DE1671265A1

DE1671265A1 - Aufschmelzlegierung

Info

Publication number: DE1671265A1
Application number: DE1967W0043739
Authority: DE
Inventors: Chikara Hirayama
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1966-05-05
Filing date: 1967-04-12
Publication date: 1971-09-09
Also published as: AT276789B; DE1671265B2

Description

Aufschmelzle,gierung Die Erfindung. betrifft Aufschmelzlegierungen zur Erzeugung von Metall-Keramik-Verbindungen, die für die Verwendung bei hohen Temperaturen geeignet sind. Für viele Verwendungen ist heute das Aufschmelzen von Metallen auf Keramiken erforderlich, um verschiedene Teile aus diesen zwei Materialien herzustellen.'Für viele Zwecke ist die Einsatztemperatur relativniedrig, so daß die gegenwärtig verfügbaren Materialien für die Konstruktion der Verbindungen hinreichend sind. Verschiedene Arten von Aufschmelzungen können verwendet werden, wenn die Metall-Keramik-Verbindung Temperaturen bis zu höchstens 4000 ausgesetzt wird und wenn kein Alkalimetalldampf zugegen ist. Eine dieser Aufschmelzungen enthält eine Molybdän-Mangan-Metallisierung. Die Keramik wird metallisiert mit einer Molybdän-Mangan-Zegierung, welcher ein geeigneter Überzug aus Nickeloder Kupfer folgt und hierauf schließlich einer aus einer geeigneten Auf-Schmelzlegierung. Ein anderes Verfahren, welches viel verwendet wird, ist die-Herstellung von Metall-Keramik-Verbindungen@durch einen Diffusionsprozeß. Titan oder Molybdän läßt man in die Keramik diffundieren in einer Wasserstoffatmosphäre. Das Metall wird dann auf die metallisierte Keramikoberfläche mit einem geeigneten Schmelzmetall aufgeschmolzen. Geeignete Verbindungen sind auch erhalten worden zwischen Metallen und Keramiken ohne den Metallisierungsschritt durch Verwendung einer aktiven Metallaufschmelzlegierung, welche mit der Keramik reagieren kann und eine chemische Bindung bildet. Mit diesem Verfahren Xann eine Aufschmelzung in einem-Schritt durchgeführt werden, da das Schmelzmaterial sowohl Metall als auch Keramik miteinander verbindet. Eine Legierung für diesen Zweck muß im allgemeinen wenigstens eine aktive Komponente enthalten, wie z._B.
Titan oder Beryllium, welches mit der Keramik bei der Aufschmelztemperatur reagiert. Verwendet wurde so z.B. das Titan-Nickel-Eutektikum, welches ungefähr 75,5 ö Titan enthält. Mit der Legierung aus dem Titan-Nickel-Eutektikum hergestellte Aufschmelzungen sind jedoch nicht beständig gegen Metalldämpfe bei hoher Temperatur. Andere Legierungen, die auch im Handel erhältlich sind, sind im allgemeinen nur geeignet zum Verbinden von aluminiumoxydhaltigen Keramiken, die weniger als 96 % Aluminiumoxyd enthalten. Es ist allgemein bekannt, daß das Verbinden von Metall mit Aluminiumoxydkeramiken schwieriger wird, wenn die Reinheit des letzteren sich erhöht und sich insbesondere-100 % Aluminiumoxyd nähert. Die gegenwärtig verfügbaren Schmelzlegierungen sind im allgemeinen unzulänglich für die Konstruktion von luftdichten Verbindungen, wo die Keramik ein Aluminiumoxyd hoher Reinheit ist, welches auch eine geringe Resistenz gegen Alkalimetalldampf bei erhöhten Temperaturen hat. Diese