DE3889005T2 - Verfahren zur Verbindung der Oberflächen von keramischen Körpern. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft im weiten Sinne das Verbinden von keramischen Körpern miteinander, und genauer gesagt betrifft sie Verfahren und Anordnungen für die Verbindung keramischer Körper durch die Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts, um im wesentlichen kongruente Oberflächen der Körper zu überbrücken und damit zu verbinden. Das vorliegende Verfahren betrifft ein Verfahren zum Verbinden von keramischen Körpern entlang im wesentlichen kongruenten Oberflächen, ohne daß ein externer Druck angewandt wird, wobei das genannte Verfahren die Merkmale umfaßt, die in den beigefügten Ansprüchen 1 festgehalten sind.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden keramischer Körper miteinander entlang im wesentlichen kongruenten Oberflächen dieser Körper geschaffen. Ein erster keramischer Körper und ein zweiter keramischer Körper werden benachbart zueinander angeordnet, wobei eine Oberfläche des ersten Körpers einer Oberfläche des zweiten Körpers gegenüberliegt, und wobei die Oberflächen im wesentlichen kongruent oder koplanar sind, so daß sie eine Bindungszone zwischen sich definieren. Ein Vorläufermetall, z. B. ein Aluminium- Vorläufermetall, wird relativ zur Bindungszone so angeordnet, daß sich ein Oxidationsreaktionsprodukt, das bei der Oxidation des Vorläufermetalls mit einem Dampfphasenoxidationsmittel erhalten wird, wie unten beschrieben wird, in der Bindungszone bildet. Die resultierende Anordnung oder Gruppe aus keramischen Körpern und dem Körper aus Vorläufermetall wird dann in Gegenwart eines Dampfphasenoxidationsmittels auf einen Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunkts des Vorläufermetalls und unter dem Schmelzpunkt des Oxidationsreaktionsprodukts erhitzt, so daß schmelzflüssiges Vorläufermetall erzeugt wird, und in diesem Temperaturbereich wird das Dampfphasenoxidationsmittel mit dem schmelzflüssigen Vorläufermetall unter Bildung des Oxidationsreaktionsprodukts umgesetzt. Zumindest ein Teil des Oxidationsreaktionsprodukts wird in Kontakt mit und zwischen dem schmelzflüssigen Vorläufermetall und dem Oxidationsmittel gehalten, so daß fortschreitend schmelzflüssiges Vorläufermetall aus dem Pool oder Körper aus Metall durch das Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung der Bindungszone und in diese hinein gesaugt wird. Die
• Reaktion wird für eine Zeit fortgesetzt, die ausreicht, die Bindungszone mit dem Oxidationsreaktionsprodukt zu überbrücken und dadurch die kongruenten Oberflächen aneinanderzubinden.
• Andere Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten in der "Detaillierten Beschreibung der Erfindung und ihrer bevorzugten Ausführungsformen" beschrieben.
• Die unten genannten Begriffe sind in dieser Beschreibung und den begleitenden Ansprüchen wie folgt definiert:
• "Oxidationsreaktionsprodukt" bedeutet ganz allgemein ein Metall oder mehrere Metalle in einem beliebigen oxidierten Zustand, in dem das Metall Elektronen an ein anderes Element, eine andere Verbindung oder eine Kombination davon abgegeben hat oder Elektronen mit diesen teilt. Dementsprechend umfaßt ein "Oxidationsreaktionsprodukt" nach dieser Definition das Produkt der Reaktion von einem Metall oder mehreren Metallen mit einem der Dampfphasenoxidationsmittel, die hierin beschrieben werden.
• "Dampfphasenoxidationsmittel", was angibt, daß das Oxidationsmittel ein spezifisches verdampftes oder gasförmiges Material enthält oder aus ihm besteht, bedeutet einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptor(en) oder Elektronen teilende(n) Stoff(e). Zu geeigneten Oxidationsmitteln gehören ein sauerstoffhaltiges Gas (einschließlich von Luft), ein stickstoffhaltiges Gas (z. B. Formiergas), ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoffverbindungen (einschließlich der niedermolekularen Kohlenwasserstoffe wie z. B. Methan, Ethan, Ethylen, Propylen und Acetylen als Kohlenstoffquelle), Borverbindungen, Selen, Tellur, H&sub2;/H&sub2;O- Mischungen und CO/CO&sub2;-Mischungen und/oder Zusammensetzungen oder Mischungen aus derartigen geeigneten Oxidationsmitteln.
• "Vorläufermetall" oder "Grundmetall" soll sich auf relativ reine Metalle beziehen, auf kommerziell verfügbare Metalle mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen und auf Legierungen und Zwischenmetallverbindungen der Metalle. Wenn ein bestimmtes Metall erwähnt wird, dann sollte dieses angegebene Metall unter Beachtung dieser Definition gelesen werden, es sei denn, aus dem Zusammenhang geht etwas anderes hervor.
• Fig. 1, 3 und 4 sind schematische, nicht maßstabsgetreue Ansichten von Anordnungen, die bestimmten Ausführungsformen der Erfindung entsprechen, wobei jede Anordnung aus keramischen Körpern besteht, die miteinander verbunden werden sollen und die Vorläufermetall aufweisen, das mit etwas Abstand zwischen den keramischen Körpern angeordnet ist;
• Fig. 1A und 1B sind perspektivische Ansichten der Anordnung aus Fig. 1, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung Teile weggebrochen sind;
• Fig. 2 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Anordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der die Anordnung aus zu verbindenden keramischen Körpern und aus Körpern aus Vorläufermetall besteht, und wobei die Anordnung in ein Bett eingebettet ist, das in einem feuerfesten Schiffchen enthalten ist; und
• Fig. 2A ist eine perspektivische Ansicht von lediglich den keramischen Körpern aus Fig. 2 in vergrößertem Maßstab, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit der Darstellung ein Teil von einem der Körper weggebrochen ist.
