DE3586971T2

DE3586971T2 - Reaktionsgebundene carbid-, nitrid-, borid-, silicid- oder sulfid-formkoerper.

Info

Publication number: DE3586971T2
Application number: DE8585302174T
Authority: DE
Inventors: Louis John Manfredo
Original assignee: Corning Glass Works
Current assignee: Corning Glass Works
Priority date: 1984-06-13
Filing date: 1985-03-28
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2005-03-29
Also published as: EP0164830A2; DE3586971D1; ATE84513T1; AU4345085A; ES542752A0; ES8603797A1; CA1253674A; NO173862C; NO852376L; BR8501545A; EP0164830A3; EP0164830B1; AU592532B2; JPS6131365A; NO173862B

Description

Die Erfindung betrifft reaktionsgebundene Carbid-, Nitrid-, Borid-, Silicid- oder Sulfid-Körper.
Die vorliegende Anmeldung steht in Verbindung mit den folgenden europäischen Patentanmeldungen:
83307832.2 (EP-A-0 115 688)
83307833.0 (EP-A-0 115 689)
83307834.8 (EP-A-0 115 177).
Auf die Offenbarung dieser Anmeldungen wird hiermit vollinhaltlich Bezug genommen; ihre Offenbarung bildet einen Teil dieser Anmeldung.
Die vorstehende Erfindung betrifft allgemein die Verbindung fester Körper, wobei wenigstens einer der Körper wenigstens teilweise aus einem Carbid, Nitrid, Borid, Silicid oder Sulfid von Elementen in den Gruppen 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (einschl. der Lanthaniden- und Actiniden-Reihen) 4b, 5b, 6b, 7b und 8 des Periodensystems, wie es im "Handbuch der Chemie und Physik, 47. Auflage, 1966-67", dargestellt ist, zusammengesetzt ist.
Derartige Festkörper können Cermetkörper sein, die eine erste Phase oder erste Phasen einer nicht-Oxid Keramikverbindung und eine zweite Phase oder zweite Phasen eines Metalls, einer Legierung und/oder einer intermetallischen Verbindung aufweisen. Die nicht-Oxid Keramikverbindungen sind die oben erwähnten Borid-, Carbid-, Nitrid-, Silicid- und Sulfidverbindungen oder deren Kombinationen. Die Kombinationen dieser Verbindungen können entweder zwei diskrete Phasen (z. B. ein Borid und ein Carbid) oder eine einzige Komplexphase (z. B. ein Borocarbid) sein. Cermetkörper dieses Typs werden in der verwandten EP-A-0 115 688 offenbart. In dieser Patentanmeldung werden bestimmte neue, sehr zähe und harte, reaktionsgesinterte Cermetkörper (und Verfahren zur Bildung dieser Cermetkörper) offenbart. Diese Cermetkörper sind reaktionsgesinterte, multiple Phasen feinkörniger, homogener, inniger Interdispersionen ausgewählter Boride, Nitride, Carbide, Silicide oder Sulfide und ausgewählter Metalle, Legierungen oder intermetallischer Verbindungen.
Derartige Cermetkörper können ebenfalls durch Vermischen, Formen und Erhitzen eines teilchenförmigen refraktären Metallborids mit entweder pulverförmigem oder geschmolzenem Aluminiummetall oder pulverförmiger oder geschmolzener Aluminiumlegierung hergestellt werden, um Cermetfestkörper der gleichen Borid- und Metall- oder Legierungsphasen zu erhalten (vgl. hierzu die US-Patentschrift No. 3,037,857). Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, Titandiboridpulver kaltzupressen, um einen porösen Körper zu bilden, der mit geschmolzenem Aluminium imprägniert ist (vgl. hierzu die US-Patentschrift 3,274,093). Die belgische Patentschrift No. 644,066, die US- Patentschrift 3,178,807 und die US-Patentschrift 3,459,515 offenbaren das Vermischen, explosionsartiges Kompaktieren und Erhitzen teilchenförmiger Mischungen aus Aluminium und bestimmten Carbiden und/oder Boriden, um Körper aus im wesentlichen den gleichen Aluminium- und Carbid- und/oder Boridphasen zu bilden. Die US-Patentschrift 3,328,280 beschreibt das Vermischen und, entweder gleichzeitig oder nacheinander, das Pressen und Erhitzen teilchenförmiger Mischungen aus Aluminiumnitrid und Titandiborid und/oder Aluminium.
Die vorstehende Erfindung betrifft weiterhin das Gebiet der Verbindung von Festkörpern, wobei wenigstens einer dieser Festkörper ein Oxid-Borid-Keramikkörper ist, der eine oder mehrere Oxidphasen und eine oder mehrere Boridphasen aufweisen kann. Derartige Oxid-Borid-Keramikkörper sind in der verwandten EP-A-0 115 689 offenbart. In dieser verwandten Patentanmeldung werden neue reaktionsgesinterte Keramikkörper und Verfahren zur Bildung dieser Keramikkörper offenbart, die durch Reaktionssinterung feinkörniger, homogener, inniger Interdispersionen ausgewählter Borid- und Oxidphasen hergestellt werden.
Derartige Oxid-Borid-Keramikkörper sind von der Art, die physikalisch aus Bestandteilen geformt sind, die den kristallinen Phasen in den Keramikkörpern entsprechen. Beispielsweise offenbart die US-Patentschrift 2,270,607 das Vermischen, Formen und Sintern von wenigstens 10 Gew.-% an Oxiden von Al, Zr, Be und/oder Th mit Boriden von W, Fe und ähnlichen Elementen, um Keramikkörper jener gleichen Phasen zu erhalten. Die US-Patentschrift 3,067,146 offenbart das Heißpressen oder Formen der Sinterung von Mischungen aus TiB&sub2;, Al&sub2;O&sub3;, und Cr&sub2;O&sub3;, um Keramikkörper aus im wesentlichen jenen gleichen Phasen zu bilden. In der US-Patentschrift 3,296,002 wird das Brennen poröser geformter Mischungen aus Aluminium und dessen Legierungen mit Boriden aus Cr, Mo, Ti, W und Zr in einer oxidierenden Atmosphäre offenbart, um poröse Aluminiumoxid-Borid-Keramiken zu bilden. In der US-Patentschrift 4,022,584 werden heißgepreßte oder geformte und gesinterte Mischungen aus Al&sub2;O&sub3;, MgO und Boriden von Metallen der Gruppen 4b, 5b und 6b offenbart, um Keramikkörper aus im wesentlichen diesen gleichen Phasen bereitzustellen. In der US-Patentschrift 4,110,260 wird das Sintern geformter Mischungen aus einer breiten Vielzahl von Bestandteilen einschließlich isolierender Keramiken wie Aluminium und Zirkoniumoxid und elektrisch leitender Substanzen wie Boriden von Ti und Zr offenbart. Die US-Patentschrift 4,343,909 beschreibt das Sintern gepreßter Mischungen aus Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;, TiB&sub2; und einem Kornwachstumsinhibitor, um ein Produkt aus im wesentlichen jenen gleichen Phasen zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin das Verbinden von Festkörpern, wobei wenigstens einer dieser Körper ein Keramikkörper ist, der eine oder mehrere Nitridphasen aus Al und/oder Si plus eine oder mehrere Phasen aus Borid, Carbid, Silicid und/oder Sulfid der Gruppen 3b, 4b, 5b und 6b enthält. Eine Kombination der letzteren Verbindungen kann entweder zwei diskrete Phasen oder eine einzige Komplexphase sein. Derartige Körper werden in der verwandten EP-A-0 115 177 beschrieben. In dieser verwandten Patentanmeldung werden ein neuer reaktionsgesinterter Keramikkörper und ein Verfahren zur Bildung dieses Körpers beschrieben, wobei der Körper durch Reaktionssinterung einer feinkörnigen, homogenen, innigen Interdispersion einer Nitridphase oder von Nitridphasen und einer Borid-, Carbid-, Silicid-, Sulfidphase oder Phasen aus einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3b einschließlich der Elemente der Lanthaniden- und Actinidenreihen, 4b, 5b und 6b hergestellt wird, um einen weniger als 4 Gew.-% Sauerstoff enthaltenden Körper herzustellen.
