DE3806153C2 - Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem metallischen Körper - Google Patents

Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem metallischen Körper

Info

Publication number
DE3806153C2
DE3806153C2 DE3806153A DE3806153A DE3806153C2 DE 3806153 C2 DE3806153 C2 DE 3806153C2 DE 3806153 A DE3806153 A DE 3806153A DE 3806153 A DE3806153 A DE 3806153A DE 3806153 C2 DE3806153 C2 DE 3806153C2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
fine
pressure
particles
ceramic body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE3806153A
Other languages
English (en)
Other versions
DE3806153A1 (de
Inventor
Hitoshi Kondo
Hiroaki Kawamura
Konosuke Inagawa
Tetsuya Abe
Yoshio Murakami
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Atomic Energy Agency
Nihon Shinku Gijutsu KK
Original Assignee
Japan Atomic Energy Research Institute
Nihon Shinku Gijutsu KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Atomic Energy Research Institute, Nihon Shinku Gijutsu KK filed Critical Japan Atomic Energy Research Institute
Publication of DE3806153A1 publication Critical patent/DE3806153A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE3806153C2 publication Critical patent/DE3806153C2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/32Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at more than 1550 degrees C
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/003Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating by means of an interlayer consisting of a combination of materials selected from glass, or ceramic material with metals, metal oxides or metal salts
    • C04B37/006Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating by means of an interlayer consisting of a combination of materials selected from glass, or ceramic material with metals, metal oxides or metal salts consisting of metals or metal salts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12Metallic interlayers
    • C04B2237/122Metallic interlayers based on refractory metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32Ceramic
    • C04B2237/34Oxidic
    • C04B2237/343Alumina or aluminates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32Ceramic
    • C04B2237/36Non-oxidic
    • C04B2237/365Silicon carbide
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32Ceramic
    • C04B2237/36Non-oxidic
    • C04B2237/368Silicon nitride
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40Metallic
    • C04B2237/405Iron metal group, e.g. Co or Ni
    • C04B2237/406Iron, e.g. steel
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/708Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the interlayers

