DE2061879A1

DE2061879A1 - Verfahren zur Herstellung von Keramik-Met all-Verbundkonstruktionen

Info

Publication number: DE2061879A1
Application number: DE19702061879
Authority: DE
Inventors: Volker 6800 Mannheim-Seckenheim. C08h 13-00 Ebendt
Original assignee: STEINZEUG U KUNSTSTOFFWARENFAB
Current assignee: STEINZEUG U KUNSTSTOFFWARENFAB
Priority date: 1970-12-16
Filing date: 1970-12-16
Publication date: 1972-06-29
Also published as: GB1351317A; US3772766A; FR2118702A5

Description

DBUTSCHB STBINZBUG-UND KUNSTSTOFPMARBNFABRIK 68 Mannheim - Friedrichefeld

PATENTANMELDUNG

Verfahren zur Herstellung von Keramik-Metall-Verbundkonstruktionen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Keramik-Metall-Verbundkonstruktionen, wobei der metallische Partner ein hochduktiles Metall oder eine hochduktile Metallegierung ist, die außen umfassend aji der Keramik angeordnet ist. Als derartige Metalle kommen bevorzugt neben Kupfer, Silber und Gold und deren Legierungen in Frage.

Keramik-Metall-Verbundkonstruktionen sind seit langer Zeit bekannt. Dabei gehören folgende Anordnungen zwischen Keramik und Metallteilen zum Stand der Technilci

1.j Das Metall umfaßt die Keramik von außen. Für diese Konstruktion, die an sich die zuverlässigste ist, kamen bisher nur Metalle in Frage, deren thermischer Ausdehnungekoeffizient dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Keramik weitgehend angepaßt ist. Bei Benutzung von ^A^2°3 Oxidkeramik'-(Ausdehnungskoeffizient bei 20° bis 800⁰C etwa 7.1O~*⁶ je °C) ale Werkstoff

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für den keramischen Partner sind dies im wesentlichen Eisen-Nickel und Eisen-Nickel-Kobait-Legierungen mit einer Curie-Temporatur im Be ro» i .<:'., 300 -» 6OO°C, sowie Titan und einige andere refractaire Metalle, Ihr Ausdehnungskoeffizient bei 20° bis 800°C liegt zwischen S und 9,5*10"" je C.

Durch die Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten zwischen Keramik und Metalle wird erreicht, daß, wenn Metalle und Keramik bei Zimmertemperatur bündig übereinander greifen, nach dem Srwärmen auf Löttemperatur und beim Erreichen der eigentlichen Kartlöttemperatur ein hinreichend f kleiner Luftspalt zwischen Keramik und Metallteil vorhanden ist, in den das Lot durch Kapillarkräfte hineingesaugt werden kann. Außerdem wird durch die gute Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten zwischen Keramik und Metall während des Abkühlens von der Löttemperatur vermieden, daß zu große mechanische Spannungen von dem Metall auf die Keramik ausgeübt werden. Bei der bisher betrachteten Außenlötung dürften diese Spannungen wegen der hohen Druckfestigkeit der Keramik immerhin merklich sein und tragen bis zu einen gewissen Grad zur Festigkeit der Metall-Keramik-Verbindung bei.

P 2.)Die Keramik umfaßt das Metall von außen, das Metall liegt an der inneren Zylinderwand einer Öffnung der Keramik an. Bei kleinem Lochdurchmesser läßt sich diese Keramik-Metall-Verbundkonstruktion mit den unter J) genannten Metallen realisieren. Be iet ferner bekannt, bei kleinen Durchmessern hierfür auch Nickel in Rohrform zu benutzen. Wie gesagt sind derartige Konstruktionen jedoch,nur für kleinere Durchmesser bis etwa 2 mm lichter Lochweite möglich, da sonst die beim Abkühlen von der Löttemperatur zwischen Metall und der Keramik auftretenden Abmeasungsunterschiede zu so hohen Spannungen führen, daß die Lötschicht oder gar die Keramik einreißt.

