DE2357231C2 - Verfahren zum Verbinden von magnetisch-keramischen und metallischen Bauteilen - Google Patents
Verfahren zum Verbinden von magnetisch-keramischen und metallischen BauteilenInfo
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Description
65
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Bauteiles aus einem magnetisch-keramischen
Material mit einem Bauteil aus einem nichtmagnetischen Metall durch Löten, bei welchem zunächst auf die
gereinigte, zu verbindende Fläche des magnetisch-keramischen Bauteils eine dünne, mindestens ein Schwermetall
enthaltende Metallverbindung mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art, das durch die US-Patentschrift 35 05 041 bekannt ist, wird
ein keramischer Körper, der aus einem Ferrit (MO · FejOj — wobei M ein ein- oder zweiwertiges
Metall, wie Ni, Mn, Zn, Mg, Cu, Co usw. bedeutet) bestehen kann, durch Weichlöten mittels eines Zinn-/
Blei-Lotes mit einem Bauteil aus Metall verbunden. Dabei wird auf den magnetisch-keramischen Körper
mittels Kathodenzerstäubung zunächst eir.e dünne Schicht aus Mo, W, Mn, Fe, Co, Ni oder einer Legierung
davon, sodann eine dünne Platinschicht und schließlich eine Goldschicht aufgebracht, die von dem Lot gut
benetzbar ist
Es ist auch bekannt, ein keramisches Material mit
einem Metall durch Hartlöten zu verbinden. Bei einem, durch die US-Patentschrift 33 71 406 bekannten Verfahren
wird zunächst auf die Oberfläche des keramischen Materials ein Metall wie Molybdän, Wolfram, Mangan,
Eisen, Kobalt oder Nickel durch Kathodenzerstäubung aufgebracht Diese aktive Metallschicht wird sodann mit
einem Metall aus der Platingruppe überzogen, um das
aktivere Metall vor Oxydation zu schützen und um das Hartlöten mit einem metallischen Bauteil zu ermöglichen.
Zusätzlich kann auch eine Schicht aus rostfreiem Stahl durch Kathodenzerstäubung auf die Platinschicht
aufgebracht werden.
Dem Herstellen einer hartgelöteten Verbindung eines magnetisch-keramischen Materials mit einem Metall
steht die Schwierigkeit entgegen, daß bei dem mit dem Hartlöten verbundenen Erhitzungsprozeß die magnetischen
Eigenschaften des keramischen Materials nicht verlorengehen dürfen. Eine weitere Schwierigkeit
besieht darin, daß die bekannten Verbindungen zum Hartlöten ein keramisches Ferritmaterial nicht benetzen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Bauteil aus keramischem Material, das magnetisch permeabel ist,
mit einem anderen Bauteil aus Metall durch Hartlöten zu verbinden, derart, daß die Verbindung eine hohe
Festigkeit aufweist und daß die magnetischen Eigenschaften des keramischen Materials nicht verändert
werden.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
daß zur Herstellung einer hartgelöteten Verbindung eine Chrom enthaltende Metallverbindung aufgesprüht
wird, wobei die Metallverbindung wenigstens teilweise in einer Lötlegierung bei einer Löttemperatur zwischen
600° C und l000°C löslich ist, daß die zu verbindenden
Flächen unter Zwischenlage einer Silber enthaltenden Lötlegierung zusammengefügt werden, und daß die
zusammengefügten Teile in einer inerten Atmosphäre auf eine Temperatur zwischen 6000C und 1000° C für
eine Zeitdauer von weniger als 5 Minuten erhitzt werden.
Die auf diese Weise hergestellte Verbindung ist stark genug, um den späteren Beanspruchungen, wie Schleifen,
Läppen, Reinigen und Zusammenbauen standzuhalten. Tatsächlich können die auf diese Weise hergestellten
Verbindungen einen Scherdruck von 40 bis 140At
aushalten. Zusätzlich ist die auf diese Weise entstandene Verbindung genügend hitzebeständig, um ein Reinigen
durch Erhitzen bei 6000C zu ermöglichen.