Derartige Keramikkörper umfassen denjenigen Typ, der physikalisch aus Bestandteilen gebildet wird, die den kristallinen Phasen in den Keramikkörpern entsprechen. Beispielsweise offenbart die US-Patentschrift 3,108,887 heißgepreßte teilchenförmige Mischungen aus AlN mit anderen Verbindungen, wobei die Verbindungen MX genannt werden, wobei M von X verschieden ist, und es ausgewählt wird aus Aluminium, Bor, Silicium, Seltenerdmetallen, Titan, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Vanadium, Columbium (Niobium), Tantal, Protaktinium, Chrom, Molybdän und Uran (obwohl kein Beispiel für eines dieser MX-Verbindungen angegeben wird). Die GB-Patentschrift 954,272 beschreibt Körper, die entweder gesintert oder heißgepreßt wurden, bestehend aus teilchenförmigen Mischungen aus AlN mit einem Borid von Titan, Zirkonium, Chrom oder Molybdän. Die US-Patentschriften 3,251,700 und 3,328,280 offenbaren heißgepreßte oder gesinterte teilchenförmige Mischungen aus TiB&sub2; und AlN. In diesem Zusammenhang wird auch auf die US-Patentschrift 3,143,413 Bezug genommen, die reaktions-heißgepreßte Keramik mit Phasen aus ZrN und entweder ThS, VaC oder ZrC offenbart, die durch ein unübliches Heißpreßreaktionsverfahren hergestellt werden, wozu der Durchtritt von elektrischem Strom durch die Reaktionsmischung während des Verfahrens gehört.
Typischerweise sind die oben erwähnten Körper, wenn sie sogar teilweise aus Carbiden, Nitriden oder Boriden zusammengesetzt sind, schwierig miteinander oder an andere Materalien wie Metalle oder Oxide verbindbar, weil sie nicht einfach sintern und leicht oxidiert werden. Weiterhin sind viele dieser Körper brüchig und, wenn sie an Körper mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verbunden werden, zerbrechen sie während der Wärmebeanspruchung. Sogar in den Fällen, in denen Verbindungen von geeigneter mechanischer Integrität erreicht werden, können die elektrischen Eigenschaften derartiger Verbindungen unerwünscht sein.
Zahlreiche Verfahren zum Verbinden verschiedener Nitrid-, Carbid-, Borid-, Silicid- und/oder Sulfid-Körper wurden offenbart. In Chemical Abstracts, No. 84:125906r (1976) wird ein Verfahren zum Reparieren zerbrochener Siliciumnitridartefakte durch Auffüllen der Risse mit einer Mischung aus pulverisiertem Si in einem weichmacherenthaltenden Bindemittel und anschließender Nitrierung beschrieben. In Chemical Abstracts, No. 94:144214m (1981) wird ein Verfahren zum Verbinden spezieller Keramiken an refraktäre Metallbestandteile unter Verwendung adhäsiver Materialien beschrieben, die aus Keramiken (Si&sub3;N&sub4;, SiC) und refraktären Metallen (Mo, W, Cr, Ni) bestehen, hergestellt durch Hochvakuum-Festzustandsbindung. In Chemical Abstracts No. 92:98204s (1980), wird die Verbindung von Carbid und Carbid-Graphit-Gegenständen mit zellulären porösen Strukturen unter Verwendung einer Behandlung des Verbindungsbereichs mit einer Metallschmelze beschrieben, die einen Carbid bildenden Bestandteil enthält, der anschließend hitzebehandelt wird. In Chemical Abstracts No. 81:53649x (1974) werden exotherme reaktive Materialien, insbesondere stöchiometrische und nicht-stöchiometrische Mischungen von Sn und Te, beschrieben, die reagieren, um metallurgische und chemische Bindungen zwischen den Bestandteilen zu bilden. Es wird beschrieben, daß die exotherme Bildung von Wärme die Energie liefert, durch die die metallurgische Verbindung hergestellt wird; weiterhin wird beschrieben, daß das Verfahren insbesondere in der Technologie der Herstellung von thermoelektrischen Kupplern für thermoelektrische Generatoren nützlich ist. In den Chemical Abstracts No. 71:32872p (1969), die auf die US-Patentschrift 3,480,492 verweisen, werden Additive enthaltende adhäsive Mittel beschrieben, die exotherme Reaktionen eingehen, die durch Ultraschallenergie aktiviert werden, die die adhäsiven Mittel erhitzt und die exotherme Reaktion initiiert. Die exotherme Reaktion fördert die Adhäsion durch Erhöhung der Benetzungswirkung des adhäsiven Mittels und dadurch, daß die nichtpolaren Oberflächen polar werden. In den Chemical Abstracts No. 71:33040g (1969) wird ein Vakuum-Heißpreß-Diffusionsbindungsverfahren beschrieben, um refraktäre Metallverbindungen aneinander und an Oxidkeramiken zu binden. Die Verbindungen werden aus ZrC an ZrB&sub2;, ZrN an ZrB&sub2;, ZrC an ZrN und ZrC, ZrN, und ZrB&sub2; an Al&sub2;O&sub3; gebildet. Jeder dieser dort offenbarten Verbindungen enthielt eine Schicht, die 50 Gew.-% eines jeden der zwei Endverbindungen enthielt. Diese Schicht, die sandwichartig zwischen jeder Endverbindung angeordnet ist, erhöht die Bindung und ebnet den Wärmeexpansionsgradienten zwischen den zwei Endelementen ein. Weiterhin einbezogen in diese Verbindungstests waren je TiC an TiB&sub2;, TiC an TiN, TiB&sub2; an TiN, und TiC an ZrB&sub2; Verbindungen.
Verschiedene Bindungsverfahren werden weiterhin in der Patentliteratur beschrieben. Es wird hier auf die folgenden Druckschriften verwiesen: Japan 57,179,082; Großbritannien 2091763A; UdSSR 700,299; Großbritannien 1,417,169; US 3,808,- 670; US 3,628,233; US 3,367,811; Großbritannien 1,047,421; US 3,372,732 und US 3,020,632. Roettenbacher et al., DVS Ber., 66:108-12 (1981); Muller-Zell et al., Energy Res. Abstr. 1980, 5(17), Abstract No. 27500; J.E. Kelly et al., Nucl. Sci. Abstr. 1969, 23(7), 12391.
Schließlich beschreibt die US-A-3,261,701 eine Zusammensetzung, die als wesentliche Bestandteile Aluminiumnitrid und Aluminiumborid enthält. In einem Beispiel dieser US-Patentschrift wird die Bindung von refraktären Rohren der erfindungsgemäßen Zusammensetzung unter Verwendung einer Paste aus Aluminium, Bornitridpulver und Boroxid, befeuchtet mit einer ausreichenden Menge an Ethylendiamin, um eine geschmeidige Paste zu erhalten, beschrieben.
In der US-A-3,607,613 wird ein elektrisch leitender refraktärer Körper beschrieben, der durch Verbindung wenigstens zwei derartiger kleiner Körper gebildet ist. Eine dünne Schicht des refraktären Körpers wird auf die Zwischenfläche zwischen die zwei Körper aufgebracht, die dann unter Druck erhitzt werden. Die kleineren Körper können aus einer Beimischung aus AlN, BN und TiB&sub2; gebildet werden, und das refraktäre Pulver kann ein Obergangsmetallborid, Carbid oder Nitrid sein.