• Fig. 3 ist eine bildliche Darstellung einer Anordnung aus einem Keramikblock und einem sich nach oben erstreckenden Keramikblock, zwischen denen eine Doppelschicht aus einer Folie aus Vorläufermetall mit einem Promotermaterial angebracht ist.
• Fig. 4 ist eine bildliche Darstellung einer Anordnung aus drei keramischen Körpern, die aus zwei Blöcken und einem sich nach oben erstreckenden Block besteht.
• Fig. 5 ist eine bei 2,5facher Vergrößerung aufgenommene Fotografie des verbundenen Keramikprodukts aus Beispiel 3.
• Fig. 6 ist eine bei 50facher Vergrößerung aufgenommene Fotografie, die das Keramikprodukt zeigt, das durch den Prozeß aus Beispiel 3 verbunden wurde.
• Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung werden zwei oder mehrere keramische Körper in einer Bindungszone, die durch zueinander benachbarte, sich gegenüberliegende und im wesentlichen kongruente Flächen der Körper definiert ist, miteinander verbunden. Die sich gegenüberliegenden, zu verbindenden Oberflächen können planare oder auf sonstige Weise im wesentlichen kongruente Flächen aneinander angrenzender oder zueinander benachbarter Körper, wie z. B. von Platten, Scheiben, Blöcken, Würfeln, Stangen oder dergleichen, die geformt sein können, es aber nicht sein müssen, aufweisen. Wenn es gewünscht wird, kann einer oder können alle der keramischen Körper keramische Verbundkörper sein, die aus keramischem Füllstoffmaterial, das in eine keramische Matrix eingebettet ist, bestehen. Der Hinweis, daß die sich gegenüberliegenden Oberflächen "im wesentlichen kongruent" sind, bedeutet hierin und in den Ansprüchen nicht, daß die sich gegenüberliegenden Oberflächen eine perfekte oder geometrische Kongruenz aufweisen müssen, sondern es reicht aus, daß sie sich parallel über eine Fläche erstrecken, die ausreicht, daß eine im wesentlichen koplanare Bindungszone zwischen ihnen festgelegt wird. Weiterhin müssen die Flächen nicht eben sein, sondern sie können auch gebogen sein, so daß z. B. die Oberfläche des einen Körpers konkav und die des anderen Körpers konvex ist, wodurch zueinander passende oder koplanare Oberflächen bereitgestellt werden. Die Dicke der Bindungszone kann ziemlich gering sein, z. B. von ungefähr 50-80 um bis ungefähr 250 um (2-3 Tausendstel bis ungefähr 10 Tausendstel eines Inch) reichen, oder sie kann größer sein.
• Die Verbindung wird durch ein Oxidationsreaktionsprodukt bewirkt, das durch die Oxidation eines kohärenten Körpers aus Vorläufermetall (Grundmetall) gebildet wird, der so zur Bindungszone angeordnet ist, daß das Oxidationsreaktionsprodukt, das sich aus dem Vorläufermetall bildet, die zueinander benachbarten Oberflächen überbrückt und verbindet. Am Anfang des Verbindungsprozesses können sich die zueinander benachbarten Oberflächen in Kontakt miteinander (oder mit einem Körper aus Vorläufermetall) befinden, oder sie können etwas voneinander getrennt sein, oder sie können mit einem kleinen Winkel zueinander angeordnet sein, so daß ein schmaler Spalt auf einer Seite der Bindungszone erzeugt wird. Es kann ein Promotermaterial und/oder das Vorläufermetall zwischen den zueinander benachbarten Oberflächen gelagert sein, muß aber nicht unbedingt. Zum Beispiel kann das Vorläufermetall als eine Folie oder ein Blech bereitgestellt werden, das zusammen mit zusätzlichem Raum zwischen den zueinander benachbarten Oberflächen gelagert ist, oder es kann als ein oder mehrere Körper aus Vorläufermetall außerhalb der Bindungszone, aber an diese angrenzend, angeordnet werden, z. B. direkt neben einem Teil des Umfangs oder neben dem gesamten Umfang der Bindungszone. Besonders im letzteren Fall beginnt das Wachstum oder die Entwicklung des Oxidationsreaktionsprodukts aus dem Körper aus Vorläufermetall von einem Ursprungspunkt außerhalb der Bindungszone und schreitet in Richtung der Bindungszone und zumindest teilweise durch diese hindurch voran. Im Endeffekt erreicht das Wachstum des Oxidationsreaktionsprodukts dasjenige und erstreckt sich zumindest teilweise in dasjenige hinein, was lediglich ein Riß oder eine Fuge zwischen zwei keramischen Körpern sein kann, deren koplanare Oberflächen sich in engem oder direktem Kontakt befinden.
