační atmosféru, ve které se soustava zahřívá, tvoří okysličovadlo v plynné fázi, to znamená látka, která je normálně v plynném skupenství nebo byla převedena na páry. Vhodnými okysličovadly v plynné fázi jsou kyslík nebo plynné směsi obsahující kyslík včetně vzduchu, jako je tomu zejména v případě hliníku jako základního kovu, který se má oxidovat na oxid hliníku jako reakčni produkt. Vzduchu se dává zpravidla přednost ze zřejmých ekonomických důvodů. Průtočná rychlost plynného okysličovadla musí být dostatečná, aby zajišlovala spolehlivý styk mezi kovem a oxidačním činidlem mezi oběma spojovanými keramickými tělesy.

CS 275 994 B6

Roztavený základní kov, který se spotřebovává při tvorbě spojovací vrstvy, je uložen uvnitř kanálků alespoň prvního keramického tělesa, přičemž tyto kovové kanálky mají otevřený přístup k povrchu keramického tělesa. Když se vyrábí první keramické těleso, zůstane v jeho struktuře propojený kov, zastaví-li se růst produktu oxidační reakce dřív nebo přesně v okamžiku, kdy se spotřebuje lázeň roztaveného kovu, jenž vytváří základní kov pro reak ci. Když růst pokračuje za tento okamžik, je propojený kov v keramickém tělese vytahován k povrchu tělesa a tvoří ve styku s okysličovadlem další polykrystalický produkt oxidační reakce, což má za následek, že prázdné kanálky, .jež byly předtím vyplněny kovem, vytvoří póry. První keramické těleso při postupu podle vynálezu je tedy tělesem, které bylo vyrobeno bez úplného spotřebování svého kovu, což se provádí- vhodnou kontrolou procesní doby a teploty.

Protože první keramické těleso obsahuje kanálky vyplněné propojeným kovem, lze předpokládat, že k oxidaci roztaveného kovu a k růstu produktu oxidační reakce dojde nejen na spojovací ploše, nýbrž na všech volných plochách tělesa, vystavených působení okysličovadla, i na volných plochách případného přídavného základního kovu, jehož bylo použito ke zvět šení množství propojeného kovu v prvním keramickém tělese. Toto bude ještě vysvětleno v sou vislosti s obr. 2. Růst produktu oxidační reakce může být omezen na plochu nebo plachy, kte ré se mají spojit, nanesením bariéry na ostatní plochy. Vhodná bariéra brání růstu nebo vzniku produktu oxidační reakce v definovaných hranicích nebo zónách. Vhodnou bariérou může být sloučenina, prvek, směs a pod., která v procesních podmínkách podle vynálezu si udržuje jistou soudržnost, je netěkavá a může být propustná nebo nepropustná pro okysličovadlo v plynné fázi. Taková bariéra je schopná místně inhibovat, zastavovat, bránit nebo znemožňovat růst produktu oxidační reakce. Vhodnou bariérou ve spojení s hliníkem jako základním kovem a vzduchem jako plynným okysličovadlem je síran vápenatý neboli pálená sádra, křemičitan vápenatý, portlandský cement, normální fosforečnan vápenatý a jejich směsi, které se typicky nanášejí jako kaše nebo pasta na povrch keramického tělesa a základního kovu. Takové bariéry se velice dobře hodí k tomu, aby omezily růst oxidu hlinitého jako produktu oxidační reakce roztaveného hliníku se vzduchem a umožnily tedy jeho růst pouze do spojovacího pásma.

Obr. 1 znázorňuje v částečném řezu pro lepší jasnost bariéru 6, která je nanesena na všechny volné plochy prvního keramického tělesa 2, vystavené působení plynného okysličovadla. Následkem toho je oxidace zbytkového kovu a růst produktu oxidační reakce z prvního keramického tělesa 2 omezen na spojovací plochu prvního keramického tělesa 2, tedy na plochu, která je protilehlá k odpovídající ploše druhého keramického tělesa.

Při provádění způsobu podle vynálezu, kdy je roztavený kov, nezbytný k vytvoření spojovací vrstvy, dodáván prvním keramickým tělesem, může být toto těleso vyrobeno v takových podmínkách, že je prakticky prosté propojeného kovu a je tedy pórovité nebo alespoň částečně pórovité. Základní kov může být doplněn do prvního keramického tělesa tak, že se volná plocha tělesa uvede do styku se základním kovem, který může být stejný nebo odlišný od kovu, použitého pro výrobu prvního keramického tělesa. Tuto techniku zobrazuje obr. 2, kde těleso základního kovu () je umístěno vedle volné plochy prvního keramického tělesa 2 , tedy vedle jiné plochy, než je spojovací plocha ležící proti spojovací ploše druhého keramického tělesa 4/. Všechny plochy prvního keramického tělesa.2' s výjimkou jeho spojovací plochy a té části jeho povrchu, která se dotýká tělesa ze základního kovu .8, jsou pokryty bariérou 6/, která je rovněž nanesena na všechny volné plochy tělesa základního kovu j). Spojování se provádí popsaným způsobem a roztavený základní kov, reagující s okysličovadlem na produkt oxidační reakce, je vtahován do tohoto produktu, prostupuje jím a na jeho povrchu vytváří vrstvu produktu oxidační reakce, která tvoří spojovací vrstvu. I když první keramické těleso obsahuje propojený kov, může mu být dodáván přídavný základní kov, aby v tělese nevznikly póry, když je z něj kov vtahován na povrch a tvoří spojovací vrstvu.

