DE102009060938A1

DE102009060938A1 - Verfahren zur Herstellung von Keramik-Keramik- Verbindungen und Keramik-Metall-Verbindungen

Info

Publication number: DE102009060938A1
Application number: DE102009060938A
Authority: DE
Inventors: Teja Prof. Dr. 01139 Reetz; Roland Dr. 12623 Reetz
Original assignee: Htm Reetz 12555 GmbH; HTM REETZ GmbH
Current assignee: Htm Reetz 12555 GmbH; HTM REETZ GmbH
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-06-30

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung gasdichter Keramik-Keramik-Verbindungen und Keramik-Metall-Verbindungen, mindestens aufweisend den Verfahrensschritt des Lötens mit einem metallischen Lot, wird erfindungsgemäß die während des Lötens entstehende metallische Lotzone zunächst in einem chemisch-thermischen Prozess in einer Sauerstoff oder Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre in ein die Verbindung übernehmendes Oxid oder Nitrid umgewandelt, das in einem anschließenden Hochtemperaturschritt eine keramische Struktur bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Keramik-Keramik- und Keramik-Metall-Verbindungen, mindestens aufweisend den Verfahrensschritt des Lötens.
Verbindungen zwischen zwei oder mehreren Keramikteilen oder einer Keramik und einem Metall sind wichtige Strukturelemente in technischen Baugruppen. Die Herstellung geometrisch komplizierter Keramikteile oder die vakuumdichte Durchführung einer Medienversorgung in eine keramische Kammer ist oft nur durch eine Verbindungstechnik realisierbar.
Es gibt vielerlei Techniken, um keramische Teile miteinander zu verbinden. Am verbreitetsten ist das Angarnieren vor dem Brennprozess wie dies z. B. beim Ansetzen von Henkeln in der Tassenfertigung gemacht wird. Nach dem Brennprozess ist die Verbindung von Keramikteilen schwieriger. Vielfach genutzt für Verbindungen zwischen zwei oder mehreren Keramikteilen oder einer Keramik und einem Metall sind Löttechnologien, vorrangig das Mn-Mo-Verfahren oder die Aktivmetalllöttechnik.
Wiederholt wurden metallische Lote zum Verbinden keramischer Teile miteinander beschrieben. Für die Herstellung komplexer keramischer Teile über das Verlöten von Einzelteilen ist eine Reihe von Vorschlägen bekannt geworden. So werden nach DE 19734211 A1 die zu verbindenden Keramikteile metallisiert und dann verlötet. Ein anderer Vorschlag ( CN 1513812 A ) nutzt im Sinne der Aktivmetalllöttechnik Zusätze von Titan zu herkömmlichen Silber-Kupferloten, um Keramikteile miteinander zu verbinden.
Neben Metallloten sind auch oxidische Lote vorgeschlagen worden ( UA 77534 C2 oder UA 71623 C2 ).
Für nichtmetallische Verbindungen zwischen Keramiken sind Kitte oder Kleber meist unter Verwendung von Wasserglas oder Phosphat in Gebrauch. Auch niedrigschmelzende Gläser werden als Lote eingesetzt.
Die Einsatzgrenzen aller dieser Verbindungen liegen bei Temperaturen unter den möglichen Einsatzgrenzen der zu verbindenden Keramiken. Die Porosität bei Klebern und Kitten ist meist größer, so dass keine Vakuumdichtheit gegeben ist. Ebenso ist die Korrosionsbeständigkeit in den meisten Medien schlechter als die Beständigkeit der zu verbindenden Komponenten. Ein generelles Manko ist bei Verwendung von Lot-, Kitt- oder Klebermaterialien, dass ihre thermische Ausdehnung nie mit der Ausdehnung der zu verbindenden Komponenten übereinstimmt, so dass mechanische Spannungen in den verbundenen Teilen auftreten.
Aufgabe der Verbindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Herstellung von Keramik-Keramik- und Keramik-Metall-Verbindungen anzugeben, das die beschriebenen Nachteile überwindet.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird zunächst eine Verbindung zwischen gesinterten Keramiken oder Metallen und Keramiken durch einen Lötprozess hergestellt, bei dem ein Lotmetall verwendet wird, das nach Verbindungsbildung in einem chemisch-thermischen Prozess in eine Keramik umgewandelt wird. Dabei wird in diesem chemisch-thermischen Prozess die metallische Lotzone in eine Verbindung überführt und in einer Hochtemperaturbehandlung zu einer Keramik umgebildet. Vorteilhafterweise wird ein Lot aus einem Metall verwendet, welches gleichzeitig auch der kationische Bestandteil der zu verbindenden Keramiken ist.
Eine typische erfindungsgemäße Werkstoffpaarung ist die Verbindung von Aluminiumoxidkomponenten mit metallischem Aluminiumlot und die anschließende Oxidation des Metalls zu Aluminiumoxid. Im Ergebnis liegt ein gefügter Keramikverbund vor, der nur aus Aluminiumoxid besteht. Durch eine Temperaturbehandlung in der Höhe der Sintertemperatur der Keramik gleichen sich die Materialstrukturen in der Verbindungszone und in den Keramikkomponenten weitgehend an. Die thermischen Eigenschaften, das Ausdehnungsverhalten, das Korrosionsverhalten und die meisten sonstigen Eigenschaften zwischen den ursprünglichen Keramikteilen und der Verbundzone sind nahezu identisch.
Andere Beispiele solcher Werkstoffpaarungen sind:

• Aluminiumnitridkeramik gelötet mit Aluminiummetall und dessen Umwandlung in Aluminiumnitrid
• Yttriumoxidteile gelötet mit Yttriummetall und dessen Umwandlung in Yttriumoxid
• Kubisch mit Yttrium stabilisierte Zirkonoxidkeramik gelötet mit einer Yttrium-Zirkoniumlegierung und dessen Umwandlung in kubische mit Yttrium stabilisierte Zirkonoxidkeramik.
• Magnesiumoxidteile gelötet mit Magnesiummetall und dessen Umwandlung in Magnesiumoxid.

Natürlich können auch Verbindungen zwischen ungleichen Werkstoffen hergestellt werden wie

• Teile aus Aluminiumnitrid und Molybdän gelötet mit Aluminiumlot und umgewandelt in Aluminiumnitrid
• Teile aus Aluminiumoxid und Yttriumoxid gelötet mit Aluminiummetall oder Yttriummetall und umgewandelt in die entsprechenden Oxide.

Bei Verbindungen aus ungleichen Werkstoffpaarungen sind jedoch in erster Linie die Fragen Ausdehnungsmisfit, Verträglichkeit bei hohen Temperaturen und Versprödung der Verbindungszone zu beachten.
Als Lotmetall für oxidische Systeme bieten sich generell alle Metalle mit einer hohen Sauerstoffaffinität an wie Metalle der 2. Hauptgruppe sowie der 3. und 4. Nebengruppe einschließlich der Seltenen Erden und einiger Aktiniden wie Thorium und Uran sowie Al und Si. Der Schmelzpunkt des Lotmetalls sollte immer unter dem Schmelzpunkt der zu verbindenden Komponenten liegen.
Die Umwandlung der metallischen Lotzone in eine keramische Verbindung erfolgt in einem chemisch-thermischen Prozeß unter Einbeziehung der Gasatmosphäre. Wird die metallische Lotzone in ein Oxid umgebildet, muss in sauerstoffhaltiger Atmosphäre geglüht werden. Bei Umwandlung in ein Nitrid ist dementsprechend eine stickstoffhaltige, sauerstofffreie Atmosphäre erforderlich. Die Temperaturen für die Umwandlung der metallischen Lotzone in eine keramische Verbindung liegen in der Höhe der Sintertemperatur der zu verbindenden Keramik. Zwar kann die Oxidation oder Nitridierung schon bei niedrigeren Temperaturen ablaufen, aber erst die Ausbildung der keramischen Struktur bei hohen Temperaturen liefert eine Verbindung mit den Eigenschaften der Keramik.
1. Ausführungsbeispiel
Vakuumdichtes Einsetzen keramischer Rohre kleineren Durchmessers radial in die Wand von Rohren größeren Durchmessers
Zum vakuumdichten Einsetzen keramischer Rohre kleinen Durchmessers (z. B. 6 mm) radial in die Wand von Rohren größeren Durchmessers (z. B. 40 mm) wird das Rohr größeren Durchmessers aufgebohrt. Das dünne Rohr wird an dem zu verbindenden Ende mit Aluminiumfolie umwickelt und in die Bohrung eingeführt. Unter Vakuum wird diese Rohranordnung auf 800°C erwärmt, 20 min bei dieser Temperatur gehalten und wieder abgekühlt. Bei diesem Vorgang schmilzt das Aluminium auf und verlötet beide Rohre miteinander. Anschließend wird die Verbindung bei 1650°C an Luft geglüht. Dabei wandelt sich das Aluminiummetall vollständig in Aluminiumoxidkeramik um und verbindet beide Rohre vakuumdicht miteinander. Diese Verbindung kann – ohne Schaden zu nehmen – bis auf 1750°C an Luft, Wasserstoff, Kohlenoxiden und weiteren Gasen erwärmt werden.
2. Ausführungsbeispiel
Fertigung komplizierter Kristallzüchtungstiegel
