DD146582A1

DD146582A1 - Verfahren zur herstellung einer hochtemperaturbestaendigen metall-keramik-verbindung

Info

Publication number: DD146582A1
Application number: DD21622479A
Authority: DD
Inventors: Heinz-Georg Grummt; Hartmut Kupfer
Original assignee: Grummt Heinz Georg; Hartmut Kupfer
Priority date: 1979-10-15
Filing date: 1979-10-15
Publication date: 1981-02-18

Abstract

Die Erfindung zeigt eine physikalische Loesung zum Herstellen einer stabilen Metall-Keramik-Dichtverbindung. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Art und Weise eine form- und kraftschluessige Metall-Keramik-Verbindung zu schaffen. Das Wesen der Erfindung besteht im oertlichen Aufschmelzen des Metalls sowie der Haftwirkung und der Ummantelung des Keramikkoerpers mit dem fluessigen Metall, wobei nach Abkuehlung eine Pressverbindung entsteht.

Description

Verfahren zur Herstellung einer hochtempera turves tändigen Me tall-Keramik-Verbindung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung zeigt eine physikalische Lösung einer Me tall-Keramik-Verbindung, wobei die Keramik beispielsweise ein oxidischer Festelektrolyt ist. Bei dem Aufbau von Festelektrolytzellen zur Industriegasanalyse, die .aus oxidischer Festelektrolytkeramik bestehen, ist es erforderlich, die Festelektrolytzellen mit einem träger (Sockel) aus Metall oder Keramik zu verbinden, um getrennte Gaswege für das Meß--und Vergleichsgas zu erreichen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Aus der DE-PS 855 221 ist bekannt, daß eine Verbindung hergestellt werden kann, indem ein Keramikkörper in ein glühendes und somit erweichtes Metall unter Aufbringung eines entsprechenden Anpreßdruckes eingestaucht wird. Der Nachteil dieser Lösung wird darin gesehen, daß hohe Anpreßkräfte auf beide Materialien neben einer Deformation des Metallkörpers auch zu Rissen bzw. zum Bruch bestimmter Keramiken (z. B. Zirkonoxidkeramik) führen können. Aus der DE-AS 10 01 178 ist bekannt, daß eine Metall-Keramik-Verb indung hergestellt werden kann, indem ein Metallkörper, der eine höhere Schmelz temperatur als Keramik besitzt, in erhitzte, breiig-flüssige Keramikmasse eingepreßt wird«

Nachteilig dürfte hier die Voraussetzung sein, daß das Metall.eine höhere Schmelztemperatur als Keramik besitzt. Dies trifft nämlich nur für wenige Metalle bzw. Metallegierungen zu. Nachteilig dürfte auch die Einwirkung äußerer Kräfte sein (Deformation des Metallkörpers)«

Aus der DD-Patentanmeldung WP G 04 B/215 074- ist eine Metallrohr-Keramikrohr-Verbindung bekannt, die durch Aufschrumpfen einer inneren und äußeren Metallhülse einen Kraftausgleich im Keramikrohr bewirkt. Um diese Verbindung als Dichtverbindung herzustellen, ist eine feinmechanische Bearbeitung mit sehr hoher Formgenauigkeit notwendig. Diese Feinstbearbeitung insbesondere am Keramikrohr ist fertigungstechnisch aufwendig und daher teuer.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, auf einfache Art und Weise eine form- und kraftschlüssige, hochtemperaturbeständige, eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer aufweisende Dichtverbindung zwischen Metall und Keramik herzustellen.

Darstellung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stabile hochtemperaturbeständige Dichtverbindung zwischen Keramik (z. B. Zirkonoxidkeramik). und einem Metall zu schaffen, wobei die unterschiedlichen Kräfte, die durch die Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen unterschiedlichen Materialien der !feile entstehen, beachtet werden müssen.

