DE2909026A1

DE2909026A1 - Klebemittel und verfahren zum verbinden keramischer stoffe

Info

Publication number: DE2909026A1
Application number: DE19792909026
Authority: DE
Inventors: Harry Alan Lawler
Original assignee: Carborundum Co
Current assignee: Kennecott Corp
Priority date: 1978-03-10
Filing date: 1979-03-08
Publication date: 1979-09-20
Also published as: GB2015910B; GB2015910A; CA1125447A; JPS54125216A; FR2419263A1

Description

PATENTANWÄLTE A.

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K. SCHUMANN

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8 MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE. 43

Klebemittel und Verfahren zum Verbinden keramischer Stoffe

Die Erfindimg besieht sich auf das Verbinden einzelner gesinterter keramischer Komponenten bzw. Stücke unter Bildung eines keramischen Verbundgegenstandes. Obgleich die Erfindung speziell im Hinblick auf Gegenstände besprochen wird, bei denen zumindest eine der keramischen Komponenten ein gesintertes Siliciumcarbidmaterial ist, so ist doch zu verstehen, daß andere keramische Materialien, beispielsweise andere gesinterte Carbidmaterialien wie etwa Titanearbid oder Wolframcarbid, als keramisches Material verwendet werden können.

Siliciumcarbid ist seit langem bekannt für seine Härte, !festigkeit und ausgezeichnete Widerstandsfähigkeit gegen Oxydation und Korrosion. Siliciumcarbid besitzt einen geringen Ausdehnungskoeffizienten, gute Wärmeübertragungseigenschaften und es behält bei erhöhten Temperaturen seine hohe festigkeit bei. Kürzlich, ist das Erzeugen von Siliciumcarbidmaterialien hoher Dichte durch Sintern von Siliciumcarbidpulvern entwickelt

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worden. Siliciumcarbidmaterialien hoher Dichte finden Anwendung bei der Herstellung von Komponenten für Turbinen, Wärme aus t aus ch einheit en, Pumpen und anderen Ausrüstungen oder Werkzeugen, welche schwerwiegender Korrosion bzw. schwerwiegendem Verschleiß ausgesetzt sind, insbesondere bei Arbeiten, welche bei hohen Temperaturen durchgeführt werden.

Keramische Körper bzw. Preßlinge können nach verschiedenen Gießbzw. Formverfahren gebildet bzw. gestaltet werden. Es können bekannte Bildungs- bzw. Gestaltungsverfahren angewandt werden v/ie etwa Kaltpressen, isostatisches Verformen, Gleitgießen, Extrudieren, Spritzgießen oder Umgießen oder Streifengießen. Der gestaltete keramische Körper wird anschließend zwischen etwa 2173 ° K (1900 ° C) und 2473 ° K (2200 ⁰C) gesintert und bildet einen dichten, harten Gegenstand.

Um keramische Siliciumcarbidmaterialien hoher Dichte und hoher Festigkeit zu erhalten, sind mannigfaltige Zusätze angewandt Worden. Von Alliegro und Mitarbeitern, J. Ceram. Soc, Bd. 39, Nr. 11, November 1956, Seiten 386 bis 389 ist beispielsweise eine Methode des Heißpressens von Siliciumcarbid bis zu Dichten der Größenordnung von 98 </o des Theoretischen durch Hinzusetzen von Aluminium und Eisen zur Unterstützung der Verdichtung offenbart worden. Sie haben gefunden, daß ein dichtes Siliciumcarbid aus einem Pulvergemisch erzeugt werden konnte, welches 1 Gew.$ Aluminium enthält. Ihr Produkt besaß einen Bruchmodul von 3797 kg/cm² bei Raumtemperatur und 4922 kg/cm² bei 1644 ° K (1371 ° C). Kürzlicher ist die Verwendung von Bor oder Beryllium als Sintermittel bzw. Verdichtungsmittel entwickelt worden. Solche Hilfsmittel werden gewöhnlich zum Pulver des keramischen Materials in Mengen im Bereich zwischen etwa 0,3 und etwa 5,0 Gew.$ Bor bzw. Beryllium hinzugesetzt. Die Sinterhilfsmittel können in Form von elementarem Bor "bzw. Beryllium, oder in Form von bor- bzw. berylliumhaltigen Verbindungen vorliegen. Bor ist der bevorzugte Zusatz aus Gründen der Handhabung und der Arbeitsverrichtung. Bor wird gewöhnlich in Form von Borcarbid angewandt. Beispiele von borhaltigen Siliciumcarbidpulvern und Methoden des Erzeugens gesinterter Gegenstände findet man in den USA-Patent-