Kristallzüchtungstiegel haben in ihrer Spitze besondere Geometrien zur Auswahl nur eines dann weiterwachsenden Kristalles. Diese Tiegelspitzen können oft einzeln gut gefertigt werden, aber nicht als Einheit mit dem Tiegelschaft. Im speziellen Ausführungsbeispiel wird aus einem außen auf 20 mm geschliffenen 25 mm hohen Aluminiumoxid-Vollstab eine fingerhutartige Kegelspitze mit 60° Öffnungswinkel herausgearbeitet. Dieser bearbeitete Keramikzylinder wird auf der Zylinderfläche mit einer Suspension von Aluminiumpulver in Amylacetat/Kollophonium bestrichen und in ein Keramikrohr mit gut 20 mm Innendurchmesser eingesetzt. Die weitere Wärmebehandlung erfolgt wie im 1. Ausführungsbeispiel. Im Ergebnis wird eine vakuumdichte und gegen Schmelzen ebenso stabile Verbindung wie Spitze und Rohr erhalten.
3. Ausführungsbeispiel
Hochstromdurchführung in Aluminiumnitrid
Eine Aluminiumnitridplatte wird mit einem Loch von reichlich 3 mm Durchmesser versehen. Der Innenrand des Loches wird mit einer Titanhydridsuspension bestrichen. Ein Molybdänstift von 3 mm Durchmesser mit einer Aluminiumdrahtkrause wird bis zur Krause durch die Bohrung geführt. Diese Anordnung wird in Argon auf 800°C und danach weiter in Stickstoff auf 1700°C erwärmt. Bei diesem Erwärmungsvorgang zersetzt sich zunächst das Titanhydrid und macht das Aluminiumnitrid benetzbar für das bei 660°C aufschmelzende Aluminium. In Stickstoff wird dann das Aluminium als auch die geringen Titanmengen in Nitride überführt und bilden eine kraftschlüssige, vakuumdichte Verbindung zum Molybdänstift. Diese Verbindung kann unter Sauerstoffausschluss bis zu Temperaturen von 1800°C als Stromdurchführung genutzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19734211 A1 [0004]
CN 1513812 A [0004]
UA 77534 C2 [0005]
UA 71623 C2 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung gasdichter Keramik-Keramik-Verbindungen und Keramik-Metall-Verbindungen, mindestens aufweisend den Verfahrensschritt des Lötens, wobei ein metallisches Lot verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die während des Lötens entstehende metallische Lotzone zunächst in einem chemisch-thermischen Prozess in einer Sauerstoff oder Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre in ein die Verbindung übernehmendes Oxid oder Nitrid umgewandelt wird, das in einem anschließenden Hochtemperaturschritt eine keramische Struktur bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Lot ein Metall der Keramik-Keramik- oder der Keramik-Metall-Verbindung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Lot Aluminium verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Lot Zirkonium verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem metallischen Lot geringe Mengen Titan als Legierungsbestandteil oder als Titanhydrid zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Keramik zugesetzt werden, wobei das Titan ebenfalls in dem chemisch-thermischen Prozess in Oxid oder Nitrid umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der chemisch-thermische Prozess zur Umwandlung der metallischen Lotzone in eine Metalloxid oder ein Metallnitrid bei einer Temperatur in Höhe der Sintertemperatur dieses Oxides oder Nitrides durchgeführt wird.