DE1233316B

DE1233316B - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen keramischen und metallischen Bauteilen

Info

Publication number: DE1233316B
Application number: DES67982A
Authority: DE
Inventors: Pierre Jean Victor Negre
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1959-04-10
Filing date: 1960-04-08
Publication date: 1967-01-26
Also published as: US3284879A; GB901821A; FR1233572A

Description

Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes zwischen keramischen und metallischen Bauteilen Die Erfindung betrifift ein Verfahren zuir Herstellung eines beständigen elektrischen Kontaktes zwischen einem mit Stromdurchgang auf hohe Temperaturen aufheizbaren feuerfesten Material und elektrischen Anschlußteilen. Dieser Aufgabe kommt besondere Bedeutung zu bei der elektrischen Heizung mit Hilfe von Stäben aus feuerfestem Material, welche mit Stromdurchgang auf Rotglut gebracht werden. Bekannte elektrische Anschlüsse bestehen dabei aus einem auf jedes Ende aufgewickelten Metalldraht. Diese Anordnung arbeitet zufriedenstellend, wenn die Stabenden aus der Ofenwandung herausragen und durch Luftumwälzung gekühlt werden können.
Für andere Anwendungsgebiete, beispielsweise bei der Zündung von Triebwerken für Luftfahrzeuge, ist diese Anordnung nicht brauchbar, da infolge des gedrängten Aufbaues ein Platz für eine wirksame Luftkühlung nicht vorhanden und auch die notwendiae Abdichtuna, der Brennkammer um die Heizstäbe nicht möglich ist.
Darüber hinaus ergeben sich bei dieser beispielsweise genannten Anwendung weitere Schwierigkeiten auf Grund der vorhandenen Wärmebeanspruchungen, die zu mechanischen Verformungen führen können, sowie auf Grund von chemischen Veränderungen durch Bildung von isolierenden Oxyden auf den Kontaktflächen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dein zwischen einem feuerfesten Bauteil und metallischen, elektrischen Anschlußteilen eine mechanisch feste Verbindung mit gleichzeitig gutem und beständigem elektrischem Kontakt hergestellt werden kann.
Um keramisches Geschirr mit Gold- oder Silberdekoration zu versehen, ist es bekannt, Gold- oder Silberpulver mit einer dickflüssigen Masse aus Dammarharz und Terpentinöl auf die Keramik aufzubringen und anschließend in einem Ofen einzubrennen. An Stelle dieser Edelmetalle kann auch. Aluminiumpulver verwendet werden, beispielsweise wenn es sich um die Herstelluna von einorebrannten silberglänzenden Reflektoren handelt. Dabei wird das Aluminiumpulver in Form einer Aufschwernmung oder einer Paste auf -den Gegenstand aufgebracht, anschließend mit Glasemail überzogen und der Gegenstand gebrannt. Bei diesen bekannten Verfahren handelt es sich stets uni die Herbeiführung einer dekorativen Wirkun- mit Hilfe von in einen Emailüberzug eingebettetem oder von einer Glasur überzogenem Metallstaub. Eine mechanisch feste und gleichzeitig elektrisch leitende Verbindung zwischen Metall und Keramik ist damit jedoch nicht möglich.
Es ist ferner ein Verfahren zur Verbindung metallischer Körper mit Körpern aus nichtleitendem Stoff, z. B. keramischen Körpern, bekannt, wobei in eine, Ausnehmuncr eines Keramikkörpers ein nietallischer Bauteil eingeführt und danach durch elektrischen Strom so weit geschmolzen wird, bis das zwischen beiden Teilen bestehende Spiel durch den geschmolzenen Körper beseitigt ist. Mit diesen Verfahren soll das bisher übliche Einkitten des metallischen Bauteils in einen Isolator, beispielsweise bei der Herstellung von Zündkerzen, vermieden werden. Abgesehen davon, daß diese Maßnahmen einen hohen Verarbeitungsaufwand bedingen, bestehi darüber hinaus die Gefahr, daß durch den notwendigen Preßdruck beim Stauchen des auf einen teigigen Zustand erhitzten Metallteils der Keramikkörper platzt. Nach einem anderen bekannten Vorschlag kann man keramisches Material mit einem metallischen überzug versehen, indem man Metallpulver in einen flüssigen Kunststoff einbringt und die Mischung auf das keramische Material aufstreicht und anschließend den Kunststoff aushärtet. Die Anwendung dieses Verbindungsverfahrens ist jedoch auf solche Zwecke begrenzt, wo relativ niedrige Temperaturen zu erwarten sind und der zur Bindung verwendete Kunststoff nicht durch zu große Wärmebeane spruchung altert und brüchig wird.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren zum Hera stellen einer vakuumdichten Verbindung zwischen Keramik und Leichtmetallen wird als Bindungsmittel eine flüssige Metallkomponente eingebracht. Vor dem Vergießen des flüssigen Bindungsmetalls muß der Keramikkörper mit mehreren speziell ausgewählten Lotschichten versehen werden, die aufgedampft und/ oder aufgeschm.olzen werden. Auch dieses Verfahren bedingt einen sehr großen Aufwand, welcher erfindungsgemäß umgangen werden soll.
Es ist ferner bekannt, die Leitfähigkeit der Anschlußstellen von Heizkörpern aus Siliziumkarbid dadurch zu erhöhen, daß ein flüssiges Metall oder eine andere elektrisch leitende Substanz, vorzugsweise Silizium, in unmittelbarer Berührung mit dem Heizkörper so weit über die Schmelztemperatur hinaus erhitzt wird, daß eine schnelle und gleichmäßige Imprägnierung des betreffenden Heizkörperteils erfolgt. Dieses Verfahren betrifft die Herstellung des Heizkörpers, nicht aber den Anschluß von Stromzuführungen.
Weiterhin ist ein rohrförmiger Heizstab beschrieben worden, dessen Glühteil einen höheren Widerstand besitzt als die Anschlußenden, welche mit als Vollkörper ausgebildeten Einsatzstücken versehen sind, die aus einem Werkstoff mit niedrigem spezifischem Widerstand bestehen und in das Rohr eingekittet und durch eine anschließende Glühbehandlung mit dem Rohr zusammengesintert sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich aber nicht auf die Gestaltung eines Heizstabes selbst, sondern auf seinen Anschluß an Stromzuführungen.