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Verbinden eines vorwiegend aus Aluminiumoxid gebildeten keramischen Körpers mit einem metallischen Körper.
Ein "Verfahren zum Verbinden oder Zusammenfügen in fester Phase", das die Dif­ fusionsreaktion zwischen festen Phasen ausnützt, und ein "Lötverfahren", das die Wirkungsweise einer flüssigen Phase ausnützt, sind für das Verbinden oder Zu­ sammenfügen eines Keramikkörpers mit einem metallischen Körper oder von kera­ mischen Körpern miteinander bekannt. Jedoch ist das Verfahren zum Verbinden oder Zusammenfügen in fester Phase im Hinblick auf die Hitzebeständigkeit und die Gasdichtigkeit deutlich überlegen.
Beispielsweise wird das Verfahren zum Verbinden und Zusammenfügen in fester Phase, das zum Verbinden und Zusammenfügen eines keramischen Körpers aus Al2O3 mit einem metallischen Körper aus SUS405 (eine Stahlsorte) geeignet ist, in dem Journal "IONICS" (July 1985, Seite 7) oder in J. Am. Ceram. Soc., 67 (12), C-256-257 (1984) beschrieben. Im folgenden wird dieses Verfahren mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben werden.
Die zusammenzufügende Verbindungsoberfläche eines keramischen Körpers 4 aus Al2O3 mit einem 1 µm-Aluminiumoxid-Schleifmittel poliert, während die Verbindungsoberflächen eines metallischen Körpers 1 aus SUS405, einer Schicht 3 aus Nb (Niob) und einer Schicht 2 aus Mo (Molybdän) mit einem Schleifpapier No. 800 poliert werden. Anschließend werden sie, wie in Fig. 1 gezeigt, aufeinanderge­ legt. Der geschichtete Körper P wird erhitzt und dreißig Minuten lang mit Hilfe einer isostatischen Heißpreßanlage (HIP) bei einer Temperatur von 1300°C bei dem Druck von 100 MPa verpreßt.
Die Punkte, die bei dem Zusammenfügen des keramischen Körpers berücksichtigt werden müssen, sind im allgemeinen die folgenden:
  • (1) Relaxation der Restspannung infolge des Unterschiedes der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des keramischen Körpers und des mit dem kera­ mischen Körper zusammenzufügenden Körpers.
  • (2) Steuerung (Unterdrückung oder Förderung) der Reaktion an der Grenzflä­ che.
Bei dem obigen, herkömmlichen Verfahren werden die Schicht 3 aus Nb und die Schicht 2 aus Mo zwischen den Körpern 4 aus Al2O3 und den Körper 1 aus SUS405 eingebracht, um die Restspannung des Körpers 4 aus Al2O3 infolge des Unterschie­ des der thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Körpers 4 aus Al₂O₃ und des Körpers 1 aus SUS405 zu beseitigen. Die optimale Materialzusammensetzung für die Relaxation kann durch die Simulation der inneren Spannung mit Hilfe der Methode der finiten Elemente ausgewählt werden. Die Dicke der Schicht 3 aus Nb und der Schicht 2 aus Mo beträgt jeweils 0,5 mm.
Zusätzlich wird bei dem obigen, herkömmlichen Verfahren die HIP-Anlage zur För­ derung der Grenzflächendiffusionsreaktion benutzt. Die Berührungsfläche der Grenzfläche sollte genügend groß und die Temperatur genügend hoch sein, damit die Diffusionsreaktion gefördert wird. Bei dem herkömmlichen Verfahren zum Ver­ binden in fester Phase wird einer der zu verbindenden Körper oder beide durch den Preßvorgang verformt, so daß die Kontaktfläche zwischen ihnen vergrößert wird. Da der Elastizitätskoeffizient von Keramikmaterialien sehr hoch ist im Vergleich zu dem Zusammenfügen von zwei metallischen Körpern, ist ein bemerkenswert ho­ her Druck erforderlich, um eine ausreichende Kontaktfläche des keramischen Kör­ pers zu erhalten. Die HIP-Anlage kann solch einen hohen Druck überdies isotro­ pisch erzeugen. Infolgedessen wird der Metallkörper nicht bemerkenswert ver­ formt, und dennoch kann die Kontaktfläche der Grenzfläche zwischen dem kerami­ schen Körper und dem metallischen Körper groß sein.
Die HIP-Anlage ist jedoch sehr teuer und Verfahren, die diese Anlage benutzten, sind nicht sehr leistungsfähig. Die Vorrichtung zum Zusammenfügen ist kaum ver­ größerbar noch großformatig.
Die DE-A 24 17 478 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von Quarz- oder Glaskeramikkörpern, bei dem die zu verbindenden Körper zunächst zumindestens an einer der zu verbindenden Flächen mit Metall versehen werden, dann die so vorbehandelten Körper zusammengesetzt und gegeneinander gepreßt werden und die Anordnung im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre erhitzt wird. Hierbei können die für die Verbindung erforderlichen Metalle, beispielsweise eine Silber/Magnesium-Legierung, aufgedampft werden.
