DE19734211A1 - Verfahren zum Verlöten zweier Keramiken oder einer Keramik mit einem Metall - Google Patents

Verfahren zum Verlöten zweier Keramiken oder einer Keramik mit einem Metall

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verlöten zwei­ er Keramiken oder einer Keramik mit einem Metall.
Bekannt ist die Herstellung einer Lötverbindung der vorgenannten Art mittels eines Aktivlotes. Unter einem Aktivlot ist ein Lot zu verstehen, das eine reaktive Komponente enthält. Wird eine Oxidkeramik verlötet, so ist unter reaktiver Komponente eine Komponente zu ver­ stehen, die eine hinreichend große Affinität zum Sauer­ stoff aufweist. Wird ein Werkstoff auf der Basis von Kohlenstoff verlötet, so ist unter reaktiver Komponente eine Komponente zu verstehen, die eine hinreichend gro­ ße Affinität zum Kohlenstoff aufweist.
Die Affinität ist hinreichend groß, wenn die Bildungs­ enthalpie der reaktiven Komponente unter den herrschen­ den Lötbedingungen kleiner ist als die Bildungsenthal­ pie der Keramik. Von folgender Bildungsreaktion wird dabei ausgegangen:
Me'O + Me'' ⇔ Me''O + Me'.
Soll also z. B. Al2O3 verlötet werden und ist Titan als reaktive Komponente vorgesehen, so lautet die Bil­ dungsreaktion:
Al2O3 + 3 Ti ⇔ 4 Al + 3 TiO2.
Das entstehende Al bewirkt zusammen mit dem Lot eine Benetzung der zu verlötenden Oberflächen.
Unter Lötbedingungen sind insbesondere die Löttempera­ tur und der während der Lötung herrschende Druck der an der Reaktion beteiligten Stoffe zu verstehen.
Die reaktive Komponente im Aktivlot ermöglicht die Be­ netzung der zu verlötenden Oberfläche der Oxidkeramik. Diese Benetzung ist wiederum Voraussetzung für eine gu­ te Lötverbindung.
Nachteilhaft sind Aktivlote sehr teuer, da sie geson­ dert hergestellt werden müssen. Darüber hinaus sind Ak­ tivlote ungeeignet, um eine Kapillarlötung vorzunehmen. Die Aktivkomponente verbraucht sich nämlich, bevor das Lot vollständig in die Kapillare eingedrungen ist. Die vollständige Benetzung der zu verlötenden Oberflächen wird nicht erreicht. Eine Kapillarlötung kann daher praktisch nicht mit Aktivloten durchgeführt werden.
Alternativ sind CVD-Verfahren oder galvanische Verfah­ ren als Vorbereitung zum Verbinden zweier nichtmetalli­ scher Körper bekannt. Nachteilhaft müssen bei diesen Verfahren Gase oder Säuren entsorgt werden.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines einfa­ chen, preiswerten, universell einsetzbaren Verfahrens zur Verlötung zweier Keramiken oder einer Keramik mit einem metallischen Werkstoff.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
Die zu verlötende Fläche der Keramik wird mit einer re­ aktiven Komponente beschichtet. Eine Schichtdicke von wenigen Atomlagen reicht regelmäßig aus.
Die Beschichtung erfolgt vorzugsweise mechanisch, um so das Verfahren einfach und preiswert durchzuführen. Die reaktive Komponente liegt dann insbesondere als Halb­ zeug vor. Das Halbzeug wird z. B. auf der Oberfläche der Keramik verrieben. Es entsteht sofort eine dünne Schicht.
Beispiele für Halbzeuge sind ein Stab, ein Blech oder ein Draht. Der Draht kann in Form einer Bürste einge­ setzt werden.
Im nächsten Schritt wird die beschichtete Oberfläche der Keramik mit dem zu verbindenden Werkstoff verlötet.
Als Lot kann ein konventionelles, also z. B. ein aus Edelmetall bestehendes Lot eingesetzt werden.
Die Aufgabe wird also gelöst, indem eine Beschichtung mit der reaktiven Komponente (im Unterschied zum Stand der Technik mit dem Aktivlot) getrennt vom Lötvorgang erfolgt.
Bei einer Kapillarlötung kann nun durch das anspruchs­ gemäße Verfahren sichergestellt werden, daß die zu ver­ lötende Oberfläche mit dem aufgeschmolzenen Lot voll­ ständig benetzt wird. Es entfällt der Einsatz eines speziellen Aktivlotes. Die Komponenten können einzeln erworben werden und für jeden einzelnen Anwendungsfall geeignet zusammengestellt werden.