• Dieses Wachstumsphänomen läßt sich, ohne daß man sich auf eine spezielle Theorie festlegen möchte, unter Bezugnahme auf den Inhalt der EP-A-1 55831 erklären. Gemäß der darin offengelegten Erfindung wird ein Metallvorläufer, z. B. Aluminium (das als Grundmetall bezeichnet wird), in Gegenwart eines Dampfphasenoxidationsmittels, z. B. Luft, unter Bildung eines Körpers aus schmelzflüssigem Grundmetall auf eine Temperatur oberhalb seines Schmelzpunkts, aber unterhalb des Schmelzpunkts des Oxidationsreaktionsprodukts erhitzt. Im Falle eines Aluminium- Vorläufermetalls und Luft als dem Oxidationsmittel liegt dieser Temperaturbereich typischerweise im Bereich von ungefähr 850 bis 1450ºC. Das schmelzflüssige Grundmetall wird mit dem Dampfphasenoxidationsmittel unter Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts umgesetzt, welches zumindest teilweise in Kontakt mit dem Körper aus schmelzflüssigem Grundmetall und dem Dampfphasenoxidationsmittel gehalten wird und sich zwischen diesen erstreckt. In diesem Temperaturbereich wird schmelzflüssiges Grundmetall durch das zuvor gebildete Oxidationsreaktionsprodukt in Richtung auf das Dampfphasenoxidationsmittel transportiert. Beim Kontakt des schmelzflüssigen Grundmetalls mit dem Dampfphasenoxidationsmittel an der Grenzfläche zwischen dem Dampfphasenoxidationsmittel und zuvor gebildetem Oxidationsreaktionsprodukt wird es durch das Dampfphasenoxidationsmittel oxidiert, und dadurch wächst oder bildet sich ein(e) zunehmend dickere(r) Schicht oder Körper aus Oxidationsreaktionsprodukt. Der Prozeß wird für eine Zeit fortgesetzt, die ausreicht, einen keramischen Körper herzustellen, der aus einem polykristallinen Oxidationsreaktionsprodukt besteht (und auch in sich verbundene metallische Bestandteile einschließlich nichtoxidierten Grundmetalls enthalten kann). Jedoch kann der Prozeß durchgeführt werden, bis das gesamte oder beinahe das gesamte in sich verbundene Metall oxidiert ist und sich Hohlräume oder Porosität im Körper entwickeln. Der Prozeß kann durch die Verwendung eines einlegierten Dotierungsmittels verstärkt werden, wie im Falle eines Grundmetalls aus Aluminium, das mit Luft unter Verwendung von Silizium und Magnesium als Dotierungsmitteln oxidiert wird. Dieses Verfahren wurde durch die Verwendung äußerlich auf die Oberfläche des Vorläufermetalls aufgetragener Dotierungsmittel verbessert, wie in der EP-A-1 69067 offengelegt ist.
• Die Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch das Wachstum des Reaktionsprodukts der Oxidation eines Vorläufermetalls mit einem Dampfphasenoxidationsmittel in einer Bindungszone und/oder in eine Bindungszone hinein, die zwischen zwei keramischen Körpern vorliegt, bewirkt. Die Anordnungen aus den keramischen Körpern und einem Körper aus Vorläufermetall, bei denen die Körper zunächst zusammengeleimt sein müssen, werden in einen Schmelzofen gegeben, der mit einem Dampfphasenoxidationsmittel, z. B. Luft, beschickt ist.
• Diese Art der Verbindung muß klar von anderen Verbindungsprozessen unterschieden werden, bei denen die Verbindung durch das Anwenden äußeren Druckes auf zwei Körper bewirkt wird, zwischen denen ein verbindendes Metall angeordnet ist und/oder bei denen eine schmelzflüssige metallische Substanz als ein Netzmittelfilm für die Verbindung eines Metalls mit einem Keramikmaterial fungiert.
• Derartige Prozesse werden in mehreren Veröffentlichungen beschrieben. In der GB-A- 761045 wird die Verbindung von Keramikmaterialien mit Kupfer in einer neutralen oder schwach oxidierenden Atmosphäre beschrieben, die so gesteuert wird, daß sich, ehe der verbundene Gegenstand aus dem Schmelzofen entfernt wird, keine überschüssige Menge an Kupferoxid bildet. Eine zunächst gebildete Haut aus Kupferoxid dient dazu, die Oberflächenspannung des schmelzflüssigen Kupfers herabzusetzen. Durch den während des Prozesses angewandten Druck kann die letztendliche Dicke der Verbindung gesteuert werden. Der Verbindungsprozeß ist dem Prozeß eines Hartlötens, Weichlötens oder Schweißens ähnlich. Es erfolgt während der Verbindung weder ein Wachstum eines Oxidationsreaktionsprodukts in der Bindungszone, noch wird ein Oxidationsreaktionsprodukt gebildet, das die keramischen Körper durch ein Überbrücken der Bindungszone aneinanderbindet.
• Die FR-A-21 81049 beschreibt einen Prozeß, bei dem die Verbindung eines Metalls, z. B. Kupfer, Nickel, Kobalt und Eisen, mit einem Keramikmaterial durch das Ausbilden eines Eutektikums, das unterhalb des Schmelzpunkts des Metalls schmilzt, auf der Oberfläche des Metalls und durch das Abkühlen und Wiederverfestigen der verbundenen Anordnung bewirkt wird. Das Eutektikum wird durch das Metall und ein Produkt der Reaktion des Metalls mit einem Bestandteil einer sorgfältig kontrollierten dotierten Atmosphäre gebildet. Es erfolgt während der Verbindung kein Wachstum eines Oxidationsreaktionsprodukts in der Bindungszone, und es wird keine Überbrückung der Bindungszone durch irgendein Oxidationsreaktionsprodukt beobachtet.
• Die EP-A-1 35937 beschreibt ein Verfahren zur Verbindung von Aluminiumoxid mit einem Metall durch Einführen eines Bleches aus Aluminium oder einer Legierung auf Aluminiumbasis zwischen das Aluminiumoxid und das Metall und das anschließende Erhitzen und Pressen der gebildeten Anordnung. Das Erhitzen erfolgt normalerweise in einer inerten Atmosphäre, und es werden für die Verbindung beträchtliche Drucke um 0,2 bis 2 kgf/mm² angewandt. Es wird kein Oxidationsreaktionsprodukt gebildet, das die Bindungszone zwischen zwei keramischen Körpern, die verbunden werden sollen, überbrückt.