Die DE-A 35 18 710 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von drucklosen gesinterten oder heißgepreßten Siliciumcarbid-Formteilen, indem auf zumindest eine der polierten Paßflächen eine maximal 1 µm dicke Schicht aus einem carbid- und/oder silicidbildenden Element aufgebracht wird und die zusammengefügten Teile in inerter oder reduzierter Atmosphäre bei 800 bis 2200°C unter einem Preßdruck von 1 bis 100 MPa miteinander verschweißt werden. Das carbid- und/oder silicidbildende Element kann hierbei aufgedampft bzw. aufgesputtert werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Verbinden eines vorwiegend aus Aluminiumoxid gebildeten keramischen Körpers anzugeben, mit dem der keramische Körper mit einem metallischen Körper bei niedrigem Druck verbunden werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zum Verbinden eines vorwiegend aus Aluminiumoxid gebildeten keramischen Körpers mit einem metallischen Körper, bei dem mittels eines Gasverdampfungsverfahrens eine Schicht aus ultrafeinen oder feinen Teilchen aus Niob eingebracht wird, deren Teilchengröße geringer als die Oberflächenrauhheiten der Kontaktflächen des keramischen Körpers und des metallischen Körpers ist, und wobei die Schicht mit einer Dicke eingebracht wird, welche größer als die Oberflächenrauhheiten ist, und wobei das Schichtgefüge aus dem keramischen Körper, der Schicht und dem metallischen Körper unter Vakuum zunächst bei einer Temperatur von 1100°C und einem Druck von 5 MPa und danach bei einer Temperatur von 1300°C und ohne Druck verbunden wird.
Die oben erwähnten und nachfolgenden Gegenstände, Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden eingehenden Beschreibung der Er­ findung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines zusammengefügten oder Ver­ bundkörpers, der nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellt worden ist;
Fig. 2(a) bis (g) Modellansichten, zur Verdeutlichung des Prinzips der Er­ findung;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellten Verbundkörpers;
Fig. 4 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstellung des in Fig. 3 dargestellten Verbundkörpers; und
Fig. 5 eine Kurvendarstellung, die die Beziehung zwischen der Zugfestig­ keit des Verbundkörpers, der in der Vorrichtung nach Fig. 4 hergestellt worden ist, und der Dicke der Schicht aus den ultrafeinen oder feinen Teilchen zeigt.
Zuerst sei das Prinzip der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
Infolge der Oberflächenrauhheiten der Kontaktflächen der Körper 5 und 6 ergeben sich, wie in Fig. 2(a) gezeigt, Zwischenräume zwischen den Kontaktflächen der zu verbindenden Körper 5 und 6. Erfindungsgemäß werden sie als Vorbehandlung mit Schichten aus ultrafeinen oder feinen Teilchen ausgefüllt. In dieser Weise kann mit einem bemerkenswert niedrigen Druck oder ohne Druck im Vergleich zur her­ kömmlichen Methode eine genügende Kontaktfläche geschaffen werden.
Als nächstes sei die Beziehung zwischen der Oberflächenrauheit, der Teilchen­ größe und der Schichtdicke anhand der Fig. 2 beschrieben.
In Fig. 2(a) bis (g) stehen die Bezugsziffern 7, 8 und 9 für feine Teilchen unter­ schiedlicher Körnungen. Fig. 2(a) zeigt eine Modellansicht, bei der die Körper 5 und 6 einander berühren. Sie weisen die Oberflächenrauheit R auf. Die Fig. 2(b) bis 2(d) zeigen Modellansichten, bei denen die Teilchen 7, 8 und 9 jeweils mit der Körnung 2R, R und R/2 zwischen die Kontaktflächen mit einer mittleren Schichtdicke R eingefügt werden. Wie aus Fig. 2(b) bis 2(d) ersichtlich ist, erhöht sich die Anzahl der Kontaktpunkte oder der Kontaktflächen mit der Verringerung der Teilchengröße der Teilchen. In Fig. 2(a) ist der Fall dargestellt, bei dem die Spitzen und Täler der Kontaktflächen sich direkt gegenüberstehen. Wenn die Kör­ per 5 und 6 jedoch derart in Kontakt gebracht werden, daß die Spitzen und Täler voneinander, wie in Fig. 2(g) gezeigt, verschoben sind, können Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von größer als 2R nicht in die Zwischenräume zwischen den Kontaktfläche eingefügt werden.
Demzufolge ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Teilchengröße geringer ist als R. Tatsächlich sind die verschiedenen Spitzen und Täler auf den Kontaktflä­ chen, die die Oberflächenrauheit ergeben, zahlreich. Die Art des Kontakts kann unterschiedlich sein. Die Größe des Teilchens, das bei mittlerer Berührung einge­ fügt werden kann, beträgt R.
Fig. 2(d) bis 2(f) zeigen die Modellansichten, bei denen die Teilchen 9 der Teilchen­ größe R/2 mit einer mittleren Schichtdicke von jeweils R, R/2 und 2R in die Zwi­ schenräume zwischen der Kontaktfläche eingefügt werden. Wenn die Schichtdicke R/2 oder weniger als R/2 entspricht, werden die Berührungspunkte, die die Ver­ bindungsoberfläche zusammenfügen, weniger. Wenn andererseits die Schicht­ dicke R, 2R oder größer als 2R ist, wird die Anzahl der Kontaktpunkte oder der Kon­ taktflächen genügend groß. Entsprechend wird die Schichtdicke so geschaffen, daß sie größer als R ist.