Es wurde schließlich eine Kontaktvorrichtung für stabförmige Elektroden vorgeschlagen, die eine an dem Elektrodenkopf befestigte, der Form desselben angepaßte Kontaktplatte aus hochhitzebeständigem Material aufweist, deren äußerer Umfang nicht größer ist als der der Elektrode. Die Elektrode ist stabförmig und mit einer zentralen Bohrung versehen, und die Kontaktplatte trägt einen Ankeransatz, durch den sie in der Zentralbohrung des Heizstabes unter Zwischenschaltung eines elektrisch leitenden Kitts befestigt ist. Mit einem Kitt, der bei Raumtemperatur zur Anwendung kommt, wird aber naturgemäß nicht eine so gute elektrische Verbindung erhalten wie mit dem nachstehend gekennzeichneten erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem ein Metallpulver geschmolzen wird.
Demgegenüber zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines beständigen elektrischen Kontaktes zwischen einem mit Stromdurchgang auf eine hohe Temperatur aufheizbaren feuerfesten Material und elektrischen Anschlußteilen dadurch aus, daß auf den Kontaktbereich zwischen dem feuerfesten Material und den Anschlußteilen eine an sich bekannte Paste aufgebracht wird, bestehend aus einem Gemisch von Fett oder Harz und Lösungsmittel mit einem Metallpulver, dessen Schmelzpunkt erheblich niedriger als der des die Anschlußteile bildenden Werkstoffes liegt, und die so gebildete Anordnung erhitzt wird. Vorzugsweise ist das in der Paste enthaltene Metall Aluminiumpulver, wobei die Tastenzusammensetzung aus 97% Aluminiumpulver, 2% Dammarharz und 1% Terpentinöl bestehen kann.
Nach dem Aufbringen der Paste und dem Zusammenfügen des feuerfesten Materials mit den Anschlußteilen soll die Erhitzung schnell, aber stetig zunehmend erfolgen. Das feuerfeste Material kann ein Stab oder eine Schiene sein, deren Enden in die Anschlußteile eingesteckt werden, in denen sich je- weils eine Blindbohrung befindet, deren Durchmesser erheblich größer als der des Stabes oder der Schiene ist. Als feuerfestes Material wird vorzugsweise Siliziumkarbid verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, daß mit dem leicht oxydierbaren Aluminium eine auch bei hohen Temperaturwechselbelastungen sichere elektrische und mechanische Verbindung zwischen Metallen und halbleitenden feuerfesten Werkstoffen in einfacher Weise hergestellt werden kann, und ist nicht nur zum Bau von raumsparenden Teilen, für den es entwickelt wurde, geeignet, sondern auch allgemein.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.
F i g. 1 zeigt einen feuerfesten Stab, dessen Enden zur Aufnahme von metallischen Endstücken bestimmt sind, wobei ein Endstück und ein Teil des Stabes im Axialschnitt dargestellt sind; F i g. 2 zeigt den Stab mit den aufgesetzten Endstücken, zum Teil im Schnitt.
In F i g. 1 ist ein zylindrischer Stab 1 aus einem feuerfesten Werkstoff mit einem bestimmten elektrischen spezifischen Widerstand dargestellt, z. B. Siliziumkarbid, welcher durch Stromdurchgang auf eine hohe Temperatur gebracht werden und die Zündung eines Brennstoffgemischs bewirken soll, insbesondere in dem Triebwerk eines Luftfahrzeugs.
Auf die Enden des Stabes sollen metallische Enden 2 und 3 zur Herstellung der Verbindung zur Zu- und Abfuhr des elektrischen Stromes aufgesetzt werden. Diese Endstücke sind einfache zylindrische Schalen mit verhältnismäßig dicken Wänden aus einem feuerfesten und in heißem Zustand nicht oxydierbaren Werkstoff, z. B. einem diesen Bedin-Cru , ngen entsprechenden Stahl. Die Blindbohrung eines jeden Endstücks hat einen Durchmesser, welcher z. B. um 1019/o größer als der des Stabes ist.
Zur Herstellung eines dauerhaften elektrischen Kontakts zwischen dem Heizstab 1 und den metallischen Endstücken 2 und 3 geht man folgendermaßen vor: Man stellt ein sehr feines Pulver eines Metalls oder eines leitenden Metalloids mit einem Schmelzpunkt her, welcher erheblich niedriger als der des die Endstücke bildenden Werkstoffes ist. Hierfür kann Aluminiumpulver benutzt werden.
Dieses Pulver wird innig mit einem gegebenenfalls neutralisierten Fett, z. B. Talg, Glyzerin, Dammarharz usw., und einem Lösungsmittel gemischt, z. B. gewöhnliches Benzin> Terpentinöl oder ein unter dem Namen white-spirit bekanntes Ersatzprodukt, bis die Masse die Beschaffenheit von frischem Kitt annimmt.
Nachdem das Pulver so mittels eines Bindemittels in die Form einer plastischen Masse gebracht wurde, werden die beiden Enden des Stabes 1 mit dieser Paste eingeschmiert, wie bei 4 und 4' in F i g. 1 dargestellt. Ferner wird diese Paste in die Bohrungen der metallischen Endstücke gebracht, wie bei 5 auf der Zeichnung dargestellt.
Hierauf werden die Endstücke 2 und 3 auf den Stab 1 aufgesetzt (Fig. 2). Die überschüssige Paste wird entfernt, und die Anordnung wird einem schnell aber stetig steigenden Stromdurchgang ausgesetzt. Der Stab wird schließlich durch die Stromwärme zum Glühen gebracht. Unter der Einwirkung der Wärme schmilzt das Metall oder das Metalloid der Paste, während gewisse Bestandteile, welche zur Herstellung der Paste gedient haben, verdampfen oder sich umsetzen. Wenn die Rauchentwicklung aufgehört hat, ist der Vorgang beendet. Nach der Kühlung haften der Stab 1-und seine Endstücke 2 und 3 tadellos aneinander, wobei von der Dehnung während der Erwärmung und der Zusammenziehung während der Kühlung herrührende Druckerscheinungen zu der Festigkeit der Das Anordnung so hergestellte beitragen. Element kann dann in -le Zündkerze eingebaut werden. Der zwischen dem Stab und den Endstücken gemäß dem obigen Verfahren hergestellte elektrische Kontakt ist beständig und hat eine Haltbarkeit, welche eine große Zündsicherheit gewährleistet.
Nachstehende beispielsweise angegebene Zusammensetzung hat sehr gute Ergebnisse geliefert:

Aluminiumpulver ................. 9711/o

Dammarharz . .................... 2%

Terpentinöl ...................... 10/0

Dieses Bindemittel ist genügend nachgiebig, um mögliche Dehnungen auszugleichen.- Ferner verhindert es die Berührung mit der die Bildung von isolierenden Oxyden bewirkenden Luft.
Die Erfindung kann natürlich abgewandelt werden. So kann die Erwärmung der Anordnung zur Herstellung der festen Verbindung der Paste mit den Endstücken und dem Stab durch eine andere Wärmequelle als Stromwärme erzeugt werden. Man kann z. B. die Anordnung in einem Ofen oder mittels eines Schweißbrenners erhitzen.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung eines beständigen elektrischen Kontaktes zwischen einem mit Stromdurchgang auf hohe Temperaturen aufheizbaren feuerfesten Material und elektrischen Anschlußteilen, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Kontaktbereich zwischen dem feuerfesten Material und den Anschlußteilen eine an sich bekannte Paste aufgebracht wird, bestehend aus einem Gemisch von Fett oder Harz und Lösungsmittel mit einem Metallpulver, dessen Schmelzpunkt erheblich niedriger als der des die Anschlußteile bildenden Werkstoffes liegt, und die so gebildete Anordnung erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Paste enthaltene Metall Aluminiumpulver ist. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Paste 97% Aluminiumpulver, 211/o Dammarharz und 1% Terpentinöl enthält. 4. Verfahren nach Ansprach 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung schnell, aber stetig zunehmend durchgeführt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Material ein Stab oder eine Schiene ist, deren Enden in metallische, zylindrische Anschlußteile mit einer Blindbohrung eingesteckt werden, deren Durchmesser erheblich größer als der des Stabes oder der Schiene ist. 6. Verfahren nach Ansprach 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Stabes oder der Schiene sowie die Bohrungen der Anschlußteile vor dem Zusammenfügen mit Paste bestrichen bzw. ausgekleidet werden. 7. Verfahren nach Ansprach 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als feuerfestes Material für den aufzuheizenden Stab Siliziumkarbid verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 945 473, 972 452, 630 402, 587 651; deutsche Auslegeschrift Nr. 1011089; österreichische Patentschrift Nr. 150 373; britische Patentschrift Nr. 490 232; M a c h i s, »Metallische Überzüge«, S. 18; Sprechsaal für Keramik, Glas u. Email, 1951, S.127.