Da keramische Ferrite, wie bereits erwähnt, durch die bekannten Lötverbindungen nicht benetzt werden, wird
die zu verbindende Oberfläche des magnetisch-keraTitschen
Materials zunächst mit einer chromhaltigen Metallschicht überzogen. Diese Metallschicht ist so
ausgewählt, daß sie mindestens teilweise in einer silberhaltigen Lötlegierung bei relativ niedrigen Löttemperaturen
löslich ist Die Metallschicht hat eine höhere Schmelz- und Verdampfungstemperatur als die
Lötlegierung. Die Lötlegierung ihrerseits ist so ausgewählt, daß das mit dem keramischen Ferrit zu
verbindende metallische Bauteil ebenfalls wenigstens teilweise in dem Lötmittel löslich ist.
Die Metallisierung wird durch Kathodenzerstäubung einer dünnen chromhaltigen Metallschicht auf dem
keramischen Substrat erreicht Dabei hat das aufzustäubende Metall einen höheren Schmelzpunkt als das
Lötmittel. Durch höheren Gehalt an Chrom wird ein gutes Haften an dem keramischen Ferrit erreicht
Dieser Chromgehalt und seine Affinität zu Sauerstoff bewirken, daß da* Haften mittels des Lötmittels
geschwächt wird. £s werden deshalb Metalle wie rostfreier Stahl Nr. 304 (10 Gewichtsteile Nickel, 19 Gewichtsteile
Chrom, 71 Gewichtsteile Eisen) bevorzugt
Durch das Verfahren der Kathodenzerstäubung gelangt das Chrom mit höherer Energie auf das
keramische Material als bei den üblichen Verfahren wie Elektroplattieren oder Vakuumabsckeidung. Dadurch
bildet das Metall an der Oberfläche des keramischen Materials eine starke oxidische Bindung und trägt auf
diese Weise zur Festigkeit der anschließend hergestellten Lötverbindung bei.
Eine vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht demnach darin, Jaß die auf das
keramische Material aufgesprük'e Schicht in Gewichts·
anteilen aus je 50 Teilen Chrom und Ticket, oder aus
10 Teilen Nickel, 19 Teilen Chrom und 71 Teilen Eisen oder anderen nichtrostenden Stählen gebildet wird.
In vorteilhafter Weise besteht die Lötlegierung in Gewichtsanteilen aus 95 Teilen Silber und 5 Teilen
Aluminium oder aus 72 Teilen Silber und 28 Teilen Kupfer oder aus 71,5 Teilen Silber, 274 Teilen Kupfer
und 1 Teil Nickel.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in vorteilhafter Weise so durchgeführt, daß die zusammengefügten
Teile während etwa 30 Min. auf eine Temperatur von etwa 6000C vorgewärmt werden. Danach werden die
zusammengefügten, vorgewärmten Teile vorzugsweise I oder 2 Min, jedoch nicht langer als 5 Min. auf 825° C
erhitzt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es vorteilhaft,
daß das keramisch-magnetische Material durch ein Nickel-Zink-Ferrit und das nichtmagnetische Metall
durch Titan oder eine Titanlegierung gebildet wird, und daß das nichtmagnetische Metall im wesentlichen
denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das keramische Material aufweist
Vorteilhaft ist es, daß die auf das magnetisch-keramische Material durch Kathodenzerstäubung aufgesprühte
Schicht bis zu einer Dicke zwischen 0,25 μπι und ω
1,27 μπι aufgebracht wird.
Die Erfindung wird in Vorteilhafter Weise angewendet
zur Verbindung des magnetisch-keramischen Teils eines Magnetkopfes mit einem Gehäuse aus nichtmagnetischem
Metall.