Die Fig. 3 zeigt einen Verbundkörper 10, der nach dem Prinzip dieser Erfindung geschaffen ist. Der Punkt, in dem er sich grundsätzlich von Verbundkörpern des Standes der Technik unterscheidet, ist, daß eine Schicht 13 aus feinen Nb-Teilchen zwischen den Körper 14 aus Al2O3 und der Schicht 12 aus Nb als Spannungsver­ ringerungsschicht eingefügt wird. Die Bezugsziffer 11 steht für einen Körper aus SUS405, der mit dem Körper 14 zusammengefügt wird. Bei dieser Ausführungs­ form ist nur eine Schicht 12 (2 mm dick) aus Nb als Spannungsverringerungs­ schicht vorhanden. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von dem her­ kömmlichen Verbundkörper durch die einfache Spannungsverringerungsschicht. Jedoch ist solch ein Unterschied nicht wesentlich.
Im folgenden sei eine Vorrichtung zur Herstellung des in der Fig. 3 gezeigten Ver­ bundkörpers 10 anhand der Fig. 4 beschrieben.
Die Vorrichtung umfaßt eine Heizkammer 18, die mit einem Unterdruckbehälter 15 eine Einheit bildet. Ein vertikal angebrachter Stempel 16 wird durch eine Öldruckanlage 20 aufwärts und abwärts bewegt. In der Heizkammer 18 wird eine Heizeinrichtung 19 um den Stempel 16 herum angeordnet. An der Grenzfläche zwi­ schen dem Unterdruckbehälter 15 und der Heizkammer 18 ist eine Hitzeschutz­ platte 21 vorgesehen.
Der Körper 14 aus Al2O3 wird auf die obere Oberfläche des Stempels 16 aufge­ bracht. Weiterhin wird eine Schicht aus feinen Nb-Teilchen, wie nachfolgend be­ schrieben, auf der oberen Oberfläche des Körpers 14 aus Al2O3 erzeugt. Ein weite­ rer Stempel 22 ist vertikal direkt oberhalb des Stempels 16 angebracht. Er wird durch eine weitere Öldruckanlage 25 aufwärts und abwärts bewegt. In dem unte­ ren Ende des Stempels 22 ist eine Vertiefung 22b vorgesehen. Der Körper 11 aus SUS405 und die Schicht 12 aus Nb werden aufeinandergelegt und in der Vertie­ fung 22b angebracht. Sie werden durch Haken 22a, die an dem unteren Ende des Stempels 22 angebracht sind, unterstützt.
In dem linken Bereich im Inneren des Unterdruckbehälters 15 ist eine Anlage 29 zur Erzeugung eines Lichtbogenplasmas angebracht. Gegenüber der Elektrode 28 der Anlage 29 ist eine Gegenelektrode 26 vorgesehen. Nb 27 als Verdampfungs­ masse wird auf der Elektrode 26 angeordnet; dann wird eine Gleichspannungs­ quelle 31 zwischen der den Lichtbogen erzeugenden Anlage 29 und der Elektrode 26 ge­ schaltet. Die Anlage 29 ist mit einer Zuleitung 23, die ein Ventil 30 aufweist, ver­ bunden. Der Gasstrom aus (Ar + H2), der aus dem ringförmigen Raum um die Elek­ trode 28 der das Lichtbogenplasma erzeugenden Anlage 29 ausströmt, kann durch das Ventil 30 eingestellt werden. Eine Abgasöffnung 35 ist an der rechten Stirn­ wand des Unterdruckbehälters 15 angebracht und über das Ventil 36 mit der Ab­ sauganlage 37 verbunden. Die Absaugrate wird durch das Ventil 36 eingestellt.
Die Herstellungsanlage wird, wie oben beschrieben, für diese Durchführung aufge­ baut. Als nächstes seien Wirkungsweise und Vorteil dieser Ausführungsform be­ schrieben.
Zunächst werden die Kontaktflächen des Körpers 14 aus Al2O3, der Schicht 12 aus Nb und des metallischen Körpers 11 aus SUS405 mit einem Schleifpapier No. 1000 poliert, so daß jede Oberflächenrauheit R etwa 1 µm beträgt. Dann werden der Körper 14 aus Al2O3 und der Stapel aus der Schicht 12 aus Nb und dem Körper 11 aus SUS405 aufeinandergeschichtet und auf die obere Oberfläche des Stempels 16 und die Vertiefung 22b des Stempels 22 gelegt, wie in Fig. 4 gezeigt. Dann wird der Unterdruckbehälter 15 mit der Absauganlage 37 auf 6,6 × 10-6 mbar evakuiert. Dann wird ein Gasgemisch (Ar + H2) durch Einstellen des Ventils 30 mit einer Stromgeschwindigkeit von 5 l/min in den Unterdruckbehälter 15 ein­ geführt. Das Innere des Unterdruckbehälters 15 wird durch Einstellen des Ventils 36 bei dem vorbestimmten Druck von 133 mbar aufrechterhalten.
Zwischen der Elektrode 28 und dem Material 27 wird ein Entladungslichtbogen er­ zeugt. Nb-Atome werden eingedampft und ergeben einen feinen Teilchenrauch 33, der eine Teilchengröße von 0,01 µm aufweist. Dies wird als Gasverdampfungsver­ fahren bezeichnet. Die Nb-Atome haften auf dem Al2O3, das den zu verbindenden und zu einem Schichtgefüge zu vereinigenden Körper darstellt. Infolgedessen wird eine Schicht 34 aus feinen Nb-Teilchen auf dem Körper 14 aus Al2O3 gebildet. Die Dicke der Schicht 34 kann über die Leistung und die Entladungszeit der Anlage 29 gesteuert werden. Die Dicke unterscheidet sich von der der Schicht 13 der Fig. 3. Infolgedessen unterscheiden sich die Bezugsziffern voneinander.
Nach der Bildung der Schicht 34 aus feinen Nb-Teilchen wird der Stempel 16 durch die Öldruckanlage 20 abwärts bewegt, während das Innere des Unterdruck­ behälters 15 evakuiert wird. Der Körper 14 aus Al2O3 wird in die Mitte der Heizein­ richtung 19 eingebracht. Zur gleichen Zeit werden die Schicht 12 aus Nb und der Körper 11 aus SUS405, die durch den Stempel 12 unterstützt werden, durch die Öldruckanlage 25 abwärts bewegt. In dieser Weise werden die Oberflächen der Kör­ per miteinander in Berührung gebracht. Ein Druck von 5 MPa wird durch die An­ triebe der Öldruckanlagen 20 und 25 auf die zu verbindenden Körper ausgeübt. Die Heizeinrichtung 19 wird mit Strom versorgt, um die Körper auf eine Temperatur von 1100°C zu erhitzen, welche Temperatur von 1100°C 10 Minuten lang aufrecht­ erhalten wird. Dann werden die Antriebe der Öldruckanlagen 20 und 25 angehal­ ten und der Druck aufgehoben. Die Körper werden ohne Anwendung von Druck 30 Minuten lang auf die höhere Temperatur von 1300°C erhitzt. Das Erhitzen wird bei einem Vakuum von etwa 1,333 × 10-5 mbar durchgeführt. Die Wirkung der Schicht 34 aus den feinen Nb-Teilchen bei dem obigen Vorgang ist die fol­ gende.