In der US-A-3,353,954 wird ein Verfahren zur Herstellung von Verschmelzungen zwischen zwei oder mehreren Metallkeramikkörpern beschrieben, und zwar zwischen Keramik- und Metallkörpern und zwischen zwei oder mehr Metallkörpern. Das Verfahren ist ein Reaktions-Preßverfahren, welches als Schritte das vollständige Zusammenmischen von Elementen oder Verbindungen umfaßt, die in der Lage sind, zu reagieren, um eine oder mehrere Verbindungen des Intermetalltyps zu bilden und Ausbildung derartiger Verbindungen, wobei die Elemente oder Verbindungen Hitze- und Druckbedingungen unterworfen werden, um derartige Verbindungen vom Intermetall herzustellen. Verbindungen des Intermetalltyps, die hier beschrieben werden, umfassen Silicide, Boride, Aluminide, Titanide, Zirkonide, Antimonide, Germanide und Beryllide.
Gleichwohl besteht weiterhin ein Bedarf für Verfahren zur Verbindung von Festkörpern aus Carbid, Borid, Nitrid, Silicid oder Sulfid, um Verbundprodukte mit guten mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften herzustellen, die die leichte und ökonomische Herstellung dieser Körper zu einer Vielzahl von Formen und Größen durch Erhitzen bei relativ geringen Temperaturen erleichtern. Es kann beispielsweise schwierig sein, irgendein vorgegebenes Herstellungsverfahren zu verwenden, um Körper zu bilden, die in ihrer Größe und/oder ihrem Volumen stark variieren. Es kann weiterhin schwierig sein, derartige Verfahren zu verwenden, um Körper auszubilden, die die gewünschte Formkomplexität aufweisen. Demnach besteht ein Bedarf für ein einfaches und ökonomisches Verbindungsverfahren, welches derartige Schwierigkeiten verringert oder überwindet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbindung von Festkörpern aus Carbid, Borid, Nitrid, Silicid oder Sulfid bereitzustellen und die mit diesen Verfahren hergestellten Verbundprodukte bereitzustellen, welches im wesentlichen die aus dem Stand der Technik bekannten und oben beschriebenen Beschränkungen überwindet und welches in der Flexibilität der Herstellung derartiger Körper mit den spezifisch angepaßten und verbesserten Eigenschaften, wie sie hier beschrieben werden, eine größere technische und ökonomische Einfachheit bei der praktischen Anwendung erreicht.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, bestimmte vorteilhafte Produkteigenschaften bereitzustellen, wie sie im folgenden näher beschrieben werden.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Entdeckung, daß bestimmte schwierig miteinander verbindbare Festkörper aus Carbid, Borid, Nitrid, Silicid oder Sulfid unter Verwendung einer Mischung ausgewählter Vorläufer, die exotherm umgesetzt werden, um eine starke, elektrisch durchgehende Verbindung bereitzustellen, verbindbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt das Bereitstellen einer Mischung (intermixture) von Feststoffvorläufern, die in der Lage sind, exotherm zu reagieren, wobei die Vorläufer ausgewählt werden, um ein exothermes Reaktionsprodukt zu ergeben, ausgewählt aus der Gruppe, besteht aus:
(1) das Produkt besteht im wesentlichen aus:
(a) 30-95 Mol-% wenigstens eines Carbids, Nitrids, Sulfids oder deren Kombinationen aus einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 2a, 3a ausschließlich B, 4a, 2b, 3b, einschließlich der Elemente der Lanthaniden- und Actinidenreihen, 4b, 5b, 6b, 7b und 8; und
(b) 5-70 Mol-% einer zweiten Phase oder zweiter Phasen eines Metalls, einer Legierung oder deren Kombinationen aus einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3a ausschließlich von B, 4a, 1b, 2b, 4b, 5b, 6b, 7b und 8; und
(c) wobei die Verbindung weniger als etwa 4 Gew.-% Sauerstoff enthält;
(2) das Produkt besteht im wesentlichen aus folgendem:
(a) 10-90 Mol-% einer Boridphase oder von Boridphasen, wobei das Borid eine Verbindung mit einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3b einschließlich der Elemente der Lanthaniden- und Actinidenreihen, 4b, 5b und 6b darstellt; und
(b) 10-90 Mol-% einer Oxidphase oder von Oxidphasen, wobei das Oxid eine Verbindung mit einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3a, 4a, 3b, 4b, 5b, 6b und 8 darstellt; und
(3) das Produkt besteht im wesentlichen aus folgendem:
(a) 5-95 Mol-% einer Nitridphase oder Nitridphasen, wobei das Nitrid eine Verbindung mit Al oder Si oder beiden ist; und
(b) 5-95 Mol-% einer zweiten Phase oder zweiter Phasen, die ein Borid, Carbid, Silicid, Sulfid oder Kombinationen hiervon mit einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3b, einschließlich der Elemente der Lanthaniden- und Actinidenreihen, 4b, 5b und 6b sind, und
(c) die Verbindung weniger als etwa 4 Gew.-% Sauerstoff enthält;
Pressen dieser Mischung aus Vorläufern zwischen den Teilen der obengenannten, zu verbindenden Festkörper, um ein Intermediatlaminat zu bilden und Erhitzen dieses Laminates in Abwesenheit atmosphärischer Reaktanten auf eine Temperatur, die ausreicht, um eine exotherme Reaktion zu initiieren, die die Festkörper verbindet.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren dadurch ausgeführt, daß eine Schicht der reaktiven Mischung zwischen die vorgereinigten, sich gegenüberliegenden Flächen der zu verbindenden Körper aufgebracht wird. Das so gebildete Laminat wird anschließend einem Druck von wenigstens 35, bevorzugt 140-142 kg/cm² ausgesetzt, wonach eine Erhitzung auf nicht mehr als etwa 1600ºC durchgeführt wird, die entweder in einem Vakuum oder einer inerten Atmosphäre erfolgt. In bestimmten der hier offenbarten Ausführungsformen wird Wasserstoff freigesetzt und während des Erhitzungsverfahrens aus dem Laminat vor der Initiation der exothermen Reaktion, welche die Verbindung bildet, entfernt. Die erfindungsgemäßen Verfahren sind insbesondere hilfreich bei Verbindung von Stücken aus reaktions-heißgepreßten TiB&sub2;/Al-Verbundstoffen bei relativ geringen Temperaturen. Diese Verfahren verwenden die großen Energiemengen, die freigesetzt werden, wenn das hochstabile Borid gebildet wird. Gemäß einem bevorzugten Verfahren wird eine Intermischung aus kalziniertem TiH&sub2; und AlB&sub2; Vorläufern zwischen Stücke aus TiB&sub2;/Al-Verbundstoff gebracht, die Anordnung in eine Heißpresse gebracht, Druck ausgeübt und die Anordnung in Vakuum erhitzt. Bei etwa 1000ºC reagieren das Ti und AlB&sub2;, um TiB&sub2; und Al zu bilden. Die Temperatur der Verbindung erhöht sich abrupt um viele hundert Grad und unter dem Einfluß der lokal hohen Temperatur und des lokal hohen Druckes wird eine starke und elektrisch kontinuierliche Bindung gebildet, ohne die Ofentemperatur auf über etwa 1000ºC zu erhöhen.
