DE2417478A1 - Verfahren zum verbinden von anorganischen koerpern mit metall - Google Patents

Verfahren zum verbinden von anorganischen koerpern mit metall

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    • C04B2237/40Metallic

Description

  • Verfahren zum Verbinden von anorganischen Körpern mit Metall Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von anorganischen Körpern, wie Glas, Glaskeramik, Keramik oder Quarz unter Verwendung von Metall und Aktivmetall.
  • -Es sind Verfahren bekannt, um hochfeste Metall/Keramik-Verbindungen durch Trockenlötung herzustellen (vergl. die inzwischen offengelegten Patentanmeldungen P 20 55 657.4 vom 12. 11. 1970, P 21 16 310.0 vom 3. 4. 1970, P 21'16 762.4 vom 6. 4. 1971, P 21 35 827.0 vom 17. 4. 1971 und P 22 13-115.D vom 17. 3. 1972). Danach wird zwischen die beiden zu verbindenden Teile - die beide aus Keramik bestehen können, oder auch ein Teil aus Keramik, das andere aus Metall -ein für die Verbindungstechnik notwendiges dünnes Trockenlotblech gelegt, welches beispielsweise aus fast reinem Silber, Kupfer oder Gold bestehen kann, wobei diesen Metallen kleine Mengen eines aktiven Metalles, wie beispielsweise Li, Be, Mg, Ti oder Zr, beilegiert sein müssen. Die zu verbindende Kombination wird dann in einer Spannzange fest zusammengepreßt, damit das Trockenlotblech in wirklich satten Kontakt zu den zu miteinander hochfest verbindenden Teilen kommt. In dieser Spannzange wird die Kombination in den Ofen gebracht und auf eine Temperatur von beispielsweise 800 bis 10000 C erhitzt, wobei aber der Schmelzpunkt des Trockenlotbieches nicht überschritten werden soll. Zur Ausschaltung von Nebenreaktionen - z. B. von Verzunderung -erfolgt diese Erhitzung im Hochvakuum oder in inerter Atmosphäre. Die sehr reaktionafreudigen Aktivmetalle, die sich an der Oberfläche des Trockenlotbleches befinden oder dort hinditfundiert sind, reagieren dann bei dieser hohen Temperatur mit Atomen in der Keramikoberfläche, wodurch die Bindungabrücken zwischen Metall und Keramik gebildet werden, welche die Haftung bewirken. Dises Verfahren ist in den genannten Patentanmeldungen in allen Einzelheiten und in vielen Varianten beschrieben werden. Dabei ist überwiegend die Rede von Oxidkeramiken. Das kann zu einschränkenden Auslegungen führen, weil man beispielsweise Porzellane, Gläser und Glaskeramiken, also technisch wichtige Stoffe im gängigen Sprachgebrauch nicht als Oxidkeramiken bezeichnet.
  • Keramiken wie beispielsweise gebrannter Ton, Porzellan oder Specksteinkeramiken bestehen chemisch betrachtet aus Mischungen oder Verbindungen von Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Oxiden der Alkali- und Erdalkalimetalle - also aus mehreren Einzeloxiden, die zum Teil miteinander eine chemische Verbindung eingegangen sind, zum anderen Teil Mischoxide oder Gasphasen gebildet haben. Trotzdem ist es nicht üblich, diese Keramiken als Oxidkeramiken zu bezeichnen. Diese speziellere Bezeichnung hat sich vielmehr nur für die im wesentlichen aus einem Einzeloxid bestehenden Keramiken eingebürgert, @lso für die technisch wichtige Al2O3-Keramik und für die BeO-Keramik.