Betrachtungen sind oftmals von ganz besonderer,Bedeutung, z.B. bei der Konstruktion von Alkalimetalldampflampen und von alkalimetalldampfgetriebenen Kraftsystemen. Die Schmelzlegierungen der vorliegenden Erfindung verbessern das direkte Aufschmelzen von hochschmelzenden Metallen auf Keramiken. Dies gilt im besonderen für luftdichte Verbindungen von Aluminium-Oxyd hoher Reinheit auf solchen Metallen durch Aufschmelzen. Gegenstand der Erfindung sind Aufschmelzlegierungen zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbindungen bestehend aus wenigstens 50 ö Titan, wenigstens 20 % Nickel und mindestens 5 l wenigstens eines hochschmelzenden Metalls. Vorzugsweise werden Niob, Vanadin Molybdän, Wolfram, Chrom, Aluminium, Eisen, Zirkon und Magnesium eingesetzt. Es hat sich herausgestellt, daß man besonders gute Verbindungen erhält, wenn ungefähr 20 bis 35 % Nickel und ungefähr 5 bis 30 l an hochschmelzendem Metall enthalten sind. Weiterhin kann es in manchen Fällen günstig sein, der Legierung ungefähr 05 % Kohlenstoff hinzuzufügen, um das Kornwachstum während des Verklebens zu regulieren. Mit den Aufschmelzlegierungen der vorliegenden Erfindung können vakuumdichte Verbindungen, die gute mechanische Festigkeit, gute Klebefestigkeit und eine hohe Beständigkeit gegen Alkalimetalldämpfe bei hohen Temperaturen haben, insbesondere gegengesättigten Kaliumdampf bei Temperaturen über 850'°C erzeugt werden. Es ist dabei von ganz besonderer Bedeutung, daß diese Vorteile auch bei Verbindungen von hochschmelzenden Metallen mit Aluminiumoxydkeramiken hoher Reinheit auftreten. Ganz besonders geeignet erwiesen sich die erfindungsgemäßen Aufschmelzlegierungen bei Metall-Keramik-Verbindungen in luftdicht verschlossenen Kapseln in Gegenwart von Alkalimetalldämpfen bei relativ hohen Temperaturen, wie sie z.B. in Alkalimetalldämpfent-Ladungslampen erforderlich sind. Zur besseren Veranschaulichung der Erfindung sollen die folgende Beschreibung und die Zeichnung dienen. Die Figuren 1 und 2 zeigen Schnitte von Metall-Keramik-Kapseln. Die Aufschmelzlegierungen der vorliegenden Erfindung erwiesen sich als besonders geeignet für das Aufschmelzen von Aluminiumoxydkeramiken, wie z.B. Saphir, und für hochreines heßgepreßtes Aluminiumoxyd auf schwerschmelzbare Metalle, wie z.B. Niob, Tantal und Molybdän,, wo es erforderlich ist, daß die Bindung sowohl mechanisch fest als auch luftdicht abgeschlossen ist. Besonders vorteilhaft erwiesen sich Aufschmelzlegierungen mit 50 bis 65 Titan und 20 bis 35 % Nickel als Hauptbestandteile neben wenigstens einem anderen hochschmelzenden Metall in einer Menge von 5 bis 30 ö. Jede der Aufschmelzlegierungen hat. einen nominalen Schmelzpunkt im Bereich von ca. 1000oC-bis 1120°C, bezogen auf die Temperaturen, die während des Aufschmelzens beobachtet wurden. Die gemessenen Temperaturen können ein wenig höher liegen. Die folgende Tabelle zeigt dreizehn spezifische Beispiele von Auf schmelzlegierungen der vorliegenden Erfindung, aus welchen fest aufgeschmolzene Verbindungen zwischen sehr reinen Al.uminiumoxydkeramiken und hochschmelzenden Metallen hergestellt wurden.