• Zwar wird die vorliegende Erfindung detailliert im Hinblick auf Aluminium-Vorläufermetalle beschrieben, aber es können auch andere Vorläufermetalle, wie z. B. Titan, Zinn, Zirkonium, Hafnium und Silizium, bei der Anwendung der Erfindung verwendet werden. In Abhängigkeit vom eingesetzten Dampfphasenoxidationsmittel kann das Oxidationsreaktionsprodukt z. B. Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zinnoxid, Siliziumkarbid, Titannitrid, Zirkoniumnitrid oder Hafniumnitrid aufweisen.
• Es können alle geeigneten keramischen Produkte als die keramischen Körper, die miteinander verbunden werden sollen, verwendet werden, wie z. B. Metalloxide , -boride, -karbide oder -nitride, die gepreßt und gesintert oder durch sonstige konventionelle Verfahren verarbeitet wurden. Zu geeigneten keramischen Körpern, die für die Anwendung dieser Erfindung nützlich sind, gehören z. B. solche Körper, die Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Titandiborid, Titannitrid oder Kombinationen davon aufweisen. Die Zusammensetzung der keramischen Körper ist in erster Linie von nichtmetallischer und anorganischer Art. Wenn die keramischen Körper relativ dicht sind, d. h. eine niedrige Porosität aufweisen, dann kann die Verbindungsoberfläche eines Körpers oder beider Körper chemisch angeätzt oder mechanisch behandelt werden, wie z. B. durch Sandstrahlen, um der Zone bzw. den Zonen, die an die Oberfläche(n) angrenzt bzw. angrenzen, eine rauhere Oberflächenstruktur zu verleihen und dadurch die Verbindung zu verbessern:
• Das Folgende bezieht sich auf die Zeichnungen. Die Fig. 1, 1A und 1B zeigen einen ersten keramischen Körper 10, der benachbart zu einem zweiten keramischen Körper 12 angeordnet ist, wobei sich ein Körper 14 aus einer Folie aus Vorläufermetall zwischen den keramischen Körpern befindet. In den schematischen Zeichnungen ist die Dicke des Folienkörpers 14 im Vergleich zur Dicke der keramischen Körper 10 und 12 nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, sondern so, daß alles möglich klar wird. Zum Beispiel kann der Körper 14 aus Vorläufermetall im Vergleich zu den keramischen Körpern viel dünner sein, als es dargestellt ist. So kann der Folienkörper 14 130 um (0,005 in) dick sein, oder im Falle eines Bleches kann er von 250 bis 510 um (0,010 bis 0,020 in) dick sein, und die keramischen Körper 10 und 12 können jeder mindestens ungefähr 1,6 mm (1/16 in) dick oder mehrere Inch dick oder noch erheblich dicker sein.
• Allgemein kann das Vorläufermetall, das bei der Anwendung der Erfindung eingesetzt werden kann, in jeder beliebigen geeigneten Form vorliegen, z. B. als Folie, Blech, Platte, Draht, Stange, Scheibe oder dergleichen. In einer gegebenen Anordnung kann ein Stück oder können mehrere getrennte Stücke oder Körper aus Vorläufermetall zum Einsatz kommen. Zum Beispiel kann ein Verkleidungsübergang aus Vorläufermetall, wie z. B. eine Folie, an seinen gegenüberliegenden Seiten durch Stücke aus Draht aus Vorläufermetall flankiert sein und mit einem Zwischenraum an der Verbindungsstelle der keramischen Körper angeordnet sein. Bei einem anderen Beispiel kann das als Folie oder Blech vorliegende Metall umgefaltet sein (eine U- förmige Biegung, siehe Fig. 3), um die Dicke des Metalls an der Verbindungsstelle der keramischen Körper zu verdoppeln.
• Der Folienkörper 14 erstreckt sich in der gleichen Richtung wie die zu verbindenden, im wesentlichen kongruenten Oberflächen 10a und 12a der keramischen Körper 10 und 12, wie am deutlichsten aus den Fig. 1A und 1B hervorgeht. Die sich gegenüberliegenden Oberflächen 10a und 12a definieren zwischen sich eine Bindungszone. Die Hauptoberflächen des Folienkörpers 14 können chemisch oder mechanisch gereinigt worden sein, um einen Oxidfilm von diesen Oberflächen zu entfernen. Ein Promoter, der dazu dient, die Oxidation des Vorläufermetalls unter Bildung von Oxidationsreaktionsprodukt, wie unten beschrieben, zu erleichtern, kann an einer Grenzfläche oder an beiden Grenzflächen zwischen dem Folienkörper 14 und den jeweiligen zu verbindenden Flächen 10a und 12a eingesetzt werden. Ein derartiger Einsatz eines Promotermaterials wird in den Fig. 1, 1A und 1B durch die Schichten 16a und 16b aus Promotermaterial veranschaulicht, wobei deren Dicke zum Zwecke einer besseren Klarheit stark übertrieben ist. Geeignete Promotermaterialien können auf eine oder auf beide Hauptfläche(n) des Folienkörpers 14 und/oder auf eine oder auf beide der zu verbindenden Oberflächen 10a und 12a aufgetragen werden. Zu Promotermaterialien, die für die Anwendung in der Erfindung nützlich sind, gehören eine Quelle oder mehrere Quellen für Magnesium, Zink, Silizium, Germanium, Zinn, Blei, Bor, Natrium, Lithium, Kalzium, Phosphor, Yttrium und Seltenerdmetalle. Die Quelle für diese Materialien kann aus dem Metall selbst bestehen, aus Legierungen der Metalle untereinander oder mit anderen Metallen, wie z. B. dem Vorläufermetall, oder aus Verbindungen der Metalle oder von zwei oder mehreren der Metalle, wie z. B. Oxiden, Silikaten und dergleichen. Die Quelle für das Promotermaterial kann zusammen mit dem Vorläufermetall verwendet werden, indem sie mit dem Vorläufermetall legiert ist, als Überzug darauf angebracht ist oder auf andere Weise in enge Nachbarschaft zu ihm gebracht worden ist oder durch eine Kombination derartiger Techniken. Zum Beispiel kann das Promotermaterial in Teilchenform auf eine oder mehrere Oberfläche(n) des Vorläufermetalls oder auf eine oder mehrere der keramischen Oberflächen aufgetragen werden. Teilchen aus Promotermaterial können in einem geeigneten Bindemittel oder Träger dispergiert und auf die zu verbindenden Oberflächen oder auf die Metalloberflächen aufgetragen werden, wie es als 16a und 16b gezeigt ist. Der Träger oder das Bindemittel ist normalerweise von organischer Art, wie z. B. Polyvinylalkohol, der während des Prozesses verdampft und/oder verbrennt und somit ausgetrieben wird.