Im folgenden wird die Erfindung im einzelnen beschrieben.
magnetisch-keramischen Bauteiles und des metallischen
Bauteiles chemisch und durch Erhitzen gereinigt Danach wird eine Schicht eines Chrom enthaltenden
Metalls durch Kathodenzerstäubung auf die zu verbindende Oberfläche des magnetisch-keramischen Materials
aufgebracht Diese Schiebt wird mindestens 0,25 um und höchstens 1,27 μπι dick gemacht Eine
dickere durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte Schicht vergrößert die Festigkeit der Verbindung nicht
mehr wesentlich, während die Auftragungszeit ver'ängert wird.
Das nunmehr metallisierte keramische Bauteil wird mechanisch, beispielsweise durch Zusammenklammern,
mit dem metallischen Bauteil unter Zwischenlage einer Silber enthaltenden Lötverbindung, beispielsweise in
Form einer Folie verbunden. Die zusammengefügten Teile werden in einer inerten Atmosphäre, z. B. bei
einem Vakuum von 10~3 bis 10-6Torr, während etwa
einer halben Stunde bei 600° C vorgewärmt und danach während 1 oder 2 Min, aber nicht mehr als 5 Min. auf
eine Temperatur von ungefähr 825° C bis 840° C erhitzt Eine kritische Temperatur des Verfahrens ist dadurch
gegeben, daß die Löttemperatur mindestens 600° C betragen muß, um späteres thermisches Reinigen zu
ermöglichen und daß diese Temperatur nicht 10000C
erreichen darf, um eine Beschädigung der magnetischen Eigenschaften des keramischen Bauteils zu vermeiden.
Das Verfahren ist dean besonders gut anwendbar,
wenn das keramische Bauteil ein keramischer Ferrit beispielsweise ein Nickel-Zink-Ferrit ist, und wenn dzs
metallische Bauteil aus Titan oder einer Titanlegierung besteht, die im wesendichen denselben thermischen
Ausdehnungskoeffizienten wie der Ferrit besitzt
Mit den beschriebenen typischen Verfahrensschritten können zahlreiche Parameter variiert werden. Zum
Beispiel kann das keramische Bauteil mit je 50 Gewichtsprozent Nickel und Chrom, mit rostfreiem
Stahl Nr. 304, der aus 10 Gewichtsteilen Nickel, 19 Gewichtsteilen Chrom und 71 Gewichtsteilen Eisen
besteht, oder mit anderen rostfreien Stählen metallisiert werden. Nickel und/oder Eisenverbindungen, die Tantal,
Molybdän oder Wolfram enthalten, sind mit den Chrom enthaltenden Legierungen als äquivalent anzusehen. Ein
kritischer Punkt besteht jedoch darin, daß die Metallisierung des keramischen Materials unter Bedingungen
stattfindet bei denen das keramische Material nicht mechanisch beschädigt wird und bei denen seine
magnetischen Eigenschaften nicht verschlechtert werden. Die Silber enthaltende Lötlegierung kann z. B. aus
95 Gewichtsteilen Silbe; und 5 Gewichtsteilen Aluminium, oder aus 72 Gewichtsteilen Silber und 28 Gewichtsteilen Kupfer (eutektische Legierung), aus 71,5 Gewichtsteilen
Silber, 27,5 Gewichtsteilen Kupfer und 1 Gewichtsteil Nickel oder aus anderen Silber enthaltenden
Stoffen bestehen, die mit der relativ niedrigeren Hartlöttemperatur im Bereich von 6000C bis 9000C
verträglich sind. Bei höheren Temperaturen werden die magnetischen Eigenschaften des keramischen Materials
verschlechtert, während niedrigere Temperaturen das nachfolgende thermische Reinigen erschweren.
Das Metall, mit dem das keramische Ferrit-Material zu verbinden ist, kann beispielsweise aus Titan oder
einer Titanlegierung, oder aus rostfreiem Stahl bestehen. Das kritische Merkmal dieses Metalls besteht darin,
daß es eine genügend hohe Schmelz- und Verdampfungstemperatur aufweisen muß, um die Lötverbindung
in dem definierten Temperaturbereich des Hartlötens leicht anzunehmen. Selbstverständlich wird verlangt.
daß die verbleibenden inneren Spannungen gering sind, da eine mechanische Beanspruchung des keramischen
Materials seine magnetischen Eigenschaften verschlechtert. Dieses Metall sollte daher einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der demjenigen des keramischen Materials nahezu entspricht. Der
thermische Ausdehnungskoeffizient von Titan ist nahezu derselbe wie derjenige von mehreren keramischen
Ferriten.
