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