CS 275 994 86

Příklad

Jako doklad užitečnosti a výhodnosti způsobu podle vynálezu byly dvě keramické destičky o síle 4,8 mm spojeny svými stranami na plochách o rozměru 4,8 mm x 7,9 mm. Obě destičky byly ze stejného kusu aluminové keramiky, který byl vyroben oxidační reakcí roztaveného hliníku jako základního kovu, přičemž bylo použito hliníkové slitiny se jmenovitým obsahem 2,4 °-í hořčíku, která byla z vnějšku dotována tenkou vrstvou oxidu křemičitého a vystavena působení okysličovadla po dobu 120 hod při teplotě 1750 °C. Vzniklá aluminová keramická tělesa obsahovala v dispergovaných kanálkách, které sahaly až k povrchu, propojený hliník.

Keramické destičky byly postaveny konci k sobě na hranu do kelímku z oxidu hlinitého s vysokou čistotou, kde se zahřívaly při teplotě 1175 °C po dobu 5 hod v proudícím vzduchu. Po ochlazení bylo zjištěno, že celková hmotnost se zvětšila o 2,4 %. Destičky byly spolu na koncích pevně spojeny vrstvou o tloušíce 0,018 mm nově vyrostlé aluminové keramiky. Kromě toho vyrostla vrstva o tlouštce 0,05 mm z aluminové keramiky rovněž na ostatních volných plochách včetně těch ploch, které se dotýkaly kelímku, takže i kelímek byl pevně spojen s keramickými destičkami. Nově vyrostlá hmota měla jemnější mikrostrukturu než hmota původních keramických destiček, přičemž v ní bylo patrné příslušné množství jemně rozptýleného hliníku. Zkoušelo se uvolnit spojené destičky od kelímku tím, že se kelímek otloukal kladivem. Všechny spoje však zůstaly intaktní, což dokazuje, že jak mezi destičkami, tak mezi destičkami a kelímkem z velmi čistého oxidu hlinitého vznikl velice pevný spoj.

Claims (6)

1. Způsob spojování keramických těles, z nichž alespoň jedno je tvořeno produktem oxidační reakce základního kovu, zejména hliníku, cínu, titanu, zirkonia, hafnia nebo křemíku a plynného okysličovadla, který uzavírá případně výplň a obsahuje nezreagovaný základní kov a/nebo propojené póry, vyznačující se tím, že tělesa, přivrácená k sobě plochami určenými ke spojení, se zahřívají v přítomnosti plynného okysličovadla nad teplotu tavení nezreagovaného základního kovu přítomného v produktu oxidační reakce, ale pod teplotu tavení produktu oxidační reakce a spojovaných těles, a roztavený základní kov, putující k povrchu keramického tělesa, se ve styku s plynným okysličovadlem oxiduje na produkt oxidační reakce, který se nechá vyrůst ve spojovací vrstvu.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramická tělesa se přiloží spojovacími plochami do vzájemného doteku.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že spojovací plochy keramických těles se k sobě nastaví pod ostrým úhlem 5° až 10°.

Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že před keramickému tělesu z produktu oxidační reakce přil zásobní těleso přídavného základního kovu, kterým reakcí.

zahřátím na reakční teplotu se ke oží na jinou než spojovací plochu se vyplní póry vyprázdněné oxidační

Způsob podle nároků 1 až 4, vyznačující sa, tvořeného produktem oxidační reakce tělesem, a na zásobní těleso přídavného se tím, že s výjimkou základního na všechny plochy keramického těleplochy určené ke spojení s druhým kovu se nanese bariéra.

6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že bariéra se zvolí ze skupiny zahrnující síran vápenatý, křemičitan vápenatý, portlandský cement, normální fosforečnan vápenatý a jejich směsi.

CS 275 994 86

7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že spojovaná keramická tělesa mají stejné složení.

8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že obě spojovaná keramická tělesa jsou tvořena produktem oxidační reakce základního kovu a plynného okysličovadla, mají však odlišné složení.