  • Als Grenzfall fallen unter den Begriff der Oxidkeramik auch noch keramiken, die aus zwei Oxiden, z. B. Al203 und MgO bestehen, Jedoch nur dann wenn diese beiden Komponenten durch chemische Bindung in genau definiertem stöchiometrischen Verhältnis ein neues, einheitliches Kristallgefüge gebildet haben. So bildet sich aus Al2O3 und MgO, wenn sie im Verhältnis 1:1 gebunden sind, der Spinell Al2MgO4, und die daraus gebrannten Keramiken kennen ebenfalls noch als Oxidkeramiken bezeichnet werden. Betrachtet man aber ein gewöhnliches Porzellan, das aus verschiedenen Oxiden besteht, die teils gebunden und teila nur ineinander gelöst als Mischoxide oder in der Glasphase vorliegen, dann bezeichnet man diese Körper bisher nicht als Oxidkeramiken, sondern nur als Keramiken - wahrscheinlich, weil es früher gar keine anderen Keramiken gab, insbesondere nicht die "modernen" nichtoxidischen Keramiken, die aus Karbiden, Boriden oder Nitriden hergestellt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Trockenlötverfahren, die sich in den genannten Patentanmeldungen immer nur einseitig auf die Oxidkeramiken bezogen haben, auf Porzellane und ähnliche aus Oxidgemischen hergestellte Keramiken auszuweiten.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnste Erfindung gelöst, die die folgende Überlegung beinhaltet: Die Bildung der Bindungabrücken zwischen den zu verbindenden Teilen ist eine chemische Reaktion zwischen dem Aktivmetall und einem Oiidmolekül in der Keramikoberfläche, die nicht davon abhängt, ob die Umgebung aus anderen Oxiden besteht, die auch ihrerseits Bindungabrücken zu Aktivmetallatomen bilden können, und zwar auch dann, wenn es sich um andere Oxidmoleküle handelt. Aus dieser Überlegung ergibt sich also, daß das rockenlötverfahren nicht nur auf die einkomponentigen Oxidkeramiken anwendbar ist, sondern grundsätzlich auf alle Keramiken, die-aus Oxiden bestehen, und somit selbstverständlich auch auf solche keramikähnlichen Körper, die im wesentlichen aus Oxiden be stehen.
  • An der obigen Betrachtungsweise über die Bildung von Bindungsbrücken zwischen Aktivmetall und Oxidmolekülen ändert sich nichts, wenn man sie auf Gläser überträgt, also auf Körper, die wie die normalen Keramiken aus mehreren Einzeloxiden bestehen, die aber durch Schmelzen ineinander gelöst und in glasfarmigen Zustand gebracht worden sind. Auch Gläser können also durch Bildung von Bindungsbrücken mit Metallpartnern nach dem Trockenlötverfahren haftend verbunden werden.
  • Neuerdings gewinnt noch ein zwischen den Gläsern und der Keramik liegendes Material, nämlich die sogenannte Glaakeramik, große technische Bedeutung. Es handelt sich um ein Material, welches aus einer Reihe von Oxiden, etwa solchen wie sie auch sonst zur Glasherstellung benutzt werden, zusammengeschmolzen ist, dem aber einige Keimbildner, d. h. aus dem gelösten Zustand leicht ausfallende Substanzen, zugesetzt sind. Dieses Material wird also zunächst wie gewöhnliches Glas geschmolzen und dann geblasen oder gegossen. Durch nochmaliges längeres Erhitzen auf eine vorgegebene Temperatur (Tempern) wird das Material aber zum Entglasen gebracht, derart, daß die Keimbildner eine Rekristallisation einleiten und das Material vom glasigen Zustand in das kristalline kermische Gefüge umsetzen.
  • Der Rekristallisationsvorgang kann selbstverständlich mehr oder weniger vollständig geschehen, d. h. die Kristallite können mehr oder weniger groß ausgebildet sein, und es kann zwischen ihnen auch noch restliche Glasphase vorhanden sein.
  • Auch bei der Glaskeramik sind die Einzelheiten des GefUgeaufbaues für das Zustandekommen der Haftyslenzen, die über das Aktivmetall zum Keramikpartner zustandekommen, selbstverständlich ohne Bedeutung. Das Trockenlötverfahren ist also auch auf die Glaskeramik anwendbar.
  • Tatsächlich haben die Experimente bestätigt, daß die Trookenlötungen, genauso gut wie sie gegen Oxidkeramiken anwendbar sind, auch gegen Porzellan, Gläser und Glaskeramiken durch führt werden können. Auch hier erreicht man so hohe Haftfestigkeiten, daß beim Reißversuch der Bruch niemals in der Lotfläche auftritt, sondern immer im Porzellan oder im Glas oder in der Glaskeramik, weil die Eigenfestigkeit der Materialien kleiner ist als die Haftfestigkeit, die nach dem Trockenlötverfahren erreicht wird.