• Die Oxidation des Folienkörpers 14 aus Vorläufermetall wird durchgeführt, indem die Anordnung aus Fig. 1 auf einen Temperaturbereich über dem Schmelzpunkt des Vorläufermetalls, aber unter dem Schmelzpunkt des Oxidationsreaktionsprodukts, das aus ihm beim Kontakt des schmelzflüssigen Vorläufermetalls mit einem geeigneten Dampfphasenoxidationsmittel gebildet wird, erhitzt wird. Dieser Temperaturbereich kann z. B. im Falle von Aluminium als Vorläufermetall in Luft von ungefähr 800 bis 1450ºC reichen, besser von 900 bis 1350ºC. Es kann ein geeignetes Promotermaterial auf der Oberfläche des Folienkörpers 14 eingesetzt werden. In der Praxis kann die Anordnung aus Fig. 1 in einen Schmelzofen gegeben werden, der belüftet oder auf sonstige Weise ausgerüstet ist, daß ein Dampfphasenoxidationsmittel in ihm zirkulieren kann. Die Anordnung wird auf den erforderlichen Temperaturbereich erhitzt und bei dieser Temperatur für eine Zeitdauer gehalten, die ausreicht, das Oxidationsreaktionsprodukt wachsen oder sich entwickeln zu lassen und daß es die Oberflächen 10a und 12a überbrückt und verbindet, wodurch es die keramischen Körper 10 und 12 miteinander verbindet. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Folie 14 aus Vorläufermetall eine Vorläuferfolie aus Aluminium, und die keramischen Körper 10 und 12 bestehen aus α-Aluminiumoxid, das sich beim Hochtemperatursintern von Pulvern bildet. Zum Beispiel wurden sieben solcher Anordnungen, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, hergestellt, wobei zwei keramische Körper, die 10 und 12 entsprechen und aus Aluminiumoxid (AD-85 von Coors Porcelain Co., Golden, CO) bestehen, die jeder ungefähr 19 mm (3/4 in) pro Seite lang Coors Porcelain Co., Golden, CO) bestehen, die jeder ungefähr 19 mm (3/4 in) pro Seite lang waren, miteinander verbunden wurden. Bei jeder dieser sieben Anordnungen wurde ein anderes Promotermaterial eingesetzt, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Ni, Mn&sub3;O&sub4;, ZnO, TiC, ZrN, CuO und Fe&sub2;O&sub3; besteht. Ein Teil der Aluminiumfolie 14, die aus einer Aluminiumlegierung bestand, die 10 Gewichtsprozent Si und 3 Gewichtsprozent Magnesium enthielt, wobei der Rest Aluminium war, wurde auf beiden Seiten mit einer Mischung aus 50 Gewichtsprozent des jeweiligen Promotermaterials und 50 Gewichtsprozent Natriumsilikat beschichtet. Das beschichtete Blech wurde dann zwischen die oben erwähnten Aluminiumoxidblöcke gegeben, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.
• Die sieben Anordnungen wurden in den mit Luft beschickten Schmelzofen gegeben und innerhalb von 30 Minuten auf 600ºC erhitzt. Die Temperatur des Schmelzofens wurde 1 Stunde bei 600ºC gehalten und dann in 25 Minuten auf 1100ºC erhöht. Die Temperatur des Schmelzofens wurde 1 Stunde bei 1100ºC gehalten und dann auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die einzelnen Anordnungen wurden aus dem Schmelzofen entfernt. Bei ihrer Untersuchung zeigte sich, daß jedes der Folienbleche unter Ausbildung einer keramischen Verbindung oxidiert war, und somit waren die beiden Aluminiumoxidblöcke miteinander verbunden.
• Das Folgende bezieht sich auf die Fig. 2. Ein feuerfestes Schiffchen 18 enthält ein Bett 20 aus einem Material, das ein teilchenförmiges Material aufweist, das unter den Temperaturbedingungen des Verbindungsprozesses durch das Vorläufermetall nicht benetzt wird. Im Bett 20 eingebettet ist ein Paar keramischer Körper 22 und 24, die mit ihren jeweiligen zu verbindenden und im wesentlichen kongruenten Oberflächen aneinandergrenzen, so daß sie zwischen sich eine Bindungszone 26 definieren. Die keramischen Körper 22 und 24 sind beide von rechteckiger Plattenform oder von ziegelartiger Form, wobei ihre zu verbindenden Oberflächen im wesentlichen flach sind. Ein oder mehrere Gußkörper oder Barren aus dem Vorläufermetall, wie z. B. die rechteckigen, plattenförmigen Körper 28 und 30 aus Vorläufermetall, sind an gegenüberliegende Segmente der Peripherie der Bindungszone 26 angrenzend angeordnet. Die Körper aus Keramik und Vorläufermetall sind im Bett 20 eingebettet, das für ein Dampfphasenoxidationsmittel, wie z. B. Luft, permeabel ist. Die Oberflächen, zwischen denen die Bindungszone 26 gebildet ist, können ein auf sie aufgetragenes Promotermaterial aufweisen.