Nb als Material, das die feine Teilchenschicht 34 ausmacht, besitzt eine gute Affini­ tät zu Sauerstoff. Wenn infolgedessen die Berührungsfläche zwischen dem Körper 14 aus Al2O3 und der Schicht 34 aus den feinen Teilchen genügend groß ist, diffun­ diert der Sauerstoff aus dem Körper 14 aus Al2O3 in die feine Teilchenschicht 34 und bildet eine Reaktionsschicht, die den Körper 14 und die Schicht 34 aus den feinen Teilchen verbindet. Da die Schicht 34 aus den feinen Nb-Teilchen und die Nb-Schicht 12 aus dem gleichen Material bestehen, können sie leicht miteinander durch Erhitzen vereinigt werden. Die Größe der feinen Nb-Teilchen, aus denen die Schicht 34 aus feinen Teilchen besteht, beträgt 0,01 µm und ist somit im Vergleich mit der Oberflächenrauheit (von ungefähr 1 µm) der Kontaktflächen aus Al2O3 und der Nb-Schicht 12 genügend klein. Infolgedessen kann mit geringem Druck eine bemerkenswert große Berührungsfläche hergestellt werden. Bei dieser Ausfüh­ rungsform ist das Reduktionsvermögen von Nb eine treibende Kraft für die Vereini­ gung beider Körper. Daher werden, um die hohe Wirksamkeit der feinen Nb-Teil­ chen aufrechtzuerhalten, die Bildung der feinen Nb-Teilchen und der Schicht 34 aus den feinen Teilchen, das Inkontaktbringen der Körper und das Erhitzen unter Druck durchwegs in dem gleichen Unterdruckbehälter 15 durchgeführt. Daher kann es vermieden werden, daß die feinen Nb-Teilchen mit der Atmosphäre in Kon­ takt kommen. Die Heizkammer 18 und das Innere des Unterdruckbehälters 15 stehen miteinander in Kontakt, obwohl die Hitzeschutzplatte 21 zwischen ihnen angebracht ist.
Die Vorgänge der oben genannten Druck-Heiz-Behandlung laufen wie folgt ab:
Erfindungsgemäß werden die Körper bei dem Druck von 5 MPa auf eine Temperatur von 1100°C erhitzt, so daß ein Sintern der feinen Nb-Teilchen erfolgt und zur glei­ chen Zeit das Verbinden der festen Phase zwischen dem Körper 11 aus SUS405 und der Nb-Schicht 12 und zwischen der Nb-Schicht 12 und der Schicht 34 aus den feinen Nb-Teilchen erreicht wird. Die Temperatur kann zur Verstärkung der Bin­ dung zwischen der Schicht 34 aus den feinen Nb-Teilchen und dem Körper 14 aus Al2O3 erhöht werden. Jedoch wird die Verformung des Körpers 11 aus SUS405 bei der Temperatur, die höher als 1100°C ist, bemerkenswert. Wenn infolgedessen die Temperatur von 1100°C auf 1300°C erhöht und bei 1300°C aufrechterhalten wird, wird kein Druck auf die Körper ausgeübt. Nach der obigen Behandlung wurde die Zugfestigkeit des Verbundkörpers gemessen.
Die Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Zugfestigkeit des in der Anlage nach Fig. 4 hergestellten Verbundkörpers und der Dicke der Schicht 34 aus den feinen Nb-Teilchen. Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, erhöht sich die Zugfestigkeit steil bei der Schichtdicke von etwa 1 µm, die mit der Oberflächenrauheit der Berührungs­ flächen des Körpers 14 aus Al2O3 und der Schicht 12 aus Nb gleich ist. Bei 3 µm und darüber ergibt sich eine Sättigung. Der Sättigungswert der Zugfestigkeit be­ trägt etwa 60 MPa. Die Zugfestigkeit eines der nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Verbundkörpers, das bei einer Temperatur von 1300°C und einem Druck von 100 MPa während 30 Minuten in einer HIP-Anlage durchgführt wird, beträgt etwa 63 MPa. Infolgedessen ist die Sättigungs-Zugfestigkeit des Verbund­ körpers der Erfindung mit der Zugfestigkeit des Strukturkörpers, der nach der her­ kömmlichen Methode hergestellt wird, im wesentlichen gleich. Die Dicke der Schicht aus den feinen Nb-Teilchen wurde über das Gesamtgewicht der anhaften­ den feinen Teilchen unter der Voraussetzung erhalten, daß die Zwischenräume mit einer Dichte von 100% mit Nb-Atomen ausgefüllt sind.
Während bei der obigen Ausführungsform der Lichtbogenerhitzungsvorgang als Quelle für die feinen Teilchen angewandt wird, kann statt dessen ein Laser­ strahlerhitzungsvorgang oder ein Elektronenstrahlerhitzungsvorgang angewandt werden.
In der obigen Durchführung werden zu verbindende Körper aus Al2O3 und SUS405 verwendet. Statt dessen können auch andere metallische Körper wie solche aus SUS304-Stahl ver­ wendet werden. Das Material für die Spannungsrelaxa­ tion, die Druckbehandlung und die Temperaturbehandlung werden in Überein­ stimmung mit der Art der Zusammensetzung bestimmt.