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sehriften 3 852 099, 3 954 483 und 3 968 194.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren des Ausnutzens gesinterter Siliciumcarbidkörper als Komponenten von Gegenständen mit komplexer Gestalt, oder als Komponenten von Verbundgegenständen mit Oberflächen oder Teilen, welche hinsichtlich chemischer oder physikalischer Eigenschaften variieren.

Erfindungsgemäß kann ein keramisches Verbundmaterial erzeugt werden, indem man getrennte Komponenten keramischer Materialien mit einem Klebemittel verbindet, welches aus MoSip besteht bzw. dieses enthält. Der Verbundgegenstand bzw. der zusammengesetzte Gegenstand wird hergestellt, indem man die Oberflächen der miteinander zu verbindenden Komponenten in angrenzende Stellung bringt, man eine angemessene Menge an geschmolzenem MoSip zwischen die Komponenten bringt, und man das MoSip sich verfestigen läßt. Obgleich die Komponenten unter inerten Bedingungen auf eine Temperatur über 2303 ° K (2030 ⁰C) und vorzugsweise zwischen etwa 2323 ° K (2050 ° G) und 2373 ° K (2100 ° C) erhitzt werden können und geschmolzenes MoSip in die Verbindungsstelle gegossen wird, ist es bevorzugt, die angemessene Menge an MoSip längs der äußeren Oberfläche der vorgeschlagenen Verbindungsstelle aufzubringen, während die Komponenten und MoSip sich bei niederer Temperatur, beispielsweise Raumtemperatur befinden, und anschließend die Kombination unter inerten Bedingungen auf eine Temperatur von über 2303 ° K (2030 ° C), und vorzugsweise von etwa 2323 ° K (2050 ° C) bis etwa 2373 ° K (2100 ⁰C) zu erhitzen. Bei der letzteren Methode schmilzt das MoSip "bei etwa 2303 ° K und fließt in den Eaum zwischen den miteinander zu verbindendenkeramischen Komponenten. In jedem Falle werden die Komponenten dann abgekühlt und das Ergebnis ist ein Verlmndgegenstand, welcher mit M0SI2 zusammengeklebt ist. Die Erfindung erleichtert die Herstellung von keramischen Verbundgegenständen komplexer Gestalt und von Verbundgegenständen mit Oberflächen, welche speziellen Gebrauchszwecken angepaßt sind.

Der Ausdruck "inerte Bedingungen", wie er hier gebraucht wird,

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bedeutet Bedingungen, unter denen weder die keramischen Stoffe noch MoSio in wesentlichem Ausmaß reaktionsfähig sind. Ein Vakuum ist eine brauchbare inerte Atmosphäre und Atmosphären, inerter Gase wie etwa Argon sind äußerst brauchbar.

Gesintertes Siliciumcarbid ist ein·bevorzugtes keramisches Material. Das gesinterte Siliciumcarbid kann sich in der et- oder ß-Phase befinden. Solche keramischen Materialien können im wesentlichen vollständig, beispielsweise zu 95 Gew.^ oder mehr,aus Siliciumcarbid der α-Phase bestehen und können Gemische verschiedener Siliciumcarbidformen enthalten. Andere keramische Materialien wie etwa Titancarbid oder Wolframcarbid können verwendet werden, um Verbundartikel mit Oberflächen bzw. Teilen zu erzeugen, welche je nach den Erfordernissen bzw. dem Gebrauch des Verbundgegenstandes variierende physikalische oder chemische Eigenschaften besitzen.

Die Erfindung beinhaltet die Verwendung von MoSip als Keramik-■klebemittel. Das Klebemittel wird zum Verbinden getrennter Komponenten keramischer Stoffe unter Bildung eines Verbundgegenstandes verwendet. Die Komponenten werden so gelagert, daß die zu verbindenden Oberflächen aneinander angrenzen. Geschmolzenes MoSip wird unter inerten Bedingungen hinzugesetzt, um den Zwischenraum zwischen den Komponenten auszufüllen. Beim Verfestigen wird ein keramischer Verbundgegenstand erhalten.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Klebemittel zum Verbinden keramischer Stoffe. Das Klebemittel weist MoSi₂ auf. Die keramischen Materialien sind vorzugsweise gesinterte Qarbidmaterialien, und stärker bevorzugt ist mindestens die eine keramische Materialkomponente gesintertes Siliciumcarbid.

Die Oberflächen der zu verbindenden keramischen Komponenten werden in eine angrenzende Stellung gebracht. Geschmolzenes MoSi₂ setzt man unter inerten Bediigungen hinzu, um den Zwischenraum zwischen den Komponenten auszufüllen. Das MoSi₉ läßt man sich verfestigen, gewöhnlich durch Abkühlen, um einen zusammengesetzten verkitteten Gegenstand zu erzeugen. Überschüssiges

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verfestigtes HoSi₂ rings um den äußeren Teil der Verbindung kann man in geeigneter Weise durch Sandstrahlblasen entfernen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die Komponenten unter inerten Bedingungen auf eine Temperatur größer als 2303° K und vorzugsweise zwischen etwa 2323 ° K und 2373 ° E erhitzt. Es wird dann geschmolzenes MoSip zum Ausfüllen des Raumes zwischen den Komponenten hinzugesetzt. Das MoSip läßt man zur Erzeugung eines verklebten Verbundgegenstandes sich verfestigen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Oberflächen der miteinander zu verbindende! keramischen Komponenten in eine angrenzende Stellung gebracht, damit sich ein VerbindungsZwischenraum zwischen den Komponenten bildet. Eine Menge MoSip in gepulverter bzw. fester Form, welche ausreichend ist, um den Verbindungsraum zwischen den Komponenten auszufüllen, wird in Nachbarschaft des Verbindungszwischenraumes bzw. angrenzend an diesen gelegt. Die Komponenten und das MoSip -Klebemittel bringt man dann in einen Ofen und unter inerten Bedingungen steigert man die Temperatur auf mindestens 2303 ° K und vorzugsweise zwischen etwa 2323 ° K und etwa 2373 ° K. Bei solchen Temperaturen schmilzt das MoSip und fließt in den Ver— bindungsraum zwischen den Komponenten. Beim Abkühlen findet man, daß die Komponenten zu einem Verbund ge genstand sicher zusammengekittet sind.

Vorzugsweise verwendet man das MoSig-Ausgangsmaterial in Pulverform. Eine Partikelgröße von 200 Maschen (US-Sieb) oder weniger, ist als äußerst brauchbar befunden worden. Zum besseren Einlegen des gepulverten MoSi₂ und zur Gewährleistung, daß eine hinreichende Menge zum Einfließen in den Verbindungsraum zur Verfügung steht, wird das gepulverte MoSip-Ausgangsmaterial zweckmäßig anfangs mit einem Binder wie etwa einem Wachs gemischt. Binder, welche bei der Erfindung brauchbar sind, sind diejenigen, welche nach dem Erhitzen keinen Rückstand hinterlassen. Beispiele brauchbarer Binder sind PoIyäthylenglycol, Polyvinylalkohol, Paraffin und Methylcellulose.

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Das gepulverte MoSip und der Binder können geeignet gemischt und zu einer Pille bzw. Tablette geformt sein. Mengen an Binder zwischen etwa 2 und etwa 1o ^ sind zum Gebrauch zweckdienlich geeignet. Die Pille bringt man in Nachbarschaft der bzw. anstoßend an di.e zu verklebende Verbindungsstelle. Beim Erhitzen fließt das MoSi₂ in den Verbindungsraum und beim Abkühlen entsteht ein verklebter Verbundgegenstand.

Beispiel

Eine Platte aus gesintertem a-Siliciumcarbid von etwa 5,0 cm (2 Inches) im Quadrat mit einer Dicke von etwa 0,6 cm, bringt man auf eine ähnliche platte, wobei sich ein Verbindungszwischenraum zwischen ihren benachbarten Oberflächen bildet. Eine zylindrische Pille aus gepulvertem MoSip in. einer Matrix von etwa 5,0 Gew.76 Polyäthylenglycol, bringt man in Nachbarschaft der anstoßenden Oberflächen der Platten. Die Pille besitzt einen Durchmesser von etwa 1 ,3 cm und eine Dicke von etwa 0,6 cm. Die Platten und die Pille werden in einer Argonatmosphäre auf eine Temperatur von etwa 2323 ° K erhitzt. Bei dieser Temperatur schmilzt das MoSi₂ und fließt zwischen die Platten. Die Platten mit dazwischenbefindlichem MoSip werden dann abgekühlt. Man findet keinen Rückstand des Polyäthylenglyeolbinders. Die miteinander verbundenen Platten werden im Querschnitt zerschnitten und gesichtet. Man findet, daß der Yerbindungsraum im wesentlichen, vollständig mit festem, nicht porösem MoSip angefüllt ist und die Oberflächen der Platten längs der Verbindungsstelle sind vollkommen durch das MoSip-Klebemittel benetzt. Man findet, daß die Verbindung sicher und mechanisch fest ist.

Die Erfindung ist nicht auf die hier wiedergegebenen. Ausführungsformen allein abgestellt. Im Rahmen der Erfindung sind dem Fachmann vielmehr mannigfaltige Abänderungen ohne weiteres gegeben.

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Claims

Patentanwälte

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A. GRÜNECKER

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H. KINKELDEY

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W. STOCKMAIR

OR. ING AeE (CALTECH)

K. SCHUMANN

OR R£R MAT DPU-FHYS

P. H. JAKOB G- BEZOLD

DR RER ΝΑΓ - OtPL-CHEM.

THE CABBOBUKDUM COMPANY 1625 Buffalo Avenue

Niagara Falls, New York, USA

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MAXIMILIANSTRASSE 4.3

8. März 1979 P 13 578

Patentansprüche

1. Klebemittel zum Verbinden keramischer Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß es MoSi₂ enthält bzw. hieraus besteht.

2. Klebemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Binder aufweist.

3. Klebemittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder ein Wachs ist.

4. Klebemittel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachs Polyäthylenglycol ist.

5. Klebemittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der keramischen Stoffe gesintertes Siliciumcarbid ist.

6. Klebemittel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumcarbid sich in der α-Phase befindet.

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TELEFON {OBS) 23 28 62

TELEKOPIERER

- 2 - 290*026

7. Verfahren zum Verbinden getrennter Komponenten keramischer Stoffe unter Bildung eines zusammengesetzten Gegenstandes bzw. Verbundgegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) man die Oberflächen der zu verbindenden Komponenten in eine angrenzende Stellung bringt;

b) man den Raum zwischen den Oberflächen unter inerten Bedingungen mit geschmolzenem MoSi₂ anfüllt; und

c) man das geschmolzene MoSip unter Bildung eines Verbundgegenstandes sich verfestigen läßt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man Schritt b) ausführt, indem man gepulvertes MoSip auf eine äußere Oberfläche der Komponenten aufbringt, welche den miteinander zu verbindenden Teilen benachbart ist, und man die Komponenten und MoSip unter inerten Bedingungen auf mindestens 2303 ° K (2030 ° C) erhitzt, wodurch das geschmolzene MoSi₀ in den Raum zwischen den Oberflächen fließt,

C.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das MoSip in Form eines Gemisches von MoSip und eines Binders auf die äußere Oberfläche der zu verbindenden Komponenten bringt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch von MoSip und Binder in Stückchenform-, bzw. Pillenform vorliegt.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder ein Wachs ist.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die eine keramische Stoffkomponente gesintertes Siliciumcarbid ist.

13. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inerten Bedingungen aus einem Vakuum bestehen.

14. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die inerten Bedingungen aus einer Argonatmosphäre "bestehen.

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