Anstatt in einem e/akuierten Raum kann das Hartlöten auch in einer Argonatmosphäre oder in einer Atmosphäre eines anderen, gereinigten inerten Gases durchgeführt werden.
Anstatt in einem e/akuierten Raum kann das Hartlöten auch in einer Argonatmosphäre oder in einer Atmosphäre eines anderen, gereinigten inerten Gases durchgeführt werden.
Vorzugsweise wird eine Lötverbindung verwendet, die aus in Gewichtsteilen 71,5 Teilen Silber, 27,5 Teilen
Kupfer und 1 Teil Nickel besteht und die auf eine durch Kathodenzerstäubung erhaltene Metallisierungsschicht
von 10Teilen Nickel, 19Teilen Chrom und 71 Teilen Eisen aufgebracht wird.
Claims (8)
1. Verfahren zum Verbinden eines Bauteiles aus magnetisch-keramischem Material mit einem Bauteil
aus einem nicht-magnetischen Metall durch s Löten, bei welchem zunächst auf die gereinigte, zu
verbindende Fläche des magnetisch-keramischen Bauteils eine dünne, mindestens ein Schwermetall
enthaltende Metallverbindung mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht wird, dadurch gekenn- to
zeichnet,
daß zur Herstellung einer hartgelöteten Verbindung eine Chrom enthaltende Metallverbindung aufgesprüht
wird, wobei die Metallverbindung wenigstens teilweise in einer Lötlegierung bei einer Löttempe- is
ratur zwischen 600° C und 10000C löslich ist,
daß die zu verbindenden Flächen unter Zwischenlage einer Silber enthaltenden Lötlegierung zusammengefügt werden, und
daß die zu verbindenden Flächen unter Zwischenlage einer Silber enthaltenden Lötlegierung zusammengefügt werden, und
daß die zusammengefügten Teile in einer inerten Atmosph" '·*. auf eine Temperatur zwischen 600°C
und !Q(KV ·_- für eine Zeitdauer von weniger als
5 Minuten erhitzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die auf das magnetisch-keramische 2s Material aufgesprühte Schicht in Gewichtsanteilen
aus je 50 Teilen Chrom und Nickel oder aus 10 Teilen Nickel, 19 Teilen Chrom und 71 Teilen
Eisen oder anderen nichtrostenden Stählen gebildet wird
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötlegierung in
Gewichtsanteilen aus 95 Teilen Silber und 5 Teilen Aluminium, oder aus 72 Teilen Silber und 28 Teilen
Kupfer, oder aus 71,5 Teilen Silber, 27,5 Teilen
Kupfer und 1 Teil Nickel gebildet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengefügten Teile
während 30 Minuten auf eine Temperatur von 600°C vorgewärmt werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengefügten, vorgewärmten
Teile vorzugsweise 1 oder 2 Min, jedoch
nicht länger als 5 Min auf 825°C erhitzt werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das keramisch-magnetische
Material durch ein Nickel-Zink-Ferrit und das nichtmagnetische Metall durch Titan oder eine
Titanlegierung gebildet wird und daß das nichtmagnetische Metall im wesentlichen denselben thermi- so
sehen Ausdehnungskoeffizienten wie das keramischmagnetische Material aufweist.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das magnetisch-keramische
Material durch Kathodenzerstäubung aufgesprühte Schicht bis zu einer Dicke zwischen 0,25 μπι
und 1.27 μηι aufgebracht wird.
8. Verwendung des nach den Ansprüchen I bis 7, hergestellten Materials zur Verbindung des magnetisch-keramischen
Teils eines Magnetkopfes mit einem Gehäuse aus nichtmagnetischem Metall.
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