Claims (3)

1. Verfahren zum Verbinden eines vorwiegend aus Aluminiumoxid gebildeten keramischen Körpers mit einem metallischen Körper, bei dem mittels eines Gasverdampfungsverfahrens eine Schicht aus ultrafeinen oder feinen Teilchen aus Niob eingebracht wird, deren Teilchengröße geringer als die Oberflächenrauheiten der Kontaktflächen des keramischen Körpers und des metallischen Körpers ist, und wobei die Schicht mit einer Dicke eingebracht wird, welche größer als die Oberflächenrauhheiten ist, und wobei das Schichtgefüge aus dem keramischen Körper, der Schicht und dem metallischen Körper unter Vakuum zunächst bei einer Temperatur von 1100°C und einem Druck von 5 MPa und danach bei einer Temperatur von 1300°C und ohne Druck verbunden wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schicht aus ultrafeinen oder feinen Niob-Teilchen durch Verdampfen des Niobs mit Hilfe eines Lichtbogenplasmas, eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls auf dem keramischen Körper abgeschieden wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei zusätzlich eine Niobiumschicht zwischen der Schicht und dem metallischen Körper eingebracht wird.
DE3806153A 1987-02-26 1988-02-26 Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem metallischen Körper Expired - Fee Related DE3806153C2 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8744887A JPH0193474A (ja) 1987-02-26 1987-02-26 セラミツクス接合方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE3806153A1 DE3806153A1 (de) 1988-09-08
DE3806153C2 true DE3806153C2 (de) 1997-02-20