  • Auf eine Schwierigkeit, die sich mit einigen Gläsern und Glaskeramiken bei einer Trockenlötung gegen Metalle infolge ihrer besonderen Materialeigenschaften ergeben kann, muß noch eingegangen werden. Es gibt nämlich einige Glaskeramiken und einige Gläser, wie beispielsweise Quarzglas oder das Glas 797@ der Firma Corning Glass, welche einen extrem kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Werte für diese Materialien liegen bei 10-7 bis 10-6/° C. Das Trockenlotblech, mit dem die Trockenlötung hergestellt wird und gegebenenfalls auch der metallische Partner, gegen den über des Trockenlotblech die Verbindung hergestellt wird, haben demgegenüber einen wesentlich größeren Ausdehnugskoeffizienten, nämlich 1 bis 2 10 5/0 C. Infolge der hohen Temperaturdifferenz, die das Material während des Abkühlens von der Trockenlöttemperatur auf Raumtemperatur durchläuft, schrumpfen die Materialien verschieden starke so daß große thermische Spannungen in der Lötfläche entstehen.
  • Im geringeren Maße ist das auch bei der Verlötung von Keramiken der Fall, weil auch deren Ausdehnungskoeffizienten im allgemeinen kleiner sind als die der Metalle. Da bei den Keramiken die Differenzen aber Kleiner sind, bleiben auch die entstehenden thermischen Spannungen kleiner, so daß sie im allgemeinen von den Keramiken ohne Gefügeschäden aufgenommen werden können, und zwar nicht nur, weil die Unterschiede in der Schrumpfung relativ klein sind, sondern auch weil die Eigenfestigkeiten der Keramiken relativ groß sind.
  • Für Gläser und Glaskeramiken mit niederen Ausdehnungskoeffizienten liegen die Verhältnisse auch deshalb nicht so günstig, weil zu den größeren Differenzen in der Schrumpfung noch die wesentlich geringere Eigenfestigkeit der Materialien hinzukommt. Die Materialien vertragem deshalb in ungünstigen Fällen nicht einmal die thermischen Spannungen, die ein etwa 0,5 mm dickes Trockenlotblech beim Abkühlen auf die damit verbundenen Keramikpartner ausübt. Hierbei nutzt nicht einmal die Tatsache, daß man die Trochenlotbleche aus sehr duktilem Material wie fast reinem Kupfer, Silber oder Gold herstellen kann, also aus Materialien, die schon Wärmespannungen mittlerer Stärke durch plastische Verformung leicht ausgleichen können. Um trotzdem Bauteile mit niederem. Ausdehnugskoeffizienten und geringer Eigenfestigkeit wie Quarzglas oder Glaskeramik miteinander über metallische Lotschichten verbinden zu können, wie das beispielsweise bei der Herstellung von Hohlraumresonstoren geschehen muß, muß man diese Lotmetallagen beispielsweise extrem dünn wählen. Denn je kleiner der Metallquerschnitt, um so kleiner werden die tangentialen Kräfte, die in der Grenzfläche durch die Spannungen vom Metall auf das Glas oder die Glaskeramik ausgeübt werden können. Extrem dünne Lotschichten sind erzielbar, indem vorzugsweise die zu verbindenden Quarz- oder Glaskeramikkörper vor dem Zusammenfügen auf den zu verbindenden Flächen mit für die Trockenlötung geelgneten Metallen, z. B. mit einer Silber/Magnesium-Legierung, bedampft werden. Die so vorbehandelten Teile werden dann zusammengesetzt, gegeneinander gepreßt und so im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre auf die für die Glaskeramik noch ohne weiteres zuträgliche Temperatur von etwa 700° C erhitzt. Bei dieser Temperatur bilden sich die Haftvalenzen zwischen der aufgedampften Schicht und dem Quarz oder der Glaskeramik aus, und außerdem verbinden sich hierbei infolge von Sinter- und Diffusionsvorgängen auch die beiden Metallfilme miteinander. Da man auf diese Weise die Dicke der Lotmetallschicht in der Größenordnung von einigen /um halten kann, bleiben die durch die thermischen Spannungen auf die Grenzfläche ausgeübten Scherkräfte so klein, daß sie auch von Quarz oder Glaskeramiken vertragen werden können. Deshalb wird das Aufdampien bevorzugt.
  • Zur einwandfreien Verbindung der zusammenzufügenden Teile ist es selbstverständlich notwendig, daß die beiden gegeneinander gepreßten Metallfilme auf der ganzen für die Verbindung vorgesehenen Fläche zum ragen und Binden kommen.
  • Der erforderliche satte Kontakt zwischen dem Metallfilm und dem Quarz oder der Glaskeramik ist bei aufgedampften Filmen von vornherein gegeben.