Natürlich wird die Reaktionstemperatur durch die einzelnen Reaktanten und ihre bestimmte Reaktionstemperatur gesteuert, gleichgültig welcher Druck bei der Durchführung des Erhitzungsschritts ausgewählt wird.
Weitere Aufgaben und Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein neues Verfahren zur Verbindung von Festkörpern aus Carbid, Borid, Nitrid, Silicid oder Sulfid. Erfindungsgemäß ist einer oder mehrere der zu verbindenden Körper ein schwierig zu verbindendes Borid, Carbid, Nitrid, Silicid oder Sulfid. Insbesondere besteht dieser erste Körper im wesentlichen aus 5-100 Mol.-% einer ersten Phase oder erster Phasen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Borid, Carbid, Nitrid, Silicid oder Sulfid oder deren Kombinationen von Elementen in den Gruppen 2a, 3a, 4a, 2b, 3b einschließlich der Lanthaniden- und Aktinidenreihen, 4b, 5b, 6b, 7b und 8; und 0-95 Mol.-% einer zweiten Phase oder zweiter Phasen aus Metall, Legierung, intermetallischer Verbindung, Oxid oder deren Mischungen. Dieser erste Festkörper kann mit einem zweiten Festkörper verbunden werden, der im wesentlichen aus Material mit einer Phase oder mit Phasen besteht, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Borid, Oxid, Carbid, Nitrid, Silicid oder Sulfid oder deren Kombinationen von Elementen in den Gruppen 2a, 3a, 4a, 2b, 3b einschließlich den Lanthaniden- und Aktinidenreihen, 4b, 5b, 6b, 7b und 8, einem Metall, einer Legierung, und einem Intermetallmaterial oder Kohlenstoff oder deren Kombinationen.
Die oben erwähnten ersten und zweiten Festkörper können dadurch verbunden oder gebunden werden, daß eine Mischung (Intermischung) von Vorläufern bereitgestellt wird, die in der Lage sind, exotherm zu reagieren. Dem Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet ist bekannt, daß derartige exotherme Reaktionen in einer Reaktionssinterung der Sachvorläufer, und einer sich hieraus ergebenden Verbindung jener Vorläufer an benachbarte Materialien als Ergebnis einer Reaktion, die eine im wesentlichen negative Hitzebildung als ihre Triebkraft besitzt, resultieren können. Die gebildeten Produkte oder Körper müssen deshalb eine erniedrigtere freie Bildungsenergie aufweisen als die Reaktanten, aus denen sie hergestellt wurden. Die Elemente der Gruppen des Periodensystems, wie sie hier beschrieben werden, werden zur Verwendung als Vorläufer ausgewählt, um diese Grundsätze zu erfüllen. Insbesondere werden die Vorläufer ausgewählt, um ein exothermes Reaktionsprodukt, wie es hier beschrieben wird, zu erhalten.
Insbesondere werden in der nachfolgenden Auflistung molarer Reaktionen geeignete Vorläufer auf der linken und ihre sich ergebenden exothermen Reaktionsprodukte auf der rechten Seite angegeben (mit der Ausnahme von H&sub2; oder O&sub2;, die als Gase entfernt werden):
Ti + AlB&sub2; → TiB&sub2; + Al
TiH&sub2;+ AlB + B → TiB&sub2; + Al + H&sub2;
3 TiH&sub2; + AlB&sub2; + 0,3AlB&sub1;&sub2; → TiB&sub2; + 1,3Al + 3H&sub2;
3TiH&sub2; + 7A1 + 6B → 3TiB&sub2; + 7Al + 3H&sub2;
3TiH&sub2; + 3AlB&sub2; + 4Al → 3TiB&sub2; + 7Al + 3H&sub2;
NbH&sub2; + AlB&sub2; → NbB&sub2; + Al + H&sub2;
Cr + AlB&sub2; → CrB&sub2; + Al
Fe&sub2;B + 4TiH&sub2; + 7B → 4TiB&sub2; + 2Fe + 4H&sub2;
2WB + TiC → TiB&sub2; + WC + W
2Co&sub2;B + TiH&sub2; → TiB&sub2; + 4Co + H&sub2;
FeB + Ni → NiB + Fe
ZrH&sub2; + PtB&sub2; → ZrB&sub2; + Pt + H&sub2;
2Fe&sub2;B + U → UB&sub2; + 4Fe
Al&sub4;C&sub3; + 7Ti → 3TiC + 4TiAl
NiC + Hf → HEC + Ni
Si + VC → SiC + V
Al + 2BN + 4TI → TiB&sub2; + 2TiN + TiAl
TiN + Al → AlN + Ti
Cr&sub2;N + Ta → TaN + 2Cr
AlSi&sub2; + Ti → TiSi&sub2; + Al
TiAl + 2B → TiB&sub2; + Al
ZrH&sub2; + AlB&sub2; → ZrB&sub2; + Al + H&sub2;
TaSi&sub2; + Ti → TiSi&sub2; + Ta
CoSi&sub2; + Th → ThSi&sub2; + Co
Al&sub2;S&sub3; + 3Ce → 3CeS + 2Al
3 MnS + 2Al → Al&sub2;S&sub3; + 3Mn
FeS + Mn → MnS + Fe
1,5 PbS&sub2;+ 2Al → Al&sub2;S&sub3; + 1,5 Pb
CuS + Zn → ZnS + Cu
ZnS + Ba → BaS + Zn
3TiO&sub2; + 4Al + 6B → 3TiB&sub2; + 2Al&sub2;O&sub3;
2Al + B&sub2;O&sub3; + TiH&sub2; → Al&sub2;O&sub3; + TiB&sub2; + H&sub2;
TiAl&sub2; + B&sub2;O&sub3; → TiB&sub2; + Al&sub2;O&sub3;
2 ZrO&sub2; + 2AlB&sub2; → 2ZrB&sub2; + Al&sub2;O&sub3; + 0,5 O&sub2;
HfO&sub2; + 2NiB → HfB&sub2; + 2NiO
SiB&sub4; + Cr&sub2;O&sub3; → 2CrB&sub2; + SiO&sub2; + 0,5 O&sub2;
La&sub2;O&sub3; + 3 NiB + 9B → 2LaB6 + 3 NiO
TiO&sub2; + Zr + 2B → ZrO&sub2; + TiB&sub2;
CrO&sub3; + CeB&sub2; → CeO&sub2; + CrB&sub2; + 0,5 O&sub2;
ZrO&sub2; + MoB&sub2; → ZrB&sub2; + MoO&sub2;
HfO&sub2; + Pb + 2B → HfB&sub2; + PbO&sub2;
Nb&sub2;O&sub5; + 2AlB&sub2; + Al → 2NbB&sub2; + 1,5 Al&sub2;O&sub3; + 0,25 &sub2;
ThO&sub2; + VB&sub2; → VO&sub2; + ThB&sub2;
Cr&sub2;O&sub3; + 2AlbB&sub2; → 2CrB&sub2; + Al&sub2;O&sub3;
6TiO&sub2; + AlB&sub1;&sub2; + 7Al → 6TiB&sub2; + 4Al&sub2;O&sub3;
2AlB&sub2; + 2TiO&sub2; → 2TiB&sub2; + Al&sub2;O&sub3; + 0,5 O&sub2;
2AlB&sub2; + 2TiO&sub2; + xAl&sub2;O&sub3; (Verdünnungsmittel)
2TiB&sub2; + (1 + x) Al&sub2;O&sub3; + 0,5 O&sub2; (Gas)
3TiO&sub2; + 3B&sub2;O&sub3; + 10Al → 5Al&sub2;O&sub3; + 3TiB&sub2;
AlB&sub2; + TiN → TiB&sub2; + Al N
AlB&sub2; + LaN + 4B → AlN + LaB&sub6;
AlB&sub2; + TaN → AlN + TaB&sub2;
AlB&sub2; + MoN → AlN + MOB&sub2;
4Al + 2BN + CrN&sub2; → AlN + CrB&sub2;
Al + C + MoN → AlN + MoC
3SiC + 4WN + C → Si&sub3;N4 + 4WC
AlSi&sub2; + TiN → AlN + TiSi&sub2;
Al + 4Si + Ti&sub2;N → AlN + 2TiSi&sub2;
TiAl + BN + B → TiB&sub2; + AlN
3TiSi&sub2; + 8BN + TiH&sub2; → 4TiB2 + 2Si&sub3;N4 + H&sub2;
3TiN + Al4C&sub3; → 3TiC + 3AlN + Al
Al + 2Si + MoN → AlN + MoSi&sub2;
4LaN + 11 Si → Si&sub3;N&sub4; + 4LaSi&sub2;
4NbN + 11 Si → Si&sub3;N&sub4; + 4NbSi&sub2;
Al&sub2;S&sub3; + 2CeN + Ce → 2AlN + 3CeS
Al&sub2;S&sub3; + 3 CeN → 2AlN + 3CeS + 0,5 N&sub2;
Al&sub2;S&sub3; + 3CeN + Al → 3AlN + 3 CeS
Al&sub2;S&sub3; + 3TaN + Al → 3AlN + 3 TaS
2Al&sub2;S&sub3; + 2CrN&sub2; + Cr → 4AlN + 3CrS&sub2;
8S + 3 Si + 4TiN → Si&sub3;N&sub4; + 4 TiS&sub2;