• In der Fig. 2A ist ein Teil des keramischen Körpers 22 weggebrochen, um die zu verbindende Oberfläche 24a des keramischen Körpers 24 zu zeigen, wobei die Oberfläche 24a einer entsprechenden zu verbindenden Oberfläche (die in Fig. 2A nicht sichtbar ist) des keramischen Körpers 22 gegenüberliegt, so daß die Bindungszone 26 definiert wird. Die Peripherie der Bindungszone 26 wird durch die jeweiligen zusammenpassenden Ränder der keramischen Körper 22 und 24 gebildet und wird in Fig. 2A durch die Linien 26a, 26b, 26c und 26d angegeben.
• Die Anordnung aus Fig. 2 wird in einen geeigneten Schmelzofen gegeben und, wie oben bei den Ausführungsformen der Fig. 1A und 1B beschrieben, bis auf eine Temperatur innerhalb eines bestimmten Bereiches erhitzt. Das schmelzflüssige Vorläufermetall, das aus den Körpern 28 und 30 erhalten wird, wird durch den Kontakt mit dem Dampfphasenoxidationsmittel, d. h. der Umgebungsluft, oxidiert, das das Bett 20 durchdringt und mit dem schmelzflüssigen Vorläufermetall in Kontakt tritt und es unter Bildung eines Oxidationsreaktionsprodukts oxidiert, das sich in der und durch die Bindungszone 26 entwickelt, oder zumindest über einen beträchtlichen Teil der Fläche der sich gegenüberliegenden Oberflächen, die die Bindungszone definieren, wodurch es die sich gegenüberliegenden zu verbindenden Oberflächen überbrückt und sie und ihre dazugehörigen keramischen Körper 22 und 24 aneinanderbindet. Die keramischen Körper, die typischerweise zum großen Teil oder vollständig aus feuerfesten Bestandteilen bestehen, halten das Erhitzen auf den vorher erwähnten Temperaturbereich leicht aus. Nachdem die Reaktion für eine Zeit abgelaufen ist, die ausreicht, den keramischen Körper 22 mit dem keramischen Körper 24 durch das Oxidationsreaktionsprodukt zu verbinden, läßt man die Anordnung abkühlen, und die verbundenen keramischen Körper werden aus der Einbettung 20 entfernt. Überschüssiges Vorläufermetall, wenn solches vorhanden ist, das auf den Oberflächen der verbundenen keramischen Körper festgeworden ist, kann auf beliebige mechanische oder chemische Weise entfernt werden.
• Das Folgende bezieht sich auf die Fig. 3. Es wird eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei welcher der keramische Körper 32, der von flacher, platten- oder ziegelartiger Form ist, senkrecht angeordnet ist, wobei eine seiner Schmalseiten durch einen waagrecht angeordneten keramischen Körper 34 abgestützt ist, so daß zwischen den sich gegenüberliegenden Oberflächen eine Bindungszone definiert wird, die allgemein als 35 bezeichnet ist. Ein Körper 36 aus Vorläufermetall, wie z. B. eine Folie oder ein Blech, ist U-förmig gefaltet, so daß eine Doppelschicht aus Folie entsteht, und wird zwischen die keramischen Körper 32 und 34 gegeben. Der gefaltete Metallkörper 36 wird zunächst mit einer Schicht 38 aus einem Promotermaterial überzogen, wie z. B. mit Siliziumteilchen, die durch Besprühen der Oberfläche des Folienkörpers 36 mit einer Suspension aus feinen Siliziumteilchen in einem geeigneten flüssigen Trägerstoff aufgetragen werden können. Das Silizium dient als Promoter für die Oxidation eines Vorläufermetalls, wie z. B. eines Aluminium-Vorläufermetalls. Die Anordnung aus Fig. 3 wird auf eine Weise verarbeitet, die der oben beschriebenen ähnlich ist, um die keramischen Körper 32 und 34 miteinander zu verbinden.
• Die Fig. 4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der drei keramische Körper 40, 42 und 44, die alle von flacher, platten- oder ziegelsteinartiger Form sind, mit einem Folienkörper 46 aus Vorläufermetall zusammengebaut sind, der zwischen einer Schmalseite des keramischen Körpers 40 und dem keramischen Körper 42 angeordnet ist und sich parallel zu diesen erstreckt, und mit einem Folienkörper 48 aus Vorläufermetall, der zwischen den keramischen Körpern 42 und 44 angeordnet ist und sich parallel zu diesen erstreckt. Wie bei der Ausführungsform aus Fig. 3 ist der keramische Körper 40 senkrecht auf einem waagrecht gelagerten keramischen Körper 42 angeordnet. Dadurch ist eine Bindungszone, die allgemein als 50 bezeichnet ist, zwischen den sich gegenüberliegenden, im wesentlichen kongruenten Oberflächenbereichen des keramischen Körpers 40 und des keramischen Körpers 42 definiert, und auf ähnliche Weise wird eine Bindungszone, die allgemein als 51 bezeichnet ist, zwischen dem keramischen Körper 42 und dem keramischen Körper 44 gebildet.
• Die Körper 46 und 48 aus einer Folie oder aus einem Blech aus Vorläufermetall können aus -einem Aluminium-Vorläufermetall bestehen, und ein Teil ihrer Oberflächen oder alle Oberflächen, und/oder ein Teil der zu verbindenden Oberflächen oder die ganzen zu verbindenden Oberflächen der keramischen Körper 40/42 und 42/44 können geeignete Promotermaterialien, die auf sie aufgetragen wurden, aufweisen. Beim Erhitzen der Anordnung aus Fig. 4 zum Schmelzen der Körper 46 und 48 aus Vorläufermetall in einer oxidierenden Umgebung werden die Körper aus Vorläufermetall unter Bildung von Oxidationsreaktionsprodukt mit den Bindungszonen 50 und 51 oxidiert und verbinden dadurch den keramischen Körper 40 mit dem keramische Körper 42 und den keramische Körper 42 mit dem keramischen Körper 44.