Die-Legierungen der vorliegenden Erfindung, können leicht hergestellt werden durch Zusammenschmelzen der entsprechenden Mengen .der Metalle oder Legierungen, welche die Metallbestandteile enthalten. Dies kann entweder im Lichtbogen oder durch Vakuumschmelztechnik erfolgen.
Die Ausgangsmetalle haben im allgemeinen einen hohen Reinheitsgrad.-Wenn das Metall nur als Pulver verfügbar war, wurde das Material tablettiert, um das Schmelzen im Lichtbogen zu erleichtern. In den meisten Fällen wurden die Legierungen durch nochmaliges Aufschmelzen homogenisiert: Von allen Legierungen wurde durch Test die Beständigkeit gegen Kaliumdampf' bei hohen Temperaturen ermittelt: Hierzu wurde die Legierung luftdicht zusammen mit Kalium in eine Kapsel aus kohlenstofffreien Stahl eingebracht und erhitzt, bis bei 8500C der Dampf in der Kapsel mit Kalium gesättigt war. Die Aufsohmelzlegierungen der vorliegenden Erfindung gewähren eine gute Abdichtung gegen Helium zwischen Niob und Aluminiumoxyd und Niob und Tantal in Röhren oder Kapseln der in den Figuren 1-und 2 gezeigten Art. Die in Fig. 1 dargestellte Konstruktion, welche ziemlich ähnlich ist der Form, die für Lichtröhren in Hochtemperaturmetalldampflampen angewendet wird, enthält eine hochreine gesinterte polykristalline Aluminiumoxydröhre oder Hülle 10, ein paar Verschlüsse 12 in der Form von Niobendplatten oder Kappen mit einer Tantalröhre 14, welche zentral verschlossen ist durch eine der Endkappen 12. Die Verbindungen bei 16. zwischen den Niobendplatten oder Kappen und der ATuminiumoxydhülle und bei 18 zwischen der Niobendkappe und der Tantalröhre werden hergestellt in einem Vakuumofen bei Drücken von 10-5 bis 10-7 torr unter Verwendung einer Tantalröhre und Erhitzen mittels einer Hochfrequenzspule. Es sind im besonderen Kapseln konstruiert worden mit Niobplatten von 0,25 bis 0,50 mm Dicke und Hüllen aus handelsüblichem polykristallinen Aluminiumoxydröhren mit inneren Durchmessern von 12,7 mm und äußeren Durchmessern von 15,9 mm. Die Tantalröhre, welche auf' die Niobplatte während der gleichen Operation aufgeschmolzen wurde, hatte einen äußeren Durchmesser von 3,2 mm. Die luftdicht verschlossene Kapselgestaltung, die in Fig. 1 gezeigt ist, ist ziemlich ähnlich jener, welche in Hoehtemperaturmetalldampflampen eingesetzt wird unter Verwendung von polykristallinen Aluminiumoxydhüllen. Die in Fig. 2 dargestellte Gestaltung der Kapsel wurde auch erfolgreich konstruiert unter Verwendung der erfindungsgemäßen Aufschmelzlegierungen. Eine solche Röhre oder Kapsel, welche mit Erfolg luftdicht verschlossen worden war und äußerst resistent gegen Alkalimetalldampf ist, enthält z.8. ene@Niobröhre 20, die verschlossen ist bei 22 mit einer polykristallinen Aluminiumoxydröhre 24 mit einem äußeren Durchmesser von 15,9 mm, welche bei 26 verbunden ist mit einer 0,25 mm dicken Niobendplatte öder Form 28. Außerdem wurde eine Tantälröhre 30 mit einem äußeren Durchmesser von 3,2 mm auf die Niobendplatte 28 bei 32 aufgeschmolzen. Zur Herstellung von Bindungen zwischen Keramiken aus Saphir oder hochreinem heißgepreßten Aluminiumoxyd und hochschmelzenden Metallen mit den Aufschmelzlegierungen der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß das Aufschmelzen bei einer Temperatur zwischen 50 und 100o0 oberhalb des Sehmelzpünktes der Aufschmelzlegierung durchgeführt. Ferner wird die Aufschmelztemperatür während der Bindung wenigstens eine Minute eingehalten, vorzugsweise soll sie nicht länger als fünf Minuten beibehalten werden. Es ist besonders vorteilhaft, das Aufschmelzen bei einer Temperatur von ungefähr 50o über dem Schmelzpunkt der Legierung durchzuführen, da sich beim Aufschmelzen bei Temperaturen umhöher als 100o, beispielsweise 150°C, keine hinreichend gute Verbindung zwischen der Keramik und dem Metall ergibt. Wie aus dem Vorangegangenen zu entnehmen ist, erzeugen die Aufschmelzlegierungen der vorliegenden Erfindung vakuumdichte Verbindungen von hoher mechanischer Festigkeit, welche beständig sind gegen Alkalimetalldämpfe bei erhöhten Temperaturen zwischen hochschmel-zenden Metallen und Keramiken mit hohem Aluminiumoxydgehalt. Dies gilt in ganz besonderem Maße für Aufschmelzlegierungen, die ungefähr 50 bis 65 % Titan und 20 bis 35 % Nickel als Hauptbestandteile neben 5 bis 30 % von einem oder mehreren der Metalle Niob, Vanadin, Molybdän, Wolfram, Chrom, Aluminium, Eisen, Zirkon und Magnesium enthalten. Die Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Dies stellt jedoch keine Beschränkung des Wesens und der Anwendbarkeit der Erfindung dar.

Claims

Pat e: ntans priz chc 1. Aufschmelzlegierung zum Verbinden von Keramikteilen mit Metallteilen, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens 50 % Titan, wenigstens 20 % Nickel und. mindestens 5 f .wenigstens eines hochschmelzenden Metalls enthält: 2. Aufschmelzlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als hochschmelzendes Metall Niob, Vanadin, Molybdän, @iolfram, Chrom, Aluminium, Eisen, Zirkon und Magnesium vorhanden ist. -@. Aufschmelzlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch.gekennzeichnet, daß sie-ungefähr- 5 bis 65 o-Titan, ungefähr 20 bis 35 ;ö Nickel und ungefähr 5 bis 30 ä an hochschmelzendem Metall enthält. 4.. Aufschmelzlegierung nach einem der vorangegangenen: Ansprüche-, dadurch gekennzeichnet, daß-sie noch-ungefähr 0,5 % Kohlenstoff' enthält. 5. Verfahren zur- Herstellung einer Aufschmelzlegierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennz.eiclinet, daß das Aufschmelzen bei einer Temperatur zwischen 50 und 100oC oberhalb des Schmelzpunktes der Aufschmelzlegierung durchgeführt wird..