Das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren wird durch Laminieren und bevorzugt durch Pressen einer Mischung der oben näher beschriebenen Vorläufer zwischen den Teilen der zu verbindenden Festkörper durchgeführt, um ein Intermediatlaminat zu bilden. Bevorzugt werden die sich gegenüberliegenden Flächen der zu verbindenden Körper vor diesem Preßschritt gereinigt. Beispielsweise kann die Reinigung durch Sandbestrahlen und Abschleifen der flachen Teile mit einem Siliciumcarbidabrasivstoff mit einer nachfolgenden Ultraschallbehandlung in Alkohol und Trocknung durchgeführt werden. Die Dicke der Schicht der Vorläufer, die zwischen die zu verbindenden Flächen gebracht wird, sollte unter Berücksichtigung der Fläche der Verbindung, der Wärmeeigenschaften jedes der zu verbindenden Körper, der beabsichtigten Endverwendung, der exothermen Eigenschaften der jeweils verwendeten Vorläufer und der jeweiligen Zusammensetzung der zu verbindenden Körper ausgewählt werden. Wie in den nachfolgenden Beispielen gezeigt wird, wurde gefunden, daß Schichten aus Vorläuferpulvern mit einer Dicke von etwa 1/8'' (etwa 0,3 cm) für die angegebenen Bedingungen geeignet sind.
Sobald das Intermediatlaminat gebildet wurde, sollte das Laminat in Abwesenheit atmosphärischer Reaktanten auf eine Temperatur erhitzt werden, die ausreicht, um eine exotherme Reaktion zu initiieren, die den Festkörper verbindet. Dieser Erhitzungsschritt kann in einer inerten Atmosphäre wie Argon oder bevorzugter in einem Vakuum durchgeführt werden. Die Durchführung des Bindungsverfahrens in einem Vakuum ist insbesondere wünschenswert, wenn Sauerstoff- oder Wasserstoffgas aus einem der Vorläufer vor oder während der exothermen Reaktion freigesetzt wird.
Bei der Auswahl der teilchenförmigen Reaktanten, die zur Verbindung der ausgewählten Festkörper nützlich sind, sollten die physikalische und die chemische Kompatibilität zwischen dem sich ergebenden exothermen Reaktionsprodukt und diesen Körpern berücksichtigt werden. Beispielsweise kann eine Verbindungsreaktion, die in einer freien Aluminiummetallphase resultiert, nicht mit einem Oxid kompatibel sein, welches durch Aluminium reduzierbar ist, einem Silicat. Eine gewisse chemische Reaktion mit den zu verbindenden Teilen ist jedoch wünschenswert, um eine starke Bindung zu bilden. Ein besonders wichtiger physikalischer Umstand ist der Unterschied in der Wärmeausdehnung zwischen den ersten und zweiten zu verbindenden Festkörpern und zwischen dem Verbindungsmaterial. Ernste Fehlpaarungen in der Wärmeausdehnung können Spannungen verursachen, die zu einem Bruch der Verbindung führen werden. Andererseits kann durch eine kluge Auswahl einer Bindungsreaktion eine Fehlpaarung in der Ausdehnung zwischen den zu verbindenden Festkörpern abgefangen werden. Beispielsweise beträgt der Wärmeausdehnungskoeffizient von polykristallinem α-Aluminiumoxid etwa 80·10&supmin;&sup7;/ºC über den Bereich von 25ºC bis 1000ºC. Der Koeffizient für polykristallines TiB&sub2; für den Bereich von 25ºC bis 1000ºC beträgt 90·10&supmin;&sup7;/ºC. Eine insbesonders gute Verbindungsreaktion für die aus den oben genannten Materialien zusammengesetzten Festkörper würde deshalb wie folgt aussehen:
3AlB&sub2; + 3TiO&sub2; + Al = 3TiB&sub2; + Al&sub2;O&sub3;.
Die sich hieraus ergebende Verbindung sollte einen zusammensetzungsmäßig abgestuften Puffer ergeben, um die durch die Wärmeausdehnungs-Fehlpaarung verursachten Spannungen zu minimieren. Eine hervorrangende Verbindung kann auch dadurch erhalten werden, wenn die Elementarzusammensetzung der ersten und zweiten Festkörper, und die der exothermen Reaktionsprodukte die gleichen sind.
Im allgemeinen werden die teilchenförmigen Vorläuferreaktanten gemäß den oben genannten molaren Formeln in stöchiometrischen Anteilen gemischt, um die erwünschten exothermen Reaktionsprodukte zu bilden. Jedoch können nichtstöchiometrische Anteile verwendet werden, um die Anteile der Verbindung zu variieren oder das Reaktionsverfahren zu kontrollieren. Pulverförmiges Verdünnungsmaterial kann ebenfalls zugegeben werden, und zwar während der Bildung beider Körper, die zu verbinden sind, oder zu den Vorläufern, die in der Verbindung selbst resultieren. Das Verdünnungsmaterial kann eines der Elemente der Reaktanten enthalten oder eines der Elemente der Reaktanten selbst sein oder es kann das gleiche sein wie eines der Reaktions-gebildeten Phasen in den Produkten, oder es kann ein anderes geeignetes Material sein, welche alle verwendbar sind, um die Reaktionssinterung oder die Eigenschaften des erhaltenen Produktes zu kontrollieren. Die Menge an Verdünnungsmittel oder an Verdünnungsmitteln muß geringer sein als die Menge, die das Erreichen einer geeigneten Bindung zwischen den ersten und den zweiten Körpern beeinflussen würde.
Die Vorläufer können in irgendeiner geeigneten, dem auf dem Keramikgebiet arbeitenden Fachmann geläufigen Weise gemischt oder vermischt werden, um eine innige, homogene Mischung der Reaktantenteilchen zu erhalten, z. B. durch Vermahlen in einer Kugelmühle in trockenem oder feuchtem Zustand. Für eine sehr dichte Verbindung oder Bindung kann ein Hochdruckpreßverfahren verwendet werden, wozu auch das isostatische Heißpressen gehört. Die vermischten Vorläuferreaktanten können in eine Form gefüllt werden und, falls erwünscht, können sie einer Vorbehandlung wie beispielsweise einer Dehydrierung, einer Entgasung oder einem Ausbrennen des Bindemittels unterzogen werden, vorausgesetzt, daß die Vorbehandlungstemperatur unterhalb derjenigen Temperatur gehalten wird, welche die exotherme Reaktion initiiert. Es ist vorteilhaft, die Vorläuferreaktantenmischung bei Raumtemperatur und 50-100º Heißpreßdruck vorzukomprimieren, um eine einheitlich gepreßte Schicht von Vorläuferreaktanten sicherzustellen, die leicht zwischen die benachbarten Flächen der zu verbindenden Festkörper angeordnet werden kann.
Der erfindungsgemäße Preßschritt kann in einer Form, bestehend beispielsweise aus einer ringförmigen Form mit oberen und unteren Kolben, vorgebildet werden. Die Form kann aus irgendeinem Material bestehen, welches mit den zu verbindenden Festteilen und mit der Vorläuferreaktionsmischung nicht nachteilig reagiert und die Drücke bis zu 15000 psi (etwa 1055 kg/cm²) oder darüber widerstehen kann. Es wurde gefunden, daß Graphitformen für Drücke von bis zu 10000 psi (etwa 700 kg/cm²) sehr geeignet sind. Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Preßschritt vor dem Beginn der Erhitzung eingeleitet, um die exotherme Verbindungsreaktion zu initiieren. Ein gemäßigtes Vakuum (z. B. etwa 1·10&supmin;&sup4; TORR) ist ausreichend, um die erfindungsgemäßen Verbindungen herzustellen. Jedoch kann, wie oben dargelegt wurde, eine inerte Gasatmosphäre zum gleichen Zweck, nämlich zum Schutz der Reaktanten und zum Schutz der Form vor nachteiliger Luftoxidation, verwendet werden. Sofern notwendig, sollte das Pressen auf die volle Belastung während der Erhitzung erhöht werden, oder bei der maximalen Heißpreßtemperatur. Um eine gute Verbindung sicherzustellen sollte der volle Druck wenigstens 2000 psi (etwa 140 kg/cm²) betragen.