• Die Anwendung der Erfindung wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.
Beispiel 1
• Es wurden Anordnungen des in Fig. 3 illustrierten Typs hergestellt, außer daß eine einzelne Schicht aus Aluminiumlegierung, die 10 Gewichtsprozent Silizium und 3 Gewichtsprozent Magnesium enthielt und ungefähr 250 um (0,01 in) dick war und keinen Promoter aufwies, anstelle der Silizium-beschichteten gefalteten Folie als Körper aus Vorläufermetall eingesetzt wurde. Keramikblöcke, die den keramischen Körpern 32 und 34 entsprachen, wurden wie in Fig. 3 mit einer Schicht aus einer einzelnen Folie zwischen den Blöcken so angeordnet, daß die Folie nicht größer war als die Bindungszone, die zwischen den Blöcken definiert war. In diesem Beispiel und allen folgenden Beispielen hatten die Hauptflächen der Blöcke, wenn nichts anderes angegeben wird, Abmessungen von ungefähr 25 mm mal 13 mm (1 in mal ½ in), und die Blöcke waren ungefähr 13 mm (½ in) dick und bestanden aus Coors Aluminiumoxid (AD-85).
• Drei Anordnungen wurden in einen Schmelzofen gegeben und 24 Stunden in Luft auf Temperaturen von 800, 900 und 1150ºC erhitzt, um den Körper aus der Folie aus Aluminium- Vorläufermetall zu einem Oxidationsreaktionsprodukt aus Aluminiumoxid zu oxidieren und die keramischen Blöcke dadurch zu verbinden. Die Stabilität der Verbindung wurde für alle drei als gut erachtet, was zeigte, daß eine Verbindung sogar ohne Promotoren erzielt werden kann.
Beispiel 2
• Es wurde eine Anordnung aus keramischen Blöcken und Silizium-beschichtetem Vorläufermetall wie in Fig. 3 illustriert hergestellt. Das Vorläufermetall bestand aus der gleichen Aluminiumlegierung wie in Beispiel 1 und war ungefähr 250 um (0,01 in) dick. Die als Brei auf eine Seite von ihm aufgetragene Siliziumschicht war 100 um (0,004 in) dick. Das Silizium-beschichtete Metall wurde umgefaltet und eine Anordnung wie in Fig. 3 hergestellt, wobei die Silizium- Beschichtung auf der Innenseite des gefalteten Metalls lag. Am Anfang wurden die Komponenten durch Auftragen von Elmers Holzleim an Ort und Stelle gehalten. Die zusammengeklebte zusammengeklebte Anordnung wurde 24 Stunden in Luft auf 1150ºC erhitzt. Das fertige Produkt wies eine Verbindung guter Stabilität auf.
Beispiel 3
• Ein Block aus Vorläufermetall, das aus einer als "380.1" bezeichneten Aluminiumlegierung bestand (von Belmont Metals, mit einer angegebenen Zusammensetzung von nominal 8-8,5 Gewichtsprozent Si, 2-3 Gewichtsprozent Zn und 0,1 Gewichtsprozent Mg als aktiven Dotierungsmitteln, 3,5 Gewichtsprozent Cu sowie Fe, Mn und Ni, wobei der wirkliche Mg-Gehalt allerdings manchmal etwas höher war und im Bereich von 0,17-0,18 Gewichtsprozent lag) und Abmessungen von 25 mm (1 in) Länge mal 13 mm (½ in) Breite mal 13 mm (½ in) Dicke hatte, wurde in ein Stützbett aus feuerfesten Fasern (Wollastonit, ein mineralisches Kalziumsilikat, Reinheit FP, von Nyco Inc.), das in einem feuerfesten Schiffchen enthalten war, gegeben, so daß eine Seite von 25 mm mal 13 mm (1 in mal ½ in) der Atmosphäre ausgesetzt war und im wesentlichen bündig mit der Oberfläche des Stützbettes abschloß, während die übrigen fünf Seiten des Vorläufermetalls unter die Oberfläche des Stützbettes untergetaucht waren. Zwei blockförmige Körper aus Aluminiumoxid (Coors AD-85, von Coors Porcelain Co., Golden, CO), die beide 25 mm (1 In) lang, 13 mm (½ in) breit und 13 mm (½ in) dick waren, wurden so angeordnet, daß eine quadratische Seite von 13 mm (½ in) Kantenlänge eines Blockes derjenigen des anderen Blockes benachbart war, wobei ein Spalt oder eine Bindungszone von 1,6 mm (1/16 in) zwischen ihnen lag.
• Der oben beschriebene Aufbau wurde in einen mit Luft beschickten Schmelzofen gegeben und innerhalb von 3 Stunden auf 1100ºC erhitzt. Die Temperatur des Schmelzofens wurde 15 Stunden lang bei 1100ºC gehalten und wieder auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Der Aufbau wurde aus dem Schmelzofen entfernt, und das resultierende Produkt wurde geborgen.
