DE1811139B2 - Bornitrid enthaltender verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Bornitrid enthaltender verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Bornitrid enthaltenden Verbundwerkstoff, dessen Oberfläche gegebenenfalls f>anz oder teilweise mit einem Metallgegenstand verbunden ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Bornitrid enthaltende Gegenstände oder Werkstoffe finden eine weite Anwendung in der chemischen, elektronischen und metallurgischen Industrie. Die Verwendung ist aber häufig dadurch begrenzt, daß Cieucnstände ;ms Bornitrid nicht gut mit Gegenständen aus Metall verbunden werden können.
So ist es beispielsweise beim Plattieren mit Metalldämpfen üblich, das Metall aus einem elektrisch leitenden Behälter oder Tiegel zu verdampfen. Hierbei verwendet man auch als Material für diese Tiegel Bornitrid enthaltende hitzebestämliee Massen. Die Schwierigkeit bei diesen sonst ausp zeichnet geeigneten Tiegeln besteht darin, daß es häufig nicht leicht ist, einen elektrischen Kontakt zwischen dem das Metall enthaltenden Tiegel und der Stromquelle herzustellen. Das beruht im wesentlichen darauf, daß Mrtnile nicht direkt mit Bornitrid enthaltenden Tiegeln dieser Art verbunden werden können. Häufig verwendet man deshalb zum Verbinden der elektrischen Leitungen Klammern od. dgl. Während des Bedampfens lockern sich aber diese Verbindungen, da die thermische Ausdehnung der Tiegel und der metallischen Stromleitungen verschieden sind. Hierdurch kann die Wirtschaftlichkeit von Bedampfungsanlagen beeinträchtigt werden.
Wegen ihrer thermischen Beständigkeit und ihren ίο ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften werden Gegenstände aus Bornitrid auch häufig in der elektronischen Industrie zum Ableiten von Wärme verwendet. Auch hierbei ist es aber nachteilig, daß Bornitrid nur schwierig mit Gegenständen aus Metall verbunden werden kann, um einen wirksamen Pfad zum Ableiten von Wärme herzustellen.
Die Erfindung überwindet diese Schwierigkeiten. Die erfindungsgemäßen Werkstoffe oder aas ihnen hergestellte Gegenstände können leicht in üblicher ao Art, z. B. durch Löten oder Schweißen, mit Gegenständen aus Metall verbunden werden.
Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff besteht
aus einer Grundschicht aus Bornitrid oder aus 20 bis 8O°/o Bornitrid, Rest Titandiborid, Zirkoniumdiborid, Aluminiumnitrid oder pyrolytischer Graphit, und einer damit über eine Diffusionszone verbundenen zweiten Schicht aus 40 bis 800O Silizium, Rest Titan.
Die zweite Schicht dieses Verbundwerkstoffes
kann ganz oder teilweise mit einem Metallgegenstand verbunden sein.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung solcher Verbundwerkstoffe. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnei, daß man die auf die Grundschicht aufgebrachte Titan-Silizium-Legierung durch Erhitzen auf eine Temperatur von 1400 bis 1500 C, vorzugsweise auf 1450° C, oberflächig in die Grundschicht eindiffundiert.
Man kann die Ledierung aus Titan und Silizium
in Form einer Aufschlämmung aufbringen. In dieser Aufschlämmung haben die Teilchen der Legierung aus Titan und Silizium vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von 7 Mikron. Als flüssiges Medium der Aufschlämmung kann Xylol mit einem Zusatz von Cyklopendadien als Mittel gegen Ausflocken verwendet werden.
Man kann die Legierung aus Titan und Silizium zium auch in geschmolzener Form auf die zu überziehende Oberfläche aufbringen.
Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe können so mit Gegenständen aus Metall vereinigt werden, daß man den Metallgegenstand durch Schweißen oder Löten mit der Titan-Silizium-Legicrung verbindet.
Die Zeichnungen zeigen beispielsweise einige Ausführungsformcn der Erfindung.
F i g. 1 /cigt im Querschnitt einen Bornitrid enthaltenden Gegenstand mit einem Überzug aus einer Legierung von Titan und Silizium.
F i g. 2 zeigt einen Verbundwerkstoff nach Pi g. 1, der erfindungsgemäß mit einem anderen Gegenstand aus Metall verbunden ist.
F i g. 3 zeigt eine ähnliche Verbindung, die thermisch besonders gut leitend ist.
F i g. 1 zeigt im Querschnitt einen Bornitrid enthaltenden Gegenstand 14 mit einer Reaktionszone 12. In diese Reaktionszone ist die Legierung aus Titan und Silizium eindiffundiert und hat mit dem Bornitrid reagiert. Die Oberflächenschicht 10 besteht aus
der nicht eindiilumdierten Legierung von Titan und Silizium.
F i g. 2 zeigt im Querschnitt eine Verbindung zwischen dem Gegenstand 16 aus Bornitrid und einer Stange 24 aus Molybdän. Der Gegenstand 16 aus S Bornitrid und die Stange 24 aus Molybdän werden zusammengehalten durch eine gesinterte Legierung 20 aus Titan und Silicium. Diese Legierung haftet an einer Seite a\\ einer ersten Reaktionszone 18, die durch Umsetzung der Legierung aus Titan und SiIizium mit dem Bornitrid entstanden ist. An der entgegengesetzten Seite gibt es eine zweite Reaktionszone 22, die durch Umsetzen der Legierung aus Titan und Silizium mit Molybdän entstanden ist.
F i g. 3 zeigt im Querschnitt eine ähnliche Verbindung von hoher thermischer Leitfähigkeit zwischen einem Gegenstand 26 aus Bornitrid und einem Nikkeistab 38. Diese Verbindung besteht aus dem Gegenstand 26 aus Elornitrid mit einer Reaktionszone 28, die durch Umsetzung des Bornitrids mit der Legierung aus Titan und Silizium entstanden isi, einer gesinterten Zone 30 aus der Legierung von Titan und Silizium, die mit der Reaktionszone verbunden ist, einem Glied 34 aus Wolfram, das durch eine zweite Reaktionszone 32 hindurch mit der gesinterten Legierung aus Titan und Silicium verbunden ist, wobei diese zweite Reaktionszone 32 durch Umsetzen des Wolframs mit der Legierung aus Titan und Silizium entstanden ist, und einem Nickelstab 38, der mit dem Glied 34 aus Wolfram durch ein übliches Lot 36 uerbunden ist.
Die Verwendung einer Aufschlämmung ist besonders dann vorteilhaft, wenn man Gegenstände unregelmäßiger Form überziehen will. Will man mit den so hergestellten Gegenständen einen Gegenstand aus Metall verbinden, so geschieht das am besten dadurch, daß man zunächst den Bornitrid enthaltenden Gegenstand mit der Legierung aus Titan und Silizium überzieht und dann den Gegenstand aus Metall in üblicher Weise damit verbindet. Man kann aber auch das Überziehen des Bornitrid enthaltenden Gegenstandes mit einer Schicht einer Legierung aus Titan und Silizium und das Verbinden mit dem Gegenstana aus Metall in einem Verfahrensschritt durchführen. Dieses Verfahren ist im Beispiel I beschrieben. Wenn man einen Gegenstand aus Metall bei hoher Temperatur mit einem Gegenstand aus Bornitrid verbindet, so ist es wesentlich, daß der Gegenstand aus Metall ein-jn thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der etwa dem des Gegenstandes aus Bornitrid gleich ist. Beispiele solcher Metalle sind unter anderem Wolfram und Molybdän. Wenn aber der Bornitrid enthaltende Gegenstand schon mit einer Oberflächenschicht einer Legierung aus Titan und Silizium versehen ist, so spielen Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Gegenstände keim; so große Rolle.
Zum Verbinden des Gegenstandes aus Metall mit dem metallisierten Gegenstand aus Bornitrid können verschiedene Verfahren verwendet werden, z. B. Schweißen oder Löten. Die jeweils verwendeten Verfahren hängen auch davon ab, bei welchen Temperaturen die verbundenen Gegenstände später verwendet werden sollen. Niedrigschmelzende Verbindungen können durch Kupfer und Gold enthaltende Lote hergestellt werden. Zur Verwendung bei hohen Temperfturen dient am besten die Legierung aus Titan und Silizium selbst als Lot.