  • Der satte Kontakt zwischen den beiden Filmen nach Auieinanderlegen der beiden Teile ist hingegen nur bei beater Passung der aufeinandergelegten Flächen vorhanden. Beim üblichen Trockenlötverfahren mit relativ dicken zwischengelegten Trockenlotblechen ist eine extrem gute Passung nicht eriorderlich, weil hier kleine Passungadifferenzen oder Rauhlgkeiten in der Fläche bei genügend hohem Anpreßdruck durch plastische Verformung des Trockenlotbleches ausgeglichen werden. Die auszugleichende Passungsdifferenz Rari hierbei selbstverständlich nicht zu groß sein, weil sich durch die plastische Verformung nur Differenzen ausgleichen lassen, die klein sind im Vergleich zur Dicke des zu verformenden Trockenlotbleches. Da die durch Aufdampfen des Trockenlotmetalles hergestelben Schichten nur wenige /um stark sind, mtlssen die zu verbindenden Flächen Passungsgenauigkeiten von Bruchteilen eines µm aufweisen. Die Passung der beiden Flächen muß also in einem Toleranzbereich erfolgen, wie er für gute optisch geschliffene Flächen gefordert wird.
  • Dann ist ein satter Kontakt der beiden Metallrllme auf der gesamten für die Verbindung vorgesehenen Fläche ohne weiteres au erreichen.
  • In gewissen Anwendungsfällen der Erfindung, beispielsweise bei größerer Ausdehnung der Verbindungsflächen, ist es dagegen wünschenswert, einerseits hohe Schleifgenauigkeitsanforderungen zu vermeiden, also die Trockenlotschicht dicker zu gestalten, und andererseits dennoch die Grenzflächen keinen zu hohen Scherkräften zufolge thermischer Spannungen auszusetzen.
  • Diese Aufgabe löst eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, indem die Metalle in Form von Pulver oder Spänen verteilt aufgebracht werden.
  • Neben der anderen Methode, zwecks plastischer Verformbarkeit der Trockenlotschicht diese vor dem Zusammenfügen der durch sie zu verbindenden Teile - beispielsweise durch Ätzen - in Bereiche geringeren Querschnittes aufzuteilen, ist das bevorzugte Verfahren mit verteilter Aufbringung des Trockenlotes eine besonders abwandlungs und anpaseungsfähige Möglichkeit, um eine Verbindung von Quarz oder Glaskeramik mit niederem Ausdehnungskoeffizienten mittels des Trockenlötverfahrens zu erreichen, bei dem man die Bindung über dickere Metallagen ausführen kann, ohne dabei zu hohe Scherkräfte durch thermische Spannungen auf die Grenzfläche zu übertragen. Bei diesem Verfahren ist inn bezüglich der Vermeidung von Unebenheiten und Rauhigkeiten keine große Anforderung an die Verbindungefläche zu stellen. Das gelingt, indem man das Trockenlot in beliebiger Dicke in Pulvermetallform unter sehr schwachem Druck mit dem Glas oder der Glaekeramik in Kontakt bringt.
  • Statt das hierfür erforderliche Pulvermetall aus einer für die Trockenlötung geeigneten Legierung herzustellen, kann man selbstverständlich auch eine innige Mischung mehrerer Metallpulver verwenden, von denen das eine die inaktive Hauptkomponente, das andere den Aktivmetallzusatz bildet.
  • Diesen kann man auch in Form von chemischen Verbindungen einbringen, z. B. in Form von Aziden, die eich erst beim Erhitzen in das Aktivmetsll und in einen inerten Rest, z. B. Stickstoff, zersetzen.
  • Zur Herstellung ein ausreichenden mechanischen Kontakt es genügt beim Pulvermetallverfahren ein schwacher Druck, weil pulverförmige Substanzen sich beim Aufbringen selbst so legen, daß sie die Unterlage in einer Vielzahl von Punkten berühren, die statistisch verteilt9 aber in etwa gleicher Flächendichte den kontakt zur Unterlage herstellene Beim nachfolgenden Temperprozeß im Vakuum oder in inerter Atmosphäre bildet sich dementsprechend eine Vielzahl von Haftstellen zwischen dem Metallpulver und dem Glas oder der Glaskeramik7 während gleichzeitig die Sprechen des Metallpulvers sich untereinander zum Sintermetall verfestigen.
  • Den für das letztere notwendigen Sinterprozeß kann man mehr oder weniger weit treiben, d. h. bei schwachem Sintern kann man den entstehenden Sinterkörper pords halten, während man ihn beim starken Sintern bis zum porenfreien Metall versintern kann. Für die hier beschriebenen Verbindungen zwischen einem Sintermetall und Glas oder Glaskeramik ist es erforderlich, das Metallpulver nur schwach zu sintern, weil der dann gebildete noch stark poröse Körper plastisch leicht verformbar ist, so daß er die Wärmespannungen ausgleichen kann, die sich aus den stark unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergeben.