Die Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß darin gesehen, daß Metalle (bzw. Metallegierungen) niedrigere Schmelztemperaturen als Keramik besitzen und .einen näherungsweise

gleichen bzw. größeren lemperaturausdehnungskoeffizienten als Keramik besitzen und beide Materialien so weit erhitzt werden, bis die Schmelztemperatur des Metalles erreicht bzw. überschritten wird und die feste Keramik (z. B. Zirkonoxidkeramik) vom flüssigen Metall umschlossen wird (Formschluß). Das flüssige Metall legt sich an den Keramikkörper an (z. B. Zirkonoxidkeraniik), wobei geometrische Ibleranzen des Keramikkörpers vernachlässigt werden können. Bei gleichmäßigem langsamen Abkühlen beider Stoffe entsceht die gewünschte Verbindung. Der lemperaturausdehnungskoeffizient des Metalles sollte näherungsweise dem der Keramik entsprechen bzw. größer sein, so daß beim Abkühlen der Keramikkörper vom umgebenden, berührenden Metall formschlüssig und auch kraftschlüssig umschlossen wird. Bei der Herstellung einer solchen Verbindung mit Zirkonoxidkeramik und Metall (X 10 Cr Al 13) konnte weiterhin festgestellt werden, daß das flüssige Metall in die Poren der Zirkonoxidkeramik zusätzlich eindrang und neben der metallischen Ummantelung für einen guten Form- und Kraftschluß verantwortlich ist.

A'usführungsbeispiel

Anhand der Zeichnung wird das Verbindungsverfahren näher erläutert.

In der Fig. ist ein rohrförmiger Metallflansch mit einem eingebrachten Keramikrohr dargestellt. Gemäß Fig. ist in einem Ansatzstück 3 des Metallflansches 1 ein Keramikrohr 2 eingeschoben. Der Keramikrohraußendurchmesser 4 ist um mehrere zehntel Millimeter kleiner als der Innendurchmesser 5 des Ansatzstückes 3· Durch gleichmäßiges örtliches Aufheizen des Keramikrohres 2 und des Ansatzstückes 3 bis über die Schmelztemperatur des Materials des Ansatzstückes 3 hinaus,

entsteht durch das flüssig gewordene Metall des Ansatzstückes 3, welches sich im oberen Bereich des Ansatzstückes 3 zuerst ausbildet, ein Haften des Metalltropfens (Kapillarwirkung) im Spalt beider Stoffe (Formschluß).

Da bei der nun folgenden Abkühlung das Metall das Bestreben hat, sich stärker als die Keramik zusammenzuziehen (Verhältnis Wärmeausdehnungskoeffizienten), entsteht jetzt zu dem vorangegangenen iOrmschluß der Kraftschluß der Verbindung.

Im darliegenden Ausführungsbeispiel wurde ein Zirkonoxidkeramikrohr 2 und ein Metallflansch 1 aus der Metalllegierung X 10 Cr Al 13 verwendet. Um die Druckbeanspruchung auf das Zirkonoxidrohr nicht zu groß werden zu lassen und um somit einen Bruch der porösen Zirkonoxidkeramik auszuschließen, wurde das Ansatzstück 3 mi ^ einer geringen Wandungsstärke bemessen. Somit kommt es bei zu groß werdenden Anpreßkräften zwischen Ansatzstück 3 und Zirkonoxidrohr 2 zu einer Aufweitung des Ansatzstückes 3 (Reduzierung der Anpreßkräfte), ohne die stabile Verbindung zu mindern.

Claims

-5- 216224

Erf i nd unp; s ans pr ac b.

1. Verfahren zur Herstellung einer hoch temperaturbeständigen Metall-Keramik--Verbindung, gekennzeichnet dadurch_T daß ein Keramikkörper in die Aussparung eines Metallkörpers gebracht wird und beide Stoffe gleichmäßig örtlich oder vollständig so lange erwärmt werden, bis die Schmelztemperatur des Metalls erreicht bzw. überschritten wird, so daß das örtlich oder vollständig aufgeschmolzene Metall des Metallkörpers den Keramikkörper formschlüssig haftend umschließt und bei nachfolgend einsetzender Abkühlung die gewünschte form- und kraftschlüssige Verbindung entsteht.
2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Metallkörper beispielsweise ein Metallrohr aus dem Werkstoff X 10 Cr Al 13 in Wandungsstärke und Wärmeausdehnungsverhalten so bemessen ist, daß der Anpreßdruck des Metalls auf den Keramikkörper, beispielsweise Keramikrohr aus Zirkonoxidkeramik, nicht größer wird, als die zulässige Druckfestigkeit des jeweiligen Keramikkörpers.
3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Metall und die Keramik näherungsweise gleiche Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen oder das Metall einen größeren 'lemperaturausdehnungskoeffizienten als die Keramik besitzt.

A Seite Zeichnung