Das Erhitzen kann in irgendeinem geeigneten Heißpreßofen durchgeführt werden, der eine sehr schnelle Aufheizung ermöglicht, beispielsweise einem Induktionsheizofen oder einem elektrischen Widerstandsofen, der verwendet wird, um die erfindungsgemäßen Proben herzustellen. Zufriedenstellende Heizgeschwindigkeiten liegen im Bereich von etwa 30º pro Minute während der Anfangsphase der Erhitzung bis zu etwa 7º pro Minute, wenn die exotherme Initiationstemperatur erreicht wird. Geringere Heizraten werden bevorzugt bei Reaktantenmischungen verwendet, bei denen Gas, beispielsweise Wasserstoff, entweicht, welches durch das Vakuumsystem vor der Initiation der exothermen Reaktion abgeleitet wird. Die Erhitzung findet bis zu einer Temperatur statt, bei welcher die Reaktionssinterung initiiert und eine geeignete Verbindung ausgebildet wird. Dies wird durch eine schnelle Temperaturerhöhung in der Form aufgrund der exothermen Hitzeentwicklung durch die Reaktion angezeigt. Wenn die maximale Temperatur und der maximale Druck für die Reaktionsheißpressung der Verbindung erreicht sind, werden diese im allgemeinen für einen kurzen Zeitabschnitt aufrechterhalten, um eine kurze vollständige Reaktionssinterung zu erreichen, wobei deren Länge von der Größe und vom Volumen der zu erhaltenden Verbindung abhängt. Anschließend werden die die Proben enthaltenden Formen im Ofen unter Schutzatmosphäre abgekühlt, und der Druck auf den Proben wird solange aufrechterhalten, bis sie auf eine geeignete Erstarrungstemperatur abgekühlt sind. Die Formen werden aus dem Ofen entfernt, und die Proben werden anschließend aus dem Formkörper herausgepreßt.
Das bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren betrifft das Zusammenfügen von Stücken von reaktions-heißgepreßten TiB&sub2;/Al-Verbundkörpern bei einer relativ geringen Temperatur. Dieses Verfahren verwendet die große Energiemenge, die freigesetzt wird&sub1; wenn sich das hochstabile Borid bildet. Insbesondere umfaßt dieses Verfahren das sandwichartige Einbringen eines Vorläuferpulvers aus TiH&sub2; plus AlB&sub2; zwischen die zu verbindenden Körper, um eine laminierte Anordnung zu bilden. Diese Anordnung wird in eine Heißpresse gebracht, Druck angelegt, und die Anordnung wird in einem Vakuum erhitzt. Bei Erwärmen des Ofens zerfällt TiH&sub2; und das H&sub2;-Gas wird abgepumpt, wobei der Zerfall gemäß der nachfolgenden molaren Formel erfolgt:
TiH&sub2; + AlB&sub2; = TiAl + 2B + H&sub2; (650ºC) (1)
Die durch die Gleichung (1) repräsentierte Reaktion ist leicht exotherm, jedoch nicht ausreichend, um eine Bindung zu bilden. Die zweite, in der folgenden Molformel dargestellte Reaktion verursacht die Verbindung, weil sie stark exotherm ist und die in situ Natur der Reaktion die Reaktivität und die Bindung fördert:
TiAl + 2B = TiB&sub2; + Al (bei etwa 1100ºC) (2)
Deshalb erhöht sich die Temperatur der Verbindung bei Temperaturen von über etwa etwa 1000º-1100ºC abrupt um mehrere 100 Grade, und unter dem Einfluß dieser lokal hohen Temperatur und des Druckes bildet sich eine starke und elektrisch kontinuierliche Bindung, ohne daß die Ofentemperatur über etwa 1000ºC erhöht werden muß.
Eine zweite, weniger bevorzugte Reaktionsklasse ist die, bei welcher Gase während der Verbindungsreaktion entweichen. Ein Beispiel für eine derartige Reaktion ist wie folgt:
4TiO&sub2; + 4AlB&sub2; = 4TiB&sub2; + 2Al&sub2;O&sub3; + O&sub2;
Erfindungsgemäß wird demnach ein verbundener Körper bereitgestellt, der, wie oben beschrieben wurde, erste und zweite Körperanteile enthält, und eine Verbindung zwischen den ersten und zweiten Körperanteilen, wobei der Körper ein exothermes Reaktionsprodukt darstellt, umfassend wenigstens 5-100 Mol.-% einer ersten Reaktionsproduktphase oder erster Reaktionsproduktphasen aus Borid, Carbid, Nitrid, Silicid, Sulfid oder deren Kombinationen aus Elementen der Gruppen 2a, 3a, 4a, 2b, 3b einschließlich der Lanthaniden- und Aktinidenreihen, 4b, 5b, 6b, 7b und 8, und 0-95 Mol.-% einer zweiten Reaktionsproduktphase oder zweiter Reaktionsproduktphasen aus Metall, einer intermetallischen Verbindung, Legierung, Oxid oder deren Kombinationen. Insbesondere besteht die das exotherme Reaktionsprodukt enthaltende Verbindung im wesentlichen aus 30- 95 Mol.-% jener Materialien und 5-70 Mol.-% einer zweiten Phase bzw. zweiter Phasen aus Metall, einer Legierung, einer intermetallischen Verbindung oder deren Kombinationen mit einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3a ausschließlich von B, 4a, 1b, 2b, 4b, 5b, 6b, 7b und 8, und enthält weniger als 4 Gew.-% Sauerstoff. Alternativ kann das exotherme Reaktionsprodukt dieser Verbindung im wesentlichen aus 10-90 Mol.-% einer Boridphase oder von Boridphasen bestehen, wobei das Borid aus einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3b einschließlich der Lanthaniden- und Aktinidenreihenelemente, 4b, 5b und 6b, und 10-90 Mol.-% einer Oxidphase oder von Oxidphasen besteht, wobei das Oxid aus einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3a, 4a, 3b, 4b, 5b, 6b und 8 besteht. Als weitere Alternative kann das exotherme Reaktionsprodukt der Verbindung im wesentlichen aus 5-95 Mol.-% einer Nitridphase oder aus Nitridphasen bestehen, wobei das Nitrid entweder aus Al oder Si oder aus Al und Si gebildet wird, und 5-95 Mol.-% einer zweiten Phase oder zweiter Phasen, die ein Borid, Carbid, Silicid, Sulfid oder eine der Kombinationen hiervon darstellen, mit einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3b einschließlich der Lanthaniden- und Aktinidenreihenelemente, 4b, 5b und 6b; diese Verbindung enthält weniger als etwa 4 Gew.-% Sauerstoff.
Die vorliegende Erfindung ist ebenfalls besonders nützlich zur Verbindung eines zweiten Körperanteils, bestehend im wesentlichen aus polykristallinem TiB&sub2;, und einem zweiten Metallkörperanteil wie einem Stahlkörperanteil, wobei das exotherme Reaktionsprodukt im wesentlichen aus einem Borid, Carbid, Nitrid oder Silicid von Ti, Al, Ni oder Fe oder einer Kombination hiervon besteht. (Die Boride dieser Verbindungen werden bevorzugt). Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform umfaßt die Verbindung eines ersten Körpers aus polykristallinem TiB&sub2; mit einem zweiten Körper aus Siliciumnitrid mit einer exothermen Reaktionsproduktverbindung, bestehend im wesentlichen aus einem Silcid, Borid, Nitrid oder Carbid von Ti, Si oder B oder deren Mischungen.
Die nachstehenden Beispiele dienen zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung.

