DE1218924B

DE1218924B - Festhaftende Metallschichten auf Keramikoberflaechen

Info

Publication number: DE1218924B
Application number: DEF42850A
Authority: DE
Inventors: Dr Walter Dawihl; Dr Rer Nat Erhard Do Dipl-Phys
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Feldmuehle AG
Priority date: 1964-05-12
Filing date: 1964-05-12
Publication date: 1966-06-08
Also published as: NL6502162A

Description

Festhaftende Metallschichten auf Keramikoberflächen Die Erfindung betrifft festhaftende Metallschichten aus Wolfram oder Wolfram-Mangan-Gemischen auf Keramikoberflächen aus sehr reinem Aluminiumoxid.
Formkörper aus sehr reinem Aluminiumoxid, deren A1203 Gehalt über 97% beträgt, vorzugsweise sogar über 99 0/0, haben sich ihrer sehr guten mechanischen und thermischen Beständigkeit wegen für Anwendungszwecke bewährt, bei denen vor allem hohe Arbeitstemperaturen gefordert werden, wie beispielsweise als Gehäuse für Metalldampfentladungslampen. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß hochreines Aluminiumoxid chemisch äußerst widerstandsfähig ist und beispielsweise von Natrium- oder Caesiumdampf selbst bei Temperaturen über 1000° C nicht angegriffen wird.
Eine obere Grenze für die möglichen Arbeitstemperaturen bei Formkörpern aus diesem Material ist aber dadurch gesetzt, daß für viele Anwendungszwecke die Verbindung mit Metallen, beispielsweise zur Durchführung von Metallzuleitungen, erforderlich ist und diese Metall-Keramik-Verbindungen auch bei extremen Bedingungen vakuumdicht sein müssen.
Um solche Verbindungen mit den üblichen Hartloten ausführen zu können, wird nach vorbekannten Verfahren die Keramikoberfläche zunächst mit einem Metallüberzug versehen, der üblicherweise aus einem Gemisch von Molybdän- und Manganpulver oder Wolfram- und Manganpulver oder Chrom- und Manganpulver besteht, das auf die Keramikteile aufgesintert wird.
Wenn der keramische Formkörper aus sehr reinem Aluminiumoxid besteht, d. h., wenn er beispielsweise mehr als 97% Aluminiumoxid enthält, bereitet die Metallisierung, also das Einbrennen der genannten Metalle in den Aluminiumoxid-Formkörper erhebliche Schwierigkeiten. Die Ursache für die ungenügende Haftfestigkeit der einzubrennenden Metallschicht auf einem derartigen reinen Aluminiumoxid-Körper kann darin gesehen werden, daß bei der Starrheit des Aluminiumoxid-Kristallgitters keine genügende Reaktionsfähigkeit vorhanden ist. Dies trifft auch zu, wenn man die Einbrenntemperaturen bis zu 1600 bis 1700° C steigert. Bei weniger reinen Aluminiumoxid-Formkörpern ist die notwendige Reaktionsfähigkeit durch die vorhandenen Fremdstoffe gegeben.
Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten bei der Metallisierung von Keramikoberflächen aus hochreinem Aluminiumoxid hat man deshalb schon vorgeschlagen, der Keramikmasse vor der Sinterung Metalloxide in geringen Mengen zuzugeben. Diese gesteuerte Zugabe von Fremdoxiden beeinträchtigt aber zwangläufig die guten Eigenschaften der Keramik, so daß die durch die Verwendung hochreiner Ausgangsmaterialien erzielte Qualitätssteigerung zumindest zum Teil wieder aufgehoben wird.
Nach einem anderen Vorschlag werden daher nur dem Metallisierungspulver Zusatzstoffe zugegeben, die eine bessere Verbindung der einzubrennenden Metalle mit der Keramik ergeben, wie beispielsweise die komplexen Fluoride des Berylliums oder Siliziums oder Kieselsäure selbst.
Der Gehalt an diesen Zusätzen, insbesondere an Kieselsäure oder deren Verbindungen in der Metallisierungsschicht setzt aber die Beständigkeit gegen Alkalidämpfe, insbesondere gegen Caesiumdampf, sehr stark herab.
Es wurde nun gefunden, daß sich dieser Nachteil vermeiden und die Arbeitstemperaturen sich weiter beträchtlich steigern lassen, wenn die festhaftende Metallschicht aus Wolfram oder Wolfram-Mangan-Gemischen auf Keramikoberflächen aus sehr reinem Aluminiumoxid erfindungsgemäß Oxide der seltenen Erdmetalle enthält.
Es hat sich überraschend ergeben, daß durch den Gehalt an Oxiden der seltenen Erdmetalle, insbesondere des Yttriums und der Lanthanerden die Metall-Keramik-Verbindungen auch bei Anwesenheit von Alkalidämpfen wesentlich höheren Temperaturen standhalten und Arbeitstemperaturen von 1200 bis 1500° C ausgesetzt werden können.
Als Metallschicht wird Wolfram oder ein Gemisch aus Wolfram und Mangan verwendet. Als Lotmetalle zur Verbindung der hochreinen Keramik mit dem Metallteil, der bei diesen Arbeitsbedingungen vorzugsweise aus Niob, Tantal oder Legierungen dieser hochwarmfesten Metalle mit Zirkon besteht, eignen sich bevorzugt Legierungen zwischen den Metallen der 1., 2. und B. Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente, wobei vorzugsweise ein Legierungsbestandteil der Platingruppe angehört, wie Kupfer-, Palladium-, Kobalt-Palladium- oder Kobalt-Platin-Legierungen.
Für bestimmte Anwendungsfälle kann es zweckmäßig sein, wenn sich zwischen der Keramikoberfläche und der Metallschicht im Sinne der Erfindung noch eine reaktionsfähige dünne Zwischenschicht aus Oxiden von Metallen der 3. bis 5. Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente befindet, wie Titan- oder Zirkonoxid.
Das Aufbringen der festhaftenden Metallschichten erfolgt zweckmäßig so, daß ein feinpulvriges Gemisch aus Wolfram oder Wolfram-Mangan-Gemischen und den Oxiden der seltenen Erdmetalle in reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur von 1400 bis 1800° C in die Keramikoberfläche eingebrannt wird. So wird beispielsweise ein sehr feinteiliges Pulver, das aus Wolfram besteht, dem 1 bis 5'% Yttriumoxid (Y203) beigemischt sind, in einem niederen Alkohol suspendiert und im Wasserstoffstrom bei 1400 bis 1800° C eingebrannt.
Eine bevorzugte Variante zum Auftragen der Metallisierungsschicht, die sich vor allem bei extrem hohem Reinheitsgrad des Keramikteils aus A1203 bewährt hat, besteht darin, zunächst in oxidierender Atmosphäre oder im Vakuum bei Temperaturen von 1400 bis 1600° C eine dünne Schicht der seltenen Erdmetalle einzubrennen und anschließend in reduzierender Atmosphäre feinpulvriges Wolfram oder Wolfram-Mangan-Gemische bei Temperaturen von 1400 bis 1800° C einzubrennen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gemisch aus Verbindungen von Wolfram oder Wolfram und Mangan und den Oxiden der seltenen Erdmetalle in oxidierender Atmosphäre bei Temperaturen über 1000° C in die Keramikoberfläche eingebrannt und anschließend bei Temperaturen zwischen 1400 und 1800° C reduzierend geglüht.
Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, daß das Wolfram oder Wolfram-Mangan-Gemisch in äußerst feiner Verteilung entsteht und sehr reaktionsfreudig ist. So kann man beispielsweise ein Gemisch von Wolframsäure und sehr feinteiligem Yttriumoxid, wie es z. B. durch Zersetzung des Oxalats bei niedrigen Temperaturen erhalten worden ist, im Luftsauerstoff bei 1000 bis 1200° C einbrennen und anschließend bei 1400 bis 1800° C im Wasserstrom reduzierend glühen.