  • Bei der Wahl der für den oben beschriebenen Prozeß maximal anwendbaren Temperatur sind selbstverständlich die Eigenschaften der verwendeten Materialien zu beachten. Beispielsweise muß die Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metalles bleiben9 damit das Verfahren als Trockenlötverfahren wirkt. Andererseits darf auch die Erweichungstemperatur des Glases bzw. die Rekristallisationstemperatur der Glaskeramik nicht überschritten werden. Beim Zwang des Arbeitens mit niederen Temperaturen ergibt sich eine kleinere Bildungsgeschwindigkeit der Haftvalenzen. Diese läßt sich erforderlichenfalls durch eine längere Temperzeit ausgleichen. Zu beachten ist dabei aber, daß bei diesem Temperprozeß mit dem Pulvermetall zwei Effekte gleichzeitig erreicht werden sollen, nämlieh einmal die Ausbildung der Haftvalenzen und zum anderen das Zusammensintern der Metallpartikel. Hierbei kann der letztere Prozeß schneller laufen als der erstgenannte. Wenn dann der Sinterprozeß Bo geführt wird, daß sich die Haftvalenzen in genügender Stärke ausbilden, dann versintert das Pulvermetall zu stark, so daß die gewünschte Porosität und damit Plastizität des Sintermetalles verloren geht. Diese Schwierigkeit läßt sich vorteilhaft dadurch umgehen, daß auf die für die Verbindung über ein Pulvermetall vorgesehene Fläche des Glases oder der Glaskeramik zunächst ein dünner Metallfilm aus einer für die Trockenlötung geeigneten Legierung-beispielsweise durch Aufdampfen - aufgebracht wird. Die Ausbildung der Haftvalenzen zwischen diesem Film und dem Glas oder der Glaskeramik kann dann in einem ersten Temperprozeß hergestellt werden. Wird nun, wie zuvor beschrieben, auf die so vorbehandelte Lötfläche das Pulvermetall aufgebracht, dann brauchen bei der zweiten Temperung nur noch die Sinterprosease abzulaufen, durch die die Partikel einerseits aneinanderwachsen und andererseits auf dem Metallfilm aufwachsen.
  • Auf diese Weise gelingt es leicht und rasch, die gewünschte Porosität zu erhalten und trotzdem eine gute Haftung zwischen dem Sinterkorper und dem Glas oder der Glaskeramik herzustellen.

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    # Verfahren zum Verbinden von anorganischen Körpern wie Glas, Glaskeramik, Keramik oder Quarz unter Verwendung von Metall und Aktivmetall, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die zu verbindenden Körper zunächst zumindest an einer der beiden zu verbindenden Flächen mit Metall versehen werden, dann die so vorbehandelten Körper zusammengesetzt und gegeneinandergepreßt werden und die Anordnung im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre wenigstens soweit erhitzt wird, daß die für die Bildung von Haftvalenzen zwischen dem anorganischen Körper und dem verbindenden Metall erforderlichen chemischen Verbindungen entstehen können.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktivmetall ein solches gewählt wird, das in der Lage ist, mit den für die Festigkeit des anorganischen Körpers wesentlichen Teilen Verbindungen einzugehen.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Verbindung erforderlichen Metalle aufgedampft werden.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle derart aufgebracht werden, daß der erforderliche innige Kontakt zwischen Metall und anorganischem Körper durch eine derartige plastische Verformung der Metalle herbeigeführt werden kann, daß die Festigkeit des wirksam werdenden Querschnittes der Metall-Zwischenlage die Scherfestigkeit des anorganiechen Körpers in seinen beanspruchten Zonen nicht aber; trifft.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufzubringende Metallachicht vor dem Zusammenfügen der Teile in bekannter Weise, z.B. durch Ätzen, in Bereiche geringen Querschnittes aufgeteilt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalle in Form von Pulver oder Spänen verteilt aufgebracht werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver chemische Verbindungen des oder der Metalle enthält, die bei der Weiterbearbeitung in Metall und weitere, nicht störende, Bestandteile zerfallen.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch gesteuerten Verfehrensablauf das Metall einerseits chemische Verbindungen mit dem anorganischen Körper eingeht und andererseits untereinander zusammengesintert wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den zu verbindenden Flächen Metallechichten aus Grundmetall und/oder Aktivmetall gebildet werden und diese Plächen durch zwischengefügtes Pulvermaterial zussmmengesintert werden.
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