BEISPIEL 1

Zwei Scheiben von vier Inch (10,16 cm) Durchmesser und einem Inch (2,54 cm) Dicke eines reaktions-heißgepreßten TiB&sub2;/Al- Verbundkörpers wurden unter Verwendung der obengenannten Verbindungsreaktanten der Gleichungen (1) und (2) verbunden. Die TiH&sub2; und AlB&sub2; Mischung wurde auf 650ºC kalziniert, um den Wasserstoff zu entfernen. Die zwei zu verbindenden Stücke waren identisch, und die Verbindungsreaktion ergab ein Verbindungsmaterial, welches chemisch mit den zwei zu verbindenden Stükken identisch war.
Die Flächen der zwei zu verbindenden Stücke wurden durch Sandstrahlen behandelt und mit einem SiC Schleifmittel glattgerieben. Die Flächen wurden in Alkohol mit Ultraschall gereinigt, und die Stücke wurden sorgfältig getrocknet. Eine Schicht aus Reaktantenpulver mit 1/8'' (0,317 cm) Dicke wurde zwischen die zwei Stücke sandwichartig in eine Kohlenstofform eingebracht. Das Reaktantenpulver bestand aus einer Mischung aus TiH&sub2; und AlB&sub2; in einem 1:1 molaren Verhältnis; diese Mischung wurde bei 650ºC kalziniert, um den Wasserstoff zu entfernen. Die Form wurde in eine Heißpresse gebracht. Der Preßhohlraum wurde evakuiert und auf die Sandwichanordnung wurde ein Druck von 6000 psi (41,4 Bar) ausgeübt. Die Temperatur wurde mit einer Geschwindigkeit von 30ºC pro Minute auf 500ºC und mit einer Geschwindigkeit von 7º pro Minute auf die exotherme Initiationstemperatur erhöht. Die exotherme Reaktion trat bei etwa 1100ºC auf, wonach man die Anordnung abkühlen ließ. Der Druck wurde entfernt, nachdem die Anordnung auf eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes von Aluminium abgekühlt war.
Dieses Verfahren ergab eine gut gebundene Anordnung, die stark und elektrisch kontinuierlich war. Stäbe aus diesem Material, die die Verbindung enthielten, wurden in einem Biegetest gebrochen, und von den sechs getesteten Proben brach keine an der Verbindung. Messungen des elektrischen Widerstands bei Raumtemperatur und bei 1000ºC zeigen eine ausgezeichnete elektrische Kontinuität über die Verbindungen. Proben mit einer Verbindung zeigten einen mittleren Widerstand (Mikroohm Zentimeter) von 14 bei 25ºC und 78 bei 1000ºC. Dies ist, verglichen mit einer Probe ohne Verbindung, die einen Widerstand von 10 bei 25ºC und von 62 bei 1000ºC aufwies, sehr gut.