• Die Untersuchung des geborgenen Produkts ergab, daß die beiden Körper aus Aluminiumoxid verbunden worden waren. Es hatte sich eine keramische Verbindung aus Aluminiumoxid, die aus dem Produkt der Oxidationsreaktion des Vorläufermetalls mit Luft bestand, in der Bindungszone zwischen den sich gegenüberliegenden Seiten von 13 mm (½ in) im Quadrat der Körper aus Aluminiumoxid gebildet. Die Fig. 5 ist eine Fotografie, die die keramische Verbindung 2 zwischen den Aluminiumoxidblöcken 4 und 6 zeigt. Die Fig. 6 ist eine mikroskopische Aufnahme bei 50facher Vergrößerung, die dieselben Körper aus Aluminiumoxid und die Verbindung zeigt.
• Das Produkt mit der Verbindung wurde geschliffen, so daß die Oberflächen der keramischen Verbindung bündig mit den Oberflächen der verbundenen Körper aus Aluminiumoxid abschlossen. Das geschliffene Produkt wurde dann getestet (4-Punkt-Biegung), um die Stabilität der Verbindung zu prüfen. Das Produkt mit der Verbindung brach bei 55 MPa (800 lbs/in²) über die Breitseite eines der Körper aus Aluminiumoxidkeramik und nicht an der gebildeten keramischen Verbindung.

Claims (16)

1. Verfahren zum Verbinden von keramischen Körpern entlang von im wesentlichen kongruenten Oberflächen, ohne daß ein externer Druck angewandt wird, wobei das genannte Verfahren umfaßt:

(a) Anordnen wenigstens eines ersten keramischen Körpers sowie eines zweiten keramischen Körpers benachbart zueinander, so daß eine Gruppe von keramischen Körpern gebildet wird, bei der eine erste im wesentlichen kongruente Oberfläche des genannten ersten Körpers einer zweiten im wesentlichen kongruenten Oberfläche des genannten zweiten Körpers gegenüberliegt, so daß dazwischen eine Bindungszone definiert wird;

(b) Anordnen eines Körpers eines Vorläufermetalls relativ zu der genannten Bindungszone, so daß ein Oxidationsreaktionsprodukt, das aus dem genannten Vorläufermetall in der nachfolgenden Stufe (c) erhalten wird, in der genannten Bindungszone gebildet wird;

(c) Erhitzen der genannten Gruppe von keramischen Körpern und des genannten Körpers aus Vorläufermetall in Gegenwart eines Dampfphasenoxidationsmittels auf einen Temperaturbereich oberhalb des Schmelzpunkts des genannten Vorläufermetalls und unterhalb des genannten Schmelzpunkts des genannten Oxidationsreaktionsprodukts, um einen Körper aus schmelzflüssigen Vorläufermetall zu schaffen; und

(d) innerhalb des genannten Temperaturbereichs,

(i) Umsetzen des genannten Dampfphasenoxidationsmittels mit dem genannten schmelzflüssigen Vorläufermetall, um das genannte Oxidationsreaktionsprodukt zu bilden;

(ii) Halten wenigstens eines Teils des genannten Oxidationsreaktionsprodukts im Kontakt mit und zwischen dem genannten schmelzflüssigen Vorläufermetall und dem genannten Oxidationsmittel, um fortgesetzt schmelzflüssiges Vorläufermetall aus dem genannten Körper durch das Oxidationsreaktionsprodukt und in die genannte Bindungszone hinein zu saugen; und

(iii) Fortsetzen einer derartigen Umsetzung für eine Zeit, die ausreicht, die genannte Bindungszone mit dem genannten Oxidationsreaktionsprodukt zu überbrücken und dadurch die genannten ersten und zweiten im wesentlichen kongruenten Oberflächen aneinander zu binden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die genannten ersten und zweiten keramischen Körper ein Material umfassen, daß aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus keramischen Oxiden, Boriden, Carbiden und Nitriden besteht und wobei das Dampfphasenoxidationsmittel ein sauerstoffenthaltendes Gas umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die genannten ersten und zweiten keramischen Körper Aluminiumoxid umfassen.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das genannte Dampfphasenoxidationsmittel Luft umfaßt.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, das außerdem die Orientierung des genannten Körpers aus Vorläufermetall umfaßt, indem man ihn an einer Peripherie der genannten Bindungszone anordnet.

6. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, das außerdem das Anordnen der genannten keramischen Körper mit den genannten ersten und zweiten im wesentlichen kongruenten Oberflächen mit einem kleinen Winkel gegeneinander geneigt umfaßt.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, das außerdem die Orientierung des genannten Körpers an Vorläufermetall dadurch umfaßt, daß man ihn innerhalb der genannten Bindungszone anordnet.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der genannte Körper aus Vorläufermetall als Schicht zwischen den beiden genannten ersten und zweiten im wesentlichen kongruenten Oberflächen angeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem die Förderung der genannten Oxidationsreaktion dadurch umfaßt, daß man in Verbindung mit dem genannten Vorläufermetall ein Promotor- Material verwendet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das genannte Vorläufermetall ein Aluminium-Vorläufermetall umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das genannte Promotor-Material ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus wenigstens einem von einer Quelle von Magnesium, Zink, Silicium, Germanium, Zinn, Blei, Bor, Natrium, Lithium, Calcium, Phosphor, Yttrium und Seltenerdmetallen besteht.

12. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem wenigstens einer von den genannten ersten und zweiten keramischen Körpern einen keramischen Verbundkörper umfaßt, der ein Füllstoffmaterial aufweist, das von einer Keramikmatrix eingebettet ist.

13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 10, bei dem der genannte Temperaturbereich von etwa 800ºC bis etwa 1450ºC beträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Vorläufermetall ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Titan, Zinn, Zirconium, Hafnium und Silicium besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Oxidationsreaktionsprodukt ein Oxid, ein Nitrid oder ein Carbid umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das genannte Oxidationsreaktionsprodukt Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zinnoxid, Siliciumcarbid, Titannitrid, Zirconiumnitrid oder Hafniumnitrid umfaßt.