Family

ID=12703995

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE3806153A Expired - Fee Related DE3806153C2 (de) 1987-02-26 1988-02-26 Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem metallischen Körper

Country Status (3)

Country Link
US (1) US4844323A (de)
JP (1) JPH0193474A (de)
DE (1) DE3806153C2 (de)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8818050D0 (en) * 1988-07-28 1988-09-01 Lilliwyte Sa Joining of ceramic components to metal components
US5176197A (en) * 1990-03-30 1993-01-05 Nippon Steel Corporation Continuous caster mold and continuous casting process
US5382769A (en) * 1990-04-03 1995-01-17 Lockheed Corporation Resistance brazed joints for carbon/carbon structures
AT394331B (de) * 1990-09-21 1992-03-10 Plansee Metallwerk Verfahren zur herstellung hochfester loetverbindungen
JP2775538B2 (ja) * 1991-11-14 1998-07-16 住友重機械工業株式会社 成形シミュレーション方法及び装置
DE4214594C2 (de) * 1992-05-03 1994-07-07 Roland Dr Ing Emmrich Verfahren zur Herstellung eines Sensors, der die Erzeugung geometrisch sehr genau abgegrenzter elektrischer Felder erlaubt, und Sensor
DE59611448D1 (de) * 1995-09-11 2007-12-06 Infineon Technologies Ag Verfahren zur Befestigung elektronischer Bauelemente auf einem Substrat durch Drucksintern
AU715593B2 (en) * 1996-03-15 2000-02-03 Norton Company Metal single layer abrasive cutting tool having a contoured cutting surface
US6974070B2 (en) * 2001-08-07 2005-12-13 University Of Chicago Joining of advanced materials by superplastic deformation
US8186566B2 (en) 2007-03-10 2012-05-29 Nexgeneering Technology Llc Method for cohesively bonding metal to a non-metallic substrate
DE102008061308A1 (de) * 2008-12-11 2010-07-22 Heuberger, Martin, Dr.-Ing. Über die Herstellung von Metall-Keramik-Verbindungen

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3386160A (en) * 1967-10-26 1968-06-04 Philips Corp Method of manufacturing a refractory metal-to-ceramic seal
DE2417478A1 (de) * 1974-04-10 1975-10-30 Deutsche Bundespost Verfahren zum verbinden von anorganischen koerpern mit metall
DE2705568A1 (de) * 1977-02-10 1978-08-17 Leybold Heraeus Gmbh & Co Kg Verfahren und vorrichtung zum aufbringen loetfaehiger schichten auf unterlagen
US4567110A (en) * 1979-11-13 1986-01-28 Massachusetts Institute Of Technology High-temperature brazed ceramic joints
JPS5997581A (ja) * 1982-11-26 1984-06-05 バブコツク日立株式会社 セラミツクスライニング法
JPS59184778A (ja) * 1983-04-05 1984-10-20 三井造船株式会社 セラミツク部材と金属部材との圧接方法
JPS6081071A (ja) * 1983-10-11 1985-05-09 三井造船株式会社 セラミツクス接合用金属シ−ト材
JPS60141681A (ja) * 1983-12-28 1985-07-26 三井造船株式会社 接合用セラミツクス部材及びその接合方法
JPS60200872A (ja) * 1984-03-27 1985-10-11 住友金属工業株式会社 金属とセラミツクスの接合方法
JPS60231471A (ja) * 1984-04-26 1985-11-18 住友電気工業株式会社 金属セラミツクス複合体
JPS6117475A (ja) * 1984-07-05 1986-01-25 旭化成株式会社 金属部材とセラミツク部材の直接結合方法
US4621761A (en) * 1984-12-04 1986-11-11 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Process for forming unusually strong joints between metals and ceramics by brazing at temperatures that do no exceed 750 degree C.
DE3518710A1 (de) * 1985-05-24 1986-11-27 Kernforschungsanlage Jülich GmbH, 5170 Jülich Verfahren zum verbinden von siliciumcarbid-formteilen