Insbesondere Oxidkeramiken konnten erfolgreich mitein­ ander oder mit Metall verlötet werden.
Wird beispielsweise Aluminiumoxid mit einer Nickel-Ko­ balt-Legierung verlötet, so kann als reaktive Kompo­ nente Ti, Zr, Hf, V oder Nb eingesetzt werden. Als Lot wurde dann das Silber-Kupfer-Eutektikum eingesetzt. Al­ ternativ kann z. B. ein Gold- oder Gold-Nickel-Lot vor­ gesehen werden.
Es ist bei der Auswahl des Lotes lediglich darauf zu achten, daß das Lot die thermodynamisch erforderlichen Löttemperaturen verträgt. So werden z. B. für eine mit Titan beschichtete Al2O3-Keramik in einem Hochvaku­ umofen bei Drücken im Bereich 10⁻4 - 10⁻5 mbar Löttempe­ raturen oberhalb von 900°C benötigt.
Das Lot wurde auf die beschichtete Fläche gelegt. Hier­ auf wurde der metallische Gegenstand gesetzt. Die Kera­ mik wurde dann zusammen mit dem metallischen Gegenstand auf über 900°C in einem Vakuumofen erhitzt und an­ schließend abgekühlt.
Die so hergestellte Lötverbindung ist mechanisch be­ lastbar und vakuumdicht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Werk­ stoffe so ausgewählt, daß die thermischen Ausdehnungs­ koeffizienten der eingesetzten Materialien weitgehend übereinstimmen. Vernachlässigbar ist dabei der Ausdeh­ nungskoeffizient der reaktiven Komponente, da von die­ ser nur wenigen Atomlagen vorliegen. Auf diese Weise werden Rißbildungen während des Abkühlens vermieden. Andernfalls kann die Keramik beschädigt oder zerstört werden.
Al2O3 und Fe23Co28Ni weisen vergleichbare Ausdehnungs­ koeffizienten im Sinne der Erfindung auf. Diese betra­ gen im Temperaturbereich 20-300°C (5-8)10⁻6 K1 bzw. (6-8)10⁻6 K⁻1.
Wird das Verfahren mit Werkstoffen auf der Basis von Kohlenstoff wie z. B. mit Kohlenstoff-Fasern verstärkte Graphitkörper oder Karbide, (z. B. Borkarbide oder Si­ liziumkarbide) durchgeführt, so sind als reaktive Kom­ ponenten starke Karbidbildner vorzusehen. Titan oder Chrom sind Beispiele für starke Karbidbildner.
Wird das Verfahren mit Nitridkeramiken wie Siliziumni­ trid oder Aluminiumnitrid durchgeführt, so sind als re­ aktive Komponenten starke Nitridbildner vorzusehen. Starke Nitridbildner sind z. B. V, Ti oder Zr.
Beim anspruchsgemäßen Verfahren treten keine Umweltbe­ lastungen auf, da keine zu entsorgenden Stoffe anfal­ len. Die Beschichtung mit der reaktiven Komponente kann auf einfache Weise bei Raumtemperatur erfolgen. Zusätz­ liche Fremd- und Hilfsstoffe werden nicht benötigt. Aufwendige Techniken, wie sie bei CVD, PVD oder Metal­ lisierung angewendet werden müssen (so z. B. Abschei­ dung aus der Gasphase, Bedampfen, Kathodenzerstäubung), sind beim anspruchsgemäßen Verfahren nicht erforder­ lich. Die aufzutragende reaktive Komponente ist leicht zu beschaffen, da handelsübliche Halbzeuge eingesetzt werden können. Da sich das Lot während der Lötung nur auf der beschichteten Fläche ausbreitet, ist eine Ab­ deckung nicht zu benetzender Flächen entbehrlich. Für die Lötung können konventionelle Edelmetall-Lote einge­ setzt werden. Das Verfahren kann von einer angelernten Hilfskraft angewendet werden. Das Verfahren läßt sich problemlos mechanisieren und automatisieren. Es kann somit nicht nur in der Einzelfertigung, sondern auch in der Klein- und Großserienfertigung kostengünstig einge­ setzt werden.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Verbinden zweier Keramiken oder einer Keramik mit einem Metall, indem eine Oberfläche ei­ ner Keramik mit einer reaktiven Komponente beschich­ tet wird und die beschichtete Oberfläche mit der Oberfläche einer weiteren, in gleicher Weise be­ schichteten Keramik oder mit der Oberfläche eines Metalls verlötet wird.
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