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Etwas günstiger liegen die Verhältnisse, wenn für diese Art der Verbundkonstruktion sehr duktile Metalle, wie säuerstoffreies Kupfer, Silber oder Gold benutzt werden. Diese Metalle haben zwar einen größeren Unterschied in der thermischen Dehnung zur Keramik als die vorstehend genannten (Ausdehnungskoeffizient bei 20 C bis 3OC C

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über 15»^ je ⁰C), doch können in diesen Metallen die beim Abkühlen von der Löttemperatur auftretenden Spannungen durch plastisches Fließen weitgehend abgebaut werden.

Bs ist daher möglich mit dieser Technik verhältnismäßig große Öffnungen von mehr als 20 mm lichter Weite durch Kupfereinlötungen zu verschließen, wenn man nur dafür sorgt, daß das Kupfer hinreichend dünn ,etwa nicht dicker als 0,5 mm ist, so daß die resultierenden Kräfte hinreichend klein bleiben.

3.)Es sind auch Flachlötungen möglich, bei denen Meta],lfolien z.B, auf die Stirnseite keramischer Ringe gelötet werden und damit die Innenöffnung dieser Ringe abgedeckt wird. Auch hierbei ist die Benutzung dünnwandiger und duktiler Metalle, wie Kupfer, Silber und Gold günstig.

Es war jedoch bisher nicht möglich, Metalle mit stark von der eramik abweichendem thermischen Ausdehnungskoeffizienten direkt außen umfassend an Keramik anzulöten. Wenn solche Konstruktionen gewünscht wurden, mußte die Keramik und Metallverbindung durch aufwendige Zwischenlösungen hergestellt werden. Eine typische Konstruktion dieser Art besteht z.B. darin, daß ein Teil aus einem der oben genannten im Ausdehnungskoeffizienten an die Keramik angepaßten Metall außen umfassend an das Keramikteil angelötet und erst an dieses Metallteil der

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gewünschte Kupferflansch angelötet wird. Bs waren also zwei Lötnähte mit einem Zwischenteil aus einem anderen Metall notwendig, um die Verbindung zwischen Kupfer und Keramik herzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren schafft nun die Möglichkeit der Keramik-Metall-Verbundkonstruktion auch für Teile aus Metallen, deren Ausdehnungskoeffizient stark von dem der Keramik abweicht und bei denen das metallische Teil die Keramik von außen umfaßt, wenn das verwendete Metall duktil ist. Der wesentliche Erfindungsgedanke soll k anhand der Figuren 1,2 und 3 näher erläutert werden.

In der Figur 1 bedeuten 1 ein Ring aus Keramik, 2 ein Metallteil aus einem duktilen Metall, z.B.Kupfer,Silber oder Gold oder einer duktilen Legierung und 3 einen Hilfsring aus dem gleichen keramischen Material, aus dem der Ring 1 gefertigt ist.

Die Figuren 2 und 3 zeigen andere Ausführungsformen des Brfindungegedankens. Darin sind 4 der Keramikpartner der Verbundkonstruktion, 6 und 6 erfindungsgemäß angeordnete Flansche und 7 und 8 Hilferinge aus dem gleichen Material, wie der Keramikring 4, In Figur 3 bezeichnet Ρ 9 den Keramikpartner der Metall-Keramik-Verbundkonstruktion, 10 und 11 die erfindungsgemäß ausgelegten Metallteile und 12 den Hilfsring aus dem gleichen Material wie der Keramikring 9.

Zur Erzielung der Metall-Keramik-Verbundkonstruktion mit außen umfaßendem Metallteil aus hochduktilem Metall wird das Metallteil mit enger Passung, d.h. auf etwa 0,05 mm genau über das Keramikteil geschoben, mit dom es verbunden werden soll. Selbstverständlich muß das Keramikteil an den Stellen, an denen die Lötverbindung hergestellt werden soll, eine entsprechende, bekannte

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Metallisierung tragen. Sie kann z.B. aus der zum Stande der Technik gehörenden Molybdän - Mangan - Grundmetallieierung mit galvanisch aufgebrachter Nickelschicht bestehen« Sodann wird über das Metallteil noch ein weiterer Keramikring gestülpt, dessen lichte Weite.sehr eng dem Außendurchmesser des Metallteiles angepaßt sein muß. Als günstig hat sich auch hier eine Passung von 0,05 mm und besser erwiesen.

In Figur 1 ist eine derartige Anordnung dargestellt, die eigentliche Metall-Keramik-Verbundlconstruktion besteht aus dem Keramikring 1 und dem Metallteil 2. Längs der Berührungsfläche zwischen beiden soll die Lötung erfolgen. Der Hilfsring ist mit 3. bezeichnet und umfaßt das Metallteil 2, In ähnlicher Art und Weise besteht die Verbundkonstruktion der Figuf 2 aus dem Keramikring 4 und den beiden Metallteilen 5 und 6 mit den beiden Hilfsringen 7 und 8, wobei der Hilfsring 7 das Metallteil 5 und der Hilfsring 8 das Metallteil 6 eng umfassen. In Figur 3 besteht die eigentliche Keramik-Metall-Verbundkons truktion aus dem Ketfamikring 9 und den Metallteilen 10 und 11, die in diesem Falle von dem gemeinsamen Hilfsring 12 umgeben wepden.

Die vorstehend beschriebenen Anordnungen werden bei Zimmertemperatur ι zusammengesetzt und auf die Löttemperatur erhitzt.Dabei dehnen sich jeweils die Keramikteile, die zur eigentlichen Verbundkonstruktion gehören (1,4 und 9) und die Hi^fsringe (3,7,8 und 12) jeweils gleichmäßig aus, da sie aus denselben keramischen Werkstoffen bestehen. Die Metallteile »,5,6,10 und 11 haben, wie bereits erwähnt, einen gegenüber der Keramik erheblich größeren Ausdehnungskoeffizienten. WHeen die Hilf3ringe 3,7,8,12 nicht vorhanden, so wurden sich diese Metallteile beim Aufhei-

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zen auf die Löttemperatur so weit ausdehnen, daß bei der Löttemperatur ein erheblich zu großer Lötspalt vorhanden wäre, so daß eine zuverlässige und präzise Lötung nicht möglich wird. Durch die Hilfsringe 3,7, 8 und 12 werden die Metallteile an der thermischen Ausdehnung gehindert, wobei die durch die Behinderung entstehenden thermischen Spannungen abgebaut werden können, da diese Metallteile aus duktilen Werkstoffen bestehen.

Bei Erreichen der Löttemperatur steht also, zwischen den Keramikpartnern der Verbundkonstruktionen und r den Metallteilen ein für das Löten günstiger enger Lötspalt zur Verfugung. Das Lot kann in diesen Lötspalt hineingesaugt werden und beim Abkühlen in ^! hinreichend dünner Schicht in dem Lötspalt erstarren. ,, Die beim Abkühlen von der Löttemperatur auf Zimmertemperatur entstehenden mechanischen Spannungen können wieder im Metallteil durch plastisches Fließen abgebaut werden und führen deshalb nicht zu Rissen.

Bs iet mit dem beschriebenen Verfahren möglich, hochvakuumdichte und mechanisch hochfeste Keramik und Metall-Verbundkonstruktionen mit außen umfassenden P Metallteilen aus Kupfer,Silber und Gold oder hochduktilen Legierungen zuverlässig herzustellen.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zum Herstellen von Keramik—Metall Verbundkonstruktionen mit einem'die Keramik von außen umfassenden Metallteil,dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil aus einem hochduktilen Metall besteht und während des Aufheizens auf die Löttemperatur von außen durch einen Hilfsring aus der gleichen Keramik, mit der die Lötverbindung hergestellt werden soll, umgeben wird und zwischen dem Metallteil und diesem Hilfering ein Abstand von weniger als -0,05 mm eiligehalten wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß - das Metallteil aus Gold, Silber oder Kupfer besteht,
3} Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallteil aus einer hochduktilen Legierung besteht,
4) Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik aus Al O.-Oxidkescamik besteht.

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