Beispiel I
Es wurde ein Pulver aus Titandisilicid mit 44 Gewichtsprozent Titan und 56 Gewichtsprozent Silizium mit mittleren Teilchendurchmessern von 7 Mikron in Xylol, das als Entflockungsmittel 20 Volumprozent Cyklopentadien enthielt, aufgeschlämmt. In einem Gefäß aus 50 Gewichtsprozent Bornitrid, Rest Titandiborid, befand sich eine Aushöhlung von etwa 2,5 nv.n Durchmesser und etwa 6 mm Tiefe. Auf die Innenseite dieser Aushöhlun,. wurde die Aufschlämmung mit einem Pinsel aufgetragen. Ein geflochtener Molybdändraht mit etwa 1,6 mm Durchmesser wurde an einem Ende mit der oben beschriebenen Aufschlämmung ebenfalls überzogen. Das überzogene Ende des Drahtes führte man dann in die Aushöhlung ein. Man hielt das Ganze zusammen und erhitzte etwa 4 Stunden lang in einer Argonatmosphäre auf etwa 1450° C. Dann kühlte man auf Raumtemperatur ab. Bei einer metallographischen Prüfung wurde festgestellt, daß der Draht und das Gefäß metallurgisch miteinander verbunden waren.
Auf diese Art mit Zuleitungen versehene Gefäße aus Titandiborid und Bornitrid konnten mit Erfolg beim Verdampfen von Aluminium durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes verwendet werden.
Beispiel II
Eine Seite eines rechtwinkligen Stabes aus Bornitrid wurde mit einer Aufschlämmung nach Beispiel I überzogen. Die Oberfläche eines dünnen Blattes aus Molybdän wurde mit der gleichen Aufschlämmung ebenfalls überzogen. Man brachte die überzogenen Seiten der beiden Gegenstände zusammen, hielt sie in eingespanntem Zustand und erhitzte etwa 4 Stunden lang in einer Argonatmosphäre auf etwa 1450° C. Nach dem Abkühlen waren die beiden Gegenstände fest miteinander verbunden. Dann verband man die nicht behandelte Oberfläche des Blattes aus Molybdän mit einem Kupferstab bei 1100° C. Zum Löten wurde ein übliches Kupferlot verwendet. Die so erhaltene Anordnung war bis zu Temperaturen von etwa 600" C hinauf beständig.
Will man Gegenstände miteinander verbinden, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten sehr verschieden sind, so verwendet man zum Verbinden verschieden" Stoffe mit dazwischenliegenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Dieses Verfahren ist an 3ich bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verbundwerkstoff aus einer Grundschicht (14, 16 bzw. 26) aus Bornitrid oder aus 20 bis 8O1Vo Bornitrid, Rest Titandiborid, Zirkoniumdiborid, Aluminiumnitrid oder pyrolytischer Graphit, und einer damit über eine Diffusionszone (12, 18 bzw. 28) verbundenen zweiten Schicht (10, 20 bzw. 30) aus 40 bis SO1Vo Silizium, Rest Titan.
2. Verbundwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht ganz oder teilweise mit einem Metallgegenstand verbunden ist.
3. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die auf die Grundschicht aufgebrachte Titä-i-Siliziuni-Legierung durch Erhitzen auf eine Temperatur von 1400 bis 1500: C, vorzugsweise auf 14503C, oberflächig in die Grundschicht eindiffundiert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Titan-Silizium-Legierung in Form einer Aufschlämmung aufbringt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in der Aufschlämmung eine mittlere Teilchengröße von 7 Mikron besitzt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß !ic Titan-r:lizium-Legierung in Xylol mit einem Zusa'z von Cyclopentadien aufgeschlämmt ist.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die Titan-Silizium-Legierung in geschmolzener Form aufbringt.
8. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Metallgegenstand durch Schweißen oder Löten mit der Titan-Silizium-Legierung verbindet.
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