BEISPIEL 2

Ein reaktions-heißgepreßter TiB&sub2;/Al-Verbundkörper mit einem Durchmesser von vier Inch (10,16 cm) und einer Dicke von einem Inch (2,54 cm) wurde an eine Scheibe des reaktions-heißgepreßten Verbundkörpers TiB&sub2;/AlN mit einer Dicke von 1/4'' (0,63 cm) und einem Durchmesser von vier Inch (10,16 cm) gebunden. Das Reaktantenpulver und das Verfahren waren identisch zum Beispiel 1. Die zwei Stücke wurden fest aneinander gebunden. Sie wurden in eine korrosive Umgebung aus Cryolit, Aluminium und Kohlenstoff bei 1000ºC in einem elektrischen Feld gegeben; nach drei Monaten war die Verbindung immer noch gut. Dieses Beispiel zeigt die Brauchbarkeit der Erfindung zur Herstellung von gut gebundenen Produkten, die aus unterschiedlichen Boridzusammensetzungen zusammengesetzt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäß hergestellten Produkte sind in einer Vielzahl von Anwendungen verwendbar. Beispielsweise kann durch die Verbindung kurzer Segmente aus TiB&sub2;/Al-Kompositmaterialien eine lange Stange zur Verwendung als ein elektrischer Stromsammler in einer Hall- Heroult-Zelle gebildet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Festkörpers, enthaltend Carbid, Borid, Nitrid, Silicid und/oder Sulfid, welches die folgenden Schritte umfaßt:

(A) Bereitstellen eines ersten Körperanteils, bestehend im wesentlichen aus:

(1) 5-100 Mol-% einer ersten Phase oder erster Phasen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus:

einem Borid, Carbid, Nitrid, Silicid oder Sulfid oder deren Kombinationen aus Elementen der Gruppen 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (einschließlich der Lanthaniden- und Actinidenreihen), 4b, 5b, 6b, 7b und 8; und

(2) 0-95 Mol-% einer zweiten Phase oder zweiter Phasen aus Metall, intermetallischer Verbindung, Legierung oder Oxid oder deren Kombinationen;

(B) Bereitstellen eines zweiten Körperanteils, bestehend im wesentlichen aus Material mit einer Phase oder mit Phasen, auswählt aus der Gruppe, bestehend aus:

Borid, Oxid, Carbid, Nitrid, Silicid oder Sulfid oder deren Kombinationen aus Elementen der Gruppen 2a, 3a, 4a, 2b, 3b (einschließlich der Lanthaniden- und Actinidenreihen), 4b, 5b, 6b, 7b und 8; einem Metall, einer Legierung, einer intermetallischen Verbindung oder Kohlenstoff oder deren Kombinationen;

(C) Bereitstellen einer Beimischung von Feststoffvorläufern, die in der Lage sind, exotherm zu reagieren, wobei die Vorläufer ausgewählt werden, um eine Verbindung in situ zwischen den ersten und zweiten Körperanteilen zu ergeben, umfassend ein exothermes Reaktionsprodukt, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus:

(1) das Produkt besteht im wesentlichen aus folgendem:

(a) 30-95 Mol-% wenigstens eines Carbids, Nitrids, Sulfids oder deren Kombinationen aus einem oder mehren der Elemente der Gruppen 2a, 3a ausschließlich B, 4a, 2b, 3b, einschließlich der Elemente der Lanthaniden- und Actinidenreihen, 4b, 5b, 6b, 7b und 8; und

(b) 5-70 Mol-% einer zweiten Phase oder zweiter Phasen eines Metalls, einer Legierung oder deren Kombinationen aus einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3a ausschließlich von B, 4a, 1b, 2b, 4b, 5b, 6b, 7b und 8; und

(c) wobei die Verbindung weniger als etwa 4 Gew.-% Sauerstoff enthält;

(2) das Produkt besteht im wesentlichen aus folgendem:

(a) 10-90 Mol-% einer Boridphase oder von Boridphasen, wobei das Borid eine Verbindung mit einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3b einschließlich der Elemente der Lanthaniden- und Actinidenreihen, 4b, 5b und 6b darstellt; und

(b) 10-90 Mol-% einer Oxidphase oder von Oxidphasen, wobei das Oxid eine Verbindung mit einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3a, 4a, 3b, 4b, 5b, 6b und 8 darstellt; und

(3) das Produkt besteht im wesentlichen aus folgendem:

(a) 5-95 Mol-% einer Nitridphase oder Nitridphasen, wobei das Nitrid eine Verbindung mit Al oder Si oder beiden ist; und

(b) 5-95 Mol-% einer zweiten Phase oder zweiter Phasen, die ein Borid, Carbid, Silicid, Sulfid oder Kombinationen hiervon mit einem oder mehreren der Elemente der Gruppen 3b, einschließlich der Elemente der Lanthaniden- und Actinidenreihen, 4b, 5b und 6b sind, und

(c) die Verbindung weniger als etwa 4 Gew.-% Sauerstoff enthält;

(D) Laminieren dieser Mischung aus Vorläufern zwischen die Teile der zu verbindenden Festkörper, um ein Intermediat- Laminat zu bilden; und

(E) Erhitzen des Laminats unter Ausschluß atmosphärischer Reaktanten auf eine Temperatur, die ausreicht, um eine exotherme Reaktion zu initiieren, die die in situ-Verbindung erreicht und die Festkörper miteinander verbindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzungsschritt unter Vakuum ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhitzungsschritt in einer inerten Atmosphäre erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (D) die Bildung einer Verbindungsschicht aus der Mischung zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen der Körper umfaßt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sich gegenüberliegenden Oberflächen vor der Ausführung des Schrittes (D) gereinigt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laminierschritt das Pressen der sich zwischen den Körpern befindenden Vorläufern bei Drücken von wenigstens 35 kg/cm², bevorzugt wenigstens 140 kg/cm² und insbesondere etwa 420 kg/cm² umfaßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (A) das Bereitstellen eines ersten Festkörpers, bestehend im wesentlichen aus einem TiB&sub2;/Al-Komposit, umfaßt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (A) das Bereitstellen eines polykristallinen, ersten TiB&sub2;-Körpers umfaßt, Schritt (B) das Bereitstellen eines zweiten polykristallinen Alpha-Aluminiumoxid-Körpers umfaßt und Schritt (C) das Bereitstellen einer Vorläufermischung aus Borid, Carbid, Nitrid oder Silicid von Ti oder Al oder deren Mischungen umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorläufermischung im wesentlichen aus Al, B und TiH&sub2; in etwa stöchiometrischen Anteilen besteht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Körper ausgewählt werden, um im wesentlichen aus der gleichen Phase oder den gleichen Phasen zu bestehen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das exotherme Reaktionsprodukt ausgewählt wird, um im wesentlichen aus der gleichen Phase oder den gleichen Phasen wie einer der Körper zu bestehen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper und das Reaktionsprodukt derart ausgewählt werden, daß das Reaktionsprodukt in beiden Körpern aus der Phase oder den Phasen besteht.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (A) das Bereitstellen eines ersten polykristallinen TiB&sub2;-Körpers, der Schritt (B) das Bereitstellen eines metallischen zweiten Körpers und der Schritt (C) das Bereitstellen einer Vorläufermischung aus Borid, Carbid, Nitrid oder Silicid von Ti, Al, Ni oder Fe oder deren Mischungen umfaßt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (B) das Bereitstellen eines zweiten Körpers aus Stahl umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (B) das Bereitstellen eines zweiten Körpers aus Aluminium umfaßt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (C) das Bereitstellen von Vorläufern umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus: Hydrid und Borid von Ti, Ni, Fe oder Al oder deren Mischungen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (A) das Bereitstellen eines ersten polykristallinen TiB&sub2;-Körpers, der Schritt (B) das Bereitstellen eines zweiten Körpers aus Siliciumnitrid und der Schritt (C) das Bereitstellen einer Vorläufermischung aus Silicid, Borid, Nitrid, Carbid oder Hydrid von Ti, Si oder B oder deren Mischungen umfaßt.