Claims

Patentansprüche: 1. Festhaftende Metallschichten aus Wolfram oder Wolfram-Mangan-Gemischen auf Keramikoberflächen aus sehr reinem Aluminiumoxid, d a -durch gekennzeichnet, daß die Metallschichten Oxide der seltenen Erdmetalle enthalten.
2. Festhaftende Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht Oxide des Scandiums oder Yttriums enthält.
3. Festhaftende Metallschichten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich als reaktionsfähige Zwischenschicht zwischen dem sehr reinen Aluminiumoxid und der Metallschicht noch eine Schicht aus Oxiden der Metalle der 3. bis 5. Nebengruppe des Periodischen Systems der Elemente befindet.
4. Verfahren zum Aufbringen festhaftender Metallschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein feinpulvriges Gemisch aus Wolfram oder Wolfram und Mangan und den Oxiden der seltenen Erdmetalle in reduzierender Atmosphäre bei einer Temperatur von 1400 bis 1800° C in die Keramikfläche eingebrannt wird.
5. Verfahren zum Aufbringen festhaftender Metallschichten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Verbindungen von Wolfram oder Wolfram und Mangan und den Oxiden der seltenen Erdmetalle bei Temperaturen über 1000° C in oxidierender Atmosphäre oder im Vakuum in die Keramikoberfläche eingebrannt und anschließend bei Temperaturen zwischen 1400 bis 1800° C reduzierend geglüht wird.
6. Verfahren zum Aufbringen festhaftender Metallschichten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst bei einer Temperatur von 1400 bis 1600° C in oxidierender Atmosphäre oder im Vakuum eine dünne Schicht der seltenen Erdmetalle und anschließend bei einer Temperatur von 1400 bis 1800° C in reduzierender Atmosphäre feinpulvriges Wolfram oder Wolfram-Mangan-Gemisch eingebrannt wird.