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0193474A (ja) 1989-04-12
DE3806153A1 (de) 1988-09-08
US4844323A (en) 1989-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3080055B1 (de) Verfahren zum herstellen eines metall-keramik-substrates
EP0123702B1 (de) Verfahren zum Verbinden von metallischen Bauelementen
EP0839081B1 (de) Legierung, insbesondere lotlegierung, verfahren zum verbinden von werkstücken durch löten mittels einer lotlegierung sowie verwendung einer legierung zum löten
DE3806153C2 (de) Verfahren zum Verbinden eines keramischen Körpers mit einem metallischen Körper
DE3924225C2 (de) Verfahren zur Herstellung eines Keramik-Metall-Verbundsubstrats sowie Keramik-Metall-Verbundsubstrat
DE10256980B4 (de) Herstellverfahren für einen gestapelten keramischen Körper
DE2742922C2 (de) Verfahren zum mittelbaren Verbinden zweier Teile
DE3601438C1 (de) Schichtverbundwerkstoff mit Diffusionssperrschicht,insbesondere fuer Gleit- und Reibelemente,sowie Verfahren zu seiner Herstellung
DE3621184A1 (de) Schichtwerkstoff sowie verfahren zu seiner herstellung durch vakuum-plasma-spritzen
DE4301927C2 (de) Verbundener Metall-Keramik-Werkstoff, dessen Verwendung und Verfahren zu dessen Herstellung
DE3721008A1 (de) Schichtwerkstoff oder schichtwerkstoffelement sowie verfahren zu seiner herstellung durch vakuum-plasma-spritzen
DE2517347A1 (de) Kontaktkoerper und herstellungsverfahren hierzu
AT4240U1 (de) Verfahren zur herstellung einer verdampfungsquelle
AT393367B (de) Schichtverbundwerkstoff, insbesondere fuer gleit- und reibelemente, sowie verfahren zu seiner herstellung
DE2505830A1 (de) Verfahren zur vereinigung einer loetlegierung mit einem muttermetallteil
DE2147735A1 (de) Verfahren zur herstellung von gegenstaenden oder halbzeug aus verbundwerkstoffen mit metallischer matrix und mit verstaerkungseinlagerungen
EP0167492B1 (de) Verfahren zur Herstellung eines aus mindestens zwei Bestandteilen bestehenden Verbundkörpers
DE3602104A1 (de) Gleit- oder reibelement mit funktionsteil aus keramischem werkstoff sowie verfahren zu seiner herstellung
DE2748566C3 (de) Drehanode für eine Röntgenröhre und Verfahren zu ihrer Herstellung
WO2000021904A1 (de) Kompositplatte sowie verfahren zur herstellung und anwendung einer solchen kompositplatte
DE2504032C2 (de)
DE2166925C3 (de) Verfahren zum Herstellen von Zweischichten-Kontaktstücken als Formteil
EP1857764A2 (de) Wärmeübertragungsvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsvorrichtung
DE2636279B1 (de) Verfahren zur Herstellung von poroesen Anodenkoerpern
DE4200047C2 (de) Verfahren zum superplastischen Umformen mit gleichzeitiger Verbindung zwischen einem superplatisch zu verformenden Blechzuschnitt und einem weiteren Bauteil

Legal Events

Date Code Title Description
8110 Request for examination paragraph 44
D2 Grant after examination
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee