DE3514320C2

DE3514320C2 - Keramik/Metall-Verbundgebilde

Info

Publication number: DE3514320C2
Application number: DE3514320A
Authority: DE
Inventors: Masaya Ito; Noboru Ishida
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1984-04-20
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1997-09-11
Anticipated expiration: 2005-04-20
Also published as: JPS60226464A; US4723862A; DE3514320A1; JPH049753B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Keramik/Metall-Verbundgebilde, bei welchem ein Keramiksinter an ein Metall angelötet ist, wobei zwischen den Keramiksinter und das Metall eine dünne Lage aus einem gesinterten keramischen Material einer Stärke entsprechend 1,5 bis 20% der Breite der einander entsprechenden Flächen eingefügt ist.

Das Verbinden von keramischen Materialien mit Metallen bereitet erhebliche Schwierigkeiten, da das große Miß verhältnis in der Wärmeausdehnung zwischen keramischen Materialien und Metallen für die Entwicklung von Restspannungen aus einer Wärmespannung verantwortlich ist. Diese Restspannungen führen häufig zu einer Fehlerbil dung im keramischen Teil. Derzeit gibt es zwei Techniken zum Verbinden von keramischen Materialien mit Metallen, bei denen der keramische Teil nicht beschädigt wird.

Eine Technik besteht in der Verwendung von Materialien mit ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie Aluminiumoxid und Co-Ni-Fe-Legierungen, die andere be steht in der Einfügung eines Metalls mit einem Wärme ausdehnungskoeffizienten nahe dem des keramischen Ma terials.

Diese Maßnahmen eignen sich jedoch nicht bei kerami schen Materialien, wie Siliziumnitrid, mit kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten Wolfram ist eines der Metalle mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wegen seines hohen Preises und seiner Sprödigkeit sowie Seiner leichten Oxidierbarkeit eignet sich Wolfram bei eine geringe Wärmeausdehnung aufweisenden keramischen Materialien, die in hoher Temperatur und konstanten Schwingungen hoher Größenordnung ausgesetzten Teilen rund um Brennkraftmaschinen zum Einsatz gelangen können, überhaupt nicht als Paßmetall oder Metalleinfügung. Es wäre folglich zweckmäßig, wenn man eine geringe Wärme ausdehnung aufweisende keramische Materialien direkt an Eisen- oder Aluminiumlegierungen binden könnte.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zum Verbinden von keramischen Materialien und Metallen wird ein Gemisch aus einem keramischen Material und Metall, dessen Wärme ausdehnungskoeffizient sich schrittweise ändert, auf thermische Weise auf die Paßfläche des keramischen Ma terials aufgesprüht und diese dann durch Reibung, Druck oder in sonstiger geeigneter Weise an das Metall gebun den. Dieses Verfahren ist jedoch nicht besonders wirk sam, da es große Schwierigkeiten bereitet, einen auf thermischem Wege aufgesprühten Überzug eines fortlaufen den Profils von Wärmeausdehnungsänderungen herzustellen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Keramik/ Metall-Verbundgebilde mit fester Haftung zwischen einem keramischen Material niedrigen Wärmeausdehnungskoeffi zienten und einem üblichen Metall, z. B. einer Eisen- oder Aluminiumlegierung, anzugeben.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Keramik/Metall Verbundgebilde gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Das Verbundgebilde ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die dünne keramische Lage und das Metall und zwischen den Keramiksinter und die dünne keramische Lage jeweils eine dünne Metallfolie eingefügt ist, und daß alle jagen durch Löten miteinander verbunden sind.

Die Ausdrücke "Keramiksinter" und "keramischer Sinter" werden synonym benutzt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläu tert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein gemäß Beispiel hergestelltes und getestetes Verbundgebilde;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Schlag tests nach Izod;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein gemäß Beispielen 2 und 3 hergestelltes und getestetes Verbund gebilde;

Fig. 4 einen Querschnitt durch ein gemäß Beispiel 2 hergestelltes und getestetes Verbundgebilde und

Fig. 5 und 6 Längsschnitte durch die obere Hälfte von Wellen, in denen ein erfindungsgemäßes Keramik/ Metall-Verbundgebilde zum Einsatz gelangt.

Erfindungsgemäß ist die Stärke oder Dicke der zwischen einen keramischen Sinter und ein Metall eingefügten dün nen Lage aus einem keramischen Material auf 1,5-20% der Breite der Keramiksinter- und Metallpaßflächen be grenzt. Wenn die Stärke oder Dicke der Lage unter 1,5% der Breite der Paßflächen liegt, ist die Lage schwach und reißanfällig. Ist dagegen die Dicke oder Stärke der Lage größer als 20% der Breite der Paßflächen, erhöht sich die Steifigkeit der Lage so stark, daß das Ergeb nis im wesentlichen einer direkten Verbindung des kera mischen Sinters mit dem Metall entspricht. In letzterem Falle bricht der keramische Sinter, selbst wenn er an das Metall angelötet ist, leicht infolge von sich aus der Wärmespannung nach dem Löten entwickelnden Rest spannungen.

Zur Gewährleistung einer festen Haftung zwischen dem keramischen Material und dem Metall sollte die als Ein fügung verwendete dünne Lage aus einem keramischen Ma terial mindestens eines der folgenden Erfordernisse er füllen:

1. Ihr Wärmeausdehnungskoeffizient sollte entweder mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen Sinters vergleichbar sein oder zwischen den Wärme ausdehnungskoeffizienten des keramischen Sinters und des Metalls liegen;
2. sie sollte einen Young-Modul aufweisen, der nicht größer ist als der Young-Modul des keramischen Sin ters und
3. sie sollte eine Biege- oder Zugfestigkeit aufweisen, die mindestens 70% der Festigkeit des keramischen Sinters beträgt.

Diese Erfordernisse lassen sich ohne weiteres erfüllen, wenn die dünne Lage aus demselben Material besteht wie der keramische Sinter.

Die dünne Lage und der keramische Sinter können aus den verschiedensten keramischen Materialien, z. B. Silizium nitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumcarbid oder Bornitrid oder einer Keramikmetallmischung, in welcher solche keramische Materialien und Metallphasen im Mikro strukturmaßstab innig ineinander dispergiert sind, be stehen. Die mit erfindungsgemäßen Verbundgebilden er reichbaren Vorteile sind besonders ausgeprägt, wenn Siliziumnitrid und Sonstige keramische Materialien mit geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden. Wie bereits erwähnt, besteht die als Einfügung dienende dünne Lage vorzugsweise aus demselben Material wie der keramische Sinter. Wenn also der keramische Sinter aus Siliziumnitrid besteht, sollte auch die als Einfügung dienende dünne Lage aus Siliziumnitrid bestehen.

Zur Gewährleistung einer noch festeren Haftung zwischen dem keramischen Sinter und dem Metall kann zwischen das Metall und die dünne Lage aus einem keramischen Material eine dünne Metallfolie eingefügt werden. Eine solche dünne Metallfolie kann auch zwischen den keramischen Sinter und die dünne keramische Lage eingefügt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Verbund gebildes gemäß der Erfindung liegen zwischen dem kerami schen Sinter und dem Metall abwechselnd dünne Keramik lagen und dünne Metallfolien. Wie auch die als Einfügung dienende dünne keramische Lage, sollte die dünne Metall folie vorzugsweise aus einem Material bestehen, das zur Entspannung sämtlicher gegebenenfalls aus einer Wärme spannung nach dem Löten entwickelter Restspannungen fähig ist. Zu diesem Zweck geeignete Materialien sind Silber, Kupfer und sonstige Metalle geringen Young-Moduls in der Größenordnung bis zu 14,7 × 10⁴ MPa.

Der keramische Sinter, das Metall und etwaige sonstige Bestandteile eines Verbundgebildes gemäß der Erfindung können mit üblichen bekannten Lötfüllstoffen, z. B. sol chen auf der Basis von metallischem Silber, Nickel, Kupfer und Aluminium oder von Legierungen gebunden wer den. Der keramische Sinter kann nach einer Metallisie rung der Paßflächen des keramischen Sinters und der als Einfügung dienenden dünnen keramischen Lage mit dem durch kräftiges Erwärmen im Vakuum gebildeten Metall dampf an das Metall angelötet werden. Andererseits kön nen die Paßflächen durch Erwärmen eines Gemischs eines aktiven Metalls, wie Titan oder Zirkonium, und eines weiteren Metalls, wie Silber, Kupfer oder Nickel, in nicht-oxidierender Atmosphäre metallisiert oder aneinan dergelötet werden.

Erfindungsgemäß läßt sich ein keramischer Sinter ohne Schwierigkeiten durch bloßes Löten mit einem ge wünschten Metall verbinden. Das erfindungsgemäß er haltene Verbundgebilde erfordert lediglich neben den miteinander zu verbindenden Komponenten eine als Ein fügung dienende dünne keramische Lage. Man benötigt keine Metalleinfügung eines Wärmeausdehnungskoeffizien ten nahe dem des keramischen Sinters. Auch ist es nicht erforderlich, ein Paßmetall eines Wärmeausdehnungs koeffizienten nahe dem des keramischen Sinters aufzu wählen. Ein weiterer Vorteil eines erfindungsgemäßen Verbundgebildes beruht darauf, daß sogar keramische Sinter aus Materialien niedrigen Wärmeausdehnungs koeffizienten leicht und fest ohne Mitverwendung von teurem Wolfram als Einfügung an das Paßmetall gebunden werden können. Die erfindungsgemäß als Einfügung die nende dünne Lage besteht aus einem keramischen Material und nicht aus einem spröden und leicht oxidierbaren Me tall, wie Wolfram. Folglich eignen sich erfindungsgemäß erhältliche Keramik/Metall-Verbundgebilde zur Verwen dung in Bestandteilen in Brennkraftmaschinen, die erhöh ten Temperaturen und starken Vibrationen ausgesetzt sind, z. B. als Teile von Gasturbinen und Wellenverbindungen in Turboladern.

Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung näher ver anschaulichen.

Beispiel 1

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist mit Hilfe eines Lötfüll stoffs 4 ein Keramiksinter 1 zusammen mit einer dünnen keramischen Einfügung 3 an ein Metall 2 gebunden. Durch Ändern entweder der Stärke der keramischen Einfügung 3 oder des Sinterverfahrens zur Herstellung derselben werden fünf verschiedene Verbundgebilde 5 hergestellt.

Der Keramiksinter 1 besteht aus einem Stab eines Durch messers von 15 mm und einer Länge von 40 mm, der durch Sintern eines Preßlings aus 86%igem Si₃N₄ bei Atmosphären druck hergestellt wurde. Das Metall 2 besteht aus einem Kovar-Stab (Stab aus einer Co-Ni-Fe-Legierung) der Sel ben Abmessungen (Durchmesser: 15 mm; Länge: 40 mm). Die keramische Einfügung 3 besteht aus Si N und wurde entweder durch Normalsinterung oder HIP-Sinterung in den sich aus Tabelle I ergebenden vier Größen herge stellt.

Tabelle I

Zur Vorbereitung des Lötvorgangs werden die drei Paß flächen, d. h. die Unterseite des Keramiksinters 1 und beide Oberflächen der keramischen Einfügung 3, nach und nach mit den Dämpfen von Zirkonoxidpulver (0,2 µm), Chrompulver (0,2 µm) und Silberpulver (5,0 µm) metalli siert. Beim nachfolgenden Löten mit einem reinen Sil berfüller 4 in einem Wasserstoffofen bei 1000°C werden unter Verwendung der keramischen Einfügungen (a) bis (e) fünf Verbundgebilde A bis E hergestellt.

Durch direktes Verlöten eines Keramiksinters 1 mit einem Metall 2 wird ein Vergleichsverbundgebilde F hergestellt. Die beiden Komponenten bestehen aus den selben Materialien mit denselben Abmessungen, wie sie bei der Herstellung der Prüflinge A bis E verwendet wurden. Wiederum wird die Paßfläche des Keramiksinters 1 durch aufeinanderfolgende Ablagerung der Dämpfe von Zirkoniumpulver (0,2 µm), Chrompulver (0,2 µm) und Silberpulver (5,0 µm) metallisiert. Danach wird der Keramiksinter mittels eines reinen Silberfüllers in einem Wasserstoffofen bei 1000°C an das Metall gelötet.

Schließlich werden die Prüflinge A bis F einem Schlag zähigkeitstest nach Izod unterworfen, um ihre Binde festigkeit an der Stoßstelle zu ermitteln. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird dieser Test in der Weise durch geführt, daß ein Anschlag an einem Punkt P 10 mm ober halb der Paßfläche des Keramiksinters 1 bei mittels einer Klemme fixiertem Metall 2 erfolgt. Die Tester gebnisse finden sich in der folgenden Tabelle II.

Tabelle II

Sämtliche Schlagzähigkeitswerte nach Izod sind Durch schnittswerte von drei Prüflingen pro Verbundgebilde. Die Prüflinge mit den Sternchen stellen erfindungsgemäße Verbundgebilde dar.

Der Prüfling A enthält eine keramische Einfügung 3, de ren Stärke lediglich 1,33% seines Durchmessers beträgt. Die Schlagzähigkeit dieses Prüflings beträgt lediglich 4,4 kg·cm und ist damit noch niedriger als die Schlag zähigkeit des Vergleichsprüflings F ohne keramische Ein fügung. Der Prüfling B enthält eine keramische Einfügung, deren Stärke 3,3% seines Durchmessers ausmacht. Die Schlagzähigkeit nach Izod des Prüflings B beträgt 12,8 kg·cm. Eine zu dünne keramische Einfügung kann die Restspannungen, die aus einer Wärmespannung nach dem Löten herrührt, nicht entspannen. Die Stärke der kerami schen Einfügung muß mindestens 1,5% des Prüflingsdurch messers bzw. der Breite der Paßflächen betragen.

Der Prüfling D mit einer 4 mm dicken keramischen Einfü gung besitzt ebenfalls nur einen niedrigen Schlagzähig keitswert nach Izod (5,1 kg·cm) und ist damit ebenfalls schwächer als der Vergleichsprüfling F. Andererseits besitzt der Prüfling C mit einer 2 mm dicken kerami schen Einfügung einen Schlagzähigkeitswert nach Izod von 8,6 kg·cm. Daraus geht hervor, daß auch eine zu dicke keramische Einfügung keine ausreichende Binde festigkeit zu gewährleisten vermag. Demzufolge sollte also die Stärke der Einfügung nicht mehr als 20% der Breite der Paßfläche betragen. Eine übermäßig dicke keramische Einfügung ist so starr, daß das Verbundge bilde praktisch einem durch direkte Verbindung des Keramiksinters mit dem Metall erhaltenen Verbundgebilde entspricht. Der Keramiksinter ist in diesem Falle riß anfällig, was auf die Restspannungen aus einem Wärme ausdehnungsmißverhältnis nach dem Löten zurückzufüh ren ist.

Von den sechs getesteten Prüflingen besitzt der Prüf ling E die höchste Schlagzähigkeit nach Izod, nämlich 14,1 kg·cm. Die bei diesem Prüfling verwendete kerami sche Einfügung besitzt dieselben Abmessungen wie sie auch die beim Prüfling B verwendete Einfügung aufweist, erstere wurde jedoch durch HIP-Sinterung, letztere da gegen durch normale Sinterung hergestellt. Von den bei den Sinterverfahren liefert das HIP-Verfahren eine größere Biegefestigkeit. Folglich sollte man bei der Herstellung eines Verbundgebildes größerer Bindefestig keit eine stärkere keramische Einfügung verwenden.

Beispiel 2

Es werden zwei verschiedene Verbundgebilde hergestellt. Eines derselben - in Fig. 3 mit 16 bezeichnet - besteht aus einem keramischen Sinter 11 und einem Metall 12, die zusammen mit einer dünnen keramischen Einfügung 13 und einer dünnen Metalleinfügung 14 mittels eines Löt füllstoffs 15 miteinander verbunden sind. Das andere - in Fig. 4 mit 27 bezeichnet - besteht aus einem kerami schen Sinter 21 und einem Metall 22, die unter Ver wendung eines Lötfüllstoffs 26 zusammen mit einer zwi schen zwei dünnen Metalleinfügungen 24 und 25 befind lichen dünnen keramischen Einfügung 23 miteinander ver bunden sind.

Die beiden keramischen Sinter 11 und 21 bestehen aus Stäben eines Durchmessers von 15 mm und einer Länge von 40 mm, die durch normale Sinterung aus einem kerami schen Pulver (86% Si₃N₄) hergestellt wurden. Die beiden Metalle 12 und 22 bestehen aus Kohlenstoffstahl- (JIS-S 45C)-Stäben der angegebenen Abmessungen. Aus den in der folgenden Tabelle III angegebenen Materia lien werden vier als Einfügungen dienende Lagen der ebenfalls in der Tabelle angegebenen Abmessungen her gestellt und bei der Herstellung der Verbundgebilde 16 bzw. 27 zum Einsatz gebracht.

Tabelle III

Die vier als Einfügung dienende Lagen (b), (f), (g) und (h) werden zur Herstellung von vier Verbundgebilden G bis J in einem Wasserstoffofen (900°C) durch Verbinden mit Hilfe eines Lötfüllstoffs 15 bzw. 26 aus einem eutektischen Gemisch aus 72% Ag und 28% Cu in verschie dener Weise miteinander kombiniert. Wie in Beispiel 1 beschrieben, werden die Paßflächen von (b) und (f) bzw. die Unterseite des keramischen Sinters 11 (oder 21) durch schrittweises Bedampfen mit den Dämpfen eines Zirkonpulvers (0,2 µm), Chrompulvers (0,2 µm) und Silberpulvers (5,0 µm) vor dem Lötvorgang metallisiert. Die Lage aus der Keramikmetallmischung (h) besteht aus Titancarbid und Nickel.

Die Verbundgebilde G und H entsprechen dem Verbundge bilde 16 (vgl. Fig. 3) mit zwei Einfügungen 13 und 14. Beim Verbundgebilde G besteht die Einfügung 13 aus der Lage (b), die Einfügung 14 aus der Lage (g). Beim Verbundge bilde H besteht die Einfügung 13 aus der Lage (f), die Einfügung 14 aus der Lage (g). Die Verbundgebilde I und J entsprechen dem Verbundgebilde 27 (vgl. Fig. 4) mit drei Einfügungen. Beim Verbundgebilde I bestehen die Einfügungen 24 und 25 aus der Lage (g), die Einfügung 23 aus der Lage (b). Beim Verbundgebilde J bestehen die Einfügungen 24 und 25 aus der Lage (g), die Einfügung 23 aus der Lage (h). Wie in Beispiel 1 wird in entspre chender Weise ein Vergleichsverbundgebilde K herge stellt, bei dem jedoch der keramische Sinter 11 (bzw. 21) direkt an das Metall 12 (bzw. 22) gebunden ist.

Die erhaltenen Verbundgebilde G bis K werden entspre chend Beispiel 1 im Rahmen des Schlagzähigkeitstests nach Izod auf ihre Bindefestigkeit hin untersucht. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse finden sich in der folgen den Tabelle IV.

Tabelle IV

Ein Vergleich der Ergebnisse zeigt folgendes:
Vergleicht man die Verbundgebilde B und G, so zeigt es sich, daß man im Falle, daß das Material der kerami schen Einfügung dasselbe ist, eine größere Binde festigkeit erreicht, wenn man die keramische Einfügung mit einer dünnen Metalleinfügung kombiniert. Die Er gebnisse bei dem Verbundgebilde I zeigen die Wirksam keit einer Erhöhung der Zahl der mit der keramischen Einfügung zu kombinierenden Metalleinfügungen.

Beim Verbundgebilde H wird eine Aluminiumoxideinfügung verwendet. Deren Biegefestigkeit beträgt nur etwa die Hälfte der Biegefestigkeit des Keramiksinters auf Si₃N₄-Basis, weswegen auch die Schlagzähigkeit nach Izod dieses Verbundgebildes lediglich 3,7 kg·cm be trägt. Wie bereits in Beispiel 1 ausgeführt, erreicht man bessere Ergebnisse bei Verwendung einer dünnen Keramikeinfügung größerer Biegefestigkeit. Vorzugs weise sollte die als Einfügung verwendete dünne Lage eine Biegefestigkeit von mindestens 70% der Biege festigkeit des Keramiksinters aufweisen.

Die beim Verbundgebilde J verwendete Keramikeinfügung besteht aus einer Keramikmetallmischung, die durch Sintern eines Gemischs aus Titancarbid und Nickel her gestellt wurde. Da dieses Verbundgebilde eine Schlag zähigkeit nach Izod von 11,9 kg·cm aufweist, kann die eine wesentliche Komponente erfindungsgemäßer Verbund gebilde bildende Keramikeinfügung auch aus einem Keramik metallgemisch bestehen, bei dem keramische und metalli sche Phasen im Mikrostrukturmaßstab innig ineinander dispergiert sind.

Beispiel 3

Es wird ein Verbundgebilde entsprechend dem Verbundge bilde G von Beispiel 2 hergestellt. Hierbei bedient man sich praktisch desselben Herstellungsverfahrens mit Ausnahme des Lötens des Keramiksinters an eine kerami sche Einfügung.

Titan-, Silber- und Kupferpulver einer Teilchengröße bis zu 0,055 mm und einer Reinheit von 99% werden in Mengen von 5, 70 und 25 Gew.-% gründlich miteinander gemischt, worauf die erhaltene Mischung mit einer ge eigneten Menge eines Bindemittels (Diethylenglykolbutyl ether) und 5 Gew.-% Ethylcellulose versetzt wird. Die einzelnen Bestandteile werden 1 h lang in einem Aluminiumoxidtopf unter Verwendung von Aceton als Lösungsmittel mit Hilfe von Aluminiumoxidkugeln naß ge mischt. Der hierbei erhaltene Lötfüllstoff wird durch Siebdruck auf die Paßfläche des Keramiksinters aufge druckt, wobei auf dieser ein Füllstoffüberzug einer Stärke von nicht mehr als 100 µm gebildet wird.

Mit dem derart behandelten Keramiksinter wird eine Keramikeinfügung entsprechend der Lage (b) verbunden. Nach Entfernen des Bindemittels bei einer Temperatur von 500°C wird das Ganze 3 min lang bei einem Druck in der Größenordnung von 133,3 × 10^-5 Pa auf 930°C erhitzt. Hierbei wird das Titan derartig aktiviert, daß die beiden Keramikteile miteinander ver lötet werden. Die Metalleinfügung wird in der bei der Herstellung des Verbundgebildes G (in Beispiel 2) ge schilderten Weise an den Stahl angelötet. Das erhaltene Verbundgebilde besitzt eine Schlagzähigkeit nach Izod von 13,4 kg · cm.

Die Ergebnisse zeigen, daß ein unter Verlöten des Kera miksinters an die Keramikeinfügung durch Metallaktivie rung, bei der praktisch keine Oberflächenpräparation erfolgt, erhaltenes Verbundgebilde eine Bindefestigkelt aufweist, die mit der Bindefestigkeit eines Verbundge bildes, das in üblicher bekannter Weise unter Metalli sierung der Paßflächen der Keramikteile durch Bedampfen mit Zirkonoxid, Chrom oder Silber hergestellt wurde, vergleichbar ist.

Die bei der Herstellung der Verbundgebilde gemäß Bei spielen 1 bis 3 verwendeten Keramiksinter bestehen aus Siliziumnitrid. Gleich gute Ergebnisse erzielt man je doch bei Verwendung von Sintern aus üblichen kerami schen Materialien, wie Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Sili ziumcarbid und Bornitrid.

Die mit der Keramikeinfügung in Beispiel 2 kombinierte Metalleinfügung besteht aus Kupfer. Diese Metalleinfügung kann auch aus einem anderen Metall mit niedrigem Young- Modul, z. B. Silber, bestehen. Der Zweck der Verwendung von Materialien niedrigen Young-Moduls besteht darin, die möglicherweise nach dem Lötvorgang aus einer Wärme spannung entstehende Restspannung zu vermindern. Das selbe gilt auch für das Material für die Keramikeinfü gung.

Folglich sollte die Keramikeinfügung vorzugsweise einen Young-Modul gleich dem oder geringer als der Young- Modul des Keramiksinters aufweisen. Um die mögliche Wärmespannung auf ein Mindestmaß zu senken, sollte der Wärmeausdehnungskoeffizient der Keramikeinfügung vor zugsweise gleich dem oder geringfügig höher als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramiksinters sein. Den Wärmeausdehnungskoeffizienten der keramischen Einfügung kann man je nach dem verwendeten Keramikmaterial durch Einarbeiten eines geeigneten Zusatzes modifizieren. So kann man beispielsweise durch Zusatz von Aluminiumoxid den Wärmeausdehnungskoeffizienten von Siliziumnitrid modifizieren. Zur Modifizierung des Young-Moduls der Keramikeinfügung kann man das Porenvolumen des kerami schen Materials durch geeignete Überwachung des Sinter vorgangs steuern.

Wie bereits erwähnt, wird mit zunehmender Biege festigkeit der Keramikeinfügung die Bindefestigkeit des Verbundgebildes höher. Dies erreicht man bei Ver wendung eines Materials, das sich vom Material des Keramiksinters unterscheidet. Im Hinblick auf den Young- Modul und den Wärmeausdehnungskoeffizienten wird jedoch vorzugsweise für die Keramikeinfügung und den Keramik sinter dasselbe Material verwendet. Eine größere Biege festigkeit erreicht man dann durch Anwendung einer unter schiedlichen Sintertechnik, beispielsweise des HIP-Ver fahrens.

Als Lötfüllstoffe kann man außer den in Beispielen 1 bis 3 verwendeten Lötfüllstoffen auch noch Füllstoffe auf Nickel-, Kupfer- und Aluminiumbasis verwenden.

Ein Verbundgebilde gemäß der Erfindung läßt sich, wie die Fig. 5 und 6 zeigen, bei einer Turbinenwelle verwen den. Die in Fig. 5 dargestellte Turbinenwelle besteht aus einer Keramikwelle 32 aus einem 86%igen Si₃N₄-Sinter, die auf der Kompressorseite mit einer aus einem Chrom molybdänstahl (JIS-SCM 435) bestehenden Metallwelle 33 verbunden ist. Die beiden Wellen sind miteinander mit Hilfe eines Verbundgebildes, das - wie im Falle des Ver bundgebildes G von Beispiel 2 - aus einer zwischen zwei dünnen Cu-Einfügungen 35 und 36 eingefügten Si₃N₄-Ein fügung 34 besteht, verbunden.

Die Turbinenwelle gemäß Fig. 6 entspricht der Turbinen welle gemäß Fig. 5 mit der Ausnahme, daß sowohl in der Keramikwelle 32 als auch im Verbundgebilde ein Hohlteil 38 ausgespart ist. Der Zweck dieses Hohlteils ist ein dreifacher:

1. er vermindert das Gewicht der Turbinenwelle;
2. er gewährleistet eine erhöhte Wärmeisolierung und
3. er gewährleistet eine größere Wellenfestigkeit durch Verminderung der nach dem Lötvorgang auftretenden Restspannung.

Zusammenfassend ergibt sich, daß ein Verbundgebilde ge mäß der Erfindung in höchst wirksamer Weise bei einer hohen Temperaturen und konstanten starken Schwingungen ausgesetzten Turbinenwelle Verwendung finden kann. Eine ein erfindungsgemäßes Verbundgebilde enthaltende Tur binenwelle zeichnet sich durch eine hohe Haltbarkeit aus, da die verwendete Stoßverbindung (in Form eines erfindungsgemäßen Verbundgebildes) eine hohe Festigkeit aufweist und gegen Bruch infolge Restspannungen ausrei chend geschützt ist.

Claims

1. Keramik/Metall-Verbundgebilde, bei welchem ein Keramiksinter an ein Metall angelötet ist, wobei zwischen den Keramiksinter und das Metall eine dünne Lage aus einem gesinterten keramischen Material einer Stärke entsprechend 1,5 bis 20% der Breite der einander entsprechenden Flächen eingefügt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die dünne keramische Lage und das Metall und zwischen den Keramiksinter und die dünne keramische Lage jeweils eine dünne Metallfolie eingefügt ist, und daß alle Lagen durch Löten miteinander verbunden sind.

2. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Keramiksinter und die dünne Lage aus demselben keramischen Material be stehen.

3. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß das keramische Material im wesentlichen aus Siliziumnitrid besteht.

4. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Ma terial der dünnen Lage aus einem Keramikmetallgemisch aus Titannitrid, Titancarbid und/oder Wolframcarbid (als keramisches Material) und Nickel, Kobalt, Molybdän und/oder Titan (als Metall) besteht.

5. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach einem oder mehre ren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die dünne Lage einen Wärmeausdehnungs koeffizienten besitzt, der entweder dem Wärmeaus dehnungskoeffizienten des keramischen Sinters ver gleichbar ist oder zwischen den Wärmeausdehnungs koeffizienten des keramischen Sinters und des Metalls liegt.

6. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach einem oder mehre ren der Vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die dünne Lage einen Young-Modul auf weist, der nicht größer ist als der Young-Modul des keramischen Sinters.

7. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach einem oder mehre ren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die dünne Lage eine Biege- oder Druck festigkeit entsprechend mindestens 70% der Biege- oder Zugfestigkeit des keramischen Sinters aufweist.

8. Keramik/Metall-Verbundgebilde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Metallfolie aus einem Metall eines Young-Moduls von bis zu 14,7 × 10⁴ MPa besteht.